Was ist ein doppelt gespeister Asynchrongenerator (DFIG)?
Funktionsprinzip
Ein doppelt gespeister Asynchrongenerator ist eine Schleifringläufermaschine, deren Ständer direkt am Netz liegt, während der Läufer über Schleifringe von einem Back-to-back-Umrichter gespeist wird. Der Umrichter prägt eine Spannung mit der Schlupffrequenz ein, sodass der Ständer unabhängig von der Drehzahl stets die Netzfrequenz sieht. Je Strang gilt V_r/s = (R_r/s + jX_r)·I_r − E: Die Läuferspannung ist proportional zum Schlupf s, deshalb kann der Umrichter klein sein.
Unter- und übersynchroner Betrieb
Mit dem Schlupf s = (n_s − n)/n_s gilt für die Läuferleistung P_r ≈ −s·P_s und für die Gesamtleistung ans Netz P ≈ (1 − s)·P_s. Unterhalb der Synchrondrehzahl (s > 0) nimmt der Läufer über den Umrichter Leistung aus dem Netz auf; oberhalb (s < 0) gibt auch der Läufer Leistung ab, die Maschine kann also mehr als ihre Ständernennleistung liefern. Bei Synchrondrehzahl ist der Läuferstrom Gleichstrom und die Läuferleistung null. Ein Umrichter mit 25–30 % der Maschinenleistung deckt etwa ±30 % Drehzahl ab.
Regelung der Windturbine
Die Turbinenleistung ist P = ½·ρ·A·v³·Cp(λ, β) mit der Schnelllaufzahl λ = ω·R/v. Unterhalb des Nennwinds stehen die Blätter flach (β = 0), und der MPP-Tracker stellt die Drehzahl so ein, dass λ nahe dem Optimum von etwa 8 bleibt; die Drehzahl steigt also mit dem Wind. Haben Drehzahl und Leistung ihre Grenzen erreicht, drehen die Blätter aus dem Wind und begrenzen die Leistung. Zwischen Einschalt- und Abschaltwindgeschwindigkeit läuft die Turbine, außerhalb steht sie.
Blindleistung und Netzstützung
Der Läuferstrom muss den Magnetisierungsstrom liefern, den der Ständer nicht liefert; der Umrichter regelt daher die Blind- und Wirkleistung des Ständers über die d- und q-Ströme des Läufers. Innerhalb seiner Spannungs- und Stromgrenzen kann die Maschine Blindleistung abgeben oder aufnehmen, um die Netzspannung zu stützen. Verlangt der Sollwert mehr, als der Umrichter zulässt, wird zuerst die Blindleistung begrenzt und dann eine Überlast gemeldet. Der netzseitige Umrichter arbeitet meist mit Leistungsfaktor eins.
Häufig gestellte Fragen
- Warum genügt ein Umrichter mit nur etwa 30 % der Maschinenleistung?
- Weil er nur die Schlupfleistung führt. Die Läuferspannung ist proportional zum Schlupf, und die Läuferwirkleistung beträgt etwa s mal die Ständerleistung; bei ±30 % Drehzahlbereich verarbeitet der Umrichter höchstens rund 30 % der Nennleistung. Ein Vollumrichter, wie bei Windturbinen mit Synchrongenerator, muss alles verarbeiten und ist daher größer, teurer und verlustreicher.
- Was passiert bei Synchrondrehzahl?
- Der Schlupf ist null, die Läuferspannung daher fast null und der Läuferstrom Gleichstrom, wie die Erregung einer Synchronmaschine. Die Läuferleistung ist null und wechselt dort das Vorzeichen: Darunter nimmt der Läufer Leistung auf, darüber gibt er sie ab. Längeres Verweilen belastet den Umrichter ungleichmäßig, weil ein Strang den Großteil des Gleichstroms führt; Turbinen durchfahren diesen Punkt deshalb meist zügig.
- Warum verstellt die Turbine oberhalb des Nennwinds die Blätter?
- Die Windleistung steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, Generator und Umrichter haben aber eine feste Leistung. Das Verstellen der Blätter senkt den Leistungsbeiwert Cp, sodass die Turbine nur die Nennleistung aufnimmt, während die Drehzahl an ihrer Grenze bleibt. Unterhalb des Nennwinds bleiben die Blätter flach und der Tracker maximiert Cp.