AT13876U1 - Verfahren zum Schalten eines Generators einer Windkraftanlage an ein Stromnetz - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Schalten eines Generators (2) einer Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, an ein Stromnetz (16), werden die Frequenz und die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) abgeglichen und anschließend wird der Generator (2) an das Stromnetz (16) geschaltet. Dazu werden die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) ermittelt, und dann mit Hilfe eines Stellgliedes (7) die Drehzahl des Generators (2) verändert, bis die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) im Wesentlichen übereinstimmen. Dann wird bei im Wesentlichen übereinstimmender Frequenz des Generators (2) und des Stromnetzes (16) der Generator (2) an das Stromnetz (16) geschaltet.

Description

österreichisches Patentamt AT13 876U1 2014-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Generators einer Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, an ein Stromnetz, bei dem die Frequenz und die Phasenlage des Generators und des Stromnetzes abgeglichen werden und anschließend der Generator an das Stromnetz geschaltet wird.

[0002] Um einen Synchrongenerator an ein elektrisches Netz zu schalten, muss dieser synchron zum Netz laufen. Die Synchronisationsbedingungen bezüglich der Generatorklemmenspannung eines fremderregten Synchrongenerators mit dem Stromnetz lauten: [0003] 1. Die Höhe der Generatorspannung muss gleich der Netzspannung sein (wird von der

Erregerregelung kontrolliert).

[0004] 2. Die Frequenz des Generators muss gleich der Netzfrequenz sein.

[0005] 3. Die Phasenlage des Generators muss gleich der Netzphase sein.

[0006] 4. Die Phasenfolge des Generators muss gleich der Netzphasenfolge sein (muss bei der Montage beachtet werden).

[0007] Beim Synchronisieren von Generatoren geht man nach dem Stand der Technik so vor, dass man nur die Frequenz (Generatordrehzahl) einstellt und die Phasenlage außer Acht lässt. Tritt eine Störung auf und kommt es kurzzeitig zu einer Erhöhung oder Absenkung der Generatordrehzahl, verändert sich die Phasenlage zwischen Generatorspannung und Netzspannung. Beim Korrigieren der Frequenz wird zwangsläufig die Phase unkontrolliert mitverschoben, so dass die Phasenlage sich beliebig einstellt.

[0008] Im Allgemeinen wird also nach einer Störung die Synchronisierbedingung nicht mehr vollständig erfüllt sein, wodurch sich der Synchronisiervorgang verzögert.

[0009] Dieses Problem tritt bei konventionellen Kraftwerken kaum auf, da die Strömungen von Wasser oder Dampf gut kontrolliert werden können und daher Störungen kaum zu erwarten Sind. Bei Energiegewinnungsanlagen wie z.B. Windkraftanlagen ist das jedoch anders. Der Windrotor weist, bedingt durch Turbulenzen, eine variable Drehzahl auf, die sich durch den Triebstrang bis zum Generator fort setzt, auch wenn die Rotordrehzahl durch eine Pitchregelung weitgehend konstant gehalten wird. Demzufolge wird der Synchronisiervorgang entsprechend lange dauern.

[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem das Synchronisieren schneller erfolgen kann.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass die Phasenlage des Generators und des Stromnetzes ermittelt werden, dass mit Hilfe eines Stellgliedes die Drehzahl des Generators verändert wird, bis die Phasenlage des Generators und des Stromnetzes im Wesentlichen übereinstimmen, und dass bei im Wesentlichen übereinstimmender Frequenz des Generators und des Stromnetzes der Generator an das Stromnetz geschaltet wird.

[0012] Erfindungsgemäß wird die Phasenlage der Netzspannung und der Generatorspannung in den Regelalgorithmus der Generatordrehzahlregelung mit eingebunden. Das kann in der Form durchgeführt werden, dass man durch Regeln der Generatordrehzahl die Phasendifferenz zwischen Netzspannung und Generatorspannung oder davon abgeleitete, direkt in Zusammenhang stehende Größen, gegen Null führt bzw. auf Null hält.

[0013] Durch das Synchronisieren der Phasenlage über die Drehzahl des Generators kann dies sehr einfach und rasch durchgeführt werden, sodass der Synchrongenerator rascher als im Stand der Technik (wieder) an das Netz geschaltet werden kann.

[0014] Das Synchronisieren kann bei der Erfindung bevorzugt so erfolgen, dass zuerst mit Hilfe des Stellgliedes die Frequenz des Generators mit der Frequenz des Stromnetzes synchronisiert 1 /12 österreichisches Patentamt AT 13 876 Ul 2014-10-15 wird und anschließend mit Hilfe des Stellgliedes die Drehzahl des Generators verändert wird, bis die Phasenlage des Generators und des Stromnetzes im Wesentlichen übereinstimmen und dass dann der Generator an das Stromnetz geschaltet wird.

[0015] Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß, wenn mit Hilfe des Stellgliedes die Frequenz des Generators mit der Frequenz des Stromnetzes durch Verändern der Drehzahl des Generators so synchronisiert wird, dass bei Erreichen der Frequenz des Stromnetzes die Phasenlage des Generators und des Stromnetzes im Wesentlichen übereinstimmen und dass dann der Generator an das Stromnetz geschaltet wird. Bei dieser Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Synchronisieren besonders schnell.

[0016] Diese Durchführungsform der Erfindung löst das Problem der verzögerten Synchronisation auf sehr effiziente Weise, da der Generator trotz Schwankungen der Drehzahl des Rotors so zu seiner Nenndrehzahl hingeführt wird, dass die Synchronisationsbedingungen zeitoptimal erfüllt werden und damit eine schnelle und systemschonende Synchronisation ermöglicht wird. Durch die Koppelung an die echte Phasenlage der Netzspannung wird keine Phasensuche benötigt.

[0017] Wenn der Antriebsstrang der Energiegewinnungsanlage ein Differentialgetriebe aufweist, um die Drehzahl des Generators synchron zu halten, ist bei der Erfindung bevorzugt, wenn die Drehzahl des Generators mit einem Differential-Antrieb als Stellglied des Differentialgetriebes verändert wird, das drei An- bzw. Abtriebe aufweist, wobei ein erster Antrieb mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb mit dem Generator und ein zweiter Antrieb mit dem Differential-Antrieb verbunden ist. Mit Hilfe des Differentialantriebes, der ohnedies dafür ausgelegt ist, die Drehzahl des Generators synchron zu halten, ist eine besonders gute Synchronisation möglich, wenn der Generator erstmalig bzw. nach einer Störung oder einer anderen Unterbrechung wieder an das Netz geschaltet wird.

[0018] Das Problem, dass der Generator mit dem Netz synchronisiert werden muss, stellt sich in der Regel dann, wenn die Energiegewinnungsanlage nach einer Abschaltung wieder in Betrieb genommen wird oder der Generator nach einer Störung auf Seiten des Netzes und einer dadurch bedingten Trennung des Generators vom Netz wieder mit diesem verbunden werden muss.

[0019] Eine wiederholte Trennung des Generators vom Netz kann allerdings auch dann erfolgen, wenn bei Bedarf wie in der WO 2011/000008 A beschrieben immer wieder zwischen zwei Betriebsarten umgeschaltet wird, bei denen entweder der Generator vom Netz getrennt und nur der Differenzial-Antrieb mit dem Netz verbunden ist oder sowohl der Generator als auch der Differenzial-Antrieb mit dem Netz verbunden ist, was den Vorteil mit sich bringt, dass der Jahresenergieertrag der Windkraf tan läge deutlich erhöht werden kann. Hier kommt der erfindungsgemäße Vorteil einer sehr raschen Synchronisierung des Generators mit dem Netz besonders zum Tragen.

[0020] Weitere bevorzugte Durchführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

[0021] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt: [0022] Fig. 1 [0023] Fig. 2 [0024] Fig. 3 [0025] Fig. 4 [0026] Fig. 5 symbolisch den Aufbau einer Energiegewinnungsanlage nach dem Stand der Technik, schematische ein Konzept für eine Windkraf tan läge, beispielhaft den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Regelungsschemas, eine Realisierungsmöglichkeit für eine Phasenmessung, die Auswirkung asynchroner Frequenzen auf die Phasendifferenz, 2/12 österreichisches Patentamt AT13 876U1 2014-10-15 [0027] Fig. 6 den Verlauf der Phasendifferenz, wenn zwei asynchrone, mittels DTO bestimmte

Frequenzen synchronisiert werden, [0028] Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel, wie die Generatorspannungsfrequenz und die Phasen lage rekonstruiert werden können und [0029] Fig. 8 beispielhaft ein vollständiges Strukturbild einer möglichen erfindungsgemäßen

Regelung.

[0030] Fig. 1 zeigt schematisch ein Schaltbild des grundsätzlichen Aufbaus einer Energiegewinnungsanlage nach dem Stand der Technik. Das bekannte System weist einen Triebstrang 1, einen Synchrongenerator 2 und eine Antriebseinheit 3, z.B. eine Wasserturbine, mit einer Steuerung als Stellglied auf. Ein externes Synchronisiergerät 4 gibt dabei der Steuerung die Information, ob die Generatorspannung bezüglich der Frequenz vor- oder nacheilend ist, was bedeutet, dass die Generatorphase gegenüber der Netzphase verschoben ist. Das Synchronisiergerät 4 übermittelt allerdings nicht die Information, wie groß die Abweichung bzw. Phasenverschiebung ist. Passen die beiden Spannungen über eine gewisse Zeit zusammen, dann schaltet das Synchronisiergerät 4 mittels vorzugsweise einem Leistungsschalter 5 den Generator 2 an das Netz. Da die Phasenverschiebung nicht aktiv gegen Null geführt wird, ist die dafür benötigte Zeit von Fall zu Fall unterschiedlich lang.

[0031] Fig. 2 zeigt schematisch und beispielhaft ein mögliches Konzept für eine Windkraftanlage mit einem Triebstrang 1. Ein Rotor 3 der Windkraftanlage, der die Antriebseinheit bildet und der auf einer Antriebswelle 8 für ein Hauptgetriebe 9 sitzt, treibt ein Hauptgetriebe 9 an. Das Hauptgetriebe 9 ist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe. Zwischen dem Hauptgetriebe 9 und dem Generator 2 befindet sich ein Differentialgetriebe 10, welches vom Hauptgetriebe 2 über einen Planetenträger 12 des Differentialgetriebes 10 angetrieben wird. Der Generator 2 - vorzugsweise ein fremderregter Synchrongenerator, der bei Bedarf auch eine Nennspannung größer 20kV haben kann - ist mit einem Hohlrad 13 des Differentialgetriebes 10 verbunden und wird von diesem angetrieben. Ein Ritzel 11 des Differentialgetriebes 10 ist mit einem Differenzial-Antrieb 7 verbunden. Die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 7 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 3 eine konstante Drehzahl des Generators 2 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im kompletten Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangsdrehzahl für den Differenzial-Antrieb 7 zu erhöhen, wird in der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ein 2-stufiges Differenzialgetriebe verwendet, welches eine Anpassungs- Getriebestufe 6 in Form einer Stirnradstufe zwischen dem Differentialgetriebe 10 und dem Differenzial-Antrieb 7 vorsieht. Das Differentialgetriebe 10 und die Anpassungs-Getriebestufe 6 bilden somit das 2-stufige Differenzialgetriebe. Der Differenzial-Antrieb 7 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 14 und einen Transformator 15 an das Netz 16 angeschlossen ist. Alternativ kann der Differenzial-Antrieb z.B. auch als hydrostatische Pum-pe/Motor-Kombination ausgeführt werden. In diesem Fall ist ein(e) Pumpe/Motor mit dem Differentialgetriebe 10 und die (der) zweite Pumpe/Motor, vorzugsweise über eine Anpassungs-Getriebestufe, mit der Antriebswelle des Generators 2 verbunden.

[0032] Fig. 3 zeigt beispielhaft den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Regelungsschemas. Dabei symbolisieren die Elemente 17 und 18 das Übertragungsverhalten von den Triebstrang beeinflussenden Faktoren, und zwar das Element 17 den elektromechanischen Triebstrang von der Welle des Differential- Antriebs 7 bis zur Generatonwelle und das Element 18 den Triebstrang von der schnell laufenden Eingangswelle des Differentialgetriebes 10 zur Generatorwelle. Das Element 19 symbolisiert das Übertragungsverhalten einer Störung auf den Triebstrang. Das Element 20 symbolisiert das Übertragungsverhalten des Stellgliedes, z.B. des Differential- Antriebs 7 von Fig. 2. Das Element 21 symbolisiert einen regelungstechnischen Mechanismus, der über einen Referenz- Eingang den Bezug zur aktuellen Phase der Netzspannung herstellt. Das Element 22 symbolisiert einen regelungstechnischen Mechanismus, der über einen Referenz- Eingang den Bezug zur aktuellen Phase der Generatorabgangsspannung herstellt. Ein Phasendetektor 23 ermittelt die Phasendifferenz zwischen der Netzspannung 3/12 österreichisches Patentamt AT 13 876 Ul 2014-10-15 und der Generatorabgangsspannung. Das Element 24 repräsentiert einen Regelalgorithmus der es ermöglicht, schon während des Hochfahrens den Generator so zu steuern, dass er bei Erreichen der Zieldrehzahl auch die korrekte Phasenlage hat, um ihn an das Netz 16 schalten zu können.

[0033] Das Synchronisiergerät 4 übernimmt nur mehr die Aufgabe, die Synchronisierbedingung zu kontrollieren und über den Schalter 5 die Verbindung zwischen dem Generator 2 und dem Netz 16 herzustellen.

[0034] Mit Bezug auf Fig. 4 wird eine Realisierungsmöglichkeit der Phasenmessung beschrieben. Zum Messen der Netzfrequenz detektiert man mit einer Einrichtung 21 die Nulldurchgänge der Netzspannung (wenigstens einer Spannungsphase), vorteilhaft mittels Schmitt-Trigger, und gibt diese in Form von Pulsen an eine digitale Phasenregelschleife (phase-locked loop oder PLL) 25 weiter. Die Phasenregelschleife besteht aus einem Akkumulator, dessen Inhalt als Phasenlage interpretiert werden kann. Diese Akkumulatorwerte werden rückgekoppelt und im Zeitraster der eingehenden Nulldurchgangspulse abgetastet. Ein Regler stellt dabei das Inkrement des Akkumulators in der Form ein, dass der Nulldurchgang des als Phasenreferenz dienenden Akkumulator-Inhalts und der Nulldurchgang der Netzspannungsphase immer zum gleichen Zeitpunkt auftreten, z.B. Akkumulatorwert: 0 = Nulldurchgangsphase. Daraus ergibt sich zwingend eine korrekt eingestellte Frequenz im Arbeitspunkt. Außerhalb des Arbeitspunktes müssen Aliasingeffekte, also Effekte durch Fehler in der Signalanalyse durch Verletzen des Abtasttheorems, konstruktiv ausgeschlossen werden, z.B. durch Bezug auf eine feste Abtastrate.

[0035] Damit ist die Phasenlage der Spannung definiert, auf die in weiterer Folge Bezug genommen wird. Neben dem einfachen und sehr robusten Aufbau hat diese Art der Messung den Vorteil, dass diese Phasenregelschleife bei vorübergehendem Ausfall der Nulldurchgangspulse mit der letzteingestellten Frequenz weiterläuft (fly-wheel-Effekt) und die Bezugsphase für die Gesamtregelung ohne Unterbrechung liefert. Damit wird gewährleistet, dass es bei Netzunterbrechungen zu keiner Phasenopposition zum wiederkehrenden Netz kommt. Auch hat diese Phasenregelschleife ein implizites Tiefpassverhalten bezüglich der vorgegebenen Frequenzänderungen (Periodendauer der Trigger- Impulse). Mit der Geschwindigkeit der Phasenregelschleifen- Regelung kann man die Grenzfrequenz des Tiefpasses einstellen, so dass sich ein günstiges Einstellverhalten ergibt.

[0036] Das gleiche Verfahren kann zur Ermittlung der Phasenlage der Generatorspannung herangezogen werden. D.h. dass man zum Messen der Generatorfrequenz mit einer Einrichtung 22 die Nulldurchgänge der Generatorabgangsspannung detektiert und diese in Form von Pulsen an eine digitale Phasenregelschleife 26 weiter gibt.

[0037] Mittels des Phasendetektors 23 wird die Phasendifferenz gebildet und diese dem Regelalgorithmus 24 zugeführt.

[0038] Alternativ kann man die Generatorspannungsphase beispielsweise auch mittels eines Inkrementalgebers oder Resolvers, d.h. eines Winkellagengebers, ermitteln. Man misst dabei die Drehzahl der Generatorwelle. Diese ist über die Polpaarzahl mit der Generatorspannungsfrequenz fest gekoppelt. Um von der Drehzahl auf die Phasenlage schließen zu können, muss man die Drehzahl integrieren, also über die Zeit aufsummieren. Praktisch kann das mittels eines Drehgebers (z.B. Inkrementalgeber) durchgeführt werden. Man bekommt entweder direkt die Phasenlage oder die ausgegebenen Pulse werden von der Elektronik gezählt und man erhält die Phasenlage indirekt. Über eine sogenannte Null-Spur wird die absolute Lage der Phase detektiert.

[0039] In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Generatorspannungsphase mittels eines digitalen Akkumulators, der mit einem einstellbaren Inkrement arbeitet (digital tuned oscillator oder DTO), ermittelt werden. Steht nur die Drehzahl als Wert zur Verfügung, wie es oft bei Umrichtersystemen der Fall ist, dann wird vorteilhaft ein DTO verwendet. Dieser wird, gesteuert über die gemessene Drehzahl, kontinuierlich (im Zeitraster der Steuerung) so einge- 4/12 österreichisches Patentamt AT 13 876 Ul 2014-10-15 stellt, dass er mit derselben Frequenz schwingt wie die Generatorspannung. Der Aufbau des DTOs gestattet es nun, zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Phasenlage abzulesen, in der sich die Generatorwelle gerade befindet, und damit, gekoppelt über die Polpaarzahl, die Generatorspannungsphasenlage. Hat man den internen Aufbau so gewählt, dass der DTO innerhalb des Zahlenraums von 0 bis 359 mit ganzen Zahlen arbeitet, so bekommt man die Phase automatisch in Bogengrad [deg] ausgegeben, mit der Auflösung in Grad. Ohne Einschränkung ist aber jeder andere Zahlenraum möglich, wobei auch die Auflösung beliebig verändert werden kann.

[0040] Der Phasendetektor 23 dient dazu, die Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und der Generatorspannung zu ermitteln. Dabei ist es nicht wichtig wie die Phasenlage ermittelt wurde, ob aus einer direkten Spannungsmessung oder einer PLL, die Phasensynchron zur Spannung läuft oder mittels DTOs. Die wesentliche Aufgabe des Detektors 23 ist die Phasendifferenz so zu ermitteln, dass es zu keinen Sprüngen und Unstetigkeiten kommt. Außerdem sollte die Phasenlage nur auf einen eingeschränkten Bereich limitiert werden. Geht man davon aus, dass die Spannungsfrequenzen asynchron zu einander sind, laufen die Phasenlagen auch sehr schnell auseinander. Es macht aber keinen Sinn, die Phasenlagen zu weit anwachsen zu lassen. Deswegen werden sie +/-360° limitiert. Wenn also eine Frequenz mehr als eine Periode voraus- oder nacheilt, weil die Frequenzen zu unterschiedlich sind, dann begrenzt der Detektor den Ausgabewert.

[0041] Fig. 5 zeigt die Auswirkung asynchroner Frequenzen auf die Phasendifferenz. Bezogen auf die Phase 28 läuft zuerst die Phase 27 mit höherer Frequenz, wodurch die Phasendifferenz zunimmt. Wird nun die Frequenz der Phase 28 über die der Phase 27 erhöht, dann dreht sich die Phasendifferenz um und nimmt ab, bis sie - 360“erreicht, auf die sie dann limitiert wird.

[0042] Fig. 6 zeigt den Verlauf der Phasendifferenz, wenn zwei asynchrone, mittels DTO bestimmte Frequenzen synchronisiert werden.

[0043] Mit Hilfe einer digitalen PLL 30 kann wie im Beispiel gemäß Fig. 7 gezeigt die Generatorspannungsfrequenz und Phasenlage rekonstruiert werden. Synchron zu den Spannungsnulldurchgängen der Netzspannung wird der Akkumulator-Inhalt der digitalen PLL 30, der die Phasenlage der Generatorspannung repräsentiert, abgetastet. Der abgetastete und ausgegebene Akkumulator-Wert entspricht der Phasendifferenz, sodass kein separater Phasendetektor mehr notwendig ist.

[0044] Dabei symbolisieren auch in Fig. 7 wiederum die Elemente 17 und 18 das Übertragungsverhalten von den Triebstrang beeinflussenden Faktoren. Das Element 19 symbolisiert das Übertragungsverhalten einer Störung auf den Triebstrang. Das Element 20 symbolisiert das Übertragungsverhalten des Stellgliedes, z.B. des Differential-Antriebs 7 von Fig. 2. Der Schmitt-Trigger 29 erzeugt Pulse beim Nulldurchgang der Spannung. Die digitale PLL 30, vorzugsweise eine DTO PLL, wird von diesen Pulsen getriggert, z.B. mit der steigenden Flanke. Die Phasendifferenz wird dem Regelalgorithmus 24 zugeführt.

[0045] Der Regelalgorithmus kann erfindungsgemäß so ausgelegt werden, dass eine Phasendrift ohne bleibende Regelabweichung kompensiert werden kann. Drehzahländerungen, die im Beispiel von Fig. 2 vom Rotor 3 über die schnell laufende Eingangswelle des Differentialgetriebes 10 auf die Generatorwelle wirken, werden als Störungen aufgefasst. Dahingehend wird der Regler optimiert. Um ein nicht aggressives Führungsverhalten zu bekommen, muss ein entsprechendes Vorfilter verwendet werden, welcher Sprünge in der Führungsgröße zu sanften Übergängen abflacht.

[0046] Fig. 8 ist als eine die Erfindung nicht beschränkende Ausführungsform der Erfindung ein vollständiges Strukturbild einer möglichen Regelung dargestellt. Dabei symbolisieren wiederum die Elemente 17 und 18 das Übertragungsverhalten von den Triebstrang beeinflussenden Faktoren, und zwar das Element den elektromechanischen Triebstrang von der Welle des Differential-Antriebs 7 bis zur Generatorwelle und das Element den Triebstrang von der schnell laufenden Eingangswelle des Differentialgetriebes 10 zur Generatorwelle. 20 ist das Stellglied in Form des Differential-Antriebs 7 mit der Drehmomentenregelung. Das Element 31 symbolisiert einen 5/12 österreichisches Patentamt AT 13 876 Ul 2014-10-15

Drehgeber, dessen Ausgangswerte direkt als Phasenlage interpretiert werden können oder der Impulse liefert, die zum Messen von Zeitspannen genutzt werden können, woraus man die Phasenlage bildet oder der einen Frequenzwert als Ausgangswert liefert, welcher einem DTO zugeführt wird, der die Phasenlage rekonstruiert.

[0047] Der Phasendetektor 23 bestimmt die Phasendifferenz (Regelabweichung), um eine stetige und glatte Eingangsfunktion für den Regler zu bekommen. Das Element 24 symbolisiert den Regelalgorithmus zum Nullsetzten der Regelabweichung. Ein Tiefpassfilter 21 dient zum Glätten der Eingangsfunktion und zum Begrenzen der maximalen Steigung. Mit dem DTO 22 wird eine virtuellen Netzspannungsphase erzeugt. Eine digitale PLL 32 mit Schwungrad-Fähigkeit dient zum Erzeugen einer festverkoppelten, rekonstruierten Netzspannungsphase. Die PLL 32 hat ein implizites Tiefpassverhalten bezüglich der vorgegebenen Frequenzänderungen (Periodendauer der Triggerimpulse). Mit der Geschwindigkeit der Regelung 32 kann man die Grenzfrequenz des Tiefpasses einstellen. Ein Schalter 33 wird zum Auswählen der Führungsgrößen verwendet.

[0048] Über einen Eingang 34 wird die gemessene aktuelle Netzfrequenz zugeführt und über einen Eingang 35 der Offset zur aktuellen Netzfrequenz (Parameter) um Schwebung zu erzeugen und um nach dem Stand der Technik zu synchronisieren. Über einen Eingang 36 wird eine eingeschwungene Oszillatorfrequenz und über einen Eingang 37 die Drehzahl oder das Drehmoment der schnell laufenden Eingangswelle des Differentialgetriebes 10 zugeführt, welche die Störung darstellt.

[0049] Das Regelsystem am Beispiel von Fig. 8 ist so allgemein ausgelegt, dass es unabhängig von den verfügbaren Netzinformationen verwendet werden kann. Der Phasendetektor 23 bekommt dabei immer die rekonstruierten Phasenlagen der Spannungen zugeführt, wodurch sich unabhängig von den gewählten Eingängen der Regelalgorithmus nicht verändert. Mit den Eingängen 34 und 35 kann das Verfahren der Ansprüche 1 und 2 durchgeführt werden. Mit dem Eingang 36 kann das Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 durchgeführt werden. Der Eingang 37 repräsentiert lediglich die Störung und ist kein direkter Eingang der Regelung. Natürlich ist es möglich auch diese zu erfassen und auf dem bekannten Prinzip der Störgrößenaufschaltung dem Regler zur Verfügung zu stellen.

[0050] Die meisten Grid-codes fordern, dass bei kurzem Spannungsausfall der Generator am Netz bleibt und kontinuierlich Energie (Blindstrom) in das Netz geliefert wird. Um diese Anforderung zu erfüllen, darf der Generator nicht vom Netz getrennt werden. Damit der Generator bei Wiederkehr der Netzspannung nicht beschädigt wird, muss jedoch garantiert werden, dass die Phasenlagen der Spannungen im Wesentlichen zueinander gleich bleiben.

[0051] Die Erfindung ermöglicht zur Lösung dieses Problems einen sogenannten Schwungrad-Effekt (fly-wheel-Effekt) bei Ausfall des Netzes. Das heißt, dass die aktuelle Phasenlage eingefroren bleibt, bis das Netz wieder aufgebaut ist, und der Generator phasengeregelt weiterbetrieben werden kann und ein „starres" Netz bildet. Der Leistungsschalter 5 bleibt dabei geschlossen. Wenn das Netz mit anderer Phasenlage wiederkommt, stellt sich die PLL sofort auf die neue Phasenlage ein und damit auch der Generator mit seinen Ausgangspannungen.

[0052] Durch das Erfassen der Phasenlagen ist eine indirekte Leistungsmessung und darüber hinaus eine Regelung der Wirkleistungsabgabe des Generators möglich. 6/12

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT13 876U1 2014-10-15 Ansprüche 1. Verfahren zum Schalten eines Generators (2) einer Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, an ein Stromnetz (16), bei dem die Frequenz und die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) abgeglichen werden und anschließend der Generator (2) an das Stromnetz (16) geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) ermittelt werden, dass mit Hilfe eines Stellgliedes (7) die Drehzahl des Generators (2) verändert wird, bis die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) im Wesentlichen übereinstimmen, und dass bei im Wesentlichen übereinstimmender Frequenz des Generators (2) und des Stromnetzes (16) der Generator (2) an das Stromnetz (16) geschaltet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst mit Hilfe des Stellgliedes (7) die Frequenz des Generators (2) mit der Frequenz des Stromnetzes (16) synchronisiert wird und anschließend mit Hilfe des Stellgliedes (7) die Drehzahl des Generators (2) verändert wird, bis die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) im Wesentlichen übereinstimmen und dass dann der Generator (2) an das Stromnetz (16) geschaltet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Stellgliedes (7) die Frequenz des Generators (2) mit der Frequenz des Stromnetzes (16) durch Verändern der Drehzahl des Generators (2) so synchronisiert wird, dass bei Erreichen der Frequenz des Stromnetzes (16) die Phasenlage des Generators (2) und des Stromnetzes (16) im Wesentlichen übereinstimmen und dass dann der Generator (2) an das Stromnetz (16) geschaltet wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Frequenz des Generators (2) und/oder des Stromnetzes (16) die Nulldurchgänge der jeweiligen Spannung ermittelt werden und dass aus der Anzahl von Nulldurchgängen in einer definierten Zeit die jeweilige Frequenz ermittelt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Frequenz des Generators (2) und/oder des Stromnetzes (16) die Nulldurchgänge der jeweiligen Spannung ermittelt werden, dass die Nulldurchgänge in Form von Pulsen an eine digitale Phasenregelschleife weiter gegeben werden, die aus einem Akkumulator besteht, dessen Inhalt als Phasenlage interpretiert werden kann, dass diese Akkumulatorwerte rückgekoppelt und im Zeitraster der eingehenden Nulldurchgangspulse abgetastet werden, und dass ein Regler das Inkrement des Akkumulators in der Form einstellt, dass der Nulldurchgang des als Phasenreferenz dienenden Akkumulator-Inhalts und der Nulldurchgang der Netzspannungsphase immer zum gleichen Zeitpunkt auftreten, woraus sich eine korrekt eingestellte Frequenz im Arbeitspunkt ergibt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Generators (2) aus seiner Drehzahl ermittelt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Generators (2) mit einem Differential-Antrieb als Stellglied (7) eines Differentialgetriebes (10) verändert wird, das drei An- bzw. Abtriebe aufweist, wobei ein erster Antrieb (12) mit einer Antriebswelle (8) der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb (13) mit dem Generator (2) und ein zweiter Antrieb (11) mit dem Differential-Antrieb (7) verbunden ist.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Generators (2) aus der Summe der Drehzahlen der Antriebswelle (12) und des Differenzial-Antriebs (7) ermittelt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Phasenlage des Generators (2) die Drehwinkellage des Rotors des Generators (2) verwendet wird. 7/12 österreichisches Patentamt AT 13 876 Ul 2014-10-15
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) bei einem Wegfall der Phasenlage des Stromnetzes (16) über einen vorgegebenen Zeitraum mit der zuletzt vorhandenen Phasenlage und Frequenz weiter gedreht wird, während der Generator (2) bevorzugt am Netz (16) geschalten bleibt. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 8/12