DE102014201143A1

DE102014201143A1 - Grid detection module for a wind turbine and method for determining the grid frequency

Info

Publication number: DE102014201143A1
Application number: DE102014201143.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Gätjens; Heinz-Hermann Letas
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-07-23
Also published as: WO2015110276A1; EP3097426A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Netzfrequenz, bei dem ein Spannungsverlaufs (U1) einer ersten Phase (281) des Netzes (16) und ein Spannungsverlaufs (U2) einer zweiten Phase (282) des Netzes (16) gemessen werden. Es wird eine Linearkombination (UXi) aus dem Spannungsverlauf (U1) der ersten Phase (281) und dem Spannungsverlauf (U2) der zweiten Phase (282) gebildet. Es wird der zeitliche Abstands zwischen einem ersten Spannungswert der Linearkombination (UXi) und einem zweiten Spannungswert der Linearkombination (UXi) ermittelt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Netzerfassungsmodul, das zum Durchführen des Verfahrens geeignet ist. Mit der Erfindung wird es möglich, die Netzfrequenz mit kürzerer Taktung bzw. mit erhöhter Genauigkeit zu ermitteln.The invention relates to a method for determining the network frequency, in which a voltage curve (U1) of a first phase (281) of the network (16) and a voltage curve (U2) of a second phase (282) of the network (16) are measured. A linear combination (UXi) is formed from the voltage curve (U1) of the first phase (281) and the voltage curve (U2) of the second phase (282). The time interval between a first voltage value of the linear combination (UXi) and a second voltage value of the linear combination (UXi) is determined. The invention also relates to a network detection module suitable for carrying out the method. With the invention it is possible to determine the network frequency with shorter timing or with increased accuracy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzerfassungsmodul für eine Windenergieanlage und ein Verfahren zum Ermitteln der Netzfrequenz.The invention relates to a network detection module for a wind turbine and a method for determining the network frequency.

Wenn eine Windenergieanlage elektrische Energie in ein Netz einspeist, erfolgt die Einspeisung synchron zu der Netzfrequenz. Für den Betrieb einer Windenergieanlage ist es folglich erforderlich, dass die Netzfrequenz ermittelt wird. Um den steigenden Anforderungen genügen zu können, die an die Netzverträglichkeit von Windenergieanlagen gestellt werden, ist es wünschenswert, die Netzfrequenz mit kürzerer Taktung bzw. mit erhöhter Genauigkeit zu messen.When a wind turbine feeds electrical energy into a grid, it feeds in synchronously with the grid frequency. For the operation of a wind turbine, it is therefore necessary that the grid frequency is determined. In order to meet the increasing demands placed on the grid compatibility of wind turbines, it is desirable to measure the grid frequency with shorter clocking or with increased accuracy.

Bei heutigen Frequenzmessungen ist es üblich, die Frequenz anhand des zeitlichen Abstands zwischen zwei Nulldurchgängen des Spannungsverlaufs einer Phase zu ermitteln. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergibt sich alle 20 ms ein Messwert, wenn man einen Nulldurchgang pro Periode für die Ermittlung der Netzfrequenz nutzt, bzw. ergibt sich alle 10 ms ein Messwert, wenn man zwei Nulldurchgänge pro Periode für die Ermittlung der Netzfrequenz nutzt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Messwerten wird verkürzt, wenn man die Nulldurchgänge nicht nur bei einer Phase, sondern bei einer Mehrzahl von Phasen für die Ermittlung der Netzfrequenz nutzt.In today's frequency measurements, it is common to determine the frequency based on the time interval between two zero crossings of the voltage curve of a phase. At a mains frequency of 50 Hz, a measured value is obtained every 20 ms, if a zero crossing per period is used to determine the mains frequency, or a measured value every 10 ms, if two zero crossings per period are used to determine the mains frequency. The time interval between two measured values is shortened if one uses the zero crossings not only in one phase, but in a plurality of phases for determining the mains frequency.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein Netzerfassungsmodul für eine Windenergieanlage vorzustellen, mit denen die Netzfrequenz mit verbesserter Qualität gemessen werden kann. Ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention is based on the object to present a method and a network detection module for a wind turbine, with which the network frequency can be measured with improved quality. Based on the above-mentioned prior art, the object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erster Spannungsverlauf des Netzes gemessen, und es wird ein zweiter Spannungsverlauf des Netzes gemessen. Es wird eine Linearkombination aus dem ersten Spannungsverlauf und dem zweiten Spannungsverlauf gebildet. Es wird ein zeitlicher Abstand zwischen einem ersten Spannungswert der Linearkombination und einem zweiten Spannungswert der Linearkombination ermittelt. Ist der zeitliche Abstand zwischen zwei Spannungswerten (beispielsweise den Nulldurchgängen) bekannt, kann leicht auf die Periode der Schwingung und damit auf die Frequenz der Schwingung geschlossen werden. Der zeitliche Abstand ist eine andere Darstellungsform der Frequenz. Bei Bedarf kann die Frequenz als Kehrwert der Periode explizit ermittelt werden. Die Ermittlung des zeitlichen Abstands entspricht im Sinne der Erfindung der Ermittlung eines Messwerts für die Netzfrequenz.In the method according to the invention, a first voltage profile of the network is measured, and a second voltage profile of the network is measured. A linear combination of the first voltage curve and the second voltage curve is formed. A time interval between a first voltage value of the linear combination and a second voltage value of the linear combination is determined. If the time interval between two voltage values (for example the zero crossings) is known, it is easy to deduce the period of the oscillation and thus the frequency of the oscillation. The time interval is another form of representation of the frequency. If necessary, the frequency can be determined explicitly as the reciprocal of the period. The determination of the time interval in the context of the invention corresponds to the determination of a measured value for the mains frequency.

Da die Netzfrequenz in allen Phasen des Netzes identisch ist, ergibt sich aus der Linearkombination der sinusförmigen Schwingung zweier Spannungsverläufe erneut eine sinusförmige Schwingung. Die Frequenz der Linearkombination ist identisch zu der Frequenz in den einzelnen Phasen, wobei der Spannungsverlauf um einen festen Phasenwinkel verschoben ist. Genau wie bei einem direkt gemessenen Spannungsverlauf lässt sich also aus dem zeitlichen Abstand zweier Spannungswerte der Linearkombination auf die Frequenz der Schwingung schließen.Since the line frequency is identical in all phases of the network, the sinusoidal oscillation of two voltage curves results in a sinusoidal oscillation again from the linear combination. The frequency of the linear combination is identical to the frequency in the individual phases, wherein the voltage curve is shifted by a fixed phase angle. As with a directly measured voltage curve, it is thus possible to deduce the frequency of the oscillation from the time interval between two voltage values of the linear combination.

Für das Messen des Spannungsverlaufs gibt es verschiedene Möglichkeiten, die im Sinne der Erfindung gleichwertig sind. So kann der Spannungsverlauf zwischen einer der Phasen des Netzes und dem Sternpunkt gemessen werden. Alternativ kann der Spannungsverlauf zwischen einer der Phasen des Netzes und dem Erdpotential gemessen werden. Möglich ist auch, einen Spannungsverlauf zwischen zwei Phasen des Netzes zu messen.For measuring the voltage curve, there are various possibilities that are equivalent in the sense of the invention. Thus, the voltage curve between one of the phases of the network and the neutral point can be measured. Alternatively, the voltage profile between one of the phases of the network and the ground potential can be measured. It is also possible to measure a voltage curve between two phases of the network.

Die Erfindung hat erkannt, dass sich Vorteile ergeben, wenn die Netzfrequenz anhand einer solchen Linearkombination ermittelt wird. Erstens kann durch Mittelung über mehrere Messungen die Netzfrequenz mit erhöhter Genauigkeit bestimmt werden. Zweitens wird es möglich, die Netzfrequenz zu beliebigen Zeitpunkten zu ermitteln. Der Abstand zwischen zwei Zeitpunkten, zu denen die Netzfrequenz bestimmt wird, ist also nicht mehr dadurch vorgegeben, dass in dem gemessenen Spannungsverlauf vorgegebene Spannungswerte auftreten. Außerdem kann die Linearkombination für eine Plausibilitätsprüfung genutzt werden, beispielsweise um einen Phasensprung zu erkennen.The invention has recognized that there are advantages when the network frequency is determined based on such a linear combination. First, by averaging over multiple measurements, the line frequency can be determined with increased accuracy. Second, it becomes possible to determine the network frequency at arbitrary times. The distance between two times at which the mains frequency is determined is therefore no longer specified by the fact that predetermined voltage values occur in the measured voltage curve. In addition, the linear combination can be used for a plausibility check, for example to detect a phase jump.

Ist die Amplitude bekannt, kann grundsätzlich anhand beliebiger Spannungswerte innerhalb einer Periode einer sinusförmigen Schwingung auf die Periodendauer und damit auf die Frequenz geschlossen werden. Es gibt also keine prinzipielle Einschränkung, zwischen welchen Spannungswerten der zeitliche Abstand ermittelt wird, um auf die Frequenz zu schließen.If the amplitude is known, the period duration and thus the frequency can in principle be deduced from any voltage values within a period of a sinusoidal oscillation. There is therefore no fundamental restriction between which voltage values the time interval is determined in order to conclude on the frequency.

Ist der Phasenwinkel zwischen den beiden Spannungswerten nicht größer als 360°, so ist sichergestellt, dass beide Spannungswerte innerhalb derselben Periode der Schwingung aufgenommen werden. Bei einem größeren Phasenwinkel zwischen den beiden Spannungswerten ist eine Umrechnung auf die einzelne Periode erforderlich. Vorzugsweise liegen beide Spannungswerte, zwischen denen der zeitliche Abstand bestimmt wird, innerhalb einer Periode der Schwingung. Der zeitliche Abstand kann zweimal pro Periode ermittelt werden.If the phase angle between the two voltage values is not greater than 360 °, then it is ensured that both voltage values are recorded within the same period of the oscillation. With a larger phase angle between the two voltage values, a conversion to the individual period is required. Preferably, both voltage values, between which the time interval is determined, lie within one period of the oscillation. The time interval can be determined twice per period.

Für die Ermittlung der Periode der Schwingung und damit der Frequenz ist es von Vorteil, wenn der zeitliche Abstand zwischen zwei Spannungswerten ermittelt wird, zwischen denen eine halbe Periode oder ein Vielfaches einer halben Periode liegt. Nach einer halben Periode ist der Betrag des Spannungswerts gleich und nur das Vorzeichen oder die Steigung können entgegengesetzt sein. Die Netzfrequenz ist dann ohne weitere Umrechnung oder Skalierung zugänglich. For determining the period of the oscillation and thus the frequency, it is advantageous if the time interval between two voltage values is determined, between which lies a half period or a multiple of half a period. After half a period, the magnitude of the voltage value is the same and only the sign or slope can be opposite. The grid frequency is then accessible without further conversion or scaling.

Weiter vereinfacht wird die Ermittlung der Netzfrequenz, wenn es sich bei den Spannungswerten, zwischen denen der zeitliche Abstand ermittelt wird, um Nulldurchgänge der Linearkombination handelt. Es ist dann nicht erforderlich, die Amplitude der Schwingung zu berücksichtigen.The determination of the line frequency is further simplified if the voltage values between which the time interval is determined are zero crossings of the linear combination. It is then not necessary to consider the amplitude of the oscillation.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Ermittlung der Netzfrequenz anhand der Linearkombination zusätzlich vorgenommen zu einer klassischen Ermittlung der Netzfrequenz, die direkt auf einem gemessenen Spannungsverlauf beruht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also zusätzlich der zeitliche Abstand zwischen zwei Spannungswerten des ersten Spannungsverlaufs und/oder zwischen zwei Spannungswerten des zweiten Spannungsverlaufs ermittelt werden.In a preferred embodiment, the determination according to the invention of the network frequency is additionally carried out on the basis of the linear combination to a classical determination of the network frequency, which is based directly on a measured voltage profile. In the method according to the invention, therefore, it is additionally possible to determine the time interval between two voltage values of the first voltage profile and / or between two voltage values of the second voltage profile.

Regelmäßig umfasst das Netz, in das die Windenergieanlage elektrische Energie einspeist, drei Phasen, deren Phasenwinkel jeweils um 120° verschoben sind. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so durchgeführt, dass drei Spannungsverläufe gemessen werden, deren Phasenwinkel jeweils um 120° verschoben sind. Wird für alle drei Spannungsverläufe mit jedem Nulldurchgang ein Wert für die Netzfrequenz ermittelt, so ergeben sich sechs über die Periode gleichverteilte Werte für die Netzfrequenz. In Phasenwinkeln ausgedrückt liegt alle 60° ein neuer Messwert für die Netzfrequenz vor. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht dies sechs Messwerten in 20 ms, also einem zeitlichen Abstand von 3,33 ms zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mehr als sechsmal pro Periode der Schwingung ein Messwert für die Netzfrequenz ermittelt. Der Phasenwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten für die Netzfrequenz kann über die gesamte Periode der Schwingung betrachtet jeweils kleiner sein als 60°, vorzugsweise kleiner als 30°, weiter vorzugsweise kleiner als 15°. Dazu wird bei einer geeigneten Mehrzahl von Linearkombinationen und/oder Mehrzahl von gemessenen Spannungsverläufen der zeitliche Abstand zwischen zwei Spannungswerten ermittelt. Der zeitliche Abstand bezieht sich vorzugsweise jeweils auf zwei Spannungswerte desselben Spannungsverlaufs bzw. derselben Linearkombination.The grid into which the wind turbine feeds electrical energy regularly comprises three phases whose phase angles are each shifted by 120 °. The method according to the invention is preferably carried out in such a way that three voltage profiles are measured whose phase angles are shifted by 120 ° in each case. If a value for the grid frequency is determined for each of the three voltage curves with each zero crossing, then there are six equally distributed values for the grid frequency over the period. Expressed in phase angles, there is a new measured value for the grid frequency every 60 °. At a mains frequency of 50 Hz, this corresponds to six measured values in 20 ms, ie a time interval of 3.33 ms between two successive measured values. In a preferred embodiment of the method according to the invention, a measured value for the grid frequency is determined more than six times per period of the oscillation. The phase angle between two successive measured values for the mains frequency can be smaller than 60 °, preferably less than 30 °, more preferably less than 15 °, over the entire period of the oscillation. For this purpose, with a suitable plurality of linear combinations and / or a plurality of measured voltage profiles, the time interval between two voltage values is determined. The time interval preferably relates in each case to two voltage values of the same voltage curve or the same linear combination.

Die Linearkombination der Spannungsverläufe wird in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass der Nulldurchgang der Linearkombination einen Phasenwinkel von 30° mit einem der gemessenen Spannungsverläufe einschließt. Der zeitliche Abstand zu dem vorangegangen Messwert für die Netzfrequenz wird dann halbiert. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz kann man also alle 1,67 ms einen Messwert erhalten. Erreicht werden kann der Phasenwinkel von 30°, in dem die Linearkombination als Differenz aus dem ersten gemessenen Spannungsverlauf und dem zweiten gemessenen Spannungsverlauf gebildet wird, wenn der erste Spannungsverlauf und der zweite Spannungsverlauf einen Phasenwinkel von 120° zwischen sich einschließen. Die Linearkombination schließt dann mit dem ersten gemessenen Spannungsverlauf einen Phasenwinkel von 30° und mit dem zweiten gemessenen Spannungsverlauf einen Phasenwinkel von 150° ein.The linear combination of the voltage profiles is selected in a preferred embodiment so that the zero crossing of the linear combination includes a phase angle of 30 ° with one of the measured voltage waveforms. The time interval to the previous measured value for the mains frequency is then halved. At a mains frequency of 50 Hz, it is thus possible to obtain a measured value every 1.67 ms. The phase angle of 30 ° can be achieved, in which the linear combination is formed as the difference between the first measured voltage curve and the second measured voltage curve, if the first voltage curve and the second voltage curve enclose a phase angle of 120 ° between them. The linear combination then includes a phase angle of 30 ° with the first measured voltage curve and a phase angle of 150 ° with the second measured voltage curve.

Bildet man aus jedem benachbarten der gemessenen Spannungsverläufe eine Linearkombination, so ergeben sich drei Linearkombinationen, die um jeweils 120° zueinander versetzt sind. Wird bei jedem Nulldurchgang eines der gemessenen Spannungsverläufe oder einer der Linearkombinationen ein Messwert für die Netzfrequenz ermittelt, so ergeben sich zwölf Messwerte, die über die Periode gleichverteilt sind. Der Phasenwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten beträgt 30°, der zeitliche Abstand bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beträgt 1,67 ms.If one forms a linear combination from each adjacent one of the measured voltage curves, then three linear combinations result, which are offset by 120 ° from each other. If one measured value for the mains frequency is determined at every zero crossing of one of the measured voltage profiles or one of the linear combinations, this results in twelve measured values which are uniformly distributed over the period. The phase angle between two successive measured values is 30 °, the time interval at a mains frequency of 50 Hz is 1.67 ms.

Der Begriff Linearkombination bezeichnet die Summe aus einem ersten gemessenen Spannungsverlauf und einem zweiten gemessenen Spannungsverlauf, wobei beide Spannungsverläufe mit einem konstanten Faktor ungleich 0 multipliziert sind. Beispielsweise kann der erste Spannungsverlauf mit dem Faktor 1 und der zweite Spannungsverlauf mit einem Faktor zwischen -1 und 1 multipliziert werden. In dem Beispiel, in dem die Linearkombination die einfache Differenz aus zwei gemessenen Spannungsverläufen ist, wird der erste Spannungsverlauf mit dem Faktor 1 und der zweite Spannungsverlauf mit dem Faktor -1 multipliziert.The term linear combination denotes the sum of a first measured voltage curve and a second measured voltage curve, wherein both voltage curves are multiplied by a constant factor not equal to zero. For example, the first voltage curve can be multiplied by the factor 1 and the second voltage profile by a factor between -1 and 1. In the example in which the linear combination is the simple difference between two measured voltage curves, the first voltage curve is multiplied by the factor 1 and the second voltage curve by the factor -1.

Durch Auswahl geeigneter Linearkombinationen kann der Phasenwinkel bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen der Netzfrequenz weiter verringert werden. Die Linearkombinationen können so gewählt werden, dass der 60°-Phasenwinkel, der sich durch direkte Auswertung von drei Spannungsverläufen, die einen Phasenwinkel von jeweils 120° miteinander einschließen, erreichen lässt, in mehr als zwei Teilwinkel unterteilt wird. Die Teilwinkel können gleich oder unterschiedlich sein.By selecting suitable linear combinations, the phase angle or the time interval between two successive measurements of the mains frequency can be further reduced. The linear combinations can be chosen so that the 60 ° phase angle, which can be achieved by directly evaluating three voltage curves, which include a phase angle of 120 ° with each other, in more than two Partial angle is divided. The partial angles can be the same or different.

Bezeichnet man die zeitabhängige Spannung eines ersten Spannungsverlaufs mit U1(t), die zeitabhängige Spannung eines zweiten Spannungsverlaufs, der zu dem ersten Spannungsverlauf um einen Phasenwinkel von 120° verschoben ist, mit U2(t) und eine Linearkombination aus beiden mit UXi(t), so ergibt sich durch geeignete Wahl von Faktoren F_i eine Mehrzahl von Linearkombination UXi(t): UX_i(t) = U1(t) + F_i·U2(t). Denoting the time-dependent voltage of a first voltage waveform with U1 (t), the time-dependent voltage of a second voltage waveform shifted to the first voltage waveform by a phase angle of 120 °, with U2 (t) and a linear combination of both with UXi (t) , a suitable combination of factors F _i results in a plurality of linear combinations UXi (t): UX _i (t) = U1 (t) + F _i * U2 (t).

Für jeden Faktor F_i zwischen 0 und 1 ergibt sich eine neue Linearkombination UXi, die mit U1(t) einen Phasenwinkel zwischen 0° und 60° mit U1 einschließt. For each factor F _i between 0 and 1, a new linear combination UXi results which, with U1 (t), includes a phase angle between 0 ° and 60 ° with U1.

Die Faktoren F_i können so gewählt werden, dass der 60°-Winkelbereich in eine Mehrzahl gleich großer Teilwinkel unterteilt wird. Beispielsweise können fünf Faktoren F_i so gewählt werden, dass benachbarte Linearkombinationen jeweils einen Phasenwinkel von 12° miteinander einschließen.The factors F _i can be chosen such that the 60 ° angle range is subdivided into a plurality of equally large partial angles. For example, five factors F _{i may} be chosen such that adjacent linear combinations each include a phase angle of 12 ° with each other.

Die mathematische Behandlung wird vereinfacht, wenn die Phasenwinkel zwischen benachbarten Linearkombinationen nicht genau gleich groß sein müssen, sondern wenn es ausreicht, dass diese annähernd gleich groß sind. Die Linearkombinationen können dann wie folgt definiert sein: UX_i(t) = U1(t) + i/N·U2(t) mit i = 1...N – 1 The mathematical treatment is simplified if the phase angles between adjacent linear combinations need not be exactly the same, but if it is sufficient that these are approximately equal. The linear combinations can then be defined as follows: UX _i (t) = U1 (t) + i / N * U2 (t) with i = 1 ... N-1

Mit i = 0 liegt keine Linearkombination im Sinne der Erfindung vor, sondern der Spannungsverlauf würde U1(t) entsprechen. Mit i = N ergibt sich ebenfalls keine Linearkombination im Sinne der Erfindung, sondern der Spannungsverlauf würde -U3(t) entsprechen. Diese beiden Spannungsverläufe sind durch direkte Messung zugänglich, so dass die erfindungsgemäßen Linearkombinationen keine Anwendung finden. Die Phasenwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten der Netzfrequenz sind in diesem Beispiel jeweils nicht größer als 15°. Bildet man entsprechende Linearkombinationen zwischen allen drei gemessenen Spannungsverläufen des Netzes, so wird über die gesamte Periode der Schwingung dieser Phasenwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerte für die Netzfrequenz nicht überschritten. With i = 0 there is no linear combination in the sense of the invention, but the voltage curve would correspond to U1 (t). With i = N, there is likewise no linear combination in the sense of the invention, but the voltage curve would correspond to -U3 (t). These two voltage curves are accessible by direct measurement, so that the linear combinations according to the invention are not used. The phase angles between two successive measured values of the mains frequency are in this example no greater than 15 °. If corresponding linear combinations are formed between all three measured voltage profiles of the network, this phase angle between two successive measured values for the network frequency is not exceeded over the entire period of the oscillation.

Die 60°-Phasenabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen der Netzfrequenz ergeben sich, wenn man in jeder der drei Phasen den Nulldurchgang zweimal pro Periode erfasst. Das gleiche Ergebnis kann man erhalten, wenn man den Nulldurchgang nur einmal pro Periode erfasst, und dafür jeweils zusätzlich den Nulldurchgang des negativen Spannungsverlaufs ermittelt. Die sechs verschiedenen Messungen pro Periode ergeben sich dann durch Auswertung von U1, -U1, U2, -U2, U3 und -U3. The 60 ° phase separations between two consecutive measurements of the line frequency are obtained by detecting the zero crossing twice per period in each of the three phases. The same result can be obtained if the zero crossing is detected only once per period, and in each case additionally determines the zero crossing of the negative voltage curve. The six different measurements per period then result from evaluation of U1, -U1, U2, -U2, U3 and -U3.

Eine Windenergieanlage speist die elektrische Energie regelmäßig zunächst in ein windparkinternes Anschlussnetz ein, von dem die Weiterleitung in ein öffentliches Übertragungsnetz erfolgt. Der Generator der Windenergieanlage ist mit dem Netz synchronisiert, so dass die Frequenz im elektrischen System der Windenergieanlage, im windparkinternen Anschlussnetz und im öffentlichen Übertragungsnetz übereinstimmt. Die erfindungsgemäßen Spannungsverläufe können im elektrischen System einer Windenergieanlage und/oder in einem windparkinternen Anschlussnetz und/oder in einem Übertragungsnetz gemessen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in wenigstens einer Windenergieanlage eines Windparks und/oder in einem Parkmaster eines Windparks durchgeführt. Die erfindungsgemäße Ermittlung der Netzfrequenz erfolgt vorzugsweise anhand ungefilterter Messwerte des Spannungsverlaufs.A wind turbine regularly feeds the electrical energy first into a wind park internal connection network, from which the transmission takes place in a public transmission network. The generator of the wind turbine is synchronized with the grid, so that the frequency in the electrical system of the wind turbine, in the wind farm internal access network and in the public transmission network coincides. The voltage profiles according to the invention can be measured in the electrical system of a wind energy plant and / or in a wind farm internal access network and / or in a transmission network. In a preferred embodiment, the method according to the invention is carried out in at least one wind energy plant of a wind farm and / or in a park master of a wind farm. The determination of the network frequency according to the invention is preferably carried out on the basis of unfiltered measured values of the voltage profile.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Netzerfassungsmodul, das zum Durchführen des Verfahrens geeignet ist. Das Netzerfassungsmodul umfasst einen Spannungssensor zum Messen eines ersten Spannungsverlaufs des Netzes und eines zweiten Spannungsverlaufs des Netzes. Das Netzerfassungsmodul umfasst außerdem ein Rechenmodul, das dazu ausgelegt ist, eine Linearkombination aus dem ersten Spannungsverlauf und dem zweiten Spannungsverlauf zu bilden, sowie ein Auswertemodul, das dazu ausgelegt ist, den zeitlichen Abstand zwischen einem ersten Spannungswert der Linearkombination und einem zweiten Spannungswert der Linearkombination zu ermitteln. Der Spannungssensor kann dazu ausgelegt sein, im elektrischen System einer Windenergieanlage und/oder in einem windparkinternen Anschlussnetz und/oder in einem Übertragungsnetz Spannungsverläufe zu messen.The invention also relates to a network detection module suitable for carrying out the method. The network detection module comprises a voltage sensor for measuring a first voltage profile of the network and a second voltage profile of the network. The network detection module also includes a computing module configured to form a linear combination of the first voltage waveform and the second voltage waveform, and an evaluation module configured to supply the time interval between a first voltage value of the linear combination and a second voltage value of the linear combination determine. The voltage sensor can be designed to measure voltage profiles in the electrical system of a wind energy plant and / or in a wind farm internal access network and / or in a transmission network.

Das Netzerfassungsmodul kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind. Insbesondere können das Rechenmodul und/oder das Auswertemodul dazu ausgelegt sein, weitere Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Außerdem kann das Netzerfassungsmodul weitere Module umfassen, die zum Durchführen weiterer Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sind.The network detection module can be developed with further features that are described in the context of the method according to the invention. In particular, the computing module and / or the evaluation module can be designed to carry out further steps of the method according to the invention. In addition, the network detection module can comprise further modules that are designed to carry out further steps of the method according to the invention.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Windenergieanlage, die mit einem solchen Netzerfassungsmodul ausgerüstet ist. Die Windenergieanlage umfasst einen Rotor und einen durch den Rotor angetriebenen Generator. Die Windenergieanlage ist dazu ausgelegt, mit dem Generator erzeugte elektrische Energie in ein Netz einzuspeisen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Parkmaster für einen mehrere Windenergieanlagen umfassenden Windpark. Der Parkmaster ist dazu ausgelegt, zentrale Steuerungsaufgaben für die Windenergieanlagen des Windparks zu übernehmen. Insbesondere erhält der Parkmaster Vorgaben von außerhalb des Windparks, anhand derer der Parkmaster Vorgaben für den Betrieb der Windenergieanlagen des Windparks ermittelt.The invention also relates to a wind turbine equipped with such a network detection module. The wind turbine comprises a rotor and a generator driven by the rotor. The wind turbine is designed to generate electricity generated by the generator To feed energy into a network. In addition, the invention relates to a parkmaster for a wind turbine comprising several wind turbines. The parkmaster is designed to handle central control tasks for the wind turbines of the wind farm. In particular, the parkmaster receives specifications from outside the wind farm, on the basis of which the parkmaster determines specifications for the operation of the wind energy plants of the wind farm.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, given by way of advantageous embodiments. Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Windparks; 1 : a schematic representation of a wind farm;

2: eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßem Netzerfassungsmodul; 2 : a schematic representation of a wind turbine with a network detection module according to the invention;

3: den Spannungsverlauf in den drei Phasen des Netzes; 3 : the voltage in the three phases of the network;

4: die Ansicht aus 3, wobei zusätzlich drei Linearkombinationen dargestellt sind; 4 : the view off 3 , wherein additionally three linear combinations are shown;

5: eine Vektordarstellung der Spannungsverläufe aus 4; 5 : a vector representation of the voltage waveforms 4 ;

6: den Spannungsverlauf in zwei Phasen des Netzes; 6 : the voltage in two phases of the network;

7: eine Mehrzahl von Linearkombinationen der in 6 gezeigten Spannungsverläufe; und 7 a plurality of linear combinations of in 6 shown voltage curves; and

8: eine Vektordarstellung der Spannungsverläufe aus 7. 8th : a vector representation of the voltage waveforms 7 ,

In einem Windpark in 1 ist eine Mehrzahl von Windenergieanlagen 14, 15 an ein windparkinternes Anschlussnetz 16 angeschlossen. In dem Anschlussnetz 16 liegt eine Mittelspannung von beispielsweise 20 kV an. Vor der Übergabe an ein öffentliches Übertragungsnetz 17 wird die Spannung mit einem Transformator 18 auf eine Hochspannung von beispielsweise 380 kV transformiert. An das Übertragungsnetz 17 ist eine Vielzahl von Verbrauchern 20 angeschlossen, die in 1 nur schematisch angedeutet sind.In a wind farm in 1 is a plurality of wind turbines 14 . 15 to a wind park internal connection network 16 connected. In the connection network 16 is a medium voltage of, for example, 20 kV. Before being handed over to a public transmission network 17 will the voltage with a transformer 18 transformed to a high voltage of, for example, 380 kV. To the transmission network 17 is a variety of consumers 20 connected in 1 are indicated only schematically.

In der schematischen Darstellung der Windenergieanlage 14 in 2 wird die Drehung eines Rotors 21 durch ein Getriebe 22 auf eine höhere Drehzahl übersetzt, mit der ein Generator 23 angetrieben wird. Der von dem Generator 23 erzeugte elektrische Strom wird über eine Verbindung mit drei Phasen 281, 282, 283 an einen Transformator 25 weitergeleitet, der die Spannung auf die im Anschlussnetz 16 anliegende Mittelspannung bringt. Es handelt sich um eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine (DFIG), bei ein Umrichter 24 zu parallel zu dem Generator 23 geschaltet ist. Der Umrichter 24 umfasst einen Machine Side Converter 241 und einen Line-Side-Converter 242, die über einen Gleichstrom-Zwischenkreis miteinander verbunden sind.In the schematic representation of the wind turbine 14 in 2 becomes the rotation of a rotor 21 through a transmission 22 translated to a higher speed, with a generator 23 is driven. The one from the generator 23 Electricity generated is through a three-phase connection 281 . 282 . 283 to a transformer 25 forwarded the voltage to the connected network 16 attached medium voltage brings. It is a double-fed asynchronous machine (DFIG), with an inverter 24 too parallel to the generator 23 is switched. The inverter 24 includes a machine side converter 241 and a line-side converter 242 , which are connected to each other via a DC link.

Ein Spannungssensor 29 misst zwischen dem Generator 23 und dem Transformator 25 in den drei Phasen 281, 282, 283 des Drehstromsystems die Spannungen U1, U2, U3 gegenüber dem Nullleiter. Die Netzfrequenz, die mit dem Spannungssensor 29 gemessen wird, stimmt mit der Netzfrequenz in dem windparkinternen Anschlussnetz 16 sowie dem Übertragungsnetz 17 überein. Trägt man die Messwerte des Spannungssensors 29 über der Zeit auf, so ergeben sich drei sinusförmige Spannungsverläufe U1, U2, U3, die jeweils um einen Phasenwinkel von 120° relativ zueinander verschoben sind. Die Spannungsverläufe U1, U2, U3 sind in 3 dargestellt.A voltage sensor 29 measures between the generator 23 and the transformer 25 in the three phases 281 . 282 . 283 of the three-phase system, the voltages U1, U2, U3 relative to the neutral. The grid frequency associated with the voltage sensor 29 is measured, agrees with the grid frequency in the wind farm internal access network 16 as well as the transmission network 17 match. If one carries the measured values of the voltage sensor 29 over time, this results in three sinusoidal voltage curves U1, U2, U3, which are each shifted by a phase angle of 120 ° relative to each other. The voltage curves U1, U2, U3 are in 3 shown.

Ein Auswertemodul 31, das an den Spannungssensor 29 angeschlossen ist, wertet die Spannungsverläufe U1, U2, U3 aus und identifiziert die Nulldurchgänge. In jeder Phase 281, 282, 283 gibt es zwei Nulldurchgänge pro vollständiger Periode. Setzt man die vollständige Periode mit einem Phasenwinkel von 360° gleich, sind die beiden Nulldurchgänge um 180° zueinander verschoben. Betrachtet man die drei Spannungsverläufe U1, U2, U3 zusammen, so gibt es sechs Nulldurchgänge pro Periode. In Phasenwinkeln betrachtet folgt der nächste Nulldurchgang also jeweils nach 60°.An evaluation module 31 connected to the voltage sensor 29 is connected, evaluates the voltage curves U1, U2, U3 and identifies the zero crossings. In every phase 281 . 282 . 283 There are two zero crossings per complete period. Substituting the full period with a phase angle of 360 °, the two zero crossings are shifted by 180 ° to each other. If one considers the three voltage curves U1, U2, U3 together, there are six zero crossings per period. In phase angles, the next zero crossing follows after 60 °.

Das Auswertemodul 31 ermittelt außerdem den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen derselben Phase. Aus dem Kehrwert des zeitlichen Abstands lässt sich leicht auf die Netzfrequenz schließen. Im Sinne der Erfindung gilt der zeitlicher Abstand zwischen zwei Nulldurchgängen deswegen als andere Darstellungsform der Netzfrequenz.The evaluation module 31 also determines the time interval between two consecutive zero crossings of the same phase. From the reciprocal of the time interval can be easily close to the mains frequency. For the purposes of the invention, the time interval between two zero crossings therefore applies as another form of representation of the network frequency.

Nutzt das Auswertemodul 31 jeden Nulldurchgang in einer der Phasen 281, 282, 283, um die Netzfrequenz zu ermitteln, so ergeben sich sechs Messwerte für die Netzfrequenz pro Periode. Bei einer Frequenz von 50 Hz dauert die Periode 20 ms. Man erhält also jeweils nach 3,33 ms einen neuen Messwert für die Netzfrequenz.Uses the evaluation module 31 every zero crossing in one of the phases 281 . 282 . 283 In order to determine the grid frequency, there are six measured values for the grid frequency per period. At a frequency of 50 Hz, the period lasts 20 ms. Thus, each time after 3.33 ms, a new measured value for the line frequency is obtained.

Gemäß 2 umfasst die Windenergieanlage außerdem ein Rechenmodul 30, um Linearkombinationen aus den Spannungsverläufen U1, U2 und U3 zu bilden. Das Rechenmodul 30 erhält genau wie das Auswertemodul 31 die Messwerte von dem Spannungssensor 29 in ungefilterter Form. Die Linearkombinationen bilden sinusförmige Spannungsverläufe mit derselben Frequenz wie die Spannungsverläufe U1, U2 und U3. Von dem Rechenmodul 30 werden die Linearkombinationen an das Auswertungsmodul 31 übermittelt. Das Auswertemodulen 31 kann aus den Linearkombinationen in gleicher Weise die Netzfrequenz ermitteln wie aus den direkt von dem Spannungssensor 29 erhaltenen Spannungsverläufen. According to 2 The wind turbine also includes a computing module 30 to form linear combinations of the voltage curves U1, U2 and U3. The calculation module 30 receives exactly like the evaluation module 31 the readings from the voltage sensor 29 in unfiltered form. The linear combinations form sinusoidal voltage curves with the same frequency as the voltage curves U1, U2 and U3. From the calculation module 30 The linear combinations are sent to the evaluation module 31 transmitted. The evaluation modules 31 can determine the line frequency from the linear combinations in the same way as from the directly from the voltage sensor 29 obtained voltage curves.

Die 4 zeigt zusätzlich zu den Spannungsverläufen aus 3 in gestrichelten Linien drei Linearkombinationen, die das Rechenmodul 30 durch Subtraktion aus den Spannungsverläufen U1, U2 und U3 gebildet hat. Die Linearkombinationen U2-U1, U3-U2 und U1-U3 entsprechen jeweils den Spannungsverläufen, den man erhält, wenn man die Spannung in zwei der drei Phasen gegeneinander misst.The 4 shows in addition to the voltage curves 3 in dashed lines three linear combinations that the computational module 30 has formed by subtraction from the voltage curves U1, U2 and U3. The linear combinations U2-U1, U3-U2 and U1-U3 respectively correspond to the voltage curves obtained when measuring the voltage in two of the three phases against each other.

In 5 ist eine Vektordarstellung der drei Spannungsverläufe U1, U2 und U3 sowie der Linearkombinationen U2-U1, U3-U2 und U1-U3 gezeigt. In der Vektordarstellung fehlt die Information über den zeitlichen Verlauf, dafür ist die Information über die Phasenwinkel besser zugänglich. Die Spannungsverläufe U1, U2 und U3 schließen einen Phasenwinkel von jeweils 120° miteinander ein. Durch Vektorsubtraktion mit der benachbarten Phase ergeben sich die Linearkombinationen U2-U1, U3-U2 und U1-U3, die entsprechend 4 in gestrichelter Linie dargestellt sind. Die Amplitude der Linearkombinationen ist größer als die Amplitude in den Phasen. Auf das erfindungsgemäße Verfahren hat dies keine Auswirkung, wenn die Netzfrequenz anhand der Nulldurchgänge ermittelt wird.In 5 is shown a vector representation of the three voltage curves U1, U2 and U3 and the linear combinations U2-U1, U3-U2 and U1-U3. In the vector representation, the information about the time course is missing, but the information about the phase angle is more accessible. The voltage curves U1, U2 and U3 include a phase angle of 120 ° with each other. Vector subtraction with the adjacent phase results in the linear combinations U2-U1, U3-U2 and U1-U3, which correspond to each other 4 are shown in dashed line. The amplitude of the linear combinations is greater than the amplitude in the phases. This has no effect on the method according to the invention if the grid frequency is determined on the basis of the zero crossings.

Der Phasenwinkel zwischen Linearkombination und benachbarter Phase ist jeweils 30°. Indem die Nulldurchgänge nicht nur einmal pro Periode, sondern einmal pro Halbwelle auftreten, ergibt sich für jeden der in 5 gezeigten Vektoren ein nicht dargestellter zweiter Nulldurchgang, der um einen Phasenwinkel von 180° verschoben ist. Die Nulldurchgänge sind also über die Periode gleich verteilt, so dass jeweils nach einem Phasenwinkel von 30° der nächste Nulldurchgang erfolgt. Dies ist in 4 zu sehen.The phase angle between the linear combination and the adjacent phase is 30 ° in each case. The fact that the zero crossings occur not only once per period, but once per half cycle, results for each of the in 5 shown vectors a non-illustrated second zero crossing, which is shifted by a phase angle of 180 °. The zero crossings are therefore equally distributed over the period, so that in each case after a phase angle of 30 °, the next zero crossing occurs. This is in 4 to see.

Nutzt man jeden der Nulldurchgänge der Spannungsverläufe U1, U2 und U3 sowie der Linearkombinationen für eine erneute Ermittlungen der Netzfrequenz, so ergibt sich nach Phasenwinkeln von jeweils 30° ein neuer Messwert. Auf der Zeitachse halbiert sich der Abstand zwischen zwei benachbarten Nulldurchgängen. Bei einer Frequenz von 50 Hz ergibt sich folglich alle 1,67 ms ein neuer Messwert für die Netzfrequenz.If one uses each of the zero crossings of the voltage curves U1, U2 and U3 as well as the linear combinations for a renewed investigation of the mains frequency, the result is a phase angle of 30 °, a new measured value. On the time axis, the distance between two adjacent zero crosses is halved. At a frequency of 50 Hz, a new measured value for the line frequency therefore results every 1.67 ms.

Durch geeignete Auswahl der Linearkombinationen lässt sich der Phasenwinkel bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen der Netzfrequenz noch weiter verkürzen. Ein Beispiel dafür ist in den 6 bis 8 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber zeigt die 6 nicht alle drei Phasen des Netzes 16, sondern nur die beiden Phasen U1 und U2. In 7 sind die Phase U1 sowie vier Linearkombinationen aus U1 und U2 dargestellt. In 8 entsprechen die vom Mittelpunkt ausgehenden durchgehenden Pfeile den in 7 gezeigten Spannungsverläufen.By suitable selection of the linear combinations, the phase angle or the time interval between two successive measurements of the mains frequency can be shortened even further. An example of this is in the 6 to 8th shown. For clarity, the shows 6 not all three phases of the network 16 but only the two phases U1 and U2. In 7 the phase U1 and four linear combinations of U1 and U2 are shown. In 8th The continuous arrows starting at the center point correspond to those in 7 shown voltage curves.

In diesem Ausführungsbeispiel wird der 60°-Phasenwinkel zwischen U1 und -U3 in fünf Abschnitte unterteilt. Die Unterteilung erfolgt durch die folgenden vier Linearkombinationen aus U1 und U2: UX_i(t) = U1(t) + i/5·U2(t) mit i = 1...4. In this embodiment, the 60 ° phase angle between U1 and -U3 is divided into five sections. The subdivision is made by the following four linear combinations of U1 and U2: UX _i (t) = U1 (t) + i / 5 * U2 (t) with i = 1 ... 4.

Der Phasenwinkel zwischen zwei benachbarten Linearkombinationen UXi ist ungefähr 12°. Durch die lineare Abstufung der Faktoren vor U2 sind die Phasenwinkel zwischen zwei benachbarten Linearkombinationen UXi nicht ganz identisch, sondern nur annähernd identisch.The phase angle between two adjacent linear combinations UXi is about 12 °. Due to the linear gradation of the factors before U2, the phase angles between two adjacent linear combinations UXi are not completely identical, but only approximately identical.

Der Übersichtlichkeit halber ist die Darstellung in den 7 und 8 auf den Winkelbereich zwischen U1 und -U3 beschränkt. Bildet man entsprechende Linearkombinationen UXi zwischen U2 und U3 sowie zwischen U3 und U1 und nutzt man jeden Nulldurchgang einer der Phasen oder einer der Linearkombinationen für die Ermittlung der Netzfrequenz, so erhält man nach Phasenwinkeln von jeweils etwa 12° einen neuen Messwert für die Netzfrequenz. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergibt sich also nach jeweils etwa 0,67 ms ein neuer Messwert für die Netzfrequenz. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, dass die Windenergieanlage sehr schnell auf Veränderungen der Netzfrequenz reagieren kann. Außerdem kann durch Mittelung über eine Mehrzahl von Messwerten die Netzfrequenz mit einer erhöhten Genauigkeit ermittelt werden.For the sake of clarity, the representation in the 7 and 8th limited to the angular range between U1 and -U3. If one forms corresponding linear combinations UXi between U2 and U3 as well as between U3 and U1 and if one uses each zero crossing of one of the phases or one of the linear combinations for the determination of the network frequency, one obtains a phase frequency angle of about 12 ° a new measured value for the line frequency. At a mains frequency of 50 Hz, a new measured value for the mains frequency results every 0.67 ms. This opens up the possibility that the wind turbine can react very quickly to changes in the grid frequency. In addition, by averaging over a plurality of measured values, the network frequency can be determined with increased accuracy.

Claims

Method for determining the network frequency with the following steps: a. Measuring a first voltage curve (U1) of the network ( 16 ); b. Measuring a second voltage curve (U2) of the network ( 16 ); c. Forming a linear combination (UXi) from the first voltage waveform (U1) and the second voltage waveform (U2); d. Determining the time interval between a first voltage value of the linear combination (UXi) and a second voltage value of the linear combination (UXi).

A method according to claim 1, characterized in that the phase angle between the first voltage value and the second voltage value is not greater than 360 °.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the first voltage value and / or the second voltage value is a zero crossing.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the linear combination (UXi), the time interval is determined twice per period.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in addition the time interval between two voltage values of the first voltage waveform (U1) and / or between two voltage values of the second voltage waveform (U2) is determined.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that more than six times per period, the time interval between two voltage values is determined.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the phase angle between two determinations of the time interval is not greater than 30 °, preferably not greater than 15 °.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the time interval is repeated several times, so that over a period of the voltage waveform (U1, U2) considered the phase angle between two successive determinations is not greater than 30 °, preferably not greater as 15 °.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the linear combination, the difference from the voltage curve (U2) of the second phase ( 282 ) and the voltage curve (U1) of the first phase ( 281 ).

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of linear combinations (UXi) from the voltage curve (U1) of the first phase ( 281 ) and the voltage curve (U2) of the second phase ( 282 ) is formed.

Method according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the time interval is determined on the basis of unfiltered measured values of the voltage profile (U1, U2).

Network acquisition module with a voltage sensor ( 29 ) for measuring a first voltage curve (U1) of the network ( 16 ) and for measuring a second voltage profile (U2) of the network ( 16 ), wherein the network detection module further comprises a computing module ( 30 ), which is designed to form a linear combination (UXi) from the first voltage curve (U1) and the second voltage curve (U2), and an evaluation module ( 31 ), which is designed to determine the time interval between a first voltage value of the linear combination (UXi) and a second voltage value of the linear combination (UXi).

Network detection module according to claim 12, characterized in that the first voltage value and / or the second voltage value are zero crossings of the linear combination (UXi).

Wind turbine with a rotor and one through the rotor ( 21 ) powered generator ( 23 ), wherein the wind turbine is adapted to be connected to the generator ( 23 ) generated electrical energy in a network ( 16 ), characterized in that the wind turbine comprises a network detection module according to claim 12 or 13.