NOWAK HANS-GEORG (DE)
HITPAS MARIANNE (DE)
EICHLER MARKUS (DE)
NOWAK HANS-GEORG (DE)
HITPAS MARIANNE (DE)
WO2010108928A1 | 2010-09-30 |
EP1903848B1 | 2010-09-01 | |||
US7545052B2 | 2009-06-09 | |||
US7859838B2 | 2010-12-28 | |||
EP1903848B1 | 2010-09-01 | |||
US7545052B2 | 2009-06-09 | |||
US7859838B2 | 2010-12-28 |
Pat ent an sprüche 1. Schaltschrankanordnung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Schaltschrankanordnung (64, 96, 98) mindestens zwei separate Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) jeweils - einen maschinenseitigen Anschluss (2), - ein Leistungsmodul (6), - einen netzseitigen Anschluss (4) und - eine dezentrale Steuerungseinheit (32, 32', 32'') aufweisen, wobei das Leistungsmodul (6) - einen maschinenseitigen Umrichter (8), - einen netzseitigen Umrichter (10), - einen Gleichspannungszwischenkreis (12) und - einen Chopper (14) aufweist und wobei die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) über den netzseitigen Anschluss (2) und optional über den maschinenseitigen Anschluss (4) elektrisch parallel miteinander verbunden sind. 2. Schaltschrankanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) jeweils einzeln über zugeordnete Sekundärwicklungen eines oder mehrerer Transformatoren an das Netz angebunden sind. 3. Schaltschrankanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (6) eine plattenförmige Gleichstromverschienung (46) aufweist, welche auf einer ersten Seite die Leistungsschalter und einen Chopper (8', 10', 12, 42, 58, 60, 62) aufweist und auf einer zweiten Seite die Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises (20, 22, 48) aufweist. 4. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) jeweils einen dU/dt-Filter (30, 30', 30'') aufweisen. 5. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) netzseitig eine Netzdrossel aufweisen. 6. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) an den netzseitigen Anschlüssen (4) und/oder den maschinenseitigen Anschlüssen (2) jeweils vorgeschaltete Einrichtungen zum elektrischen Trennen der Leistungsschaltschränke (24, 26, 26', 26'') aufweisen. 7. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) jeweils eine Kühlvorrichtung (38), insbesondere einen Wärmetauscher (88) aufweisen. 8. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) gegenüber der Umgebungsluft hermetisch geschlossen sind. 9. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) mittels AC-Schienen elektrisch parallel geschaltet sind. 10. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltschränke (1, 1', 1'', 36, 86) seitlich in Reihe und/oder Rücken an Rücken angeordnet sind . 11. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschrankanordnung (64, 96, 98) einen separaten Net zanschlussschaltschrank (72) aufweist, welcher eine zentrale Steuerungseinheit (74) aufweist. 12. Schaltschrankanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Net zanschlussschaltschrank (72) mindestens einen Netzfilter (78) aufweist. 13. Schaltschrankanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Net zanschlussschaltschrank (72) eine Hilfsspannungsversorgung (80) und/oder einen Netzschalter (76) aufweist. 14. Schaltschrankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerungseinheit (74) und dezentrale Steuerungseinheiten (32, 32', 32'') vorgesehen sind, welche über Lichtwellenleiter (34) miteinander verbindbar sind. 15. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schaltschrankanordnung (64, 96, 98) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist. 16. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Windenergieanlage (108) mit einem Generator (68), insbesondere als Windenergieanlage eines Offshore-Windparks ausgebildet ist. |
Die Erfindung betrifft eine SchaltSchrankanordnung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Schaltschrankanordnung mindestens zwei separate
Leistungsschaltschränke aufweist .
Elektronische Komponenten, wie Umrichter oder Filter, insbesondere von Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie, in Leistungsschaltschränken anzuordnen, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Windenergieanlagen werden häufig mit doppelt gespeisten Asynchronmaschinen ausgestattet, da auf diese Weise nur Teilleistungen über die Umrichter der Anlage transportiert werden müssen. Bei Drehzahlen unterhalb der Synchrondrehzahl des Generators sinkt jedoch der
Wirkungsgrad der Anlage. Deshalb kommen zunehmend
Synchronmaschinen mit Vollumrichter zum Einsatz. Bei diesen Systemen wird jedoch die gesamte an das Netz abzugebende Leistung über einen Umrichter geführt, so dass diese
entsprechend dimensioniert und skalierbar aufgebaut sein müssen. Darüber hinaus treten durch die geforderten größeren Leistungen beispielsweise zusätzliche Herausforderungen an eine Kühlung bei gleichzeitig kompakter Bauweise der
Schaltschränke auf.
Die Druckschrift EP1903848B1 beschreibt einen modularen Frequenzumrichter, bei welchem der Leistungselektronikteil mit Rädern versehen ist, sowie einen Installationsschrank zum Aufnehmen des Leistungselektronikteils. Um den Leistungselektronikteil mit dem Rest des Frequenzumrichters zu verbinden, sind aufwendige und kostspielige
Steckverbindungen notwendig. Die Druckschrift US 7,545,052 B2 beschreibt ein Verfahren, welches die Effizienz und die Verlässlichkeit von
Umrichtermodulen in einer Stromerzeugungsvorrichtung in einer Windenergieanlage verbessern soll. Hierzu weist die
Windenergieanlage eine Mehrzahl von Umrichtermodulen, auch Konvertermodule genannt, auf, welche sowohl generator- als auch netzseitig parallel geschaltet sind und wobei die
Konvertermodule in Abhängigkeit von einem Parameter
unabhängig voneinander aus- und eingeschaltet werden können. Um Überhitzung zu vermeiden, sollen die Konvertermodule beispielsweise abwechselnd betrieben werden oder entsprechend der durch den Generator produzierten Leistung ein- und ausgeschaltet werden. Die Konvertermodule durchlaufen beim Ein- bzw. Ausschalten mehrere spezifische Schalt zustände, welche von einer zentralen CPU gesteuert werden. Dies hat eine aufwendige Verkabelung zwischen der zentralen CPU und den Konvertermodulen zur Folge. Darüber hinaus muss bei einem Defekt das vollständige Modul ausgetauscht werden.
Die Druckschrift US 7,859,838 B2 betrifft eine Anordnung zur Platzierung eines Umrichters bzw. Frequenzkonverters in einem Schaltschrank . Der Rahmen des Schaltschranks soll hierbei modular aufgebaut sein, sodass die Komponenten des
Frequenzkonverters in den Schaltschrankrahmenmodulen
installiert werden können, bevor der Schaltschrank zum
Einsatzort gebracht wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die einzelnen Komponenten des Frequenzkonverters auf
verschiedene Schränke verteilt werden, was eine weiterhin aufwendige Verkabelung erfordert. Nach der Installation in der Fabrik ist eine spätere Skalierbarkeit vor Ort nur mit hohem Aufwand möglich. Zusätzlich benötigen die einzelnen Rahmenmodule vergleichsweise viel Platz.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die technische Aufgabe zugrunde, eine optimale Skalierbarkeit von Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie bei gleichzeitig einfacher Installation und Wartung der Leistungsschaltschränke trotz eines geringen Platzbedarfs zu erzielen.
Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leistungsschaltschränke jeweils einen
maschinenseitigen Anschluss, ein Leistungsmodul, einen netzseitigen Anschluss und eine dezentrale Steuerungseinheit aufweisen, wobei das Leistungsmodul einen maschinenseitigen Umrichter, einen netzseitigen Umrichter, einen
Gleichspannungszwischenkreis und einen Chopper aufweist und wobei die Leistungsschaltschränke über den netzseitigen
Anschluss und optional über den maschinenseitigen Anschluss elektrisch parallel miteinander verbunden sind. Die
maschinenseitigen Anschlüsse können elektrisch parallel miteinander verbunden und dann mit der Wicklung der Maschine verbunden werden. Bei Verwendung einer Maschine mit
getrennten Wicklungen ist es auch denkbar, dass die
maschinenseitigen Anschlüsse elektrisch getrennt mit den jeweiligen Wicklungen verbunden werden.
Das Vorsehen dieser Komponenten in den jeweiligen
Leistungsschaltschränken und deren Zusammenwirken erlaubt eine optimale Skalierbarkeit einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Es werden nämlich im Wesentlichen eigenständige Leistungsschaltschränke zur Verfügung gestellt, mit denen auf einfachste Weise mittels Anpassen der Anzahl der Leistungsschaltschränke die Leistung skaliert werden kann .
Aufgrund der im Leistungsschaltschrank vorgesehenen
maschinen- und netzseitigen Anschlüsse, dem Leistungsmodul, welches neben den netzseitigen und maschinenseitigen
Umrichtern auch einen Chopper zum Kurzschließen des
jeweiligen Zwischenkreises aufweist, wird es ermöglicht, die Komponenten so anzuordnen, dass nur minimale Verbindungswege zwischen den einzelnen Komponenten entstehen. Diese kurzen Verbindungswege führen einerseits zu einer hohen
Leistungsdichte und somit zu einer sehr kompakten Anordnung und andererseits dadurch auch zu Kosteneinsparungen. Die
Auswahl der Komponenten, welche die Leistungsschaltschränke aufweisen, ermöglicht des Weiteren, einen optimalen
Leistungsfluss zu erzielen, denn es sind außer den
maschinenseitigen und netzseitigen Anschlüssen keine
Querverbindungen zu anderen Leistungsschaltschränken
notwendig, was komplizierte Kreuzungen von Kabelwegen zur Folge hätte.
Vor allem das Vorsehen einer dezentralen Steuerungseinheit ermöglicht eine Optimierung der Flexibilität in Bezug auf die Installation der Leistungsschaltschränke und der
Skalierbarkeit. Die einzelnen Komponenten eines
Leistungsschaltschranks müssen nicht einzeln angesteuert werden, sondern können alle intern von der dezentralen
Steuerungseinheit angesprochen werden. Diese kann bevorzugt mit allen relevanten implementierten Komponenten, also allen Aktoren und Sensoren des Leistungsschaltschranks kommunizieren, insbesondere jedoch mit dem Leistungsmodul. Auch Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren zur Überwachung können ausgelesen oder überwacht werden. Aufgrund der kurzen Signalwege erlaubt eine dezentrale Steuereinrichtung die Verwendung einfacher elektrischer Datenverbindungen
beispielsweise zu den Treibern der IGBT's und anderen
Sensoren und Aktoren. Bei langen Signalwegen kommt lediglich die Verwendung von Lichtwellenleiter aufgrund der starken elektromagnetischen Störungssignale in Frage. Dies hat zur Folge, dass die optischen Signale häufig wieder in
elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Die
Kommunikation mit den in dem Leistungsschaltschrank
vorgesehen Komponenten wird demnach deutlich vereinfacht. Die dezentralen Steuerungseinheiten können über einfache
Datenverbindungen mit einer zentralen Steuerungseinheit verbunden werden. Die Anzahl der nötigen Verbindungen und Verkabelungen wird also auf ein Minimum reduziert.
Vorzugsweise sind die dezentralen Steuerungseinheiten so ausgebildet, dass diese über eine Verbindung über einen
Lichtwellenleiter beispielsweise mit einer zentralen
Steuereinheit, kommunizieren können. Die dezentralen
Steuerungseinheiten können dann beispielsweise mit weiteren Systemen, wie weiteren Steuerungseinheiten, kommunizieren. Hierbei kann sowohl eine Stern, Ring-, Reihen- und/oder
Bustopologie der dezentralen Steuerungseinheiten vorgesehen sein .
Die maschinenseitigen Anschlüsse der mindestens zwei
Leistungsschaltschränke werden, vorzugsweise über weitere Komponenten, wie Schalter oder auch einen
Generatoranschlussschrank, welcher Schalter und/oder
Schutzelemente aufweisen kann, an eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Generator oder einen Motor
angeschlossen. Die mindestens zwei Leistungsschaltschränke werden hierbei parallel geschaltet. Der maschinenseitige Anschluss ist vorzugsweise als Anschlussschiene ausgebildet, jedoch sind auch andere Verbindungen, wie Kabelverbindungen, denkbar. Anschlussschienen sind mechanisch robust und stellen auf einfache Weise die notwendigen Querschnitte zur
Verfügung, um hohe Leistungen zu transportieren. Darüber hinaus lassen sie eine einfache, ebenfalls große Querschnitte aufweisende Verbindung zwischen zwei Anschlussschienen zu. Auch netzseitig können Anschlussschienen zur
Parallelschaltung der Leistungsschaltschränke verwendet werden .
Der maschinenseitige und der netzseitige Umrichter des
Leistungsmoduls weist vorzugsweise elektronische
Leistungsschalter auf, um Wechselstrom in Gleichstrom
umzuwandeln oder andersherum. Diese elektronischen Schalter können beispielsweise Dioden, Transistoren, Integrated-Gate- Communicated-Thyristoren (IGCT) oder vorzugsweise Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) sein. Letztere erlauben eine nahezu leistungslose Ansteuerung bei überdurchschnittlicher Robustheit und eine kompakte Bauweise. Diese elektronischen Leistungsschalter sind insbesondere so ausgebildet, dass sie einzeln oder als Modul zu mehreren elektronischen
Leistungsschaltern in oder auf das Leistungsmodul montiert werden können.
Die energetische Verkopplung der beiden durch den Umrichter elektrisch verbundenen Stromnetze auf einer gemeinsamen
Gleichspannungsebene wird vorzugsweise durch Kondensatoren erzielt, welche den Gleichspannungszwischenkreis bilden. Das Vorsehen eines Choppers ermöglicht es, mittels eines elektronischen Leistungsschalters elektrische Energie über einen sogenannten Bremswiderstand in Wärmeenergie umzuwandeln und abzuführen. Als elektronischer Leistungsschalter kommt insbesondere wieder ein IGBT in Betracht, andere
elektronische Leistungsschalter sind jedoch auch möglich. Das Vorsehen eines Choppers in jedem Leistungsschaltschrank ist besonders vorteilhaft, da somit in jedem
Gleichspannungszwischenkreis Energie abgeführt werden kann. Die Chopper können daher an die jeweilige Leistung des einzelnen Schaltschranks angepasst sein. Bei einer
Erweiterung der Vorrichtung fällt zudem eine neue
Dimensionierung des Choppers, wie sie bei parallel
geschalteten Gleichspannungszwischenkreisen notwendig wäre, weg. Zudem fallen Sicherungsmaßnahmen aufgrund der begrenzten über den Chopper abzuführenden Energie weg. Grundsätzlich kann der Chopper beispielsweise über Kabelverbindungen beliebig im Leistungsschaltschrank positioniert werden. Es ist allerdings besonders vorteilhaft, wenn der Chopper zwischen dem netzseitigen und dem maschinenseitigen Umrichter auf einer die Kondensatoren des
Gleichspannungs zwischenkreises aufweisender
Gleichstromverschienung angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders kurze, symmetrische und unmittelbare Anbindung an den Gleichspannungszwischenkreis erreicht, was sich positiv auf die Kompaktheit der Leistungsschaltschränke auswirkt und eine gleichmäßige thermische Belastung der Kondensatoren ermöglicht. Des Weiteren ist es möglich, den elektronischen Leistungsschalter und den Widerstand des Choppers als
gemeinsame Einheit zu montieren, oder aber auch, falls die Bauart des Widerstandes dies nicht zulässt, den Widerstand räumlich getrennt vom Leistungsschalter zu montieren.
Bei der Verwendung einer Gleichstromverschienung kann einfach über zwei Leiterebenen mit einer dazwischen liegenden
Isolierung der Gleichspannungszwischenkreis mit sehr
niedriger Induktivität realisiert werden. Dies führt zu einer besonders kompakten Bauweise des Leistungsmoduls. Für Drei- Level-Umrichter kann entsprechend eine dritte
Gleichstromleiterebene in der Gleichstromverschienung
vorgesehen sein, so dass ohne Änderung des mechanischen
Aufbaus der Leistungsschaltschränke eine
Schaltschrankanordnung für den Niederspannungs- als auch für den Mittelspannungsbetrieb zur Verfügung gestellt werden kann.
Das Leistungsmodul mit netzseitigem Umrichter,
Gleichspannungszwischenkreis, Chopper und maschinenseitigem Umrichter ist über die beiden Umrichter vorzugsweise über Kupferschienen mit den netz- und/oder maschinenseitigen
Anschlüssen des Schaltschranks verbunden. Allerdings können auch weitere Komponenten zwischen Leistungsmodul und netz- und maschinenseitigen Anschlüssen vorhanden sein, welche ebenfalls über Kupferschienen an das Leistungsmodul
angebunden sind. Kupferschienen ermöglichen eine besonders verlustarme elektrische Verbindung. Allerdings ist es auch denkbar, entsprechend verlustarm ausgebildete
Kabelverbindungen vorzusehen. Hierdurch wird ein weitestgehend modularer Aufbau der
Leistungsschaltschrankkomponenten erzielt, sodass der Austausch von einzelnen defekten Komponenten ohne zusätzliche Hilfsmittel durchgeführt werden kann.
Ein Leistungsschaltschrank ist vorzugsweise für Leistungen von typischerweise bis zu 1 MW ausgelegt, wobei sowohl
Niederspannung bis zu lkV als auch Mittelspannungen von bis zu 30kV verwendet werden können. Es sind selbstverständlich aber auch größere Leistungen pro Leistungsschaltschrank denkbar. Eine Skalierung der Leistung der
Leistungsschaltschränke kann beispielsweise einerseits durch eine Anpassung von Typ und/oder Anzahl der elektronischen Leistungsschalter erfolgen und/oder andererseits besonders einfach durch das Vorsehen einer unterschiedlichen Anzahl von erfindungsgemäßen Leistungsschaltschränken .
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn in einem
Leistungsschaltschrank die Anordnung der Komponenten im
Wesentlichen der Richtung des Leistungsflusses entspricht. Es ist eine Anordnung der Komponenten im Wesentlichen in einer Reihe bevorzugt. Hierbei ist die Reihenfolge der
Komponenten: maschinenseitiger Anschluss, maschinenseitiger Umrichter, Gleichspannungszwischenkreis mit Chopper,
netzseitiger Umrichter und netzseitiger Anschluss. Auf Grund der einfachen Zugänglichkeit und thermischer Effekte ist eine im Wesentlichen vertikale Anordnung der Komponenten besonders bevorzugt, wobei die Anordnung der Komponenten sowohl von oben nach unten als auch von unten nach oben entsprechend der genannten Reihenfolge erfolgen kann. Insgesamt lässt sich durch eine erfindungsgemäße
Schaltschrankanordnung ein kostensparender, kompakter Aufbau mit minimalen Verbindungsstrecken zwischen den Komponenten und dadurch mit einem optimalen Leistungsfluss und hoher Leistungsdichte bei sehr guter Skalierbarkeit realisieren.
Alternativ zum netzseitigen parallelen Anschluss der
Leistungsschaltschränke können die Leistungsschaltschränke gemäß einer ersten alternativen Ausgestaltung der
Schaltschrankanordnung jeweils einzeln über zugeordnete
Sekundärwicklungen eines oder mehrerer Transformatoren an das Netz angebunden sein. Hier können Transformatoren mit je einer Primär- und einer Sekundärwicklung verwendet werden oder auch ein Transformator mit je einer Primär- und mehreren Sekundärwicklungen. Dies verhindert, dass sich Kreisströme zwischen mehreren sowohl maschinen- als auch netzseitig parallel verbundenen Leistungsschaltschränken ausbilden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung weist das Leistungsmodul eine
plattenförmige Gleichstromverschienung auf, welche auf einer ersten Seite die Leistungsschalter und einen Chopper aufweist und auf einer zweiten Seite die Kondensatoren des
Gleichspannungszwischenkreises aufweist .
Durch die Gleichstromverschienung und die Anbindung der
Leistungsschalter und des Choppers auf der einen Seite und der Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreise auf der anderen Seite der Gleichstromverschienung kann eine sehr platzsparende Anordnung der Leistungsmodule, welche dem entsprechend eine hohe Leistungsdichte aufweisen, erreicht werden. Hierdurch wird auch ein einfacher Zugriff und somit eine einfache Installation und eine einfache Wartung der elektronischen Leistungsschalter ermöglicht. Die Kondensatoren können insbesondere über Anschlusselemente eines ersten Rastermaßes leitend mit der
Gleichstromverschienung verbunden werden, während der
mindestens eine elektronische Leistungsschalter über
Anschlusselemente eines zweiten Rastermaßes leitend mit der Gleichstromverschienung verbunden ist.
Das zweite Rastermaß der Gleichstromverschienung ermöglicht den variablen Anschluss von einem aber auch von mehreren elektronischen Leistungsschaltern an die
Gleichstromverschienung, so dass eine einfache Skalierbarkeit der Schaltungsanordnung gegeben ist. Anschlusselemente werden vorzugsweise durch Kontaktlöcher in der jeweiligen
Metallplatte des elektrischen Anschlusspols der
Gleichstromverschienung gebildet, so dass die einzelnen
Kondensatoren und elektronischen Leistungsschalter elektrisch leitend mit der Gleichstromverschienung verbunden werden können. Das erste Rastermaß und das zweite Rastermaß können entweder identisch oder voneinander verschieden ausgebildet sein. Der Platzbedarf wird hierdurch weiter verringert und darüber hinaus die Skalierbarkeit vereinfacht.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl parallel geschalteter
Kondensatoren, vorzugsweise eine Kondensatorbank vorgesehen, wobei die einzelnen Kondensatoren über die im ersten
Rastermaß angeordneten Anschlusselemente mit der
Gleichstromverschienung elektrisch leitend verbunden sind. Das erste Rastermaß der Gleichstromverschienung ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung der Kondensatoren, da das Rastermaß beispielsweise auf die Größe und den Raumbedarf der Kondensatoren abgestimmt werden kann. Bevorzugt sind die im zweiten Rastermaß angeordneten
Anschlusselemente der Gleichstromverschienung derart
ausgebildet, dass eine Mehrzahl an elektronischen
Leistungsschaltern in achsensymmetrischer Anordnung mit der Gleichstromverschienung elektrisch leitend verbunden werden kann. Für die im zweiten Rastermaß angeordneten
Anschlusselemente bedeutet dies, dass die elektrischen
Anschlusspole beispielweise die Kontaktierung eines um 180 Grad gedrehten elektronischen Leistungsschalters ermöglicht. Die achsensymmetrische Anordnung von elektronischen
Leistungsschaltern ermöglicht einen symmetrischen Aufbau der Schaltungsanordnung und insofern eine weitere Reduzierung des Raumbedarfs des Leistungsmoduls und somit des gesamten
Leistungsschaltschranks .
Durch das Vorsehen einer Adapterverschienung, welche auf einer Anschlussseite an den elektronischen Leistungsschalter angepasst ist und auf der anderen Seite an das zweite
Rastermaß angepasst ist, können elektronische
Leistungsschalter unterschiedlicher Hersteller und/oder unterschiedlicher Typen eingesetzt werden.
Es können natürlich auch mehrere elektrisch miteinander verbundene Gleichstromverschienungen innerhalb eines
Leistungsschaltschranks vorgesehen sein, um eine
Skalierbarkeit innerhalb eines Leistungsschaltschranks zu erreichen. Diese können über kurze Kupferschienen, Kabel weitere Verschienungen seitlich in Reihe oder Rücken an
Rücken verbunden werden.
Der Chopper kann entweder direkt mit der
Gleichstromverschienung elektrisch verbunden sein oder über eine spezifische Adapterverschienung an die
Gleichstromverschienung angeschlossen sein. Wird der Chopper direkt mit der Gleichstromverschienung verbunden, werden einerseits die Kosten für eine Adapterverschienung
eingespart. Die Adapterverschienung kann aber dazu verwendet werden, um den Chopper anwendungsspezifisch an einer
geeigneten Stelle der Schaltungsanordnung anzuordnen, ohne die Gleichstromverschienung verändern zu müssen.
Durch die direkte Anbindung des Choppers an die
Gleichstromverschienung werden sehr geringe
Streuinduktivitäten erreicht und eine gleichmäßige Aufteilung der Ströme durch die Gleichstromverschienung und der an der Gleichstromverschienung angeschlossenen Kondensatoren.
Hierdurch wird eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht, was wiederum einen kompakteren und besser zu kühlenden
Leistungsschaltschrank ermöglicht. Vorzugsweise ist der
Chopper zwischen den elektronischen Leistungsschaltern des netzseitigen Umrichters und des maschinenseitigen Umrichters auf einer Seite der Gleichstromverschienung angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung, weisen die Leistungsschaltschränke jeweils einen dU/dt-Filter auf. Dieser ermöglicht eine
Begrenzung von Spannungssteilheiten. Der dU/dt-Filter ist insbesondere dem maschinenseitigen Anschluss vorgeschaltet, also zwischen dem maschinenseitigen Umrichter und dem
maschinenseitigen Anschluss angeordnet, und schützt die
Maschine vor zu schnellen Spannungsänderungen. Indem die Leistungsschaltschränke einen dU/dt-Filter aufweisen, werden außerdem weitere Verkabelungen aus dem Leistungsschaltschrank heraus vermieden. Ein dU/dt-Filter weist insbesondere eine Drossel und optional eine RC-Beschaltung auf. Der dU/dt- Filter kann über Schienen, wie Kupferschienen, Kabel oder Litze eingebunden werden. Dadurch bleibt die Modularität der Komponenten erhalten und eine vereinfachte Wartung kann erreicht werden. Ein Sensor zur Überwachung der Temperatur des dU/dt-Filter kann optional mit der dezentralen
Steuerungseinheit kommunizieren.
Vorzugsweise weisen die Leistungsschaltschränke netzseitig eine Netzdrossel auf. Diese dient der Entkopplung vom Netz, sodass Rückwirkungen ins Netz wie beispielsweise
Oberschwingungsströme minimiert werden können. Die
Netzdrossel kann ebenfalls über Schienen, wie Kupferschienen, Kabel oder Litze eingebunden werden. Dadurch bleibt die
Modularität der Komponenten erhalten und eine vereinfachte Wartung kann erreicht werden. Insbesondere durch
Litzenanschlüsse kann eine flexible Verbindung an einen
Umrichter erreicht werden, was eine schnelle Montage oder auch die Verwendung von Netzdrosseln verschiedener Hersteller ermöglicht. Ein Sensor zur Überwachung der Temperatur der
Netzdrossel kann auch mit der dezentralen Steuerungseinheit kommunizieren. Bei einer Anordnung der Komponenten in Reihe ist die Netzdrossel bevorzugt zwischen netzseitigem Anschluss und Leistungsmodul oder, falls eine Kühlvorrichtung vorhanden ist, zwischen netzseitigem Anschluss und dem der
Kühlvorrichtung angeordnet. Besonders bevorzugt ist aufgrund von thermischen Effekten zur effektiveren Kühlung eine im Wesentlichen vertikale Anordnung, wobei die Netzdrossel unterhalb des Leistungsmoduls bzw. der Kühlvorrichtung angeordnet ist. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Leistungsschaltschränke an den netzseitigen Anschlüssen und/oder den
maschinenseitigen Anschlüssen jeweils vorgeschaltete, also zwischen den netz- oder maschinenseitigen Umrichtern und den netz- oder maschinenseitigen Anschlüssen angeordnete,
Trenneinrichtungen zum elektrischen Trennen der
Leistungsschaltschränke, beispielsweise elektrische
Trenneinrichtungen wie Schütze, IGBTs oder IGBCs oder auch mechanische Schalter aufweisen. Dies ermöglicht eine weitere Vereinfachung von Wartungsarbeiten, da auf diese Weise einzelne Leistungsschaltschränke netzseitig und/oder
maschinenseitig vom Netz getrennt werden können. Die Schütze können beispielsweise über kurze Kupferverbindungen mit dem jeweiligen Anschluss elektrisch verbunden sein. Weist eine Schaltschrankanordnung beispielsweise zumindest teilweise redundante Leistungsschaltschränke auf, können diese selbst während des Betriebs ab- oder zugeschaltet werden. Eine
Wartung oder ein Austausch von defekten Komponenten ist somit schnell und einfach durchzuführen. Zudem wird beispielsweise der Wirkungsgrad erhöht, wenn der Generator unterschiedliche Leistungen abgibt und bei geringeren Leistungen
Leistungsschaltschränke abgeschaltet werden können. Des Weiteren kann bei einem Defekt in einem der
Leistungsschaltschränke dieser elektrisch von den anderen getrennt werden. Somit kann das Gesamtsystem mit reduzierter Kapazität weiterbetrieben werden und Energie in das Netz einspeisen. Dies ist insbesondere für Offshore- Windenergieanlagen von Bedeutung, da diese nur unter
erschwerten Bedingungen zu erreichen sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung weisen die Leistungsschaltschränke jeweils eine Kühlvorrichtung auf, insbesondere einen
Wärmetauscher. Die Kühlung kann sowohl über Lüftkühlung, beispielsweise mittels Lüfter, als auch über einen
Wärmetauscher erfolgen. Der Wärmetauscher verwendet
vorzugsweise ein Kühlmittel, insbesondere Wasser. Als
Kühlmittel kann vorteilhaft auch ein Wasser-Glykol-Gemisch zum Einsatz kommen, es ist aber auch jedes andere flüssige Kühlmedium denkbar. Vorzugsweise werden aber beide Verfahren gleichzeitig genutzt, so dass ein entsprechend kompakter Aufbau realisiert werden kann. Komponenten, welche
beispielsweise eine Wasserkühlung erlauben, dies sind im Allgemeinen die elektronischen Leistungsschalter der
Wechselrichter und des Choppers, die dU/dt-Filter und die Netzdrossel, werden an einen Wasserkühlkreislauf
angeschlossen. Bei anderen Komponenten wie beispielsweise den Zwischenkreiskondensatoren ist eine Luftkühlung vorteilhaft.
Vorzugsweise sind die Leistungsschaltschränke gemäß einer weiteren Ausgestaltung hermetisch gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossen. Vorteilhaft ist in diesem Fall der Einsatz von Wärmetauschern, insbesondere ein Luft-Wasser-Wärmetauscher, welcher die Abwärme der Bauteile dem Wasserkühlkreislauf zuführt, so dass eine Zufuhr von kühlender Außenluft nicht notwendig ist. Durch die Verwendung von Wärmetauschern wird auch ohne Zuluft eine ausreichende Kühlung der Komponenten in den Leistungsschaltschränken sichergestellt. Die
Kühlkreisläufe der Leistungsschaltschränke können
zusammengeschaltet oder auch unabhängig voneinander betrieben werden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeentwicklung der einzelnen Komponenten ist es besonderes vorteilhaft, wenn die einzelnen Komponenten im Wesentlichen einer vertikalen
Anordnung folgen. In diesem Fall kann entstehende Wärme durch die natürliche Konvektion abtransportiert werden. Die
Kühlvorrichtung ist vorzugsweise unterhalb des
Leistungsmoduls angeordnet, so dass die natürliche Konvektion unterstützt werden kann. Bei einem Wasser-Luft-Wärmetauscher wird hierbei eine optimale Kühlluft Zirkulation erreicht, welche das Leistungsmodul, insbesondere die an einer
Gleichstromverschienung angeordneten Kondensatoren, kühlen.
Eine Kühlung innerhalb eines Leistungsschaltschranks kann die Lebensdauer insbesondere in klimatisch ungünstigen Regionen der Komponenten erhöhen, da ein hermetischer Aufbau des Leistungsschaltschranks ermöglicht und eine Kontamination der Komponenten mit feuchter, salzhaltiger oder schmutziger Luft von außen vermieden wird. Bevorzugt werden das
Leistungsmodul, also insbesondere der maschinenseitige und netzseitige Umrichter sowie der Chopper, die Netzdrossel und/oder der dU/dt-Filter wassergekühlt. Optional können auch an den netz- und maschinenseitig Anschlüssen vorgesehene Schütze luft- oder wassergekühlt werden.
In einer Wasserkühlung kann außerdem eine Vorheizeinrichtung vorgesehen sein, sodass bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen das Leistungsmodul, insbesondere die elektronischen
Leistungsschalter, einerseits auf Betriebstemperatur
vorgewärmt werden kann und andererseits nach dem Betrieb Kondensation an diesen Komponenten vermieden werden kann.
Vorzugsweise sind die Leistungsschaltschränke mittels AC- Schienen parallel geschaltet. Hierdurch kann eine einfach zu montierende, und gleichzeitig stabile Parallelschaltung der einzelnen Leistungsschaltschränke realisiert werden. Die AC- Schienen sind aufgrund der Leitfähigkeit vorzugsweise aus Kupfer. Im Falle von Dreiphasenwechselstrom sind mindestens dreipolige Schienen vorzusehen. Die AC-Schienen können so angeordnet werden, dass die Verbindung zu anderen
Leistungsschaltschränken seitlich, rückwärtig und/oder nach oben möglich ist. Die Vorderseite der Leistungsschaltschränke dient vorzugsweise für einen einfachen Montage- und
Wartungszugriff .
Grundsätzlich sind aber auch Kabel und/oder Litzen zur
Verbindung der Leistungsschaltschränke denkbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung sind die Leistungsschaltschränke seitlich in Reihe und/oder Rücken an Rücken angeordnet. Auf diese Weise kann eine einfache Leistungsanpassung trotz einer kompakten Anordnung der Leistungsschaltschränke erzielt werden .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung weist die Schaltschrankanordnung einen Net zanschlussschaltschrank auf, welcher eine zentrale
Steuerungseinheit aufweist. Über die zentrale
Steuerungseinheit können die dezentralen Steuerungseinheiten der Leistungsschaltschränke gesteuert werden. Wird eine
Verbindung zwischen den dezentralen Steuerungseinheiten und der zentralen Steuerungseinheit hergestellt, kann über die Verbindung auf einfache Weise jede Komponente der
Leistungsschaltschränke angesprochen werden. Soll
beispielsweise die Schaltschrankanordnung um einen weiteren Leistungsschaltschrank erweitert werden, muss lediglich der netzseitige und maschinenseitige Anschluss elektrisch
verbunden werden und die dezentrale Steuerungseinheit sowie die Hilfsspannungsversorgung angeschlossen werden. Die Anzahl der nötigen Verbindungen und Verkabelungen wird also auf ein Minimum reduziert. Hierbei keine sowohl eine Stern, Ring-, Reihen- und/oder Bustopologie der dezentralen
Steuerungseinheiten vorgesehen sein. Die Verwendung eines separaten Net zanschlussschaltschrankes verbessert zudem die Skalierbarkeit der Schaltschrankanordnung, da dieser bei Leistungsanpassungen ausgetauscht bzw. getrennt von den
Leistungsschaltschränken angepasst werden kann.
Die zentrale Steuerungseinheit kann aber auch so ausgebildet sein, dass sie mit weiteren Systemen kommunizieren kann. So können verschiedene Schnittstellen und Busse, wie Ethernet, CANOpen oder andere digitale oder analoge Ein- und Ausgänge vorgesehen sein, um beispielsweise Daten des Generators oder des Rotors ebenfalls berücksichtigen oder beeinflussen zu können .
Der Net zanschlussschrank dient des Weiteren der Verbindung der Leistungsschaltschränke mit dem Netz.
Vorzugsweise weist der Net zanschlussschaltschrank einen oder mehrere Netzfilter auf. Dieser dient einer Begrenzung von elektrischen Störungen sowohl in das Netz als auch aus dem Netz. Ein solcher Netzfilter kann aus Induktivitäten,
Kondensatoren und/oder Widerständen aufgebaut sein. Dadurch, dass der Netzfilter in dem Net zanschlussschrank vorgesehen ist, ist er allen Leistungsschaltschränken vorgeschaltet und es muss nur ein einziger Filter vorgesehen werden. Es ist grundsätzlich aber auch denkbar, Netzfilter jeweils in die Leistungsschaltschränke zu integrieren. Der Net zanschlussschaltschrank weist bevorzugt eine Hilfsspannungsversorgung und/oder einen Netzschalter auf. Die Hilfsspannungsversorgung erzeugt aus dem netzseitigen
Wechselstrom vorzugsweise eine einphasige 230 V
Wechselspannung. Es sind jedoch beliebige Gleich- und/oder Wechselspannungen denkbar. Ebenso ist es möglich, die
Hilfsspannung von extern einzuspeisen, so dass in diesem Fall die Hilfsspannungsversorgung im Net zanschlussschrank
lediglich als Verteilknoten für die Leistungsschaltschränke dient. Die Hilfsspannungsversorgung kann so auf einfache
Weise für alle Leistungsschaltschränke bereitgestellt werden. Über einen oder mehrere Netzschalter können alle
Leistungsschaltschränke auf einfach Weise vom Netz getrennt werden .
Vorzugsweise sind die zentrale Steuerungseinheit und die dezentralen Steuerungseinheiten so ausgebildet, dass die zentrale Steuerungseinheit und die dezentralen
Steuerungseinheiten über Lichtwellenleiter miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise werden die nötigen
Kabelverbindungen reduziert, was die Installation und die Skalierbarkeit zusätzlich vereinfacht. Bei der Verwendung von Lichtwellenleitern werden Signalstörungen aufgrund von möglichen hochfrequenten Störimpulsen vermieden.
Die oben hergeleitet Aufgabe wird insbesondere durch eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welche eine erfindungsgemäße Schaltschrankanordnung aufweist, gelöst. Wie bereits ausgeführt, lässt sich durch eine erfindungsgemäße Schaltschrankanordnung ein kostensparender, kompakter Aufbau mit minimalen Verbindungsstrecken zwischen den Komponenten und dadurch mit einem optimaler Leistungsfluss und hoher Leistungsdichte realisieren.
Dies gilt insbesondere für eine weiter ausgestaltete
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer
Energie, welche als Windenergieanlage mit einem Generator ausgebildet ist und eine erfindungsgemäße
Schaltschrankanordnung aufweist. Als Generatoren werden wie eingangs erwähnt beispielsweise doppelt gespeiste
Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen verwendet. Da
Windenergieanlagen je nach Größe oder Windstärke am
Einsatzort unterschiedlichste Leistungen erzeugen, müssen die verwendeten Komponenten und insbesondere die Umrichter entsprechend dieser Leistung angepasst werden können. Dies gelingt mit der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung besonders einfach und kostengünstig. Ferner ist der zu
Verfügung stehende Raum bei Windenergieanlagen - beispielsweise im Inneren eines Turmes einer Winkkraftanlage - meistens begrenzt, sodass der kompakte Aufbau der
Leistungsschaltschränke und damit auch der gesamten
Schaltschrankanordnung vorteilhaft ist. Insbesondere beim Einsatz von Synchronmaschinen mit Vollumrichtern wird die gesamte elektrische Leistung über die Umrichter geführt, sodass ein kompakter und skalierbarer Aufbau bei gleichzeitig optimaler Kühlung von Vorteil ist. Einen minimalen Raumbedarf ermöglicht beispielsweise eine Rücken an Rücken Anordnung der Leistungsschaltschränke, ohne die Zugänglichkeit und damit die Wartungsfreundlichkeit zu verschlechtern. Im Weiteren wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt schematisch m Form eines Schaltplans den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines
Leistungsschaltsehranks , schematisch in Form eines Blockdiagramms die
Anordnung der Komponenten eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Leistungsschaltschranks , in einer perspektivischen Darstellung ein
Ausführungsbeispiel eines Leistungsmoduls mit
Chopper , in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines Leistungsmoduls, schematisch in Form eines Schaltplans den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer
Schaltschrankanordnung einer Windenergieanlage, in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungsschaltschranks , verschiedene Ausführungsbeispiele einer
Schaltschrankanordnung und eine schematische Darstellung ein
Ausführungsbeispiel einer Windenergieanlage mit einer Schaltschrankanordnung zeigt schematisch in Form eines Schaltplans den Aufbau Ausführungsbeispiels eines Leistungsschaltschranks 1. Wie dem Schaltplan zu entnehmen ist, weist der
Leistungsschaltschrank 1 an einem ersten Ende einen
maschinenseitigen Anschluss 2 und an einem zweiten Ende einen netzseitigen Anschluss 4 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Anschlüsse 2, 4 mit drei Leitern zur
Bereitstellung von dreiphasigem Strom ausgelegt. Diese
Anschlüsse 2, 4 können mit Kabeln oder AC-Schienen,
vorzugsweise Kupferschienen, realisiert werden. Über den maschinenseitigen Anschluss 2 können mehrere Schaltschränke 1 parallel geschaltet werden und mit einen Generator 68, beispielsweise einer permanenterregten Synchronmaschine, elektrisch leitend verbunden werden. Über den netzseitigen Anschluss 4 wird der Leistungsschaltschrank 1 elektrisch leitend mit dem Netz, beispielsweise einem
Stromversorgungsnetz elektrisch verbunden. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Leistungsschränke über die netzseitigen Anschlüsse 4 parallel geschaltet. Dabei können auch noch weitere Komponenten, wie Schalter oder Filter, insbesondere ein Net zanschlussschaltschrank 72, zwischen Netz und
netzseitigem Anschluss 2 geschaltet werden.
Zwischen den Anschlüssen 2, 4 ist ein Leistungsmodul 6 angeordnet. Dieses weist einen maschinenseitigen Umrichter 8, einen netzseitigen Umrichter 10, einen
Gleichspannungszwischenkreis 12 und einen Chopper 14 auf. Der Chopper 14 besteht aus einem elektronischen Leistungsschalter 16 und einem Bremswiderstand 18. Der elektronische
Leistungsschalter 16 ist in diesem Fall ein IGBT. Die
Umrichter 8, 10 weisen mehrere elektronische
Leistungsschalter in Form von IGBTs 8', 10' auf. Es können aber auch andere elektronische Leistungsschalter verwendet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis 12 ist über zwei Kondensatoren 20, 22 angedeutet, welche üblicherweise als Kondensatorbank 48 aus einer Vielzahl von parallel
geschalteten Kondensatoren bestehen. Der Leistungsschaltschrank 1 weist weiterhin vorzugsweise zwei Schütze 24, 26 auf, welche den Anschlüssen 2, 4
vorgeschaltet sind. Mithilfe der Schütze 24, 26 kann der gesamte Schaltschrank 1 als Einheit sowohl vom Netz als auch vom Generator 68 getrennt werden. Dies ist insbesondere für Wartungs- und Reparaturzwecke, Installationen oder bei
Defekten vorteilhaft. Die Netzdrossel 29 dient der
Entkopplung von Umrichter und Netz.
Zur Vermeidung von Spannungssteilheiten insbesondere am
Generator ist zwischen dem maschinenseitigen Umrichter 8 und dem Schütz 24 vorzugsweise ein dU/dt-Filter 30 angeordnet.
Der Leistungsschaltschrank 1 weist des Weiteren eine
dezentrale Steuerungseinheit 32 auf. Diese kann mit
beliebigen Komponenten des Leistungsschaltschranks 1
kommunizieren, jedoch bevorzugt mit allen Aktoren und
Sensoren im Leistungsschaltschrank, beispielsweise mit den Umrichtern 8, 10 dem Chopper 14 und/oder den Schützen 24, 26. Auf diese Weise bildet der Leistungsschaltschrank 1 im
Wesentlichen eine Einheit, sodass eine Schaltschrankanordnung 64, 96, 98 einfach an die Leistung eines Generators 68 durch Vorsehen einer entsprechenden Anzahl an
Leistungsschaltschränken 1 angepasst werden kann. Die
dezentrale Steuerungseinheit wird hier über einen, oder typischerweise zwei, Lichtwellenleiter 34 mit weiteren
Steuerungseinheiten verbunden. Jedoch sind auch andere
Übertragungstechniken mittels Netzwerkkabeln oder auch kabellose Übertragungsmethoden denkbar. Die dezentrale
Steuerungseinheit 32 ermöglicht vor allem die Realisierung kurzer Signalwege innerhalb des Leistungsschaltschrankes selbst, so dass hier einfache elektrische Verbindungen trotz der starken elektromagnetischen Störfelder möglich werden. In jedem Fall reduziert sich die benötigte Anzahl von
Kabelverbindungen zu einer zentralen Steuereinrichtung durch das Vorsehen einer dezentralen Steuerungseinheit 32 auf ein Minimum .
Grundsätzlich wird die reale Positionierung der Komponenten in einem Leistungsschaltschrank 1 nicht durch die Anordnung der Komponenten eines Schaltplans festgelegt. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Komponenten im Wesentlichen in der gleichen Reihenfolge wie im Schaltplan angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt schematisch in Form eines Blockdiagramms die Anordnung der Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Leistungsschaltschranks 36. Vor allem durch die
Anordnung der Komponenten im Wesentlichen in einer Reihe mit der Reihenfolge: maschinenseitiger Anschluss 2, optional maschinenseitiges Schütz 24, dU/dt-Filter 30, Leistungsmodul 6, Netzdrossel 39, optional netzseitiges Schütz 26 und netzseitiger Anschluss 2 ist besonders vorteilhaft in Bezug auf eine kompakte Anordnung der Komponenten bei gleichzeitig einfacher Zugänglichkeit der einzelnen Komponenten und der Möglichkeit einer ausreichenden und effektiven Kühlung. Die Anordnung kann selbstverständlich auch in umgekehrter
Reihenfolge erfolgen. Eine wie gezeigt vertikale Anordnung der Komponenten in dem Leistungsschaltschrank 36 ist aufgrund der einfachen Zugänglichkeit und thermischen Effekten beim Kühlen bevorzugt. Hier kann die natürliche Konvektion die Kühlung unterstützen. Eine dezentrale Steuerungseinheit 32 sowie eine Zwischenkreisvorladeeinheit können hierbei flexibel im Leistungsschaltschrank 36 positioniert werden. Auch eine Kühlvorrichtung 38 erstreckt sich in der Regel über mehrere Komponenten im Leistungsschaltschrank 36. Es ist jedoch vorteilhaft eine Kühlung in Form eines Luft-Wasser- Wärmetauschers zwischen dem Leistungsmodul 6 und der
Netzdrossel 39 vorzusehen. Vorzugsweise durch Konvektion können mittels Wasser und Luft die einzelnen Komponenten gekühlt werden. Auch ein Netzfilter 40 kann optional in dem Leistungsschaltschrank 36 vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt nun in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Leistungsmoduls 6 mit Chopper 14. Mehrere elektronische Leistungsschalter 42 in Form von IGBTs sind mittels Adapterverschienungen 44 an eine
Gleichstromverschienung 46 angeschlossen. Die elektronischen Leistungsschalter 42 sind alle auf einer Seite der
Gleichstromverschienung 46 angeordnet. Auf der
gegenüberliegenden Seite der Gleichstromverschienung 46 ist eine Kondensatorbank 48 angeordnet. Es ist des Weiteren erkennbar, wie die Kondensatorbank 48 über ein erstes
Rastermaß (nicht dargestellt) und die elektronischen
Leistungsschalter 42 mit der Adapterverschienung 44 über ein zweites Rastermaß 52 mit der Gleichstromverschienung 46 elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise werden rechtwinklige Adapterverschienungen 44 verwendet, um eine Positionierung der Leistungsschalter bzw. des Choppers außerhalb der Ebene der Gleichstromverschienung zu erreichen. Diese Anordnung der Leistungsschalter gewährleistet eine verbesserte Kühlung der Leistungsschalter oder auch des Choppers. An die Gleichstromverschienung 46 ist des Weiteren auch ein Chopper 14 angeschlossen. Der Chopper 14 dient dazu, die Kondensatorbank 48 sowie die elektronischen Leistungsschalter 42 vor Überspannungen zu schützen. Die Kombination der elektronischen Leistungsschalter 42 mit einem zusätzlich auf der Gleichstromverschienung 46 angeordneten Chopper 14 erlaubt die direkte Anbindung des Choppers 14 an die
Kondensatorbank 48. Es wird somit auf eine Kabelverbindung zwischen der Gleichstromverschienung 46 und dem Chopper 14 verzichtet. Da die Zwischenkreisspannung regelmäßig über 1000 V liegt, ist dies sowohl aus sicherheitstechnischen Aspekten als auch im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit des Leistungsmoduls 6 vorteilhaft. Des
Weiteren ergibt sich eine Reduzierung des Platzbedarfs.
Das Leistungsmodul 6 aus Fig. 3 weist weiterhin einen
Kühlkörper 54 mit Kühlmittelanschlüssen 56 auf. Durch die Anordnung eines Kühlkörpers 54 zwischen den elektronischen Leistungsschaltern 42 können diese mit einem einzigen
Kühlkörper 54 effektiv gekühlt und kompakt angeordnet werden.
Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungsmoduls 6. Die elektronischen Leistungsschalter 42 sind in drei Baugruppen 58, 60, 62 zusammengefasst und auf der
Gleichstromverschienung 46 angeordnet. Jede dieser Baugruppen verfügt über einen Kühlkörper, vorzugsweise für
Wasserkühlung. Auf der gegenüberliegenden Seite ist wiederum die Kondensatorbank 48 angeordnet. Es ist besonders
bevorzugt, wenn die Baugruppen 58, 62 die elektronischen Leistungsschalter 8', 10' der Umrichter 8, 10 aufweisen, während die mittlere Baugruppe 60 den oder die elektronischen Leistungsschalter des Choppers 14 sowie optional den
Widerstand 18 aufweisen. Wie leicht zu erkennen ist, können einzelne Baueinheiten 58, 60, 62 auf einfache Weise ersetzt werden, sofern diese beispielsweise defekt sind. Darüber hinaus ist eine Skalierbarkeit sehr einfach durch Hinzufügen oder Entfernen von weiteren Baueinheiten 58, 60, 62 möglich.
Fig. 5 zeigt schematisch in Form eines Schaltplans den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Schaltschrankanordnung 64. Diese weist den Leistungsschaltschrank 1 aus Fig. 1 und zwei weitere vorzugsweise baugleiche Leistungsschaltschränke 1', 1'' auf. Die Leistungsschaltschränke 1, 1', 1'' sind parallel geschaltet. Es ist auch denkbar, Leistungsschaltschränke 1, 1', 1'' mit unterschiedlicher Auslegung in einer
Schaltschrankanordnung 64 vorzusehen, um gegebenenfalls eine bessere Leistungsanpassung zu erzielen. Auch ist natürlich denkbar, nur zwei oder mehr als drei Leistungsschaltschränke vorzusehen. Durch einen Rotor 66 wird ein
permanentmagneterregter Synchrongenerator 68 angetrieben. Dieser ist über einen Generatorschalter 70, welcher optional in einem Generatoranschlussschrank (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann, mit den Leistungsschaltschränken 1, 1', 1'' elektrisch leitend verbunden. Netzseitig sind die Leistungsschaltschränke 1, 1', 1'' mit einem Net zanschlussschaltschrank 72 elektrisch verbunden. Dieser weist eine zentrale Steuerungseinheit 74, einen
Netzschalter 76, einen Netzfilter 78 und eine
Hilfsspannungsversorgung 80 auf. Der Netzfilter 78 ist auf diese Weise allen Leistungsschaltschränke 1, 1', 1''
vorgeschaltet und muss nicht separat in jeden
Leistungsschaltschrank implementiert werden. Jedoch ist es möglich, den Netzfilter 78 in den Leistungsschaltschränken 1, 1', 1'' vorzusehen. Der Netzschalter 76, um schnell und einfach die Leistungsschaltschränke 1, 1', 1'' vom Netz zu trennen, kann beispielsweise auch ein elektronischer
Leistungsschalter sein. Es ist gut zu erkennen, dass
abgesehen von den leitenden Verbindungen der netzseitigen Anschlüsse 26, 26', 26'' mit dem Net zanschlussschaltschrank 72 lediglich eine Verbindung der dezentralen
Steuerungseinheiten 32, 32', 32'' mit der zentralen
Steuerungseinheit 74 sowie eine Verbindung der
Hilfsspannungsversorgungseinheit 80 mit den
Leistungsschaltschränken 1, 1', 1'' erforderlich ist. Auf diese Weise wird ein geringer Installationsaufwand und optimale Skalierbarkeit der Schaltschrankanordnung 64
erreicht. Die zentrale Steuerung 72 ist in diesem
Ausführungsbeispiel mit einer Windenergieanlagensteuerung 82 über eine Datenverbindung 84 verbunden. Die
Windenergieanlagensteuerung 82 kann beispielsweise Daten über den Generator 68 oder den Rotor 66 zur Verfügung stellen oder diese beeinflussen oder Leistungs- oder Stromsollwerte vorgeben. Als Datenverbindung 84 können verschiedene
Schnittstellen und Busse, wie Ethernet, CANOpen oder andere digitale oder analoge Ein- und Ausgänge vorgesehen sein. Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungsschaltschranks 86. Der Leistungsschaltschrank 86 weist als netz- und
maschinenseitige Anschlüsse 2, 4 AC-Schienen auf. Diese sind für dreiphasigen Wechselstrom ausgelegt. Die AC-Schienen für den netzseitigen Anschluss 4 sind horizontal übereinander angeordnet, während die AC-Schienen für den maschinenseitigen Anschluss 2 vertikal hintereinander angeordnet sind. Jedoch sind andere Anordnungen ebenfalls denkbar. Ein Schütz 26 ist im Bereich des netzseitigen Anschlusses 4 angeordnet.
Oberhalb des netzseitigen Anschlusses 4 ist eine Netzdrossel 39 in den Leistungsschaltschrank 86 integriert. Hierüber ist eine Kühlvorrichtung 38 eingebaut, welche einen Luft-Wasser- Wärmetauscher 88 und einen Lüfter 90 aufweist. Insbesondere durch den Wasserkühlkreislauf 92 kann die Netzdrossel 39 gekühlt werden.
Oberhalb des Lüfters 90 ist das Leistungsmodul 6 aus Fig. 4 angeordnet. Jedoch können auch andere Ausführungsformen des Leistungsmoduls hier angeordnet sein. Durch diese Anordnung kann insbesondere die Kondensatorbank 48 des Leistungsmoduls 6 effektiv durch den Lüfter 90 gekühlt werden. Die Baugruppen 58, 60, 62 werden hierbei durch den Wasserkühlkreislauf 92 gekühlt, bzw. vor Inbetriebnahme auch optional erwärmt, um sie auf Betriebstemperatur zu bringen. Oberhalb des Leistungsmoduls 6 ist der dU/dt-Filter 30 angeordnet, welcher ebenfalls durch die Kühlvorrichtung 38 gekühlt wird.
Schließlich ist oberhalb des dU/dt-Filters 30 der
maschinenseitige Anschluss 2 in Form von AC-Schienen
angeordnet .
Es ist gut ersichtlich, wie die einzelnen Komponenten im Leistungsschaltschrank 86 in den Rahmen 94 im Wesentlichen in einer Reihe in einer vertikalen Anordnung angeordnet sind. Eine im Wesentlichen horizontale Anordnung oder eine
Anordnung in umgekehrter Reihenfolge ist natürlich auch denkbar. Durch die Anordnung in gegebener Reihenfolge, welche im Wesentlichen der Richtung des Leistungsflusses entspricht, können die Komponenten im Leistungsschaltschrank 86 sehr kompakt und gut zugängliche angeordnet werden, während sie gleichzeitig ausreichend gekühlt werden können.
Fig. 7 zeigt verschieden Ausführungsformen einer
erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung 96, 98. Die
Schaltschrankanordnung 96 zeigt drei Schaltschränke 100, 102, 104 von oben. Hierbei sind die Schaltschränke 100, 102 Rücken an Rücken angeordnet, während der Schaltschrank 104 seitlich quer zu den Schaltschränken 100, 102 angeordnet ist. Die Schaltschränke 100, 102, 104 sind insbesondere
Leistungsschaltschränke, wobei vorzugsweise einer der
Schaltschränke 100, 102, 104 auch ein
Net zanschlussschaltschrank ist. Besonders vorteilhaft bei dieser Anordnung ist es, dass die AC-Schienen in den
Leistungsschaltschränken 100 und 102 nur für den jeweiligen Bemessungsstrom ausgelegt sein müssen. Erst im
Net zanschlussschaltschrank 104 werden die AC-Schienen zum
Anschluss an das Netz zusammengeführt, so dass nur in diesem Schaltschrank die AC-Schienen für die Summe der
Bemessungsströme der beiden Schaltschränke 100 und 102 ausgelegt sein müssen. Hierdurch lassen sich Kosten für
Kupferverbindungen einsparen.
Die Schaltschrankanordnung 98 zeigt nun vier Schaltschränke 100, 102, 104, 106 von oben. Die Schaltschränke 100, 106 und 102, 104 sind jeweils seitlich nebeneinander angeordnet, während die Schaltschränke 100, 102 und 106, 104 jeweils Rücken an Rücken angeordnet sind. Die Schaltschränke 100, 102, 104, 106 sind insbesondere Leistungsschaltschränke, wobei vorzugsweise einer der Schaltschränke 100, 102, 104, 106 auch ein Net zanschlussschaltschrank ist.
Natürlich sind auch andere geometrische Anordnung der
Schaltschränke denkbar, insbesondere seitliche Anordnungen in Reihe oder Anordnungen übereinander oder Anordnungen mit weniger als drei oder mehr als 4 Schaltschränken .
Es ist deutlich erkennbar, dass durch die
SchaltSchrankanordnungen 96, 98 eine platzsparende Anordnung möglich ist, wobei gleichzeitig ein einfacher Zugriff auf die Komponenten jedes Schaltschranks über die Vorderseiten 100', 102', 104', 106' möglich ist. Für die entsprechenden
Anordnungen müssen lediglich die netzseitigen und
maschinenseitigen Anschlüsse 2, 4 so angeordnet sein, dass die entsprechende Anordnung möglich ist.
Fig. 8 zeigt nun eine schematische Darstellung einer
Windenergieanlage 108 mit einer erfindungsgemäßen
Schaltschrankanordnung 110. Diese kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie die SchaltSchrankanordnungen 64, 96 oder 98. Die Schaltschrankanordnung 110 ist ein einem Gehäuse 112 am Fuß der Windenergieanlage 108 montiert. Die
Schaltschrankanordnung 110 kann aber auch innerhalb des Turms 114 oder in der Nähe des Generators 68, also beispielsweise in der Gondel 116 der Windenergieanlage 108, angeordnet sein. Aufgrund des geringen Platzangebots in Windenergieanlagen, insbesondere in der Gondel 116 und im Turm 114 sowie der notwendigen Anpassung der Windenergieanlagen 108 an
unterschiedliche Leistungsbereiche ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltschrankanordnung 110 für
Windenergieanlagen 108 besonders vorteilhaft.
Next Patent: POWER SWITCHGEAR CABINET OF A DEVICE FOR PRODUCING ELECTRIC ENERGY