GeCoLab
Generator-Umrichter-Prüfstand an der Leibniz Universität Hannover
Mit dem Generator-Umrichter-Prüfstand (GeCoLab) können sowohl konventionelle als auch innovative Umrichter- und Generatorkonzepte einschließlich der umrichternahen Regelung und Methoden zum Filterdesign im MW-Bereich erforscht werden. Der realisierte Universalprüfstand ermöglicht die Untersuchung stationärer und dynamischer Eigenschaften elektrischer Maschinen und Umrichter inklusive der Umrichter-Maschine-Wechselwirkungen. Dies beinhaltet Untersuchungen zur Dynamik und Systemstabilität, zur stationären und transienten thermischen Belastung, zu verschiedenen Methoden der Netzeinspeisung und Regelung sowie zum Verhalten bei Netzfehlern wie z.B. Spannungseinbrüchen, Phasenkurzschlüssen oder Erdschlüssen. Mit dem Prüfstand wird weiterhin die Erforschung von Wechselwirkungen zwischen Umrichter und Generator und deren Einfluss auf andere Anlagenkomponenten wie Lager und Getriebe ermöglicht.
Die experimentelle Untersuchung von elektrischen Maschinen und Umrichtern in der MW-Klasse ist aufwendig, und in der Industrie fehlen häufig für langfristige und tiefgreifende Arbeiten verfügbare Versuchskapazitäten. Der durch eine initiale Förderung des BMWi realisierte Universalprüfstand – primär aber nicht ausschließlich auf die Windenergie ausgerichtet – ermöglicht die Untersuchung stationärer und dynamischer Eigenschaften elektrischer Maschinen und Umrichter inklusive der Umrichter-Maschine-Wechselwirkungen.
Schwerpunkte der Forschung
Forschungsfragen
Innerhalb der Energieforschung ordnet sich das GeCoLab in einen größeren Verbund mit den in der Windenergieforschung bereits ausgewiesenen norddeutschen Universitäten Hannover, Oldenburg und Bremen (ForWind) und dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesyteme (IWES) ein. In dem Verbund werden auch die wechselseitige Nutzung und Weiterentwicklung von Versuchseinrichtungen und –ergebnissen abgestimmt. Während der am IWES in Bremerhaven betriebene Gondel-Prüfstand hauptsächlich auf die Erprobung und Verifikation begleitend zur Produktentwicklung und -optimierung abzielt und damit Prüfanlagen im Verhältnis 1:1 erfordert, wird mit dem Generator-Umrichter-Prüfstand an der Leibniz Universität Hannover die Vorentwicklung des elektrischen Antriebsstranges sowie die (universitäre) Erforschung und Entwicklung von neuen Konzepten und Berechnungswerkzeugen abgedeckt. In diesen Phasen des Innovationsprozesses werden die Anlagen aus Kostengründen im kleineren Maßstab abgebildet. Die hier gewählte Leistungsklasse von ca. 1,5 MW ermöglicht es, aussagekräftige Untersuchungen für Zielsysteme noch größerer Leistung z. B. im Maßstab ca. 1:10 durchzuführen. Dadurch wird die Einrichtung auch für industrielle Partner interessant, die im Rahmen von Vorfeldentwicklungen neue Konzepte erproben wollen.
Auch neue Umrichterkonzepte, wie z. B. modulare Multilevel-Umrichter, sollen in der Prüffeldumgebung des GeCoLab im verringerten Maßstab untersucht werden können. Dazu ist die Flexibilität erforderlich, Prüfstandsumrichter gegen zu untersuchende Umrichter auszutauschen.
Motivation
Die Entwicklung von elektrischen Maschinen und Umrichtern im MW-Bereich ist trotz jahrzehntelanger Erfahrungen auf dem Gebiet noch längst nicht abgeschlossen. Dies liegt u. a. daran, dass sich die Anforderungen ändern und die eingesetzten Materialien und elektronischen Bauteile laufend weiterentwickelt werden. Hinzu kommt die stetige Forderung nach verbesserter Wirtschaftlichkeit bei erhöhtem Wirkungsgrad oder erhöhter Zuverlässigkeit. Mit dem Generator-Umrichterprüfstand (GeCoLab) können nun sowohl konventionelle als auch innovative Umrichter- und Generatorkonzepte einschließlich der umrichternahen Regelung und Methoden zum Filterdesign eingehend erforscht werden. Dies umfasst Untersuchungen zur Dynamik und Systemstabilität, zur stationären und transienten thermischen Belastung, zu verschiedenen Methoden der Netzeinspeisung und Regelung sowie zum Verhalten bei Netzfehlern wie z.B. Spannungseinbrüchen, Phasenkurzschlüssen oder Erdschlüssen. Mit dem Prüfstand wird weiterhin die Erforschung von Wechselwirkungen zwischen Umrichter und Generator und deren Einfluss auf andere Anlagenkomponenten wie Lager und Getriebe ermöglicht. Als Beispiele seien hier die Auswirkungen von Oberschwingungen im Stromverlauf, zusätzliche Erwärmung, lokale Sättigungseffekte sowie Lagerspannungen und Lagerströme genannt. Die erzielten Ergebnisse erlauben wiederum eine verbesserte Validierung von Berechnungsprogrammen, Diagnoseverfahren und erweiterten Simulationsmodellen für elektrische und betroffene mechanische Komponenten, um den eingangs genannten Anforderungen bereits in der Entwurfsphase Rechnung zu tragen.
Ausstattung des Prüfstandes
Der Generator-Umrichterprüfstand wurde in einer initialen Komplettausstattung durch ein Förderprojekt des BMWi 2016 realisiert und 2023 durch ein Förderprojekt im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) – REACT-EU-Mittel um eine Mittelspannungs-Mehrphasen-Induktionsmaschine mit erweiterter Vollumrichternutzung und eine raumlufttechnische Anlage erweitert. Zur Durchführung von weiteren Versuchen – über die nachstehende Ausstattung hinaus – können in der Anlage jeweils einzelne Komponenten gegen Prüflinge ausgetauscht werden. Folgende Komponenten sind zum Tausch gegen einen Prüfling vorgesehen:
- Doppelt gespeiste Induktionsmaschine (DFIG)
- Rotorseitiger Umrichter für DFIG
- Permanenterregte Synchronmaschine (PMSM)
- Mittelspannungs-Mehrphasen-Induktionsmaschine (IM)
- Vollumrichter für Synchronmaschine bzw. Induktionsmaschine
- Anpassgetriebe mit Drehzahlverhältnis 1:4
Beim Tausch eines Generators zusammen mit dem zugehörigen Umrichter sind auch vielfältige andere Kombinationen realisierbar, beispielsweise kann der DFIG gegen einen Asynchrongenerator mit Vollumrichter getauscht werden. Ein zügiger Wechsel der Komponenten wird durch ein Spannfeld sowie einen bauseitigen 20t-Kran ermöglicht. Das Maschinenfundament ist mittels pneumatischer Federelemente vom Gebäude entkoppelt. Für einen Wechsel der Umrichter gegen einen Prüfling wurde außerdem ein gut zugängliches Klemmfeld installiert.
Notwendige Peripherie wie Kühlwassertemperierungen und -rückkühlungen sowie zugehörige elektrische, mechanische und thermische Messtechnik sind selbstverständlich.
