DE19927524A1 - Modellbasiertes Entwurfsverfahren für ein Pendeldämpfungsgerät und Anlage mit einem derartigen Pendeldämpfungsgerät - Google Patents

Abstract

Pendeldämpfungsgeräte (PDG) für Turbogeneratoren bei Gas- und/oder Dampfkraftwerken dienen dazu, die auftretenden Leistungsschwingungen zu reduzieren. Der Entwurf eines solchen Gerätes kann modellbasiert erfolgen. Gemäß der Erfindung wird ein physikalisches Streckenmodell verwendet und bereits beim Entwurf zur Verbesserung des Dämpfungsverhaltens im Streckenmodell eine differenzierende Wirkung berücksichtigt, wodurch sichergestellt wird, daß das Ausgangssignal des Pendeldämpfungsgerätes (PDG) stationär Null beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein modellbasiertes Entwurfs­ verfahren für ein Pendeldämpfungsgerät und auf eine Anlage unter Verwendung des so geschaffenen Pendeldämpfungsgerät. Mit einem solchen Pendeldämpfungsgerät für Turbogeneratoren bei Gas- und/oder Dampfkraftwerken sollen die auftretenden Leistungsschwingungen reduziert werden, wobei üblicherweise aus einem signifikanten Signal eine Modulation der Erregung abgeleitet wird.

Die Verwendung von Pendeldämpfungsgeräten in der Praxis wird beispielsweise in Siemens-Energietechnik 3, 1981, Heft 2, Seiten 50 bis 53 erläutert. Weitere Angaben hierzu sind aus e, 107. Jg, Heft 1, Seiten 524 bis 531 zu entnehmen.

In der Praxis werden Pendeldämpfungsgeräte, sog. PDG's, meist erst auf einer Anlage angepaßt und optimiert. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, ein PDG anhand von Modellen zu konzipieren.

Aus der EP 0713 287 Al ist ein Pendeldämpfungsgerät für Generatoren bekannt, bei dem jeweils einem Stabilisierungs­ kreis ein sog. Beobachter speziell für die Beschleunigung zugeordnet ist. Damit wird bezüglich des Winkels eine differenzierende Wirkung erreicht. Bei einer Vielzahl von Beobachtern wird der Aufbau vergleichsweise kompliziert.

Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, das modellbasierte Entwurfsverfahren zu verbes­ sern, so daß ein normoptimales Pendeldämpfungsgerät ge­ schaffen wird, das den Bedürfnissen der Praxis genügt.

Die Aufgabe ist verfahrensmäßig durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein entsprechendes Pendel­ dämpfungsgerät ist durch Patentanspruch 5 gekennzeichnet. Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung ist erreicht, daß bereits beim modell­ basierten Entwurf das für Pendeldämpfungsgeräte wesentliche Kriterium der differenzierenden Wirkung berücksichtigt wird. Beobachter für spezielle Größen sind dann beim Pendel­ dämpfungsgerät nicht mehr notwendig. Für die Praxis ergeben sich dadurch erhebliche Verbesserungen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils als Blockschaltbild

Fig. 1 die Regelung eines Turbosatzes,

Fig. 2 die Verdeutlichung eines üblichen Pendeldämpfungsgerätes, auch PDG genannt,

Fig. 3 ein lineares Modell für den Entwurf eines Pendel­ dämpfungsgerätes,

Fig. 4 das sogenannte Standard-Problem für ein PDG,

Fig. 5 das Ergebnis des erfindungsgemäßen Vorgehensweise,

Fig. 6 die Reduktion der Lösung aus Fig. 5 für ein System 3. oder 4. Ordnung,

Fig. 7 die Konzeption eines Mehrgrößen-PDG's und

Fig. 8 eine Anordnung eines mit zwei PDG's geregelten Gas­ turbosatzes.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen für ein spezielles Beispiel beschrieben. Neben dem spezifischen Leistungs-PDG kann in entsprechender Weise auch die Drehzahl berücksichtigt werden, oder es kann auch der Turbinenregler beeinflußt werden.

Die Regelung von Turbosätzen in der elektrischen Energiever­ sorgung beinhaltet neben der Drehzahl-/Leistungsregelung und der Spannungsregelung auch meistens ein Pendeldämpfungsgerät (PDG) zur Verminderung von Wirkleistungsschwingungen. Während früher die Aufgabe meist auf die Dämpfung von Pendelungen großer Dampfturbosätze gegenüber dem quasistarren Netz be­ schränkt war, so werden heute selbst kleinere Turbosätze mit einem PDG versehen, an das erheblich gestiegene Anforderungen gestellt werden: Der Netzbetreiber verlangt den Nachweis der dämpfenden Wirkung in einem erweiterten Frequenzbereich. Außer der klassischen Dämpfung der Turbosatzeigenfrequenz bei ca. 1 Hz muß auch ein positiver Beitrag zur Reduzierung nie­ derfrequenter Pendelungen geleistet werden. Hintergrund sind die nicht zuletzt durch die Erweiterung des Verbundnetzes bzw. durch die Öffnung der Versorgungsnetze verstärkt auf­ tretenden "inter area modes". Darunter sind Pendelungen zwischen einzelnen Netzknoten zu verstehen. Ihre Frequenzen liegen je nach Entfernung der Knoten deutlich unter 1 Hz, häufig in einem Bereich von 0.6 Hz bis 0.8 Hz.

Das Pendelverhalten des Turbosatzes wird durch zahlreiche anlagenspezifische Parameter und durch seine Anbindung an das Verbundnetz bestimmt. Einen Überblick über die Komponenten der Anlage gibt Fig. 1. Ein Turbosatz für ein Gas- und/oder Dampfkraftwerk besteht aus einer Turbine 1 und einem elek­ trischen Generator 2, der in ein elektrisches Netz 3 ein­ speist. Es ist ein Drehzahl-/Leistungsregler 4 mit Stellglied 5 für ein zur Speisung der Turbine vorhandenes Ventil 6 und ein Spannungsregler 7 mit Stellglied 8 für die Feldspannung am Polrad 9 des Generators 2 vorhanden. Dem Spannungsregler 7 ist ein Pendeldämpfungsgerät 10 zugeordnet.

Die Regelung des Turbosatzes erfolgt im einzelnen durch den Turbinenregler, der aus einem Drehzahl- und einem Leistungs­ regler besteht, über die Regelventile der Turbine und durch den Spannungsregler über die Erregung u_f des Generators. Die Wirkleistung p_a des Generators kann aus der Klemmenspannung u_a und dem Klemmenstrom i_a gebildet werden. Die Drehzahl n des Turbosatzes wird meist von einem Inkrementalgeber bereit­ gestellt.

Wegen der begrenzten Dynamik der Ventile und der Turbine ist der Turbinenregler für die Funktion der Pendeldämpfung in dem beschriebenen Frequenzbereich ungeeignet. Obwohl die Wirk­ leistung von der Erregung nur dynamisch beeinflußt werden kann, da ausschließlich die Turbine den stationären Anteil liefert, können jedoch die Kopplungen für einen zusätzlichen Regelkreis zur Pendeldämpfung genutzt werden.

Es kommt also darauf an, über den Spannungsregler auf die Erregung transiente Momente zur Schwingungsdämpfung auf­ zuprägen. Der Frequenzbereich des PDG-Ausgangssignals muß aber zu tiefen Frequenzen hin begrenzt werden, um uner­ wünschte Koppelungen zur Spannungsregelung zu vermeiden. In Fig. 2 ist in vereinfachter Weise die Notation eines bekannten Pendeldämpfungsgerätes mit den Einheiten 21 bis 23 dargestellt. Wesentlich sind die für den speziellen Einsatz des PDG jeweils in Abhängigkeit von der Variablen s spezi­ fisch einstellbaren Parameter T_i, was in der Fig. 2 durch die Pfeile angedeutet ist.

Ausgehend von den vorangehenden Erläuterungen kann ein Block­ schaltbild für den modellgestützten Entwurf eines PDG ent­ wickelt werden. Die dynamischen Eigenschaften der Turbinen­ regelung können hier weitestgehend vernachlässigt werden, so daß das Modell für den Entwurf des Pendeldämpfungsgerätes aus dem Erregersystem und dem am Netz betriebenen Generator besteht. Drehzahlschwankungen ergeben sich über die Anlauf­ zeitkonstante aus dem konstant angenommenen Turbinenmoment und dem Reaktionsmoment des Synchrongenerators.

Das Verhalten des Generators hängt nichtlinear vom gewählten Arbeitspunkt und der Netzanbindung ab. Die auftretenden Leistungspendelungen spielen sich jedoch im Kleinsignal­ bereich ab, so daß eine Linearisierung zulässig ist. Der Entwurf muß lediglich eine ausreichende Robustheit für den Betriebsbereich des Generators garantieren.

Fig. 3 zeigt die Zusammensetzung des linearisierten Modells. Es enthält Einheiten 31 bis 33 den Spannungsregler, den Feldspannungssteller und den Generator, der seine Leistung in das Netz speist, was bereit anhand Fig. 1 beschrieben wurde. Die Parameter der einzelnen Komponenten sind dem Hersteller oder Betreiber bekannt, so daß dieses Modell ohne aufwendige Messungen aufgestellt werden kann. In dem betrachteten Fall wird das statische Erregersystem durch eine kleine Ersatz­ zeitkonstante angenähert. Da die Daten von Anlage zu Anlage variieren, wird das PDG auf den jeweiligen Turbosatz optimal abgestimmt.

Das Übertragungsverhalten im relevanten Frequenzbereich von ca. 0.4 Hz bis 2.5 Hz wird von diesem linearen Modell für kleine Amplituden hinreichend genau nachgebildet. Damit kann nun das folgende, den vollständigen Spannungsregelkreis ent­ haltende System aufgestellt werden.

p_a = F_puu_asoll (1)

Die Übertragungsfunktion F_pu beschreibt das Verhalten der Wirkleistung auf Änderungen des Sollwertes der Klemmen­ spannung. Die eingangs erwähnten Regelungsziele lassen sich anhand des Betragsverlaufs dieser Übertragungsfunktion

im Frequenzbereich diskutieren. Die H_∞-Norm dieser Übertragungsfunktion entspricht der maximalen Verstärkung dieser Übertragungsfunktion, und der Verlauf der maximalen singulären Werte ist mit dem Betragsverlauf identisch. Über die H_∞-Norm oder die maximalen singulären Werte kann die Dämpfung also direkt eingestellt werden.

Die Verwendung der H_∞-Norm auch beim Entwurf eines PDG ist deswegen vorzunehmen, um die Anforderungen geeignet mit Hilfe dieser Norm beschreiben zu können. Anforderungen an die Regelung - der Entwurf des PDG wird formal als Reglerentwurf betrachtet - und Einschränkungen hinsichtlich der Stell­ größenaktivität werden über frequenzabhängige Wichtungs­ funktionen Wij formuliert. Dies wird allgemein als die Formulierung des sog. Standardproblems bezeichnet. Die in Fig. 4 erläuterte Regelstrecke F_pu für das PDG findet sich hier wieder. Der Ausgang des PDG Δu_asoll moduliert den Sollwert der Klemmenspannung, also den Eingang der Funktion F_pu.

Das PDG soll nur auf die Wechselanteile der Leistung reagie­ ren, wogegen eine stationäre Verstellung der Klemmenspannung in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung nicht erwünscht ist.

Die Konzeption des sogenannten Standardproblems in Fig. 3 berücksichtigt diesen Aspekt durch einen verzögerten Diffe­ renzierer (DTl-Glied) zwischen der Generatorleistung und dem Eingang des PDG bereits während des Entwurfsphase. Wird das DT₁-Glied nach erfolgtem Entwurf dem PDG zugeschlagen, so ist gewährleistet, daß die Sprungantwort des als "Regler" be­ trachteten PDG's stationär den Wert 0 annimmt.

Im strengen Sinn handelt es sich bei einem PDG nicht um einen Regler im üblichen Sinn. Formal korrespondiert dieses Stand­ ardproblem aber mit einem Reglerentwurfsproblem, so daß diese Bezeichnung auch hier verwendet wird.

Die Behandlung des Entwurfsproblems für ein Pendeldämpfungs­ gerät wird anhand Fig. 4 verdeutlicht. In Fig. 4 kenn­ zeichnen w die Eingänge und v die Ausgänge der Entwurfsauf­ gabe, die mit dem gesamten Block in Wechselwirkung stehen. Der Block P enthält neben einer Einheit 41 mit dem Strecken­ modell F_pu auch Einheiten 42 bis 44 mit Wichtungsfunktionen W₁, W₂, W₃ und eine Einheit 45 mit einem Differenzierglied. Nach Zerlegung von P in vier einzelne Übertragungsfunktionen

erkennt man die Funktion T_vw, deren Norm vom "Regler" K, dem PDG minimiert werden soll.

Dabei enthält

die zu wichtenden Übertragungsfunktionen

Das PDG kann bei Bedarf um einen Eingang - die Drehzahl des Turbosatzes - erweitert werden. Das Standardproblem und das Modell des Generators sind entsprechend anzupassen. Hierzu wird weiter auf Fig. 7 verwiesen.

Der Betragsverlauf der Übertragungsfunktion F_pu ist für die Beurteilung der erzielten Dämpfung maßgeblich. F läßt Aus­ sagen über die Stellgröße und damit auch über die Robustheit zu. Mit dem zweiten Eingang Δp_a wird Meßwertrauschen der Leistung erfaßt, das einen entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Regelung ausübt.

Mit den Wichtungsfunktionen können die Eigenschaften des PDG gesteuert werden. W1 beeinflußt das Dämpfungsmaß und W2 den dynamischen Einsatz der "Stellgröße" Zusatz-Spannungssollwert Δu_asoll. Über W3 wird die Empfindlichkeit auf Signalrauschen Δp_a vorgegeben.

Wird der "Regler" so ausgelegt, daß

|W₂F_uu| ≦ 1 (7)

erfüllt ist, so kann über W₂ unmittelbar die Stellgröße beschränkt werden, da für große Werte von W₂ offensichtlich kleine Werte für den Betrag von F_uu folgen.

Ein Vergleich der umgeformten Beziehung

mit der HR-Norm eines additiven Modellfehlers Δ_A
G = G₀ +Δ_A, (9)

wobei

ist, läßt erkennen, daß mit der Wichtungsfunktion W₂ auch eine hinreichende Aussage über die Robustheit getroffen wird. Die Strecke ist für alle stabile Δ_A mit

|Δ_A|∞ < |W₂|_∞ (11)

ebenfalls stabil. Dies folgt hinreichend aus dem "Small Gain Theorem". Die Lösung dieses Standardproblems ist aus der Literatur gemäß dem Stand der Technik bekannt.

In Fig. 5 ist die Lösung der Entwurfsaufgabe höherer Ordnung entsprechend Einheit 50 zusammen mit dem damit zum PDG ge­ hörenden Differenzierglied 51 und der Funktion des Übertra­ gungsgliedes 52 dargestellt. Es liegt ein normoptimale Pendeldämpfungsglied vor. Nach der Ordnungsreduktion der Lösung entsprechend Einheit 50 erhält man eine allgemeine Übertragungsfunktion 3. oder 4. Ordnung gemäß Fig. 6. Der dort angegebene Block 60 erwertet speziell Funktionen 3. Ordnung.

Die Ordnung des so bestimmten PDG leitet sich aus der Ordnung des Standardproblems und damit aus dem zugrunde gelegten Modell ab. Für einen praktischen Einsatz ist sie unnötig hoch und wird daher mit einem Verfahren der balancierten Modell­ reduktion auf dritte bis vierte Ordnung ohne Performance­ verlust verringert. Zusammen mit dem vorgeschalteten DT₁- Glied ergibt sich damit ein PDG vierter oder fünfter Ordnung, das direkt in die Funktion eines digitalen Spannungsreglers integriert wird.

In Fig. 7 ist das Modell der Fig. 4 derart ergänzt, daß ein Mehrgrößen-PDG 70 konzipiert wird. Dazu werden weitere Wich­ tungsglieder verwendet, um beispielsweise auch die Drehzahl zu gewichten und als Eingang für das PDG zu verwenden. Im einzelnen bedeuten 71, 72 Einheiten für Übertragungsfunk­ tionen F_pu und F_nu, 73 bis 77 Wichtungsglieder und 78, 79 Differenzierglieder.

Durch die entsprechende Anordnung können also zwei Einfluß­ größen berücksichtigt werden. Dies ist mit dem beschrieben, erfindungsgemäßen Verfahren besonders wirkungsvoll.

In Fig. 8 ist gezeigt, daß bei Turbogenerator mehrere Pendeldämpfungsgeräte eingesetzt werden können. Die Steuer- und Regelschaltung entspricht weitgehend der Anordnung des Turbosatzes aus Fig. 1. Neben dem PDG 10, das auf die Er­ regung des Generators 2 wirkt, kann ein weiteres PDG 20 für die Steuerung der Ventilstellung der Turbine 1 vorhanden sein, das auf die Steuerung der Ventilstellung der Turbine 1 einwirkt.

Auch letzteres PDG 20 dient der Dämpfung der Leistungspende­ lungen. Damit können vorteilhafterweise besonders nieder­ frequente Leistungspendelungen, vorzugsweise im Bereich < 0,5 Hz, gedämpft werden. Somit wird eine besonders wirkungs­ volle Anlage geschaffen.

Mit dem beschriebenen Entwurfsverfahren ist also ein vor­ teilhaft einsetzbares Pendeldämpfungsgerät geschaffen. Da die Aufgabe der Pendeldämpfung in jüngster Zeit neue Bedeutung gewonnen hat, wird nahezu jeder neue Kraftwerksblock unab­ hängig von seiner Leistung mit einem Pendeldämpfungsgerät (PDG) versehen.

An das neue Pendeldämpfungsgerät können vom Netzbetreiber gesteigerte Anforderungen gestellt werden. Neben einem er­ weiterten Dämpfungsbereich gehört dazu auch der Nachweis der Wirkung über Simulationsstudien. Dafür sind die Parameter des Generators, der Spannungsregelung, des Erregersystems und der Netzverhältnisse nötig. Diese Informationen können bereits bei der Auslegung des PDG genutzt werden.

Beim Stand der Technik ging man von einer festen Struktur des PDG aus, dessen Parameter vor Ort für den jeweiligen Turbo­ satz optimiert werden. Mit dem beschriebenen Entwurfsverfah­ ren wird nunmehr ein solches modellbasiertes PDG geschaffen, dessen Parameter nicht mehr auf der Anlage per Hand optimiert werden müssen, da bereits im Entwurf eine rechnergestütze Anpassung auf die Anlagensituation stattgefunden hat. Damit verringert sich die Zeit- und kostenintensive Inbetriebset­ zungsphase. Der Kundenforderung nach einer simulativen Vor­ hersage des Verhaltens im geschlossenen Regelkreis kann ein­ fach nachgekommen werden. Zusätzliche Analysetools werden nicht benötigt.

Für die Konzeption des neuen H_∞-optimalen Pendeldämpfungs­ gerätes mit einem breiten Dämpfungsband wurde zunächst ein physikalisches Streckenmodell entwickelt. Nach der Lineari­ sierung am Arbeitspunkt wurde das Standardproblem für den Reglerentwurf formuliert. Die Verwendung der H_∞-Norm bietet sich an, da mit diesem Kriterium eine direkte Vorgabe der Dämpfung möglich ist. Über die Wichtungsfunktionen kann das gewünschte Verhalten auch dynamisch vorgegeben werden. Der Entwurf berücksichtigt außerdem eine ausreichende Robustheit gegenüber Laständerungen des Generators und anderen Unsicher­ heitsfaktoren, wie unvermeidliche Modellfehler oder Netzände­ rungen; verrauschte Meßgrößen werden ebenfalls toleriert. Mit der oben beschriebenen Struktur wird gewährleistet, daß die Spannung stationär nicht beeinflußt wird. Nach einer Ordnungsreduktion kann das PDG in das Funktionspaket eines digitalen Spannungsreglers implementiert werden.

Claims (9)

1. Modellbasiertes Entwurfsverfahren für ein Pendeldämpfungs­ gerät (PDG) für Turbogeneratoren bei Gas- und/oder Dampf­ kraftwerken, dadurch gekennzeichnet, daß ein physikalisches Streckenmodell verwendet wird und daß bereits beim Entwurf zur Verbesserung des Dämpfungsverhaltens des Pendeldämpfungsgerätes im Streckenmodell eine differen­ zierende Wirkung berücksichtigt wird, wodurch sichergestellt wird, daß das Ausgangssignal des Pendeldämpfungsgerätes (PDG) stationär Null beträgt.

2. Entwurfsverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die differenzierende Wirkung für die Leistung berücksichtigt wird.

3. Entwurfsverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die differenzierende Wirkung für die Drehzahl berücksichtigt wird.

4. Entwurfsverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die differenzierende Wirkung gleichermaßen für die Leistung und die Drehzahl berücksich­ tigt wird.

5. Entwurfsverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über eine Wichtungsfunktion (W1) sich das Dämpfungsmaß sowohl über alle Frequenzen gleich als auch mit dynamischen Übertragungsfunktionen für spezielle Frequenzbereiche direkt vorgeben läßt.

6. Anlage mit wenigstens einem Pendeldämpfungsgerät für Turbogeneratoren bei Gas- und/oder Dampfkraftwerken, mit dem die auftretenden Leistungsschwingungen reduziert werden, wozu aus einem signifikanten Signal eine Modulation der Erregung des Generators abgeleitet wird, gekenn­ zeichnet durch die Konzeption nach dem Entwurfs­ verfahren gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pendeldämpfungsgerät (10) auf die Erregung des Generators wirkt.

8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pendeldämpfungsgerät (20) beim Turbinenregler auf die Ventilstellung wirkt.

9. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Pendeldämpfungsgeräte(10, 20) vorhanden sind, von denen das eine Pendeldämpfungsgerät (10) auf die Erregung des Generators (1) und das andere Pendel­ dämpfungsgerät (20) bei der Regelung der Turbine (2) auf die Ventilstellung wirkt.