Einfluss des Zwischenkreis-Umrichters auf das Betriebsverhalten des Energieumwandlungsstrangs von Windkraftanlagen

In den letzten Jahrzehnten ist die Nennleistung neu installierter Windenergiekonverter kontinuierlich gestiegen, dabei dominierte die Bestrebung das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad des Energieumwandlungsstrangs zu verbessern. Bei Windenergieanlagen der Multimegawattklasse werden die Anforderungen an die eingesetzte Technik immer anspruchsvoller, dabei gerät die Identifikation eines geeigneten Generatorsystems in den Fokus der Betrachtung. Ein erprobtes System, aus der konventionellen Kraftwerkstechnik, ist die fremderregte Synchronmaschine, die sich durch ihr Betriebsverhalten und ihre große Leistungsdichte auszeichnet. Die Wechselwirkungen der unterschiedlichen Teilsysteme sind von besonderer Bedeutung für das dynamische Betriebsverhalten des Energieumwandlungssystems, wobei der Einfluss des Zwischenkreisumrichters exponiert ist. Die eingesetzte Schaltungstopologie und die verwendeten Ansteuerverfahren wirken entscheidend auf das Betriebsverhalten der Synchronmaschine und somit auf den gesamten Energieumwandlungsstrang ein.
Zu diesem Zweck wird innerhalb dieser Arbeit ein Modell der fremderregten Synchronmaschine erarbeitet und das Maschinenverhalten untersucht. Die Masterarbeit beginnt mit der Erläuterung der Synchronmaschine und ihrem stationären Verhalten, dabei werden die Unterschiede zwischen den beiden grundlegenden fremderregten Maschinentypen herausgearbeitet. Als Nächstes folgt die Herleitung der Grundgleichungen und der Notwendigkeit, diese in dq0 Koordinaten aufzustellen. Um einen passenden Ansatz zur Simulation des mathematischen Modells in Matlab zu finden, wurden im Rahmen der Literaturrecherche verschiedene Modellansätze gegenübergestellt. Als Ergebnis wird in der vorliegenden Arbeit der Ansatz hergeleitet, der die Anforderungen bezüglich Anpassungsfähigkeit, Modulationstiefe, Detailgenauigkeit und Parametrierbarkeit am besten erfüllt. Das Modell wird daraufhin so aufgestellt, dass die Spannungen die Eingangsgrößen und die Ströme die Ausgangsgrößen sind. Die Berechnungen finden in dq0-rotorfesten Koordinaten statt. Das Maschinenmodell wird im Folgenden mit Simulationsuntersuchungen validiert und so angepasst, dass es zusammen mit dem Windkonvertermodell verwendet werden kann. Dazu wird in dieser Arbeit ein Modell einer Windkraftanlage eingeführt. Die Grundlagen aller an der Energiekonvertierung beteiligten Komponenten und deren Regelungen werden erläutert und die Implementierung in Matlab erklärt.