[发明专利]用于在暂态电网电压变化下运行双馈异步电机的方法和设备

说明书

本发明涉及一种在暂态(transienten)电网电压变化下在电网处的 双馈异步电机(doppeltgespeisten Asynchronmaschine)的运行的方法和 设备。

双馈异步电机优选地在转速可变系统中(例如在高功率风力发电 设备中)作为转轴发电机或与回转质量储存器和不间断供电装置一起 而被使用。通常，异步电机的定子与电网(Netz)相连接，转子经由滑 环与变频器(Umrichter)相连接。利用这种变频器，电气变量(elektrischen Groesse)的理论值(Sollwert)可被记入转子中(in den Rotor eingepraegt)。 变频器的概念应广义地理解。通常，在现代的设备中，存在有电机侧 的变频器和电网侧的变频器，这些变频器经由中间电路(Zwischenkreis) 彼此连接。除了电压和电流中间电路之外，无需中间电路的直接变频 器也是可行的。通过直流电压源或直流电流源来进行电机侧变频器的 供电同样是可行的。被记入转子中的电气变量可例如为电压或电流。 现今通常使用带有IGBT的四象限变频器(Vier-Quadranten-Umrichter)。 但是，其它的半导体开关，如GTO和晶闸管(Thyristoren)也是可行的。

该双馈异步电机相对于类似系统而言的优点在于相对于被馈入 电网的总功率而言的有所降低的变频器结构功率(Bauleistung)。由此， 带有双馈异步电机的系统具有相对较好的效率。

转子电压的振幅和频率与电机的转差率(Schlupf)成比例 (proportional)。转差率被定义为参照于同步的转速的机械转速与同步 转速之间的偏差。双馈异步电机的典型的转速区域处于同步转速的 70％至130％之间。在转速的该工作区域中，所必需的最大转子电压显 著地比在静止的(stillstehender)电机下所需的更低。与在30％转差率时 相比，在静止状态下，转子电压的振幅大三倍还要多。振幅的绝对值 依赖于电机的传动比。所感应出的转子电压的频率在静止状态下与电 网频率相同。在典型的转速区域中，该频率最大为电网频率的30％。 该变频器通常设计成，其最大可提供在所定义的转速区域中的所需电 压。

在风力发电设备的数量增多以及与此相联的对电网运行器 (Netzbetreiber)的要求变得越来越高的过程中，在电网电压的暂态变化 下的双馈异步电机的特性越来越重要。此处，暂态变化是电网电压相 对稳态(stationaeren)值和/或额定值的时间上受限制的偏差。其既可为 电压突降(Spannungseinbrueche)也可为电压升高。通常称之为电压跃变 (Spannungsspruengen)或暂态电压跃变。在此，电压突降可例如由于电 网中的短路而出现。在此，在极端情况下，可出现降至0％的电压突 降。电压升高可在未被补偿的电网中的无功功率均衡的情形下出现， 例如，在大的电感性用电器被关闭时。

在双馈异步电机上，电机的定子直接与电网相连接，以使得，在 暂态的电网电压变化下，定子电压相应地作响应。电机的通量矢量 (Flusszeiger)在稳态状态下以电网频率旋转。在暂态的电压变化下产生 了磁通量的这样的部分，该部分相对于定子固定，且直到若干电网周 期之后才逐渐消除。该静止的通量部分，(也称为通量的恒定部分)， 与电网电压矢量(Netzspannungszeiger)的变化成比例。该通量的恒定部 分在转子线圈中感应出显著地更高的电压(与带有经定义的转速区域 的稳态电网运行中相比)。但是，变频器通常仅设计用于这种稳态的电 网运行，且由此无法提供相应的反电压。这有以下后果，即，双馈系 统在电压跃变情形下的响应特性表现出在定子中和在转子中的短路 式的电流以及相应的气隙扭矩(Luftspaltdrehmoment)。针对双馈异步电 机的优化的响应特性的最简单的技术解决方案为，将变频器设计成用 于这样的转子电压，即，该转子电压对最大的电压跃变的补偿而言是 必要的。自然，这几乎相当于这样的变频器结构功率——该变频器结 构功率等于系统的总功率。然而，这破坏了双馈系统的重要优点、即、 相对而言较小的变频器结构功率。