Nachbildung einer Windenergieanlage mit dem Programm EMTP-AMTP zur Untersuchung des transienten Verhaltens im Netzbetrieb

Inhalt

Einleitung

1. Energie aus dem Wind
1.1 Das Generatorsystem
1.2 Grundlagen und Funktion der Systemkomponenten
1.2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine
1.2.2 Doppeltgespeiste Asynchronmaschine
1.2.3 Umrichter mit Spannungszwischenkreis

2. Das Simulationsprogramm
2.1 EMTP / ATP
2.2 Zusätzliche Programme
2.2.1 ATPDraw- Graphischer Preprozessor ATP
2.2.2 ATP CONTROL CENTER - Navigationszentrale für ATP
2.2.3 Der PFE Editor
2.2.4 Plot XY

3. Nachbildung von Asynchronmaschinen
3.1 Das Universal Maschinen-Modell
3.1.1 Einschränkungen
3.1.2 Rahmenbedingungen
3.2 Das d-q-0 System
3.3 Das mechanische System
3.4 Die Schnittstelle zwischen der Maschine und dem Netzwerk
3.5 Eingabegrößen im UM Modell
3.5.1 Eingabedaten
3.5.2 Datenausgabe
3.6 Initialisierung der U.M.- Asynchronmaschine
3.6.1 Hinweise zur automatischen Initialisierung

4. Parksche Transformation
4.1 Prinzipielle Vorgehensweise
4.2 Übertragung in das d-q-0 System

5. Realisierung eines U- Umrichters in ATP Draw
5.1 Einzelne Kommmutierungsgruppen
5.1.1 Netzseitige Kommmutierungsgruppe
5.1.2 Generatorseitige Kommmutierungsgruppe
5.2 Der vollständige Umrichter

6. Das Modell eines 1,5-MW-Windgenerators
6.1 Simulation mit offenen Läuferklemmen
6.2 Simulation mit kurzgeschlossenen Läufer

7. Das Modell der doppeltgespeisten ASM
7.1 Ermittlung der Rotorspannung
7.2 Vergleich der Simulation mit Messdaten
7.2.1 Die Ständerströme
7.2.2 Die Rotorströme
7.2.3 Die Rotorspannungen
7.2.4 Leistungsbetrachtungen
7.3 Betrieb mit Stromrichter

8. Ausblicke
8.1 Mögliche weiterführende Schritte
8.1.1 Entwicklung eines Stromrichtermodells
8.1.2 Verwendung eines Transformators
8.1.3 Netzanbindung

9. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Einleitung

Die Simulationstechnik hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Durch wachsende Leistungsfähigkeit der Rechner und der Software sind präzise Vorhersagen verschiedenster Abläufe möglich. Sind die physikalischen Zusammenhänge bekannt und ist ein System mathematisch erfassbar, so kann sein Verhalten berechnet werden.

Die Möglichkeit durch eine Simulation vorherzusagen, was unter welchen Umständen geschehen wird, bietet eine Vielzahl von Vorteilen.

Ist einmal ein zuverlässiges Modell zu einem technischen System erstellt, können Simulationen aufwendige und somit kostspielige Messungen ersetzen. Wird ein neu entwickeltes Objekt in seinem Verhalten simuliert, lassen sich Fehler und Probleme erkennen noch bevor ein Prototyp gebaut wurde. Die Liste der Vorzüge ließe sich weit fortsetzen.

Auch auf dem innovativen Markt der regenerativen Energieerzeugung existiert eine Vielzahl von Simulationsprogrammen, welche die Auslegung von Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerken und Windenergieanlagen vereinfachen.

In dieser Arbeit soll versucht werden, ein grundlegendes Simulationsmodell zur Bestimmung des elektrischen Verhaltens einer Windkraftanlage zu erstellen. Zu diesem Zweck wird das Programm ATP-EMTP verwendet.

Die prinzipielle Funktion einer ausgewählten Windkraftanlage wird dargelegt, und die grundlegende Handhabung des Simulationsprogramms wird erklärt. Einzelne Systemkomponenten werden nachgebildet, getestet und zusammengefügt. Es wird eine Windenergieanlage verwendet, die mit einem doppeltgespeisten Asynchronmotor arbeitet. Da Messdaten zu dieser Anlage vorhanden sind, kann das so erstellte Modell auf seine Funktion getestet werden. Die simulierten Daten können mit der Realität verglichen und bewertet werden.

Weiterführende Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung des entstandenen Modells werden aufgezeigt und diskutiert.

1. Energie aus dem Wind

Um die im Wind enthaltene Energie nutzbar zu machen, muss diese umgewandelt werden. Will man elektrische Energie erzeugen, so ist zu bedenken in welcher Art diese Energie genutzt werden soll.

Bei Windkraftanlagen ist zu unterscheiden ob sie netzbildend oder netzunterstützend arbeiten sollen. Netzbildende Anlagen besitzen die Möglichkeit zur Regelung der Spannung und der Blindleistung.

In Windkraftanlagen werden i.a. Asynchron- oder Synchrongeneratoren eingesetzt. Die Asynchrongeneratoren können als Kurzschlussläufer, oder Schleifringläufer ausgeführt sein. Während Synchrongeneratoren mit Erregerwicklung oder mit Permanentmagneten eingesetzt werden können.

Ein Vorteil von Synchrongeneratoren ist, dass sie in der Lage sind induktive Blindleistung abzugeben. Synchrongeneratoren werden bisher i.a. mit Erregerstromkreis ausgeführt. In diesem Fall lässt sich die Blindleistungsabgabe relativ einfach über den Erregerkreis regeln.

Es gibt Bemühungen Synchrongeneratoren mit Permanentmagneten für große Leistungen einzusetzen. Diese Maschinen hätten den Vorteil einer geschlossenen Bauweise, und besitzen somit eine hohe Verfügbarkeit. Kennzeichnend für Synchronmaschinen ist dass der Läufer stets mit der Drehzahl des Ständerdrehfeldes rotiert ( Ständerfeld und Läufer rotieren synchron ). Eine kurzzeitige positive Leistungsänderung an der Welle, wie sie z.B. durch eine Windböe hervorgerufen wird, kann nicht in elektrische Energie umgewandelt werden. Das liegt daran dass der Läufer durch die magnetische Kupplung von Ständer- und Erregerfeld fest mit dem rotierenden Statorfeld verbunden ist und seine Drehzahl nicht erhöhen kann.

Anders als bei der Synchronmaschine, ist bei der Asynchronmaschine der Rotor nicht fest an die Drehzahl des Ständerfeldes gebunden. Erst durch die Differenz von Läufer und Statordrehzahl wird in den Rotorwicklungen bzw. Stäben ein Strom induziert welcher seiner Ursache entgegenwirkt und ein Drehmoment in Richtung des Ständerdrehfeldes erzeugt. Durch diese „elastische“ Kupplung von Ständer und Läuferdrehfeld ist die Asynchronmaschine in der Lage, auf kurzzeitige Änderungen der mechanischen Leistung an der Welle mit einer Drehzahländerung zu reagieren.

Die wesentlichen Konzeptionen zur mechanisch - elektrischen Energiewandlung sind in [8] angegeben, und werden hier vereinfacht dargestellt.

Tabelle 1: Energiewandlersysteme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Alle Systeme mit Asynchrongeneratoren sind mit einem Getriebe zwischen der Windturbine und der Generatorwelle versehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fortsetzung Tabelle 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Anlagen, die mit einem Gleichstromzwischenkreis arbeiten, haben eine regelbare Blindleistungsabgabe, wenn sie über einen Pulswechselrichter mit dem Netz gekoppelt sind.

1.1 Das Generatorsystem

In dieser Arbeit soll speziell auf die elektrischen Eigenschaften einer Windenergieanlage eingegangen werden, die mit einem doppeltgespeisten Asynchrongenerator arbeitet. Aus diesem Grund wird in diesem Kapitel zunächst auf die generelle Konzeption dieses Energiewandlersystems eingegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1: Prinzipschaltung Doppeltgespeister ASG. mit U - Umrichter

Der Ständer des Generators ist über einen Transformator mit dem zu speisenden Netz verbunden. Der Rotor des Generators ist als Schleifringläufer ausgeführt. So kann den Rotorwicklungen über den Pulswechselrichter ein Drehstromsystem eingeprägt werden. Über eine geeignete Steuerung des Pulswechselrichters ist es möglich Amplitude Frequenz und Phasenlage des Rotordrehfeldes zu regeln. Somit wird ein motorischer und generatorischer Betrieb mit über- oder untersynchroner Drehzahl möglich.

1.2 Grundlagen und Funktion der Systemkomponenten

1.2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine

Die Asynchronmaschine besteht aus Ständer und Läufer. Im Ständer befindet sich eine meist dreisträngige Wicklung, die in die Nuten eines Blechpaketes eingebracht ist.

Der Läufer, auch Rotor genannt, besteht aus einem Blechpaket mit Nuten zur Aufnahme der Läuferwicklung. Dieses Blechpaket ist direkt auf die Welle oder auf eine Tragekonstruktion geschichtet.

Wird die Ständerwicklung an ein Drehspannungssystem gelegt, so nehmen die drei Stränge Ströme auf, die je eine zeitlich und räumlich phasenverschobene Durchflutung aufbauen. Es entsteht ein magnetisches Drehfeld mit der Synchrondrehzahl n1.

Läuft das Ständerdrehfeld über den noch stehenden Läufer hinweg, wird in den Läuferwicklungen eine Spannung induziert. Bei geschlossener Wicklung entstehen Stabströme, die über den Läuferradius ein Drehmoment bewirken.

Dem Lenzschen Gesetz entsprechend läuft der Rotor in Drehfeldrichtung an, um die Relativdrehzahl zum Ständer zu verringern und damit der Ursache der Induktion entgegenzuwirken.

Der Rotor kann nicht bis zu der Drehzahl n1 hochlaufen, da in diesem Fall keine Spannung mehr in den Läufer induziert werden würde, und somit kein Drehmoment mehr entstehen würde. Der Läufer kann nicht synchron mit dem Ständerdrehfeld laufen. Er muss asynchron laufen.

Der relative Unterschied zwischen Drehfeld- und Läuferdrehzahl wird als Schlupf s bezeichnet. Der Schlupf berechnet sich aus der Schlupfdrehzahl Δn und der Synchrondrehzahl.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Frequenz von Läuferstrom und -spannung berechnet sich zu

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Die Größe der Läuferspannung ist der Schlupfdrehzahl proportional. Die durch das Drehfeld in den Ständer induzierte Spannung ist

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Und somit ist die in der Läuferwicklung induzierte Spannung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei sind

- N1 Windungszahl der Ständerwicklung
- N2 Windungszahl der Läuferwicklung
- kw1 Wicklungsfaktor der Ständerwicklung
- kw2 Wicklungsfaktor der Läuferwicklung
- φh Hauptfluss (ist mit beiden Wicklungen verkettet)

Für den Fall dass der Läufer steht (n = 0) ist der Schlupf s = 1. Im Läufer wird dann die sogenannte Läuferstillstandsspannung U20 induziert.

Es gilt für beliebige Drehzahlen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Bild 1.2 ist das Verhalten von Läuferfrequenz und -Spannung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.2: Läuferspannung- und Frequenz

Aus Gleichung 1.2.3 und 1.2.4 lässt sich erkennen dass bei stillstehendem Läufer mit f1 = f2 ist, es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

as elektrische Verhalten einer Asynchronmaschine mit geschlossenem Läuferkreis entspricht bei einer beliebigen Drehzahl dem Betrieb eines Transformators gleicher Ersatzdaten, der mit dem Widerstand [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] s belastet ist.

Es ergibt sich folgendes Ersatzschaltbild:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.3: Vollständiges Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine

In Bild 1.3 wurden die Läufergrößen auf die Ständerseite umgerechnet und mit einem Hochkomma gekennzeichnet. Aus der Bedingung gleichbleibender Durchflutung ergibt sich für die Umrechnung des Stromes:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da die Kupferverluste und Streublindleistungen konstant bleiben sollen, folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für spätere Berechnungen soll hier noch die gesamte Streuziffer σ angegeben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit:

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1.2.2 Doppeltgespeiste Asynchronmaschine

Von dem Generator eines drehzahlvariablen Windenergiekonverters wird ein konstantes elektrisches Moment oder konstant abgegebene elektrische Leistung. innerhalb eines relativ breiten Drehzahlbereiches verlangt. Außerdem werden u.a. geringe Netzrückwirkungen, hoher Wirkungsgrad, vertretbare Investitionskosten und hohe Verfügbarkeit erwartet. Eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine, deren Ständerwicklung fest mit dem Netz verbunden ist, und deren Läufer über einen Stromrichter ein dreiphasiges Drehfeld eingeprägt wird, kann diese Anforderungen weitestgehend erfüllen. Bei geeigneter Steuerung des Rotordrehfeldes kann ein unter- oder übersynchroner, sowie ein motorischer oder generatorischer Betrieb realisiert werden. Die Regelung der abgegebenen Blindleistung ist ebenfalls möglich. Der Ständer der Maschine ist direkt mit dem Netz verbunden, und über diesen wird der größte Teil der elektrischen Leistung geführt. Dies hat den Vorteil, dass der Stromrichter im Läuferkreis nur die Rotorleistung zu führen hat. Dieser Stromrichter wird als PWM Umrichter mit Spannungszwischenkreis ausgeführt

Bild 1.4 zeigt den stationären Leistungsfluss im über- und untersynchronen generatorischen Betrieb.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.4: Stationärer Leistungsfluss in der Maschine a.) übersynchroner generatorischer Betrieb b.) untersynchroner generatorischer Betrieb

Aus Bild 1.4 ist zu erkennen, dass im untersynchronen Betrieb dem Rotor die elektrische Leistung P2 zugeführt wird und im übersynchronen Betrieb die Leistung P2 dem Rotor entnommen wird.

Die einzelnen Leistungen berechnen sich wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Es gilt die Leistungsbilanz im Verbraucherzählpfeilsystem :

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Das Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine lässt sich vereinfachen, indem der ohmsche Widerstand des Ständers R1 unberücksichtigt bleibt. Dies führt nur zu kleinen Ungenauigkeiten, da sein Einfluss bei größeren Maschinen ohnehin sehr gering ist. Die Eisenverluste, welche normalerweise durch Widerstand Rfe berücksichtigt sind, sollen ebenfalls vernachlässigt werden. Somit entsteht das vereinfachte T-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine nach Bild 1.5a, welches in eine für weitere Betrachtungen geeignetere Form wie in Bild 1.5b überführt werden soll.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.5 a: Vereinfachtes T Ersatzschaltbild der ASM

Der Vorteil der Darstellung nach Bild 1.5 b ist, dass der Ständerstrom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] als Summe aus dem Leerlaufstrom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] , und dem leicht zu bestimmenden Strom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] dargestellt werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.5 b: Statorstreureaktanz auf Rotorseite transponiert

Um die Schaltung von Bild 1.5 a in die Form von Bild 1.5 b zu überführen, werden zunächst die Spannungsgleichungen nach Bild 1.5 a aufgestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Mit

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Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

folgt zunächst

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Stellen wir Gleichung (1.2.21) nach [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] um

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Dabei ist [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Leerlaufstrom. Wenn jetzt die gesamte Streuziffer σ berücksichtigt wird,

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und Gleichung (1.2.23) in (1.2.22) eingesetzt wird, erhalten wir:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn Leistungsinvarianz gefordert wird, kann Gleichung (1.2.19) mit den umgerechneten Größen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

so ausgedrückt werden, dass sie das Ersatzschaltbild Bild 1.5 b beschreibt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird nun [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] als konstant angenommen, kann die Ortskurve für den Strom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] durch die folgenden drei Punkte bestimmt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieser Punkt ist von der „Läuferspannung“ unabhängig und somit allen Kreisen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gleich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch die Lage dieses Punktes wird deutlich, dass die „Leerlaufdrehzahl“ nL bei der doppelt gespeisten Asynchronmaschine nicht zwingend mit der synchronen Drehzahl n1 zusammenfällt. Die Drehzahl n1 kann durch geeignete Wahl der Rotorspannung bei unterschiedlichen Lastmomenten erreich werden. Dieses entspricht dem Prinzip der untersynchronen Stromrichterkaskade wie sie in [19] beschrieben wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Fall dass, die Rotorspannung in Phase mit der Ständerspannung liegt, stellt sich bei drehmomentfreier Maschine der „Leerlaufschlupf“ sL ein.

Bild 1.6 zeigt den Einfluss von der Läuferspannung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] auf die Ortskurve. Zunächst wird davon ausgegangen, dass Ständer- und Läuferspannung in Phase liegen und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] in der reellen Achse liegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.6: Stromortskurve

Die gestrichelte Ortskurve zeigt den Stromverlauf bei kurzgeschlossenen Läufer bzw. [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Für den Fall, dass [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist, ergibt sich die Ortskurve, welche hier mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist. An der Lage des Punktes s = 0 lässt sich erkennen, dass der Mittelpunkt des Kreises um [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] nach unten verschoben wird. Bei negativer Rotorspannung würde die Ortskurve demnach aufwärts Verschoben.

Wird nun [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gegenüber [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] in der Phasenlage verdreht und weiterhin angenommen dass [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist, also in der reellen Achse liegt, so ist eine Veränderung der Blindleistungsaufnahme, ja sogar Blindleistungsabgabe möglich.

Betrachtet man die Rotorspannung als [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] in „Wirk- und Blindkomponente“ aufgeteilt und in Gleichung (1.2.27) eingesetzt, so erhält man nach erweitern mit s:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

für s= [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] erhält man

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nimmt man weiterhin an, dass der Betrieb nahe der synchronen Drehzahl liegt, also für [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], gilt mit guter Näherung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei negativer Blindkomponente von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] bedeutet dies eine Verschiebung der Stromortskurfe in Richtung der reellen Achse wie in Bild 1.7 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.7: Stromortskurve mit Berücksichtigung der Phasenlage der Läuferspannung gegenüber der Ständerspannung.

1.2.3 Umrichter mit Spannungszwischenkreis

Um in den Läufer der Asynchronmaschine einen Drehstrom einprägen zu können, wird ein Pulswechselrichter eingesetzt. Als Steuerverfahren wird die Pulsweitenmodulation gewählt. Bild 1.8 zeigt die Prinzipschaltung des Umrichters für den Fall des untersynchronen Generatorbetriebes. In diesem Fall muss dem Läufer Leistung zugeführt werden (siehe Kapitel 1.1.2). Die Kommmutierungsgruppe 1 (KG 1) arbeitet als Gleichrichter und hält die Spannung im Zwischenkreis konstant. Die andere Kommmutierungsgruppe (KG 2) erzeugt durch die in Bild 1.9 dargestellten Pulsmuster zur Ansteuerung der Ventile einen „sinusförmigen“ Strom.

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