DE102009031017A1

DE102009031017A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Netzzustandsbeobachtung

Info

Publication number: DE102009031017A1
Application number: DE102009031017A
Authority: DE
Inventors: Alfred Beekmann; Volker Prof. Diedrichs
Original assignee: Individual
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: DK3531141T3; AR077282A1; WO2011000754A1; DE102009031017B4; CA2766723A1; US9970968B2; CA2766723C; CN102472780A; EP2449387A1; BRPI1014223A2; US20150219702A1; BRPI1014223B1; JP5956333B2; CN102472780B; EA021435B1; CL2014001302A1; US8981755B2; ES2731640T3; EA201270093A1; AU2010268134A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen elektrischer Größen eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes mit einer ersten, zweiten und dritten Phase, umfassend die Schritte Messen jeweils eines Spannungswertes der ersten, zweiten und dritten Phasen in Bezug auf einen Neutralleiter zu einem ersten Zeitpunkt, Transformieren der drei Spannungswerte des ersten Zeitpunktes in Polarkoordinaten mit einer Spannungsamplitude und einem Phasenwinkel, Wiederholen des Messens und Transformierens für wenigstens einen weiteren Zeitpunkt und Bestimmen der aktuellen Frequenz, Spannungsamplitude und/oder des Phasenwinkels wenigstens einer der Phasen aus den in Polarkoordinaten transformierten Spannungswerten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen elektrischer Größen eines 3-phasigen Wechselspannungsnetzes mit einer ersten, zweiten und dritten Phase. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen elektrischer Größen eines 3-phasigen Wechselspannungsnetzes sowie eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Windenergieanlage, die zum Erfassen elektrischer Größen eines Wechselspannungsnetzes und/oder zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz vorbereitet ist.
Insbesondere um elektrische Energie in ein bestehendes elektrisches Wechselspannungsnetz einzuspeisen, ist es erforderlich, dieses möglichst genau zu kennen. Die Kenntnis der Frequenz der Wechselspannung in dem Netz sowie Beträge und Phasen der Spannungen sind von Bedeutung. Aber auch für andere Zwecke, die mit der Einspeisung zusammenhängen können, wie beispielsweise das Erkennen von Störungen im Netz, ist eine möglichst genaue und möglichst zeitnahe Erfassung vornehmlich der elektrischen Spannungen des Netzes wünschenswert.
Um Frequenz und Phasenwinkel der Wechselspannung eines elektrischen Wechselspannungsnetzes zu erfassen, werden üblicherweise Nulldurchgänge der Spannung erfasst. Der zeitliche Abstand zweier benachbarter Spannungsnulldurchgänge entspricht einer halben Periodendauer, woraus die Frequenz berechnet werden kann. Somit ist auch die Phasenlage aus dem Nulldurchgang und der Frequenz oder den beiden Nulldurchgängen bestimmbar.
Nachteilig hierbei ist insbesondere, dass entsprechend zumindest die Zeitdauer einer Halbperiode nötig ist, um die Frequenz und damit Frequenzänderungen zu erfassen. Gleichzeitig kann die Qualität bei solchen Messverfahren ungenügend sein. Insbesondere für Wechselspannungsnetze, die zunehmend durch dezentrale Energieversorgung gespeist und auch gestützt werden, ist eine möglichst schnelle Messung mit möglichst hoher Qualität von Bedeutung. Auch das zuverlässige und schnelle Erfassen von Netzstörungen, wie das Auftreten von Kurzschlüssen, gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, ein bezogen auf wenigstens eines der oben genannten Nachteile verbessertes Verfahren bzw. entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen. Insbesondere sollte ein Messverfahren vorgeschlagen werden, das möglichst in Bezug auf Geschwindigkeit und Qualität verbessert ist. Zumindest war ein alternatives Messverfahren und ein alternatives Verfahren zum Einspeisen sowie entsprechende Vorrichtungen vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erfassen elektrischer Größen eines 3-phasigen Wechselspannungsnetzes gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Ausgegangen wird von einem 3-phasigen Wechselspannungsnetz mit einer ersten, zweiten und dritten Phase. Die Angabe eines Phasenwinkels bezieht sich nachfolgend grundsätzlich auf die erste Phase, soweit nichts anderes angegeben ist. Indizes von 1 bis 3, insbesondere von Spannungen oder Phasenwinkeln, beziehen sich grundsätzlich auf die erste, zweite bzw. dritte Phase.
In einem Verfahrensschritt wird zu einem ersten Zeitpunkt von der ersten, zweiten und dritten Phase jeweils ein Spannungswert, nämlich eine Strangspannung erfasst bzw. gemessen, also die Spannung bezogen auf den Neutralleiter oder ein anderes neutrales Potential.
Als nächster Schritt erfolgt eine Transformation der zum ersten Zeitpunkt gemessenen Spannungswerte in Polarkoordinaten in eine komplexwertige Größe, wodurch entsprechend ein Betrag und ein Phasenwinkel entsteht. Der Phasenwinkel bezieht sich dabei auf die erste Spannung. Die Transformation kann wie folgt durchgeführt werden:
In einem nächsten Schritt wird das Messen und Transformieren für wenigstens einen weiteren Zeitpunkt wiederholt. Somit liegen zu zumindest zwei Zeitpunkten eine in Polarkoordinaten transformierte Spannungsmessung vor. Aus diesen Werten in Polarkoordinaten werden dann die Frequenz, die Spannungsamplitude und/oder der Phasenwinkel wenigstens einer der Phasen bestimmt.
Üblicherweise dürfte das Verfahren digital umgesetzt werden. In diesem Fall laufen die beschriebenen Verfahrensschritte zumindest teilweise zeitlich gesehen nacheinander ab. Insbesondere wird zu einem ersten Zeitpunkt die Spannung der drei Phasen gemessen, eine Transformation durchgeführt und dann zu einem zweiten danach liegenden Zeitpunkt erneut die Spannungen der drei Phasen gemessen. Grundsätzlich kommt aber auch eine analoge Umsetzung in Betracht, wobei im wesentlichen eine kontinuierliche Messung durchgeführt werden könnte.
Vorzugsweise wird die aktuelle Frequenz, eine Spannungsamplitude und die Phasen der drei Spannungen berechnet. Ebenfalls bevorzugt liegen die Zeitpunkte der Messung um weniger als eine Halbperiode – ausgehend von der erwarteten Frequenz – auseinander.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung der einen effektiven Frequenz der drei Wechselspannungen eine Frequenzregelung verwendet, die ausdrücklich nicht nach dem Konzept des Phase-locked-loop (PLL) arbeitet und eine erste Hilfsfrequenz ausregelt. Hierfür wird ein Regelkreis verwendet. Die erste Hilfsfrequenz ist im Grunde eine Zustandsgröße und ein Ergebnis dieses Regelkreises, die als Zwischengröße weiter verwertet werden kann. Grundsätzlich kann auch die erste Hilfsfrequenz selbst als erhaltene aktuelle Frequenz verwendet werden.
Aus der Hilfsfrequenz kann ein Hilfswinkel bestimmt werden. Durch Vergleich des Phasenwinkels, der bei der Koordinatentransformation ermittelt wurde, mit dem Hilfsphasenwinkel kann eine Größe zum Generieren der ersten Hilfsfrequenz erzeugt werden.
Vorzugsweise wird zur Frequenzregelung ein erster Differenzwinkel gebildet. Dieser erste Differenzwinkel ergibt sich als Differenz zwischen dem Phasenwinkel, der sich bei der Koordinatentransformation ergibt, und einem ersten um eine Abtastzeit zurückliegenden Hilfsphasenwinkel. Dieser erste Differenzwinkel könnte somit auch als Frequenz oder Differenzfrequenz interpretiert werden, weil jedenfalls die Differenz zwischen einem Phasenwinkel mit einem ein Abtastschritt zurückliegenden Phasenwinkel einer Frequenz entspricht.
Besagter erster Differenzwinkel wird gemäß dieser Ausführungsform mit einem ersten Verstärkungsfaktor multipliziert und/oder zu einem Anfangsfrequenzwert einer Frequenz addiert, um die erste Hilfsfrequenz zu erhalten. Der erste Hilfsphasenwinkel wird aus der ersten Hilfsfrequenz bestimmt. Als Anfangsfrequenzwert kann eine zu erwartende Frequenz, insbesondere die Nennfrequenz bzw. entsprechend die Nennkreisfrequenz des Netzes, verwendet werden.
Vorzugsweise wird zur Verbesserung der Frequenzbestimmung vorgeschlagen, einen zweiten Hilfsphasenwinkel mit einer zweiten Hilfsfrequenz zu bestimmen. Eine solche zweite Hilfsfrequenz kann – ggf. nach Filterung – als erfasste aktuelle Frequenz ausgegeben werden. Vorzugsweise basiert eine solche zweite Hilfsfrequenz und zweiter Hilfsphasenwinkel auf der ersten Hilfsfrequenz und dem ersten Hilfsphasenwinkel, gemäß einer der vorigen Ausführungsformen. Vorzugsweise wird die zweite Hilfsfrequenz und der zweite Hilfsphasenwinkel basierend auf einem vorgegebenen, dynamischen Verhalten abhängig von der ersten Hilfsfrequenz und dem ersten Hilfsphasenwinkel bestimmt, insbesondere geregelt.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, ausgehend von dem ersten Hilfsphasenwinkel und dem zweiten Hilfsphasenwinkel einen zweiten Differenzwinkel zu bestimmen. Dieser zweite Differenzwinkel wird als Differenz zwischen dem ersten Hilfsphasenwinkel und dem zweiten, um eine Abtastzeit zurückliegenden, Hilfsphasenwinkel gebildet. Weiterhin wird die erste und zweite Hilfsfrequenz zugrunde gelegt und daraus eine Hilfsdifferenzfrequenz bestimmt. Die Hilfsdifferenzfrequenz wird als Differenz zwischen der zweiten, um eine Abtastzeit zurückliegenden, Hilfsfrequenz und der ersten Hilfsfrequenz gebildet.
Außerdem wird eine Hilfswinkelbeschleunigung aus dem zweiten Differenzwinkel und der Hilfsdifferenzfrequenz gebildet. Diese Hilfswinkelbeschleunigung ist repräsentativ für eine zweite Ableitung des zweiten Hilfsphasenwinkels nach der Zeit und der zweite Hilfsphasenwinkel als auch die zweite Hilfsfrequenz werden aus dieser Hilfswinkelbeschleunigung berechnet.
Vorzugsweise wird die Hilfswinkelbeschleunigung als Differenz zwischen dem zweiten Differenzwinkel und der Hilfsdifferenzfrequenz gebildet, wobei der zweite Differenzwinkel und/oder die Hilfsdifferenzfrequenz jeweils mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert berücksichtigt werden können.
Insbesondere die Differenzbildung mit der Hilfsdifferenzfrequenz, was auch als Aufschaltung der Hilfsdifferenzfrequenz mit einem Verstärkungsfaktor – der grundsätzlich auch 1 sein könnte – bezeichnet werden kann, wirkt sich je nach Wahl der Verstärkungsfaktoren dämpfend auf die Dynamik der zweiten Hilfsfrequenz aus, soweit die Verfahrensschritte bzw. Verfahrensmerkmale in ihrer Wirkung interpretiert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die bei der Transformation erhaltene Spannungsamplitude als erfasste Ausgangsspannung ausgegeben. Außerdem oder alternativ wird gemäß dieser Ausführungsform der bei der Transformation erhaltene Phasenwinkel nach der Zeit differenziert – was diskret oder kontinuierlich erfolgen kann – und als erfasste Frequenz ausgegeben. Alternativ kann dieser differenzierte Phasenwinkel auch als erfasste Vergleichsfrequenz ausgegeben werden, wenn insbesondere eine weitere Größe als erfasste Frequenz ausgegeben wird.
Zusätzlich oder alternativ wird die zweite Hilfsfrequenz als erfasste Frequenz ausgegeben und zusätzlich oder alternativ der zweite Hilfsphasenwinkel als erfasster Phasenwinkel einer Phase, insbesondere der ersten Phase. Eine, mehrere oder alle der besagten Größen können vor dem Ausgeben ggf. geeignet gefiltert werden.
Die auszugebenden Größen, insbesondere die als erfasste Frequenz ausgegebene zweite Hilfsfrequenz und der als erfasste Phasenwinkel ausgegebene zweite Hilfsphasenwinkel bilden somit ein Verfahrensprodukt des Verfahrens. Eine solche ausgegebene erfasste Frequenz und ein solcher ausgegebener erfasster Phasenwinkel zeichnet sich insbesondere durch eine schnelle Erfassung aus. Das heißt, insbesondere die Ausgabe einer erfassten Frequenz, die eine Frequenzänderung des gemessenen Wechselspannungsnetzes in einem Zeitraum kleiner als einer halben Periodendauer aufweist, unterscheidet sich schon darin von einer üblichen Frequenzerfassung durch Messung der Spannungsnulldurchgänge. Falls gewünscht, könnte natürlich auch das erfindungsgemäße Verfahren langsamer ausgelegt bzw. implementiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird zudem das Wechselspannungsnetz auf das Vorliegen wenigstens einer Netzstörung überwacht. Zu solchen Netzstörungen gehört:

– der Verlust der Winkelstabilität,
– das Auftreten einer Inselnetzbildung,
– das Auftreten eines 3-phasigen Kurzschlusses, und
– das Auftreten eines 2-poligen Kurzschlusses.

Das Auftreten eines 3-phasigen Kurzschlusses kann insbesondere am Einbrechen der drei Strangspannungen und damit am Einbrechen der transformierten Spannungsamplitude erkannt werden. Bei einem 2-poligen Kurzschluss bricht grundsätzlich nur eine Spannung dann ein, wenn auf der d-Seite eines DY-Transformators (Dreieck-Stern-Transformators) gemessen wurde und der 2-polige Kurzschluss auf der D-Steite auftrat. Dies kann beispielsweise an einer oszillierenden Spannungsamplitude der transformierten Spannung erkannt werden.
Beim Verlust der Winkelstabilität, das im Englischen auch als ”loss of stability” (LOS) bezeichnet wird, weicht die Differentiation des Phasenwinkels ( dφ / dt ) von der Netzfrequenz bzw. der Netzkreisfrequenz ab. Zum Erfassen eines solchen Verlustes der Winkelstabilität ist eine schnelle Winkel- und Frequenzerfassung wünschenswert.
Beim Auftreten einer Inselnetzbildung, die im Englischen auch als ”loss of mains” (LOM) bezeichnet wird, bewegt sich die tatsächliche Frequenz allmählich aus dem Bereich der Nennfrequenz heraus und verlässt insbesondere einen vorgegebenen Toleranzbereich. Somit ist davon auszugehen, dass der Netzabschnitt, in dem gemessen wird, Kontakt zu einem größeren Hauptnetz mit einer stabileren Frequenz verloren hat.
Um das Vorliegen einer Netzstörung anzuzeigen, kann ein entsprechendes Signal bereitgestellt werden. Ein solches Signal kann innerhalb einer Prozessoreinheit bereitgestellt werden oder als Ausgabesignal ausgegeben werden. In jedem Fall ist ein solches Signal als Produkt des Verfahrens anzusehen. Insbesondere das schnelle und gezielte Erkennen wenigstens einer der genannten Netzstörungen ist ein angestrebtes Ziel und zeichnet ein solches Signal aus.
Insbesondere zu dem Verlust der Winkelstabilität und der Inselnetzbildung wurde erfindungsgemäß erkannt, dass diese zunehmend bei Netzen mit dezentral einspeisenden Energieversorgern zu erwarten sind. Eine schnelle und zuverlässige Erkennung ist hierbei von Bedeutung, um ggf. schnell und zielgerichtet eingreifen zu können.
Vorzugsweise wird die Messung bzw. Erfassung der elektrischen Größen auf eine Netzstörung hin beobachtet, um eine etwaige Netzstörung zu erkennen. Beim Auftreten einer Netzstörung wird die Erfassung im Sinne einer Schätzung basierend auf zuletzt verwendeten Größen fortgesetzt. Von einer tatsächlichen Erfassung kann insoweit nur die Rede sein, als dass von einem im Grunde stationären Fortbestehen der elektrischen Größen des Wechselspannungsnetzes ausgegangen wird. Insoweit wird vorgeschlagen, basierend auf zuletzt erfassten, insbesondere internen Größen des Verfahrens, die Erfassung ganz oder teilweise ohne Berücksichtigung von Eingangsmessgrößen fortzusetzen. Insoweit erfolgt zumindest eine Schätzung der gewünschten Größen, wobei keine oder nur eine teilweise Anpassung der Schätzgrößen abhängig von Messgrößen erfolgt.
Erfindungsgemäß bzw. gemäß einer Ausführungsform wird zudem vorgeschlagen, elektrische Größen des elektrischen Wechselspannungsnetzwerks, insbesondere unter Verwendung eines oben beschriebenen Verfahrens, zu messen und basierend darauf elektrischen Wechselstrom in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen, vorzugsweise 3-phasig. Dabei wird das Wechselspannungsnetz auf das Vorliegen wenigstens der Netzstörung des Verlustes der Winkelstabilität und/oder der Netzstörung des Auftretens einer Inselnetzbildung überwacht. Abhängig von der Überwachung, wenn also wenigstens eine der genannten Netzstörungen auftritt, werden Maßnahmen zum Stützen des Wechselspannungsnetzes eingeleitet. Grundsätzlich kommt natürlich auch in Betracht, das Einspeisen je nach Netzstörung zu unterbrechen und den betreffenden Energieerzeuger vom Netz zu trennen.
Vorzugsweise wird zusätzlich zum Überwachen des Verlustes der Winkelstabilität und/oder des Auftretens einer Inselnetzbildung das Auftreten eines 3-phasigen Kurzschlusses und/oder das Auftreten eines 2-poligen Kurzschlusses überwacht wird und Maßnahmen zum Stützen des Wechselspannungsnetzes eingeleitet werden, wenn wenigstens eine der genannten Netzstörungen auftritt.
Eine weitere Ausgestaltung schlägt vor, dass das Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendet wird, insbesondere um Frequenz und Phase des Netzes als Basis für die Einspeisung zu bestimmen, als auch um etwaige Netzstörungen zu erkennen, um schnell und zielgerichtet entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.
Das Einspeisen in das elektrische Wechselspannungsnetz kann dann in bekannter Weise erfolgen wie beispielsweise unter Verwendung eines 3-phasigen Wechselrichters, der ausgehend von einem Gleichspannungszwischenkreis die drei Phasen durch ein entsprechendes Pulsmuster mit Hilfe von Halbleiterschaltern erzeugt. Die jeweils benötigte Information zu Frequenz und Phase kann hierbei durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt werden.
Beim Überwachen der Netzstörungen wird vorzugsweise ab Auftreten der betreffenden Netzstörung diese innerhalb einer Erfassungszeit von weniger als einer Netzperiode, insbesondere innerhalb einer Erfassungszeit von weniger als einer halben Netzperiode erfasst werden. Ebenso wird vorgeschlagen, Maßnahmen zur Netzstützung ab Auftreten einer Netzstörung innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als einer Netzperiode, insbesondere innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als einer halben Netzperiode einzuleiten. Um Netzstörungen entsprechend schnell zu erfassen, um in der genannten kurzen Zeit die Netzstörung zu erfassen und auch in der genannten kurzen Zeit Stützmaßnahmen einzuleiten, wird ein wie oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, das zur Erfassung nicht auf das Messen von Spannungsnulldurchgängen beschränkt ist, sondern vielmehr unabhängig von den Spannungsnulldurchgängen und mehrfach zwischen Spannungsnulldurchgängen messen kann und entsprechend schnelle Ergebnisse liefern kann.
Außerdem wird eine Messvorrichtung zum Erfassen elektrischer Größen eines 3-phasigen elektrischen Wechselspannungsnetzwerkes vorgeschlagen, die im Wesentlichen ein erfindungsgemäßes Messverfahren umsetzt. Hierzu wird zumindest ein Messmittel zum Messen der elektrischen Momentanspannung jeder der drei Phasen bezogen auf einen Neutralleiter, also zur Messung der Strangspannungen, verwendet. Weiterhin ist eine Recheneinheit zum Bestimmen der Frequenz und Phase des elektrischen Netzwerkes vorgesehen. Die Messmittel liefern, insbesondere digital, die gemessenen Spannungen zu jedem Abtastzeitpunkt an die Recheneinheit. Auf der Recheneinheit sind die Rechenschritte der jeweiligen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens implementiert. Insbesondere sind die Rechenschritte auf einem digitalen Signalprozessor zu implementieren, obwohl theoretisch auch die Implementierung mittels eines Analogrechners oder einer analogen Schaltung in Betracht käme.
Außerdem wird eine Einspeisevorrichtung vorgeschlagen, zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetzwerk. Die Einspeisevorrichtung weist hierzu zumindest eine Messvorrichtung und eine Einspeiseeinheit auf. Die Messvorrichtung, die insbesondere gemäß einer oben beschriebenen Ausführungsform aufgebaut und ausgeführt ist, erfasst insbesondere Frequenz und Phase des elektrischen Wechselspannungsnetzwerks. Diese Größen bilden die Grundlage für das Einspeisen und sind insbesondere zum Synchronisieren, aber auch zur Erkennung von Störungen vorzusehen. Zum Einspeisen wird eine Einspeiseeinheit verwendet, wobei die Einspeisevorrichtung gemäß einem oben beschriebenen Verfahren zum Einspeisen gesteuert wird. Insbesondere kann eine Einspeiseeinheit einen Frequenzwechselrichter umfassen, um elektrische Energie aus einem Gleichspannungszwischenkreis mittels entsprechender Halbleiterschalter über ein Pulsverfahren in einen sinusförmigen Verlauf je Phase zu wandeln.
Außerdem wird eine Windenergieanlage vorgeschlagen, die insbesondere kinetische Energie dem Wind entnimmt und in elektrische Energie mittels eines Generators umwandelt. Die elektrische Energie wird in ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz eingespeist. Zum Einspeisen wird eine wie oben beschriebene Einspeisevorrichtung verwendet. Um die elektrischen Größen, insbesondere Frequenz und Phasen des dreiphasigen Wechselspannungsnetzwerks zu erfassen, wird eine wie oben beschriebene Messvorrichtung vorgeschlagen. Diese und andere erfasste elektrische Größen des Wechselspannungsnetzwerks können der Einspeisevorrichtung als Basis dienen.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Messvorrichtung Teil der Einspeisevorrichtung sein kann.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Anschlusspunkt eines 3-phasigen Netzwerks mit Neutralleiter.
2 veranschaulicht drei Messwerte eines 3-phasigen Systems in Bezug auf einen Ausschnitt der Spannungsverläufe des 3-phasigen Systems für die Zeitdauer einer Periodenlänge.
3 zeigt den grundsätzlichen strukturellen Aufbau eines 3-phasigen Wechselspannungsnetzes mit angeschlossener Messvorrichtung.
4 veranschaulicht die Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Die Erfindung geht aus von einem 3-phasigen Anschlusspunkt 2, der drei Leitungen L1, L2 und L3 zum Führen jeweils einer Phase und einen Neutralleiter N aufweist, wie in 1 dargestellt ist. Zur Veranschaulichung ist der Anschlusspunkt 2 als Kabelende symbolisiert. Ebenso können die drei Phasen L1, L2 und L3 sowie der Neutralleiter N beispielsweise in einer Anschlussbox bereitgestellt werden.
2 veranschaulicht die der Erfindung grundsätzlich zugrundeliegende Art der Messung. Demnach wird zu einem Zeitpunkt t₁ an jedem der Leiter L1, L2 und L3 eine Spannung gegenüber dem Neutralleiter N gemessen. Diese Messwerte u₁, u₂ und u₃ können grundsätzlich einer Position in einem 360°-Ausschnitt, nämlich einer Periodendauer zugeordnet werden. Hierzu ist in 2 ein solcher Ausschnitt einer Periodendauer für alle drei Phasen P1, P2 und P3 dargestellt. Die entsprechende Position der Messung zum Zeitpunkt t₁ ist in dem Ausschnitt einer Periodendauer, der über einen Winkel ϕ abgetragen ist, der Stelle M1 zugeordnet. Die Phasenwinkel ϕ₁, ϕ₂ und ϕ₃ betreffen somit die Winkel von dem Spannungsmaximum – den Scheitelwert – der jeweiligen Phase zur Meßstelle M1. Die jeweiligen Phasen sind als P1, P2 und P3 gekennzeichnet. Zu der Phase P3 gehört der Phasenwinkel ϕ₃. Der Scheitelwert der Phase P3 liegt hinter der Stelle M1 und ist somit veranschaulicht durch einen Pfeil, der im Grunde am Scheitelpunkt von P3 beginnt, bis zum Ende der dargestellten Periode abzumessen ist zuzüglich dem Wert von Anfang der Periode bis zur Meßstelle M1. Bei einem symmetrischen Netz wären die Phasenwinkel ϕ₁, ϕ₂ und ϕ₃ jeweils um 120° oder 240° zueinander verschoben.
Auf die absolute Amplitude der Phasen P1, P2 und P3 kommt es für die Veranschaulichung gemäß 2 nicht an. Die Amplitude kann beispielsweise für diese Darstellung normiert sein. Die Periodendauer gemäß der Veranschaulichung gemäß 2 beträgt 360° bzw. 2π.
3 zeigt einen Gesamtaufbau eines 3-phasigen Netzes mit Neutralleiter und angeschlossener Messvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Zur Messung verwendet die Messvorrichtung 1 einen Messfilter 4, der dazu zwischen den Leitungen L1, L2 und L3 und dem Neutralleiter angeschlossen ist. Die Leitungen L1, L2 und L3 führen entsprechend die erste, zweite bzw. dritte Phase. Zum Messen jeder Strangspannung ist dabei ein RC-Glied zwischen der jeweiligen Leitung L1, L2 bzw. L3 und dem Neutralleiter N angeschlossen. Die so jeweils zwischen dem Widerstand R und dem Kondensator C gemessene Spannung gegen den Nullleiter N wird in die Messvorrichtung 1 eingegeben und dort weiter verarbeitet und ausgewertet.
Die Messvorrichtung 1 gibt hierbei als Ausgangsgrößen bzw. zum Weiterverarbeiten in einer Steuereinheit, insbesondere einer Einspeiseeinheit, die folgenden Größen aus:

– Eine Schätzung für den Effektivwert U der Wechselspannungen,
– Schätzungen für die Frequenz der Wechselspannungen (Kreisfrequenzen) ω_A, ω_B,
– die Winkel ϕ₁, ϕ₂ und ϕ₃ zum Zeitpunkt der Spannungsmessung als aus den Messwerten der Spannung zwischen den Leitern L1, L2 und L3 und dem Neutralleiter N gemessenen Spannungen u₁, u₂ und u₃,
– Statusinformationen oder Statusflags zu möglichen Netzstörungen des Verlustes der Winkelstabilität LOS (als Loss Of Stability bezeichnet), des Auftretens einer Inselnetzbildung LOM (als Loss Of Mains bezeichnet), des Auftretens eines 3-phasigen Kurzschlusses PPPØ (als Phase-Phase-Phase-Ground bezeichnet) und des Auftretens eines 2-poligen Kurzschlusses PPØ (als Phase-Phase-Ground bezeichnet).

4 verdeutlicht den inneren Aufbau der Messvorrichtung 1, die auch als Mess- und Recheneinheit 1 bezeichnet werden kann. Der gezeigte Aufbau ist grundsätzlich als zeitdiskreter Aufbau ausgeführt. Gleichwohl wird der Übersichtlichkeit halber zur Erläuterung teilweise auf zeitkontinuierliche Darstellungen, insbesondere zeitliche Ableitungen, Bezug genommen. Grundsätzlich ist sowohl eine zeitdiskrete als auch eine zeitkontinuierliche Umsetzung möglich.
Die Strangspannungen u₁, u₂ und u₃ werden ständig gemessen und in die Mess- und Recheneinheit eingegeben bzw. liegen dort an. 4 veranschaulicht den Messfilter 4 nur, indem ein RC-Glied nur für eine Phase ausgeführt ist. Tatsächlich entspricht der Aufbau des Messfilters 4 dem in 3 gezeigten.
Die jeweiligen Spannungsmesswerte u₁, u₂ und u₃ werden in den Transformationsblock 6 eingegeben. Im Falle eines digitalen Signalprozessors erfolgt dort ein Abtasten und Halten der jeweiligen Messwerte. In dem Transformationsblock 6 erfolgt eine Transformation der drei Spannungswerte u₁, u₂ und u₃ in Polarkoordinaten. Die Transformation wird gemäß der folgenden Gleichungen durchgeführt:
Als Zwischenergebnis zur weiteren Verarbeitung und Berechnung wird die Spannung U_N und der Winkel ϕ_N aus dem Transformationsblock 6 ausgegeben.
Die Spannung U_N wird auf ein erstes digitales Filter F1 gegeben, das ein Halteglied T und einen ersten Verstärkungsfaktor P₁ aufweist. Der digitale Filter weist zudem zwei Summierstellen auf, die jeweils durch ein Kreissymbol dargestellt sind. Soweit als Vorzeichen ein Minuszeichen angezeigt ist, wird der Wert des betreffenden Signalpfades abgezogen. Ansonsten erfolgt eine Addition, was im Übrigen auch für die weiteren in der 4 gezeigten Addierglieder gilt.
Die grundsätzliche Funktionsweise eines solchen digitalen Filters F1 ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und es wird daher nicht weiter darauf eingegangen. In dem ersten digitalen Filter F1 wird somit die Spannung U_N gefiltert und die Spannung U als Schätzung für den Effektivwert U der Wechselspannungen ausgegeben.
Der Phasenwinkel ϕ_N wird in einem Differenzierglied 8 zeitdiskret abgeleitet und entspricht damit einer Winkelfrequenz, die in der 4 als dϕ_N/dt eingetragen ist. Diese Winkelfrequenz bzw. Kreisfrequenz wird auf ein zweites digitales Filter F2 gegeben, das im Aufbau dem ersten digitalen Filter F1 entspricht und einen zweiten Verstärkungsfaktor P2 aufweist. Als Ergebnis ergibt sich eine Schätzung für die Frequenz der Wechselspannung ω_A, die entsprechend als eine Schätzung für die Frequenz der Wechselspannung ω_A ausgegeben wird.
Der Phasenwinkel ϕ_N wird zudem in einen Frequenzregelkreis 10 eingegeben. In dem Frequenzregelkreis 10 wird eine erste Hilfsfrequenz dϕ_A/dt bestimmt und im Sinne einer Regelung der Netzfrequenz bzw. Netzkreisfrequenz nachgeführt, soweit der Frequenzregelkreis 10 im Wesentlichen interpretiert werden kann. In dem Frequenzregelkreis 10 ist ein erstes zeitdiskretes Integrierglied I1 vorhanden, das aus der ersten Hilfsfrequenz dϕ_A/dt einen ersten Hilfswinkel ϕ_A bestimmt. An der ersten Additionsstelle A1 wird von dem aktuellen Phasenwinkel ϕ_N der um eine Abtastperiode zurückliegende erste Hilfswinkel ϕ_A abgezogen. Hierdurch ergibt sich eine erste Differenzeingangsgröße e1, die dem Grunde nach eine Differenzfrequenz ist. Diese erste Differenzeingangsgröße e1 kann im weiteren Sinne als Regelfehler oder Regelabweichung des Frequenzregelkreises 10 interpretiert werden, soweit eine Interpretation überhaupt möglich ist. Jedenfalls wird diese erste Differenzeingangsgröße e1 mit einer Regelverstärkung P11 multipliziert und zur Nennfrequenz ω0 addiert, um die erste Hilfsfrequenz dϕ_A/dt zu bestimmen.
Grundsätzlich ist noch anzumerken, dass ein digitales Integrierglied wie das digitale Integrierglied I1 zum Aufintegrieren einer Frequenz zu einem Winkel bei angenommener positiver Frequenz zu einem ständig ansteigenden Winkel führt, der im Grunde gegen unendlich strebt. Grundsätzlich ist natürlich der Wert eines Winkels zwischen 0° und 360° bzw. 0 und 2π von Interesse und bei der Umsetzung kann jeweils beim Überschreiten des Wertes 360° oder Unterschreiten von 0 eine Zurücksetzung um den Wert 360 erfolgen, was hier nicht im Detail ausgeführt ist.
Obwohl der Frequenzregelkreis 10 aufgrund der Regelverstärkung P11 als P-Regler aufgefasst werden kann, ist doch für die erste Hilfsfrequenz dϕ_A/dt stationäre Genauigkeit ohne Regelabweichung erzielbar, was in dem integralen Verhalten bei der Bestimmung des ersten Hilfswinkels ϕ_A durch das erste Integrierglied I1 begründet ist.
Die erste Hilfsfrequenz dϕ_A/dt könnte als Schätzung für die Frequenz der Wechselspannung verwendet und entsprechend durch die Messvorrichtung 1 ausgegeben werden. Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform ist aber eine weitere Verarbeitung, insbesondere Verbesserung, vorgesehen.
In einem zweiten Regelkreis 12 wird eine zweite Hilfsfrequenz dϕ_B/dt bestimmt. Mittels eines zweiten Integriergliedes I2 wird der zweite Hilfswinkel ϕ_B bestimmt. An der zweiten Addierstelle A2 wird von dem ersten Hilfswinkel ϕ_A der zweite um eine Abtastzeit bzw. Abtastperiode verzögerte zweite Hilfswinkel ϕ_B abgezogen und es ergibt sich eine zweite Differenzeingangsgröße e2. Diese zweite Differenzeingangsgröße ist dem Grunde nach eine Differenzfrequenz. Sie kann im weiteren Sinne als Regelfehler interpretiert erden um die zweite Hilfsfrequenz dϕ_B/dt auf die erste Hilfsfrequenz auszuregeln bzw. dieser nachzuführen.
Es ist zu beachten, dass die Interpretationen als Regelung zur veranschaulichenden Erläuterung dienen sollen. Eine klassische Regelung im Sinne eines Soll-Ist-Wert-Vergleiches findet insofern nicht statt. Vielmehr gilt es, Schätzwerte in ihren Werten oder auch ihrer Dynamik zu verbessern.
Jedenfalls wird die zweite Differenzeingangsgröße e2 über eine zweite Regelverstärkung P21 geführt bzw. damit multipliziert. Außerdem erfolgt eine Differenzbildung zwischen der um eine Abtastzeit zurückliegenden zweiten Hilfsfrequenz dϕ_B/dt und der aktuellen ersten Hilfsfrequenz dϕ_A/dt an der dritten Additionsstelle A3. Es ergibt sich eine dritte Differenzeingangsgröße e3, die dem Grunde nach eine Differenzwinkelbeschleunigung ist. Multipliziert mit der dritten Regelverstärkung P22 wird sie von der mit der zweiten Regelverstärkung P21 multiplizierten zweiten Differenzeingangsgröße e2 an der vierten Additionsstelle A4 abgezogen. Es ergibt sich eine Winkelbeschleunigung
Mittels eines dritten Integriergliedes I3 ist schließlich die zweite Hilfsfrequenz dϕ_B/dt bestimmbar. Es ist zu bemerken, dass durch die Aufschaltung der dritten Differenzeingangsgröße e3 unter Berücksichtigung der dritten Regelverstärkung P22 an der vierten Addierstelle A4 eine Dämpfungswirkung erzielbar ist. Der zweite Regelkreis 12 ist somit im Wesentlichen dazu vorgesehen, Einfluss auf das dynamische Verhalten der Frequenzschätzung zu nehmen.
Die zweite Hilfsfrequenz dϕ_B/dt wird schließlich über ein drittes digitales Filter F3 geführt und der Schätzwert für die Frequenz der Wechselspannung ω_B wird ausgegeben. Außerdem kann der zweite Hilfswinkel ϕ_B unmittelbar als Schätzwert für den ersten Phasenwinkel ϕ1 ausgegeben werden und jeweils der Schätzwert für den zweiten Phasenwinkel ϕ2 und den dritten Phasenwinkel ϕ3 können durch Addition von 2π/3 bzw. 4π/3 (120° bzw. 240°) ermittelt und ausgegeben werden.
Das mit Hilfe der 4 veranschaulichte Verfahren kann auch durch das folgende Gleichungssystem angegeben werden:
Durch die Umsetzung der Messung jedenfalls gemäß der Ausführungsform nach 4 können auf vorteilhafte Weise – jedenfalls für einen Übergangszeitraum – im Fehlerfall weiterhin Schätzgrößen geliefert werden. Erfolgt beispielsweise eine Unterbrechung der Messvorrichtung 1 oder des Messfilters 4 zum Wechselspannungsnetz, so stehen keine Messgrößen zur Verbesserung der Schätzung zur Verfügung. Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass etwaige dem Grunde nach unsinnige Messwerte die Schätzung verschlechtern oder sogar unbrauchbar machen. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise erkannt werden, wenn der Phasenwinkel ϕ_N sich plötzlich nicht mehr ändert oder in seinem Wert springt. Ebenso kann ein plötzliches Einbrechen der Spannungsamplitude U_N ein Indiz sein. In einem solchen Fall ist zumindest der Signalanschluss unmittelbar hinter der Regelverstärkung P11 zu kappen. Dies kann natürlich auch dadurch erfolgen, dass die Regelverstärkung P11 auf Null gesetzt wird. Da die Erfassung eines Fehlerfalls möglicherweise erst durch Beobachtung der ersten Hilfsfrequenz dϕ_A/dt erfolgt, kann der erste Phasenwinkel ϕ_A bereits grob falsch sein. Für diesen Fall empfiehlt es sich, beispielsweise in dem ersten Halteglied H1 den Wert für den ersten Hilfsphasenwinkel ϕ_A zu korrigieren, beispielsweise basierend auf einem um wenigstens eine Abtastzeit weiter zurückliegenden Wert. Insoweit kann die Schätzung, insbesondere die zweite Schätzung der Frequenz der Wechselspannung ω_B und die Schätzung der Phasenwinkel ϕ₁, ϕ₂ und ϕ₃ fortgesetzt werden und zumindest für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise einigen Netzperioden noch brauchbare Werte liefern. Natürlich können weitere, insbesondere plötzliche Änderungen in der Frequenz und der Phase des Wechselspannungsnetzes ohne Messung nicht mehr zuverlässig erkannt werden. Ist der Fehlerfall beendet, kann in normaler Weise weiter gemessen werden. Insbesondere kann der Signalanschluss hinter der Regalverstärkung P11 wieder verbunden werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen elektrischer Größen eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes mit einer ersten, zweite und dritten Phase umfassend die Schritte: – Messen jeweils eines Spannungswertes der ersten, zweiten und dritten Phasen in Bezug auf einen Neutralleiter zu einem ersten Zeitpunkt, – Transformieren der drei Spannungswerte des ersten Zeitpunktes in Polarkoordinaten mit einer Spannungsamplitude und einem Phasenwinkel, – Wiederholen des Messens und Transformierens für wenigstens einen weiteren Zeitpunkt und – Bestimmen der aktuellen Frequenz, Spannungsamplitude und/oder des Phasenwinkels wenigstens einer der Phasen aus den in Polarkoordinaten transformierten Spannungswerten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Frequenz eine Frequenzregelung verwendet wird, die eine erste Hilfsfrequenz aus regelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Frequenzregelung ein erster Differenzwinkel gebildet wird zwischen – dem bei der Transformation gebildeten Phasenwinkel und – einem ersten um eine Abtastzeit zurückliegenden Hilfsphasenwinkel, dieser erste Differenzwinkel wird mit einem ersten Verstärkungsfaktor multipliziert und/oder zu einem Anfangsfrequenzwert addiert, um die erste Hilfsfrequenz zu erhalten, und der erste Hilfsphasenwinkel wird aus der ersten Hilfsfrequenz bestimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Frequenzbestimmung ein zweiter Hilfsphasenwinkel mit einer zweiten Hilfsfrequenz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Differenzwinkel gebildet wird als Differenz zwischen dem ersten Hilfsphasenwinkel und dem zweiten um eine Abtastzeit zurückliegenden Hilfsphasenwinkel, – eine Hilfsdifferenzfrequenz gebildet wird als Differenz zwischen der zweiten Hilfsfrequenz und der ersten Hilfsfrequenz und – eine Hilfswinkelbeschleunigung aus dem zweiten Differenzwinkel und der Hilfsdifferenzfrequenz gebildet wird, wobei die Hilfswinkelbeschleunigung repräsentativ ist für eine zweite Ableitung des zweiten Hilfsphasenwinkels nach der Zeit, wobei der zweite Hilfsphasenwinkel und die zweite Hilfsfrequenz aus der Hilfswinkelbeschleunigung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswinkelbeschleunigung als Differenz gebildet wird zwischen – dem zweiten Differenzwinkel oder dem mit einem zweiten Verstärkungsfaktor multiplizierten zweiten Differenzwinkel und – der Hilfsdifferenzfrequenz oder der mit einem dritten Verstärkungsfaktor multiplizierten Hilfsdifferenzfrequenz.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die bei der Transformation erhaltene Spannungsamplitude als erfasste Ausgangsspannung ausgegeben wird, – der bei der Transformation erhaltene Phasenwinkel nach der Zeit differenziert und als erfasste Frequenz oder als erfasste Vergleichsfrequenz ausgegeben wird, – die zweite Hilfsfrequenz als erfasste Frequenz ausgegeben wird und/oder – der zweite Hilfsphasenwinkel als erfasster Phasenwinkel einer Phase ausgegeben wird, wobei vorzugsweise eine oder mehrere der auszugebenden Größen vorm Ausgeben gefiltert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt Überwachen des Wechselspannungsnetzes auf das Vorliegen wenigstens einer Netzstörung aus der Liste: – Verlust der Winkelstabilität, – Auftreten einer Inselnetzbildung, – Auftreten eines 3-phasigen Kurzschlusses und – Auftreten eines 2-poligen Kurzschlusses, und/oder Bereitstellen eines Signales zum Anzeigen des Vorliegens einer der Netzstörungen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bzw. Erfassung auf eine Meßstörung beobachtet wird und beim Auftreten einer Meßstörung eine Erfassung als Schätzung basierend auf zuletzt verwendeten Größen fortgesetzt wird.
Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Wechselspannungsnetz umfassend die Schritte – Erfassen elektrischer Größen des elektrischen Wechselspannungsnetzwerks, – Einspeisen elektrischen Wechselstroms in das Wechselspannungsnetz, – Überwachen des Wechselspannungsnetzes auf das Vorliegen wenigstens einer Netzstörung aus der Liste: – Verlust der Winkelstabilität und – Auftreten einer Inselnetzbildung, und – Einleiten von Maßnahmen zum Stützen des Wechselspannungsnetzes, wenn wenigstens eine der genannten Netzstörungen auftritt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das Wechselspannungsnetz auf das Vorliegen wenigstens weiteren Netzstörung aus der Liste – Auftreten eines 3-phasigen Kurzschlusses und – Auftreten eines 2-poligen Kurzschlusses überwacht wird und Maßnahmen zum Stützen des Wechselspannungsnetzes eingeleitet werden, wenn wenigstens eine der genannten Netzstörungen auftritt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der elektrischen Größen durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erfolgt und/oder dass die Netzstörungen ab Auftreten der betreffenden Netzstörung innerhalb einer Erfassungszeit von weniger als einer Netzperiode erfasst werden, insbesondere innerhalb einer Erfassungszeit von weniger als einer halben Netzperiode, und/oder dass Maßnahmen zur Netzstützung ab Auftreten der Netzstörung innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als einer Netzperiode eingeleitet werden, insbesondere innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als einer halben Netzperiode.
Messvorrichtung zum Erfassen elektrischer Größen eines 3-phasigen elektrischen Wechselspannungsnetzwerks, nämlich wenigstens der Frequenz und einer Phase des Wechselspannungsnetzwerks umfassend: – Spannungsmessmittel zum Messen der elektrischen Momentanspannung jeder der drei Phasen bezogen auf einen Neutralleiter, – eine Recheneinheit zum Bestimmen wenigstens der Frequenz und Phase des elektrischen Netzwerkes, wobei die Messvorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet, bzw. dazu vorbereitet ist, ein solches Messverfahren zu verwenden.
Einspeisevorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetzwerk, umfassend, – eine Messvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 13, zum Messen elektrischer Größen des Wechselspannungsnetzwerkes und – eine Einspeiseeinheit zum Einspeisen elektrischer Energie in das Wechselspanungsnetzwerk, wobei die Einspeisevorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11 verwendet, bzw. dazu vorbereitet ist, ein solches Verfahren zu verwenden.
Windenergieanlage zum Wandeln von Windenergie in elektrische Energie und zum Einspeisen der elektrischen Energie in ein Wechselspannungsnetz umfassend eine Messvorrichtung nach Anspruch 13 und/oder eine Einspeisevorrichtung nach Anspruch 14.