WO2011026250A1 - Generator system having a generator that is directly coupled to the mains and method for overcoming mains interruptions - Google Patents

Generator system having a generator that is directly coupled to the mains and method for overcoming mains interruptions Download PDF

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WO2011026250A1
WO2011026250A1 PCT/CH2010/000213 CH2010000213W WO2011026250A1 WO 2011026250 A1 WO2011026250 A1 WO 2011026250A1 CH 2010000213 W CH2010000213 W CH 2010000213W WO 2011026250 A1 WO2011026250 A1 WO 2011026250A1
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voltage
converter
generator
generator system
mains
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PCT/CH2010/000213
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Inventor
Alexander Stoev
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Ids Holding Ag
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/007Control circuits for doubly fed generators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/102Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for limiting effects of transients
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/10Purpose of the control system
    • F05B2270/107Purpose of the control system to cope with emergencies
    • F05B2270/1071Purpose of the control system to cope with emergencies in particular sudden load loss
    • F05B2270/10711Purpose of the control system to cope with emergencies in particular sudden load loss applying a low voltage ride through method

Definitions

  • the invention relates to generator systems with directly grid-connected generators, in which a winding (stator), apart from start-up, switching and protective devices, connected directly to the feeding network and at least one further (rotor winding) is accessible from the outside.
  • a winding spaced from start-up, switching and protective devices
  • DASM double-fed asynchronous machines
  • Such systems are often used in renewable energy systems, such as wind and hydroelectric power plants.
  • the frequency converter 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.
  • the patent document EP01651865 also describes a method for controlling 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.
  • 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.
  • the patent document WO 2007/057480 describes a method in which 4 load resistors can be connected to the DC link + VBUS and -VBUS by means of 4 IGBTs.
  • This version of the connector has the significant disadvantage that not exactly the required load resistor can be connected to the DC bus in order to prevent within a narrow range that the current flow in the DC link causes a voltage increase.
  • this method is very expensive and expensive because multiple resistors and IGBTs are needed to dissipate the energy.
  • the most significant disadvantage of this variant is that the energy can only be destroyed after it has reached the DC link. However, this requires that all components in the converters must be able to conduct the uncontrolled energy supplied into the DC link. Now if problems arise, the converters are destroyed at the same time, because the current must flow through the converter before it can be converted into heat.
  • the object of the invention is to ensure with economically justifiable effort that a generator system with sudden changes in mains voltage up to 0% of the rated voltage can feed energy into the grid continuously or with only a minor interruption. 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.
  • Another object is to describe a method for operating a correspondingly extended generator system.
  • Fig. 1 Variable speed generator system with DASM generator with electronic voltage limiter
  • Fig. 1 shows a variable speed generator system with DASM generator and electronic voltage limiter.
  • a DASM generator 4 consisting of a stator winding 4.1 and a rotor winding 4.2 and the slip rings 4.3 for tapping 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 from a machine-side inverter 7.2 (MFU), a DC link or a DC link 7.3 and a line-side converter 7.1 (NFU).
  • MFU machine-side inverter 7.2
  • NFU line-side converter 7.1
  • the DASM generator 4 is connected to a mains transformer 1 via a stator contactor 3 and a mains circuit breaker 2.
  • the network-side Frequeizumformer 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.
  • 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.
  • the connector 5.1 optionally consists of an inductance or a coil or 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.
  • FIG. 2 shows the distribution of the currents in the generator system according to the invention corresponding to FIG.
  • 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 power transformer 1.
  • the voltages Uru, Urv and Urw are the stresses on the machine side Inverter 7.2.
  • Fig. 3A shows a first embodiment of the variable resistor 5.2.
  • 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.
  • variable resistor 5.2 shows a second embodiment of the variable resistor 5.2, in which the variable resistor consists of a series circuit of a varistor V with an electronic switch ES with control input S.
  • 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.
  • 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:
  • UL0-UL1 Precharge area of the drive that can only be passed through during a precharge or discharge.
  • the main contactor is switched off.
  • the network-side and machine-side inverters (NFU and MFU) are switched off.
  • UL1-UL2 Operating range of the voltage limiter 5.
  • the machine-side converter (MFU) can be synchronized and the line-side converter (NFU) operates.
  • the network side (NFU) and the machine side (MFU) inverter are working.
  • the voltage limiter realizes the safety area in action.
  • UL3-UL4 Normal operating range of the inverter 7. There is no risk of overvoltage within the voltage limits.
  • UL4-UL5 Non-permitted safety area of the DC Link. Upon detection of this operating range, voltage-reducing measures must be initiated, ie the voltage limiter is activated.
  • 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:
  • IL0-IL1 Range of allowed current through the drive
  • IL1-IL2 Range of the non-permitted current range for the inverter.
  • Voltage limiter realizes this area, i. he is active in this area.
  • the DC link 7.3 is charged up to the level UL3 by means of the precharge circuit 6.
  • the Control unit 10 drives the inverters 7.1 and 7.2 to the grid and slowly increases the current (from point A) Then, according to the wind conditions up to point B, the inverter feeds power into the grid.
  • the current shown in Figure 5 is not the current fed into the grid.
  • point B of Figure 4 there is a drop in voltage due to network problems.
  • stator current ISu, ISv and ISw causes a strong current increase IGu, IGv and Igw in the rotor.
  • the rotor current will exceed the allowable maximum value of the machine-side inverter 7.2.
  • 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.
  • 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.
  • a rotor Crowbar can be integrated into the voltage limiter 5.
  • the control unit 10 is able to shut off the wind turbine targeted by overcurrent overloads of the voltage limiter.
  • 5 so-called fail-safe components are used in the voltage limiter.
  • 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.
  • the main task of the voltage limiter 5 is the control of transient high currents, which could damage the converter.
  • the switch ES used in FIGS. 3A, 3B and 3C may preferably be formed as IGBT, GTO or MOSFETs.
  • the network-side inverter 7.1 (NFU) can be connected to the mains.
  • the network-side converter can be operated independently of the switching state of the voltage limiter 5 and a continuous current flow between network and NFU can be maintained even during the period of a network fault until the DC link 7.3 is discharged.
  • the voltage limiter 5 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:
  • the currents are for example:
  • the current ratio depends on the ratio of the number of turns.
  • IL1 IL2 / 4, maximum current of the inverter
  • IL1 - IL2 IL1 - 4 * IL1, working range of the voltage limiter
  • a sudden mains voltage change can be detected directly via the detection of the mains voltage itself or indirectly via the detection of overcurrents in the stator circuit or MFU or by detection of 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 0 and the voltage limiter 5 can be compensated. The detection of said error immediately triggers the activation of the voltage limiter 5.
  • the method according to the invention is able to detect the network disturbances in a few ps and to initiate countermeasures.
  • the method according to the invention is able to initiate the necessary protective measures already after 0.5 ms following a power line interruption, and when the conditions for protection have been removed, the regulating element can be switched off again after 0.5 ms.
  • This is only possible with a thyristor after the current falls below the self-holding current. Since the varistor must have a characteristic in which always flows electricity, because otherwise in case of emergency, the required power can not be accepted, a deletion of the current is not possible, so that the thyristor turns off significantly later and is not directly controlled by the transient.
  • An essential component according to the invention consists in preventing the complete flow of current into the converters when overcurrents occur. As a result, all components of the converter can be made smaller.
  • the inventive idea is to electronically controlled burn exactly the transient energy that can destroy the converter.
  • a real control loop is set up, which compares the setpoint with the actual value.
  • the connector 5.1 may include a throttle, which reduces the increases.
  • the voltage limiter 5 Since the voltage limiter 5 is arranged spatially separated from the inverter, even the inverter can be protected if it comes to destruction in the voltage limiter.
  • the already described fail-safe function of the voltage limiter in this case triggers the protection mechanisms of the generator system, i. the main switch 2 is opened.
  • the provided '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.
  • the generator system is fed with sudden mains voltage changes continuously or with only insignificant 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.
  • Such systems are often used in renewable energy systems, such as wind and hydroelectric power plants.

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  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

The invention relates to a generator system comprising a mains transformer (1), a mains circuit breaker (2), a generator (4) with a stator winding (4.1 ) and rotor winding (4.2), a converter (7) with a DC-link (7.3), a mains inductor (9) and a control unit (10). Said generator system comprises a voltage limiter (5) which is arranged on the secondary side of said generator. After the detection of a change in the mains voltage of a corresponding amplitude, the voltage limiter (5) is activated, thus maintaining the voltage level on the inlet of the converter (7) within the operational voltage range of the voltage limiter (5), thus no current flows into the converter (7). When the transient processes are finished, the flow lowers and the voltage limiter is deactivated. The converter (7.1) on the machine side is simultaneously reactivated. Whilst the voltage limiter (5) is activated, the converter (7.2) on the mains side (7.2) continues to supply energy to the mains in order to be able activate, together with the stator flow, the required blind current. The invention also relates to a method for operating the generator system. Said type of systems are frequently used in regenerative energy systems such as wind and hydro power plants.

Description

Generatorsystem mit direkt netzgekoppeltem Generator und Verfahren  Generator system with direct mains-coupled generator and method
zum Durchfahren von Netzstörungen  for traversing network disturbances
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 protective devices, connected directly to the feeding network and at least one further (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.
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 plants are increasingly used in areas with weak networks, ie networks with connection capacities 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 controlled 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.
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. Im Patentdokument EP01651865 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. In plants with direct grid coupling of the generator occurs in sudden change of the mains voltage to significant overcurrents in the stator and rotor circuit, which cause the network protection devices and in a DASM system exceed the permissible values for the MFU and also an impermissibly high voltage in the DC bus have as a consequence. 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 reached, 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. The patent document EP01651865 also describes a method for controlling 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.
Im Patentdokument EP01561275 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 EP01561275 a method for traversing power disturbances is described, wherein after recognizing such a disturbance for controlling the transient equalization processes, the stator of the generator is briefly disconnected from the mains 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.
Im Patentdokument WO 2007/057480 wird eine Methode beschrieben, bei der mittels 4 IGBTs 4 Lastwiderstände an den DC-Link +VBUS und -VBUS angeschlossen werden können. Diese Version des Anschlusses hat den wesentlichen Nachteil, dass nicht genau der benötigte Lastwiderstand an den DC-Bus angeschlossen werden kann, um innerhalb eines schmalen Bereiches zu verhindern, dass der Stromfluss in den DC- Link eine Spannungserhöhung bewirkt. Ausserdem ist diese Methode sehr aufwendig und teuer, weil mehrere Widerstände und IGBTs benötigt werden, um die Energie abzuleiten. Der wesentlichste Nachteil dieser Variante besteht aber darin, dass die Energie erst vernichtet werden kann, nachdem sie den DC-Link erreicht hat. Dies setzt aber voraus, dass alle Bauteile in den Convertern in der Lage sein müssen, die unkontrolliert zugeführte Energie auch in den DC-Link leiten zu können. Wenn nun Probleme auftreten, werden jeweils die Converter gleichzeitig zerstört, weil der Strom über die Converter fliessen muss, bevor er in Wärme umgewandelt werden kann. The patent document WO 2007/057480 describes a method in which 4 load resistors can be connected to the DC link + VBUS and -VBUS by means of 4 IGBTs. This version of the connector has the significant disadvantage that not exactly the required load resistor can be connected to the DC bus in order to prevent within a narrow range that the current flow in the DC link causes a voltage increase. Moreover, this method is very expensive and expensive because multiple resistors and IGBTs are needed to dissipate the energy. The most significant disadvantage of this variant, however, is that the energy can only be destroyed after it has reached the DC link. However, this requires that all components in the converters must be able to conduct the uncontrolled energy supplied into the DC link. Now if problems arise, the converters are destroyed at the same time, because the current must flow through the converter before it can be converted into heat.
Im Patentdokument EP1499009A1 wird eine Möglichkeit beschrieben, mit einem gesteuerten Varistor die Energietransienten von den Convertern (71 ; 72; 73) fern zu halten. Dazu werden Thyristoren verwendet, um einen Varistor zwischen die Phasen zu legen. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass eine fest festgelegte Kennlinie eines Bauteiles auf alle unterschiedlichen Transienten angewendet werden muss. Ausserdem besteht keine Möglichkeit, innerhalb einer bestimmten Zeit den Varistor abzuschalten, wenn der störende transiente Vorgang beendet ist. Die Kennlinien von Varistoren sind nicht scharf genug, sodass bereits Energie vernichtet werden muss, bevor die Converter geschützt werden müssten, damit im Ernstfall der Varistor dann auch den geforderten Strom übernehmen kann. Dies bedeutet, da dieses Bauteil nicht abgeschaltet werden kann, wenn die Transiente beendet ist, dass deutlich mehr Energie im Varistor verbrannt werden muss, als notwendig wäre. Diese Varistoren müssen somit viel grösser dimensioniert werden, weil eine exakte Ansteuerung nicht möglich ist. In the patent document EP1499009A1 a possibility is described, with a controlled varistor to keep the energy transients away from the converters (71; 72; 73). For this purpose, thyristors are used to place a varistor between the phases. A major disadvantage is that a fixed characteristic of a component must be applied to all different transients. In addition, there is no possibility to switch off the varistor within a certain time when the disturbing transient process has ended. The characteristics of varistors are not sharp enough, so that already energy must be destroyed before the converter would need to be protected, so that in case of emergency, the varistor can then take over the required current. This means that since this component can not be switched off when the transient is finished, significantly more energy must be burned in the varistor than would be necessary. These varistors must therefore be much larger, because an exact control is not possible.
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 with sudden changes in mains voltage up to 0% of the rated voltage can feed energy into the grid continuously or with only a minor interruption. 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.
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.
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: According 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:
Fig. 1 Drehzahlvariables Generatorsystem mit DASM-Generator mit elektronischem Spannungsbegrenzer Fig. 1 Variable speed generator system with DASM generator with electronic voltage limiter
Fig. 2 Strompfade zur Figur 1 Fig. 2 current paths to Figure 1
Fig. 3A Spannungsbegrenzer mit RC-Kombination Fig. 3A voltage limiter with RC combination
Fig. 3B Spannungsbegrenzer mit Varistor  Fig. 3B Voltage limiter with varistor
Fig. 3C Spannungsbegrenzer mit Widerstand  Fig. 3C voltage limiter with resistor
Fig. 4 Betriebsspannungsbereichedes maschinenseitigen Umrichters Fig. 5 Stromverteilung zwischen dem maschinenseitigen Umrichter und dem geregelten Widerstand Fig. 4 operating voltage range of the machine-side converter Fig. 5 current distribution between the machine-side inverter and the controlled resistance
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.
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 tapping 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 from 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.
Der netzseitige Frequeizumformer 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 Frequeizumformer 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.
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 optionally consists of an inductance or a coil or 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.
Fig. 2 zeigt die Aufteilung der Ströme im erfind ungsgemässen Generatorsystem entsprechend der Fig.1. FIG. 2 shows the distribution of the currents in the generator system according to the invention corresponding to FIG.
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.  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.
Die Spannungen Uu, Uv und Uw sind die Spannungen nach dem Netztransformator 1. Die Spannungen Uru, Urv und Urw sind die Spannungen am maschinenseitigen Umrichter 7.2. The voltages Uu, Uv and Uw are the voltages after the power transformer 1. The voltages Uru, Urv and Urw are the stresses on the machine side Inverter 7.2.
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.
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. 3B shows a second embodiment of the variable resistor 5.2, in which the variable resistor consists of a series circuit of a varistor V with an electronic switch ES with control input S.
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.
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:
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: Precharge area of the drive that can only be passed through during a precharge or discharge. The main contactor is switched off. The network-side and machine-side inverters (NFU and MFU) are switched off.
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 converter (MFU) can be synchronized and the line-side converter (NFU) operates.
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. UL2-UL3: Safety range to guarantee compliance with the conditions lUu = 0 and lUv = 0 and lUw = 0 when operating 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.
UL3-UL4: Normaler Betriebsbereich des Umrichters 7. Innerhalb der Spannungsgrenzen besteht keine Gefahr wegen Überspannung. UL3-UL4: Normal operating range of the inverter 7. There is no risk of overvoltage within the voltage limits.
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: Non-permitted safety area of the DC Link. Upon detection of this operating range, voltage-reducing measures must be initiated, ie the voltage limiter is activated.
>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.
Im Weiteren werden im Spannungsverlauf die Punkte A, B, C, D und E wie folgt beschrieben: In the following, points A, B, C, D and E are described in the voltage curve as follows:
A- Vorladung 6 bis ca. UL3  A- precharge 6 to about UL3
B- Beginn eines starken Stromanstiegs, der von einem Netzzusammenbruch verur sacht wird  B- Beginning of a strong current rise caused by a network collapse
C- Stromanstiegsachse, die sich aus dem Netzfehler ergibt  C current rise axis resulting from the network fault
D- Zuschaltpunkt des Spannungsbegrenzers 5 D-connection point of the voltage limiter 5
E- Abschaltpunkt des Spannungsbegrenzers 5 E cut-off point of the voltage limiter 5
Fig. 5 zeigt die Stromverteilung zwischen dem maschinenseitigen Frequenzumrichter 7.2 und dem geregelten Widerstand. Der Strom teilt sich in die folgenden zwei Bereiche: 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:
IL0-IL1 : Bereich des erlaubten Stroms durch den Umrichter IL0-IL1: Range of allowed current through the drive
IL1-IL2: Bereich des nicht-erlaubten Strombereiches für den Umrichter. Der  IL1-IL2: Range of the non-permitted current range for the inverter. Of the
Spannungsbegrenzer realisiert diesen Bereich, d.h. er ist in diesem Bereich aktiv.  Voltage limiter realizes this area, i. he is active in this area.
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 case of power disturbances.
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 Netzspannung schrittweise erfolgt. Einbrüche stellen somit den kritischeren und vorrangig zu beherrschenden Fall dar.  According to the energy provider (E.ON Netz GmbH: Supplementary grid connection rules for wind turbines) is expected to sudden voltage changes, especially in a voltage dip, while the power-up again, the step by step. Burglaries thus represent the more critical and predominantly dominant case.
Prinzipiell wird die Funktion einer Windenergieanlage mittels den Figuren 4 und 5 erläutert und anschliessend auf den erfinderischen Anteil eingegangen.  In principle, the function of a wind energy plant is explained by means of FIGS. 4 and 5, and then the inventive part is discussed.
Prinzipielle Funktion: Principle function:
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, das der in Figur 5 dargestellte Strom nicht der ins Netz eingespeiste Strom ist. Am Punkt B der Figur 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. Near the point A synchronizes the Control unit 10 drives the inverters 7.1 and 7.2 to the grid and slowly increases the current (from point A) Then, according to the wind conditions up to point B, the inverter feeds power into the grid. It should be noted that the current shown in Figure 5 is not the current fed into the grid. At point B of Figure 4, there is a drop in voltage due to network problems.
Erfinderischer Anteil: Inventive share:
Der jetzt schnell ansteigende Statorstrom ISu, ISv und ISw (Figur 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.
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. Erfindungsgemäss besteht die Hauptaufgabe des Spannungsbegrenzers 5 in der Beherrschung von transienten hohen Strömen, welche den Umrichter schädigen könnten. Der in den Figuren 3A, 3B und 3C verwendete Schalter ES kann vorzugsweise als IGBT, GTO oder MOSFETs ausgebildet sein. In a further embodiment, a rotor Crowbar can 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. According to the invention, the main task of the voltage limiter 5 is the control of transient high currents, which could damage the converter. The switch ES used in FIGS. 3A, 3B and 3C may preferably be formed as IGBT, GTO or MOSFETs.
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: With 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 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:
Elektronischer Schalter ES - IGBT Electronic switch ES - IGBT
Kondensator C - < 10mF  Capacitor C - <10mF
Widerstand R je nach Turbine - < 1 Ω  Resistance R depending on the turbine - <1 Ω
Bei einer 1 ,5 MW 690 V Turbine betragen die Ströme z.B.: For a 1.5 MW 690 V turbine, the currents are for example:
IRu, IRv, IRw max - IRu.v.w peak = (IUu,v,w peak) *4 für 100ms = IRu, IRv, IRw max - IRu.vw peak = (IUu, v, w peak) * 4 for 100ms =
Maximalstom des regelbaren Widerstandes lUu, lUv, lUw max - IUu,v,w peak = (IRu,v,w peak) / 4 =  Maximum current of the variable resistor lUu, lUv, lUw max - IUu, v, w peak = (IRu, v, w peak) / 4 =
Maximalstrom des Umrichters  Maximum current of the inverter
Das Stromverhältnis ist vom Verhältnis der Windungszahlen abhängig. The current ratio depends on the ratio of the number of turns.
Spannungsbereiche des Umrichters (Fig. 4): Voltage ranges of the inverter (Fig. 4):
UL0-UL1 0V - 750V DC Vorladespannung des DC Link 7.3 UL0-UL1 0V - 750V DC pre-charging voltage of DC Link 7.3
UL1 ; 800V Abschaltgrenze des regelbaren Widerstandes  UL1; 800V shutdown limit of the variable resistor
UL2: 900 V Einschaltgrenze des regelbaren Widerstandes  UL2: 900 V switch-on limit of the variable resistor
UL2-UL3 900 V - 950 V Sicherheitsbereich, um IUu,v,w = 0 zu garantieren UL2-UL3 900V - 950V safety range to guarantee IUu, v, w = 0
UL3-UL4 950V - 1 150 V normaler Betriebsbereich des Umrichters UL4-UL5: 1 150V bis 1400V Sicherheitsbereich für den DC LinkUL3-UL4 950V - 1 150V normal operating range of the drive UL4-UL5: 1 150V to 1400V safety area for the DC Link
UL5-: ab 1400V Zerstörungsbereich des Umrichters UL5-: from 1400V destructive range of the inverter
Strombereiche am Umrichter (Fig. 5): Current ranges at the inverter (Fig. 5):
IL1 : IL1 = IL2 / 4, Maximalstrom des Umrichters IL1: IL1 = IL2 / 4, maximum current of the inverter
IL1 - IL2: IL1 - 4*IL1 , Arbeitsbereich des Spannungsbegrenzers IL1 - IL2: IL1 - 4 * IL1, working range of the voltage limiter
IL2: Zerstörungsgrenze des Umrichters  IL2: Destruction limit of the inverter
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 0 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 erfindungs- gemässen Anordnungen die Verfügbarkeit des Systems und dessen Fähigkeit, externen Fehlern aktiv entgegen zuwirken, wesentlich erhöht. A sudden mains voltage change can be detected directly via the detection of the mains voltage itself or indirectly via the detection of overcurrents in the stator circuit or MFU or by detection of 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 0 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, the availability of the system and its ability to actively counteract external faults are substantially increased by means of the arrangements according to the invention.
Im Gegensatz zum Patentdokument EP01651865B1 ist das erfindungsgemässe Verfahren in der Lage in wenigen ps die Netzstörungen zu erkennen und Gegenmassnahmen einzuleiten. In contrast to the patent document EP01651865B1, the method according to the invention is able to detect the network disturbances in a few ps and to initiate countermeasures.
Im Gegensatz zum Patentdokument EP1499009A1 ist das erfindungsgemässe Verfahren in der Lage, bereits nach 0,5 ms nach einem Netzeinbruch die notwendigen Schutzmassnahmen einzuleiten und beim Wegfall der Bedingungen für den Schutz kann das regelnde Element schon nach 0,5 ms wieder abgeschaltet werden. Dies geht bei einem Thyristor erst, nachdem der Strom den Selbsthaltestrom unterschreitet. Da der Varistor eine Kennlinie haben muss bei der immer Strom fliesst, weil sonst im Ernstfall der erforderliche Strom nicht übernommen werden kann, ist eine Löschung des Stromes nicht möglich, sodass der Thyristor deutlich später abstellt und nicht direkt durch die Transiente steuerbar ist. Ein wesentlicher erfindungsgemässer Bestandteil besteht darin, den kompletten Strom- fluss in die Converter zu verhindern, wenn es zu Überströmen kommt. Dadurch können alle Bauteile der Converter kleiner dimensioniert werden. In contrast to the patent document EP1499009A1, the method according to the invention is able to initiate the necessary protective measures already after 0.5 ms following a power line interruption, and when the conditions for protection have been removed, the regulating element can be switched off again after 0.5 ms. This is only possible with a thyristor after the current falls below the self-holding current. Since the varistor must have a characteristic in which always flows electricity, because otherwise in case of emergency, the required power can not be accepted, a deletion of the current is not possible, so that the thyristor turns off significantly later and is not directly controlled by the transient. An essential component according to the invention consists in preventing the complete flow of current into the converters when overcurrents occur. As a result, all components of the converter can be made smaller.
Im Gegensatz zu Patentdokument EP1965075A1 wird nicht erst die zerstörrerische Energie der transienten Vorgänge in den Converter eingeleitet, um sie dann aus dem Converter durch Umwandlung in Wärme wieder heraus abzuleiten. Im Weiteren sind die Ableitenergien regelbar und nicht in digital nur 6 Stufen ableitbar. Erfindungs- gemäss kann jeder notwendige Widerstand einstellt werden und so der Transienten genau folgen. Damit soll verhindert werden, dass die Converter für die transienten Ströme ausgelegt werden müssen, weil diese bis zu 5 mal höher sind als die Nennströme und damit in den Convertern immense Kosten verursachen. In contrast to patent document EP1965075A1, not only the destructive energy of the transient processes is introduced into the converter, in order then to derive it again from the converter by conversion into heat. Furthermore, the dissipation energies can be regulated and can not be derived in digital only 6 steps. According to the invention, any necessary resistance can be set and thus the transient can follow exactly. This is to prevent that the converters have to be designed for the transient currents because they are up to 5 times higher than the rated currents and thus cause immense costs in the converters.
Der erfindungsgemässe Gedanke besteht darin, elektronisch geregelt genau die transiente Energie zu verbrennen, die die Converter zerstören können. Dazu wird eine echte Regelschletfe aufgebaut, die den Sollwert mit dem Istwert vergleicht. The inventive idea is to electronically controlled burn exactly the transient energy that can destroy the converter. For this purpose, a real control loop is set up, which compares the setpoint with the actual value.
Dies wiederum ist nach Patentdokument EP1965075A1 nicht möglich, weil nur eine begrenzende Kennlinie ein- oder ausgeschaltet werden kann. This in turn is not possible according to patent document EP1965075A1, because only a limiting characteristic can be switched on or off.
Im Gegensatz zur im Patentdokument EP01561275A2 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 EP01561275A2, the system disturbance is regulated by the method according to the invention and thus no separation of the stator from the network is carried out. This helps to stabilize the grid more quickly because larger reactive currents are possible immediately after the fault has occurred
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: In the event of mains 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 N Netz GmbH: Ergänzende Netzsanschlussregeln für Windenergieanlagen, E N Netz GmbH: Supplementary grid connection rules for wind turbines,
Stand 2003/2006; Status 2003/2006;
- National Grid U.K., Gn'd code GCV 4 (2008); EDF France grid code. - National Grid UK, Gn 'd code GCV 4 (2008); EDF France grid code.
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 erfindungs- gemässe Anordnung. In the event that the voltage increases dU / dt or current increases dl / dt are so great that malfunction 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 a total of 6 design variants for the inventive arrangement.
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 if it comes to destruction in the voltage limiter. The already described fail-safe function of the voltage limiter in this case triggers the protection mechanisms of the generator system, i. the main switch 2 is opened.
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, the provided '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.
Erfind ungswesentlich 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 expenditure that the generator system is fed with sudden mains voltage changes continuously or with only insignificant 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.
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

Patentansprüche: Patent claims:
1. Generatorsystem mit doppelt gespeistem Dreiphasengenerator, umfassend einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator (4) mit netzgekoppelter Primärwicklung (4.1) und wenigstens einer Sekundärwicklung (4.2), einen Frequenzumformer (7) im Sekundärkreis, der aus einem maschinenseitigen Umrichter (7.2.) und einem netzseitigen Umrichter (7.1) besteht und eine Regeleinheit (10) aufweist, angeschlossen an ein Dreiphasennetz (1), gekennzeichnet dadurch, dass sekundärseitig am Generator ein Spannungsbegrenzer (5) so angeschlossen ist, dass bei zu hohem Strom durch den maschinenseitigen Umrichter (7.2) oder zu hoher Spannung am DC Link (7.3) der gesamte sekundärseitige Strom so abgeleitet werden kann, dass keine Gefahr mehr für den maschinenseitigen Umrichter (7.1) besteht, weil keinerlei Strom mehr in den Umrichter fliesst. 1. Generator system with a doubly fed three-phase generator, comprising a doubly fed three-phase generator (4) with a grid-coupled primary winding (4.1) and at least one secondary winding (4.2), a frequency converter (7) in the secondary circuit, which consists of a machine-side converter (7.2.) and a grid-side There is a converter (7.1) and a control unit (10), connected to a three-phase network (1), characterized in that a voltage limiter (5) is connected to the generator on the secondary side in such a way that if the current through the machine-side converter (7.2) or If the voltage on the DC link (7.3) is too high, the entire secondary-side current can be diverted in such a way that there is no longer any danger to the machine-side converter (7.1) because no current flows into the converter.
2. Generatorsystem nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass im Falle eines Überstromes oder einer Überspannung die Regeleinheit (10) Steuersignale an den Spannungsbegrenzer (5) sendet, um diesen zu aktivieren. 2. Generator system according to claim 1, characterized in that in the event of an overcurrent or overvoltage, the control unit (10) sends control signals to the voltage limiter (5) in order to activate it.
3. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Spannungsbegrenzer (5) so ausgelegt ist, dass im Störungsfall keine Schutzeinrichtungen ansprechen, die eine Trennung des Generators (4) vom Netz (1) auslösen oder zur Abschaltung des Frequenzumformers (7) führen. 3. Generator system according to one of claims 1 - 2, characterized in that the voltage limiter (5) is designed so that in the event of a fault, no protective devices are activated, which trigger a separation of the generator (4) from the network (1) or to switch off the frequency converter (7) lead.
4. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet dadurch, dass mittels des Spannungsbegrenzers (5) bei Netzspannungseinbrüchen eine Ummagneti- sierung des Generators (4) auf die aktuelle Grösse der Netzspannung (1) erfolgen kann, ohne dass eine Netztrennung erfolgen muss. 4. Generator system according to one of claims 1 - 3, characterized in that the voltage limiter (5) can be used to remagnetize the generator (4) to the current size of the mains voltage (1) in the event of mains voltage drops, without the mains having to be disconnected .
5. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet dadurch, dass parallel zum Spannungsbegrenzer (5) ein Rotor Crowbar angeschlossen werden kann, die ein gezieltes Abschalten der Anlage hervorruft, wenn die Störung so lange anhält, dass Bauteile thermisch oder elektrisch überlastet werden. > 5. Generator system according to one of claims 1 - 4, characterized in that a rotor crowbar can be connected in parallel to the voltage limiter (5), which causes the system to be switched off in a targeted manner if the fault persists for so long that components are thermally or electrically overloaded . >
6. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 5, gekennzeichnet dadurch, dass bezüglich der Betriebsspannung des Umrichters (7) am DC Link (7.3) unterschiedliche Betriebsbereiche definiert werden, in denen zum Schutz des Umrichters definierte Handlungen einzuleiten sind. 6. Generator system according to one of claims 1 - 5, characterized in that with regard to the operating voltage of the converter (7) on the DC link (7.3) different operating ranges are defined in which defined actions are to be initiated to protect the converter.
7. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet dadurch, dass bezüglich der Rotorströme (IG) ein erster Bereich A als maximaler Betriebsstrombereich des Umrichters (7) und ein zweiter Bereich B als nicht erlaubter Betriebsstrombereich des Umrichters (7) vorliegt, wobei im Bereich B mittels Aktivierung des Spannungsbegrenzers (5) der Umrichter vor Überstrom schützbar ist. 7. Generator system according to one of claims 1 - 6, characterized in that with regard to the rotor currents (IG) there is a first range A as the maximum operating current range of the converter (7) and a second range B as the non-permitted operating current range of the converter (7), where In area B, the converter can be protected against overcurrent by activating the voltage limiter (5).
8. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 7, gekennzeichnet dadurch, dass in einer Ausführungsform der Spannungsbegrenzer (5) durch einen regelbaren Widerstand (5.2) gebildet wird, der aus einer Serienschaltung eines elektronischen Schalters (ES) und einem Widerstand (R) besteht, wobei parallel zu dieser Serienschaltung ein Kondensator (C) angeschlossen ist. 8. Generator system according to one of claims 1 - 7, characterized in that in one embodiment the voltage limiter (5) is formed by a controllable resistor (5.2), which consists of a series connection of an electronic switch (ES) and a resistor (R). , with a capacitor (C) being connected in parallel to this series connection.
9. Generatorsystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass im Spannungsbegrenzer (5) der elektronische Sehalter (ES) zur Einstellung des Widerstandswertes modulierbar ist und der Kondensator die Spannung am Widerstand (R) im Betriebs- spannungsbereich (UL1 - UL2) hält, so dass kein Strom in den Umrichter (7) fliesst. 9. Generator system according to claim 8, characterized in that in the voltage limiter (5) the electronic sensor (ES) can be modulated to adjust the resistance value and the capacitor keeps the voltage across the resistor (R) in the operating voltage range (UL1 - UL2), so that no current flows into the converter (7).
10. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Spannungsbegrenzer (5) durch einen regelbaren Widerstand (5.2) gebildet wird, der aus einer Serienschaltung eines elektronischen Schalters (ES) und einem Varistor (V) besteht. 10. Generator system according to one of claims 1 - 7, characterized in that the voltage limiter (5) is formed by a controllable resistor (5.2) which consists of a series connection of an electronic switch (ES) and a varistor (V).
1 . Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Spannungsbegrenzer (5) durch einen regelbaren Widerstand (5.2) gebildet wird, der aus einer Serienschaltung eines elektronischen Schalters (ES) und einem Widerstand (R) besteht. 1 . Generator system according to one of claims 1 - 7, characterized in that the voltage limiter (5) is formed by a controllable resistor (5.2) which consists of a series connection of an electronic switch (ES) and a resistor (R).
12. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 8 - 11 , gekennzeichnet dadurch, dass der elektronische Schalter (ES) vorzugsweise durch einen IGBT oder einen GTO oder einen MOSFET realisiert wird. 12. Generator system according to one of claims 8 - 11, characterized in that the electronic switch (ES) is preferably implemented by an IGBT or a GTO or a MOSFET.
13. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 - 12, gekennzeichnet dadurch, dass der Spannungsbegrenzer (5) einen Verbinder (5.1 ) enthält, der als Spule ausgebildet ist. 13. Generator system according to one of claims 1 - 12, characterized in that the voltage limiter (5) contains a connector (5.1) which is designed as a coil.
1 . Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1- 13, gekennzeichnet dadurch, dass der Spanunngsbegrenzer (5) ausserhalb des DC Links (7.3) des Umrichters (7) angeordnet ist, um im Zerstörungsfall Schäden im Umrichter (7) zu verhindern. 1 . Generator system according to one of claims 1-13, characterized in that the voltage limiter (5) is arranged outside the DC link (7.3) of the converter (7) in order to prevent damage to the converter (7) in the event of destruction.
15. Verfahren zum Betrieb eines Generatorsystems nach einem der Ansprüche 1 - 14, gekennzeichnet dadurch, dass durch ständige Messung der Netzspannung eine plötzliche Verringerung der Netzspannung detektiert wird, dass durch eine plötzliche Verringerung der Netzspannung ein zu hoher Strom im Primär- und Sekundärkreis des Generators oder eine zu hohe Betriebsspannung am DC Link (7.3) verursacht wird, die Zerstörungen verursachen würde und dass dann durch Aktivieren des Spannungsbegrenzers (5) die Zerstörung vermieden wird, indem die Betriebsspannung am DC Link gesenkt wird und Stromspitzen vom Umrichter (7) ferngehalten werden. 15. A method for operating a generator system according to one of claims 1 - 14, characterized in that a sudden reduction in the mains voltage is detected by constant measurement of the mains voltage, and that a sudden reduction in the mains voltage results in an excessive current in the primary and secondary circuits of the generator or an operating voltage on the DC link (7.3) that is too high would cause destruction and that destruction can then be avoided by activating the voltage limiter (5) by reducing the operating voltage on the DC link and keeping current peaks away from the inverter (7). .
16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet dadurch, dass der netzseitige Umrichter (7.1) weiterhin Strom in das Netz (1) speist und somit während der Dauer des Netzfehlers zumindest ein Teil des Blindstromes des Generators kompensiert wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that the network-side converter (7.1) continues to feed electricity into the network (1) and thus at least part of the reactive current of the generator is compensated for during the duration of the network fault.
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