DE102018115782A1

DE102018115782A1 - Stromaggregat und Verfahren zum Einspeisen von Energie, insbesondere von aus gasförmigen Brennstoffen gewonnener Energie, in ein elektrisches Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE102018115782A1
Application number: DE102018115782.7A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Geisberger; Sebastian Eichhorn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-06-30
Also published as: DE102018115782B4

Abstract

Stromaggregat (10) zur Einspeisung von Energie, insbesondere von aus gasförmigen Brennstoffen gewonnener Energie, in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (20), umfassend einen Generator (30), insbesondere Synchrongenerator, und eine Verbrennungskraftmaschine (40), die den Generator (30) antreibt. Das Stromaggregat (10) umfasst einen elektrischen Hilfsmotor (50), der zum Synchronisieren des Generators (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) regelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromaggregat zur Einspeisung von Energie, insbesondere von aus gasförmigen Brennstoffen gewonnener Energie, in ein elektrisches Energieversorgungsnetz. Als gasförmiger Brennstoff eignet sich beispielsweise Biogas, ein brennbares Gas, das durch Vergärung von Biomasse entsteht. Biogas wird üblicherweise in Biogasanlagen hergestellt, mittels denen biologische Abfälle und nachwachsende Rohstoffe vergoren werden.
Das Stromaggregat umfasst einen Generator, insbesondere einen Synchrongenerator, und eine Verbrennungskraftmaschine, die den Generator antreibt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Synchronisieren eines solchen Stromaggregats mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz, um Energie in das elektrische Energieversorgungsnetz einspeisen zu können.
Zur Einspeisung von Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz ist es bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine einzusetzen, die einen Generator antreibt. Durch die Verbrennungskraftmaschine wird die chemische Energie eines Brennstoffes, insbesondere eines Gases wie beispielsweise Biogas, Holzgas, Grubengas, Erdgas oder Propan, in kinetische Energie umgewandelt, mit welcher der Generator dann angetrieben wird. Der Generator wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie um, die in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
Ist der Generator des Stromaggregats ein Synchrongenerator, so muss der Generator mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert werden, bevor Energie von dem Stromaggregat in das elektrische Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann.
Üblicherweise wird zum Synchronisieren des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz die Drehzahl des Generators über eine Regelung der Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine geregelt bis diese zunächst der Synchrondrehzahl entspricht. Dann wird mit kleinen Steuerimpulsen die Drehzahl angepasst, bis die Phasenlage des Generators mit der Phasenlage des elektrischen Energieversorgungsnetzes identisch ist.
Allerdings ist die Drehzahlregelung über die Drosselklappe vergleichsweise ungenau. Zudem dauert aufgrund der großen Zeitkonstanten der Verbrennungskraftmaschine die Synchronisierung vergleichsweise lange, üblicherweise 30 bis 40 Sekunden. Regelmäßig schlägt die Synchronisierung vollständig fehl, meist nach einem Zeitfenster von 3 Minuten ohne erfolgreiche Synchronisierung. Je großzylindriger die Verbrennungskraftmaschine ist, desto niedriger ist regelmäßig die Erfolgsrate der Synchronisierung.
Ein Verfahren zum Synchronisieren einer Synchronmaschine mit einem Stromnetz wird in DE 10 2015 207 051 A1 beschrieben. Die Synchronmaschine wird von einer Anfangsdrehzahl auf eine Zieldrehzahl beschleunigt, wobei eine Antriebsmaschine die Synchronmaschine in einem ersten niedrigen Drehzahlbereich mit einer ersten, größeren Drehbeschleunigung beschleunigt und in einem zweiten höheren Drehzahlbereich mit einer zweiten, niedrigeren Drehzahlbeschleunigung beschleunigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromaggregat zur Einspeisung von Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz sowie ein Verfahren hierzu bereitzustellen, bei dem die Zeit zum Synchronisieren des Stromaggregats mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz minimiert und die Zuverlässigkeit der Synchronisierung erhöht wird.
Die Aufgabe wird durch ein Stromaggregat nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des Stromaggregats finden ihren Niederschlag in den Ansprüchen 2 bis 11, und bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens finden ihren Niederschlag in den Ansprüchen 13 bis 17.
Das erfindungsgemäße Stromaggregat zur Einspeisung von Energie, insbesondere von aus gasförmigen Brennstoffen gewonnener Energie, wie Biogas, in ein elektrisches Energieversorgungsnetz umfasst einen Generator, insbesondere einen Synchrongenerator, und eine Verbrennungskraftmaschine, die den Generator antreibt. Das Stromaggregat umfasst weiter einen über einen Frequenzumrichter betriebenen, direkt mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelten elektrischen Hilfsmotor, der zum Synchronisieren des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine regelt.
Die Verbrennungskraftmaschine des Stromaggregats wandelt die chemische Energie eines Brennstoffes, insbesondere eines Gases, wie beispielsweise Biogas, Holzgas, Grubengas, Erdgas oder Propan, in kinetische Energie um. Die kinetische Energie der Verbrennungskraftmaschine wird von dem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie des Generators wird in das elektrische Energieversorgungsnetz eingespeist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, einen elektrischen Hilfsmotor zu verwenden, der die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine regelt, um den Generator mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz zu synchronisieren.
Synchronisierung bedeutet, dass das Drehfeld des Generators und das Drehfeld des elektrischen Energieversorgungsnetzes vor der Zuschaltung des Generators an das elektrische Energieversorgungsnetz synchron verlaufend gemacht werden, das heißt, dass Spannung, Phasenlage, Phasenfolge und Frequenz des Generators und des elektrischen Energieversorgungsnetzes identisch sind. Die Frequenz des Generators wird durch dessen Drehzahl abgebildet.
Vorteilhaft ist der elektrische Hilfsmotor als Asynchronmotor ausgestaltet. Gängige Asynchronmotoren, die sich dafür eigenen, werden häufig etwa als Pumpenmotoren verwendet. Alternativ kann der elektrische Hilfsmotor als Synchron-Reluktanzmotor ausgestaltet sein. Weiter alternativ kann der elektrische Hilfsmotor als Gleichstrommotor ausgestaltet sein.
Der elektrische Hilfsmotor kann deutlich kleiner dimensioniert werden als der Generator. Das aus Generator und elektrischem Hilfsmotor bestehende System wird durch die Verbrennungskraftmaschine bereits in die Nähe der Synchrondrehzahl gebracht. Für die exakte Regelung der Drehzahl benötigt der elektrische Hilfsmotor vergleichsweise wenig Leistung, da die Drehzahl lediglich in einem kleinen Drehzahlbereich geregelt werden muss.
Dadurch, dass der elektrische Hilfsmotor vergleichsweise wenig Leistung benötigt, können weitere Elemente üblicher Stromaggregate weiterverwendet werden, insbesondere die Vorrichtung zum Steuern der Synchronisierung.
Die Synchrondrehzahl ist die nötige Drehzahl des Generators, um mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert zu werden. Die Synchrondrehzahl beträgt bei einer vierpoligen Maschine beispielsweise 1500 Umdrehungen pro Minute.
Vorteilhaft umfasst das Stromaggregat eine Regelvorrichtung, insbesondere einen Frequenzumrichter, die zwischen dem elektrischen Energieversorgungsnetz und dem elektrischen Hilfsmotor angeordnet ist und den elektrischen Hilfsmotor regelt. Die Drehzahlregelung durch einen Frequenzumrichter zeichnet sich durch dessen geringe Zeitkonstanten von kleiner 500 Mikrosekunden aus, was zu einer schnellen Synchronisierung des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz beiträgt. Außerdem sind durch die schnelle Regelung die Regelungsamplituden vergleichswiese gering, was die Zuverlässigkeit einer tatsächlichen Synchronisierung verbessert.
Vorteilhaft umfasst das Stromaggregat einen Leistungsschalter, der den Generator und das elektrische Energieversorgungsnetz verbindet, und die Verbindung zwischen dem Generator und dem elektrischen Energieversorgungsnetz herstellt oder trennt, um die Einspeisung elektrischer Leistung des Generators in das elektrische Energieversorgungsnetz zuzuschalten oder abzuschalten. Es ist notwendig, dass das Stromaggregat erst Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz liefert, wenn das Stromaggregat mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert ist. Deshalb ist ein Leistungsschalter notwendig, um den Generator von dem elektrischen Energieversorgungsnetz zu trennen, solange die Synchronisierung noch nicht abgeschlossen ist.
Vorteilhaft umfasst das Stromaggregat einen Drehzahlsensor, der die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine misst und die Regelvorrichtung mit einem Drehzahlsignal, das die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine abbildet, versorgt. Die Regelvorrichtung benötigt zur Regelung der Verbrennungskraftmaschine, deren Drehzahl. Deshalb misst der Drehzahlsensor die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und versorgt die Regelvorrichtung damit. Der Drehzahlsensor bildet die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine auf das Drehzahlsignal ab, welches die Regelvorrichtung verarbeiten kann. Der Drehzahlsensor ist vorzugsweise auf dem Zahnkranz der Kupplung zwischen Verbrennungskraftmaschine und Generator angeordnet.
Ebenfalls vorteilhaft wird die Drehzahl des elektrischen Hilfsmotors alternativ durch Modellrechnung im Frequenzumrichter exakt ermittelt.
Vorteilhaft umfasst das Stromaggregat eine Synchronisierungsvorrichtung, die das elektrische Energieversorgungsnetz, den Generator und die Regelvorrichtung verbindet und die Regelvorrichtung mit einem Drehzahl-Steuersignal versorgt. Die Synchronisierungsvorrichtung ermittelt aufgrund von Daten des elektrischen Energieversorgungsnetzes und dem Ausgang des Generators ein Drehzahl-Steuersignal. Das Drehzahl-Steuersignal wird von der Regelvorrichtung verwendet, um den elektrischen Hilfsmotor zu steuern.
Vorteilhaft regelt die Regelvorrichtung den elektrischen Hilfsmotor basierend auf dem Drehzahlsignal des Drehzahlsensors und dem Drehzahl-Steuersignal der Synchronisierungsvorrichtung.
Das Drehzahl-Steuersignal bildet ab, welche Drehzahl benötigt wird, um mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert zu werden. Die Regeleinrichtung wird somit mit dem Drehzahlsignal des Drehzahlsensors, welches die aktuelle Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und somit des Generators abbildet, und dem Drehzahl-Steuersignal versorgt, sodass die Regeleinrichtung den elektrischen Hilfsmotor derart regeln kann, dass der Generator mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert werden kann. Dieses Steuersignal kann ein absoluter Drehzahlsollwert, der angefahren werden soll, sein, oder eine relative Veränderung, also eine Erhöhung oder Absenkung der aktuellen Drehzahl.
Vorzugsweise verwendet die Regelvorrichtung die Frequenz und die Spannung des elektrischen Energieversorgungsnetzes zur Regelung des elektrischen Hilfsmotors.
Vorteilhaft regelt die Regelvorrichtung den elektrischen Hilfsmotor basierend auf einem Drehzahlistwert, der basierend auf den Motorkenndaten des elektrischen Hilfsmotors und den elektrischen Kenngrößen des Stromflusses in der Regelvorrichtung durch Simulation errechnet wird, und dem Drehzahl-Steuersignal der Synchronisierungsvorrichtung. Auf diese Weise ist das Messen der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine durch den Drehzahlsensor nicht mehr notwendig.
Vorteilhaft ist die Synchronisierungsvorrichtung mit dem Leistungsschalter verbunden, um den Leistungsschalter zu steuern.
Die Synchronisierungsvorrichtung umfasst eine Zuschaltüberwachung und eine Zuschaltfreigabe, wobei die Zuschaltüberwachung überwacht, ob der Generator mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchron ist und die Zuschaltfreigabe den Leistungsschalter steuert. Nur wenn der Generator und das elektrische Energieversorgungsnetz synchron verlaufen, veranlasst die Zuschaltüberwachung, dass die Zuschaltfreigabe den Leistungsschalter einschaltet und der Generator das elektrische Energieversorgungsnetz mit Energie versorgt.
Vorteilhaft weist das Stromaggregat eine Einschaltzeit auf, welche die Gesamtzeit zum Synchronisieren des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz abbildet, wobei die Einschaltzeit eine Synchronisierungszeit umfasst, in welcher der elektrische Hilfsmotor die Verbrennungskraftmaschine regelt, und wobei die Synchronisierungszeit vorzugsweise kleiner als 1 Sekunde, insbesondere kleiner als 100 Millisekunden, ist.
Die Frequenzregelung durch den Frequenzumrichter weist zwar vergleichsweise geringe Zeitkonstanten auf, allerdings ist die Synchronisierungszeit durch die Massenträgheit der Verbrennungskraftmaschine bei der Drehzahlregelung der zeitlich limitierende Faktor.
Vorteilhaft werden von den zur Synchronisierung des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz relevanten Größen Spannung, Phasenlage, Phasenfolge und Frequenz insbesondere die Frequenz und die Phasenlage durch den elektrischen Hilfsmotor geregelt.
Beim Synchronisieren des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz müssen die Spannung, Phasenlage, Phasenfolge und Frequenz des Generators und des elektrischen Energieversorgungsnetzes identisch sein. Es hat sich herausgestellt, dass die Spannung und die Phasenfolge vergleichsweise unproblematisch sind, wohingegen die Frequenz und die Phasenlage zeitkritische Größen sind. Deshalb dient der elektrische Hilfsmotor vor allem dazu, die Frequenz, also die Drehzahl, und durch diese die durch Verschiebung der Phase des Generators die Phasenverschiebung zwischen Generator- und Netzspannung anzupassen und die beiden Spannungsverläufe so synchronlaufen zu lassen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einspeisung von Energie eines Stromaggregats in ein elektrisches Energieversorgungsnetz, wird die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zum Synchronisieren des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetzes durch einen elektrischen Hilfsmotor geregelt.
Vorteilhaft wird der Generator bei durch den Leistungsschalter getrennter Verbindung zwischen dem elektrischen Energieversorgungsnetz und dem Generator durch die Verbrennungskraftmaschine auf eine Drehzahl in der Nähe der Synchrondrehzahl, beschleunigt.
Der Generator wird durch die Verbrennungskraftmaschine in die Nähe der Synchrondrehzahl gebracht. Für die exakte Regelung der Drehzahl benötigt der elektrische Hilfsmotor vergleichsweise wenig Leistung, da die Drehzahl lediglich in einem kleinen Drehzahlbereich geregelt werden muss.
Die Synchrondrehzahl ist die nötige Drehzahl des Generators, um mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert zu werden.
Vorteilhaft wird die Verbrennungskraftmaschine durch den elektrischen Hilfsmotor geregelt bis der Generator mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz synchronisiert ist.
Vorteilhaft wird der elektrische Hilfsmotor basierend auf dem Drehzahlsignal des Drehzahlsensors und dem Drehzahl-Steuersignal der Synchronisierungsvorrichtung geregelt.
Vorteilhaft stellt, nach dem Beenden der Synchronisierung des Generators mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz, der Leistungsschalter die Verbindung zwischen dem elektrischen Energieversorgungsnetz und dem Generator her, um elektrische Leistung des Generators an das elektrische Energieversorgungsnetz zuzuschalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 ein schematisches Schaltbild des Stromaggregats und des elektrischen Energieversorgungsnetzes und
2 ein Diagramm der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine über die Zeit während des Synchronisierungsvorgangs mit dem elektrischen E nerg ieversorg ungsnetz.

1 zeigt ein Stromaggregat 10 zur Einspeisung von Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz 20. Das Stromaggregat 10 umfasst einen Generator 30, der als Synchrongenerator ausgebildet ist, und eine Verbrennungskraftmaschine 40, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine 40, die mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben wird. Die Verbrennungskraftmaschine 40 wird über die Stellung seiner Drosselklappe (nicht gezeigt) geregelt.
Die Verbrennungskraftmaschine 40 weist eine Generatorkupplung 41 auf, über welche die Verbrennungskraftmaschine 40 mit dem Generator 30 verbunden ist. An der Verbrennungskraftmaschine 40, insbesondere auf dem Zahnkranz der Schwungmasse, ist ein Drehzahlsensor 42 angeordnet, der die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 40 misst.
Zusätzlich umfasst das Stromaggregat 10 einen elektrischen Hilfsmotor 50, der über eine Elektrokupplung 51 mit einer Schwungscheibe 43 der Verbrennungskraftmaschine 40 verbunden ist und die Verbrennungskraftmaschine 40 in einem bestimmten Drehzahlbereich zur Synchronisierung des Generators 30 mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 regelt.
Das Stromaggregat 10 umfasst zudem eine Regelvorrichtung 60, die als Frequenzumrichter ausgebildet und mit dem elektrischen Hilfsmotor 50 und dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 oder einer anderen Energiequelle verbunden ist. Weiter umfasst das Stromaggregat 10 eine Synchronisierungsvorrichtung 70, die mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20, der Regelvorrichtung 60 und dem Generator 30 verbunden ist.
Außerdem weist das Stromaggregat 10 einen Leistungsschalter 80 auf, der den Generator 30 und das elektrische Energieversorgungsnetz 20 miteinander verbindet. Solange das Stromaggregat 10 nicht mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 synchronisiert ist, darf der Generator 30 nicht mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 verbunden sein. Der Leistungsschalter 80 muss demnach ausgeschaltet sein, um die Verbindung zwischen dem Generator 30 und dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 zu unterbrechen. Die Synchronisierungsvorrichtung 70 überwacht den Synchronisierungsstatus und steuert die Freigabe der Verbindung zwischen Generator 30 und dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 über den Leistungsschalter 80. Hierzu versorgt die Synchronisierungsvorrichtung 70 den Leistungsschalter 80 mit einem Zuschaltungsfreigabesignal 72. Sobald die Synchronisierung zwischen dem Generator 30 und dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 abgeschlossen ist, sendet die Synchronisierungsvorrichtung 70 dem Leistungsschalter 80 ein Zuschaltungsfreigabesignal 72, sodass der Leistungsschalter 80 die Verbindung zwischen dem Generator 30 und dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 schließt. Der Generator 30 speist dann seine Energie in das elektrische Energieversorgungsnetz 20.
Zum Synchronisieren des Stromaggregats 10 mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 wird die Verbrennungskraftmaschine 40 über die Drosselklappe (nicht gezeigt) der Verbrennungskraftmaschine 40 in ein vorgegebenes, um die Synchrondrehzahl ns des Generators 30 definiertes Toleranzband hochgefahren. Die Synchrondrehzahl ns entspricht beispielsweise 1500 Umdrehungen pro Minute.
Für die exakte Regelung der Frequenz f_G und der Phasenlage φ_G des Generators 30 regelt der elektrische Hilfsmotor 50 die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 40, welche den Generator 30 antreibt. Der elektrische Hilfsmotor 50 selbst wird durch die Regelvorrichtung 60 geregelt. Die Regelvorrichtung gibt dem Hilfsmotor eine geeignete Versorgungsspannung U_H mit einer Frequenz f_H vor.
Die Regelung der Regelvorrichtung 60 basiert auf Daten des Energieversorgungsnetzes 20 und bis zu zwei Signalen, optional dem Drehzahlsignal 44 des Drehzahlsensors 42 sowie unbedingt dem Drehzahl-Steuersignal 71 der Synchronisierungsvorrichtung 70. Das Drehzahlsignal 44 bildet die aktuelle Drehzahl, also Frequenz, der Verbrennungskraftmaschine 40, also auch des Generators 30, ab. Das Drehzahl-Steuersignal 71 wird von der Synchronisierungsvorrichtung 70 basierend auf dem Ausgang 32 des Generators 30 und den Daten des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20 als relative oder absolute Drehzahlsollwertvorgabe generiert.
Die Daten des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20 umfassen die Spannung U_N , die Phasenlage φ_N , die Phasenfolge und die Frequenz f_N des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20.
Der Generator 30 gilt als mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 synchronisiert, wenn die Spannung U_G , die Phasenlage φ_G , die Phasenfolge und die Frequenz f_G des Generators 30 identisch mit der Spannung U_N , der Phasenlage φ_N , der Phasenfolge und der Frequenz f_N des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20 sind.
Die Spannung und Phasenfolge sind zu vernachlässigen. Die Spannung U_G des Generators 30 wird durch einen automatischen Spannungsregler 31 des Generators 30 geregelt, welcher als Eingang die Spannung U_N des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20 und die Ausgangsspannung U_G des Generators 30 erhält. Die Phasenfolge ist über die Drehrichtung des Generators definiert.
Somit regelt der elektrische Hilfsmotor 50 die Frequenz f_G , Drehzahl des Generators 30, und die Phasenlage φ_G .
Wie in 2 gezeigt ist, kann die Synchronisierung in mehrere Zeitabschnitte A bis D aufgeteilt werden. Das Diagramm gemäß 2 zeigt zum einen die Synchronisierung mit Regelung durch den elektrischen Hilfsmotor 50 anhand der durchgezogenen Linie und zum anderen die Synchronisierung aus dem Stand der Technik mit Regelung rein durch die Drosselklappe anhand der gestrichelten Linie.
In den Zeitabschnitten A und B sind beide Synchronisierungsverfahren identisch. In Zeitabschnitt A befindet sich die Verbrennungskraftmaschine 40 im Anlasserbetrieb. Nach etwa einer Sekunde des Anlassens wird die Verbrennungskraftmaschine 40 in Zeitabschnitt B durch die Regelung der Drosselklappe in die Nähe der Synchronisierungsdrehzahl ns von 1500 Umdrehung pro Minute beschleunigt. Dieser Vorgang dauert etwa 4 Sekunden.
In Zeitabschnitt C setzt die Regelung durch den elektrischen Hilfsmotor 50 ein. Dies wird als sogenannte Synchronisierungszeit t_S bezeichnet. Die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 40 wird derart geregelt, dass die Drehzahl und somit die Frequenz des Generators 30 der Synchrondrehzahl ns entspricht. Dies ist in 2 im Zeitpunkt t₁ der Fall. Danach wird mit kleinen Steuerimpulsen die Drehzahl derart geregelt, dass die Phasenlage φ_G , des Generators 30 identisch mit der Phasenlage φ_N des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20 ist. Aufgrund der kleinen Regelzeitkonstanten von einigen hundert Mikrosekunden des elektrischen Frequenzumrichters ist die Synchronisierungszeit t_S lediglich durch die Massenträgheit der Verbrennungskraftmaschine 40 limitiert. Die Synchronisierungszeit t_S beträgt etwa eine Sekunde, kann aber auch deutlich niedriger, in etwa im Bereich von 100 Millisekunden, ausfallen.
Zu dem Zeitpunkt t₂ entspricht die Spannung U_G , die Phasenlage φ_G , die Phasenfolge und die Frequenz f_G des Generators 30 der Spannung U_N , der Phasenlage φ_N , der Phasenfolge und der Frequenz f_N des elektrischen Energieversorgungsnetzes 20. Der Generator 30 ist somit mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 innerhalb von einer Einschaltzeit t_A von 8 Sekunden gestartet und synchronisiert worden.
Die Synchronisierungsvorrichtung 70 sendet nun das Zuschaltfreigabesignal 72 an den Leistungsschalter 80. Der Leistungsschalter 80 schließt die Verbindung zwischen Generator 30 und dem elektrischen Energieversorgungsnetz 20 und das Stromaggregat 10 speist Energie in das Energieversorgungsnetz 20.
Zum Vergleich zeigt die gestrichelte Linie in den Zeitabschnitten C und D, dass die vergleichsweise deutlich trägere Regelung mit der Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine 30 sich nur vergleichsweise langsam an die Synchrondrehzahl ns annähert. Erst deutlich später, zum Zeitpunkt t₁* in Zeitabschnitt D wird überhaupt die Synchrondrehzahl ns erreicht. Die Regelung der Phasenlage ist dann zum Zeitpunkt t₂* abgeschlossen. Die Synchronisierungszeit t_S* liegt zeitlich im Bereich von 10 bis 50 Sekunden, was zu einer deutlich längeren Einschaltzeit t_E* von 20 bis 60 Sekunden führt.
Bezugszeichenliste

10: Stromaggregat
20: Elektrisches Energieversorgungsnetz
30: Generator
31: Automatischer Spannungsregler
32: Ausgang
40: Verbrennungskraftmaschine
41: Generatorkupplung
42: Drehzahlsensor
43: Schwungscheibe
44: Drehzahlsignal
50: elektrischer Hilfsmotor
51: Elektrokupplung
60: Regelvorrichtung
70: Synchronisierungsvorrichtung
71: Drehzahl-Steuersignal
72: Zuschaltfreigabesignal
80: Leistungsschalter
t1: Zeitpunkt an dem die Drehzahlregelung abgeschlossen ist (Hilfsmotorregelung)
t2: Zeitpunkt an dem die Phasenlagenregelung abgeschlossen ist (Hilfsmotorregelung)
t1*: Zeitpunkt an dem die Drehzahlregelung abgeschlossen ist (Drosselregelung)
t2*: Zeitpunkt an dem die Phasenregelung abgeschlossen ist (Drosselregelung)
A,B,C,D: Zeitabschnitte
t_S: Synchronisierungszeit (Hilfsmotorregelung)
t_E: Einschaltzeit (Hilfsmotorregelung)
t_S*: Synchronisierungszeit (Drosselregelung)
t_E*: Einschaltzeit (Drosselregelung)
φ_N: Phasenlage elektrischen Energieversorgungsnetz
U_N: Spannung elektrisches Energieversorgungsnetz
f_N: Frequenz Energieversorgungsnetz
U_H: Spannung Hilfsmotor
f_H: Frequenz Hilfsmotor
φ_G: Phasenlage Generator
U_G: Spannung Generator
f_G: Frequenz Generator
n_S: Synchrondrehzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015207051 A1 [0007]

Claims

Stromaggregat (10) zur Einspeisung von Energie, insbesondere von aus gasförmigen Brennstoffen gewonnener Energie, in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (20), umfassend einen Generator (30), insbesondere Synchrongenerator, und eine Verbrennungskraftmaschine (40), die den Generator (30) antreibt, gekennzeichnet durch einen elektrischen Hilfsmotor (50), der zum Synchronisieren des Generators (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) regelt.
Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Hilfsmotor (50) als Gleichstrommotor oder als Asynchronmotor- oder als Synchron-Reluktanzmotor ausgestaltet ist.
Stromaggregat nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Regelvorrichtung (60), insbesondere einen Frequenzumrichter, die zwischen dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) und dem elektrischen Hilfsmotor (50) angeordnet ist und den elektrischen Hilfsmotor (50) regelt.
Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Leistungsschalter (80), der den Generator (30) und das elektrische Energieversorgungsnetz (20) verbindet und die Verbindung zwischen dem Generator (30) und dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) herstellt oder trennt, um elektrische Leistung des Generators (30) an das elektrische Energieversorgungsnetz (20) zuzuschalten oder abzuschalten.
Stromaggregat nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Drehzahlsensor (42), der die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) misst und die Regelvorrichtung (60) mit einem Drehzahlsignal (44), das die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) abbildet, versorgt.
Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Synchronisierungsvorrichtung (70), die das elektrische Energieversorgungsnetz (20), den Generator (30) und die Regelvorrichtung (60) verbindet und die Regelvorrichtung (60) mit einem Drehzahl-Steuersignal (71) versorgt.
Stromaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (60) den elektrischen Hilfsmotor (50) basierend auf dem Drehzahlsignal (44) des Drehzahlsensors (42) und dem Drehzahl-Steuersignal (71) der Synchronisierungsvorrichtung (70) regelt.
Stromaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (60) den elektrischen Hilfsmotor (50) auf Basis von einem Drehzahlistwert, der basierend auf den Motorkenndaten des elektrischen Hilfsmotors (50) und den elektrischen Kenngrößen des Stromflusses in der Regelvorrichtung (60) durch Simulation errechnet wird, und dem Drehzahl-Steuersignal (71) der Synchronisierungsvorrichtung (70) regelt.
Stromaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungsvorrichtung (70) mit dem Leistungsschalter (80) verbunden ist, um den Leistungsschalter (80) zu steuern.
Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromaggregat (10) eine Einschaltzeit (t_E) aufweist, welche die Gesamtzeit vom Start der Verbrennungskraftmaschine bis zum Abschluss der Synchronisierung des Generators (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) abbildet, wobei die Einschaltzeit (t_E) eine Synchronisierungszeit (t_S) umfasst, in welcher der elektrische Hilfsmotor (50) die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) regelt und wobei die Synchronisierungszeit (t_S) kleiner als 1 Sekunde, insbesondere kleiner als 100 Millisekunden, ist.
Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass von den zur Synchronisierung des Generators (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) relevanten Größen Spannung (U), Phasenlage (φ), Phasenfolge und Frequenz (f) insbesondere die Frequenz (f) und die Phasenlage (φ) durch den elektrischen Hilfsmotor (50) geregelt werden.
Verfahren zur Einspeisung von Energie eines Stromaggregats (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) zum Synchronisieren des Generators (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetzes (20) durch einen elektrischen Hilfsmotor (50) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Beschleunigen des Generators (30) bei durch den Leistungsschalter (80) getrennter Verbindung zwischen dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) und dem Generator (30) durch die Verbrennungskraftmaschine (40) auf eine Drehzahl in einem Toleranzband um die Synchrondrehzahl (ns), abhängig von der Polpaarzahl des Generators.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch ein Regeln der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (40) durch den elektrischen Hilfsmotor (50) bis der Generator (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) synchronisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein Regeln des elektrischen Hilfsmotors (50) basierend auf dem Drehzahlsignal (44) des Drehzahlsensors (42) und dem Drehzahl-Steuersignal (71) der Synchronisierungsvorrichtung (70).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein Regeln des elektrischen Hilfsmotors (50) basierend auf einem Drehzahlistwert, der basierend auf den Motorkenndaten des elektrischen Hilfsmotors (50) und den elektrischen Kenngrößen des Stromflusses in der Regelvorrichtung (60) durch Simulation errechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass, nach dem Beenden des Synchronisierungsvorgangs des Generators (30) mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20), der Leistungsschalter (80) die Verbindung zwischen dem elektrischen Energieversorgungsnetz (20) und dem Generator (30) herstellt, um elektrische Leistung des Generators (30) an das elektrische Energieversorgungsnetz (20) zuzuschalten.