DE102005026062A1 - Virtual rotary mass for use in railroad network, has self-commutated pulse width modulated inverter, which is operated by electronic circuit or software, where inverter supplies power from power station to three-phase power system - Google Patents

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Abstract

The rotary mass has a self-commutated pulse width modulated inverter, which is operated by an electronic circuit or software. The inverter supplies power from a power station (3) to a three-phase power system (6). Rotary generators are not provided in the three-phase power system. Units are provided for the secondary regulation and automatic regulation of the inverter. Independent claims are also included for the following: (1) an electronic circuit or software (2) a device for delimiting the inverter power (3) a back-up function for a main function.

Description

Die Erfindung betrifft die automatische Leistungs-Frequenzregelung und automatische Erzeugungsregelung mit selbstgeführten, pulsweitenmodulierten Wechselrichtern und deren Netzintegration mit einem zu rotierenden Synchrongeneratoren äquivalenten dynamischen Verhalten unter Aufrechterhaltung der im Netz gängigen Regelkreisstruktur und Parameter der Primär- und Sekundärregelung sowie automatischen Erzeugungsregelung. Die Erfindung bezieht sich auf alle über einen Gleichspannungszwischenkreis einspeisende Erzeuger, schließt also auch regenerative Anlagen ein.The The invention relates to automatic power frequency control and automatic generation control with self-guided, pulse width modulated inverters and their network integration with a dynamic behavior equivalent to a synchronous generator to be rotated while maintaining the network structure and parameters common in the network the primary and secondary regulation and automatic generation control. The invention relates on all over a direct current source feeding generator, so also includes regenerative plants.

Selbstgeführte, pulsweitenmodulierte Wechselrichter werden bei Frequenzumrichtern, bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung und bei der Einspeisung erneuerbarer Energien verwendet. Beim Netz kann es sich um das öffentliche Drehstromnetz, das 110-kV-Bahnnetz, ein Industrienetz oder ein Inselnetz handeln. Die Leistung kann einige kW (z.B. Brennstoffzellen-Heizgerät) oder auch viele Hunderte oder Tausende MW (z.B. Frequenzumrichter, Windpark oder Wasserkraft) betragen.Self-guided, pulse width modulated Inverters are used for frequency converters, high-voltage DC transmission and infeed used renewable energy. The network can be public Three-phase network, the 110 kV rail network, an industrial network or a stand-alone grid act. The power may be a few kW (e.g., fuel cell heater) or also many hundreds or thousands of MW (e.g., frequency converter, wind farm or hydropower).

Bei einer Einspeisung in bestehende Netze werden bislang selbstgeführte, pulsweitenmodulierte Wechselrichter in so genannter Slave-Schaltung mit dem Netz synchronisiert und die Wechselrichterleistung über den Phasenverdrehungswinkel zwischen innerer Spannung des Wechselrichters (Quellenspannung) und Netzspannung eingestellt. Soll sich der Wechselrichter an der Primärregelung (proportionale Frequenzregelung) des Netzes beteiligen, so wird über die Netzfrequenzabweichung und einen davon gespeisten Proportionalregler der Wechselrichter entsprechend ausgesteuert.at In the past, self-commutated, pulse-width modulated inverters are being fed into existing grids in so-called slave circuit synchronized with the network and the inverter power over the phase angle of rotation between internal voltage of the inverter (Source voltage) and mains voltage set. Should the inverter be at the primary regulation (proportional frequency control) of the network, so is about the Mains frequency deviation and a proportional controller fed by it the inverter is controlled accordingly.

Frequenzumrichter der Deutschen Bundesbahn verwenden dieses Konzept. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen bis (gegenwärtig) ca. 300 MW Leistung können bei Bedarf dieses Konzept verwenden. Solche Anlagen werden bei Siemens mit HVDC Plus und bei ABB mit HVDC Light bezeichnet. Und auch die über Wechselrichter an ein Netz gekoppelten „Erneuerbaren Erzeuger" arbeiten in einer Slave-Schaltung.frequency converter Deutsche Bundesbahn use this concept. High voltage direct current transmissions until (present) approx. 300 MW of power can if necessary use this concept. Such systems are available from Siemens HVDC Plus and ABB HVDC Light. And also about inverters linked to a network "Renewables Producers "work in a slave circuit.

Beim Slave-Konzept muss die Netzspannung durch andere Betriebsmittel vorgegeben werden. Diese Betriebsmittel sind im Drehstromnetz die Synchrongeneratoren.At the Slave concept must be the mains voltage through other resources be specified. These resources are the synchronous generators in the three-phase network.

Mit zunehmendem Ausbau statischer Einspeisung über Wechselrichter wird der Anteil von Synchrongeneratoren im Drehstromnetz sinken, und die Wechselrichter müssen Aufgaben der Synchrongeneratoren übernehmen, d.h. im besonderen, sie müssen sich als Master an der Netzspannungserzeugung beteiligen. Das heißt nicht nur, dass sie Blindleistung liefern, bzw. aufnehmen müssen – das können auch Wechselrichter in Slave-Schaltung – sondern auch, dass sie sich aktiv an der Frequenzhaltung beteiligen müssen. Im Grenzfall des Inselbetriebs sind gar keine Synchrongeneratoren mit rotierenden Massen mehr vorhanden, so dass bei Laständerungen auch keine Frequenzänderung – die Voraussetzung zum Funktionieren der Primärregelung – auftreten würde.With Increasing expansion of static feed via inverter is the Proportion of synchronous generators in the three-phase network drop, and the Inverters need Tasks of the synchronous generators take over, i. in particular, You need to participate as a master in grid voltage generation. That does not mean only that they have to deliver reactive power, or have to record - that can also Inverters in slave circuit - but also that they themselves must actively participate in frequency maintenance. In the limit of island operation are no synchronous generators with rotating masses available anymore, so that when load changes also no frequency change - the prerequisite to the functioning of the primary control - occur would.

Will man den Ausbau von Netzen mit erneuerbarer Energie und deren Einspeisung über Wechselrichter netzverträglich gestalten, so müssen die Wechselrichter ein zu Synchrongeneratoren äquivalentes dynamisches Verhalten aufweisen (Kompatibilität zwischen Synchrongeneratoren und Wechselrichtern). Nur dann können bisherige Regelstruktur und Regelparameter netzweit beibehalten werden.Want the development of renewable energy networks and their supply via inverters network compatible shape, so must the inverters are equivalent to synchronous generators dynamic behavior have (compatibility between synchronous generators and inverters). Only then can previous ones Maintain control structure and control parameters network-wide.

Im VDN*)-Leitfaden „EEG-Erzeugungsanlagen am Hoch- und Höchstspannungsnetz" steht hierzu geschrieben: „Wegen der Zunahme von Erzeugungsanlagen, die auf Basis des Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien vom 21.07.2004 an das Netz vorrangig angeschlossen und eingesetzt werden, sind teilweise andere Anforderungen als bisher an das Verhalten dieser Anlagen im Normalbetrieb und im Netzfehlerfall zu stellen, um auch weiterhin einen stabilen und versorgungsgerechten Systembetrieb zu gewährleisten. EEG-Erzeugungsanlagen mit direktem Anschluss an das Hoch- und Höchstspannungsnetz müssen sich daher in Zukunft aktiv an der Spannungs- und Frequenzhaltung beteiligen."/1/in the VDN *) - Guideline "EEG production plants on the high and very high voltage network "is written:" Because the increase of generating facilities based on the law for precedence Renewable energies from 21.07.2004 connected to the network with priority and are used, are partly different requirements than before on the behavior of these systems in normal operation and in the event of network failure to continue to provide a stable and supply-oriented To ensure system operation. EEG generation plants with direct connection to the high and extra high voltage grid have to will therefore be actively involved in voltage and frequency maintenance in the future participate. "/ 1 /

Folgendes Zitat (Abschnitt 4.62 aus /2/) zeigt die Bedeutung der aktiven Beteiligung von regenerativen Systemen an der Netzhaltung: „Der Wert der Windenergie kann ganz entscheidend gesteigert werden, wenn sie in der Lage ist, zur Netzhaltung beizutragen".following Quotation (section 4.62 from / 2 /) shows the importance of active participation of regenerative systems at the grid maintenance: "The value of wind energy can be significantly increased if it is able to contribute to the network attitude ".

Es gibt Vorschläge zur Einbindung von Windparks in die Primärregelung. Diese basieren auf Asynchronmaschinen, welche über Drehstromkabel Energie einspeisen, s. Bild 1 in /3/. Diese Lösung ist wegen der Anforderung an die Spannungshaltung technisch höchst aufwendig und bei großen Entfernungen von über 100 km nicht mehr wirtschaftlich.It are suggestions for the integration of wind farms into the primary regulation. These are based on asynchronous machines, which over Three-phase cable feeding energy, s. Picture 1 in / 3 /. This solution is because of the requirement for voltage maintenance technically very expensive and at big Distances from over 100 km no longer economically.

Bei größeren Entfernungen müssen Gleichstromverbindungen zum Einsatz kommen. Eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung mit netzgeführtem Wechselrichter kann hierzu verwendet werden, wenn ein genügend starkes Drehstromnetz vorliegt. Ein starkes Drehstromnetz liegt im Allgemeinen vor, wenn das Verhältnis der Kurzschlussleistung des Netzes zur eingespeisten Leistung mindestens drei beträgt. Bei zunehmendem Ausbau regenerativer Einspeisung wird der Anteil konventioneller Einspeisung mit rotierenden Synchrongeneratoren abnehmen und das Netz zunehmend schwächer werden, so dass die Voraussetzung eines hinreichend starken Drehstromnetzes am Einspeiseknoten nicht mehr erfüllt sein wird. Man wird dann vom netzgeführten auf den selbstgeführten Wechselrichter übergehen müssen.For longer distances, DC connections must be used. A high-voltage DC transmission with line-guided inverter can be used for this purpose, if there is a sufficiently strong three-phase network. A strong three-phase network is generally present when the ratio of short-circuit power of the network to the power fed is at least three. With increasing expansion of regenerative feed, the proportion of conventional feed with rotating synchronous generators will decrease and the network will be increasingly weak, so that the requirement of a sufficiently strong three-phase network at the feed node will no longer be satisfied. One will then have to go from mains-controlled to self-commutated inverters.

Die oben verlangte Kompatibilität zwischen rotierenden Synchrongeneratoren und selbstgeführten Wechselrichtern ist nur mit Wechselrichtern in so genannter Masterschaltung erreichbar. Die innere Spannung des Wechselrichters entspricht der Polradspannung des Synchrongenerators, deren Frequenz von der Generatorlast abhängt. Dementsprechend ist die Frequenz der inneren Spannung des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Last zu steuern. Der Wechselrichter verhält sich dann so, wie wenn er über eine rotierende Masse verfügte. Diese fiktive rotierende Masse ist die Voraussetzung für eine Beteiligung des Wechselrichters an der Primärregelung (proportionale Frequenzregelung) und übergeordneten Netzregelung unter Beibehaltung der üblichen Regelkreise und Regelkreisparameter.The above required compatibility between rotating synchronous generators and self-commutated inverters can only be reached with inverters in a so-called master circuit. The internal voltage of the inverter corresponds to the pole wheel voltage the synchronous generator whose frequency depends on the generator load. Accordingly is the frequency of the internal voltage of the inverter depending on to control from the load. The inverter then behaves as if it had a rotating mass decreed. This fictional rotating mass is the prerequisite for participation of the inverter at the primary control (proportional frequency control) and superordinate grid control while keeping the usual Control circuits and control loop parameters.

Durch die Beteiligung der als „Master" betriebenen Wechselrichter an der Erzeugung der Netzspannung bleibt auch bei schwachen Netzen und selbst im Inselnetz die Netzspannung frequenzmäßig stabil. Daher können bis zu einem gewissen Leistungsanteil auch als „Slave" betriebene Wechselrichter zusätzlich installiert werden. 0-a zeigt beispielhaft eine Konfiguration, bei der über den Master-Wechselrichter (1) und einen Gleichstromzwischenkreis (2) eine große Leistung aus einem (hier) entfernt liegenden Kraftwerk (3) bezogen wird und zusätzlich lokal (4) über einen Slave-Wechselrichter (5) eine relativ kleine Leistung in das Drehstromnetz (6) eingespeist wird.Due to the participation of the inverters operating as "master" in the generation of the mains voltage, the mains voltage remains stable in frequency even with weak networks and even in off-grid systems.Therefore up to a certain percentage of power inverters can also be installed as "slave". 0-a shows by way of example a configuration in which via the master inverter ( 1 ) and a DC link ( 2 ) a large power from a (here) remote power plant ( 3 ) and additionally locally ( 4 ) via a slave inverter ( 5 ) a relatively small power in the three-phase network ( 6 ) is fed.

0-b zeigt einen Übersichtsplan der beiden Wechselrichterstationen mit den für den Master- (1) und für den Slave-Wechselrichter (2) notwendigen Schaltungen (3 und 4) zur Erzeugung der inneren Wechselrichter spannungen. Die Frequenz der inneren Spannung des Master-Wechselrichters wird mittels Steuerung einer Spannungsquelle durch das Signal „Frequenz" (5) und einen PLL-Kreis (phase-locked-loop-Kreis) autonom erzeugt, während die Frequenz der inneren Spannung des Slave-Wechselrichters von der Netzspannung Vac (6) mittels eines PLL-Kreis abgeleitet wird. Die Phasenlagen der Spannungen werden durch das Signal „STAB" beim Master Wechselrichter, bzw. „δ" beim Slave Wechselrichter beeinflusst. Für die Blindleistungs- oder Netzspannungsregelung (Amplitude der Netzspannung) dienen die Steuersignale „Amplitude Master EMF" (10) und „Amplitude Slave EMF" (11). Durch Vergleich (12) der erzeugten Sinusspannungen mit einem höherfrequenten Dreiecksignal werden die Schaltsignale für die Stromrichter erzeugt. Alle Synchrongeneratoren des Netzes werden durch eine Ersatzmaschine (7) dargestellt. Die Erzeugungsseiten der Wechselrichter werden in 0-b vereinfacht durch Gleichspannungsquellen (8 und 9) dargestellt. 0-b shows an overview of the two inverter stations with those for the master ( 1 ) and for the slave inverter ( 2 ) necessary circuits ( 3 and 4 ) for generating the internal inverter voltages. The frequency of the internal voltage of the master inverter is determined by controlling a voltage source by the signal "Frequency" ( 5 ) and a PLL circuit (phase locked loop) is generated autonomously, while the frequency of the internal voltage of the slave inverter from the mains voltage Vac ( 6 ) is derived by means of a PLL circuit. The phase angles of the voltages are influenced by the signal "STAB" at the master inverter, or "δ" at the slave inverter. For the reactive power or mains voltage regulation (amplitude of the mains voltage) the control signals "Amplitude Master EMF" ( 10 ) and "Amplitude Slave EMF" ( 11 ). By comparison ( 12 ) of the generated sinusoidal voltages with a higher-frequency triangular signal, the switching signals for the power converters are generated. All synchronous generators of the network are replaced by a replacement 7 ). The generating sides of the inverters are in 0-b simplified by DC voltage sources ( 8th and 9 ).

Von besonderem Interesse ist in vorgenannten Figuren der Master-Wechselrichter. Master-Wechselrichter und Synchronmaschine müssen synchronisiert werden. Nur bei Vorliegen synchronen Laufs sind auch die oben genannten Regelfunktionen (Primärregelung, Sekundärreglung und Erzeugungsregelung) unter Einbezug des über Wechselrichter einspeisenden Kraftwerks (3) (0-a) realisierbar. Das Kraftwerk kann eine EEG-Anlage oder auch ein konventionelles Kraftwerk sein, das über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Leistung in ein Drehstromnetz liefert. Während Windkraftanlagen auf die Primärregelung beschränkt sind /3/, können Laufwasserkraftwerke großer Kapazität und Leistung auch für die Sekundärregelung und für die automatische Erzeugungsregelung eingesetzt werden.Of particular interest in the aforementioned figures is the master inverter. Master inverter and synchronous machine must be synchronized. Only in the presence of synchronous operation are the above-mentioned control functions (primary control, secondary control and generation control) taking into account the power plant feeding in via inverter ( 3 ) ( 0-a ) feasible. The power plant can be an EEG plant or even a conventional power plant, which delivers power via a high-voltage direct current transmission in a three-phase network. While wind turbines are limited to primary control / 3 /, large capacity hydropower plants can also be used for secondary control and automatic generation control.

Vorrichtungen für die Realisierung der synchronisierenden Leistung und der Regelfunktionen sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Diese Vorrichtungen werden im Folgenden anhand der 1-a, 1-b, 1-c sowie der in 2-a, 2-b und 2-c gezeigten Simulationsschaltungen erläutert.Devices for the realization of the synchronizing power and the control functions are the subject of the present invention. These devices are described below with reference to the 1-a . 1-b . 1-c as well as in 2-a . 2 B and 2-c illustrated simulation circuits explained.

Basis der Erfindung und Grundlage für das Entstehen einer synchronisierenden Leistung ist der Funktionsblock INV-ROTMASS (1) (1-a), mit dem eine fiktive rotierende Masse INV-ROTMASS für den Wechselrichter INV (2) (1-a) mittels Elektronik und/oder Software realisiert wird. INV-ROTMASS ist eine integrierende Funktion mit einer durch die Eingangsgröße H (Trägheitskonstante) (1) (1-a) beliebig einstellbaren Verstärkung.Basis of the invention and basis for the emergence of a synchronizing power is the function block INV-ROTMASS ( 1 ) ( 1-a ), with which a notional rotating mass INV-ROTMASS for the inverter INV ( 2 ) ( 1-a ) is realized by means of electronics and / or software. INV-ROTMASS is an integrating function with an input H (inertial constant) ( 1 ) ( 1-a ) arbitrarily adjustable gain.

Weitere Eingangsgrößen von INV-ROTMASS (1) (1-a) sind der Istwert Pd_master (hier gebildet als Produkt aus der Gleichspannung Udc und dem Gleichstrom Idc), der Sollwert Pd_master_ref der Wechselrichter-Wirkleistung sowie die durch die Primärregelung entstehende Änderung des Sollwertes delta_Pd_master_ref. Außerdem wird die von der Sekundärregelung erzeugte Größe part_delta_Pd_master, deren Funktion weiter unten beschrieben wird, dem Funktionsblock INV-ROTMASS zugeführt.Further input variables of INV-ROTMASS ( 1 ) ( 1-a ) are the actual value Pd_master (formed here as a product of the DC voltage U dc and the DC current I dc ), the setpoint Pd_master_ref of the inverter active power as well as the change of the setpoint delta_Pd_master_ref resulting from the primary control. In addition, the quantity generated by the secondary control part_delta_Pd_master, whose function is described below, the function block INV-ROTMASS supplied.

Die Sollwertänderung delta_Pd_master_ref ergibt sich durch die Primärregelung (3 u. 4) (1-a). Die Statiken der Primärregelung sind mittels Kp_master und Kp_syn_generator in den Blöcken 3 und 4 einstellbar (1-a).The setpoint change delta_Pd_master_ref results from the primary control ( 3 u. 4 ) ( 1-a ). The statics of the primary control are in the blocks using Kp_master and Kp_syn_generator 3 and 4 adjustable (adjustable) 1-a ).

Ausgangsgröße von INV_ROTMASS (1) (1-a) ist delta_frequency_EMF_master, eine Frequenz, die zu der voreinstellbaren Frequenz preset_frequency_EMF_master addiert wird (8) (1-a). Siehe hierzu auch die Simulationsschaltung in 2-a. Die resultierende Größe frequency_EMF_master ist die regelungstechnische Vorgabe für die Erzeugung der tatsächlichen Frequenz der inneren Wechselspannung des Wechselrichters.Output size of INV_ROTMASS ( 1 ) ( 1-a ) is delta_frequency_EMF_master, a frequency that is added to the presettable frequency preset_frequency_EMF_master ( 8th ) ( 1-a ). See also the simulation circuit in 2-a , The resulting variable frequency_EMF_master is the control engineering specification for the generation of the actual frequency of the internal AC voltage of the inverter.

Die innere Wechselrichterspannung wird über eine PLL-Schaltung (5) (1-a) mit nachfolgender Erzeugung von pulsweitenmodulierten Schaltsignal-Mustern (mittels sin (theta) (6) und CMP (comparator) (7)) generiert.The internal inverter voltage is supplied via a PLL circuit ( 5 ) ( 1-a ) with subsequent generation of pulse width modulated switching signal patterns (by means of sin (theta) ( 6 ) and CMP (comparator) ( 7 )).

Eine weitere Eingangsgröße für den Block 6 ist das Signal STAB. Dieses Signal wird z.B. aus einer im System schwingenden Wirkleistung gewonnen. Mit diesem Signal lassen sich beim Laststoß Einschwingvorgänge dämpfen.Another input for the block 6 is the signal STAB. This signal is obtained, for example, from an active power oscillating in the system. With this signal, transients can be dampened during load shock.

Eingangsgrößen für den Proportional-Regler des Wechselrichters P-controller INV (3) (1-a) sind der Frequenz-Istwert frequency_master_bus und der Frequenz-Sollwert frequency_master_bus_ref. Siehe hierzu ebenfalls die Simulationsschaltung in 2-a).Input variables for the proportional controller of the inverter P-controller INV ( 3 ) ( 1-a ) are the frequency actual value frequency_master_bus and the frequency setpoint frequency_master_bus_ref. See also the simulation circuit in 2-a ).

Alle Regeleinrichtungen des Wechselrichters sind im strichpunktiert umrandeten Block INV-ALFC-PRIM (11) (1-a) (Inverter – Automatic Load Frequency Control – Primary Control) zusammengefasst. Siehe hierzu auch die Simulationsschaltung in 2-a.All control devices of the inverter are in the dash-dotted line block INV-ALFC-PRIM ( 11 ) ( 1-a ) (Inverter - Automatic Load Frequency Control - Primary Control). See also the simulation circuit in 2-a ,

Bei der Synchronmaschine (9) (1-a) ist die Primärregelung SYN-ALFC-PRIM (10) (1-a) (Synchronous Generator – Automatic Load Frequency Control – Primary Control) durch die übliche Drehzahlregelung der Turbine gegeben. Siehe hierzu auch die Simulationsschaltung in 2-b.In the synchronous machine ( 9 ) ( 1-a ), the primary control is SYN-ALFC-PRIM ( 10 ) ( 1-a ) (Synchronous Generator - Automatic Load Frequency Control - Primary Control) given by the usual speed control of the turbine. See also the simulation circuit in 2 B ,

Die Sekundärregelung (12) (1-a) (rechts unten stichpunktiert umrandeter Block) beseitigt Frequenzabweichungen nach Laständerungen. Die Schnelligkeit der Sekundärregelung ist in dem Funktionsblock ALFC-SEC (13) (1-a) (Automatic Load Frequency Control – Secondary Control) durch den Verstärkungsfaktor Ki einstellbar. Siehe hierzu auch die Simulationsschaltung in 2-c.The secondary regulation ( 12 ) ( 1-a ) (block labeled with a dot on the bottom right) eliminates frequency deviations after load changes. The speed of the secondary control is in the function block ALFC-SEC ( 13 ) ( 1-a ) (Automatic Load Frequency Control - Secondary Control) by the gain K i adjustable. See also the simulation circuit in 2-c ,

Die Aufteilung der erzeugten Leistung zwischen den Erzeugern geschieht hier automatisch über die einstellbaren „participation factors", und zwar für die Aufteilung zwischen erneuerbarer Energie und konventioneller Energie mittels AGC (14) (1-a) (Automatic Generation Control) und für die Aufteilung innerhalb der beiden Energieerzeugungsarten mittels INV-AGC (15) (1-a) (Inverter – Automatic Generation Control) und SYN-AGC (16) (1-a) (Synchronous Generator – Automatic Generation Control). Siehe hierzu auch die Simulationsschaltung in 2-c.The distribution of the generated power between the producers is done automatically via the adjustable "participation factors", namely for the distribution between renewable energy and conventional energy by means of AGC ( 14 ) ( 1-a ) (Automatic Generation Control) and for the division within the two types of energy generation by means of INV-AGC ( 15 ) ( 1-a ) (Inverter - Automatic Generation Control) and SYN-AGC ( 16 ) ( 1-a ) (Synchronous Generator - Automatic Generation Control). See also the simulation circuit in 2-c ,

Die Eingangsseite des Wechselrichters INV (2) (1-a) bilden die Gleichstrom-Sammelschienen. In 1-b sind dies die Klemmen a und b des Wechselrichters INV (5). Dies ist die Koppelstelle mit dem Gleichrichter GR (1) (1-b), der entweder lokal oder räumlich entfernt (dann Anbindung über Gleichstromleitung GL (2)) aufgestellt ist.The input side of the inverter INV ( 2 ) ( 1-a ) form the DC busbars. In 1-b these are the terminals a and b of the inverter INV ( 5 ). This is the coupling point with the rectifier GR ( 1 ) ( 1-b ), which either locally or spatially removed (then connection via DC line GL ( 2 )) is set up.

Voraussetzung für eine unbegrenzte Beteiligung des Wechselrichters an der Leistungs-Frequenzregelung ist, wie auch bei konventioneller Erzeugung, eine für Regelungszwecke hinreichende Leistungslieferung. Dies ist nur gewährleistet, wenn die Gleichspannung Udc und der Gleichstrom Idc die für den Leistungsfluss erforderlichen Werte annehmen können. Dies wiederum bedeutet z.B. für Wasserkraftgeneratoren oder für Windkraftanlagen, die beide mit Synchrongeneratoren (4) arbeiten (1-b), dass die Klemmenspannung des Synchrongenerators über die Erregung des Synchrongenerators auf ihren Nennwert regelbar sein muss. Bei gesteuertem Gleichrichter kann die Gleichspannung auch über den Gleichrichter selbst geregelt werden.The prerequisite for an unlimited participation of the inverter in the power frequency control is, as with conventional generation, sufficient for regulatory purposes power delivery. This is only guaranteed if the DC voltage U dc and the DC current I dc can assume the values required for the power flow. This in turn means, for example, for hydropower generators or wind turbines, both with synchronous generators ( 4 ) work ( 1-b ) that the terminal voltage of the synchronous generator must be controllable by the excitation of the synchronous generator to its nominal value. With a controlled rectifier, the DC voltage can also be controlled via the rectifier itself.

Außerdem muss der für die angeforderte Wechselrichterleistung notwendige Gleichstrom Idc fließen können.In addition, the DC current I dc necessary for the requested inverter power must be able to flow.

Die erste Forderung wird durch eine entsprechende Dimensionierung des Generators und seiner Erregung erfüllt. Um die zweite Forderung zu erfüllen, ist die Nennwechselrichterleistung über Pd_master_ref (11) (1-a) so einzustellen, dass die speisende Turbine (z.B. Wasserkraftturbine (3) oder Windturbine (3) in 1-b) in einem Betriebspunkt arbeitet, der genügend Reserve für die Beteiligung an Regelaufgaben lässt. Eine Veränderung der Wechselrichterleistung (infolge Regelung) bedeutet dann, gekoppelt durch die Gleichstromübertragung, gleichzeitig eine Veränderung der elektrischen Leistung des Synchrongenerators (4) (1-b).The first requirement is met by an appropriate dimensioning of the generator and its excitement. To meet the second requirement, the rated inverter power is Pd_master_ref ( 11 ) ( 1-a ) so that the feeding turbine (eg hydropower turbine ( 3 ) or wind turbine ( 3 ) in 1-b ) operates at a point of operation leaving enough reserve for participation in regulatory tasks. A change in the inverter power (due to control) then, coupled by the DC transmission, at the same time a change in the electrical power of the synchronous generator ( 4 ) ( 1-b ).

Über die Drehzahlregelung der Turbine (3) wird ein Gleichgewicht zwischen mechanischer Antriebsleistung und elektrischer Leistung des Synchrongenerators hergestellt. Diese elektrische Leistung des Synchrongenerators ist die vom Wechselrichter bezogene Leistung plus Übertragungsverluste.About the speed control of the turbine ( 3 ), a balance is established between mechanical drive power and electrical power of the synchronous generator. This electrical power of the synchronous generator is the power consumed by the inverter plus transmission losses.

Liegt der Betriebspunkt des Erzeugers so, dass keine Regelmarge vorhanden ist, oder reduziert sich das Primärenergieangebot so stark, dass eine vorher vorhandene Regelmarge verloren geht, dann wird sich wegen eines Ungleichgewichts zwischen der Leistungsanforderung des Wechselrichters und der begrenzten mechanischen Antriebsleistung des Generators die Generatordrehzahl verkleinern. Zur Vermeidung eines unzulässigen Drehzahlabfalls muss die Wechselrichterleistung verkleinert werden. Dadurch verringert sich auch die Leistungsanforderung an das einspeisende Kraftwerk. Durch die oben beschriebene Primär- und Sekundärregelung erfolgt automatisch eine Umverteilung auf andere das Drehstromnetz speisende Erzeuger.Lies the operating point of the producer so that no control margin exists is, or the primary energy supply is reduced so much that a pre-existing rule margin is lost then it will because of an imbalance between the performance requirement of the Inverter and limited mechanical drive power of the generator to reduce the generator speed. To avoid an inadmissible Speed reduction, the inverter power must be reduced. Thereby Also reduces the power requirement to the feeding Power plant. By the above-described primary and secondary control a redistribution to other three-phase network takes place automatically feeding producers.

Für die Verringerung der Wechselrichterleistung werden eine Hauptfunktion und eine Back-up Funktion vorgesehen. Die Hauptfunktion enthält die Berechnung der aktuell verfügbaren Leistung und deren Übermittlung an die Wechselrichterstation als maximal zulässige Leistung Pd_master_limit (18) (in Block 11 INV-ALFC-PRIM) (1-a). Die Übermittlung geschieht bei Fernübertragungen mittels einer nachrichtentechnischen Verbindung.For the reduction of inverter power, a main function and a back-up function are provided. The main function contains the calculation of the currently available power and its transmission to the inverter station as the maximum permissible power Pd_master_limit ( 18 ) (in block 11 INV-ALFC-PRIM) ( 1-a ). The transmission takes place during remote transmissions by means of a telecommunications connection.

Bei erneuerbarer Energie wird die aktuell verfügbare Leistung aus aktuellem Windangebots. Abschnitt 4.6 /1/), bzw. aktueller Sonneneinstrahlung berechnet und ebenfalls als Signal Pd_master_limit der Min-Auswahl min-selection (18) (1-a) zugeführt. Der Min-Wert oder ein um eine Regelmarge niedrigerer Wert (ersteres bei Fahren mit maximaler Einspeisung, letzteres bei Fahren mit Beteiligung an der Primärregelung) wird als Leistungssollwert dem Block INV-ROTMASS (1) (1-a) zugeführt. Siehe hierzu auch 2-a.In the case of renewable energy, the currently available power is calculated from the current wind supply. Section 4.6 / 1 /), or actual solar radiation calculated and also as a signal Pd_master_limit of the min selection min-selection ( 18 ) ( 1-a ). The Min value or a value lower by one control margin (the former for maximum feed driving, the latter for primary drive participation) is used as the power setpoint in the INV-ROTMASS block ( 1 ) ( 1-a ). See also 2-a ,

Die Back-Up Funktion wird aktiviert, wenn die Hauptfunktion ausfällt. Dies ist dann der Fall, wenn entweder die berechnete Leistung nicht tatsächlich verfügbar ist oder wenn die nachrichtentechnische Übertragung des Signals Pd_master_limit defekt ist.The Back-up function is activated when the main function fails. This is the case if either the calculated power is not actually available or if the telecommunications transmission of the signal Pd_master_limit is defective.

Die Back-up Funktion basiert bei rotierenden Erzeugern auf der Drehzahldifferenz, die bei einem Defizit an angebotener Primärleistung einen einstellbaren Schwellwert überschreitet. Die Funktion ist wie folgt: die Drehzahldifferenz Δn = n* – n (Sollwert minus Istwert) (1-b) erzeugt über eine Schwellwertfunktion SWF1 (6) (1-b) einen Befehl, mit dem die Gleichspannung des Gleichrichters auf einen einstellbaren Wert Udc* (z.B. 90% des Nennwertes) entweder über den Synchrongenerator (4) oder über den Gleichrichter (1) (1-b) selbsttätig reduziert wird.The back-up function is based on the rotation speed difference for rotating generators, which exceeds an adjustable threshold value in the event of a deficit in the offered primary power. The function is as follows: the speed difference Δn = n * - n (setpoint minus actual value) ( 1-b ) generates via a threshold value function SWF1 ( 6 ) ( 1-b ) a command, with which the DC voltage of the rectifier to an adjustable value U dc * (eg 90% of the nominal value) either via the synchronous generator ( 4 ) or via the rectifier ( 1 ) ( 1-b ) is automatically reduced.

An der Wechselrichterstation INV (5) (1-b) wird die Wechselrichterspannung Udc gemessen, und bei festgestelltem Absinken auf z.B. 90% des Wertes wird ein Signal MPL (Master Power Limit) (7) (1-b) gebildet, das den Sollwert der Wechselrichterleistung (Pd_master_ref) auf einen vorgebbaren Wert (z.B. auf 90% des vorherigen Wertes) verkleinert (17) (1-a). Ist diese Maßnahme nicht erfolgreich, das heißt sinkt die Drehzahl weiterhin, so wird in einer zweiten Stufe der Sollwert der Wechselrichterleistung weiter verkleinert. Bei weiterhin fehlendem Erfolg können weitere Stufen der Leistungsverkleinerung vorgesehen werden, bzw. der Wechselrichter wird vom Netz genommen. Die Größe der Leistungsabsenkung muss so gewählt werden, dass der bei reduzierter Gleichspannung eintretende Strom Idc entweder nicht größer als der Nenngleichstrom ist oder aber eine entsprechende Überstromfähigkeit vorgesehen wird.At the inverter station INV ( 5 ) ( 1-b ), the inverter voltage U dc is measured, and when it drops to, for example, 90% of the value, a signal MPL (Master Power Limit) ( 7 ) ( 1-b ), which reduces the setpoint value of the inverter power (Pd_master_ref) to a predefinable value (eg to 90% of the previous value) ( 17 ) ( 1-a ). If this measure is unsuccessful, that is, the speed continues to decrease, the setpoint of the inverter power is further reduced in a second stage. If there is still a lack of success, further stages of power reduction can be provided, or the inverter is disconnected from the grid. The size of the power reduction must be selected such that the current I dc entering at reduced DC voltage is either not greater than the nominal direct current or else a corresponding overcurrent capability is provided.

Sobald wieder hinreichend Regelmarge vorliegt, wird bei vorher aktivierter Back-up Funktion die Gleichspannung auf den ursprünglichen Wert zurückgesetzt. Dadurch wird das Begrenzungssignal MPL auf Null zurückgesetzt.As soon as again sufficient margin exists, is activated at previously Back-up function the DC voltage to the original one Value reset. Thereby, the limit signal MPL is reset to zero.

Regelmarge wird festgestellt durch Vergleich der aktuell gelieferten Leistung mit dem berechneten aktuellen Leistungspotential oder durch Messung des Anstellwinkels der Windradflügel bei einer Windkraftanlage. Bei Vergleich der Leistungen ist ein über eine längere Zeitdauer (z.B. mehrere Minuten) hinweg bestehendes prospektives Verhältnis von z.B. 90% der übertragenen Leistung zur verfügbaren Leistung ein Indiz, das MPL-Signal auf Null zu setzen, bzw. bei der Hauptfunktion den Leistungswert Pd_master_limit wieder hochzusetzen. Liegt keine Fernübertragung, sondern eine lokale Erzeugung und eine Einspeisung über einen Master-Wechselrichter vor, so entfällt die nachrichtentechnische Signalübertragung. Das Signal Pd_master_limit wird unmittelbar der Min-Auswahl (18) (1-a) zugeführt. Ansonsten bleiben die Funktionen wie oben bei der Fernübertragung beschrieben. Bei der Back-Up Funktion wird der Ausgang der Schwellwertfunktion SWF1 unmittelbar zur Bildung des Signals MPL (7) (1-b) verwendet.Control margin is determined by comparing the currently delivered power with the calculated current power potential or by measuring the angle of attack of the wind turbine blades in a wind turbine. When comparing the performances, a prospective ratio of, for example, 90% of the transmitted power to the available power over an extended period of time (eg several minutes) is an indication that the MPL signal is set to zero or, in the case of the main function, the power value Pd_master_limit pull up. If there is no remote transmission, but a local generation and an infeed via a master inverter, so the message technology signal transmission is eliminated. The signal Pd_master_limit is immediately the min selection ( 18 ) ( 1-a ). Otherwise, the functions remain as described above for the remote transmission. In the back-up function, the output of the threshold value function SWF1 is used directly to form the signal MPL (FIG. 7 ) ( 1-b ) used.

Bei Leistungsbezug aus nicht rotierenden Erzeugern (z.B. Brennstoffzellen, Photovoltaische Anlagen) wird ein Signal MPL aus dem Vergleich der gelieferten Leistung und dem Leistungsvermögen gebildet.at Power sourcing from non-rotating generators (e.g., fuel cells, Photovoltaic systems) is a signal MPL from the comparison of supplied performance and performance.

Die Erfindung deckt auch den Fall ab, dass die regenerative Energie nicht nur von einer einzigen Turbine erzeugt wird, sondern durch mehrere parallel betriebene, wie z.B. in einem Windpark (1-c). Im Windpark speist jeder Synchrongenerator (Syn) einen zugeordneten Gleichrichter (GR) und dieser über eine Gleichstromleitung (GL) einen zugeordneten, selbstgeführten Wechselrichter (WR). Alle Wechselrichter speisen auf einen gemeinsamen Drehstromknoten. Es handelt sich bei dem Knoten um ein Inselnetz ohne räumliche Ausdehnung. Es kann eine gewisse räumliche Ausdehnung geben, wenn die Ankopplung an den Knoten über ein Drehstromkabel geschieht. Ein einziger Gleichrichter (GR gesamt) überträgt vom Drehstromknoten die Gesamtleistung über eine Gleichstromleitung (GL) zum im Verbrauchernetz installierten selbstgeführten Wechselrichter (WR gesamt). Die oben besprochenen Regelvorrichtungen (1-a und 1-b) wiederholen sich für die einzelnen Gleichstromübertragungen mit Gleichrichter und selbstgeführten Wechselrichtern und für die einzelnen Erzeuger im Windpark.The invention also covers the case that the regenerative energy is generated not only by a single turbine, but by several parallel operated, such as in a wind farm ( 1-c ). In the wind farm, each synchronous generator (Syn) feeds an associated rectifier (GR) and this via a DC line (GL) an associated, self-commutated inverter (WR). All inverters feed on a common three-phase current node. The node is an island network without spatial extent. There may be some spatial expansion when coupling to the node via a three-phase cable. A single rectifier (GR total) transfers the total power from the three-phase node via a DC line (GL) to the self-commutated inverter installed in the consumer network (WR total). The control devices discussed above ( 1-a and 1-b ) are repeated for the individual DC transmissions with rectifiers and self-commutated inverters and for the individual producers in the wind farm.

Die im VDN-Leitfaden angesprochene Beteiligung von EEG-Anlagen an der Frequenzhaltung kann mit den Vorrichtungen, für die im folgenden Patentansprüche gestellt werden, realisiert werden. Die Ansprüche beziehen sich aber nicht nur auf EEG-Anlagen, sondern auf alle Anlagen, die über selbstgeführte, pulsweitenmodulierte Wechselrichter Leistung in ein Drehstromnetz liefern.The mentioned in the VDN guideline participation of EEG systems in the frequency maintenance can with the devices, for in the following claims be realized. The claims do not relate only on EEG systems, but on all systems that use self-commutated, pulse width modulated Inverters deliver power to a three-phase network.

Literaturliterature

  • /1/ VDN e.V., EEG-Erzeugungsanlagen am Hoch- und Höchstspannungsnetz, Ergänzung zu den Netz-Codes, August 2004./ 1 / VDN e.V., EEG generation plants at the high voltage and extra high voltage grid, complement to the network codes, August 2004.
  • /2/ Heier, S., Windkraftanlagen, Teubner Verlag, 4. Ausgabe, Februar 2005./ 2 / Heier, S., wind turbines, Teubner Verlag, 4th edition, February 2005.
  • /3/ Holst, A., Prillwitz, F., Weber, H., Netzregelverhalten von Windkraftanlagen, 6. GMA/ETG-Fachtagung, 21.–22. Mai 2003, München./ 3 / Holst, A., Prillwitz, F., Weber, H., Network control behavior Wind Turbines, 6th GMA / ETG Symposium, 21.-22. May 2003, Munich.

Claims (6)

Realisierung einer fiktiven rotierenden Masse bei selbstgeführtem, pulsweitenmodulierten Wechselrichter durch elektronische Schaltung oder Software (1) (s. 1-a) zur Integration selbstgeführter Wechselrichter, die entweder Leistung aus EEG-Anlagen oder konventionellen Kraftwerken in ein Drehstromnetz liefern. Beim Drehstromnetz kann es sich auch um ein Inselnetz handeln, in dem keine rotierenden Erzeuger mehr vorkommen.Realization of a fictitious rotating mass with self-commutated, pulse width modulated inverter by electronic circuit or software ( 1 ) (s. 1-a ) for the integration of self-commutated inverters that either supply power from EEG plants or conventional power plants to a three-phase grid. The three-phase network can also be a stand-alone grid in which no rotating generators occur anymore. Elektronische Schaltung oder Software (3) (1-a) abhängig von Anspruch 1 und aufsetzend auf (1) (1-a) für die Primärregelung des Wechselrichters (2) (1-a) und des konventionellen Synchrongenerators (9) (1-a).Electronic circuit or software ( 3 ) ( 1-a ) depending on claim 1 and based on ( 1 ) ( 1-a ) for the primary control of the inverter ( 2 ) ( 1-a ) and the conventional synchronous generator ( 9 ) ( 1-a ). Elektronische Schaltung oder Software (13 bis 16) (1-a) abhängig von Ansprüchen 1 und 2, aufsetzend auf (1) (1-a) für die Sekundärregelung (ALFC-SEC) (12) (1-a) und automatische Erzeugungsregelung (AGC) (12) (1-a) des Wechselrichters (2) (1-a) und des konventionellen Synchrongenerators (9) (1-a).Electronic circuit or software ( 13 to 16 ) ( 1-a ) depending on claims 1 and 2, based on ( 1 ) ( 1-a ) for secondary control (ALFC-SEC) ( 12 ) ( 1-a ) and automatic generation control (AGC) ( 12 ) ( 1-a ) of the inverter ( 2 ) ( 1-a ) and the conventional synchronous generator ( 9 ) ( 1-a ). Vorrichtung zur Begrenzung der Wechselrichterleistung bei begrenzter dargebotsabhängiger Leistung durch on-line Berechnung der dargebotsabhängigen Leistung, Übermittlung des Wertes an den Wechselrichter und Min-Auswahl des Leistungssollwertes (Block 18 in 1-a) aufbauend auf den vorherigen Ansprüchen.Device for limiting the inverter performance with limited supply-dependent power through on-line calculation of the supply-dependent power, transmission of the value to the inverter and Min selection of the power setpoint (block 18 in 1-a ) based on the previous claims. Back-Up Funktion zur Hauptfunktion (Anspruch 4) bei Ausfall der Hauptfunktion oder sonst fehlerhafter Hauptfunktion: Vorrichtung (1) (1-b) zur Reduktion der Gleichspannung des Gleichrichters GR (1-b) und Vorrichtung (7) (1-b) zur Erfassung der Gleichspannungsabsenkung und zur Erzeugung des Leistungsreduktionssignals MPL (1-b) bei Fernübertragungen. Verwendung des Signals MPL gemäß Block 17 in 1-a. Bei lokaler Einspeisung unmittelbare Erzeugung des Signals MPL aus der Drehzahldifferenz durch Vorrichtung 6.Back-up function to the main function (claim 4) in case of failure of the main function or otherwise faulty main function: device ( 1 ) ( 1-b ) for reducing the DC voltage of the rectifier GR ( 1-b ) and device ( 7 ) ( 1-b ) for detecting the DC voltage reduction and for generating the power reduction signal MPL ( 1-b ) in long distance transmissions. Use of the signal MPL according to block 17 in 1-a , In local feed direct generation of the signal MPL from the speed difference by device 6 , Realisierung der Leistungs-Frequenzregelung unter Einbezug einer Vielzahl kleinerer regenerativer Einspeisungen innerhalb eines „Parks", z.B. Windpark. Speisung des Gleichrichters der Hochspannungs-Gleichstrom-Fernübertragung durch mehrere selbstgeführte Wechselrichter, die wiederum über HGÜ-Leitungen von Gleichrichtern gespeist werden, welche die Wechselspannung der Synchrongeneratoren gleichrichten. Die Regelvorrichtungen der Ansprüche 1 bis 5 wiederholen sich.Realization of the power frequency control under Inclusion of a large number of smaller regenerative feeds within a "park", such as a wind farm. Powering the rectifier of high voltage dc remote transmission by several self-guided Inverters, in turn, via HVDC lines be fed by rectifiers, which are the AC voltage of Synchronize synchronous generators. The control devices of claims 1 to 5 repeat themselves.
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