External Reactive Power Compensation of Permanent Magnet Synchronous Generator

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Amr Singer

Elektronisch kompensierte Permanenterregte Synchrongeneratoren in getriebelosen WindkonverternEine schnell wachsende Weltbevölkerung benötigt bei gewünschter Steigerung des Lebensstandards zunehmend mehr Energie. Diese muss mit dem Ziel einer nachhaltigen Entwicklung der Umwelt, sozial verträglich, sowie kostengünstig bereitgestellt werden. Angesichts der in den letzten Jahrzehnten erheblich gestiegenen Dimensionen des globalen Energiesystems ist dieses Ziel zunehmend schwieriger zu erreichen. Deshalb werden die unterschiedlichen Optionen zur Nutzung regenerativer Energie durch die Regierungsseite vielfach unterstützt . Windenergie bietet eine Möglichkeit.Problemdarstellung, Begründung und ZielsetzungDie sich in Deutschland stürmisch entwickelnde Windbranche wird in Zukunft ein begrenztes Angebot an geeigneten Landstandorten, die sich aus ökonomischen und ökologischen Folgen begründen, zur Verfügung haben. Ein Ausweg ist eine verstärkte Offshore-Aufstellung, da außerdem ein größerer Energieertrag mit Windkraftanlagen der MW-Klasse erzielt werden kann, aber dennoch eine Reihe schwerwiegender technischer Probleme mit sich zieht, wie:- Transport und Aufstellung der Anlagenkomponenten- Netzanbindung- Wartung und DiagnoseSchwer zugängliche Standorte und hohe Wartungskosten zwingen zur Nutzung von extrem zuverlässigen Betriebsmitteln, deshalb sind getriebelose, hochpolige Generatoren mit Permanenterregung, die sich durch Wartungsarmut, besseren Wirkungsgrad und geringeres Leistungsgewicht auszeichnen von Vorteil, obwohl sie höhere Investitionskosten verursachen und nur eine einfache Fundamentierung der Gesamtanlage benötigen. Es gilt zu ermitteln, welche Spannungsebenen und Netzarten bei Offshore Anwendungen infrage kommen, denn es wird eine lokale Offshore-Spannung von 24 kV vorausgesetzt, die vor Ort erzeugt werden muß. Geringere Verluste und eine höhere Zuverlässigkeit werden durch eine fehlende Steuerung erzielt. Dennoch sind Nachteile durch den Permanenterregten Synchrongenerator im Drehzahlverhalten zu erwarten, da nur ein enger Drehzahlbereich eine vernünftige Drehmomentausbeute bietet. Es müssen Kompensationsmaßnahmen auch im Teillastbereich zur Betriebsverbesserung durch aktive Kompensationsfilter, bezüglich ihrer erreichbaren Effekte, als auch des benötigten spannungsabhängigen Zusatzaufwandes verglichen und bewertet werden. Das schließt die Entwicklung neuer bzw. modifizierter Schaltungen zur Kompensation ein.Die experimentellen Untersuchungen ergaben den bekannten Zusammenhang, dass die Leistung der Synchronmaschine mit dem Erregerstrom ansteigt. Zuerst erhöht sich der Wirkungsgrad bis zum Maximum für den jeweiligen Erregerstrom, danach klingt er wieder mit zunehmender Belastung ab, weil der Spannungsabfall steigt und sich die Polradspannung verringert. Die Synchronmaschine hat die dritte und fünfte harmonische Komponente ohne Belastung. Im Belastungsfall steigen die harmonischen Komponenten im Ankerstrom und Ankerspannung an. Die harmonischen Komponenten müssen bei der Dimensionierung der Kompensationsschaltung berücksichtigt werden. Im Jahr 2004/2005 Ergänzung des 25KVA Versuchstandes mit elektronischer Kompensation ist eine Inbetriebnahme des dSPACE-Systems mit einfacher Raumzeigermodulation Steuerung, zur Ermittlung von Wirk- und Blindleistungsbilanzen geplant. Zur experimentellen Nachbildung der Turbinenfunktion wird ein bereits vorhandener Messaufbau, der auf einer Vor-Ort-Windmessung basiert, durch eine stromrichtergespeiste Gleichstrommaschine ersetzt, um Auswirkungen von normalen und kritischen Betriebs- und Grenzzuständen, wie Anfahren, Kurzschluss, Überdrehzahl und Grenzleistungsbetrieb auf Mechanik (Torsionsmomente, Stoßmomente, Anregung von Resonanzen) und Netz (Anlaufstrom, Überspannung) genaueren Betrachtungen zu betrachten.

Förderzeitraum:
01.09.2003 - 31.08.2006

Institut:
Technische Universität Chemnitz
Elektrotechnisches Institut

Betreuer:
Prof. Dr. Wilfried Hofmann

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