CH701753A1

CH701753A1 - Speed variable generator system for use in e.g. hydro power plant, has voltage limiter attached at secondary side of generator such that secondary sided current is derived during high current through frequency converter

Info

Publication number: CH701753A1
Application number: CH01367/09A
Authority: CH
Inventors: Alexander Stoev
Original assignee: Ids Holding Ag
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-15

Abstract

The system a double-fed asynchronous motor generator (4) with stator and rotor windings (4.1, 4.2), and a frequency converter (7) with a machine-sided converter (7.2), a network-sided converter (7.1) and a regulating unit (10). The frequency converter is connected to a three-phase network (1). An electronic voltage limiter (5) is attached at a secondary side of the generator such that entire secondary sided current is derived during high current through the machine-sided converter or during high voltage at a direct current link (7.3), and no current flows into the frequency converter. An independent claim is also included for a method for operating a generator system.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Generatorsysteme mit direkt netzgekoppelten Generatoren, bei denen eine Wicklung (Stator), abgesehen von Anlauf-, Schalt- und Schutzeinrichtungen, direkt mit dem speisenden Netz verbunden und wenigstens eine weitere (Rotorwicklung) von aussen zugänglich ist. Dies trifft beispielsweise für Systeme mit doppelt gespeisten Asynchronmaschinen (DASM) oder Kaskadenmaschinen zu. Derartige Anlagen werden häufig in regenerativen Energieanlagen, wie Wind- und Wasserkraftwerken, eingesetzt. The invention relates to generator systems with directly grid-connected generators, in which a winding (stator), apart from start-up, switching and protection devices, connected directly to the feeding network and at least one other (rotor winding) is accessible from the outside. This applies, for example, to systems with double-fed asynchronous machines (DASM) or cascade machines. Such systems are often used in renewable energy systems, such as wind and hydroelectric power plants.

[0002] Regenerative Energieanlagen werden zunehmend in Gegenden mit schwachen Netzen, also Netzen mit Anschlussleistungen unter 200 kVA eingesetzt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Verfügbarkeit der Anlagen, d.h. Netzfehler wie Spannungseinbrüche bis auf etwa 5% der Nennspannung im Bereich von Millisekunden, ein- und mehrphasige Kurzschlüsse müssen zumindest kurzzeitig toleriert und im «Ride Through» beherrscht werden. Eine Fehlerabschaltung der Anlage im Verlauf eines solchen Fehlers ist nicht zulässig, es soll im Gegenteil möglichst kontinuierlich Strom ins Netz gespeist werden. Renewable energy systems are increasingly used in areas with weak networks, ie networks with connection rates below 200 kVA. At the same time, the demands on the availability of the installations, i. Mains faults such as voltage dips to about 5% of the nominal voltage in the range of milliseconds, single- and multi-phase short circuits must be tolerated at least for a short time and be mastered in "ride through". An error shutdown of the system in the course of such an error is not permitted, on the contrary, electricity should be fed into the grid as continuously as possible.

[0003] Bei Anlagen mit direkter Netzkopplung des Generators kommt es bei plötzlicher Änderung der Netzspannung zu erheblichen Überströmen im Stator- und Rotorkreis, die zum Ansprechen der Netzschutzeinrichtungen führen und in einem DASM-System die zulässigen Werte für den MFU übersteigen und ausserdem eine unzulässig hohe Spannung im Zwischenkreis zur Folge haben. Die Stromanstiege unmittelbar nach der Spannungsänderung werden nur durch die Spannungsdifferenz selbst und die im Kreis vorhandenen Streuinduktivitäten begrenzt, wodurch bereits nach wenigen Millisekunden Stromamplituden erreicht werden, die weit über den Überstromschwellen von MFU und netzseitigem Netzschutzschalter liegen. Da Generatoren der verwendeten Grössenordnung Hauptfeldzeitkonstanten im Sekundenbereich aufweisen, klingen die angeregten Ausgleichsvorgänge nur langsam ab, womit von einem «Ride Through» keine Rede sein kann. Um die Überströme und die zusätzlich in den Zwischenkreis gespeiste Energie aufzunehmen, müsste der Frequenzumrichter auf ein Mehrfaches der Nennleistung überdimensioniert werden, was wirtschaftlich unvertretbar ist. Ausserdem kann der Netzschutzschalter die Anlage nicht mehr wirkungsvoll schützen, da er ebenfalls die auftretenden Überströme tolerieren müsste. In systems with direct grid coupling of the generator occurs when sudden change in the mains voltage to significant overcurrents in the stator and rotor circuit, which lead to the response of the network protection devices and exceed the allowable values for the MFU in a DASM system and also an unacceptably high Voltage in the DC link result. The current increases immediately after the voltage change are limited only by the voltage difference itself and the circulating stray inductances, which already after a few milliseconds current amplitudes are achieved, which are well above the overcurrent thresholds of MFU and mains side mains circuit breaker. Since generators of the order of magnitude used have main field time constants in the second range, the excited equalization processes decay only slowly, which means there can be no talk of "ride through". In order to absorb the overcurrents and the additional energy fed into the DC link, the frequency converter would have to be over-dimensioned to a multiple of the rated power, which is economically unacceptable. In addition, the mains circuit breaker can no longer effectively protect the system, since it would also have to tolerate the overcurrents that occur.

[0004] Im Patentdokument EP01 651 865 wird ebenfalls eine Methode zur Beherrschung von Netzstörungen beschrieben. Unter anderem wird die Temperatur des Generators und Getriebes mit Sollwerten überwacht. Dem ist entgegen zu halten, dass eine Netzstörung in der Regel im ms Bereich liegt und somit eine Temperaturüberwachung von Bauteilen nicht viel bringt, weil die notwendigen Sensoren im Sekundenbereich detektieren und somit nur noch die Zerstörung der Teile festgestellt werden kann. Auch ist eine Steuerung der Turbinenblätter nicht geeignet, um eine transiente Netzstörung abzufangen, weil im Rotor bei Eintritt der Störung genügend Energie gespeichert ist, um grosse Zerstörungen in der Elektronik zu bewirken. In der Regel dauert es 5 Sekunden bis die Rotorblätter der Turbine verdreht sind. Das bedeutet die Reaktion auf die Netzstörung kommt viel zu spät, weil Netzstörungen oftmals nur ca. 100 ms lang sind. Im Weiteren wird beschrieben, dass alle 0,5 Sekunden eine Kontrolle auf Netzprobleme erfolgt. Da in der Regel solche Störungen 100 ms lang sind, würde somit die Störung nicht einmal detektiert werden können bevor sie zuende ist und schon die Elektronik zerstört hat. Patent document EP01 651 865 also describes a method for mastering network disturbances. Among other things, the temperature of the generator and transmission is monitored with setpoints. This is contrary to hold that a network failure is usually in the ms range and thus a temperature monitoring of components does not bring much, because the necessary sensors detect within seconds and thus only the destruction of the parts can be determined. Also, a control of the turbine blades is not suitable to intercept a transient network disturbance, because enough energy is stored in the rotor at the onset of the fault to cause large destruction in the electronics. It usually takes 5 seconds for the rotor blades of the turbine to be twisted. This means that the response to the power failure comes way too late, because network disturbances are often only about 100 ms long. It is further described that there is a check for network problems every 0.5 seconds. Since such disturbances are usually 100 ms long, the disturbance would not even be able to be detected before it is over and the electronics have already been destroyed.

[0005] Im Patentdokument EP01 561 275 wird ein Verfahren zum Durchfahren von Netzstörungen beschrieben, wobei nach dem Erkennen einer solchen Störung zur Beherrschung der transienten Ausgleichsvorgänge der Stator des Generators kurzzeitig über elektronische Schalter vom Netz getrennt wird. Dies stellt einen wesentlichen Nachteil dar, weil durch die Trennung kurzzeitig kein Blindstrom aus dem Stator ins Netz abgegeben werden kann. In the patent document EP01 561 275 a method for traversing network disturbances is described, wherein after detecting such a disturbance for controlling the transient compensation processes, the stator of the generator is briefly disconnected from the grid via electronic switches. This represents a significant disadvantage because the separation short-term no reactive current can be discharged from the stator into the network.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand sicherzustellen, dass ein Generatorsystem bei plötzlichen Netzspannungsänderungen bis auf 0 % der Nennspannung kontinuierlich bzw. mit nur unwesentlicher Unterbrechung Energie ins Netz speisen kann. Dabei auftretende Transienten sollen minimiert, und es soll ermöglicht werden, den Speisebetrieb unter definierten Bedingungen ohne Unterbrechung fortzusetzen, und zwar unabhängig von Richtung und Geschwindigkeit der Spannungsänderung. The object of the invention is to ensure with economically justifiable effort that a generator system can feed in sudden mains voltage changes to 0% of the rated voltage continuously or with only minor interruption of energy into the network. Any transient occurring should be minimized, and it should be possible to continue the feed operation under defined conditions without interruption, regardless of the direction and speed of the voltage change.

[0007] Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechend erweiterten Generatorsystems zu beschreiben. Another object is to describe a method for operating a correspondingly extended generator system.

[0008] Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einem Generatorsystem gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 1 und mit einem Verfahren gemäss dem Wortlaut des Patentanspruches 15 gelöst. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>Drehzahlvariables Generatorsystem mit DASM-Generator mit elektronischem Spannungsbegrenzer <tb>Fig. 2<sep>Strompfade zur Fig. 1 <tb>Fig. 3A<sep>Spannungsbegrenzer mit RC-Kombination <tb>Fig. 3B<sep>Spannungsbegrenzer mit Varistor <tb>Fig. 3C<sep>Spannungsbegrenzer mit Widerstand <tb>Fig. 4<sep>Betriebsspannungsbereiche des maschinenseitigen Umrichters <tb>Fig. 5<sep>Stromverteilung zwischen dem maschinenseitigen Umrichter und dem geregelten WiderstandAccording to the invention these objects are achieved with a generator system according to the wording of claim 1 and with a method according to the wording of claim 15. The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it: <Tb> FIG. 1 <sep> Speed-variable generator system with DASM generator with electronic voltage limiter <Tb> FIG. 2 <sep> Current paths to Fig. 1 <Tb> FIG. 3A <sep> Voltage limiter with RC combination <Tb> FIG. 3B <sep> Voltage limiter with varistor <Tb> FIG. 3C <sep> Voltage limiter with resistor <Tb> FIG. 4 <sep> Operating voltage ranges of the machine-side inverter <Tb> FIG. 5 <sep> Power distribution between the machine-side inverter and the regulated resistor

[0009] Fig. 1 zeigt ein drehzahlvariables Generatorsystem mit DASM-Generator und elektronischem Spannungsbegrenzer. Fig. 1 shows a variable speed generator system with DASM generator and electronic voltage limiter.

[0010] Ein DASM-Generator 4 bestehend aus einer Statorwicklung 4.1 und einer Rotorwicklung 4.2 sowie den Schleifringen 4.3 für den Abgriff am Rotor. Der Abgriff ist verbunden mit einem Spannungsbegrenzer 5. Der Spannungsbegrenzer 5 besteht aus einem Verbinder 5.1 mit oder ohne Drossel und ist verbunden mit einem regelbaren Widerstand 5.2 und einem Frequenzumformer bzw. Umrichter 7, wobei letzterer aus einem maschinenseitigen Umrichter 7.2 (MFU), einem Zwischenkreis bzw. einem DC-Link 7.3 und einem netzseitigen Umrichter 7.1 (NFU) besteht. Das DASM-Generator 4 ist über einen Statorschütz 3 und einen Netzschutzschalter 2 an einen Netztransformator 1 angeschlossen. A DASM generator 4 consisting of a stator winding 4.1 and a rotor winding 4.2 and the slip rings 4.3 for the tap on the rotor. The tap is connected to a voltage limiter 5. The voltage limiter 5 consists of a connector 5.1 with or without throttle and is connected to a variable resistor 5.2 and a frequency converter or inverter 7, the latter of a machine-side inverter 7.2 (MFU), a DC link or a DC link 7.3 and a line-side converter 7.1 (NFU). The DASM generator 4 is connected to a mains transformer 1 via a stator contactor 3 and a mains circuit breaker 2.

[0011] Der netzseitige Frequenzumformer 7.1 ist über eine Netzdrossel 9 und einen Schalter 8 mit dem Netzschutzschalter 2 verbunden. Eine Regeleinheit 10 ist mit den beiden Frequenzumformern 7.1, 7.2 und mit dem Spannungsbegrenzer 5 verbunden und übernimmt sämtliche Regel- und Steueraufgaben. Vorteilhafterweise wird der Frequenzumformer 7 als bidirektionaler Spannungszwischenkreis-Umformer ausgelegt. Der DC-Link 7.3 kann mit einer Vorladeschaltung 6 auf einen bestimmten Startwert geladen werden. The network-side frequency converter 7.1 is connected via a mains choke 9 and a switch 8 to the mains circuit breaker 2. A control unit 10 is connected to the two frequency converters 7.1, 7.2 and the voltage limiter 5 and takes over all control and control tasks. Advantageously, the frequency converter 7 is designed as a bidirectional voltage source converter. The DC link 7.3 can be loaded with a precharge circuit 6 to a specific starting value.

[0012] Der Verbinder 5.1 besteht wahlweise aus einer Indiktivität bzw. einer Spule oder aus Verbindungsleitungen. Die Spule wird eingesetzt, wenn der Spannungsbegrenzer 5 in der Einheit 5.2 (regelbarer Widerstand) ein zeitliches Problem mit der Spannungsänderung (dU/dt) hat, d.h. wenn der Widerstand eingeschaltet wird. In diesem Fall senkt die Spule 5.1. dU/dt und dl/dt auf den erforderlichen Wert, damit der Schalter ES keine Fehlschaltungen auslöst. The connector 5.1 consists either of an inductance or a coil or of connecting lines. The coil is used when the voltage limiter 5 in the unit 5.2 (variable resistor) has a time problem with the voltage change (dU / dt), i. when the resistor is turned on. In this case, the coil 5.1 lowers. dU / dt and dl / dt to the required value, so that the switch ES triggers no faulty circuits.

[0013] Fig. 2 zeigt die Aufteilung der Ströme im erfindungsgemässen Generatorsystem entsprechend der Fig. 1. Die Ströme lu, Iv und Iw aus dem Netztransformator 1 teilen sich auf in die Ströme Isu, Isv, Isw des Stators und die Ströme liu, liv und liw des netzseitigen Umrichters 7.1. Die Generatorströme IGu, IGv, IGu des Rotors 4.2 teilen sich auf in die Ströme IRu, IRv, IRw durch den regelbaren Widerstand 5.2 sowie die Ströme lUu, lUv, lUw des maschinenseitigen Umrichters 7.2. Die Spannungen Uu, Uv und Uw sind die Spannungen nach dem Netztransformator 1. Die Spannungen Um, Urv und Urw sind die Spannungen am maschinenseitigen Umrichter 7.2. FIG. 2 shows the distribution of the currents in the generator system according to the invention corresponding to FIG. 1. The currents lu, Iv and Iw from the mains transformer 1 are divided into the currents Isu, Isv, Isw of the stator and the currents liu, liv and liw of the line-side converter 7.1. The generator currents IGu, IGv, IGu of the rotor 4.2 are divided into the currents IRu, IRv, IRw through the variable resistor 5.2 and the currents lUu, lUv, lUw of the machine-side converter 7.2. The voltages Uu, Uv and Uw are the voltages after the mains transformer 1. The voltages Um, Urv and Urw are the voltages at the machine-side converter 7.2.

[0014] Fig. 3A zeigt eine erste Ausführungsform des regelbaren Widerstandes 5.2. An den Phasen U, V und W ist ein Brückengleichrichter angeschlossen, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt. Diese Gleichspannung wird angeschlossen an eine Serienschaltung eines Widerstandes R und eines elektronischen Schalters ES mit Steuereingang S, der ein Kondensator C parallel geschaltet ist. Fig. 3A shows a first embodiment of the variable resistor 5.2. At the phases U, V and W, a bridge rectifier is connected, which converts the AC voltage into a DC voltage. This DC voltage is connected to a series connection of a resistor R and an electronic switch ES with control input S, which is a capacitor C connected in parallel.

[0015] Fig. 3B zeigt eine zweite Ausführungsform des regelbaren Widerstandes 5.2, bei der der regelbare Widerstand aus einer Reihenschaltung eines Varistors V mit einem elektronischen Schalter ES mit Steuereingang S besteht. Fig. 3B shows a second embodiment of the variable resistor 5.2, wherein the variable resistor consists of a series circuit of a varistor V with an electronic switch ES with control input S.

[0016] Fig. 3C zeigt eine dritte Ausführungsform des regelbaren Widerstandes 5.2, bei der der regelbare Widerstand aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes R mit einem elektronischen Schalter ES mit Steuereingang S besteht. Fig. 3C shows a third embodiment of the variable resistor 5.2, wherein the variable resistor consists of a series circuit of a resistor R with an electronic switch ES with control input S.

[0017] Fig. 4 zeigt die Betriebsspannungsbereiche des maschinenseitigen Frequenzumrichters 7.2 sowie die Punkte A, B, C, D und E in denen Aktionen eingeleitet werden. Es werden folgende Spannungsbereiche beschrieben: Fig. 4 shows the operating voltage ranges of the machine-side frequency converter 7.2 and the points A, B, C, D and E in which actions are initiated. The following voltage ranges are described:

[0018] UL0-UL1: Vorladebereich des Umrichters, der nur während einer Vorladung oder einer Entladung durchfahren werden kann. Der Hauptschütz ist abgeschaltet. Der netzseitige und maschinenseitige Umrichter (NFU und MFU) sind abgeschaltet. UL0-UL1: Vorladebereich the inverter, which can be passed only during a summons or a discharge. The main contactor is switched off. The network-side and machine-side inverters (NFU and MFU) are switched off.

[0019] UL1-UL2: Betriebsbereich des Spannungsbegrenzers 5. Der maschinenseitige Umrichter (MFU) kann aufsynchronisiert werden und der netzseitige Umrichter (NFU) arbeitet. UL1-UL2: operating range of the voltage limiter 5. The machine-side inverter (MFU) can be synchronized and the network-side inverter (NFU) works.

[0020] UL2-UL3: Sicherheitsbereich um beim Betrieb des Spannungsbegrenzers 5 die Einhaltung der Bedingungen lUu = 0 und lUv = 0 und lUw = 0 zu garantieren. Der netzseitige (NFU) und der maschinenseitige (MFU) Umrichter arbeiten. Der Spannungsbegrenzer realisiert in Aktion den Sicherheitsbereich. [0020] UL2-UL3: Safety range to guarantee compliance with the conditions lUu = 0 and lUv = 0 and lUw = 0 during operation of the voltage limiter 5. The network side (NFU) and the machine side (MFU) inverter are working. The voltage limiter realizes the safety area in action.

[0021] UL3-UL4: Normaler Betriebsbereich des Umrichters 7. Innerhalb der Spannungsgrenzen besteht keine Gefahr wegen Überspannung. UL3-UL4: Normal operating range of the inverter 7. Within the voltage limits there is no danger due to overvoltage.

[0022] UL4-UL5: Nicht erlaubter Sicherheitsbereich des DC Link. Bei Erkennung dieses Betriebsbereiches müssen spannungssenkende Massnahmen eingeleitet werden, d.h. der Spannungsbegrenzer wird aktiviert. UL4-UL5: Not allowed security area of the DC Link. Upon detection of this operating range, voltage lowering measures must be initiated, i. the voltage limiter is activated.

[0023] >UL5: Zerstörungsbereich des Umrichters. Bei Erkennung dieses Betriebsbereiches muss der Umrichter durch Betätigen des Hauptschützes und durch die Aktivierung des Spannungsbegrenzers geschützt werden. > UL5: destruction area of the inverter. If this operating range is detected, the inverter must be protected by operating the main contactor and activating the voltage limiter.

[0024] Im Weiteren werden im Spannungsverlauf die Punkte A, B, C, D und E wie folgt beschrieben: <tb>A-<sep>Vorladung 6 bis ca. UL3 <tb>B-<sep>Beginn eines starken Stromanstiegs, der von einem Netzzusammenbruch verursacht wird <tb>C-<sep>Stromanstiegsachse, die sich aus dem Netzfehler ergibt <tb>D-<sep>Zuschaltpunkt des Spannungsbegrenzers 5 <tb>E-<sep>Abschaltpunkt des Spannungsbegrenzers 5Furthermore, in the voltage curve, the points A, B, C, D and E are described as follows: <tb> A- <sep> Summons 6 to about UL3 <tb> B- <sep> Start of a high current rise caused by a network crash <tb> C- <sep> Current rise axis resulting from the network fault <tb> D- <sep> Connection point of the voltage limiter 5 <tb> E- <sep> Switch-off point of the voltage limiter 5

[0025] Fig. 5 zeigt die Stromverteilung zwischen dem maschinenseitigen Frequenzumrichter 7.2 und dem geregelten Widerstand. Der Strom teilt sich in die folgenden zwei Bereiche: <tb>L0-IL1:<sep>Bereich des erlaubten Stroms durch den Umrichter <tb>L1-IL2:<sep>Bereich des nicht-erlaubten Strombereiches für den Umrichter. Der Spannungsbegrenzer realisiert diesen Bereich, d.h. er ist in diesem Bereich aktiv.Fig. 5 shows the current distribution between the machine-side frequency converter 7.2 and the regulated resistance. The stream splits into the following two areas: <tb> L0-IL1: <sep> Range of allowed current through the drive <tb> L1-IL2: <sep> Range of the non-allowed current range for the inverter. The voltage limiter realizes this area, i. he is active in this area.

[0026] Es folgt eine detaillierte Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Betrieb des Generatorsystems bei Netzstörungen. The following is a detailed description of the inventive method for operating the generator system in power disturbances.

[0027] Nach Angaben der Energieversorger (E.ON Netz GmbH: Ergänzende Netzanschlussregeln für Windenergieanlagen) ist mit plötzlichen Spannungsänderungen vor allem bei einem Spannungseinbruch zu rechnen, während das Wiederhochfahren der Netz-Spannung schrittweise erfolgt. Einbrüche stellen somit den kritischeren und vorrangig zu beherrschenden Fall dar. According to the energy supplier (E.ON Netz GmbH: Supplementary grid connection rules for wind turbines) is to be expected with sudden voltage changes, especially in a voltage dip, while the power-up of the grid voltage step by step. Burglaries thus represent the more critical and predominantly dominant case.

[0028] Prinzipiell wird die Funktion einer Windenergieanlage mittels der Fig. 4 und 5 erläutert und anschliessend auf den erfinderischen Anteil eingegangen. In principle, the function of a wind turbine by means of FIGS. 4 and 5 is explained and then discussed the inventive share.

Prinzipielle Funktion:Principle function:

[0029] Vor dem Start einer Windenergieanlage wird der DC Link 7.3 bis zum Level UL3 mittels der Vorladeschaltung 6 aufgeladen. In der Nähe des Punktes A synchronisiert die Regeleinheit 10 die Umrichter 7.1 und 7.2 auf das Netz und fährt den Strom langsam hoch (ab Punkt A) Dann wird entsprechend den Windverhältnissen bis zum Punkt B vom Umrichter Strom ins Netz gespeist. Es sei darauf hingewiesen, dass der in Fig. 5 dargestellte Strom nicht der ins Netz eingespeiste Strom ist. Am Punkt B der Fig. 4 kommt es wegen Netzproblemen zu einem Abfall der Spannung. Before the start of a wind turbine, the DC link 7.3 is charged up to the level UL3 by means of the precharge circuit 6. In the vicinity of point A, the control unit 10 synchronizes the inverters 7.1 and 7.2 to the grid and slowly ramps up the current (from point A). Then, according to the wind conditions up to point B, the inverter supplies power to the grid. It should be noted that the current shown in Fig. 5 is not the current fed into the grid. At point B of Fig. 4, there is a drop in voltage due to network problems.

Erfinderischer Anteil:Inventive share:

[0030] Der jetzt schnell ansteigende Statorstrom ISu, ISv und ISw (Fig. 2) verursacht einen starken Stromanstieg IGu, IGv und Igw im Rotor. Sehr schnell wird der Rotorstrom den zulässigen maximalen Wert des maschinenseitigen Umrichters 7.2 überschreiten. Um dies zu verhindern, schaltet am Punkt C durch Überstromerkennung oder Überspannungserkennung die Regeleinheit 10 den Spannungsbegrenzer 5 zu, welcher dann selbständig den gesamten Strom des Rotors aufnimmt. Der Spannungsbegrenzer 5 sorgt so dafür, dass der zu hohe Strom nicht in den Umrichter 7.2 gelangen kann. Die Ströme lUu, lUv bis lUw werden zu Null. Dazu werden die Spannungen UGu, UGv und UGw in den Spannungsbereich UL1-UL2 geregelt, so dass der maschinenseitige Umrichter geschützt ist. Wenn die Regeleinheit 10 erkennt, dass die transienten Ausgleichsvorgänge abgeschlossen sind und der Strom beispielsweise ca. 60% des Nennstromes erreicht hat, wird zum Zeitpunkt E der regelbare Widerstand 5.2 des Spannungsbegrenzers 5 deaktiviert und der maschinenseitige Umrichter wieder hochgefahren. Im gesamten Zeitabschnitt D bis E kann der netzseitige Umrichter aus dem DC-Link 7.3 weiter Strom ins Netz einspeisen, um Blindstromkomponenten zu kompensieren. So kann im Zusammenspiel aller Komponenten ein Durchfahren der Windkraftanlage durch die Netzstörung erreicht werden. The now rapidly increasing stator current ISu, ISv and ISw (FIG. 2) causes a strong current increase IGu, IGv and Igw in the rotor. Very quickly, the rotor current will exceed the allowable maximum value of the machine-side inverter 7.2. In order to prevent this, at point C by overcurrent detection or overvoltage detection, the control unit 10 to the voltage limiter 5, which then independently absorbs the entire current of the rotor. The voltage limiter 5 thus ensures that the excessively high current can not reach the inverter 7.2. The currents lUu, lUv to lUw become zero. For this purpose, the voltages UGu, UGv and UGw are regulated in the voltage range UL1-UL2, so that the machine-side converter is protected. If the control unit 10 recognizes that the transient compensation processes have been completed and the current has reached, for example, approximately 60% of the rated current, the controllable resistor 5.2 of the voltage limiter 5 is deactivated at time E and the machine-side converter is started up again. Throughout the period from D to E, the line-side converter from DC-Link 7.3 can continue to feed power into the grid to compensate reactive-current components. So can be achieved by the network disturbance in the interaction of all components passing through the wind turbine.

[0031] In einer weiteren Ausführungsform kann in den Spannungsbegrenzer 5 noch ein Rotor Crowbar integriert werden. Bei dieser speziellen Auslegung ist die Regeleinheit 10 in der Lage bei Überlastungen des Spannungsbegrenzers die Windkraftanlage gezielt durch Überstrom abzuschalten. Durch die neue separate Anordnung der Einheit 5 ist es möglich eine definierte Stelle zu schaffen, bei der ein Schaden auftritt, falls die in den Spannungsbegrenzer 5 eingekoppelte Energie aus unbekannten Gründen noch wesentlich grösser wird. In diesem Fall werden im Spannungsbegrenzer 5 sogenannte fail-safe Bauteile verwendet. Im Falle einer Überlastung sind diese Teile so ausgelegt, dass ein sicherer Kurzschluss realisiert wird. Dieser Kurzschluss schützt weiterhin den Umrichter vor Zerstörung und löst den Hauptschalter 2 der Turbine aus, so dass nur in einem vorher definierten Bereich der Turbine ein kleiner Schaden entsteht, der einen grossen Schaden am Schaltschrank verhindert. In a further embodiment, a rotor Crowbar can still be integrated into the voltage limiter 5. In this special design, the control unit 10 is able to shut off the wind turbine targeted by overcurrent overloads of the voltage limiter. The new separate arrangement of the unit 5, it is possible to create a defined point at which damage occurs, if the coupled into the voltage limiter 5 energy for unknown reasons is much larger. In this case, 5 so-called fail-safe components are used in the voltage limiter. In case of overload, these parts are designed so that a safe short circuit is realized. This short circuit also protects the inverter from destruction and triggers the main switch 2 of the turbine, so that only in a predefined area of the turbine, a small damage is produced, which prevents a great deal of damage to the cabinet.

[0032] Erfindungsgemäss besteht die Hauptaufgabe des Spannungsbegrenzers 5 in der Beherrschung von transienten hohen Strömen, welche den Umrichter schädigen könnten. Der in den Fig. 3A, 3Bund 3Cverwendete Schalter ES kann vorzugsweise als IGBT, GTO oder MOSFETs ausgebildet sein. According to the invention, the main task of the voltage limiter 5 in the control of transient high currents, which could damage the inverter. The switch ES used in FIGS. 3A, 3B and 3C may preferably be formed as IGBT, GTO or MOSFETs.

[0033] Mit dem Netzschalter 8 lässt sich der netzseitige Umrichter 7.1 (NFU) ans Netz schalten. Dadurch kann der netzseitige Umrichter unabhängig vom Schaltzustand des Spannungsbegrenzers 5 betrieben und ein kontinuierlicher Stromfluss zwischen Netz und NFU auch während der Zeitdauer einer Netzstörung aufrechterhalten werden, bis der DC Link 7.3 entladen ist. Durch das Aktivieren des Spannungsbegrenzers 5 werden sämtliche Ströme IGu, IGv und Igw aus dem Rotor absorbiert, sodass in den Zwischenkreis des Umrichters keine weitere Energie mehr gelangen kann, die zu unzulässig hohen Spannungen führen würde. Fig. 4 und 5 zeigen die Verwendung des Spannungsbegrenzers. Eine besonders vorteilhafte Auslegung eines solchen regelbaren Widerstandes, welcher den Spannungsbegrenzer 5 bildet, sei hier dargestellt: <tb>Elektronischer Schalter ES<sep>- IGBT <tb>Kondensator C<sep>-< 10 mF <tb>Widerstand R je nach Turbine<sep>- < 1 ΩWith the power switch 8, the network-side inverter 7.1 (NFU) can be connected to the mains. As a result, the network-side converter can be operated independently of the switching state of the voltage limiter 5 and a continuous current flow between the network and NFU can be maintained even during the period of a network fault until the DC link 7.3 is discharged. By activating the voltage limiter 5, all the currents IGu, IGv and Igw are absorbed from the rotor, so that no further energy can reach the intermediate circuit of the converter, which would lead to unacceptably high voltages. Figs. 4 and 5 show the use of the voltage limiter. A particularly advantageous design of such a variable resistor, which forms the voltage limiter 5, is shown here: <tb> Electronic switch ES <sep> - IGBT <tb> Capacitor C <sep> - <10 mF <tb> Resistance R depending on the turbine <sep> - <1 Ω

[0034] Bei einer 1,5 MW 690 V Turbine betragen die Ströme z.B.: <tb>IRu, IRv, IRw max<sep>- IRu,v,w peak = (IUu,v,w peak) *4 für 100 ms = Maximalstrom des regelbaren Widerstandes <tb>lUu, lUv, lUw max<sep>- IUu,v,w peak = (IRu,v,w peak)/4 = Maximalstrom des UmrichtersFor a 1.5 MW 690 V turbine, the currents are, for example: <tb> IRu, IRv, IRw max <sep> - IRu, v, w peak = (IUu, v, w peak) * 4 for 100 ms = maximum current of the variable resistor <tb> lUu, lUv, lUw max <sep> - IUu, v, w peak = (IRu, v, w peak) / 4 = Maximum current of the inverter

[0035] Das Stromverhältnis ist vom Verhältnis der Windungszahlen abhängig. Spannungsbereiche des Umrichters (Fig. 4): <tb>UL0-UL1:<sep>OV - 750V DC Vorladespannung des DC Link 7.3 <tb>UL1;<sep>800V Abschaltgrenze des regelbaren Widerstandes <tb>UL2:<sep>900 V Einschaltgrenze des regelbaren Widerstandes <tb>UL2-UL3:<sep>900 V - 950 V Sicherheitsbereich, um IUu,v,w = 0 zu garantieren <tb>UL3-UL4:<sep>950V- 1150 V normaler Betriebsbereich des Umrichters <tb>UL4-UL5:<sep>1150V bis 1400V Sicherheitsbereich für den DC Link <tb>UL5-:<sep>ab 1400V Zerstörungsbereich des UmrichtersThe current ratio depends on the ratio of the number of turns. Voltage ranges of the inverter (Fig. 4): <tb> UL0-UL1: <sep> OV - 750V DC pre-charging voltage of DC Link 7.3 <tb> UL1; <sep> 800V cut-off limit of the variable resistor <tb> UL2: <sep> 900 V switch-on limit of the variable resistor <tb> UL2-UL3: <sep> 900V - 950V safety margin to guarantee IUu, v, w = 0 <tb> UL3-UL4: <sep> 950V-1150V normal operating range of the drive <tb> UL4-UL5: <sep> 1150V to 1400V safety area for the DC Link <tb> UL5 -: <sep> from 1400V Destruction range of the inverter

[0036] Strombereiche am Umrichter (Fig. 5): <tb>IL1:<sep>IL1 = IL2 / 4, Maximalstrom des Umrichters <tb>IL1 -IL2:<sep>IL1 -4*IL1, Arbeitsbereich des Spannungsbegrenzers <tb>IL2:<sep>Zerstörungsgrenze des UmrichtersCurrent ranges on the converter (FIG. 5): <tb> IL1: <sep> IL1 = IL2 / 4, maximum current of the inverter <tb> IL1 -IL2: <sep> IL1 -4 * IL1, work area of the voltage limiter <tb> IL2: <sep> Destruction limit of the inverter

[0037] Eine plötzliche Netzspannungsänderung kann auf direktem Weg über die Erfassung der Netzspannung selbst oder indirekt über die Detektion von Überströmen im Statorkreis oder MFU bzw. durch Detektion einer Überspannung im Zwischenkreis 7.3 erfasst werden. Da Überströme und Überspannungen auch andere Ursachen haben können, stellt die Sequenz zur Beherrschung von Netzfehlern auch einen Schutz des Systems bei anderen Störungen dar. Eine Abschaltung über indirekte Erfassung hat den Vorteil, dass die Netztrennung tatsächlich nur dann erfolgt, wenn die Störung nicht durch Gegenmassnahmen der Regeleinheit 10 und des Spannungsbegrenzers 5 kompensiert werden kann. Die Erkennung der genannten Fehler löst unmittelbar die Aktivierung des Spannungsbegrenzers 5 aus. Eine gleichzeitige Abschaltung von NFU (Impulssperre) oder ein Zünden des Kurzschliessers sind erst erforderlich, wenn die Überströme durch Aktivieren des Spannungsbegrenzers 5 nicht begrenzt werden können (d.h. systeminterne Ursachen haben). Dadurch wird mittels der erfindungsgemässen Anordnungen die Verfügbarkeit des Systems und dessen Fähigkeit, externen Fehlern aktiv entgegen zuwirken, wesentlich erhöht. A sudden change in mains voltage can be detected directly on the detection of the mains voltage itself or indirectly via the detection of overcurrents in the stator circuit or MFU or by detecting an overvoltage in the DC link 7.3. Since overcurrents and overvoltages can have other causes, the sequence for mastering network faults also protects the system in the case of other faults. Interruption via indirect detection has the advantage that network separation actually only takes place if the fault is not countermeasures the control unit 10 and the voltage limiter 5 can be compensated. The detection of said error immediately triggers the activation of the voltage limiter 5. Simultaneous switching off of NFU (pulse inhibit) or ignition of the short-circuiter are only required if the overcurrents can not be limited by activating the voltage limiter 5 (i.e., have system-internal causes). As a result, by means of the arrangements according to the invention, the availability of the system and its ability to actively counteract external errors are substantially increased.

[0038] Im Gegensatz zum Patentdokument EP01 651 865B1 ist das erfindungsgemässe Verfahren in der Lage in wenigen us die Netzstörungen zu erkennen und Gegenmassnahmen einzuleiten. In contrast to the patent document EP01 651 865B1, the method according to the invention is able to recognize the network disturbances in a few μs and to initiate countermeasures.

[0039] Im Gegensatz zur im Patentdokument EP01 561 275A2 vorgestellten Lösung wird mit dem erfindungsgemässen Verfahren die Netzstörung geregelt durchfahren und somit keine Trennung des Stators vom Netz vorgenommen. Dies hilft das Netz schneller zu stabilisieren, weil unmittelbar nach Fehlereintritt grössere Blindströme möglich werden. In contrast to the solution presented in the patent document EP01 561 275A2, the system disturbance is regulated by the method according to the invention and thus no separation of the stator from the network is performed. This helps to stabilize the grid more quickly because larger reactive currents are possible immediately after the fault has occurred.

[0040] Bei Netzeinbrüchen muss eine Ummagnetisierung im Generator erfolgen. Nach einem Netzfehler wird der zu hohe Strom im Rotorkreis von dem maschinenseitigen Umrichter 7.2 (MFU) abgeleitet, indem die dann anliegende Eingangsspannung des generatorseitigen Wechselrichters elektronisch geregelt unter der sonst üblichen Betriebsspannung gehalten wird. Neben der Ableitung der zu grossen Ströme wird der Generator so ummagnetisiert, dass er sich der neuen Spannung im Netz anpasst. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Statorwicklung des Generators während der Resynchronisation vom Netz nicht getrennt werden muss und durchgängig nach Fehlereintritt eine Netzspeisung über den Generator erfolgen kann. Die Forderung in verschiedenen Netznormen, unmittelbar nach Fehlereintritt Strom in Höhe des Anlagennennstroms ins Netz zu speisen, kann damit vollumfänglich erfüllt werden. Es wird z.B. auf die nachstehenden Netznormen verwiesen: E.ON Netz GmbH: Ergänzende Netzsanschlussregeln für Windenergieanlage Stand 2003/2006; National Grid U.K., Grid code GCV 4 (2008); EDF France grid code.In the event of network interruptions, a magnetic reversal must take place in the generator. After a network fault, the excessively high current in the rotor circuit is derived from the machine-side inverter (MFU) 7.2, in that the then applied input voltage of the generator-side inverter is kept electronically regulated below the otherwise normal operating voltage. In addition to the derivation of too large currents, the generator is re-magnetized so that it adapts to the new voltage in the network. One advantage of this arrangement is that the stator winding of the generator does not have to be disconnected from the grid during resynchronization, and mains supply via the generator can take place continuously after fault entry. The requirement in various network standards to feed electricity directly into the grid at the level of the rated system current after the occurrence of faults can thus be fully met. It is e.g. refer to the following network standards: E.ON Netz GmbH: Supplementary Grid Connection Rules for Wind Turbines Status 2003/2006; National Grid U.K., Grid code GCV 4 (2008); EDF France grid code.

[0041] Für den Fall, dass die Spannungsanstiege dU/dt oder Stromanstiege dl/dt so gross werden, dass Fehlverhalten im regelbaren Widerstand 5.2 ausgelöst werden können, kann der Verbinder 5.1 eine Drossel beinhalten, welche die Anstiege verkleinert. Mit diesen beiden Kombinationen für den Verbinder 5.1 und den 3 Auslegungsvarianten für den Widerstand 5.2 entstehen insgesamt 6 Auslegungsvarianten für die erfindungsgemässe Anordnung. In the event that the voltage increases dU / dt or current increases dl / dt are so large that misconduct can be triggered in the variable resistor 5.2, the connector 5.1 may include a throttle, which reduces the increases. With these two combinations for the connector 5.1 and the 3 design variants for the resistor 5.2 arise a total of 6 design variants for the inventive arrangement.

[0042] Da der Spannungsbegrenzer 5 räumlich getrennt vom Umrichter angeordnet wird, kann auch noch der Umrichter geschützt werden, wenn es zu Zerstörungen im Spannungsbegrenzer kommt. Die bereits beschriebene «fail-safe» Funktion des Spannungsbegrenzers löst in diesem Fall die Schutzmechanismen des Generatorsystems aus, d.h. der Hauptschalter 2 wird geöffnet. Since the voltage limiter 5 is arranged spatially separated from the inverter, even the inverter can be protected when it comes to destruction in the voltage limiter. The already described "fail-safe" function of the voltage limiter in this case triggers the protective mechanisms of the generator system, i. the main switch 2 is opened.

[0043] Überraschenderweise wird festgestellt, dass bei unerwarteten Überlastungen, die vorgesehen «fail-save» Bauweise des Spannungsbegrenzers ausserhalb des Umrichters diesen durch einen definierten Kurzschluss weiter schützt und die notwendigen Sicherheitsausrüstungen wie den Hauptschalter auslösen. Eventuell dabei zerstörte Bauteile können durch die räumliche Trennung vom Umrichter im Umrichter keinen Schaden anrichten, was besonders vorteilhaft ist. Surprisingly, it is found that in case of unexpected overloads, provided the "fail-save" construction of the voltage limiter outside the inverter further protects it by a defined short circuit and trigger the necessary safety equipment such as the main switch. Possibly destroyed components can cause no damage due to the spatial separation from the inverter in the inverter, which is particularly advantageous.

[0044] Erfindungswesentlich ist, dass mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand sicher gestellt wird, dass das Generatorsystem bei plötzlichen Netzspannungsänderungen kontinuierlich bzw. mit nur unwesentlicher Unterbrechung Energie ins Netz gespeist wird. Der Speisebetrieb wird unter definierten Bedingungen in kürzester Zeit nach der Spannungsänderung fortgesetzt, und zwar unabhängig von der Geschwindigkeit der Spannungsänderung oder der Stromänderung. It is essential to the invention that it is ensured with economically justifiable effort that the generator system is fed with sudden mains voltage changes continuously or with only minor interruption of energy into the grid. The feed operation is continued under defined conditions in the shortest time after the voltage change, regardless of the speed of the voltage change or the current change.

[0045] Derartige Anlagen werden häufig in regenerativen Energieanlagen, wie Wind- und Wasserkraftwerken, eingesetzt. Such systems are often used in renewable energy systems, such as wind and hydroelectric power plants.

Claims

A generator system with a doubly fed three-phase generator, comprising a doubly-fed three-phase generator (4) with grid-connected primary winding (4.1) and at least one secondary winding (4.2), a frequency converter (7) in the secondary circuit consisting of a machine-side converter (7.2.) And a network-side Converter (7.1) and a control unit (10) connected to a three-phase network (1), characterized in that the secondary side of the generator, a voltage limiter (5) is connected so that at too high current through the machine-side inverter (7.2) or If the voltage at the DC link (7.3) is too high, the entire secondary-side current can be dissipated so that there is no longer any danger for the machine-side converter (7.1) because no more current flows into the converter.

2. Generator system according to claim 1, characterized in that in the case of an overcurrent or an overvoltage, the control unit (10) sends control signals to the voltage limiter (5) to activate it.

3. Generator system according to one of claims 1 to 2, characterized in that the voltage limiter (5) is designed so that in case of failure no protective devices respond, which trigger a separation of the generator (4) from the network (1) or to shutdown of the frequency (7) lead.

4. Generator system according to one of claims 1 to 3, characterized in that by means of the voltage limiter (5) at mains voltage dips a remagnetization of the generator (4) to the current size of the mains voltage (1) can be done without a network separation must be made.

5. Generator system according to one of claims 1 to 4, characterized in that parallel to the voltage limiter (5), a crowbar rotor can be connected, which causes a targeted shutdown of the system, if the disturbance persists so long that components are thermally or electrically overloaded ,

6. Generator system according to one of claims 1 to 5, characterized in that with respect to the operating voltage of the inverter (7) on the DC link (7.3) different operating ranges are defined, in which for the protection of the inverter defined actions are to be initiated.

7. Generator system according to one of claims 1 to 6, characterized in that with respect to the rotor currents (IG) a first region A as the maximum operating current range of the inverter (7) and a second region B as the unauthorized operating current range of the inverter (7), wherein in area B by means of activation of the voltage limiter (5) the inverter is protected against overcurrent.

8. Generator system according to one of claims 1 to 7, characterized in that in one embodiment, the voltage limiter (5) by a variable resistor (5.2) is formed, which consists of a series circuit of an electronic switch (ES) and a resistor (R) , wherein parallel to this series circuit, a capacitor (C) is connected.

9. Generator system according to claim 8, characterized in that in the voltage limiter (5) of the electronic switch (ES) for adjusting the resistance value is modulated and the capacitor holds the voltage across the resistor (R) in the operating voltage range (UL1-UL2), so that no Current flows into the inverter (7).

10. Generator system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the voltage limiter (5) by a variable resistor (5.2) is formed, which consists of a series circuit of an electronic switch (ES) and a varistor (V).

11. Generatorsystem according to one of claims 1 to 7, characterized in that the voltage limiter (5) by a variable resistor (5.2) is formed, which consists of a series circuit of an electronic switch (ES) and a resistor (R).

12. Generator system according to one of claims 8 to 11, characterized in that the electronic switch (ES) is preferably realized by an IGBT or a GTO or a MOSFET.

13. Generator system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the voltage limiter (5) includes a connector (5.1) which is formed as a coil.

14. Generator system according to one of claims 1 to 13, characterized in that the Spanunngsbegrenzer (5) outside the DC link (7.3) of the inverter (7) is arranged to prevent damage in the inverter (7) in the event of destruction.

15. A method of operating a generator system according to any one of claims 1 -14, characterized in that by continuous measurement of the mains voltage, a sudden reduction of the mains voltage is detected that by a sudden reduction in the mains voltage to a high current in the primary and secondary circuits of the generator or too high an operating voltage on the DC link (7.3) would cause the destruction and then by activating the voltage limiter (5) destruction is avoided by the operating voltage at the DC link is lowered and current peaks are kept away from the inverter (7) ,

16. The method according to claim 15, characterized in that the network-side converter (7.1) continues to feed power into the network (1) and thus during the duration of the network error at least part of the reactive current of the generator is compensated.