Analyse und Vergleich von Generator-Umrichter-Konzepten für den Einsatz in Kleinwindenergieanlagen

Köster geb. Buchert, Kristina ORCID

In dieser Arbeit werden verschiedene Generator-Umrichter-Konzepte (GUK) für Kleinwindenergieanlagen analysiert und miteinander verglichen. Der Fokus liegt auf dem Vergleich eines permanenterregten Synchrongenerators (PMSG) jeweils mit einem Diodengleichrichter und Hochsetzsteller (DR-HSS), einem Halbbrückengleichrichter (HBG) und einem Zwei-Level-Wechselrichter (ZLW). Hierbei stellt der PMSG mit DR-HSS die Vergleichsbasis dar. Die Kosten eines GUK setzen sich aus denen des PMSG und des eingesetzten Umrichters zusammen. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Kosten eines Generators proportional zur Bemessungsleistung sind. Die Bemessungsleistung ist abhängig von den durch die Umrichterkonzepte verursachten Verlusten. Daher werden in dieser Arbeit die durch das verwendete Umrichterkonzept verursachten Verluste des PMSG mit DR-HSS, HBG und ZLW miteinander verglichen, um Rückschlüsse auf die Kosten zu ziehen. Die Kosten der Leistungshalbleiter (LHL) werden mit der installierten Halbleiterbauleistung gemessen, sodass die installierte Halbleiterbauleistung der einzelnen GUK miteinander verglichen werden können. Für jedes einzelne GUK wird das passende Regelungsverfahren, das möglichst wenig Messsensoren und zusätzliche passive Bauelemente aufwenden sollte, um die Kosten zu reduzieren, ebenso untersucht. Als Maß für die Verluste des Generators werden die Harmonischen der Generatorphasenströme, erzeugt durch die verschiedenen Gleichrichter-Konzepte und der daraus berechenbare THD-Wert der Generatorphasenströme, herangezogen und miteinander verglichen. Bei gleicher Eingangsleistung sollen die Gleichrichter-Konzepte einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen, der mithilfe der durch die Leistungshalbleiter und passiven Bauelemente verursachten Verluste berechnet wird. Die erzeugte Leistung, der Wirkungsgrad, die Verluste und der THD-Wert der Generatorphasenströme werden für die einzelnen GUK in Abhängigkeit von bestimmten Windgeschwindigkeiten analysiert und verglichen.

In this thesis, different generator-converter concepts for small-scale wind turbines are analyzed and compared with each other. The focus of this work is on the comparison of a permanent magnet synchronous generator (PMSG) with a diode rectifier and boost converter (DR-HSS), a half bridge switch mode rectifier (HBG), and a two level converter (ZLW). The calculated costs, the efficiency and the THD value of the generator phase currents are related to the PMSG with a DR-HSS. The costs of the generator-converter concepts are composed of those of the PMSG and inverter. It is assumed that the costs of a generator are proportional to the rated power. The rated power is a function of the losses caused by the inverter concepts. Therefore, the losses of the PMSG with DR-HSS caused by the converter concept are compared with HBG or ZLW in order to draw conclusions about the costs. The costs of the power semiconductors are measured with the virtual power design rating. Based on the virtual power design rating, the power semiconductors are optimally designed with respect to the minimum chip area and associated with the minimum costs. For each individual generator-converter concept, the appropriate control method is also examined. For the loss calculation, the harmonics of the generator phase currents generated by the three rectifier concepts and the THD value of the generator phase currents are compared with each other. At the same input power, the converter concepts should have the highest possible efficiency, which is calculated using the losses caused by the power semiconductors and passive components. The generated power, the efficiency, the losses and the THD value of the generator phase currents are therefore analyzed for the individual generator-converter concepts for selected operating points as a function of specific wind speeds and compared with each other.

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Köster geb. Buchert, Kristina: Analyse und Vergleich von Generator-Umrichter-Konzepten für den Einsatz in Kleinwindenergieanlagen.

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