DE10130339A1

DE10130339A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer Kraftanlage

Info

Publication number: DE10130339A1
Application number: DE10130339A
Authority: DE
Inventors: Michael Henschel; Rajib Datta; Steffen Bernet; Andreas Nagel
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-02

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer Kraftanlage, mit Turbine mit angekoppeltem Synchrongenerator (1), der wechselspannungsseitig elektrisch mit mindestens einem als Diodengleichrichter oder gesteuerten Gleichrichter in Grundfrequenztaktung ausgeführten und mit einem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbundenen Gleichrichter (51) zur Umformung der durch den Generator (1) umgewandelten elektrischen Wirkleistung und mindestens einem gesteuerten Stromrichter (50), der entweder spannungs- oder stromeinprägend beschaltet ist, zur Einstellung und Regelung des Generatorstromes bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische, wodurch eine Blindstromreduktion erreicht, eine Überdimensionierung von Generator (1) und Gleichrichter (51) vermieden und resultierend der Nutzungsgrad sowie die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage verbessert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer im Bereich erneuerbarer Energiequellen, wie beispielsweise der Wind- oder Gezeitenenergie, eingesetzten Kraftanlage mit Wind- oder Wasserturbine und jeweils angekoppeltem Synchrongenerator mit Gleichspannungszwischenkreis zur Umwandlung durch Naturgewalten bzw. -kräfte an der Kraftanlage geleisteter mechanischer Arbeit in elektrische Energie bzw. elektrische Leistung und deren Einspeisung in ein entsprechendes Stromversorgungs- und/oder Inselnetz.
Windkraftanlagen, mit Turm, darauf befindlicher Gondel mit Windturbine mit Rotor und Generator, werden zumeist mit robusten Asynchrongeneratoren ausgestattet und mittels zwischengeschaltetem mechanischem Getriebe und Transformator direkt an ein Stromversorgungsnetz gekoppelt. Nachteilig wirken sich hierbei durch das Getriebe bedingte Verlustleistungen, in Folge des Getriebes zu erbringende Wartungsaufwendungen sowie eine konstant zu haltende Drehzahl der Windkraftanlage aus. Die konstante Drehzahl führt ihrerseits zu einer nicht optimalen Energieausbeute bzw. Leistungsumwandlung und zu Netzrückwirkungen, beispielsweise hervorgerufen durch auftretende Windböen oder das Eintreten eines der Rotorblätter in den Turmschatten der Windkraftanlage.
Um vorgenannte Einschränkungen der Asynchrongeneratoren zu umgehen bzw. zu vermeiden werden Windkraftanlagen in zunehmendem Maße mit getriebelosen, drehzahlvariablen Synchrongeneratoren ausgestattet.
Zur Vermeidung etwaiger Erregerverluste werden bei Synchrongeneratoren in den meisten Fällen Permanentmagnete zur Erregung des Polradfeldes des Generators eingesetzt, was gleichzeitig auch zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Generators beiträgt.
Bekannte drehzahlvariable Generatoren werden über einen Umrichter mit Gleich- und Wechselrichter an das jeweilige Stromversorgungsnetz angeschlossen. Für den Umrichter können sowohl gesteuerte Gleichrichter, wie beispielsweise IGBT's (integrated gate bipolar transistors), MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), IGCT's (integrated gate commutated thyristors) und GTO's (gate turn-off thyristors), als auch ungesteuerte Gleichrichter, beispielsweise in Form einer 6-, 12-, 18- oder 24-pulsigen Diodenbrücke, eingesetzt werden. Die Beschaltung, Dimensionierung und Betriebsart des jeweiligen Gleichrichters hat hierbei Einfluß auf die Auslegung bzw. leistungsbezogene Dimensionierung des entsprechenden Synchrongenerators.
Durch den Einsatz eines gesteuerten, aktiven Gleichrichters, beispielsweise mit feldorientierter Regelung oder Vektorregelung, direkter Selbstregelung oder direkter Momentenregelung, ist bei entsprechender Stromrichterregelung der Ständerstrom des Generators in Amplitude und Phase frei einstellbar. Hierdurch kann der Generator bei einem sinusförmigen Quer- oder Blindstrom, d. h. einem Strom in der q-Achse des 2-phasigen, auf die Rotorseite bezogenen d-q-Koordinatensystems betrieben werden, wobei sich das für die jeweilige Stromamplitude maximal mögliche Drehmoment einstellt. Dieser Betriebsmodus wird auch als "untererregt" bezeichnet.
Der Generator läßt sich hierdurch leistungsbezogen sehr genau dimensionieren bzw. auslegen, wodurch eine optimiert kleine Baugröße und eine hohe Leistungsdichte bei vergleichsweise geringen Installationskosten erreicht werden kann.
Vorgenannte "untererregte" Betriebsweise führt jedoch am Gleichrichtereingang zu einem Leistungsfaktor ungleich dem Wert 1, sodaß der Gleichrichter strom- bzw. leistungsbezogen überdimensioniert, das heißt für einen größeren Phasenstrom ausgelegt werden muß.
In der Praxis wird häufig eine Kompromißlösung zwischen maximalem Drehmoment und bestmöglichem Leistungsfaktor cosφ_s, das heißt einem Leistungsfaktor cosφ_s nahe dem Wert 1 angestrebt und in Konsequenz sowohl die Synchronmaschine bzw. -generator als auch der Gleichrichter leistungsbezogen überdimensioniert. Ein Betriebs- oder Arbeitspunkt der dem angestrebten Kompromiß gerecht wird, stellt sich beispielsweise bei einem dem halben Polradwinkel θ/2 entsprechenden Phasenwinkel cφ_s ein, was gleichbedeutend damit ist, daß Stator- oder Klemmenspannung U_S und Polrad- oder Läuferspannung U_p einander gleich sind.
Um den Strom gemäß vorgenannten Kriterien so zu regeln bzw. einzustellen, daß er mit nur geringen Oberschwingungsanteilen behaftet ist, muß der gesteuerte Gleichrichter mit einer Schaltfrequenz im Bereich von einigen hundert Hertz bis hin zu einigen Kilohertz betrieben werden. Die hierfür zu berücksichtigenden, technischen Erfordernisse, wie beispielsweise Schaltungsaufbau, Dimensionierung und Betriebsart des gesteuerten Gleichrichters beeinflussen jedoch in negativer Weise die Fehleranfälligkeit bzw. -häufigkeit des aktiven, gesteuerten Gleichrichters und führen demzufolge auch zu einer Erhöhung der Instandhaltungskosten der gesamten Anlage.
Insbesondere die mangelnde Zuverlässigkeit aktiver Gleichrichter, basierend auf aktiv ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleitern, wie beispielsweise IGBT's, IGCT's und GTO's, gereicht ihnen hier zum Nachteil und ist im Hinblick auf den erreichbaren Nutzungsgrad und die mit ihm eng verknüpfte Wirtschaftlichkeit von Wind- und/oder Gezeitenkraftanlagen von grundlegender Bedeutung.
Ein Gesichtspunkt, der hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im Offshore-Bereich noch an Bedeutung zunimmt, da sich dort, bedingt durch widrige äußere Umstände, insbesondere Witterungseinflüsse, vorzunehmende Wartungs- und Reparaturarbeiten oftmals sehr aufwendig gestalten und nicht zu beliebigen Zeiten durchführbar sind.
Aufgrund der erschwerten Bedingungen und der erhöhten Materialbeanspruchung auf See sind hier vergleichsweise große finanzielle Aufwendungen notwendig.
Wird der gesteuerte Gleichrichter nun jedoch in Grundfrequenztaktung (GFT) betrieben, so kann vorteilhaft der Phasenwinkel zwischen Strom- und Spannungsgrundschwingung frei eingestellt, auftretende Schaltverluste reduziert und auslegungsbedingt Instandhaltungskosten eingespart werden. Gleichzeitig treten jedoch unerwünscht große Stromoberschwingungen auf, die eine ungünstige, leistungsbezogen überdimensionierte Auslegung des Generators sowie demgemäß zusätzliche Kosten bedingen und sich in Folge von Zusatzverlusten durch Stromharmonische und Verzerrungsblindleistungen ungünstig auf seinen Betrieb auswirken, wodurch der Nutzungsgrad und die Zuverlässigkeit der gesamten Kraftanlage nachhaltig vermindert wird.
Im Gegensatz dazu sind bei Verwendung eines ungesteuerten Gleichrichters, wie beispielsweise einer Diodenbrücke, Amplitude und Phase des Ständerstroms nicht frei wähl- bzw. vorgebbar. Vielmehr stellt sich bei einem ungesteuerten Gleichrichter ein systemabhängiger, bezüglich des eingesetzten Synchrongenerators jedoch nicht in jedem Fall optimaler Leistungsfaktor im Bereich von 0,9 bis 1 ein.
Bei einer Diodenbrücke, die auf eine kapazitive Gleichspannungsseite gleichrichtet, d. h. auf das generatorseitige Dreiphasensystem Spannungen einprägt, ergibt sich demgemäß ein Leistungsfaktor coscps der Grundschwingung von annähernd 1. Dieser Betriebsmodus ist durch die Diodenbrücke leicht kapazitiv "übererregt".
Ist die Gleichspannungsseite jedoch induktiv, das heißt befindet sich auf der Gleichspannungsseite eine Drossel oder Spule, so daß die Diodenbrücke in die Phasen des Generators einen vom Betrag konstanten Strom I_d einprägt, dann stellt sich ein approximativer Leistungsfaktor cosφ_s gemäß

cosφ_s ≍ 1 - d_X ein.
Der Wert d_X resultiert aus Kommutierungsverlusten, die sich darin begründen, daß der Generatorstrom in jeder Phase alle 180 elektrische Grad von der oberen Diodenhalbbrücke auf die Untere kommutieren muß und während dieses Zeitraums ein kommutierungsbedingter Spannungsabfall D_x auftritt, der den Leistungsfaktor um den Wert d_x verringert.
Für eine 6-Puls Diodenbrücke ergibt sich d_x gemäß

X_K an der Kommutierung benötigte Reaktanz.
Hierbei bezeichnet L_K die an der Kommutierung beteiligte Induktivität und U_di den Mittelwert der auf der Gleichspannungsseite auftretenden Spannung, der auch als ideeller Gleichspannungswert bezeichnet wird. Der ideelle Gleichspannungswert U_di bestimmt sich aus der Generator- bzw. Klemmenspannung U_S gemäß
Der Generatorstrom I_s besitzt aufgrund der bestehenden Leistungsäquivalenz zwischen Gleichspannungsseite und dreiphasiger Wechselspannungsseite bei ideell glattem Gleichstrom I_d den Wert
Für den Leistungsfaktor cosφ_s der Grundschwingung ergibt sich demgemäß näherungsweise ein Wert von
Die an der Kommutierung beteiligte Reaktanz X_K, hat wegen der kurzen Kommutierungsperiode die Größe der sogenannten sub-transienten Reaktanz X".
Abhängig vom jeweiligen Synchrongenerator liegt die Größe der Reaktanz X" zwischen der Streureaktanz X_σ _,s, beispielsweise im Falle einer Erregerwicklung, Dämpferwicklung oder bei ungeblechtem Eisenläufer, und der Synchronreaktanz X_d, beispielsweise bei permanentmagneterregtem Synchrongenerator mit geblechtem Läufer.
Mit der Reaktanz X_K ergibt sich ein Leistungsfaktor cosφ_s der Grundschwingung von ca. 0,9 kapazitiv bzw. übererregt, was einem Phasenwinkel cps von ungefähr 25° entspricht. Der Ständerstrom eilt der Spannung also um ca. 25° voraus. Ursächlich ist dies auf die, zur Bereitstellung der Kommutierungsblindleistung der eingesetzten Dioden erforderliche, übererregte Betriebsweise des Generators zurückzuführen.
Diese kapazitive Betriebsweise hat zur Folge, daß bei größeren Polradwinkeln θ die Klemmenspannung U_S stärker sinkt als der Ständerstrom I_S sich erhöht, so daß die maximale Leistung des Generators nicht erst bei einem Polradwinkel θ von 90°, sondern bereits deutlich früher erreicht wird.
Erläuternd sei hier festgestellt, daß der Ständerstrom I_S beim übererregten Betrieb ein elektrisches Feld erzeugt, welches das Polradfeld des Generators schwächt und auf diese Weise einen Abfall der Klemmenspannung U_S bewirkt.
Das Leistungsvermögen bzw. die Leistungsdichte eines Generators mit gesteuertem Gleichrichter ist gegenüber einem Generator mit ungesteuertem Gleichrichter deutlich erhöht.
Um dementsprechend, auch bei Verwendung ungesteuerter Gleichrichter die gewünschte bzw. angestrebte Generatorleistung zu erzielen, ist entweder der Synchrongenerator leistungsbezogen entsprechend zu überdimensionieren oder die Erregung entsprechend zu erhöhen, respektive das Erregerfeld zu verstärken, was jedoch bei permanentmagneterregten Synchrongeneratoren nicht möglich ist.
Aufgrund der erforderlichen, leistungsbezogenen Überdimensionierung des Generators bedingt der Einsatz eines ungesteuerten Diodengleichrichters ein vergleichsweise großes Generatorvolumen und -gewicht und führt demgemäß zu einem erhöhten Kostenaufwand, sowohl die Generator- als auch die Installationskosten der gesamten Kraftanlage betreffend, da beispielsweise bei einer Windkraftanlage sowohl der den Generator tragende Turm als auch dessen zugehöriges Fundament mit entsprechender Tragkraft und Stabilität ausgeführt sein müssen.
Eine bekannte Möglichkeit die Überdimensionierung eines Generators zu umgehen bzw. zu vermeiden stellt die Verwendung von Kondensatoren dar, die entweder elektrisch parallel oder elektrisch in Serie bzw. Reihe zu den einzelnen Phasen des Generators geschaltet werden. In beiden Fällen wird die für die Diodenbrücke benötigte kapazitive Blindleistung vermittels der Kondensatoren bereitgestellt. Nachteile ergeben sich hierbei in Form prinzipbedingter Resonanzen, die zwischen den Kondensatoren und den Induktivitäten der Leitungen bzw. des Generators auftreten. Des weiteren sind bei vorgenannten Anordnungen in Stör- bzw. Fehlerfällen, d. h. bei plötzlichem Lastabwurf, Überspannungen aufgrund der in den Kondensatoren kapazitiv gespeicherten Energie zu erwarten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und des Nutzungsgrades einer Kraftanlage, insbesondere einer Windkraftanlage, mit Synchrongenerator und Gleichspannungszwischenkreis anzugeben.
Vorgenannte Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer im Bereich erneuerbarer Energiequellen, insbesondere der Windenergie, angesiedelten Kraftanlage, mit Turbine mit angekoppeltem Synchrongenerator und Gleichspannungszwischenkreis durch Verwendung eines oder mehrerer gesteuerter Stromrichter und mindestens eines Diodengleichrichters und/oder mindestens eines gesteuerten Gleichrichters in Grundfrequenztaktung gelöst. Hierbei wird die durch den Generator umgewandelte elektrische Wirkleistung mittels des jeweiligen Gleichrichters umgeformt und der Generatorstrom bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische durch den, in geeigneter Weise beschalteten Stromrichter eingestellt bzw. geregelt.
Als Gleichrichter sind hierbei, aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und vergleichsweise geringen Kosten geschätzte Diodenbrücke oder bei Betrieb in Grundfrequenztaktung ein beliebig steuerbarer Gleichrichter einsetzbar. Die sich aus diesen beiden Möglichkeiten ergebenden, alternativen Ausführungsformen werden im folgenden detailliert dargelegt. Für die Regelung der Generatorströme bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische wird jeweils ein in geeigneter Weise beschalteter, gesteuerter Stromrichter (GSR) eingesetzt.
Die vom gesteuerten Stromrichter benötigte Blind- sowie Wirkleistung wird hierbei direkt aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommen. Der gesteuerte Stromrichter ist hierbei zur Diodenbrücke elektrisch parallel zu schalten, was eine Redundanz zur Folge hat, da bis zum Erreichen der ausgelegten Nennleistung des gesteuerten Stromrichters auch ein Leistungstransport auf den Gleichspannungszwischenkreis stattfinden kann. Zum Zwecke einer zusätzlichen passiven Blindleistungsbereitstellung können 3-phasige LC-Filter parallel zwischen Diodenbrücke und Synchrongenerator geschaltet werden.
Um einen Betriebspunkt der Kraftanlage zu erreichen, an dem die Polradspannung U_p näherungsweise der Klemmenspannung U_S entspricht, wird mit Hilfe des Stromrichters entweder ein größtenteils kapazitiver Strom I_B oder eine Spannung U_B eingeprägt, so daß der Diodengleichrichter weiterhin erfolgreich kommutieren kann.
Die maßgebliche Aufgabe des eingesetzten gesteuerten Stromrichters besteht in der Korrektur des Leistungsfaktors cosφ_s, darüber hinaus ist mit seiner Hilfe und einer entsprechenden Regelung jedoch auch eine Kompensation der von der Diodenbrücke in den Generatorströmen I_s verursachten Oberschwingungen durchführbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zu seiner Durchführung erforderliche Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe können hierbei auf unterschiedliche Art und Weise durchgeführt bzw. verwirklicht werden:

1. Bei Einspeisung auf eine induktive Gleichstromseite ist der gesteuerte Stromrichter stromeinprägend anzuschließen bzw. zu beschalten. Zu diesem Zweck werden zusätzliche Drosseln oder Spulen, die nachfolgend auch als Reaktanzen X_B bezeichnet sind, eingesetzt. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß ein Leistungstransfer über die Diodenbrücke nur dann erfolgen kann, wenn die Gleichspannung U_DC des Gleichspannungszwischenkreises kleiner als die verkettete Spannung des Generators ist. Der gesteuerte Stromrichter hingegen, beispielsweise ein IGBT- Stromrichter, benötigt für einen geregelten Betrieb jedoch eine Gleichspannung U_DC die größer als die verkettete Generatorspannung ist. Diese beiden Anforderungen an die Gleichspannung U_DC scheinen nicht miteinander vereinbar. Deshalb muß bei einem direkten Anschluß des Stromrichters an den Gleichspannungszwischenkreis die Ausgangsspannung des eingesetzten gesteuerten Stromrichters mit Hilfe eines Transformators angehoben werden. Die Drosseln mit der Induktivität L_B bzw. die zugehörigen Reaktanzen X_B sind hierbei in den Transformator integrierbar.
Zur Dämpfung der Schaltharmonischen des gesteuerten Stromrichters kann optional eine Implementierung von Filterkondensatoren vorgenommen werden.
2. Wird jedoch auf einen kapazitiven Gleichspannungszwischenkreis eingespeist, so ist der gesteuerte Stromrichter spannungseinprägend anzuschließen bzw. zu beschalten. Die Blind- und Wirkleistungsbereitstellung erfolgt auch hier direkt durch den Gleichspannungszwischenkreis. Um den gesteuerten Stromrichter spannungseinprägend, vermittels entsprechender Koppeltransformatoren, elektrisch parallel zur Diodenbrücke, gleichspannungsseitig direkt an den Gleichspannungszwischenkreis anzuschließen, sind keine zusätzlichen Transformatoren zur Spannungsanhebung erforderlich, da die Spannungsanhebung mittels der vorhandenen Koppeltransformatoren durchgeführt werden kann. Die Ver- bzw. Beschaltung der Koppeltransformatoren erfolgt hierbei bei einer dreiphasigen Wechselspannungsseite entweder in Stern- oder Dreieckschaltung.
3. Alternativ zu einem einzigen dreiphasigen gesteuerten Stromrichter, ist auch eine Anordnung mit je einem einphasigen gesteuerten Stromrichter pro Phase ausführbar. Auch hier wird die erforderliche Blind- und Wirkleistung durch den Gleichspannungszwischenkreis direkt bereitgestellt. Zur Dämpfung der Schaltharmonischen des gesteuerten Stromrichters ist auch hier ein entsprechender Filter vorzusehen.
4. Anteilig läßt sich die bereitzustellende kapazitive Blindleistung auch durch zusätzliche LC-Filter erbringen, die es erlauben den gesteuerten Stromrichter entsprechend kleiner zu dimensionieren. Die LC-Filter sind hierbei elektrisch parallel zwischen Diodenbrücke und Synchrongenerator geschaltet.

Anstelle eines einzigen mehrphasigen gesteuerten Stromrichters ist auch hier je ein einphasiger gesteuerter Stromrichter pro Phase einsetzbar, wobei bei einem dreiphasigen System auf einen der drei gesteuerten Stromrichter verzichtet werden kann, da sich der Strom in einer der drei Phasen stets aus den beiden anderen ergibt.
Wird für den Leistungstransfer ein gesteuerter Gleichrichter mit Grundfrequenztaktung (GFT) verwendet, so ist der Phasenwinkel der Grundwelle der Generatorströme frei einstellbar. Demzufolge ist hier keine Korrektur des Leistungsfaktors durch den gesteuerten Stromrichter erforderlich, sondern es sind lediglich die harmonischen Ströme durch den GSR herauszufiltern. Dadurch kann der gesteuerte Stromrichter sowohl geometrisch als auch leistungsbezogen kleiner dimensioniert werden.
Die von der Diodenbrücke im Generator verursachten Harmonischen können kompensiert werden, was zu einer Verlustreduzierung führt. Bei alleiniger Verwendung einer Diodenbrücke lückt bei kleiner Leistung, d. h. kleiner Drehzahl des Generators, insbesondere einer Windkraftanlage der Ständerstrom. Dies resultiert daher, daß bei kleinen Drehzahlen die drehzahlabhängige Rotationsspannung oder Polradspannung U_p sehr klein ist, die Spannung auf der Gleichspannungsseite demgegenüber in einem bestimmten Bereich aber konstant bleibt. Mittels des gesteuerten Stromrichters ist es nun möglich, das Lücken des Stromes zu vermeiden, was unter anderem eine Verringerung der Momentenpulsationen und damit eine geringere mechanische Beanspruchung von Generator, Turbine bzw. Rotor und Turm zur Folge hat, wodurch sowohl die Lebensdauer als auch die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage erhöht wird. Auch der Nutzungsgrad der Anlage läßt sich auf diese Weise, durch Vermeidung des Lückens sowie der aufgrund der geringeren mechanischen Beanspruchung entfallenden Wartungs- und Reparaturarbeiten und damit Kosten vergleichsweise deutlich erhöhen.
Die von dem in Grundfrequenz getakteten Gleichrichter verursachten harmonischen Stromoberschwingungen im Generator können ebenfalls mit Hilfe des erfindungsgemäß eingesetzten gesteuerten Stromrichters kompensiert werden, was zu einer Verlustreduzierung und einem ebenfalls verbesserten Nutzungsgrad führt.
Eine Parallelschaltung von Diodenbrücke oder in Grundfrequenz getaktetem Gleichrichter und gesteuertem Stromrichter stellt eine Redundanz dar, die es ermöglicht, trotz Ausfall einer der beiden eingesetzten Komponenten den Generator weiterhin in Betrieb zu halten. Solch ein Fall führt zwar zu einer Leistungseinbuße, da zum einen der Synchrongenerator nicht für den ausschließlichen Betrieb an einer Diodenbrücke oder einem in Grundfrequenz getakteten Gleichrichter, zum anderen der dazu parallel geschaltete gesteuerte Stromrichter nicht für die volle Scheinleistung des Synchrongenerators ausgelegt ist.
Im Falle einer induktiven Gleichstromseite bewirkt der gesteuerte Stromrichter hinsichtlich der Diodenbrücke auch eine Verringerung der generatorseitigen Kommutierungsinduktivitäten. Dies bedeutet, daß der Leistungsfaktor cosφ_DB der Diodenbrücke nur noch von ihren eigenen Kommutierungsinduktivitäten abhängt, und somit wesentlich höher, d. h. annähernd gleich 1 ist. Da der für eine erfolgreiche Kommutierung erforderliche Strom I_B demgemäß sehr viel geringer ausfällt, wird hierdurch sowohl eine leistungsbezogen kleinere Auslegung bzw. Dimensionierung der Diodenbrücke sowie des gesteuerten Stromrichters und damit auch eine Reduktion der Installationskosten sowie resultierend eine Erhöhung des Nutzungsgrades erreicht.
Die weitere Erläuterung und Darlegung der Erfindung erfolgt anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figurenbeschreibungen und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Es zeigen:
Fig. 1 Einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit entsprechenden Raumzeigergrößen.
Fig. 2 Zu Fig. 1 gehöriges Zeigerdiagramm eines Synchrongenerators mit gesteuertem Gleichrichter.
Fig. 3 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines übererregten Synchrongenerators mit Diodengleichrichter bei einem Leistungsfaktor von 0,9 und kleinem Polradwinkel.
Fig. 4 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines übererregten Synchrongenerators mit Diodengleichrichter bei einem Leistungsfaktor von 0,9 und großem Polradwinkel.
Fig. 5 Einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und induktivem Gleichspannungszwischenkreis.
Fig. 6 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und induktivem Gleichspannungszwischenkreis.
Fig. 7 Einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis.
Fig. 8 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis.
Fig. 9 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und induktivem Gleichspannungszwischenkreis.
Fig. 10 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter.
Fig. 11 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit in Dreieckschaltung verschalteten Koppeltransformatoren.
Fig. 12 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit in Sternschaltung verschalteten Koppeltransformatoren.
Fig. 13 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit je einem spannungseinprägenden, einphasigen, gesteuerten Stromrichter mit Koppeltransformator pro Phase.
Fig. 14 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit je einem spannungseinprägenden, einphasigen, gesteuerten Stromrichter ohne Koppeltransformator pro Phase.
Fig. 15 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit je einem stromeinprägenden, gesteuerten Stromrichter pro Phase.
Fig. 16 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit parallelem LC-Filter, parallel zu Diodengleichrichter an Gleichspannungszwischenkreis.
Fig. 17 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit in Sternschaltung verschalteten Koppeltransformatoren und parallelem LC-Filter, parallel zu Diodengleichrichter an Gleichspannungszwischenkreis.
Es sei angemerkt, daß Raumzeiger oder vektorielle Größen nachstehend durch Unterstreichung gekennzeichnet sind.
In Fig. 1 ist das vereinfachte einphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit der Synchronreaktanz X_d, dem zu vernachlässigenden ohmschen Widerstand R_s, der Polradspannung U_p, dem Generatorstrom I _s und der Klemmen- bzw. Generatorspannung U_s gezeigt.
In Fig. 2 ist das Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines untererregten Synchrongenerators 1 mit gesteuertem Gleichrichter 51 gezeigt. Das Betriebs- und damit auch Spannungsverhalten des Generators 1 läßt sich wie folgt beschreiben:

- Wird das antreibende Moment M der Welle des Generators erhöht, so nimmt dieser mechanische Leistung P_mech auf,
- das Polrad des Generators wird beschleunigt und ein Polradwinkel θ stellt sich ein,
- zwischen der, im Zeigerdiagramm vektoriell dargestellten, Polradspannung U _p und der Klemmen- oder Generatorspannung U _s tritt demgemäß eine Phasenverschiebung von θ auf,
- resultierend ergibt sich hieraus eine Differenzspannung ΔU, die den um 90° nacheilenden Generatorstrom I_s antreibt. Mit der Synchronreaktanz X_d ergibt sich für die Differenzspannung ΔU
ΔU = j.X_d.I _s
und für den Generatorstrom I _s
- über den generatorischen Wirkstrom I _s wird elektrische Leistung vom Generator an ein entsprechendes Versorgungs- und/oder Inselnetz abgegeben und ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten mechanischen Leistung P_mech und der vom Generator ins Netz transferierten elektrischen Leistung P_el, mit P_el = 3U_s.I_s.cosφ_s eingestellt.

In Fig. 2 ist nun das Spannungsverhalten eines untererregten Synchrongenerators 1 mit gesteuertem Gleichrichter in einem Betriebspunkt gezeigt, in welchem die Polradspannung U _p vom Betrag in etwa dem Betrag der Klemmenspannung U _S entspricht bzw. der Phasenwinkel cps zwischen dem Raumzeiger der Klemmenspannung U _S und dem Generatorstrom I _S ungefähr dem halben Polradwinkel θ/2 entspricht.
In Fig. 3 ist das Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators 1 mit ungesteuertem Diodengleichrichter bei kleinem Polradwinkel θ gezeigt, wobei der Generator 1 zur Bereitstellung der Kommutierungsblindleistung der Dioden übererregt betrieben wird. Aufgrund der übererregten Betriebsweise des Generators 1 ergibt sich ein Leistungsfaktor cosφ_s von ca. 0,9, was einem Phasenwinkel φ_s von ungefähr 25° entspricht. Im Zeigerdiagramm vektoriell aufgetragen ist die Klemmenspannung U _s, die Polradspannung U _p, die sich durch den Polradwinkel θ ergebende Differenzspannung jX_d I _s mit der Synchronreaktanz X_d und dem Generatorstrom I _s.
Das entsprechende Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators 1 mit ungesteuertem Diodengleichrichter 51 bei großem Polradwinkel θ ist in Fig. 4 gezeigt.
Aus dem Vergleich der Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß bei großem Polradwinkel θ die Klemmenspannung U_s stärker abnimmt, als sich der Ständer- bzw. Generatorstrom I_s erhöht, so daß die maximale Leistung des Generators nicht erst bei einem Polradwinkel θ von 90°, sondern bereits früher erreicht wird. Der Ständerstrom I_s erzeugt hierbei ein das Polradfeld schwächendes Feld, welches für den starken Abfall der Klemmenspannung U_s verantwortlich ist.
In Fig. 5 ist das einphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51 und induktivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der gesteuerte Stromrichter 50 ist elektrisch parallel zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51, sowie elektrisch parallel zur Diodenbrücke des Gleichrichters 51 geschaltet. Hierbei sind zusätzliche Drosseln oder Spulen mit den Induktivitäten L_B, die im Ersatzschaltbild als Reaktanzen X_B verdeutlicht sind, zu implementieren.
Das zu Fig. 5 gehörige Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten des vorgenannten Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50 ist in Fig. 6 gezeigt. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U _s vom Betrag näherungsweise dem Betrag der Polradspannung U _p entspricht, wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter 51 dem Diodenstrom I _DB der Strom I _B des Stromrichters 50 aufgeprägt und somit der resultierende Generatorstrom I _s gebildet.
In Fig. 7 ist das einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51, Koppeltransformator 60 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der Stromrichter 50 ist über den Koppeltransformator 60 primär- bzw. wechselspannungsseitig zwischen Diodengleichrichter 51 und Generator 1 elektrisch in Reihe und parallel zur Diodenbrücke des Gleichrichters 51 geschaltet.
Das zu Fig. 7 gehörige Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten des vorgenannten Synchrongenerators 1 mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50 ist in Fig. 8 gezeigt. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U _s vom Betrag näherungsweise der Polradspannung U _p entspricht wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung, d. h. ohne Kommutierungsunterbrechungen bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter der Diodenspannung U _DB über den Koppeltransformator 60 der Spannungswert U _B des gesteuerten Stromrichters 50 aufgeprägt und resultierend die Ständerspannung U _S gebildet. Aus der Ständerspannung U _S und der Polradspannung U _p ergibt sich unter Kenntnis der Synchronreaktanz X_d der Ständer- bzw. Generatorstrom I _s.
Im Falle einer induktiven Gleichspannungsseite bewirkt der gesteuerte Stromrichter 50 bezüglich der Diodenbrücke auch eine Verringerung der generatorseitigen Kommutierungsinduktivitäten. Das heißt, daß der Leistungsfaktor der Diodenbrücke cosφ_DB nur noch von ihren eigenen Kommutierungsinduktivitäten abhängt, und somit wesentlich höher, d. h. cosφ_DB≍1, ausfällt. Dadurch können sowohl die Diodenbrücke als auch der gesteuerte Stromrichter 50 Leistungsbezogen kleiner dimensioniert werden, da der erforderliche Strom I _B zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung deutlich verringert wird. Dies ist in Fig. 9 mittels einer Raumzeigerdarstellung gezeigt. Ausgehend vom durch die Diodenbrücke fließenden Strom I _DB ist unter der Annahme, daß lediglich die Kommutierungsinduktivität der Diodenbrücke wirksam ist im Vergleich mit Fig. 6 hier ein deutlich geringerer Strom I _B des gesteuerten Stromrichters 50 zur Erreichung eines bezüglich Phase und Amplitude identischen Stromes I _s zu erbringen.
In Fig. 10 ist das dreiphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem, gesteuertem Blindleistungsstromrichter 50, Gleichrichter 51, beispielsweise in Form einer Diodenbrücke und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der dreiphasige gesteuerte Stromrichter 50 ist über die drei Phasen elektrisch parallel zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet. Hierbei sind zusätzliche Drosseln oder Spulen mit den Induktivitäten L_B, die im Ersatzschaltbild als Reaktanzen X_B verdeutlicht sind, zu implementieren. Wird, wie in Fig. 10 gezeigt, die benötigte Blind- und Wirkleistung direkt dem kapazitiven Gleichspannungszwischenkreis entzogen, so muß die Ausgangsspannung U_B des gesteuerten Stromrichters 50 mittels eines Transformators 101 angehoben werden. Dies resultiert daraus, daß zum Betrieb des gesteuerten Stromrichters 50 eine Gleichspannung U_DC erforderlich ist, die größer als die verkettete Generatorspannung zu sein hat, gleichzeitig jedoch ein Leistungstransfer über die Diodenbrücke nur dann erfolgen kann, wenn die verkettete Generatorspannung größer als der Spannungswert U_DC des Gleichspannungszwischenkreises ist. Zwei Forderungen, die sich nur durch Anheben der Ausgangsspannung U_B des gesteuerten Stromrichters 50, beispielsweise mittels eines entsprechenden Transformators 101, miteinander vereinbaren lassen.
In den Ersatzschaltbildern zusätzlich erfaßt sind die 3-phasigen Größen, wie beispielsweise die Polradspannungen U_p1, U_p2 Und U_p3, die Synchronreaktanz X_d sowie die Drosselreaktanz X_B und die aus der Beaufschlagung der Ströme I_B1, I_B2 und I_B3 des gesteuerten Stromrichters 51 auf die Diodenströme I_DB1, I_DB2 und I_DB3 resultierenden Generator- bzw. Stator- oder Ständerströme I_s1, I_s2 und I_s3 der jeweiligen Phase.
Bei einem Synchrongenerator 1 mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51, Koppeltransformatoren 60 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis ergeben sich unterschiedliche Beschaltungsmöglichkeiten.
So können die Koppeltransformatoren 60 entweder mittels einer Dreieckschaltung, siehe Fig. 11, oder aber, wie in Fig. 12 gezeigt, mittels einer Sternschaltung untereinander verknüpft werden. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U_s näherungsweise der Polradspannung U_p entspricht, wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung, d. h. ohne Kommutierungsunterbrechungen, bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter 51, den jeweiligen Diodenspannungen U_DB1, U_DB2 und U_DB3 über die Koppeltransformatoren 60 die Spannungen U_B1, U_B2 und U_B3 des gesteuerten Stromrichters 50 aufgeprägt und damit resultierend die Ständerspannung U_S gebildet. Aus der Ständerspannung U_s und der Polradspannung U_p ergibt sich dann unter Kenntnis der Synchronreaktanz X_d der Ständer- bzw. Generatorstrom I_S.
Alternativ zur Verwendung eines dreiphasigen, gesteuerten Stromrichters 50 bietet sich auch der Einsatz einer entsprechenden Anzahl von einphasigen, gesteuerten Stromrichtern 50 an. Einige sich hieraus ergebenden schaltungsspezifischen Ausführungsformen sind in den Fig. 13 bis 15 gezeigt.
In Fig. 13 ist ein dreiphasiger Synchrongenerator mit den jeweiligen pro Phase auftretenden Polradspannungen U_p1, U_p2 und U_p3 mit je einem spannungseinprägenden gesteuerten Stromrichter 50 mit Koppeltransformator 60 pro Phase gezeigt. Die erforderliche Blind- und Wirkleistung zur Generierung der individuellen Ströme I_B1, I_B2 und I_B3 der jeweiligen spannungseinprägenden, einphasigen gesteuerten Stromrichter 50 wird durch direkte Anbindung derselben an den Gleichspannungszwischenkreis vermittels entsprechender Koppeltransformatoren 60 bereitgestellt.
Auch eine direkte Spannungseinprägung, ohne zwischengeschaltete Koppeltransformatoren 60, ist, wie in Fig. 14 gezeigt, bei Verwendung einphasiger gesteuerter Stromrichter 50 möglich. Die einzelnen gesteuerten Stromrichter 50 sind hierbei in der jeweiligen Phase zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51 elektrisch in Reihe geschaltet und beziehen die zur Erzeugung der einzuprägenden Spannungen U_B1, U_B2 und U_B3 erforderliche Blind- und Wirkleistung jeweils aus dem Gleichspannungszwischenkreis.
Bei Einsatz je eines stromeinprägenden, gesteuerten Stromrichters 50 pro Phase, wie in Fig. 15 gezeigt, ist bei einem dreiphasigen Synchrongenerator 1 mit Diodengleichrichter 51 jeweils ein gesteuerter Stromrichter 50 elektrisch eingangsseitig mit der ersten und ausgangsseitig mit der dritten, einer eingangsseitig mit der zweiten und ausgangsseitig mit der ersten und einer eingangsseitig mit der dritten und ausgangsseitig mit der zweiten Phase verbunden. Die Blind- und Wirkleistungsbereitstellung erfolgt aus dem Gleichspannungszwischenkreis.
Alternativ läßt ich statt eines Gleichrichters 51 in Form einer Diodenbrücke stets auch ein gesteuerter Gleichrichter, beispielsweise mit IGBT's oder Thyristoren, mit Grundfrequenztaktung einsetzen.
Zusätzlich lassen sich, wie exemplarisch in den Fig. 16 und 17 gezeigt, in allen durch die Fig. 10 bis 15 sowie den zugehörigen Beschreibungen dargelegten Ausführungsformen zur anteiligen Blindleistungsbereitstellung zusätzliche 3-phasige LC-Filter elektrisch parallel zu Generator 1 und Diodengleichrichter 51 schalten.
In Fig. 16 ist, entsprechend Fig. 10, das dreiphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem gesteuertem Stromrichter 50, Diodenbrücke 51 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der dreiphasige gesteuerte Stromrichter 50 ist über die drei Phasen elektrisch parallel zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet. Hierbei sind zusätzliche Drosseln oder Spulen mit den Induktivitäten L_B, die im Ersatzschaltbild als Reaktanzen X_B verdeutlicht sind, zu implementieren. Wird, wie in Fig. 10 gezeigt, die benötigte Blind- und Wirkleistung direkt dem kapazitiven Gleichspannungszwischenkreis entzogen, so muß die Ausgangsspannung U_B des gesteuerten Stromrichters 50 mittels eines Transformators 101 angehoben werden. Zusätzlich ist hier zur anteiligen Blindleistungsbereitstellung ein 3-phasiges LC- Filter 160 elektrisch parallel zum Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet.
In Fig. 17 ist, entsprechend Fig. 11, ein Synchrongenerator 1 mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51, Koppeltransformatoren 60 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt, wobei die Koppeltransformatoren 60 in Dreieckschaltung untereinander verknüpft sind. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U_s näherungsweise der Polradspannung U_p entspricht, wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung, d. h. ohne Kommutierungsunterbrechungen, bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter 51, den jeweiligen Diodenspannungen U_DB1, U_DB2 und U_DB3 über die Koppeltransformatoren 60 die Spannungen U_B1, U_B2 und U_B3 des gesteuerten Stromrichters 50 aufgeprägt und damit resultierend die Ständerspannung U_s gebildet. Aus der Ständerspannung U_s und der Polradspannung U_p ergibt sich dann unter Kenntnis der Synchronreaktanz X_d der Ständer- bzw. Generatorstrom I_s. Auch hier ist zur anteiligen Blindleistungsbereitstellung ein zusätzliches 3-phasiges LC-Filter 160 elektrisch parallel zum Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet.
Alle Ausführungsformen, die bei ausschließlicher Verwendung eines strom- oder ersatzweise spannungseinprägenden gesteuerten Stromrichters 50 möglich sind und im Rahmen der Beschreibung der Fig. 10 bis 17 bereits dargelegt wurden sind hier auch in Kombination sowohl spannungs- als auch stromeinprägender gesteuerter Stromrichter 50 realisier- bzw. durchführbar. Bezugszeichenliste U, I Effektivwerte von Spannung und Strom
û, î Amplituden von Spannung und Strom
U, I Raumzeiger der Grundwelle für Spannung und Strom
θ Polradwinkel, Grundwelle
φ_s Phasenwinkel, Grundwelle
φ_DB Phasenwinkel Diodenbrücke, Grundwelle
I_B Eingeprägter Strom des gesteuerten Gleichrichters
I_DB Diodenbrücken-Strom
GFT Grundfrequenztaktung
I_S Ständerstrom
L_K Kommutierungsinduktivität
U_B Eingeprägte Spannung des gesteuerten Gleichrichters
U_DB Diodenbrückenspannung
U_DC Gleichspannung
U_di ideelle Gleichspannung
U_p Polradspannung
U_s Ständerspannung (phase)
X_B Drosselreaktanz
X_d Längsreaktanz
X_q Querreaktanz
X" sub-transiente Reaktanz
X_s Ständerreaktanz
1 Generator
50 Gesteuerter Stromrichter
51 Gleichrichter, Diodengleichrichter oder gest. Gleichrichter in Grundfrequenztaktung
60 Koppeltransformator
101 Transformator zur Spannungsanhebung
160 LC-Filter

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer Kraftanlage, insbesondere einer Windkraftanlage, mit Turbine mit angekoppeltem Synchrongenerator (1) der wechselspannungsseitig elektrisch mit mindestens einem Gleichrichter (51) mit Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichter (51) mindestens ein Diodengleichrichter oder mindestens ein gesteuerter Gleichrichter in Grundfrequenztaktung zur Umformung der durch den Generator (1) umgewandelten elektrischen Wirkleistung verwendet wird und der Generatorstrom bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische durch mindestens einen gesteuerten Stromrichter (50) eingestellt bzw. geregelt wird, wodurch große Blindströme sowie eine Überdimensionierung von Generator (1) und Gleichrichter (51) vermieden und der Nutzungsgrad sowie die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage verbessert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung eines Betriebspunktes des Synchrongenerators (1), bei welchem die Klemmenspannung U_s näherungsweise der Polradspannung U_p entspricht bei Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter (51) zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung dem Diodenstrom I_DB vermittels mindestens eines gesteuerten, stromeinprägenden Stromrichters (50) der Strom I_B aufgeprägt und somit der resultierende Generatorstrom I_s gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung eines Betriebspunktes des Synchrongenerators (1), bei welchem die Klemmenspannung U_s näherungsweise der Polradspannung U_p entspricht bei Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter (51) zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung der Diodenspannung U_DB vermittels mindestens eines gesteuerten, spannungseinprägenden Stromrichters (50) die Spannung U_B aufgeprägt, die Klemmen- oder Generatorspannung U_S und resultierend der Generatorstrom I_S gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gesteuertem, stromeinprägendem Stromrichter (50) im Falle einer induktiven Gleichspannungsseite durch den gesteuerten Stromrichter (50) bezüglich der Diodenbrücke (51) eine Verringerung der generatorseitigen Kommutierungsinduktivitäten erreicht und der erforderliche Strom I_B zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung verringert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blind- und Wirkleistungsbereitstellung für mindestens einen gesteuerten Stromrichter (50) gleichspannungsseitig durch den Gleichspannungszwischenkreis direkt erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs- oder Stromeinprägung vermittels eines einzigen gesteuerten, mehrphasigen Stromrichters (50) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mittels jeweils eines gesteuerten, mehrphasigen Stromrichters (50) sowohl eine Spannungs- als auch eine Stromeinprägung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungs- und/oder Stromeinprägung für jede Phase jeweils separate einphasige, gesteuerte Stromrichter (50) verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungs- und/oder Stromeinprägung jeweils ein gesteuerter, mehrphasiger Stromrichter (50) verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig für jede vorhandene Phase sowohl ein gesteuerter, einphasiger Stromrichter (50) zur Spannungs- als auch ein gesteuerter, einphasiger Stromrichter (50) zur Stromeinprägung eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungseinprägung unter Zuhilfenahme einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl an Koppeltransformatoren (60) durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindleistungsbereitstellung anteilig vermittels eines wechselspannungsseitig elektrisch zum Gleichrichter (51) parallel geschalteten mehrphasigen LC-Filters vorgenommen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichspannungsseitiger elektrischer Anbindung mindestens eines gesteuerten Stromrichters (50) an den Gleichspannungszwischenkreis mittels mindestens eines Transformators (101) eine Spannungsanhebung der wechselspannungsseitigen Ausgangsspannung des gesteuerten Stromrichters (50) durchgeführt wird.

14. Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer Kraftanlage, insbesondere einer Windkraftanlage, mit Turbine mit angekoppeltem Synchrongenerator (1) der wechselspannungsseitig elektrisch mit mindestens einem Gleichrichter (51) mit Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gleichrichter (51) ein Diodengleichrichter oder ein gesteuerter Gleichrichter in Grundfrequenztaktung zur Umformung der durch den Generator (1) umgewandelten elektrischen Wirkleistung ist, und mindestens ein gesteuerter Stromrichter (50) zur Einstellung bzw. Regelung des Generatorstromes bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische vorhanden ist, wodurch große Blindströme sowie eine Überdimensionierung von Generator (1) und Gleichrichter (51) vermieden und der Nutzungsgrad sowie die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage verbessert werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gesteuerter Stromrichter (50) stromeinprägend elektrisch parallel zwischen Generator (1) und Diodengleichrichter (51) geschaltet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gesteuerter Stromrichter (50) spannungseinprägend elektrisch zwischen Generator (1) und Diodengleichrichter (51) in Reihe geschaltet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gesteuerter Stromrichter (50) gleichspannungsseitig zur Blind- und Wirkleistungsbereitstellung mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbunden ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger gesteuerter, mehrphasiger Stromrichter (50) zur Spannungs- oder Stromeinprägung eingesetzt ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig sowohl je ein mehrphasiger gesteuerter Stromrichter (50) zur Spannungs- als auch mehrphasiger gesteuerter Stromrichter (50) zur Stromeinprägung eingesetzt sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß für jede vorhandene Phase je ein gesteuerter einphasiger Stromrichter (50) zur Spannungs- oder Stromeinprägung eingesetzt sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig für jede vorhandene Phase sowohl ein gesteuerter, einphasiger Stromrichter (50) zur Spannungs- als auch ein gesteuerter, einphasiger Stromrichter (50) zur Stromeinprägung eingesetzt sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gesteuerten, ein- oder mehrphasigen spannungseinprägenden Stromrichter (50) zur Spannungseinprägung eine der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl an Koppeltransformatoren (60) vorhanden sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gesteuerten, dreiphasigen spannungseinprägenden Stromrichter (50) die vorhandenen Koppeltransformatoren (60) in Stern- oder Dreieckschaltung beschaltet sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mehrphasiges LC-Filter implementiert ist, welches wechselspannungsseitig elektrisch parallel zum Gleichrichter (51) geschaltet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichspannungsseitiger elektrischer Anbindung mindestens eines gesteuerten Stromrichters (50) an den Gleichspannungszwischenkreis mindestens ein Transformator (101) zur Spannungsanhebung vorhanden ist.