Anordnung mit einer Asynchronmaschine und Verfahren zu deren Betrieb

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Asynchronma schine mit einem Rotor und einem Stator, wobei die Anordnung in einem Generatorbetrieb zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz eingerichtet ist.

Bekannte Energieerzeugungsanlagen, die üblicherweise mit Tur binen angetrieben werden, sind bei größerer Nennleistung na hezu ausschließlich über Synchrongeneratoren an das Wechsels pannungsnetz gekoppelt. Das Wechselspannungsnetz ist dabei meist ein elektrisches Versorgungs- oder Verteilnetz. Bei Verwendung der Synchronmaschine ist eine mechanische Turbi nenfrequenz auf diejenige der elektrischen Netzfrequenz oder einen ganzzahligen Teiler davon festgelegt. Die feste mecha nische Turbinenfrequenz schränkt die Optimierung des Antriebs bezüglich Wirkungsgrad, Kosten und Leistung maßgeblich ein.

Im Falle von Synchronmaschinen werden zur Übertragung der elektrischen Leitung üblicherweise Voll-Umrichter einge setzt, die jedoch relativ kostenintensiv sind, da die gesamte Leistung über den Voll-Umrichter übertragen wird, der dement sprechend darauf ausgelegt sein muss.

Aus der WO 2006/072498 Al ist es bekannt, eine von einem An trieb angetriebene und doppelt gespeiste Asynchronmaschine als Generator zusammen mit einem Vierquadranten-Umrichter zu verwenden, um elektrischen Drehstrom veränderlicher Frequenz bereitzustellen. Jedoch sind derartige Vierquadranten- Umrichter aufwändig herzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine artgemäße Anordnung vorzuschlagen, die möglichst kostengünstig und flexibel im Einsatz ist. Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Anordnung erfindungsge mäß dadurch gelöst, dass die Asynchronmaschine doppelt ge speist betreibbar ist, wobei die Asynchronmaschine mittels eines modularen Mehrstufenumrichters in Matrixkonfiguration mit dem Wechselspannungsnetz verbindbar ist, wobei der modu lare Mehrstufenumrichter in einem Motorbetrieb der Anordnung zu einem Anfahren der Asynchronmaschine unter Kurzschließen des Rotors oder der Stators eingerichtet ist.

Demnach ist die Asynchronmaschine der erfindungsgemäßen An ordnung eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine (Double Feed Induction Generator, DFIG) . Die Asynchronmaschine ist über den modularen Mehrstufenumrichter in Matrixkonfiguration mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Der modulare Mehrstufen umrichter zeichnet sich durch einen modularen Aufbau aus. Da zu umfasst der modulare Mehrstufenumrichter zweipolige

Schaltmodule, die in Reihe miteinander schaltbar sind, wobei jedes Schaltmodul eine Leistungshalbleiterschaltung sowie ei nen eigenen Energiespeicher umfasst. Jedes der Schaltmodule ist mittels einer Ansteuereinrichtung einzeln ansteuerbar. Eine an einer Reihenschaltung der Schaltmodule abfallende be ziehungsweise anstehende Spannung ist gleich der Summe von Spannungen, die an den zugehörigen Schaltmodulen abfallen be ziehungsweise anstehen. Mittels des modularen Mehrstufenum richters ist eine besonders vorteilhafte stufenförmige Wech selspannung erzeugbar. Matrixkonfiguration ist im vorliegen den Zusammenhang eine Konfiguration des Mehrstufenumrichters, bei der eine mehrphasige ausgangsseitige Wechselspannung am Generator direkt in eine ebenfalls mehrphasige netzseitige Wechselspannung umgewandelt wird, also insbesondere ohne ei nen Gleichspannungszwischenkreis .

Die Verwendung eines modularen Mehrstufenumrichters in Mat rixkonfiguration zur Anbindung eines DFIG an das Wechselspan nungsnetz hat den Vorteil der Skalierbarkeit . Durch seine Skalierbarkeit kann der modulare Mehrstufenumrichter unter Verwendung gleichartiger Komponenten an die jeweilige Anwen dung und die jeweiligen Asynchronmaschine bzw. DFIG angepasst werden. Dies senkt die Kosten der Anordnung. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass der modulare Mehrstufenum richter der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine niedrigere Nennleistung ausgelegt werden muss als der Vollumrichter der bekannten Anordnung, was ebenfalls für einen Kostenvorteil sorgt. Zudem kann durch die bereits beschriebene vorteilhafte Sinusform der mittels des modularen Mehrstufenumrichters erzeugbaren Spannung bzw. Stromes die thermische Beanspru chung der Asynchronmaschine verringert werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch das Anfahren bzw. Hochfahren der Asynchronmaschine bzw. des Turbine- Generator-Systems ermöglicht ist. Dazu ist der modulare Mehr stufenumrichter in einem Motorbetrieb der Anordnung zu einem Anfahren der Asynchronmaschine unter Kurzschließen des Rotors oder der Stators eingerichtet. Mittels einer zweckmäßigen Re gelung ist der Mehrstufenumrichter dazu eingerichtet, in dem Motorbetrieb der Anordnung elektrische Energie dem Wechsels pannungsnetz zu entnehmen und zum Anfahren der Asynchronma schine einzusetzen. Das Anfahren bzw. Hochfahren der Asyn chronmaschine bzw. der angeschlossenen Turbine wird dabei un ter Kurzschließen des Rotors oder des Stators vorgenommen.

Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass der modulare Mehrstufenumrichter in Matrixkonfiguration im We sentlichen nur dann technisch sinnvoll betrieben werden kann, wenn die am Eingang und Ausgang des Mehrstufenumrichters er zeugten Spannungsfrequenzen ausreichend unterschiedlich sind. Bedingt durch die Konfiguration der Anordnung soll beim An fahren der Asynchronmaschine der Mehrstufenumrichter eine Ausgangsspannung mit einer Anfahrfrequenz erzeugen, die der Differenz zwischen der Turbinenfrequenz und der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz entspricht oder nahezu entspricht (wobei der Schlupf zu berücksichtigen ist) . Beim Anfahren ist die Turbinenfrequenz anfänglich null, so dass die Differenz zwischen Turbinenfrequenz und Netzfrequenz gleich oder nahezu gleich der Netzfrequenz ist. Dies aber bedeutet, dass in ei nem solchen Fall die eingangsseitige (im Motorbetrieb auf der Seite des Wechselspannungsnetzes) und die ausgangsseitige (im Motorbetrieb entsprechend auf der Seite der Asynchronmaschi ne) Frequenz der Spannung am Mehrstufenumrichter gleich oder nahezu gleich sind, falls die Asynchronmaschine wie im Gene ratorbetrieb zu deren doppelter Speisung außer über den Mehr stufenumrichter zusätzlich direkt mit dem Wechselspannungs netz verbunden ist. Erst das Kurzschließen des Stators oder des Rotors kann dafür sorgen, dass die Anfahrfrequenz beim Anfahren wesentlich kleiner als die Netzfrequenz sein kann. Das Kurzschließen des Rotors beziehungsweise des Stators wird in diesem Zusammenhang verstanden als ein elektrisches Ver binden, insbesondere niederohmiges Verbinden, der einzelnen Phasen des Rotors beziehungsweise des Stators (bzw. der Ro torwicklungen oder der Statorwicklungen) miteinander, so dass die Phasen untereinander kurzgeschlossen, insbesondere sym metrisch kurzgeschlossen, sind. Speist der Mehrstufenumrich ter beim Anfahren der Asynchronmaschine beispielsweise auf den Rotor, so sorgt erst das Kurzschließen des Stators dafür, dass, zumindest in einer Anfangsphase des Anfahrens eingangs seitig des Mehrstufenumrichters, also im Motorbetrieb auf der Seite des Wechselspannungsnetzes, die Netzfrequenz vorliegt, und ausgangsseitig, also im Motorbetrieb auf der Seite der Asynchronmaschine, anfänglich eine Frequenz null bzw. eine niedrige Anfahrfrequenz benötigt wird. Auf diese Weise kann somit das Anfahren bzw. Hochfahren der Asynchronmaschine mit tels des Mehrstufenumrichters durchgeführt werden, so dass auf zusätzliche Anfahrhilfen, wie beispielsweise auf einen zusätzlichen Anfahrumrichter oder einen speziellen Motor vor teilhaft verzichtet werden kann.

Geeigneterweise ist der modulare Mehrstufenumrichter mit dem Rotor der Asynchronmaschine verbunden. Zugleich ist der

Stator der Asynchronmaschine geeigneterweise über eine eigene Verbindung mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. In einem untersynchronen Generatorbetrieb der Asynchronmaschine be zieht der Rotor über den Mehrstufenumrichter elektrische Aus gleichsenergie aus dem Wechselspannungsnetz. Die von der Asynchronmaschine abgegebene Gesamtenergie wird dabei über den Stator in das Wechselspannungsnetz gespeist. Die Gesamt energie bzw. die entsprechende Gesamtleistung ist höher als die Ausgleichsenergie bzw. Ausgleichsleistung. Aus diesem Grund kann der modulare Mehrstufenumrichter auf eine relativ kleine Nennleistung ausgelegt werden. Gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung ist der modulare Mehrstufenumrichter auf eine Nennleistung ausgelegt, die 20% bis 50% einer Ein gangsnennleistung der Asynchronmaschine beträgt. Die Ein gangsnennleistung entspricht beispielsweise der von einer mit einer Welle der Asynchronmaschine verbundenen Turbine abgege benen mechanischen Nennleistung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der modulare Mehrstufenumrichter mittels geeigneter Schaltvorrichtungen wahlweise mit dem Rotor oder dem Stator der Asynchronmaschine verbindbar. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung wird es möglich gemacht, dass der Mehrstufenumrichter entweder auf den Rotor oder auf den Stator speist. Somit ist es möglich, beim Anfahren der Asynchronmaschine beispielsweise den Rotor kurzzuschließen, während der Mehrstufenumrichter auf den Stator speist. Im Normalbetrieb kann das Kurzschließen des Rotors aufgehoben werden, wobei der Mehrstufenumrichter mit dem Rotor verbunden wird.

Bevorzugt umfasst die Anordnung eine Kurzschliesßvorrichtung zum Kurzschließen des Rotors oder eine Kurzschließvorrichtung zum Kurzschließen des Stators, wobei die Kurzschließvorrich tung wenigstens ein (ggf. geerdetes) Widerstandselement auf weist. Das Kurzschließen erfolgt demnach über einen Wider stand. Beide Varianten, nämlich das Kurzschließen des Stators und das Kurzschließen des Rotors sind auf diese Art reali sierbar. Die Kurzschließvorrichtung kann einen oder mehrere Widerstandselemente in Reihe mit einem geeigneten Kurz schließschalter umfassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stator über die Kurzschließvorrichtung mit Erde verbindbar sein. In einem solchen Fall kann der Mehrstufenum richter zweckmäßigerweise mit dem Rotor verbunden bzw.

verbindbar sein. In einem alternativen Beispiel kann der Ro- tor über die Kurzschließvorrichtung mit Erde verbindbar sein. Zugleich kann der Mehrstufenumrichter zweckmäßigerweise mit tels geeigneter Schaltvorrichtungen mit dem Stator oder dem Rotor verbindbar sein. Der Kurzschließschalter ist insbeson dere dazu geeignet, den Kurzschluss (ggf. über Widerstände) und optional eine Erdung herzustellen bzw. aufzuheben.

In einer bevorzugten Variante umfasst die Kurzschließvorrich tung eine Mehrzahl von Widerstandselementen, die zu einem (ggf. geerdeten) Sternpunkt geschaltet sind. Dies stellt eine besonders wirksame Variante der Kurzschließvorrichtung für eine mehrphasige Wechselspannungsverbindung dar.

Vorzugsweise umfasst der Mehrstufenumrichter eine Mehrzahl von Umrichterarmen, wobei jeder Umrichterarm eine Reihen schaltung zweipoliger Schaltmodule umfasst, wobei jedes der Schaltmodule abschaltbare Leistungshalbleiterschalter sowie einen Energiespeicher aufweist. Jeder Umrichterarm erstreckt sich zweckmäßigerweise zwischen einer Phase eines ersten mehrphasigen Wechselspannungsanschlusses des Mehrstufenum richters und einer Phase eines zweiten mehrphasigen Wechsels pannungsanschlusses des Mehrstufenumrichters. Die Leistungs halbleiterschalter können zum Beispiel IGBT, IGCT oder der gleichen sein.

Vorzugsweise weist der Mehrstufenumrichter einen n-phasigen ersten Wechselspannungsanschluss, der mit der Asynchronma schine verbunden ist, sowie einen m-phasigen zweiten Wech selspannungsanschluss, der mit dem Wechselspannungsnetz ver bunden ist, auf, wobei jede der n Phasen des Wechselspan nungseingangs mit jeder der m Phasen des zweiten Wechselspan nungsanschlusses über genau einen der Umrichterarme verbunden ist. Die Verbindung mit dem Wechselspannungsnetz kann bei spielsweise auch über einen Transformator erfolgen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leistungs halbleiterschalter (kurz: Halbleiterschalter) und der Ener giespeicher der Schaltmodule jeweils in einer Vollbrücken- Schaltung miteinander verbunden. Eine Vollbrückenmodulschal tung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Reihenschaltungen von zwei Halbleiterschaltern parallel geschaltet sind, wobei parallel zu den Reihenschaltungen der Halbleiterschalter der Energiespeicher, meist in Form eines Kondensators, angeordnet ist. Die Vollbrückenmodulschaltung weist zwei Anschlussklem men beziehungsweise Pole auf, wovon eine mit einem Potenzial punkt zwischen den Halbleiterschaltern der einen Reihenschal tung und die andere mit einem Potenzialpunkt zwischen den Halbleiterschaltern der anderen Reihenschaltung angeordnet ist. An den Anschlussklemmen des Halbleiterschaltmoduls ist eine an dem Energiespeicher abfallende beziehungsweise anste hende Energiespeicherspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Energiespeicherspannung erzeugbar. Es ist ferner möglich, zusätzlich wenigstens einen Ladewiderstand vorzuse hen, der in einem der Umrichterarme angeordnet und mittels eines Überbrückungsschalters überbrückbar ist. Der Ladewider stand dient einer Vorladung der Energiespeicher der Schaltmo- dule. Jeder der Umrichterarme kann mit einem solchen Ladewi derstand ausgestattet sein.

Vorzugsweise ist der Mehrstufenumrichter über einen Transfor mator mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Zudem kann die Anordnung weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise eine Erdungs- bzw. Kurzschließvorrichtung, und/oder einen Sternpunktbildner zur Symmetrierung unsymmetrischer Fehler, die zwischen dem Mehrstufenumrichter und dem Transformator angeordnet sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Asynchron maschine eingangsseitig mechanisch mit einer Turbine eines konventionellen Energiesystems verbindbar. Eine solche Turbi ne kann beispielsweise eine Gasturbine, eine Dampfturbine oder auch eine durch Wasserkraft angetriebene Turbine sein. Insbesondere in dieser Ausführungsform der Erfindung kann vorteilhaft ein Anfahren der Turbine ermöglicht werden, indem mittels des Mehrstufenumrichters eine aus dem Wechselspan nungsnetz bezogene elektrische Energie in eine mechanische Rotationsenergie der Turbine umgewandelt wird.

Geeigneterweise ist die Turbine mit einer Turbinenfrequenz betreibbar, wobei die Turbinenfrequenz und die Frequenz des Wechselspannungsnetzes unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann beispielsweise eine 50 Hz-Turbine mittels der Anordnung in Verbindung mit einem 60 Hz-Wechselspannungsnetz betrieben werden (oder umgekehrt) . Desweiteren können auch Generatoren mit Polpaarzahl größer als eins an ein Wechselspannungsnetz abweichender Netzfrequenz angeschlossen werden, gegebenen falls auch in übersynchroner Betriebsweise. Dies ermöglicht den Betrieb frequenzvariabler und netz-unsynchroner Turbinen.

Vorzugsweise umfasst die Anordnung eine Regelungseinrichtung zur Regelung des Mehrstufenumrichters. Gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung ist die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet, Blindleistung an der Asynchronmaschine und im Wechselspannungsnetz zu regeln. Damit kann die Anordnung selbst mittels des modularen Mehrstufenumrichters die erfor derliche Blindleistung sowohl auf der Netzseite als auch auf der Generatorseite bereitstellen .

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben ei ner Anordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz mit einer Asynchronmaschine.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Verfah ren vorzuschlagen, das möglichst kostengünstig und flexibel einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein artgemäßes Verfah ren gelöst, bei dem die Asynchronmaschine im Generatorbetrieb doppelt gespeist unter Verwendung eines modularen Mehrstufen umrichters in Matrixkonfiguration betrieben wird, und ein An fahren der Asynchronmaschine mittels des modulare Mehrstufen umrichter unter Kurzschließen eines Rotors oder eines Stators der Asynchronmaschine durchgeführt wird. Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch gegen über einem Anfahren der Asynchronmaschine mittels des Mehr stufenumrichters ohne Kurzschließen des Stators bzw. des Ro tors, also in derselben Verschaltung wie im Normalbetrieb der Anordnung, vorteilhaft. Denn dieses würde erst ab einer Min destdrehzahl der Turbine von mehr als einem Drittel der Nenn drehzahl sinnvoll und wirtschaftlich.

Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird zum An fahren der Asynchronmaschine der Stator kurzgeschlossen, wo bei der Rotor mittels des Mehrstufenumrichters mit einer An fahrfrequenz unterhalb einer Netzfrequenz des Wechselspan nungsnetzes gespeist wird. Demnach wird für den anfänglichen Hochlauf bzw. das Anfahren eine vom energieerzeugenden Nor malbetrieb abweichende Konfiguration der Anordnung einge setzt. Dabei wird der Stator kurzgeschlossen, beispielsweise mittels einer der zuvor beschriebenen Varianten der Kurz schließvorrichtung. Zum Kurzschließen des Stators werden des sen Phasenleitungen beziehungsweise Phasenausgänge miteinan der elektrisch verbunden. Ein solches Vorgehen ist ähnlich zum bekannten Vorgehen beim sogenannten „Käfigläufer". Der Mehrstufenumrichter setzt eine elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz um und speist diese auf den Rotor. Dabei ist die vom Mehrstufenumrichter erzeugte Frequenz der ge speisten Leistung bzw. Spannung niedriger als die Netzfre quenz. Anfänglich kann die Anfahrfrequenz nahezu null betra gen. Mittels einer geeigneten Regelung bzw. Steuerung kann dabei ein gewünschtes antreibendes Drehmoment für die Welle einer angeschlossenen Turbine eingestellt werden.

Bevorzugt wird die Anfahrfrequenz mit der Zeit erhöht. Im Zu ge dieses Drehzahlhochlaufs werden geeigneterweise die vom Mehrstufenumrichter erzeugte Spannung und Anfahrfrequenz ge mäß einer U/f-Charakteristik der Asynchronmaschine erhöht. Eine entsprechende Rampensteilheit und die zeitliche Dauer des Hochlaufs können dabei zweckmäßigerweise so bemessen bzw. begrenzt werden, dass das zur Überwindung der Trägheitsmomen te von Komponenten der Anordnung (zum Beispiel der Turbinen schaufeln oder der Asynchronmaschine) und der Widerstände (im Wesentlichen des Turbinen-Kompressors ) erforderliche An triebsmoment ein Kippmoment der Asynchronmaschine zu keinem Zeitpunkt überschreitet. Vorzugsweise wird dazu eine Schlupf frequenz der Asynchronmaschine überwacht. Alternativ oder zu sätzlich kann ein Rotorkreis-Strom überwacht werden. Optional ist auch eine über die Schlupffrequenz wirkende, drehmoment begrenzende Regelung denkbar. Nachdem die Anfahrfrequenz ei nen vorbestimmten Frequenzschwellenwert erreicht oder über schreitet, wird die das Kurzschließen des Stators aufgehoben und der Stator mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Die Aufhebung der Kurzschlussschaltung und das Verbinden mit dem Wechselspannungsnetz kann sofort oder mit einer definierten zeitlichen Verzögerung durchgeführt werden. Auch müssen die Aufhebung der Kurzschlussschaltung und das Verbinden mit dem Wechselspannungsnetz nicht zeitgleich passieren. Der Fre quenzschwellenwert kann in Abhängigkeit von Parametern der Asynchronmaschine, wie zum Beispiel der Induktivitäten der Asynchronmaschine und/oder von einer Aussteuergrenze des Mehrstufenumrichters und/oder der Auslegung des Mehrstufenum richters bestimmt sein. Eine mögliche Wahl des Frequenz schwellenwertes ergibt sich aus der folgenden Gleichung: nl = 1/2 * fnetz / Zp, wobei nl den Frequenzschwellenwert, fnetz die Netzfrequenz und Zp die Polpaarzahl der Asynchronmaschine bezeichnen .

Gemäß einer abweichenden Ausführungsvariante des Verfahrens wird zum Anfahren der Asynchronmaschine der Rotor kurzge schlossen, wobei der Stator mittels des Mehrstufenumrichters mit einer Anfahrfrequenz unterhalb einer Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes gespeist wird. Das Kurzschließen des Rotors kann im Wesentlichen gleichartig zum Kurzschließen des Stators realisiert werden. Vorzugsweise wird auch bei dieser Variante die Anfahrfrequenz mit der Zeit erhöht. Wie bereits zuvor beschrieben, werden im Zuge dieses Drehzahlhochlaufs geeigneterweise die vom Mehr stufenumrichter erzeugte Spannung und Anfahrfrequenz gemäß einer U/f-Charakteristik der Asynchronmaschine erhöht. Die entsprechende Rampensteilheit und die zeitliche Dauer des Hochlaufs können dabei zweckmäßigerweise so bemessen bzw. be grenzt werden, dass das zur Überwindung der Trägheitsmomente von Komponenten der Anordnung (zum Beispiel der Turbinen schaufeln oder der Asynchronmaschine) und der Widerstände (im Wesentlichen des Turbinen-Kompressors ) erforderliche An triebsmoment ein Kippmoment der Asynchronmaschine zu keinem Zeitpunkt überschreitet. Vorzugsweise wird dazu eine Schlupf frequenz der Asynchronmaschine überwacht. Alternativ oder zu sätzlich kann ein Rotorkreis-Strom überwacht werden. Optional ist auch eine über die Schlupffrequenz wirkende, drehmoment begrenzende Regelung denkbar. Nachdem die Anfahrfrequenz ei nen vorbestimmten Frequenzschwellenwert erreicht oder über schreitet, wird die Kurzschlussschaltung des Rotors aufgeho ben und der Stator mit dem Wechselspannungsnetz und der Rotor mit dem Mehrstufenumrichter verbunden. Die einzelnen Schritte müssen dabei nicht zwangsläufig zu gleichen Zeitpunkten durchgeführt werden.

Die Phase des Verfahrens bis zur Überschreitung des Frequenz schwellenwertes kann auch als die erste Anfahrphase bezeich net werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens wird eine zweite Anfahrphase vorgesehen. Demgemäß wird die Anfahr frequenz oberhalb des Frequenzschwellenwertes weiter erhöht und die Asynchronmaschine mittels des Mehrstufenumrichters mit der Anfahrfrequenz gespeist, bis die Anfahrfrequenz einen zweiten Frequenzschwellenwert erreicht. Während der zweiten Anfahrphase wird der Mehrstufenumrichter motorisch betrieben. Die Verschaltung entspricht derjenigen, die im Normalbetrieb der Anordnung (Generatorbetrieb) eingesetzt wird. Demnach wird in der zweiten Anfahrphase das Turbinensystem weiter be- schleunigt (zum Beispiel im Rahmen einer geeigneten Drehmo mentregelung) mittels vom Mehrstufenumrichter erzeugter Ro torströme mit geeigneter Anfahrfrequenz und Drehsinn. In ei nem besonderen Fall eines untersynchronen Betriebs kann die Ausgangsfrequenz am Mehrstufenumrichter mit zunehmendem Dreh zahlhochlauf reduziert werden, entsprechend einem dem Fach mann bekannten Zusammenhang: fc = fnetz - n * Zp +- fs, wobei fs eine Schlupffrequenz , fnetz die Netzfrequenz, Zp die Pol paarzahl der Asynchronmaschine, fc die Ausgangsfrequenz am Mehrstufenumrichter (gleich der Anfahrfrequenz) und n eine Konstante bezeichnen. Der zweite Frequenzschwellenwert liegt vorzugsweise nahe der Nominaldrehzahl der Asynchronmaschine.

Im Allgemeinen kann die Turbine in dem gesamten beschriebenen Verfahren oder in einzelnen Teilen unterstützend eingesetzt werden. Durch die Unterstützung durch die Turbine kann die Hochlaufzeit vorteilhaft verkürzt werden. Typischerweise kann die Turbine zum Beispiel bei einer Anfahrfrequenz gezündet werden, die etwa bei 25% der Nominaldrehzahl der Turbine liegt. Ein volles Turbinendrehmoment kann bei circa 70% der Nominaldrehzahl erreicht werden. Optional kann der motorische Betrieb der Asynchronmaschine ab dem Zünden der Turbine redu ziert oder beendet werden. Es ist denkbar, auf die zweite An fahrphase des Verfahrens zu verzichten, indem die Turbine nach dem Erreichen des ersten Frequenzschwellenwertes durch die Anfahrfrequenz, aus eigener Kraft weiterbeschleunigt. Währenddessen kann in einem solchen Fall bereits die vorbe reitende Umkonfiguration des Mehrstufenumrichters auf den Normal- bzw. Generatorbetrieb zeitlich vorgezogen werden.

Für das Verfahren kann eine dritte Anfahrphase definiert wer den. In der dritten Anfahrphase wird ein Übergang zu einem Normal- bzw. Generatorbetrieb durchgeführt. Geeigneterweise kann die Regelung der Anordnung in einen Regelungsmodus einer Konstant-Drehzahl-Regelung wechseln. Die Regelung kann dabei übergeordnet oder in die Mehrstufenumrichter-Regelung inte griert sein. Dabei kann die folgende Aufteilung der Rege lungsfunktionen sinnvoll sein: - Eine schnelle Umrichterregelung; die gewünschte Drehzahl und/oder der Arbeitspunkt werden dabei durch Erzeugen eines der Turbine entgegen wirkenden generatorischen Drehmoments eingestellt;

- Eine übergeordnete langsame Turbinenregelung, die zum Einstellen der Speiseleistung und/oder der Energieerzeu gung dient.

Die Erfindung soll im Folgenden Anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anordnung in einer schematischen Darstellung;

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anordnung in einer schematischen Darstellung;

Figur 3 zeigt ein Beispiel eines modularen Mehrstufenumrich ters in Matrixkonfiguration für die Anordnungen der Figuren 1 und 2 ;

Figur 4 zeigt ein Beispiel eines Umrichterarms des Mehrstu fenumrichters aus Figur 3 in einer schematischen Darstellung;

Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Schaltmoduls der Anordnung der Figuren 1 bis 4 in einer schematischen Darstellung.

Figur 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm für ein Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Einzelnen ist in Figur 1 eine Anordnung 1 dargestellt, mittels der eine mechanische Energie an einem Ausgang 2 einer Turbine 3 bereitgestellt ist, in elektrische Energie umwan delbar und in ein Wechselspannungsnetz 4 einspeisbar ist. Die Turbine 3 ist eine Gasturbine und arbeitet gemäß dem in Figur 1 dargestellten Beispiel mit einer Turbinenfrequenz von 50 Hz. Die Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz 4 beträgt in dem hier dargestellten Beispiel 60 Hz. Die Anordnung 1 umfasst eine Asynchronmaschine 5 in Form ei nes doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DFIG) . Die

Asychronmaschine 5 umfasst einen Stator 6, der direkt mit dem Wechselspannungsnetz 4 verbunden ist. Ferner umfasst die Asynchronmaschine 5 einen Rotor 7 der mittels Schleifringe 8a-c mit und über optionale Glättungsinduktivitäten 9a-c (vgl. Figur 3) mit einem ersten, dreiphasigen Wechselspan nungsanschluss 11 eines modularen Mehrstufenumrichers 10 in Matrixkonfiguration verbunden ist. Der Stator 6 kann mittels einer Kurzschließvorrichtung 17 kurzgeschlossen werden. Die Kurzschließvorrichtung 17 umfasst einen Kurzschließschalter SR in Reihe zu drei in einer geerdeten Sternpunktschaltung 18 miteinander verbundenen Widerstandselementen Rs . Generell ist die Erdung der Kurzschließschaltung optional. Die Anordnung 1 umfasst ferner einen Netzschalter Snetz sowie zwei weitere Schalter SN1 und SN2.

Der Mehrstufenumrichter 10 weist ferner einen zweiten, drei phasigen Wechselspannungsanschluss 12 auf, der über einen Transformator 13 mit dem Wechselspannungsnetz 4 verbunden ist. Der Transformator 13 transformiert die netzseitige Span nung am Mehrstufenumrichter 10 im dargestellten Beispiel hoch auf 25 kV. Auf den Aufbau des Mehrstufenumrichters 10 wird in der nachfolgenden Figur 3 näher eingegangen.

Die Anordnung 1 umfasst zudem eine Regelungseinrichtung 14 die zum Regeln von Strom und Spannung sowohl an der Netzseite als auch an der Rotorseite des Mehrstufenumrichters 10 durch geeignete Ansteuerung von Leistungshalbleiterschaltern des Mehrstufenumrichters 10 eingerichtet ist. Ferner ist eine Turbinenregelung 15 zur Regelung der Turbine 3 vorgesehen.

Eine übergeordnete Regelungseinrichtung 16 ist dazu geeignet, unter Berücksichtigung gemessener Istwerte aus dem Wechsels pannungsnetz 4 eine Steuerung der Schaltvorrichtungen der An ordnung 1 vorzunehmen und die Regelung der Turbine 3 und des Mehrstufenumrichters 10 zu beeinflussen. In einem Generatorbetrieb der Anordnung 1, in dem elektrische Energie, die mittels der Turbine 3 erzeugt wird, in das Wech selspannungsnetz 4 eingespeist wird, sind der erste Schalter SN1 und der zweite Schalter SN2 geschlossen. Der Kurzschließ schalter SR ist geöffnet, so dass der Stator 6 direkt (über den Transformator 13) mit dem Wechselspannungsnetz 4 verbun den ist.

Zum Anfahren des Turbine-Asynchronmaschine-Systems 3, 5, wer den zunächst in einer ersten Phase der erste Schalter SN1 ge öffnet und der Kurzschließschalter SR geschlossen. Damit wird der Stator 6 kurzgeschlossen. Der Mehrstufenumrichter 10 wird in einen Motorbetrieb der Anordnung 1 versetzt und speist elektrische Leistung auf den Rotor 7. Am ersten Wechselspan nungsanschluss 11 erzeugt der Mehrstufenumrichter 10 eine Ausgangsspannung mit einer Anfahrfrequenz, die zunächst nahe zu null beträgt und mit der Zeit erhöht wird. Überschreitet die Anfahrfrequenz bei diesem Prozess einen vorgegebenen Fre quenzschwellenwert, so werden der Kurzschließschalter SR ge öffnet und der erste Schalter SN1 geschlossen. Weitere zuvor beschriebene Phasen des Anfahrens können in dieser Konfigura tion der Anordnung durchgeführt werden.

In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anord nung 20, mittels der eine mechanische Energie an einem Aus gang 2 einer Turbine 3 bereitgestellt ist, in elektrische Energie umwandelbar und in ein Wechselspannungsnetz 4 einspeisbar ist. In Figuren 1 und 2 sind gleiche und gleich artige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird daher im Folgenden ledig lich auf die Unterschiede der Anordnungen 1 und 20 näher ein gegangen .

Der Mehrstufenumrichter 10 ist sowohl mit dem Stator 6 - mit tels eines ersten Hilfsschalters Sei - als auch mit dem Rotor 7 - mittels eines zweiten Hilfsschalters Sc2 - verbindbar.

Zum Anfahren der Asynchronmaschine 5 bzw. der Turbine 3 wer- den der erste Schalter SN1 und der zweite Hilfsschalter Sc2 geöffnet. Zugleich (aber nicht notwendigerweise gleichzeitig) werden der erste Hilfsschalter Sei und der Kurzschließschal ter SR geschlossen. Damit ist der Rotor 7 kurzgeschlossen und der Mehrstufenumrichter 10 speist auf den Stator. Für den Normal- oder Generatorbetrieb werden der erste Schalter SN1 und der zweite Hilfsschalter Sc2 geschlossen, während der Kurzschließschalter SR und der zweite Hilfsschalter Sc2 ge öffnet werden. Damit speist der Mehrstufenumrichter 10 auf den Rotor 7, während der Stator 6 mit dem Wechselspannungs netz 4 verbunden ist.

Figur 3 zeigt einen modularen Mehrstufenumrichter 10 in Mat rixkonfiguration, der beispielsweise in einer der Anordnungen 1 bzw. 20 der Figuren 1 und 2 eingesetzt werden kann.

Der Mehrstufenumrichter 10 umfasst neun Umrichterarme A1-A9, wobei je eine Phase des ersten Wechselspannungsanschlusses lla-c mit je einer Phase des zweiten Wechselspannungsan schlusses 12a-c über einen der Umrichterarme A1-A9 verbunden ist. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Umrichterarme A1-A9 gleichartig aufgebaut. Auf den Auf bau der Umrichterarme A1-A9 wird in der nachfolgenden Figur 4 näher eingegangen. Der Mehrstufenumrichter 10 umfasst ferner den Phasen des ersten Wechselspannungsanschlusses lla-c zu geordnete Glättungsinduktivitäten 9a-c.

Figur 4 zeigt ein Beispiel des Aufbaus eines der

Umrichterarme A1-A9 für den Mehrstufenumrichter 10 der Figur 3. Im Einzelnen zeigt Figur 4 einen Umrichterarm A, der zwi schen einer Phase eines ersten Wechselspannungsanschlusses 11 a-c und einer Phase eines zweiten Wechselspannungsanschlusses 12 a-c (vgl. Figur 3) schaltbar ist.

Der Umrichterarm A umfasst eine Reihenschaltug zweipoliger Schaltmodule SM, wobei in dem hier dargestellten Ausführungs beispiel alle Schaltmodule SM gleichartig aufgebaut sind. Die Anzahl der in Reihe zueinander geschalteten Schaltmodule SM ist grundsätzlich beliebig und kann an die jeweilige Anwen dung angepasst sein, was in Figur 4 durch eine gepunktete Li nie L angedeutet ist. Je höher die Anzahl der Schaltmodule SM im Umrichterarm A ist, desto höher ist die Nennleistung, auf die der zugehörige modulare Mehrstufenumrichter ausgelegt ist. In Reihe zu den Schaltmodulen SM ist eine Arminduktivi tät 21 angeordnet.

Des Weiteren weist der Umrichterarm A einen Ladewiderstand 22, der mittels eines steuerbaren Schalters 23 überbrückbar ist

Ein Beispiel eines Schaltmoduls SM in Form einer Vollbrücken modulschaltung 101 ist in Figur 5 schematisch dargestellt.

Die Vollbrückenschaltung 101 weist einen ersten Halbleiter schalter 102 in Form eines IGBT dem eine erste Freilaufdiode 103 antiparallel geschaltet ist sowie einen zweiten Halblei terschalter 104 in Form eines IGBT, dem eine zweite Freilauf diode 105 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 102 und 104 ist gleichgerich tet. Ferner umfasst die Vollbrückenschaltung 101 einen drit ten Halbleiterschalter 109 in Form eines IGBT, dem eine drit te Freilaufdiode 110 antiparallel geschaltet ist sowie einen vierten Halbleiterschalter 111 in Form eines IGBT, dem vierte eine Freilaufdiode 112 antiparallel geschaltet ist. Die

Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 109 und 111 ist gleichgerichtet. Die Halbleiterschalter 102 und 104 mit ihnen zugeordneten Freilaufdioden 103, 105 bilden somit eine Reihenschaltung, die einer durch die Halbleiterschalter 109, 111 und die zugeordneten Freilaufdioden 110 und 112 gebilde ten Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Ein Energiespei cher in Form eines Kondensators 106 ist parallel zu den bei den Reihenschaltungen angeordnet. Ein erster Pol bzw. An schluss XI des Schaltmoduls SM ist an einem Potenzialpunkt 113 zwischen den Halbleiterschaltern 102, 104 angeordnet, ein zweiter Pol bzw. Anschluss X2 des Schaltmoduls SM ist an ei nem Potenzialpunkt 114 zwischen den Halbleiterschaltern 109, 111 angeordnet. Durch eine geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiter 102, 104, 109 und 111 kann die an den Anschlüssen XI, X2 anstehen de Spannung erzeugt werden, die der am Kondensator 106 anste henden Spannung Uc, der am Kondensator 106 abfallenden Span nung jedoch mit entgegengesetzter Polarität (-Uc) oder der Spannung null entspricht. Es ist hierbei anzumerken, dass an stelle der IGBT auch andere ein- und abschaltbare Halbleiter schalter wie z.B. IGCT verwendet werden können.

In Figur 6 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt. Das Ablaufdia- gramm illustriert ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb einer der Anordnungen der Figuren 1 oder 2.

Zum Anfahren einer Anordnung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz mit einer Asynchronma schine wobei die Asynchronmaschine im Generatorbetrieb dop pelt gespeist unter Verwendung eines modularen Mehrstufenum richters in Matrixkonfiguration betrieben wird, wird wie folgt vorgegangen.

In einem ersten Verfahrensschritt 201 wird der Stator oder der Rotor der Asynchronmaschine kurzgeschlossen. Falls der Stator kurzgeschlossen wird, so wird der Mehrstufenumrichter mit dem Rotor verbunden. Falls der Rotor kurzgeschlossen wird, so wird der Mehrstufenumrichter mit dem Stator verbun den .

Danach wird in einem zweiten Verfahrensschritt 202 die Asyn chronmaschine mittels des Mehrstufenumrichters in einem Mo torbetrieb mit einer Anfahrfrequenz unterhalb einer Netzfre quenz des Wechselspannungsnetzes gespeist. Die Anfahrfrequenz wird in der Zeit erhöht.

In einem dritten Verfahrensschritt 203 wird, nachdem die An fahrfrequenz einen vorbestimmten Frequenzschwellenwert er reicht oder überschreitet, das Kurzschließen des Stators bzw. des Rotors aufgehoben. Der Stator wird derart verschaltet, dass er mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. Der Mehr stufenumrichter speist auf den Rotor.

In einem vierten Verfahrensschritt 204 wird die Anfahrfre- quenz oberhalb des Frequenzschwellenwertes weiter erhöht. Die Asynchronmaschine wird mittels des Mehrstufenumrichters mit der Anfahrfrequenz gespeist, bis die Anfahrfrequenz einen zweiten Frequenzschwellenwert erreicht. Der zweite Frequenz schwellenwert liegt nah bei einer Nennfrequenz der Turbine.

Danach wird in einem fünften Verfahrensschritt 205 auf den Generatorbetrieb umgestellt, so dass die mittels der Turbine erzeugte Energie in elektrische Energie umgewandelt und in das Wechselspannungsnetz eingespeist wird.