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Title:
ARRANGEMENT FOR FEEDING ELECTRIC POWER INTO AN AC NETWORK BY MEANS OF AN ASYNCHRONOUS MACHINE, AND METHOD FOR OPERATING THE ASYNCHRONOUS MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/015777
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement (1) comprising an asynchronous machine (5), which, in generator operation, is configured to feed electric power into an AC network (4). According to the invention, the asynchronous machine can be dual-fed by a modular multi-stage converter (10) in matrix configuration. The invention further relates to a method for operating the asynchronous machine belonging to the arrangement according to the invention.

Inventors:
GRUBER, Rainer (Frühlingstr. 4, Heilsbronn, 91560, DE)
KUHN, German (Peter-Zink-Weg 4, Erlangen, 91052, DE)
SHARMA, Kunal (Am Europakanal 8, Erlangen, 91056, DE)
AUGSBURGER, Friedemann (Am Roten Baum 1, Altdorf, 90518, DE)
RENTSCHLER, Alexander (Mühltalstraße 18, Bensheim, 64625, DE)
Application Number:
EP2017/068460
Publication Date:
January 24, 2019
Filing Date:
July 21, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02P9/00; H02P27/05; H02P27/16; H02M1/36; H02M5/22; H02M7/483
Domestic Patent References:
WO2006072498A12006-07-13
Foreign References:
CN102983735B2015-05-20
Other References:
FELIX KAMMERER ET AL: "Benefits of Operating Doubly Fed Induction Generators by Modular Multilevel Matrix Converters", PCIM EUROPE 2013 - INTERNATIONAL EXHIBITION AND CONFERENCE FOR POWER ELECTRONICS, INTELLIGENT MOTION, RENEWABLE ENERGY AND ENERGY MANAGEMENT NUREMBERG, 14-16 MAY 2013 - PROCEEDINGS., 16 May 2013 (2013-05-16), XP055458527, ISBN: 978-3-8007-3505-1
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Claims:
Patentansprüche

1. Anordnung (1) mit einer Asynchronmaschine (5), die in Ge- neratorbetrieb zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz (4) eingerichtet ist, wobei die Asynchronmaschine (5) durch einen modularen Mehrstufenumrichter (10) in Matrixkonfiguration doppelt gespeist betreibbar ist. 2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der modulare Mehrstufenumrichter (10) mit einem Rotor (7) der Asynchronmaschine (5) verbunden ist.

3. Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wo- bei der Mehrstufenumrichter (10) eine Mehrzahl von

Umrichterarmen (A1-A9) umfasst, wobei jeder Umrichterarm (Al- A9) eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule (15) umfasst, wobei jedes der Schaltmodule (15) abschaltbare Leis¬ tungshalbleiter (102, 104, 109, 111) sowie einen Energiespei- eher (106+) aufweist.

4. Anordnung (1) nach Anspruch 3, wobei der Mehrstufenumrichter (10) einen n-phasigen ersten Wechselspannungsanschluss (lla-c) , der mit der Asynchronmaschine verbunden ist, sowie einen m-phasigen zweiten Wechselspannungsanschluss (12a-c), der mit dem Wechselspannungsnetz (4) verbunden ist, aufweist, wobei jede der n Phasen des ersten Wechselspannungsanschlus¬ ses (lla-c) mit jeder der m Phasen des zweiten Wechselspannungsanschlusses (12a-c) über genau einen der Umrichterarme (A1-A9) verbunden ist.

5. Anordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Leistungshalbleiter (102, 104, 109, 111) und der Energiespeicher (106) der Schaltmodule (15) jeweils in einer Vollbrückenschaltung (101) miteinander verbunden sind.

6. Anordnung (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei wenigstens ein Ladewiderstand (18) vorgesehen ist, der in einem der Umrichterarme (A1-A9) angeordnet und mittels eines Überbrückungsschalters (19) überbrückbar ist.

7. Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wo- bei der Mehrstufenumrichter über einen Transformator mit dem

Wechselspannungsnetz verbunden ist.

8. Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Asynchronmaschine (5) eingangsseitig mit einer Turbi- ne (3) eines konventionellen Energiesystems verbunden ist.

9. Anordnung (1) nach Anspruch 8, wobei die Turbine (3) mit einer Turbinenfrequenz betreibbar ist, wobei die Turbinenfrequenz und die Frequenz des Wechselspannungsnetzes (4) unter- schiedlich sind.

10. Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, mittels der Blindleistung an der Asynchronmaschine (5) und im Wechsels- pannungsnetz (4) regelbar ist.

11. Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine (5) im Generatorbetrieb zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz (4), wobei die Asynchronmaschine (5) doppelt gespeist unter Verwendung eines modularen Mehrstufenumrichters (10) in Matrixkonfiguration betrieben wird.

Description:
Beschreibung

Anordnung zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein Wechselspannungsnetz mittels einer Asynchronmaschine und Verfah- ren zum Betreiben der Asynchronmaschine

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Asynchronma ¬ schine, die in Generatorbetrieb zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz eingerichtet ist.

Bekannte Energieerzeugungsanlagen, die üblicherweise mit Turbinen angetrieben werden, sind bei größerer Nennleistung nahezu ausschließlich über Synchrongeneratoren an das Wechselspannungsnetz 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 mechanische Turbinenfrequenz schränkt die Optimierung des Antriebs bezüglich Wirkungsgrad, Kosten und Leistung maßgeblich ein. Im Falle von Synchronmaschinen werden üblicherweise Voll- Umrichter eingesetzt, die jedoch relativ kostenintensiv sind, da die gesamte Leistung über den Voll-Umrichter übertragen wird, der dementsprechend darauf ausgelegt sein muss.

Aus der WO 2006/072498 AI 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 durch eine Anordnung mit einer Asynchronma ¬ schine gelöst, die in Generatorbetrieb zum Einspeisen elekt- rischer Energie in ein Wechselspannungsnetz eingerichtet ist, wobei die Asynchronmaschine durch einen modularen Mehrstufenumrichter in Matrixkonfiguration doppelt gespeist betreibbar ist .

Demnach ist die Asynchronmaschine der erfindungsgemäßen Anordnung eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine (Double Feed Induction Generator, DFIG) . Die Asynchronmaschine ist über den modularen Mehrstufenumrichter in Matrixconfiguration mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Der modulare Mehrstufenumrichter zeichnet sich durch einen modularen Aufbau aus. Dazu umfasst der modulare Mehrstufenumrichter zweipolige

Schaltmodule, die in Reihe miteinander schaltbar sind, wobei jedes Schaltmodul einen Leistungshalbleiterschaltung sowie einen 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 Mehrstufenumrichters ist eine besonders vorteilhafte stufenförmige Wech ¬ selspannung erzeugbar. Matrixkonfiguration ist im vorliegenden 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 Wechselspannungsnetz hat den Vorteil der Skalierbarkeit. Durch seine Skalierbarkeit kann der modulare Mehrstufenumrichter unter Verwendung gleichartiger Komponenten an die jeweilige Anwendung 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.

Geeigneterweise ist der modulare Mehrstufenumrichter mit ei ¬ nem Rotor der Asynchronmaschine verbunden. Zugleich ist ein Stator der Asynchronmaschine über eine eigene Verbindung mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. In einem untersynchronen Generatorbetrieb der Asynchronmaschine bezieht der Rotor über den Mehrstufenumrichter elektrische Ausgleichsenergie aus dem Wechselspannungsnetz. Die von der Asynchronmaschine abgegebe ¬ ne Gesamtenergie wird dabei über den Stator in das Wechsels ¬ pannungsnetz gespeist. Die Gesamtenergie bzw. die entspre ¬ chende Gesamtleistung ist höher als die Ausgleichsenergie bzw. Ausgleichsleistung. Aus diesem Grund kann der modulare Mehrstufenumrichter auf eine relativ kleine Nennleistung ausgelegt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der modulare Mehrstufenumrichter auf eine Nennleistung ausgelegt, die 20% bis 50% einer Eingangsnennleistung der Asynchronmaschine beträgt. Die Eingangsnennleistung entspricht beispielsweise der von einer mit einer Welle der Asynchronma ¬ schine verbundenen Turbine abgegebenen mechanischen Nennleistung .

Vorzugsweise umfasst der Mehrstufenumrichter eine Mehrzahl von Umrichterarmen, wobei jeder Umrichterarm eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule umfasst, wobei jedes der Schaltmodule abschaltbare Leistungshalbleiter sowie einen Energiespeicher aufweist. Jeder Umrichterarm erstreckt sich zweckmäßigerweise zwischen einer Phase eines ersten mehrpha ¬ sigen Wechselspannungsanschlusses des Mehrstufenumrichters und einer Phase eines zweiten mehrphasigen Wechselspannungs ¬ anschlusses des Mehrstufenumrichters. Die Leistungshalbleiter können zum Beispiel IGBT, IGCT oder dergleichen sein. Vorzugsweise weist der Mehrstufenumrichter einen n-phasigen ersten Wechselspannungsanschluss , der mit der Asynchronma ¬ schine verbunden ist, sowie einen m-phasigen zweiten Wechselspannungsanschluss, der mit dem Wechselspannungsnetz ver- bunden ist, auf, wobei jede der n Phasen des Wechselspannungseingangs mit jeder der m Phasen des zweiten Wechselspannungsanschlusses über genau einen der Umrichterarme verbunden ist. Die Verbindung mit dem Wechselspannungsnetz kann beispielsweise auch über einen Transformator erfolgen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leistungshalbleiter und der Energiespeicher der Schaltmodule jeweils in einer Vollbrückenschaltung miteinander verbunden. Eine Vollbrückenmodulschaltung 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 Anschlussklemmen beziehungsweise Pole auf, wovon eine mit einem Potenzialpunkt zwischen den Halbleiterschal ¬ tern der einen Reihenschaltung und die andere mit einem Potenzialpunkt zwischen den Halbleiterschaltern der anderen Reihenschaltung angeordnet ist. An den Anschlussklemmen des Halbleiterschaltmoduls ist eine an dem Energiespeicher abfal- lende beziehungsweise anstehende Energiespeicherspannung, ei ¬ ne Nullspannung oder aber die inverse Energiespeicherspannung erzeugbar .

Bevorzugt ist wenigstens ein Ladewiderstand vorgesehen, der in einem der Umrichterarme angeordnet und mittels eines Über- brückungsschalters überbrückbar ist. Der Ladewiderstand dient einer Vorladung der Energiespeicher der Schaltmodule. Jeder der Umrichterarme kann mit einem solchen Ladewiderstand aus ¬ gestattet sein.

Vorzugsweise ist der Mehrstufenumrichter über einen Transformator mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Zudem kann die Anordnung weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise eine Erdungsvorrichtung, und/oder einen Sternpunktbildner zur Symmetrierung unsymmetrischer Fehler, die zwischen dem Mehrstufenumrichter und dem Transformator angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Asynchronmaschine eingangsseitig mechanisch mit einer Turbine eines konventionellen Energiesystems verbunden. Eine solche Turbine kann beispielsweise eine Gasturbine, eine Dampfturbine oder auch eine durch Wasserkraft angetriebene Turbine sein. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann vorteilhaft ein Anfahren der Turbine ermöglicht werden, indem mittels des Mehr ¬ stufenumrichters eine aus dem Wechselspannungsnetz 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, gegebenenfalls 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 einer Asynchronmaschine im Generatorbetrieb zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren vorzuschlagen, das möglichst kostengünstig und flexibel einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein artgemäßes Verfah ¬ ren gelöst, bei dem die Asynchronmaschine doppelt gespeist unter Verwendung eines modularen Mehrstufenumrichters in Mat ¬ rixkonfiguration betrieben wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich insbesondere aus den zuvor beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung. Es ist selbstverständlich möglich, im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren alle be- schriebenen Merkmale der Anordnung, allein oder in Kombination zu verwenden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erörtert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer schematischen Darstellung;

Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Umrichterarms der Anordnung aus Figur 1 in einer schematischen Darstellung;

Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Schaltmoduls der Anordnung der Figuren 1 und 2 in einer schematischen Darstellung. 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 mit einem ersten, dreiphasigen Wechselspannungsanschluss lla-c eines modularen Mehrstufenumrichers 10 in Matrixkonfiguration verbunden ist.

Der Mehrstufenumrichter 10 weist ferner einen zweiten, dreiphasigen Wechselspannungsanschluss 12a-c 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. Der Mehrstufenumrichter 10 umfasst neun

Umrichterarme A1-A9, wobei je eine Phase des ersten Wechsels ¬ pannungsanschlusses lla-c mit je einer Phase des zweiten Wechselspannungsanschlusses 12a-c über einen der

Umrichterarme A1-A9 verbunden ist. In dem in Figur 1 darge ¬ stellten Ausführungsbeispiel sind alle Umrichterarme A1-A9 gleichartig aufgebaut.

Die Anordnung 1 umfasst zudem eine Regelungseinrichtung (fi- gürlich nicht dargestellt) , 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.

Figur 2 zeigt ein Beispiel des Aufbaus eines der

Umrichterarme A1-A9 für den Mehrstufenumrichter 10 der Figur 1. Im Einzelnen zeigt Figur 2 einen Umrichterarm 14, der zwischen einer Phase eines ersten Wechselspannungsanschlusses 11 a-c und einer Phase eines zweiten Wechselspannungsanschlusses 12 a-c schaltbar ist. Der Umrichterarm 14 umfasst eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule 15, wobei in dem hier dargestellten Ausführungs ¬ beispiel alle Schaltmodule 15 gleichartig aufgebaut sind. Die Anzahl der in Reihe zueinander geschalteten Schaltmodule 15 ist grundsätzlich beliebig und kann an die jeweilige Anwen ¬ dung angepasst sein, was in Figur 2 durch eine gepunktete Li ¬ nie 16 angedeutet ist. Je höher die Anzahl der Schaltmodule 15 im Umrichterarm ist, desto höher ist die Nennleistung, auf die der zugehörige modulare Mehrstufenumrichter ausgelegt ist. In Reihe zu den Schaltmodulen 15 ist eine Arminduktivität 17 angeordnet.

Des Weiteren weist der Umrichterarm 14 einen Ladewiderstand 18, der mittels eines steuerbaren Schalters 19 überbrückbar ist

Ein Beispiel eines Schaltmoduls 15 in Form einer Vollbrücken- modulschaltung 101 ist in Figur 3 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 Freilaufdiode 105 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 102 und 104 ist gleichgerich- tet. Ferner umfasst die Vollbrückenschaltung 101 einen dritten Halbleiterschalter 109 in Form eines IGBT, dem eine dritte 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 15 ist an einem Potenzialpunkt 113 zwischen den Halbleiterschaltern 102, 104 angeordnet, ein zweiter Pol bzw. Anschluss X2 des Schaltmoduls 15 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 anstehende Spannung erzeugt werden, die der am Kondensator 106 anstehenden 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.