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Stand: 16.12.08

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Jahresbericht 2008

Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe

Prof. Dr.-Ing. F. W. Fuchs

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Kaiserstraße 2 24143 Kiel

Fon 0431 / 880-6100 Fax 0431 / 880-6103

E-mail fwf@tf.uni-kiel.de Web http://www.tf.uni-kiel.de/etech/LEA

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13. Gremienarbeit und Mitgliedschaften (Prof. Fuchs)

Leiter Prüfungsausschuss Wirtschaftsingenieurwesen Elektrotechnik und Informationstechnik

Obmann und deutscher Sprecher in internationalen Gremien (IEC TC22) des Normungskomitees Leistungselektronik (K331) der Deutschen Kommission Elektrotechnik (DKE)

Gutachter, Session Chair, z.T. Topic Chair (PESC-, EPE-, IECON-Konferenzen, IEEE Transact. on Power Electronics)

14. Mitgliedschaften Lehrstuhl

CEwind - Windenergie- Kompetenzzentrum der Hochschulen in Schleswig-Holstein NELE - Netzwerk Leistungselektronik Schleswig-Holstein

ECPE - European Center for Power Electronics

15. Dienstleistungsangebot

Analyse und Bewertung sowie Test des Betriebsverhaltens von Leistungs­halbleitern, Leistungselektronik und elektrischen Antrieben:

Betriebsverhalten allgemein, Regelungsverhalten

dynamisches Verhalten von IGBTs und MOSFETs

Netzrückwirkungen, EMV

Wirkungsgrad, Verlustleistung

Steuerungs- und Regelungsverhalten Realisierbarkeitsstudien, Systemkonzeption, Vorentwicklung, Unterstützung bei Problemforschung und –abstellung bei Leistungselektronik und elektri-schen Antrieben:

Treiberstufen

Stromrichterschaltungen

Steuerung und Regelung

Industrielle Anwendungen

Schulungen, Weiterbildung, Gutachten, Beratungen

Schulungs-/Weiterbildungskurse über Leistungselektronik und Elektrische Antriebe an der CAU oder in Firmen (siehe Internet) und Seminar „Anwendung moderner Leistungshalbleiter“ im Haus der Technik, Essen (nächster Termin: September 2009)

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07/08 Vierzehntägige Gastvorlesung zu modernen Regelungsverfahren in der Antriebstechnik von Prof.Dr.-Ing. Dierk Schröder (Universität München)

07/08 Durchführung des "Girlscamp" der Technischen Fakultät mit Unter-stützung durch den Lehrstuhl (Wessels)

08/08 Nachwuchs bei der Familie Dannehl: Emma 09/08 EPE-PEMC (Power Electronics and Motion Control) in Posen (Prof.

Fuchs, Knop, Rothenhagen, Dinkhauser) 09/08 Hochzeit Thomsen 09/08 13. Kasseler Symposium Energie-Systemtechnik -“Stromrichter in

Netzen“- in Kassel (Wessels) 09/08 HusumWind (Präsentation Wessels, Jensen, Dinkhauser) 09/08 Treffen mit Danfoss Solar in Sonderborg (Prof. Fuchs, Franke) 09/08 ETG-Fachtagung Böblingen (Prof. Fuchs, Lohde) 10/08 Besuch bei der FA STILL 10/08 Besuch durch die FA Jungheinrich 10/08 Start der Vorlesung "Power Electronics Generator Systems " im Rah-

men des neuen Master of Wind-Engineering-Studiengangs von CE-wind

11/08 Margit Marter beginnt als neue Mitarbeiterin im Sekretariat 11/08 ETG-Fachtagung - Effiziente Energieversorgung: Chancen für Vertei-

lungsnetze, München (Beitrag Prof. Fuchs) 12/08 Besprechung mit KK-Electronic und Danfoss Drives, Graasten, DK

(Dannehl, Prof. Fuchs)

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Inhaltsverzeichnis

Seite

1. Vorwort / Preface 6

2. Das Team 12

3. Forschung und Vorentwicklung 14

4. Lehre und Weiterbildung 36

5. Infrastruktur 37

6. Veröffentlichungen 38

7. Promotionen 40

8. Diplomarbeiten / Studienarbeiten 40

9. Berichte 42

10. Vorträge 42

11. Exkursionen 45

12. Aktuelles Geschehen am Lehrstuhl 46

13. Gremienarbeit Prof. Fuchs 49

14. Mitgliedschaften Lehrstuhl 49

15. Dienstleistungsangebot 49

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1. Vorwort Liebe Freunde des Lehrstuhls für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe! Wieder ist ein Jahr vergangen und der Zeitpunkt für den Jahresbericht gekom-men.

Unser Team konnte in diesem Jahr auf 11 wissenschaftliche Mitarbeiter aus-gebaut werden, 8 davon sind über Drittmittel finanziert. Zwei Mitarbeiter sind hinzugekommen und arbeiten auf dem neuen Projekt eines batteriegespeisten Kleinumrichters für Fahrantriebe, im Rahmen eines Konsortiums im neu ge-gründeten Kompetenzzentrum Leistungselektronik Schleswig-Holstein. Der festangestellte Stamm wurde mit einer neuen Sekretärin auf einer Teilzeitstelle vervollständigt. Wir haben einige Projekte gewinnen können, so dass wir hof-fen, im nächsten Jahr trotz des Wechsels von Mitarbeitern in die Industrie noch etwas zu wachsen.

Unsere Forschungsgebiete, es sind in etwa die gleichen wie im Vorjahr, um-fassen:

Neuartige Stromrichterschaltungen und Leistungshalbleiter mit Steue-rung, einschließlich Aufbau, EMV, Netzrückwirkungen, Verluste;

Umrichter und Antriebe für regenerative Energie, besonders Windener-gie, Fotovoltaik, einschließlich Netzverhalten und Netzintegration;

Moderne Regelungsmethoden bei Stromrichtern und elektrischen An-trieben;

Condition Monitoring und Fehlertoleranz bei Stromrichtern und Antrie-ben.

Insbesondere auf den Gebieten Optimierung von Stromrichtern und Windener-gie konnten wir Projekte, sogar in hohem Umfang, einwerben. Die Arbeiten auf den Forschungsgebieten sollen hier übersichtlich zusammengefasst werden, Details sind in den Einzelprojektberichten weiter hinten zu finden.

Die Gruppe auf dem Gebiet Stromrichter befasst sich mit dem Einsatz neuer Leistungshalbleiter, vorwiegend aus Siliziumkarbid, für Umrichter bei Solaran-lagen. Ein anderes Arbeitsfeld, neu gestartet und im Rahmen des Kompetenz-zentrums Leistungselektronik laufend, ist die Optimierung des schon genann-ten Kleinumrichters (5 kW) in Hinsicht auf Wirkungsgrad und Volumen sowie Entwicklung von Treiberschaltung und Zwischenkreis auf der einen Seite und in Hinsicht auf Schaltüberspannungen und Streuinduktivitäten sowie EMV in einem zweiten Projekt.

Das „Windteam“, eingebunden in Cewind – Kompetenzzentrum Windenergie der Hochschulen in Schleswig-Holstein, hat die Ausbreitung und das Durch-fahren von Netzfehlern bearbeitet und erstellt derzeit einen Netzemulator, um

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05/08 Treffen mit der FA Jungheinrich 06/08 ECPE-Tutorial on Electro-Magnetic Compatibility in Helsinki

(Teilnahme Mühlfeld) 06/08 PESC (Power Electronics Specialists Conference) in Rhodos (Prof.

Fuchs, Rothenhagen, Franke, Thomsen, Wessels, Lohde) 06/08 Ausrichtung des Plecs-Workshops bei LEA 06/08 Besuch bei der FA Repower Jensen, Lohde, Prof. Fuchs) 06/08 Exkursion zu Enercon und GetriebebauNord 06/08 Hochzeit Dannehl 06/08 Einmonatiges Projekt bei KK-Electronic in Aalborg, DK (Dannehl) 06/08 Treffen bei der FA STILL (Thomsen) 07/08 Dipl.-Ing. Björn Wittig wird wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehr-

stuhls 07/08 Schleswig-Holstein Tag in Neumünster (Präsentation Lohde, Wes-

sels, Jensen) 07/08 Treffen bei der FA E.ON-Hanse (Prof. Fuchs) 07/08 Leistungselektronik Nord Treffen in Kiel 07/08 Hochzeit Franke 07/08 Lehrstuhlkanutour von Plön nach Preetz

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12. Aktuelles Geschehen am Lehrstuhl

Sitzungen des "Kompetenzzentrums Windenergie in Schleswig-Holstein CEwind‑Forschungsnetzwerk der Hochschulen" alle 1-2 Monate, (Prof. Fuchs und/oder Mitarbeiter)

Seit Mai vierzehntägige „Treffen des Leistungselektronik Netzwerks NELE“ (Prof. Fuchs, Mühlfeld, Wittig) Ende Dezmeber 2007 12/07 Weihnachtsbowling des Lehrstuhls, der goldene IGBT ging an Jens

Schröder (studentische Hilfskraft) 01/08 Leistungselektronik Nord Treffen in Bremen 01/08 Besprechung mit der FA KK-Electronic und Danfoss Drives, Kiel

(Dannehl, Prof. Fuchs) 01/08 Seminar von der FA Cree zu Silizium Carbid in Gråsten (Franke) 01/08 Treffen mit Danfoss Solar in Sonderborg (Prof. Fuchs, Franke) 01/08 Dr. Retzmann, Siemens PTD, hält einen Vortrag mit dem Titel:

"FACTS und HGÜ in Mehrstufentechnik" 02/08 Exkursion zur FA Jungheinrich 02/08 Erfolgreiche Disputation von Dipl.-Ing.(FH) Michael Bierhoff zur Er-

langung des Titels "Dr.-Ing." 02/08 Kieler Klimatage im Februar in Kiel (Präsentation Lohde, Wessels,

Dinkhauser) 02/08 Treffen bei der FA STILL (Thomsen) 03/08 Teilnahme am Seminar "Sensorlose Regelung permanenterregter

Synchronmaschinen" vom Haus der Technik, München (Rothenhagen) 03/08 Besuch des IEEE Joint IAS/PELS/IES Chapter-Meeting in Heidelberg

(Thomsen) 03/08 Dipl. Phys Ole Mühlfeld wird wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehr-

stuhls 04/08 Prof. Fuchs veranstaltet eine Jubiläumsfeier mit Vorträgen ehemali-

ger und aktueller Mitarbeiter und abendlichem Treffen 04/08 Geführter Besuch für Schüler zur Industriemesse Hannover (Lohde,

Wessels) 04/08 Danfoss Solar in Kiel 04/08 Treffen der elektrotechnischen Projekte von CEwind mit den Firmen

GEO, REpower, E.ON Hanse und Windtest 05/08 Praktikant Chandan Muddamsseti kommt für 10 Wochen an den

Lehrstuhl 05/08 Erstes Treffen des Leistungselektronik Netzwerks NELE nach För-

dergenehmigung mit den Partnern Frauenhofer Institut für Silizium-technologie, Danfoss Silicon Power, ESW, Jungheinrich, Vishay Se-miconductors, FH-Westküste und FH Kiel.

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dieses im Labor nachzufahren. Es laufen Arbeiten zur Regelung des HGÜ-gespeisten Offshore-Netzes. Wir befassen uns zudem mit der Netzimpedanz-analyse mit erstelltem Stromrichter zur hochfrequenten Messstromeinspei-sung.

Der Stand der Technik bei der Regelung des Netzpulsstromrichters wurde intensiv durchgearbeitet. Die Anwendung moderner Regelung, der im Zu-standsraum und der sliding mode Regelung, hat Verbesserungen aufgezeigt. Bei den Arbeiten zur Regelung von Antrieben mit schwingungsfähigen Lasten und Lose mit modernen Verfahren für verbessertes Verhalten konnten eben-falls erste Ergebnisse mit der Zustandsregelung erzielt werden, ein Prüfstand ist im Aufbau.

Arbeiten an Antrieben mit Fehlertoleranz bei Sensorfehlern an der doppeltge-speisten Asynchronmaschine kommen zum Abschluss. Zu Condition Monito-ring und Fehlerfrüherkennung an Maschinen über elektrische Größen, wir verwenden Beobachter, liegen erfolgsversprechende Ergebnisse vor.

Über unsere Arbeiten haben wir in insgesamt 16 Veröffentlichungen berich-tet, darunter z.B. auch ein eingeladener Übersichtsvortrag zur Leistungselekt-ronik in der Windenergie auf dem VDE-Kongress.

Zu fast allen Forschungsarbeiten, deren Ziele zu großen Teilen von uns aus-gewählt wurden, haben wir industrielle Kooperationspartner, vornehmlich aus Schleswig-Holstein. Die Kooperation geht von der Dienstleistung, wie z.B. Messen von Geräten, bis zur Forschung und Vorentwicklung. Damit können wir dem Gründungsauftrag der Technischen Fakultät, Förderung der Indust-rie im Lande, wieder gerecht werden.

In der Infrastruktur haben sich auch Neuigkeiten ergeben. Im Labor muss jede Fläche für Arbeitsplätze verwendet werden. Wir konnten uns ein neues Spezial-Leistungs-Messgerät anschaffen, wie es in der Windenergie verwen-det wird und können damit demnächst äquivalente Messungen durchführen. Für die Messung an schwingungsfähigen Prozessen ist ein Antriebsprüfstand kurz vor der Fertigstellung.

Als wissenschaftlicher Gast kam Herr Prof. Schröder von der TU München für eine Gastvorlesung „Moderne Regelungstechnik bei Antrieben“ an den Lehrstuhl, zudem besuchte uns Professor Mutschler zu Vortrag und wissen-schaftlichem Austausch.

Die Lehre wurde im üblichen Umfang durchgeführt. Hervorzuheben ist die Gastvorlesung „Moderne Regelungstechnik bei Antrieben“ von Prof. Schrö-der und wieder die „Mikroprozessortechnik“ durch Dr. Leifert. Ab dem Winter-semester 2008/09 startete zudem ein Master-Studiengang Wind-Engineering im Rahmen des Kompetenzzentrums Windenergie, bei dem wir den Kurs „Power Electronic Generator Systems in Wind Turbines“ durchführen. Die wiederum hohe Zahl an Abschlussarbeiten am Lehrstuhl erfreut uns ebenso

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wie die hohe Zahl studentischer Hilfskräfte, die uns besonders in der For-schung unterstützen. Die Studienanfängerzahl von 160 im Bereich der Elektro- und Informationstechnik (Elektro-, Wirtsch.-Ing., Master Communica-tions) ist nach wie vor gut, gegenüber dem Vorjahr aber etwas gesunken (Numerus Clausus Wirtschaftsingenieurwesen). Die Erstsemesterbetreuung in Kleingruppen wurde wieder von unserem Lehrstuhl organisiert, zudem sind wir dabei, für das laufende Semester ein Kleingruppenseminar „Klausuren effektiv vorbereiten - Richtig studieren“ zu organisieren. Wir wollen möglichst viele Studierende im Studium halten.

Auch in diesem Jahr haben wir wieder ein Treffen der Leistungselektronik-Lehrstühle im Norden als „Leistungselektronik-Kolloquium Nord“ veranstal-tet, mit Fachvorträgen und einer Laborbesichtigung, in diesem Jahr bei uns in Kiel.

Und die Außenpräsentation vergessen wir nicht: Vorträge über die „Energiewende“ bei der Universitätsgesellschaft und Vorstellung der Studien-gänge bei Studieninformationstagen oder Berufsbörsen der Gymnasien…

Die Technische Fakultät hat sich in diesem Jahr insgesamt gut entwickelt. Die Studienanfängerzahlen sind hoch, die Drittmitteleinwerbung hat hohe Werte erreicht und acht neue Professoren bringen neue Ideen ein.

Der Sommer brachte eine wunderschöne Aktivität, sozusagen Schleswig-Holstein pur: wir sind mit Kanus auf der Schwentine von Plön nach Preetz gefahren, bei herrlichem Wetter, mit Bade- und zusätzlicher Gastronomie-pause. Im Dezember sind wir mit dem ganzen Team zum Bowlen um den „Goldenen IGBT“ gegangen. Und die Erholung in den Arbeitspausen ist bes-ser geworden: ein Kickerspiel steht im Keller…

Dem Team danke ich für seine engagierte Arbeit und gute Zusammenarbeit. Mein Dank gilt natürlich auch Herrn Prof. Dr. Schröder und Herrn Dr. Leifert. Dem LEA-Team, unseren Freunden und Projektpartnern wünsche ich für das kommende Jahr Erfolg und Gesundheit. Kiel, im Dezember 2008 Prof. Friedrich W. Fuchs

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11. Exkursionen

Fa. Jungheinrich, Norderstedt 02/08

Hannover-Messe, Technik und Innovation, Schülerfahrt, 25.04.2008

Enercon und Getriebebau Nord, Aurich 06/08

Wessels, Christian: Untersuchungen an Windenergieanlagen zum Durchfahren von überhöhten Spannungen, 03/08

Wessels, Christian: Durchfahren von Überspannungen mit FACTS für Windenergieanlagen mit Doppeltgespeister Asynchronmaschine (StatCom, DVR), 07/08

Wessels, Christian: Durchfahren von Überspannungen mit FACTS für Windenergieanlagen mit Doppeltgespeister Asynchronmaschine (SVC), 10/08

Wessels, Christian: Untersuchungen an Windenergieanlagen zum Durchfahren von überhöhten Spannungen (HVRT - High Voltage Ride Through), 11/08 Wittig, Björn: Wirkungsgradbestimmung und Kühlkörperabschätzung für den Umrichter des

Kompetenzzentrum Leistungselektronik Schleswig-Holstein, 10/08

Prof.Dr.-Ing. Dierk Schröder (Universität München)

Moderne Regelungsverfahren in der Antriebstechnik 07/08 (Gastvorlesung 14 Tage)

Dr. Retzmann, Siemens PTD,

FACTS und HGÜ in Mehrstufentechnik 01/08 (Fakultätskolloquium)

Dipl.-Ing. Michael. Hemming, Nord-DE Feldorientierte Regelung in der industriellen Praxis 02/08

Prof. Peter Mutschler Diagnose und Fehlertoeranz bei elektrischen Antrieben 07/08 (Fakultätskolloquium)

Dr. Stephan Jöckel, VENSYS Energy AG Permanenterregte Direktantriebe in der Windenergie 07/08 (Fakultätskolloquium)

Prof. Peter Schaffarczyk, Fachhochschule Kiel Windenergie in Schleswig-Holstein 10/08 (Fakultätskolloquium) ____________________________________________________________________

1 Lehrstuhlinterne Vorträge, falls nicht anders angegeben

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Lohde, Ralf: Simulation von Netztransienten im Windpark, 07/08

Lohde, Ralf: Netzanschlussbedingungen für regenerative Erzeuger im Hoch- und Höchst-spannungsnetz, AEG bei LEA 07/08

Lohde, Ralf: Grobe Abschätzung der Leistungsfähigkeit des Batteriestützungssystems -Energiebilanz,10/08

Mühlfeld, Ole: Vortrag zur Diplomarbeit „Aufbau und Inbetriebnahme einer Steuerelektronik für Rastertunnelmikroskopie, 04/08

Mühlfeld, Ole: Analyse und Optimierung von Streuinduktivitäten, 07/08

Mühlfeld, Ole: Elektromagnetische und thermische Modellierung und Simulationen zum 5 kW NeLe-Umrichter, 10/08

Rothenhagen, Kai: Regelung einer PMSM ohne Lagegeber, 3 /08

Rothenhagen, Kai: Regelung ohne Lagegeber Vergleich von DASM und PMSM, 07/08

Rothenhagen, Kai: Sättigungseffekte bei der Modellierung von DASM, 10 /08

Thomsen, Sönke: Regelung schwingungsfähiger Antriebssysteme, Industrie 02/08

Thomsen, Sönke: Regelung elektrischer Antriebssysteme zur aktiven Dämpfung mechanischer Schwingungen, 04/08

Thomsen, Sönke: Regelung elektrischer Antriebssysteme zur aktiven Dämpfung mechanischer Schwingungen, Industrie, 06/08

Thomsen, Sönke: Konventionelle Regelung und Zustandsregelung für elektrische Antriebssyste-me zur aktiven Dämpfung mechanischer Schwingungen bei Wirkung von Lose, 07/08

Thomsen, Sönke: Online Parameter Identification Methods for Doubly Fed Induction Generators, LE nord, 07/08

Thomsen, Sönke: Schwingungsfähiges Antriebssystem Teststand und Modellbildung, 10/08

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Preface

Dear friends of the Institute of Power Electronics and Electrical Drives.

Again a year runs out and it is time for the yearly institute report.

This year our team has been expanded to 11 graduated research assistants, whereas 8 are financed by third parties. Two new team members work on a project with low power battery-fed converters for electric vehicles within the framework of a consortium of a newly founded center of competence in power electronics in Schleswig-Holstein. The permanent staff has been com-pleted by a second part-time secretary. We successfully created a couple of new projects. Even though some projects are going to be finalized and some members will leave towards the industry, we hope to grow again next year.

Fields of research that we are still working on are:

novel converter topologies and power semiconductors with control, including EMC, mains disturbance, power losses;

power converters and drives for renewable energies, especially wind energy, fuel cells, photovoltaic, including grid performance and grid integration;

modern control methods for power converters and electrical drives;

condition monitoring and fault tolerance for power converters and drives.

Especially in the areas of converter optimization and wind energy we could attract projects even of great amount. Here, a summary on our projects is given. Detailed descriptions of separate projects are given later in this report:

The converter topologies and semiconductor group deals with the application of new semiconductors for photovoltaic converter systems based on Silicon Carbide. Two other projects have been started off this year in the frame of power electronics center of excellence. Both deal with the optimization of low power converters (5 kW). The first one is optimization with respect to effi-ciency and volume as well as design of driver circuits and DC circuit. The second one focuses on switching overvoltages and stray inductances as well as emc issues.

The wind team, partly integrated into the center of excellence wind energy (CEwind) in Schleswig-Holstein, has carried out investigations of propaga-tions of grid faults and high voltage ride through capability. Currently, a grid emulator (30 kVA) is in progress in order to carry out experimental tests. Moreover, work on control of HVDC- connected offshore wind parks and grid impedance measurement by injecting currents of high frequencies by a dedi-cated converter are still going on.

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The state of the art in controlling grid-connected PWM converters has been deeply studied. Modern control approaches like state space control and slid-ing mode control have shown improvements. First results of modern control of drive systems with mechanical vibrations and backlash for improved sys-tem performance have been obtained with state space control. A suitable test bench is being built up.

Work on fault tolerance of the doubly-fed induction machine in case of sensor faults are going to be completed soon. Promising results have been obtained in the project condition monitoring and fault detection in electrical machines via electrical measurements and observer techniques. Our research results have been published in 16 papers at several confer-ences and in a journal. An overview presentation about power electronics in wind energy systems at a congress of VDE has been invited.

Almost all of our research projects have industrial partners, mostly from Schleswig-Holstein. Collaborations range from smaller services, e.g. check-ing equipment, to research and development tasks. Hence we fulfill the fun-damental idea of our faculty in supporting the regional industry.

There are also news from our laboratory. Lots of work benches are required. We have a new special power analyzer, the type used in wind industry. Hence we can carry out equivalent tests. A drive test bench for mechanical vibrations is in progress.

This summer we had a scientific guest, Prof. Schröder from the TU München, for giving a two week lecture about „modern control engineering for electrical drives‟. Moreover, Prof. Mutschler from TU Darmstadt visited us for a presen-tation and scientific exchange. The teaching has been carried out as well, of course. We would like to point out the above mentioned lecture from Prof. Schröder as well as a lecture about microprocessors from Dr. Leifert. This winter term a “master study course in wind engineering” started in the framework of the center of excel-lence wind energy. We contribute a lecture “Power Electronic Generator Sys-tems in Wind Turbines”. Again the high number of diploma theses at our insti-tute is pleasing as well as the constantly high number of student assistant workers supporting us in research. Fortunately, the number of first semesters in electrical engineering (160) is still high, even if decreased compared with last year due to a numerus clauses for industrial engineering. Our institute organizes again supervision of first semester students in small groups. We are organizing a seminar about effective preparation for examinations; we try to keep on studying most of the students. Again we had a regular meeting with other power electronics institutes in north of Germany (“Leistungselektronik-Kolloquium Nord”) with technical presentations and laboratory visit, this year in Kiel.

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Dannehl, Jörg: Stromrichtermodellierung für den Entwurf und die Analyse von Regelkreisen, 10/08

Dannehl, Jörg: Overview about active damping methods, 12/08

Dinkhauser, Vincenz: Hardwarekonfiguration des TriCore1796, 04/08 Dinkhauser, Vincenz: Das hybride Maschinenmodell der DFIG, 07/08

Dinkhauser, Vincenz: Detektion und Identifikation eines Windungsschlusses in doppeltgespeisten

Asynchronmaschinen, 10/08

Franke, Toke: Siliziumkarbid Leistungshalbleiter Teil 1+2, 04/08; 07/08

Franke, Toke: Umrichter für Solaranlagen, 10/08

Jensen, Simon: Ableitung eines vereinfachten WEA - Modells, 04/08

Jensen, Simon: Untersuchungen zum quasistationären Betrieb eines Windparks, 07/08

Jensen, Simon: Systemdienstleistungen von Windparks mit HVDC-Anbindung, 10/08

Knop, André: Treiberschaltungen für schnelltaktende Umrichter 05/08

Knop, André: Vergleich von Leistungshalbleiter für schnelltaktende Umrichter, 07/08

Knop, André: Hystereseregler und Netzimpedanzanalyse, 10/08

Lohde, Ralf: Simulation von Windenergieanlagen im Windpark -offshore- , CEWind-Elektrotechnik Treffen 04/08

Lohde, Ralf: Parameter elektrischer Komponenten im Windpark am Beispiel PMSM, 04/08

Lohde, Ralf: Untersuchungen zur Ausbreitung von Netztransienten im Windpark, LE-Nord Treffen: 06/08

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10. Vorträge 1

Dannehl, Jörg: Overview about modern control methods, 01/08, (Danfoss)

Dannehl, Jörg: Methoden zur aktiven Resonanzdämpfung bei Netzpulsstromrichtern, 04/08

Dannehl, Jörg: Overview about modern control methods, 04/08, (KK)

Dannehl, Jörg: Multivariable control of LCL filter-based grid-connected PWM converter in wind power applications, 06/08

9. Berichte Berichte: Dannehl, Jörg: Multivariable control of LCL filter-based grid-connected PWM converter in wind power applications 01-03/08

Wittig, Björn: Überprüfung der Genauigkeit der internen Strommessung eines MOSFETs SUM60N08-07C der Firma Vishay auf Anwendung im NeLe-Projekt 04/08

Mühlfeld, Ole: Untersuchung und Optimierung der Streuinduktivität eines B6-Leistungsmoduls für 5/20 kW Umrichter im Kompetenzzentrum Leistungs-elektronik 05/08

Rothenhagen, Kai: Lagegeberlose Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine 06/08

Wessels, Christian: Untersuchungen an Windenergieanlagen zum Durchfahren von überhöhten Spannungen (HVRT- High Voltage Ride Through) 07/08

Lohde, Ralf Modellierung und Simulationsprogramm für einen Antrieb mit permanenter-regter Synchronmaschine 08/08

Franke, Toke Characteristics of SIC-BJT (BitSiC) in switching applications 09/08

Lohde, Ralf Grobe Abschätzung der Leistungsfähigkeit des Batteriestützungssystems 10/08

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We also care about the external view on our institute: Presentations on „Energiewende‟ at the Universitätsgesellschaft and presentation of our study courses at information days at schools…

The Faculty of Engineering has made very good progress in 2008. The num-ber of first semesters in all study courses is very good, financial support by third parties has reached high amount, and eight new professors started with new ideas.

Fortunately, this summer we have made a canoe tour from Plön to Preetz. Sunny weather, several breaks for swimming and food… wonderful! We also went out with the whole team for bowling in order to compete for the „Gold IGBT‟. There is also another attraction for our work breaks: a tabletop soccer in the basement…

My thanks are for the team engaged work and their good collaboration. My thanks go also to Prof. Dr. Schröder and to Dr. Leifert. For the coming year 2009 I would like to wish success and health to the LEA-team, our friends and project partners. Kiel, december 2008 Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs

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2. Das Team

Lehrstuhlinhaber Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wilhelm Fuchs

Sekretariat Petra Bekendorf

Margit Marter

Wiss. Mitarbeiter Dipl.-Ing. Jörg Dannehl

Dipl.-Ing. Vincenz Dinkhauser

Dipl.-Ing. Toke Franke

Dipl.-Ing. (FH) Simon Jensen

Dipl.-Ing. André Knop

Dipl.-Ing. Ralf Lohde

Dipl.-Phys. Ole Mühlfeld

Dipl.-Ing. Kai Rothenhagen

Dipl.-Ing. Sönke Thomsen

Dipl.-Ing. Christian Wessels

Dipl.-Ing. Björn Wittig

Gastwissenschaftler Dipl.-Ing. (FH) Michael Bierhoff

Dipl.-Ing. Jens Boll

Dipl.-Ing. Malte Mohr

Labortechniker Bernd Doneit

Studentische Hilfskräfte Henrik Brandenburg

Stefan Cvenarski

Fabian Gebhardt

Hans-Kristian Helbig

Nils Hoffmann

Paul Kühn

Claudia Kürtz

Stephan Leowsky

Nils Oestreich

Jan Reese

Philipp Roser

Jens Schröder

Lehrbeauftragte Dr. Thorsten Leifert

Prof. Dr.-Ing. Dierk Schröder

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Laufende Diplom- und Studienarbeiten 2008-2009

Jens-Olaf Schiwy

DA

Entwurf, Aufbau, Inbetriebnahme und Untersuchung eines Umrichters für eine Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine (09/08)

Björn Didwischus

DA

Modellierung und Kompensation von Nichtlinearitä-ten zur Verbesserung der Regeleigenschaften einer Doppeltgespeisten Asynchronmaschine (10/08)

Hendrik Behrens

DA

Modellierung, Realisierung und Detektion eines Sta-torwindungsschlusses bei einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine (12/08)

Henrik Brandenburg

DA

Realisierung eines Netzemulators zur Simulation von netztypischen Spannungsverzerrungen und Netzfeh-lern (12/08)

Kai Groppler DA Entwurf, Realisierung, Inbetriebnahme und Analyse eines LVRT-fähigen Netzpulsstromrichters für Wind-energieanlagen im Labormaßstab (12/08)

Name SA/DA

Thema

Boy Michael Reese

DA Untersuchung von Verfahren zur Bestimmung der Netzimpedanz

Philipp Teipelke

DA Regelung eines dreiphasigen Frequenzumrichters mit Folienkondensatoren

Midhet Muranovic

SA

Untersuchung des dynamischen Verhaltens der Regel-kreise einer gleichstromerregten Synchronmaschine mit UR-Speisung

Torben Schulz

DA Flachheitsbasierte Regelung für ein Antriebssystem mit schwingungsfähiger Last

Matthias Böttcher

DA

Untersuchung verschiedener Methoden zur Stromrege-lung eines Netzpulsstromrichters mit LCL-Filter im Zu-standsraum

Alexander Weber

DA Vergleichende Untersuchung zu direkten und prädikti-ven Regelungsverfahren für doppelt gespeiste Asyn-chrongeneratoren in Windenergieanlagen bei verzerrter

Nikky Flügger

SA Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine

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7. Promotionen Bierhoff (mündliche Doktorprüfung) 8. Diplomarbeiten / Studienarbeiten Abgeschlossene Diplom- und Studienarbeiten 2008

Name SA/DA

Thema

Nils Oestreich

SA Entwurf, Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme eines Simulators für Solarmodule (04/08)

Björn Wittig DA Minimierung der Zwischenkreiskapazität bei Umrichter-systemen zur Einspeisung von Solarenergie (05/08)

Börge Carstens

DA Entwicklung eines Stromrichters zur Stützung der Bat-teriespannung in Flurförderfahrzeugen (05/08)

Mirco Scholz SA Passivitätsbasierte Regelung eines Netzpulsstromrich-ters (06/08)

Fabian Gebhardt

SA

Verbesserung des Betriebsverhaltens und Untersu-chung des Oberschwingungsverhaltens eines dreistufi-gen Umrichters (06/08)

Torge Wehrend

SA Detailanalyse des CrowBar-Verhaltens bei DFIG (06/08)

Paul Kühn SA

Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters mit Folienkondensatoren als Zwischenkreisspeicher (07/08)

Andreas Bierig

DA Simulation und Regelung eines schwingungsfähigen Antriebssystems (07/08)

Nils Hoffmann

SA

Untersuchung von resonanten Reglern zur Reduzie-rung von Oberschwingungen bei Netzpulsstromrichtern (08/08)

Fabian Mocha

DA

Modellierung, Simulation und vergleichende Untersu-chung zu Regelungsverfahren für drehzahlvariable Windenergieanlagen mit PMSM und Validierung am Versuchstand (08/08)

Jens Schröder

SA Entwurf, Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme eines DC/DC-Stellers für Solarmodule (08/08)

Dennis Hansen

DA Betriebsführungskonzept für Windparks mit HVAC-Anbindung (08/08)

Moritz Müller DA Betriebsführungskonzept für Windparks mit HVDC-Anbindung (08/08)

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Obere Reihe: wissenschaftliche und festangestellte Mitarbeiter Untere Reihe: studentische Hilfskräfte, Studien- / Diplomarbeiter

Lehrstuhlteam im Sommer 2008

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3. Forschung und Vorentwicklung

Aktuelle Forschungsarbeiten: Fehlertolerante Regelung einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine (Kai Rothenhagen, Finanzierung durch die DFG 05/2005 – 12/2008 z.T. Industrie)

Für die Regelung dieses drehzahlveränderlichen Antriebes werden verschie-dene Sensorsignale wie Spannung, Strom oder Drehzahl benötigt. Bei Ausfall eines Sensors ist ein Weiterbetrieb des Antriebs in der Regel nicht mehr mög-lich. Ziel der Arbeit ist es, Methoden zu entwickeln die einen Weiterbetrieb bei Sensorfehlern ermöglichen. Die fehlertolerante Regelung wurde im Vergleich zum letzten Jahr erweitert: Es ist jetzt möglich, neben Fehlern in den Statorstrom, Rotorstrom und Sta-torspannungssensoren auch Fehler in der Rotorlagemessung zu detektieren und die Regelung zu rekonfigurieren. Dieses ist in die Erkennung und Isolation der anderen Fehler integriert worden. Die Regelung kann in Betrieb gehalten werden, da die Umschaltdauer ausrei-chend kurz ist. Der verwendete Zeitablauf ist in Abb. 1 dargestellt.

Abbildung 2 zeigt die verwendete Beobachterbank. Sie ist mit Beobachtern für die Rotorkreisgeschwindigkeit ergänzt worden. Jedem Beobachter ist eine Pa-ritätsgleichung hinzugefügt, die aus einem Statorflussmodell hergeleitet ist. Sie dient zur Berechnung eines Residuums, das bei Verwendung von mehr als einem Beobachter die Fehlerisolation sicherstellt, dass heißt die genaue Un-terscheidung zwischen einem Fehler im Statorstrom-, Rotorstrom-, Sta-torspannungs- oder Lagesensor. Abbildung 3 zeigt schematisch den Aufbau des Teststandes mit der 22 kW Doppeltgespeisten Asynchronmaschine, dem Frequenzumrichter und den zur Regelung benötigten Sensoren. Die Regelung läuft in einem DSP der Firma dSPACE, auf dem parallel auch die Algorithmen zur Fehlererkennung und –isolation untergebracht sind.

Fault-freeClosed LoopOperation

Open LoopOperation

Observer BasedClosed Loop

Time

Fault detected,switch toOpen Loop

Fault isolated,switch toObserverFault occurs

FaultyMeasurement

Abb.1: Temporäre Umschaltung der Regelung auf eine Steuerung ohne Messwertrückführung

39

Lohde, R.; Fuchs, F.W.: Analysis of High and Low Voltage Grid Failure Propagation in large Wind Farms considering Transformers, Cables and VAR-Compensators, IEEE 39

th

Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008 Mohr, M.; Fuchs, F. W.: Vergleich von Wechselrichtersystemen für Brennstoffzellen im mittleren Leis-tungsbereich, ETG-Fachtagung Leistungselektronische Systeme für die de-zentrale Stromerzeugung, München, 2008 Rothenhagen, K.; Fuchs, F.W.: Advanced sensor fault detection and control reconfiguration of wind power plants using doubly fed induction generators, IEEE 39

th Power Electronics

Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008 Rothenhagen, K.; Fuchs, F.W.: Position estimator including saturation and iron losses for encoder fault de-tection of doubly-fed induction machine, IEEE 13

th Power Electronics and

Motion Control Conference, Poznan, Poland, 2008 Rothenhagen, K.; Jasinski, M.; Kazmierkowski, M.P.: Grid connection of multi-Megawatt clean Wave energy power plant under weak grid condition, IEEE 13

th Power Electronics and Motion Control Confer-

ence, Poznan, Poland, 2008 Thomsen, S.; Rothenhagen, K.; Fuchs, F.W.: Online parameter identification methods for doubly fed induction generators, IEEE 39

th Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008

Thomsen, S.; Fuchs, F. W.: Konventionelle- und Zustandsraumregelung zur aktiven Dämpfung von me-chanischen Schwingungen in Antriebssystemen mit Loseeffekt, VDE/VDI ETG-Fachtagung, Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, Böblingen, 2008 Wessels, C.; Dannehl,

J.; Fuchs

F. W.:

Active Damping of LCL-Filter Resonance based on Virtual Resistor for PWM Rectifiers - Stability Analysis with Different Filter Parameters, IEEE 39

th

Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, Greece, 2008

38

6. Veröffentlichungen Bierhoff, M.; Fuchs, F.W.: DC-Link Harmonics of Three-Phase Voltage-Source Converters Influenced by the Pulsewidth-Modulation Strategy – An Analysis, IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol. 55, pp. 2085-2092, 2008 Dannehl,

J; Fuchs

F. W.:

Flatness-Based Voltage-Oriented Control of Three-Phase PWM Rectifiers, IEEE 13

th Power Electronics and Motion Control Conference, Poznan, Po-

land, 2008 Dinkhauser, V.; Fuchs, F. W.: Rotor Turn-to-Turn Faults of doubly-fed Induction Generators in Wind Energy Plants - Modelling, Simulation and Detection, IEEE 13

th Power Electronics

and Motion Control Conference, Poznan, Poland, 2008 Franke, W. T.; Mohr, M.; Fuchs, F. W.: Comparison of a Z-source inverter and a voltage-source inverter linked with a DC/DC-boost-converter for wind turbines concerning their efficiency and in-stalled semiconductor power, IEEE 39

th Power Electronics Specialists Con-

ference, Rhodes, Greece, 2008 Fuchs, F.W.; Dinkhauser, V.; Jensen, S.; Knop, A.; Lohde, R.; Rothenhagen, K.; Wessels, C.: Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergie-anlagen – Stand und Perspektiven, 10. Energietechnisches Forum der Fach-hochschule Kiel, 2008 Fuchs, F.W.; Dinkhauser, V.; Jensen, S.; Knop, A.; Lohde, R.; Rothenhagen, K.; Wessels, C.: Drehzahlregelbare Leistungselektronik-Generatorsysteme in Windenergiean-lagen – Stand und Entwicklungstendenzen, ETG-Fachtagung Leistungselekt-ronische Systeme für die dezentrale Stromerzeugung, München, 2008 Fuchs, F. W.: Einsatz von Modernen Leistungshalbleitern, Unterlagen zum Seminar, Haus der Technik, Essen, 2008 Knop, A.; Franke, W. T.; Fuchs, F. W.: Switching and conducting performance of SiC-JFET and ESBT against MOS-FET and IGBT, IEEE 13

th Power Electronics and Motion Control Conference,

Poznan, Poland, 2008

15

Abb.2: Beobachterbank Abb.3: Testaufbau und verwendete Sensoren

Abbildungen 4 und 5 zeigen die erfolgreichen Rekonfigurationsvorgänge des Lagegebers mit Hilfe einer kurzzeitigen Umschaltung der Regelung auf eine Steuerung nach Abbildung 1. Das Oszillogramm in Abb. 4 zeigt die gemesse-ne Rotorlage (Ch1), die fehlerhaft gemessen wird, sowie den Statorstrom (Ch2). Dies wird erkannt, und kurzfristig auf gesteuerten Betrieb umgeschal-tet. Dabei ist die Phase des gesteuerten Betriebs jeweils durch das „Open Loop Flag“ (Ch 4) angezeigt. Angezeigt ist auch der Rotorstrom (Ch 3), der keine Störung zeigt. Wie zu sehen ist, bleibt die Maschine in Betrieb und auch beim Umschalten der Regelung sind keine Transienten oder schlagarti-ge Stromspitzen zu sehen. Abbildung 5 zeigt die intern berechneten Residuuen, die die Isolation des Lagegebers als fehlerhaft ermöglichen. Damit eine Isolation als eindeutig betrachtet wird, muss das Resultat der Fehlerisolation 4 ms lang stetig anlie-gen. Hierdurch wird eine sehr gute Rejektion von Fehlern 1. Art (Erkennung eines Fehlers, wo keiner ist) erreicht.

Abb.4: Rekonfiguration des Rotorslagegebers

Abb.5: Rekonfiguration des Lagege-bers: Verlauf der internen Residuen während der Fehlerisolaton

Veröffentlichungen Rothenhagen: PESC‟08, EPE-PEMC‟08

M

Rotor

PositionPWM

Inverter

TerminalMeasurements

TerminalMeasurements Observed

Signals

FDI

Inverter

Control

Rotor AngleEstimator

Rotor Current Observer

Stator Current Observer

Stator Voltage Observer

SpeedObs. 1

SpeedObs. 2

Group 1

Group 2

M3 ~

Rotor

Position

Stator Voltage

Stator Current

PWM PWM

Grid

Voltage

DC-Link

Voltage

Rotor

Current

Reference

Values

Inverter

Current

Inverter

Crowbar

Field Oriented Control

Fault Detection Observer

16

Entwicklung eines Messstromgenerators für die Bestimmung der Netz-impedanz (Knop, André – Innovationsfond Schleswig Holstein im

Rahmen des CE-Wind 10.2006-12.2008 Fortführung CAU/Industrie 01.2009-12.2009)

Für die Auslegung und Betriebsführung von Windenergieanlagen ist es sinn-voll, die genaue Netzimpedanz und deren Frequenzgang zu kennen. Aus der Messung der Netzimpedanz ergibt sich eine verbesserte Kenntnis der aktuellen Netzeigenschaften und der Leistungsaufnahmefähigkeit des Netzes. In diesem Projekt soll ein derartiger Netzimpedanzanalysator für den Bereich bis hin zu mittleren Frequenzen entwickelt werden (Abb.1). Für die Analyse der Netzimpedanz ist ein Messstromgenerator erforderlich, der einen für die Messung notwendigen Strom bis max. 20 A in einem Frequenzbereich von 40 Hz bis 10 kHz bereitstellt.

Abb.1: Anschluss des Messstromgenerators Um einen Strom von bis zu 10 kHz zusätzlich zu dem Netzstrom bei 50 Hz zu erzeugen, sind besondere Anforderungen an den Umrichter notwendig. Dies umfasst eine für diese Leistungsklasse hohe Taktfrequenz von mindestens 50 kHz, eine aufwendige Regelungsstruktur und eine höhere Zwischenkreis-spannung, um zusätzlich zu der Netzspannung die Spannung für den Mess-strom zu erzeugen.

Abb.2: Prototyp des Messstromgenerators

Trafo

~=

50Hz+MS Netz

37

Weiterbildung durch den Lehrstuhl (CAU) vorzugsweise in Kiel (Angebote, Details im Internet oder auf Anfrage, bisher noch nicht durchgeführt):

- Einführung in die Leistungselektronik 2-täg. Seminar - Drehzahlsteuerbare Drehstromantriebe 2-täg. Seminar - Dynamische Regelung von Drehstromantrieben 2-täg. Seminar

Weiterbildung extern im Haus der Technik, Essen, mit weiteren externen Referenten: Leitung Prof. Fuchs

- Moderne Leistungshalbleiter (Anwendung) 2-täg. Seminar nächster Termin 20.-21.02.2008

Einführung eines neuen Mikroprozessors Infineon TC 1796 für schnel-le Steuerungen und Regelungen sowie Datenanalyse (Condition Mo-nitoring) abgeschlossen.

Start der Einrichtung eines Teststands mit doppeltgespeister Asyn-chronmaschine und Lastmaschine (5KW Leistung) zur Fehlerdiagno-se von Wicklungsschlüssen und Lagerfehlern in Betrieb.

Antriebsstand (5kW) zur Untersuchung des Verhaltens mit schwin-gungsfähigen Lasten und Lose kurz vor der Fertigstellung

Anschaffung eines Leistungsmessgeräts mit Langzeitdatenspeicher wie in der Windindustrie verwendet

5. Infrastruktur

36

4. Lehre und Weiterbildung

Durchgeführte Lehrveranstaltungen für Studierende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel:

Einführung in die Elektrische Energietechnik

Drehstromtechnik, Transformator, Elektrische Ma-schinen

V3/Ü1 SS08

Leistungselektronik I

Grundlagen der Leistungselektronik

V2/Ü1 WS07, WS08

Leistungselektronik II Leistungselektronik Vertiefung

V2/Ü1 SS08

Leistungselektronik III Elektrische Antriebstechnik

V2/Ü1 WS07, WS08

Regelung elektrischer Antriebe Feldorientierte Regelung und dynamische Modelle der Drehfeldmaschine

V2/Ü1 WS07, WS08

Elektrische Umformung regenerativer Energie Energieverbrauch und –reserven, konventionelle Energiewandlung, Energiewandlung für regenerative Energien

V2/Ü1 SS08

Anwendung von Leistungshalbleitern Aufbau, elektrisches und thermisches Verhalten, Schutz, Reihen– und Parallelschaltung

V1 SS08

Mikroprozessortechnik für Echtzeitsteuerungen Einführung in den Einsatz eines Mikroprozessors in Echtzeitsteuerungen wie z.B. Stromrichter

V1/Ü1 SS08

Praktikum Leistungselektronik und elektrische An-triebe Leistungshalbleiter, leistungselektronische Schaltun-gen, elektrische Antriebe, Mikroprozessortechnik, Simulation

P4 WS07, SS08, WS08

Grundpraktikum (in Teilen) P4 SS08

Fachseminar Leistungselektronik Vorträge wiss. Mitarbeiter und von Diplomanden

S2 WS07, SS08, WS08

Exkursionen

Je Semester, Lehrbesichtigung von Industriebetrie-ben

EX1 WS07, SS08, WS08

Erstsemesterbetreuung für Ingenieure (und Studie-rende höherer Semester)

WS07, WS08

17

Im Jahr 2008 wurden zwei Messstromgeneratoren aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen (Abb.2). Mit diesen ist es nun möglich, die Netzimpe-danz in einem Frequenzbereich von 60 Hz bis 10kHz zu bestimmen. Bei-spielhaft ist der Impedanz- und Phasengang der Netzimpedanz im Labor des Lehrstuhls in Abbildung 3 dargestellt. Weiterhin ist es mit dem Messstromge-nerator möglich, das frequenzabhängige Verhalten von leistungselektroni-schen Filterbauelementen (L und C) mit einem aussagekräftigen hohen Strom zu bestimmen. Beispielhaft dafür ist der Impedanz- und Phasengang eines LCL-Filters für einen Netzpulsstromrichter in Abbildung 4 dargestellt.

Abb.4: Impedanzgang eines LCL-Filters über der Frequenz

Als Plattform für die Steuerung und Regelung wurde ein selbstentwickeltes FPGA-System mit darauf implementiertem Controller und selbst erstellter Software verwendet. Veröffentlichungen Knop: EPE-PEMC 2008

2000 4000 6000 8000 10000

0.5

1

1.5

Impedanz in

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

20

40

60

Phase in °

103

10

20

30

Impedanz in

103

100

150

200

250

Phase in °

Abb.3: Netzimpedanz über der Frequenz

18

Untersuchung von modernen Silizium-Karbid-Leistungshalbleitern für Anwendungen in hocheffizienten Wechselrichtern für Solaranlagen(Toke Franke, Finanzierung CAU 07.2007-11.2008, Stipendium 12.2008-12.2011) Der Bundesverband Erneuerbare Energien rechnet mit einem Wachstum der Photovoltaik Industrie von jährlich 30% bis 2010. Der wichtigste Wettbe-werbsvorteil ist ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Der Wechsel-richter ist neben der Solarzelle ein Hauptbestandteil einer Solaranlage und hat die Aufgabe den Gleichstrom des Solarmoduls zur Netzeinspeisung in einen Wechselstrom mit geeigneter Frequenz und Amplitude zu wandeln (Abb.1) . Außerdem wird der Stromfluss so geregelt, dass die Solarzelle die maximale Leistung abgeben kann. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters wird von den Verlusten in den Leistungshalbleitern und passiven Bauteilen begrenzt. Die Verwendung von modernen Silizium-Karbid Leistungshalblei-tern anstelle herkömmlicher Halbleiter aus Silizium verspricht die Effizienz des Umrichters zu steigern, da sie bei geringeren Verlusten höhere Schaltfre-quenzen zulassen, die wiederum kleinere Induktivitäten und Kapazitäten mit besseren Wirkungsgraden erlauben. Der erste Teil dieses Forschungsprojektes beschäftigt sich mit der Untersu-chung, Ansteuerung und Schutz der Silizium-Karbid-Leistungshalbleiter. Da-für wurde das Schalt- und Durchlassverhalten der Bauteile hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit, Temperaturabhängigkeit und Verluste untersucht. Ein typischer Schaltvorgang ist in der Abbildung 2 zu sehen. Es konnte festge-stellt werden, dass der in der Leistungselektronik unbedeutende Silizium-Bipolartransistor als Silizium-Karbid-Bipolartransistor eine überragende Per-formance aufweist. Insbesondere für die SiC-JFETs wurden unterschiedliche Treiber- und Schutzkonzepte entwickelt und auf ihre Eignung hin überprüft. Es konnte ein Treiber mit sehr guter Schaltcharakteristik bei einzelnen Schaltvorgängen erstellt werden. Der Praxistest in einer Wechselrichter-Umgebung ist für das nächste Jahr geplant.

LOAD

Inverter

Control

Hochsetzsteller U-UmrichterSolarzelle

Netz

C

DC

DC

DC

AC

Abb.1: Umrichtersystem zur Netzeinspeisung von Solarenergie

35

Industrieprojekte mit kleinerem Umfang

Untersuchung an Windenergieanlagen zum Durchfahren von überhöhten Spannungen (Christian Wessels, Finanzierung Industrie im CEwind, 11.2007-06.2008)

Untersuchung von Streuinduktivitäten und EMV an Umrichtern und Modulen (Ole Mühlfeld, Finanzierung Industrie, 15.03.-30.04.2008)

Mutilvariable Control of LCL-filter-based grid connected PWM converter (Jörg Dannehl, Finanzierung Industrie, 01.04.2008-30.06.2008)

Control of active rectifiers including modern control (Jörg Dannehl, Finanzierung Industrie, begleitend 2008)

Regelungsverfahren von Netzpulsstromrichtern mit LCL-Filtern für die Foto-voltaik (Jörg Dannehl, Finanzierung Industrie, 06.2008)

Batteriestützung beim Antrieb mit Asynchronmaschine und Batteriespeisung (Finanzierung Industrie, 01.2008-07.2008)

Feldorientierte Reglung einer permanenterregten Synchronmaschine ohne Lagegeber (Kai Rothenhagen, Finanzierung Industrie, 01.02.2008-31.07.2008)

Modellierung und Simulationsprogramm für einen Antrieb mit permanenter-regter Synchronmaschine (Finanzierung Industrie, 15.07.-30.09.2008)

Untersuchung eines Antriebs mit permanenterregter Synchronmaschine (Finanzierung Industrie, 01.12.2008-31.03.2009)

Zustandsregelung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges (Sönke Thomsen, Finanzierung Industrie, 01.12.2008.-30.09.2009)

34

Untersuchung von schaltungstechnischen Optimierungen neuer Umrichterkonzepte für 24/48 V, 5 bis 20 kVA (Björn Wittig, Finanzie-rung: Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISiT und Land Schleswig-Holstein, 07.2008 - 04.2011) Für Fahrantriebe mit aus einer Batterie über Umrichter gespeisten Motoren soll ein fortschrittliches Umrichterkonzept entwickelt werden. Der Umrichter (Abb.1) soll sich durch ein geringes Volumen, einen hohen Wirkungsgrad und eine einfache Möglichkeit zur Leistungsvervielfachung auszeichnen. Bei der Umsetzung des neuen Umrichterkonzeptes spielt vor allem neben der Optimierung der Chipeffizienz der Leistungshalbleiter die Reduzierung der Verluste in der Verschienung der Halbleiter und im Zwischenkreis eine wichtige Rolle. Diese Verluste können durch schaltungstechnische Maß-nahmen reduziert werden. Die Arbeiten werden in einem Projektteam durchgeführt. In diesem Teilpro-jekt sind die Auslegung des Umrichters, des Zwischenkreises, die Entwick-lung von Treibern zum Ansteuern der MOSFET-Halbleiter sowie der Auf-bau und Tests der Inhalt. Im ersten Teil dieses Forschungsprojektes erfolgt die Auslegung des Leis-tungsteils und die Optimierung des Zwischenkreises. Hierfür sind neben verschiedenen Kondensatortypen ebenfalls verschiedene Schutzkonzepte für nach Normen definierte Überspannungen zu betrachten und zu bewer-ten. Desweiteren wird eine Verlustleistungskalkulation durchgeführt, um das thermische Verhalten des Umrichters innerhalb des Projektes untersu-chen zu können. Der zweite Teil der Arbeit wird die Ansteuerung der Leistungshalbleiter um-fassen. Bei der Entwicklung einer geeigneten Treiberschaltung sind zusätz-liche Schaltungsmaßnahmen zu betrachten, um ein möglichst optimales Schaltverhalten bei geringen Schaltverlusten und niedrigen Überspannun-gen zu erzielen. Der Umrichter wird aufgebaut, in Betrieb genommen und getestet.

Abb.1: Umrichtersystem für batteriegespeisten Antrieb

19

Im zweiten Teil soll untersucht werden, in wie weit eine Effizienzsteigerung des Umrichters für Solaranlagen unter Verwendung der Silizium-Karbid-Bauteile realisiert werden kann. Dieser Teil erfolgt in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner, der die Arbeit aus Sicht der Industrie begleitet. Erste Voruntersuchungen zur Schaltungstopologie und geeigneter Regelkonzepte konnten erfolgreich abgeschlossen werden.

Abb.2: Ausschaltvorgang eines SiC-Bipolartransistors

Veröffentlichungen Franke: PESC 2008, EPE-PEMC 2008

20

Condition Monitoring für Leistungselektronik-Generatorsysteme in Windenergieanlagen (Vincenz Dinkhauser, ESF/Innovationsfond, seit 03.2007 bis 12.2008) Die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Windenergiean-lagen werden in Zukunft deutlich wegen steigender Leistungen einzelner An-lagen und off-shore Einsatz ansteigen. Neben den mechanischen Kompo-nenten und den Rotorblättern sind elektrische Komponenten zur Hälfte ver-antwortlich für Maschinenstillstände. Im Gegensatz zu den mechanischen Komponenten existieren für die elektrischen Komponenten nahezu keine di-rekten Condition Monitoring Systeme. Dieser Umstand soll durch das Projekt aufgehoben werden. Hierfür sollen aus den bereits für die Regelung vorhan-denen Größen von Strom, Spannung und Rotorposition geeignete Verfahren entwickelt werden, die als Grundlage für Condition Monitoring Systeme elekt-rischer und mechanischer Komponenten dienen können. Realisiert wird der Algorithmus dann auf einem Mikrocontroller mit entsprechender Peripherie. Zur Untersuchung wurde bisher der rotorseitige Windungsschluss bei einer doppelt-gespeisten Windkraftanlage näher betrachtet. Dieses ist zwar kein Fehler, der in Statistiken auftaucht, aber das Pendant Statorwindungsschluss ist eine mit bis zu 40% veranschlagte Fehlerursache bei Kurzschlussläufer-Asynchronmaschinen. Der Übergang des Windungsschlusses auf die Rotor-seite ist mit der geänderten Konfiguration – dem Umrichter am Rotor – zu erklären, was eine besondere Belastung darstellt. Dieser Fehler kann mit diversen Verfahren detektiert werden. Da aber ein extrem hoher Kurzschlussstrom, ähnlich dem Verhalten eines sekundärseitig kurzgeschlossenen Transformators, entsteht, muss dieser Fehler schnellst möglich detektiert werden und die Maschine in den fehlertoleranten Betrieb, hier Synchronbetrieb, überführt werden. Zum Nachweis wurde dieses Jahr ein Aufbau realisiert, in dem der rotorseiti-ge Windungsschluss implementiert werden kann. Zur Regelung wurde der Mikrocontroller TC1796 von Infineon verwendet, der auch im Conditi-on Monitoring System zum Einsatz kommen soll. Die Verläufe von Wirk- und

Blindleistung werden in Abb. 1 dargestellt. Durch Studien- und Diplomarbei-

ten wurden Regelungen für Antriebssysteme mit Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine und permanenterregter Synchronmaschine durch diesen Mikrocontroller am Lehrstuhl erstellt. Ein weiterer Fortschritt ist durch die Erweiterung der Maschinenmodelle um das hybride Modell gelungen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit Beobachter zu implementieren, die nicht nur die Auswirkungen sondern auch den Fehler-strom beobachten können. In Abb. 2 wird eine mögliche Konfiguration zur Fehlerdetektion, Fehleridentifikation und Fehlerstrombeobachtung durch Be-obachter gegeben. Somit können fehlertolerante Betriebsarten untersucht werden, die den Fehlerstrom als Zustand benötigen, um diesen dann zu mini-mieren.

33

Abb.2: Umrichter, der aus einem 24V Zwischenkreis Drehstrom

Abb.3: Parasitäre Induktivitäten in einem B6-Modul

Abb.4:Entwurf eines Moduls mit B6 Topologie

32

Moderne Umrichterkonzepte für 24V mit 5-20 kW - Simulationen zu Streuinduktivitäten und EMV - (Ole Mühlfeld, Finanzierung: Fraunhofer-ISiT/Land S-H, 04/08 – 04/11) Die Bedeutung von elektrischen Antrieben im Automotivbereich nimmt stetig zu, dabei kommen vor allem Drehstrommotoren zum Einsatz. Als Energie-quelle dienen meist Bleiakkumulatoren, die mit Gleichstrom einen Zwischen-kreis speisen. Der Umrichter hat die Aufgabe diesen Gleichstrom in Dreh-strom zu wandeln. Dabei müssen bestimmte Richtlinien zur Elektromagneti-schen Verträglichkeit (EMV) eingehalten werden. Um die benötigte Leistung im Bereich von 5 – 20 kW bereitstellen zu kön-nen, sind Ströme von 250 – 700 Ampere erforderlich. Leistungshalbleiter, die den Strom im Umrichter schalten, erzeugen größere Verluste, je länger ein Schaltvorgang dauert. Daher sind Entwickler bestrebt, die Schaltzeiten zu reduzieren. Auf der anderen Seite erzeugen kurze Schaltzeiten schnelle Stromänderungen, wodurch Störspannungen erzeugt und elektromagneti-sche Felder verursacht werden. Dadurch kann der Umrichter höhere Verlus-te erzeugen und gestört werden, oder sogar ausfallen. Simulationen erlauben die Vorhersage von möglichen Störungen. Somit kön-nen im Entwicklungsprozess schon vor Beginn der Fertigung die Störquellen erkannt und beseitigt werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden im Jahr 2008 Leistungsmodule (Abb.4) un-tersucht. Diese Module enthalten die Leistungshalbleiter, die auf Kupferlei-terbahnen platziert sind. Um Störungen durch induzierte Spannungen zu reduzieren, ist man bestrebt niederinduktive Module zu designen. Die Analy-se und Optimierung der Induktivität dieser Module, ihrer Schaltungstopologie und ihre elektrischen Kontaktierung an den Zwischenkreis stehen derzeit im Mittelpunkt der Arbeit (Abb.1,2,3). Nach dem Aufbau des Leistungsteils wird die Steuer- und Treiberelektronik für den Umrichter implementiert. Hierbei ist eine Optimierung der EMV-Eigenschaften ebenfalls unerlässlich, da im Bereich der digitalen Steuer-elektronik bereits kleinste Störspannungen zu Fehlfunktionen führen können. Im letzten Teil der Arbeit wird die elektromagnetische Verträglichkeit des Gesamtaufbaus vermessen, denn auch Geräte in der Umgebung des Um-richters dürfen nicht gestört werden. Der Umrichter muss seinerseits aber auch eine gewisse Unempfindlichkeit gegen äußere Störungen besitzen, da diese im Betrieb nie ausgeschlossen werden können.

Abb.1:Zusammen-setzung der Induktivität des Leistungsteils

21

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-1000

0

1000

t [s]

P [

W]

P gemessen

P Sollwert

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5-1000

0

1000

t [s]

Q [

VA

]

Q gemessen

Q Sollwert

Abb.1: Extern gemessene Größen einer über den TC1796

geregelten doppelt-gespeisten Asynchronmaschine

Abb.2: Beobachterbank zu Identifikation von Fehlerphase und Fehlergrad

Veröffentlichungen Dinkhauser: EPE-PEMC 2008

22

Leistungselektronik-Generator-Systeme für Windenergieanlagen im Windpark (Ralf Lohde, Finanzierung ESF/ Innovationsfond, in CEwind, 03.2007- 12.2008 CAU/ Industrie ab 01.2009 ) Drehzahlvariable Windenergieanlagen der Multimegawattklasse werden heu-te überwiegend in großen Windparks zusammengefasst und aufgestellt. Ein solcher Windpark stellt ein hochkomplexes System dar. Die Wechselwirkun-gen der Windenergieanlagen untereinander über das Windpark interne Teil-netz und zwischen dem Windpark und dem Hochspannungsnetz werden un-tersucht. Abb.1: Strukturbild des Versuchstandes zur Verifikation von Simulationser-gebnissen am Beispiel einer Windenergieanlage mit Permanentmagneterreg-

ter Synchronmaschine und Vollleistungsumrichter Hierbei wird das Verhalten unterschiedlicher Windenergieanlagen in Bezug auf Leistungsabführung, Regelverhalten der abgeführten Leistung, Netzrück-wirkungen, gegenseitige Beeinflussung und insbesondere das Verhalten der geregelten Leistungselektronik- Generatorsysteme der Windenergieanlagen

bei Netzfehlern näher erforscht.

~~~

~~~

~~~

~~~ PMSG

Leistungsteil des

Netzemulators

Netzpuls-

stromrichter zur

Versorgung

Netzpuls-

stromrichter

Maschinenumrichter

und Generator

Modell des Testsystems

Windenergieanlage (22 kW)Netzemulator (33 kVA)

31

. Veröffentlichungen Thomsen: PESC 2008, VDE/VDI-Fachtagung 2008

Abb.2: Drehzahlverläufe von Antriebs- und Lastmaschine

mit konventioneller PI-Regelung

Abb.3: Drehzahlverläufe von Antriebs- und Lastmaschine

mit Zustandsregelung

30

Regelung elektrischer Antriebe mit aktiver Dämpfung mechanischer Schwingungen und Adaption unbekannter Parameter (Thomsen, Finanzierung CAU, 06.2007 – 04.2010).

Konventionelle elektrische Antriebssysteme bestehen aus einer Antriebsma-schine und einem über eine mechanische Welle verbundenen Prozess oder einer Last (Abb.1). Aufgrund der endlichen Steifigkeiten der Wellen können Torsionsschwingungen im Antriebsstrang auftreten, die unerwünscht sind, die Lebensdauer reduzieren und zu Instabilitäten führen können. Getriebe und Kupplungen weisen in der Regel Spiel auf. Beim Schließen dieser Lose können starke Drehmomentstöße auftreten.

Abb.1: Herkömmlicher Antriebsstrang mit Antriebsmaschine, Getriebe, langer Welle und Last Ziel der Arbeit ist eine dynamisch hochwertige Drehzahlregelung mit aktiver Dämpfung schwingungsfähiger Lasten und Adaption unbekannter Parameter für ein Antriebssystem mit umrichtergespeister Asynchronmaschine. Dabei sollen moderne Verfahren aus der Regelungstechnik angewendet, erforscht, falls erforderlich weiterentwickelt und mit konventionellen Verfahren vergli-chen werden. Variierende Streckenparameter die einen Einfluss auf die Re-gelgüte haben, wie zum Beispiel das Trägheitsmoment der Last, sollen wäh-rend des Betriebes geschätzt und zur Adaption der Reglereinstellung ver-wendet werden. Der Einfluss von nichtlinearen Störungen, wie z.B. Lose und Reibung, soll untersucht und deutlich gegenüber dem Stand der Technik re-duziert werden.

Für das schwingungsfähige Antriebssystem wurde bisher eine Zustandsrege-lung (Abb.3) ausgelegt, untersucht und mit der konventionellen Drehzahlre-gelung mit PI-Regler (Abb.2) verglichen. Hinsichtlich Dynamik, Schwingungs-dämpfung und Einfluss der Lose konnten mit der Zustandsregelung deutliche Verbesserungen erzielt werden. Ein Teststand zur Untersuchung des Schwingungsverhaltens befindet sich im Aufbau.

23

Abb.2: Aufbau des Netzemulators links: verplatteter Aufbau des Leistungsteils rechts: Signalverarbeitung mit μController TriCore 1796

Mit Hilfe eines modular aufgebauten Windparkmodells können transiente, dy-namische aber auch stationäre Wechsel- sowie Rück-Wirkungen der Wind-energieanlagen untersucht werden. Die gewonnen Erkenntnisse werden am Laborversuchstand verifiziert, dazu wurde die notwendige Versuchsstandtech-nik entworfen und aufgebaut (Strukturbild Abb.1, Laboraufbau Abb.2). Der Netzemulator im Labormaßstab (30kVA, 400V) ist in der Lage, verschiede-ne Netzspannungseinbrüche, Netzspannungsunsymmetrien und Spannungs-harmonische zu erzeugen

Diese Arbeit ist in das Projekt Leistungselektronik-Generator-Systeme des CE-wind Kompetenzzentrums Windenergie – Schleswig-Holstein eingegliedert.

Veröffentlichungen Lohde: PESC 2008

24

Untersuchungen an Windenergieanlagen mit Doppeltgespeister Asyn-chronmaschine; insbesondere Netzintegration (Christian Wessels, Fi-nanzierung: ESF Innovationsfond Land SH in CEWind, Industrie, 11.2007 – 12.2008; EFRE und Land SH 01.2009 – 12.2011) In den letzten Jahren vergrößerte sich die installierte Windenergieleistung im Energieversorgungsnetz immens. Die Windenergie tritt dabei nicht mehr als einzelner, dezentraler Energieversorger auf. Das Verhalten und der Einfluss ganzer Windparks bei Anschluss in das Energieversorgungsnetz muss be-achtet werden. Dabei ist das Nennbetriebsverhalten, aber auch das Verhal-ten bei Netzfehlern von Interesse. In einigen Ländern – speziell in solchen mit einer bereits großen, installierten Windenergieleistung – sind sich die Netzbetreiber dieser zukünftigen Anforderungen bewusst und verschärften bereits die bestehenden Netzanforderungsregeln (grid codes). Bezüglich der Toleranz gegenüber Netzfehlern werden die Windenergieanla-gen in naher Zukunft anspruchsvolle Anforderungen erfüllen müssen. Neben der im Allgemeinen durch die Windenergieanlagen bereits abgedeckten Netzunterspannung ist das Auftreten einer Überspannung ein weiterer, mögli-cher Netzfehler. Aus diesem Grunde ist eine geeignete Zusatzeinrichtung nötig, die es ermöglicht die Netzanforderungen bzgl. Überspannung zu erfül-len und die Integration des Windparks in das Netz zu ermöglichen.

In Rahmen des Arbeitsgebietes wird ein Überspannungsschutz für die Wind-energieanlage mit Doppeltgespeister Asynchronmaschine (Abb.1) konzipiert und untersucht.

Abb.1: Windenergieanlage mit Doppelgespeister Asynchronmaschine

Als Schutzkonzept gegen Überspannung stellen sich umrichterbasierte Anla-gen der Leistungselektronik als beste Lösung heraus. Es werden die Funkti-on und die Eigenschaften des Dynamic Voltage Restorers, des Static Com-pensators und eines Static Var Compensators als statische Blindleistungs-quelle bei Einsatz an einer Windenergieanlage mit Hilfe der Simulation unter-sucht. Die Auswahl der optimalen Schutzmaßnahme ist abhängig von den

29

Abb.2: Sprungantwort einer Sliding Mode Umrichterstromregelung.

Veröffentlichungen Dannehl: EPE-PEMC 2008, PESC 2008 (mit Wessels), IEEE Transaction on Industrial Electronics (accepted for publication)

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Nichtlineare Zustandsregelung eines Netzpulsstromrichters mit LCL-Filter und kleiner Zwischenkreiskapazität (Jörg Dannehl, Fi-nanzierung: DFG, Industrie, 01.2007 – 12.2009) Selbstgeführte Netzpulsstromrichter mit eingeprägter Spannung finden zunehmend Verbreitung. Beispielsweise finden sie ihre Anwendung in der Einspeisung regenerativer Energien (Windkraft, Photovoltaik etc.) oder in rückspeisefähigen Industrieumrichtern (z.B. Kranantriebe). Die Systemstruktur ist in Abb.1 dargestellt. Ihre Regelung besteht heute aus einer mehrstufigen Leistungsregelung und Zusatzregelungen, wie z.B. für Netzoberschwingungen, auf der Basis konventioneller Verfahren entsprechend der feldorientierten Regelung. In diesem Forschungsvor-haben werden Verfahren der nichtlinearen Zustandsregelung beim Netzpulsstromrichter erforscht. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit wird neben einer Minimierung der Zwischenkreiskapazität insbesondere der Einsatz eines LCL-Netzfilters angestrebt. Darüberhinaus sollen Netzhar-monische und Unsymmetrien berücksichtigt werden. Nichtlineare Rege-lungsverfahren lassen gerade unter diesen Bedingungen Verbesserun-gen hinsichtlich Stabilität, Dynamik und Netzqualität erwarten .

Abb.1: Typische Anwendung eines Netzpulsstromrichters

Die Untersuchung moderner Steuer- und Regelungsverfahren wurde in diesem Jahr im Rahmen des jetzt DFG-finanzierten Forschungsvorha-bens fortgeführt und zudem von den Industriepartnern begleitet. Unter-suchungen zur konventionellen spannungsorientierten Regelung mit L- und LCL-Filter wurden abgeschlossen. Eine Übersicht über aktive Resonanzdämpfung bei LCL-Filtern wurde erarbeitet. Zusätzlich wurde im Rahmen eines dreimonatigen Industrie-projektes eine praktikable Zustandsraumregelung eines Umrichters mit LCL-Filter für Windenergieanlagen entwickelt und analysiert. Untersu-chungen zur Sliding Mode- und Passivitätsbasierten sowie Flachheits-basierten Regelung von Netzpulsstromrichtern mit L-Filtern wurden durchgeführt. In der Abbildung 2 ist beispielhaft eine Sprungantwort ei-ner Sliding Mode Umrichterstromregelung dargestellt Weitere Untersuchungen der Regelungsverfahren sind aktuell in Bear-beitung und die Erweiterung um das LCL-Filter sind geplant.

Netz-filter

NetzNetzpuls-

strom-richter

Maschinen-strom-richter

Asm

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Parametern des Systems. Der Dynamic Voltage Restorer bietet den Vorteil des vergleichsweise kleinen Leistungsbedarfes im Bereich von Teilen der Parkleistung. Allerdings muss die aufgenommene Wirkleistung abgeführt werden. Der Static Compensator bietet den Vorteil der Erzeugung reiner Blindleistung, welches einen großen Energiespeicher erspart. Die erforder-liche Leistung liegt aber bei einem Vielfachen der zu schützenden Anlagen-leistung. Das Bild (Abb.2) zeigt Simulationsergebnisse einer Windenergie-anlage mit StatCom, die zur Kompensation einer 30%-igen Überspannung eingesetzt wird. Weitere Untersuchungen am System Windenergieanlage sind aktuell in Bearbeitung.

Abb.2: Spannungsverlauf an der WEA und Leistung der StatCom Einheit

Veröffentlichungen Wessels u.a.: PESC 2008, Dannehl, Wessels: IEEE Transaction on Industrial Electronics (accepted for publication)

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.10.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

Voltage (swell 30%)

U in

[p

.u.]

UWT

Ug

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1-1

0

1

2

3

4

StatCom power

P,Q

in

[p

.u.]

P

Q

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Wechselwirkung zwischen Leistungselektronik-Generatorsystemen eines Windparks und einer Hochspannungsgleichstromübertragung mit spannungseinprägendem Umrichter (Simon Jensen, Finanzierung Siemens, 01.2006-12.2008) Windenergie ist ein wichtiger, nachhaltiger und zunehmend an der Energieer-zeugung beteiligter Energieträger. Standorte an Land für Windenergieanla-gen sind begrenzt vorhanden. Standorte auf See bieten eine Alternative für den weiteren Ausbau der Windenergie, die zudem u.a. aufgrund besserer Windverhältnisse durchaus positive Aspekte aufweist. Für den Transport der Leistung von See an Land kommen für große Übertragungsentfernungen Hochspannungs-Gleichstromübertragungen (HGÜ) in Betracht, die mit selbstgeführten Umrichtern arbeiten. Die Systeme werden in diesem Projekt untersucht. Wesentliche Ziele sind dabei die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Windenergie-anlagen (WEA) eines Windparks und der zum Leistungstransport eingesetz-ten HGÜ, die Analyse des Betriebsverhaltens typischer WEA-Konzepte, die Untersuchung des Betriebsverhaltens eines Windparks, die Analyse von Re-gelungs- und Betriebsführungskonzepten für Windparks und die Auswertung der an eine HGÜ-Anlage zu stellenden Anforderungen zum Betrieb an einem Windpark. Die Ergebnisse im Jahr 2008: Zur Ermittlung der Lastwechselbeanspruchung der Leistungshalbleiter einer HGÜ wurde ein Konzept erarbeitet. Dieses um-fasst ein aggregiertes Modell eines Windparks, welches den Spektralbereich der Einspeiseleistung detailgenau nachbildet. Als Eingangsgröße wurden gemessene Windzeitreihen verwendet. Zur Auswertung der Lastwechsel wird ein auf der RainFlow-Zählmethode basierendes Verfahren eingesetzt. Zur Analyse dynamisch auftretender Über- und Unterschreitungen der Nennwerte von Strom um Spannung am offshorseitigen HGÜ-Umrichter wurden Fallstu-dien durch Simulationen im Zeitbereich durchgeführt. Exemplarisch für die in 2008 durchgeführten Untersuchungen sei hier der Hochlauf eines Windparks an einer HGÜ betrachtet. Durch die variabel ein-stellbare Umrichterausgangsspannung kann der Park im Leerlauffall „sanft“ angefahren werden. Soll nach dem Anfahren ein weiterer Cluster zugeschal-tet werden, können hohe Ausgleichsströme auftreten. In Verbindung mit dem kapazitiven Verhalten des Offshorenetzes sind hohe Überspannungen mög-lich.

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Abb. 1: Zuschaltvorgang eines Trafos mit Inrush-Effekt und nachgebildeter Sättigung

Mit Sättigung

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 ...

...

...

0.00

50.00k

100.00k

150.00k

200.00k

P (

W)

P_Sättigung

0.00

40.00k

80.00k

120.00k

160.00k

Q (

VA

)

Q_Sättigung

-0.40

0.00

0.40

0.80

I (A

)

I_Sättigung

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

RM

S (

I1)

(A)

I_Sättigung