EP1034616A1 - Method and device for dynamic power regulation of a driven polyphase synchronous machine - Google Patents

Method and device for dynamic power regulation of a driven polyphase synchronous machine

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Publication number
EP1034616A1
EP1034616A1 EP98962264A EP98962264A EP1034616A1 EP 1034616 A1 EP1034616 A1 EP 1034616A1 EP 98962264 A EP98962264 A EP 98962264A EP 98962264 A EP98962264 A EP 98962264A EP 1034616 A1 EP1034616 A1 EP 1034616A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
value
load angle
actual
power
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98962264A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Karlecik-Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1034616A1 publication Critical patent/EP1034616A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/005—Machines with only rotors, e.g. counter-rotating rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/26—Means for adjusting casings relative to their supports
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/105—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for increasing the stability

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine.
  • the subject of power oscillations in a controlled synchronous machine has existed since the beginning of power plant construction.
  • the rotating mass of the turbo set forms in cooperation with that connected via a grid reactance
  • the asynchronous torque of the generator is proportional to the slip of the generator and therefore counteracts a change in the magnet wheel angle. A higher asynchronous torque therefore increases the damping.
  • the asynchronous torque mainly depends on the dimensions of the generator. However, the increased performance of the generators is due to the increased cooling of the active windings and is achieved less by larger dimensions, the asynchronous torque is reduced in comparison to the synchronous torque and the internal damping of the system becomes weaker.
  • Voltage regulators with high amplification react so massively to the voltage changes resulting from the oscillations that they impart additional transient torques to the turbo set via the excitation. Although these have a voltage-supporting effect, they have an opposite effect on the active power output and have a destabilizing effect, hence the natural vibration of the turbo set. This damping can lead to instability of the turbo set regardless of the so-called network configuration.
  • the turbo set is primarily controlled by the turbine controller, consisting of a power and a speed controller, and the voltage controller.
  • the turbine controller acts on the control valves, which regulate a gas or steam mass flow to the turbine.
  • the frequency statics can counteract slow changes in the network frequency. With frequencies zen above 0.1 Hz ... 0.2 Hz, however, it cannot intervene due to the limited dynamics of the valves.
  • the voltage regulator has the task of keeping the terminal voltage of the generator as constant as possible and thus making it independent of external disturbances.
  • a high control quality of the voltage regulation is an important requirement.
  • the dynamics of the voltage regulation cannot be increased arbitrarily.
  • This pendulum damping device also known as the "Power System Stabilizer”, mainly works by energizing the synchronous generator.
  • This pendulum damping device is known, for example, from the article “Damping power oscillations by influencing the generator excitation", printed in the DE magazine “Siemens Energytechnik", volume 3, 1981, volume 1, pages 8 to 12. It is disadvantageous that an additional control device must be used for the pendulum damping, that the voltage regulator regulating the turbo set must be matched.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for dynamic power control of a driven synchronous machine.
  • dynamic power control can be carried out by means of dynamic load angle control.
  • the dynamic behavior of the load angle is mainly determined by the integration of the difference between mechanical and electrical ment determined.
  • the integration time corresponds to the start-up time constant of the unit, consisting of the driven machine and the rotor of the synchronous machine.
  • a load angle setpoint and a load angle actual value are required for such a dynamic load angle control.
  • the load angle setpoint can be generated by means of a superimposed power control as a function of a predetermined power setpoint and an actual power value determined from a determined stator voltage space vector and a determined stator current space vector.
  • the actual load angle value is equal to the comparison value of two asynchronous partial load angles, which are determined in each case as a function of a determined mains voltage space vector and an actual position value of the rotor or the stator of the synchronous machine. These two asynchronous partial load angles each indicate the relative position of the stationary voltage space vector and the pole wheel voltage space vector of the synchronous machine with respect to a mains voltage space vector (reference space vector). The difference between these two asynchronous partial load angles results in the actual load angle value.
  • a manipulated variable for the variable-speed drive is generated as a function of the load angle setpoint and the actual load angle value, which is converted into control signals of this variable-speed drive using a pulse-width-modulated method.
  • This control of the variable-speed drive causes the stator of the synchronous machine to rotate in the direction of rotor rotation or in the opposite direction of the rotor. As a result, the actual load angle value is regulated to the nominal load value.
  • a stochastically driven synchronous machine In the case of a stochastically driven synchronous machine, the pole wheel voltage space vector changes its position relative to the stator voltage space vector, which is noticeable in a power fluctuation. These stochastic power fluctuations are corrected by the dynamic rotation of the stator of the synchronous machine. Thus, a stochastically driven synchronous machine can deliver constant power.
  • the device for dynamic power control of a driven synchronous machine comprises, on the one hand, a device for determining a load angle actual value, a device for determining a load angle setpoint and a load angle control circuit with a downstream control set, and, on the other hand, a synchronous machine, the stand of which rotates by means of a variable-speed drive and a transmission can be.
  • the device for determining an actual load angle value is connected on the one hand to outputs of two position sensors, which are connected on the input side to a rotor and a stator of the synchronous machine, and on the other hand to a voltage measurement value acquisition.
  • the device for determining a load angle setpoint is supplied with actual voltage values, actual current values and a power setpoint.
  • a manipulated variable is generated by means of the load angle control circuit, which is converted into control signals of the variable-speed drive by means of the downstream tax rate, whereby the stator of the synchronous machine is rotated relative to its rotor until the actual load angle value with the load angle Setpoint matches.
  • the power output by the driven synchronous machine is therefore equal to a predetermined power setpoint.
  • the synchronous machine has a stator having a multi-phase winding and a rotor.
  • the stand is rotatably mounted and is equipped with a gear.
  • Each winding of the multi-phase winding of the stator is electrically connected to a terminal connection of the synchronous machine by means of a slip ring and a brush.
  • the stator and the rotor of this synchronous machine is connected to a position encoder.
  • the transmission is connected on the drive side to a variable-speed drive, the control inputs of which are linked to the headset of the device. On the input side, this variable-speed drive is linked to a network on which the driven synchronous machine is to deliver power.
  • the configuration of this synchronous machine in particular of its stand, makes it possible to dynamically compensate for power fluctuations in connection with the device.
  • FIG 2 shows an embodiment of a synchronous machine according to the invention
  • the IG 3 shows a block diagram of a device for determining a load angle actual value
  • FIG. 4 shows a block diagram of a device for determining a load angle setpoint
  • FIG. 5 shows a block diagram of a load angle control circuit
  • FIG. 6 a block diagram of a power Setpoint generator is shown
  • FIG 7 shows a space vector image of the mains, stator and magnet wheel voltage of the synchronous machine
  • FIG. 8 shows a pointer image for the synchronization condition
  • FIG. 9 shows a pointer image for the stationary generator operation of the synchronous machine.
  • 1, 2 is a synchronous machine
  • 4 is a variable-speed drive
  • 6 is a gear
  • 8 is a regulating and control device of a variable-speed drive 4
  • 10 and 12 are position indicators.
  • This synchronous machine 2 has a stator 14 having a multi-phase winding and a rotor 16, in particular an externally excited rotor.
  • the transmission has a gear 18 on the output side and a gear 20 on the drive side.
  • a worm gear is provided as the gear.
  • the rotor 16 of this synchronous machine 2 and the drive-side gear 20 are each connected to a position encoder 10 and 12.
  • the drive-side gear 20 is also connected to a servomotor 22 of the variable-speed drive 4.
  • This servomotor 22 is fed by means of a converter 24 from a network 26 into which the power P generated by the driven synchronous machine 2 is fed.
  • a circuit breaker 28 is arranged on the stand side between the synchronous machine 2 and the network 26.
  • a voltage measurement value acquisition 30 is arranged in the network 26, can be determined with the mains phase voltage U NR , u NS and u m .
  • the synchronous machine 2 On the stator side, the synchronous machine 2 has a voltage and current measured value acquisition 32 and 34, with which the stator voltages U IR , uis, u ⁇ and the stator currents i ⁇ R , i ls , i l ⁇ are measured.
  • a voltage intermediate circuit converter is provided as converter 24, which has an uncontrolled line-side converter 36, a voltage intermediate circuit 38 and a pulse converter 40 on the load side. Such a converter 24 with a servomotor 22 connected downstream is known from drive technology.
  • the regulating and control device 8 has a device 42 for determining an actual load angle value ⁇ , a device
  • the device 44 to determine a load angle setpoint ⁇ *, a load angle control circuit 46 and a headset 48.
  • the device 42 for determining an actual load angle value ⁇ is linked on the one hand to the outputs of the position sensors 10 and 12 and on the other hand to the voltage measurement value acquisition 30.
  • the block diagram of an embodiment of this device 42 is shown in more detail in FIG.
  • Determination of a load angle setpoint value ⁇ * is linked to the voltage measurement value acquisition 32 and to the current measurement value acquisition 34.
  • this device 44 is supplied with a predetermined power target value P *.
  • the block diagram of an embodiment of this device 44 is shown in more detail in FIG.
  • the load angle control circuit 46 is on the input side with an output of the device 42 for determining an actual load angle value ⁇ and with an output of the device 44 for determining a load angle setpoint value ⁇ * and on the output side linked to an input of the downstream tax rate 48.
  • a generated manipulated variable S y is present at the output of this load angle control circuit 46 and means of the tax rate 48 is converted into control signals S v for the converter 24 of the variable-speed drive 4.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a synchronous machine 2 according to the invention in more detail.
  • the stator 14 of this synchronous machine 2 is rotatably mounted and its windings 48 are each electrically conductively connected to a slip ring 50 and a brush 52 with a terminal connection of the synchronous machine 2.
  • the rotatable mounting of the stator 14 of the synchronous machine 2 is not shown in detail for reasons of clarity.
  • the output-side gear 18 of the transmission 6 surrounds the stator 14 and is non-positively connected to its outer surface.
  • the drive-side gear 20 is non-positively connected to the servomotor 22.
  • the rotor 16 of this synchronous machine 2 is driven by means of a shaft 54, so that this synchronous machine 2 is operated as a generator.
  • the variable-speed drive 4 and the gear 6 the rotatably mounted stator 14 can be rotated in the rotor rotation direction or in the rotor counter-rotation direction.
  • FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of the device 42 for determining an actual load angle value ⁇ .
  • This device 42 has a mains voltage space vector 56 on the input side and a comparator 58 on the output side.
  • the output of the mains voltage space vector 56 is linked to an input of the comparator 58 by means 60 for forming an asynchronous partial load angle ⁇ rotor and ⁇ stand.
  • a second input of these two devices 60 is connected to an output of the position sensors 10 and 12.
  • the mains voltage space vector 56 has two coordinate converters 62 and 64 connected in series.
  • As the input-side coordinate converter 62 is a so-called 3/2 coordinate converter provided. This 3/2-coordinate converter 62 is connected on the input side to at least two outputs of the voltage measurement value acquisition 30.
  • a so-called K / P coordinate converter is provided as the output-side coordinate converter 64, which is linked on the input side to the two outputs of the 3/2-coordinate converter 62.
  • a network voltage space vector u N is present at the K / P coordinate converter 64 and serves as a reference space vector for determining a
  • the 3/2-coordinate converter 62 uses two phase voltages U NR and u NS of the three-phase network 26 to produce two orthogonal voltage components u N ⁇ and u Np of a column-oriented Cartesian coordinate system. These orthogonal voltage components u N ⁇ and u Nß of the mains voltage are converted into polar components magnitude u N
  • the device 60 now generates Li from a pending position signal or L ⁇ iäuf s and an asynchronous part of the load angle from the power line voltage space vector u N he or ⁇ st other (FIG 7).
  • asynchronous partial load angle ⁇ iäufer and ⁇ gt each indicate the relative position of a Polradschreibs space vector u p and a St respectivelyspan- ubens- Space pointer of the synchronous machine 2 with respect to
  • Mains voltage space vector u N again.
  • the rotational speed of the stator voltage space vector u 1 or the pole wheel voltage space vector u p can fluctuate in comparison to the constant rotational speed of the mains voltage space vector u N.
  • These fluctuations are caused by one Double arrow marked in FIG 7.
  • a comparison of these two asynchronous partial load angles ⁇ ufer and ⁇ ⁇ t än of each other results in the actual load angle value ⁇ of the synchronous machine 2 (FIG 7). That is, if the rotational speed of the stator voltage space vector ui or the pole wheel voltage space vector u p fluctuates, the actual load angle value ⁇ also fluctuates.
  • FIG. 4 shows a block diagram of an embodiment of the device 44 for determining a load angle setpoint ⁇ * in more detail.
  • This device 44 has a power control circuit 66, a device 68 for forming an actual power value P, a stator voltage space vector 70 and a stator current space vector 72.
  • the power control circuit 66 consists of a comparator 74 and a PI controller 76.
  • An enable signal S FG is present at a control input of this PI controller 76 and is generated after the power switch 28 is closed.
  • the controller 76 is released by means of this release signal S FG .
  • the inverting input of the comparator 74 is linked to an output of the device 68 for forming an actual power value P.
  • the device 68 for determining an actual power value P is connected on the input side to an output of the two space vector generators 70 and 72.
  • the structure of the space vector generators 70 and 72 corresponds in each case to the structure of the mains voltage space vector 56.
  • the stator voltage space vector 70 is on the input side with outputs of the stator voltage measurement value acquisition 32, whereas the stator current space vector 72 has outputs the stator current measured value acquisition 34 are linked.
  • a microprocessor is advantageously provided as the device 68 for determining an actual power value P, which is made up of the two other standing space vector u 1 and i 1 calculates an actual power value P.
  • the power control circuit 66 generates this actual power value and a predetermined desired power value
  • P * is a load angle setpoint ⁇ * such that a determined power difference ⁇ P becomes zero.
  • This load angle setpoint ⁇ * and the determined load angle actual value ⁇ are fed to the load angle control circuit 46, the load angle setpoint ⁇ * being fed to a non-inverting input and the load angle actual value ⁇ to an inverting input of a comparator 78 according to FIG .
  • this comparator 78 is linked to a P controller 80, at whose output a manipulated variable S y is present. This manipulated variable S y is generated in such a way that a determined load angle difference ⁇ becomes zero.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a power setpoint generator 82 in more detail.
  • This setpoint generator 82 is used in a stochastically driven synchronous machine 2.
  • This setpoint generator 82 has a function generator 84 on the input side and a ramp generator 86 on the output side.
  • the function generator 84 is connected on the output side to the input of the ramp generator 86, a wind speed measured value V W n n being present at the input of the function generator 84.
  • a stochastic power setpoint P * is present at the output of the ramp generator 86.
  • An enable signal S FG is present at a control input of the function generator 84 and the ramp generator 86, which is generated after the circuit breaker 28 is closed.
  • the function generator 84 and the ramp generator 86 are started by means of this release signal S FG .
  • 7 shows the pole wheel voltage space vector u p , the
  • the standard voltage space vector u 1 and the mains voltage space vector u N are shown in a stand-oriented Cartesian coordinate system ⁇ , ß. It can be seen from this vector diagram that the asynchronous partial load angles ⁇ iauf e r and ⁇ stand are greater than zero. That is, the Polradwoods space vector u p approaches the stator voltage space vector u x before, whereby a generator mode (effective power output) is in the synchronous machine 2, and the stator voltage space vector ⁇ 1 notifies the power line voltage space vector u N in front, whereby an active power averaging is displayed . Since the partial load angle ⁇ stand is greater than zero in this representation, the actual load angle value ⁇ is smaller than a inferred load value setpoint
  • the stator 14 of the driven synchronous machine 2 must be rotated in the rotor counter-rotating direction until the asynchronous partial load angle ⁇ ⁇ tander is zero. If, for example, the asynchronous partial load angle ⁇ stand equals zero and the actual load angle value ⁇ is greater than a set load angle value ⁇ *, the synchronous machine 2 is driven stochastically. So that this higher power can be delivered to the network 26, the stator 14 of the driven synchronous machine 2 must be rotated in the rotor direction of rotation until the actual load angle value ⁇ corresponds to a desired load angle value ⁇ *.
  • the proposed concept enables the under-, over- and synchronous operation of a synchronous machine 2.
  • the asynchronous startup of the driven synchronous machine 2 must first be completed.
  • the individual steps up to the closing of the circuit breaker 28 are explained for a stochastically driven synchronous machine 2.
  • the actual load angle value ⁇ only depends on the asynchronous partial load angle ⁇ i ufer , because the stator 14 is still standing and the associated asynchronous partial load angle ⁇ ⁇ t ä n is zero.
  • the asynchronous run-up load angle actual value ⁇ shows the current phase position between the mains voltage space vector u N and the pole wheel voltage space vector u p , which have different angular velocities. If the stochastic mechanical moment the aggregate, for example consisting of a propeller and the rotor 18 of the synchronous machine 2, on speed values that; 0.8 pu of the synchronous speed are accelerated, the voltage regulation and the angle regulation are released. The voltage regulation regulates the amount of
  • Stander voltage u 1 to the value of the mains voltage u N.
  • the power control is blocked and the load angle setpoint ⁇ * is zero.
  • the angle control will rotate the stator 14 such that the actual load angle value ⁇ becomes zero. Because the angular velocity of the mains voltage space vector u N is higher than that of the pole wheel voltage space vector u p , the angular control will rotate the stator 14 of the driven synchronous machine 2 in the rotor counter-direction of rotation in such a way that the two space vectors u N and u p rotate synchronously (FIG 8).
  • the circuit breaker 28 can be closed and the sub-synchronous operation can begin. With the closing of the circuit breaker 28 the power control and the power setpoint generator 82 are released. As a result of this switch-on condition for the circuit breaker 28, the driven synchronous machine 2 can be connected to the network 26 without bumps.
  • the PI controller 76 of the power control circuit 66 will slowly increase the load angle setpoint ⁇ * in accordance with the predetermined ramp of the ramp generator 86 of the power setpoint generator 82 and the prevailing wind speed. This increases the active power to the desired power setpoint P *.
  • the classic synchronous operation is achieved when the stator 14 of the driven synchronous machine 2 is no longer rotated by the device 8 because the pole wheel voltage space pointer u p and the stator voltage space pointer u ⁇ rotate synchronously without outside help.
  • the rotational speed of the pole wheel voltage space vector u p is higher than the rotational speed of the stator voltage space vector u 1 . Therefore, the device 8 will rotate the stator 14 of the driven synchronous machine 2 in the direction of rotation of the rotor so that the two space pointers u p and u x continue to rotate synchronously.
  • the power fluctuations or fluctuations around a power setpoint P * are corrected by the device 8 in connection with the embodiment of the synchronous machine 2, regardless of whether the operation is under, over or classic synchronous operation and regardless of the excitation location (Machine or network) of the fault.
  • this concept offers better dynamic pendulum damping than is possible with a commercially available pendulum damping device because this direction 8 acts on the actual load angle value ⁇ and can thereby also cause stationary changes in output.
  • the device 8 for dynamic power control can be used for a stochastically driven synchronous machine 2, under-, over- and synchronous operation of the synchronous machine 2 being possible, as a result of which a higher power yield of a wind power plant is made possible.
  • the short-circuit power is increased by a direct three-phase connection of such a stochastically driven synchronous machine 2 to the three-phase network.

Abstract

The invention relates to a method and a device for dynamic power regulation of a driven synchronous machine. According to the invention, actual load angle values (δ) are determined on the basis of the actual position (L1, Ls) of the synchronous machine (2) and the detected supply voltage space vector (uN). Regulation occurs by rotating the stator (14) of the driven synchronous machine (2) to an actual load angle value (δ*) that is determined by power regulation. This enables full regulation of the effective power huntings of a driven regulated synchronous machine (2).

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen mehrphasigen SynchronmaschineMethod and device for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen mehrphasigen Synchronmaschine.The invention relates to a method and a device for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine.
Bei einer stochastisch angetriebenen Synchronmaschine, beispielsweise einer Windenergieanlage, treten infolge eines stochastisch auftretenden Windes LeistungsSchwankungen auf, die bisher mittels einer Rotor-Blattverstellung ausgeregelt werden. Mittels dieser Rotor-Blattverstellung der Windener- gieanlage ist nur eine langsame Leistungsregelung möglich.In the case of a stochastically driven synchronous machine, for example a wind turbine, power fluctuations occur as a result of a stochastically occurring wind, which fluctuations have previously been corrected by means of a rotor blade adjustment. By means of this rotor blade adjustment of the wind turbine, only a slow power control is possible.
Das Thema Leistungs-Pendelungen bei einer geregelt angetriebenen Synchronmaschine existiert seit Beginn des Kraftwerksbaus. Die rotierende Masse des Turbosatzes bildet im Zusam- menwirken mit dem über eine Netzreaktanz angeschlossenenThe subject of power oscillations in a controlled synchronous machine has existed since the beginning of power plant construction. The rotating mass of the turbo set forms in cooperation with that connected via a grid reactance
Drehstromnetz ein schwingungssicheres System. Diese Schwingungen wirken sich nach außen als Wirkleistungspendelungen aus, intern können sie zusätzlich als Polradwinkelschwankungen der Synchronmaschine beobachtet werden.Three-phase network a vibration-proof system. These vibrations have an external effect as active power fluctuations, internally they can also be observed as magnet wheel angle fluctuations of the synchronous machine.
Verschiedene Parameter beeinflussen die Dämpfung der Eigenschwingungen :Various parameters influence the damping of the natural vibrations:
• Das asynchrone Drehmoment des Generators ist proportional zum Schlupf des Generators und wirkt daher einer Polrad- winkeländerung entgegen. Ein höheres asynchrones Drehmoment erhöht daher die Dämpfung . Das asynchrone Drehmoment ist hauptsächlich von den Abmessungen des Generators abhängig. Da die Leistungssteigerung der Generatoren allerdings durch die verstärkte Kühlung der aktiven Wicklungen und weniger durch größere Abmessungen erreicht wird, verringert sich das asynchrone Moment im Vergleich zum synchronen Moment und die Eigendämpfung des System wird schwächer .• The asynchronous torque of the generator is proportional to the slip of the generator and therefore counteracts a change in the magnet wheel angle. A higher asynchronous torque therefore increases the damping. The asynchronous torque mainly depends on the dimensions of the generator. However, the increased performance of the generators is due to the increased cooling of the active windings and is achieved less by larger dimensions, the asynchronous torque is reduced in comparison to the synchronous torque and the internal damping of the system becomes weaker.
• Die Wechselbeziehung zwischen Netz und Kraftwerk steigen mit der Kraftwerksleistung. Die bei nahezu gleichbleibender Kurzschlußleistung in letzter Zeit gestiegene mittlere Leistung einzelner Kraftwerksblöcke wirkt sich daher negativ auf die Stabilität des Netzes aus.• The interrelation between the network and the power plant increases with the power plant output. The recent increase in mean power of individual power plant units, while the short-circuit power has remained almost the same, therefore has a negative effect on the stability of the network.
• Der Einsatz geregelter Stromrichter auf der Verbraucherseite wirkt sich ebenfalls destabilisierend aus. Der verstärkte Einsatz derartiger Komponenten verschlechtert die dynamischen Eigenschaften des Netzes in immer höherem Maße.• The use of regulated power converters on the consumer side also has a destabilizing effect. The increased use of such components deteriorates the dynamic properties of the network to an ever greater extent.
• Spannungsregler mit hoher Verstärkung reagieren auf die aus den Pendelungen resultierenden Spannungsänderungen derart massiv, daß sie über die Erregung dem Turbosatz zusätzlich transiente Drehmomente aufprägen. Diese wirken zwar spannungsstützend, wirken aber genau gegensinnig auf die abgegebene Wirkleistung aus und destabilisierend, daher die Eigenschwingung des Turbosatzes. Diese Entdämp- fung kann unabhängig von der sogenannten Netzkonfiguration zur Instabilität des Turbosatzes führen.• Voltage regulators with high amplification react so massively to the voltage changes resulting from the oscillations that they impart additional transient torques to the turbo set via the excitation. Although these have a voltage-supporting effect, they have an opposite effect on the active power output and have a destabilizing effect, hence the natural vibration of the turbo set. This damping can lead to instability of the turbo set regardless of the so-called network configuration.
Die Regelung des Turbosatzes erfolgt primär durch den Turbinenregler, bestehend aus einem Leistungs- und einem Drehzahl- regier, und dem Spannungsregler. Der Turbinenregler wirkt auf die Regelventile, die einen Gas- oder Dampfmassenstrom zur Turbine regulieren. Durch die Frequenzstatik kann er langsamen Änderungen der Netzfrequenz entgegenwirken. Bei Frequen- zen oberhalb von 0 , 1 Hz ... 0 , 2 Hz kann er jedoch wegen der begrenzten Dynamik der Ventile nicht eingreifen.The turbo set is primarily controlled by the turbine controller, consisting of a power and a speed controller, and the voltage controller. The turbine controller acts on the control valves, which regulate a gas or steam mass flow to the turbine. The frequency statics can counteract slow changes in the network frequency. With frequencies zen above 0.1 Hz ... 0.2 Hz, however, it cannot intervene due to the limited dynamics of the valves.
Der Spannungsregler hat die Aufgabe, die Klemmenspannung des Generators möglichst konstant zu halten und damit unabhängig von äußeren Störungen zu machen. Eine hohe Regelgüte der Spannungsregelung ist eine wichtige Forderung. Die Dynamik der Spannungsregelung kann jedoch nicht beliebig erhöht werden. Beim Turbosatz als Mehrgrößenstrecke existiert eine Kopplung zwischen Erregerspannung und der abgegebenen Wirkleistung, wodurch ein Pendeldämpfungsgerät zur Pendeldämpfung eingesetzt werden kann. Dieses Pendeldämpfungsgerät, auch als "Power System Stabilizer" bezeichnet, wirkt hauptsächlich über die Erregung des Synchrongenerators . Dieses Pendeldämp- fungsgerät ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Dämpfung von Leistungspendelungen durch Beeinflussung der Generatorerregung" , abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Siemens Energietechnik", Band 3, 1981, Heft 1, Seiten 8 bis 12, bekannt. Nachteilig ist, daß zur Pendeldämpfung ein zusätzliches Regelge- rät verwendet werden muß, daß auf den Spannungsregler der Regelung des Turbosatzes abgestimmt werden muß.The voltage regulator has the task of keeping the terminal voltage of the generator as constant as possible and thus making it independent of external disturbances. A high control quality of the voltage regulation is an important requirement. However, the dynamics of the voltage regulation cannot be increased arbitrarily. With the turbo set as a multivariable section, there is a coupling between the excitation voltage and the active power output, which means that an oscillation damping device can be used for oscillation damping. This pendulum damping device, also known as the "Power System Stabilizer", mainly works by energizing the synchronous generator. This pendulum damping device is known, for example, from the article "Damping power oscillations by influencing the generator excitation", printed in the DE magazine "Siemens Energietechnik", volume 3, 1981, volume 1, pages 8 to 12. It is disadvantageous that an additional control device must be used for the pendulum damping, that the voltage regulator regulating the turbo set must be matched.
Bei einer Synchronmaschine, die als Generator betrieben wird, wird die Generatorleistung stationär durch folgende Glei- chung :In the case of a synchronous machine that is operated as a generator, the generator power becomes stationary through the following equation:
mit U-L Ständerspannungs-Raumzeiger with U- L stator voltage room pointer
Up Polradspannungs-Raumzeiger X1 synchrone Reaktanz δ Lastwinkel zwischen Ux und Up bestimmt. Diese Leistungsgleichung gibt an, welche Größen verändert werden können, um eine Leistungsbeeinflussung zu erreichen, die zu einer stabilen Leistungsübertragung führt. Weil die Netze der elektrischen Energieversorgung nahezu mit konstanter Spannung als sogenannte Konstantspannungsnetze betrieben werden und die synchrone Reaktanz baulich bestimmt ist, wodurch diese nicht veränderbar ist, kann eine nennenswerte und schnelle Leistungsveränderung nur über direkte Lastwinkel- Veränderung erzielt werden.U p pole wheel voltage space vector X 1 synchronous reactance δ load angle between U x and U p determined. This power equation indicates which quantities can be changed in order to influence the power that leads to a stable power transmission. Because the networks of the electrical energy supply are operated with almost constant voltage as so-called constant voltage networks and the synchronous reactance is structurally determined, which means that this cannot be changed, a noteworthy and rapid change in output can only be achieved by changing the load angle directly.
Aus der Veröffentlichung "Damping the power-angle oscillati- ons of a permanent magnet synchronous generator with particu- lar reference to wind turbine applications " , abgedruckt in der Zeitschrift "IEE Proc . -Electr . Power Appl . " , Vol. 143, No. 3, May 1996, Seiten 269 bis 280, ist eine stochastisch angetriebene mehrphasige Synchronmaschine bekannt, deren Ständer drehbar gelagert ist. Dieser drehbar gelagerte Ständer ist mittels eines Feder-Dämpfer-Systems mit einem Turbinengehäuse einer Windenergieanlage verbunden. Mittels diesem Feder-Dämpfer-System können LeistungsSchwankungen besser gedämpft werden, als mit einer konventionellen Dämpferwicklung.From the publication "Damping the power-angle oscillations of a permanent magnet synchronous generator with particulate reference to wind turbine applications", printed in the magazine "IEE Proc. -Electr. Power Appl.", Vol. 143, No . 3, May 1996, pages 269 to 280, a stochastically driven multi-phase synchronous machine is known, the stand of which is rotatably mounted. This rotatably mounted stand is connected to a turbine housing of a wind turbine by means of a spring-damper system. With this spring-damper system, fluctuations in performance can be dampened better than with a conventional damper winding.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine dynamische Leistungsregelung einer angetriebenen Synchronmaschine anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method and a device for dynamic power control of a driven synchronous machine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7.This object is achieved according to the invention with the features of claims 1 and 7.
Dadurch, daß der Ständer einer angetriebenen Synchronmaschine mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs drehbar ist, kann eine dynamische Leistungsregelung mittels einer dynamischen Lastwinkelregelung durchgeführt werden. Das dynamische Verhalten des Lastwinkels wird hauptsächlich von der Integra- tion der Differenz zwischen mechanischem und elektrischem Mo- ment bestimmt. Die Integrationszeit entspricht der Anlaufzeitkonstante des Aggregats, bestehend aus Arbeitsmaschine und Läufer der Synchronmaschine .Because the stator of a driven synchronous machine can be rotated by means of a variable-speed drive, dynamic power control can be carried out by means of dynamic load angle control. The dynamic behavior of the load angle is mainly determined by the integration of the difference between mechanical and electrical ment determined. The integration time corresponds to the start-up time constant of the unit, consisting of the driven machine and the rotor of the synchronous machine.
Für eine derartige dynamische Lastwinkel-Regelung werden ein Lastwinkel-Sollwert und ein Lastwinkel-Istwert benötigt. Der Lastwinkel-Sollwert läßt sich mittels einer überlagerten Leistungs-Regelung in Abhängigkeit eines vorbestimmten Leistungs-Sollwertes und eines aus einem ermittelten Ständer- spannungs-Raumzeiger und einem ermittelten Ständerstrom- Raumzeiger bestimmten Leistungs-Istwertes generieren. Der Lastwinkel-Istwert ist gleich dem Vergleichswert zweier asynchroner Teillastwinkel, die jeweils in Abhängigkeit eines ermittelten Netzspannungs-Raumzeigers und eines Lage-Istwertes des Läufers bzw. des Ständers der Synchronmaschine bestimmt werden. Diese beiden asynchronen Teillastwinkel geben jeweils die relative Lage des Standerspannungs-Raumzeigers und des Polradspannungs-Raumzeigers der Synchronmaschine zu einem Netzspannungs-Raumzeiger (Bezugs-Raumzeiger) an. Die Diffe- renz dieser beiden asynchronen Teillastwinkel ergibt den Lastwinkel-Istwert .A load angle setpoint and a load angle actual value are required for such a dynamic load angle control. The load angle setpoint can be generated by means of a superimposed power control as a function of a predetermined power setpoint and an actual power value determined from a determined stator voltage space vector and a determined stator current space vector. The actual load angle value is equal to the comparison value of two asynchronous partial load angles, which are determined in each case as a function of a determined mains voltage space vector and an actual position value of the rotor or the stator of the synchronous machine. These two asynchronous partial load angles each indicate the relative position of the stationary voltage space vector and the pole wheel voltage space vector of the synchronous machine with respect to a mains voltage space vector (reference space vector). The difference between these two asynchronous partial load angles results in the actual load angle value.
Mittels einer unterlagerten Winkelregelung wird in Abhängigkeit des Lastwinkel-Sollwertes und des Lastwinkel-Istwertes eine Stellgröße für den drehzahlveränderbaren Antrieb erzeugt, die mittels eines pulsweitenmodulierten Verfahrens in Steuersignale dieses drehzahlveränderbaren Antriebs umgewandelt wird. Diese Steuerung des drehzahlveränderbaren Antriebs bewirkt eine Rotation des Ständers der Synchronmaschine in Rotor-Drehrichtung oder in Rotor-Gegenrichtung. Dadurch wird der Lastwinkel-Istwert auf den Lastwert-Sollwert geregelt.Using a subordinate angle control, a manipulated variable for the variable-speed drive is generated as a function of the load angle setpoint and the actual load angle value, which is converted into control signals of this variable-speed drive using a pulse-width-modulated method. This control of the variable-speed drive causes the stator of the synchronous machine to rotate in the direction of rotor rotation or in the opposite direction of the rotor. As a result, the actual load angle value is regulated to the nominal load value.
Durch die dynamische Rotation des Ständers der Synchronmaschine, die als Synchrongenerator betrieben wird, werden Schwankungen der konstanten Umlaufgeschwindigkeit des Stän- derspannungs-Raumzeigers kompensiert, so daß der Lastwinkel proportional eines vorbestimmten Leistungs-Sollwertes ist. Diese Schwankungen (Frequenzabweichungen) wirken nach außen bei einer geregelt angetriebenen Synchronmaschine als Wirk- leistungspendelung aus, die somit durch die dynamische Rotation des Ständers der Synchronmaschine ausgeregelt werden.Due to the dynamic rotation of the stator of the synchronous machine, which is operated as a synchronous generator, fluctuations in the constant rotational speed of the stator are derspannungs space vector compensated so that the load angle is proportional to a predetermined power setpoint. These fluctuations (frequency deviations) act on the outside in a controlled driven synchronous machine as active power oscillation, which are thus corrected by the dynamic rotation of the stator of the synchronous machine.
Bei einer stochastisch angetriebenen Synchronmaschine verändert der Polradspannungs-Raumzeiger seine relative Lage zum Ständerspannungs-Raumzeiger, was sich in einer Leistungs- Schwankung bemerkbar macht. Durch die dynamische Rotation des Ständers der Synchronmaschine werden diese stochastischen Leistungs-Schwankungen ausgeregelt. Somit kann eine stochastisch angetriebene Synchronmaschine eine konstante Leistung abgeben .In the case of a stochastically driven synchronous machine, the pole wheel voltage space vector changes its position relative to the stator voltage space vector, which is noticeable in a power fluctuation. These stochastic power fluctuations are corrected by the dynamic rotation of the stator of the synchronous machine. Thus, a stochastically driven synchronous machine can deliver constant power.
Die Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen Synchronmaschine umfaßt einerseits eine Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes, eine Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes und einen Lastwinkel-Regelkreis mit nachgeschaltetem Steuersatz und andererseits eine Synchronmaschine, deren Ständer mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs und eines Getriebes rotiert werden kann. Die Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel- Istwertes ist einerseits mit Ausgängen zweier Lagegeber, die eingangsseitig mit einem Läufer und einem Ständer der Synchronmaschine verbunden sind, und andererseits mit einer Spannungs-Meßwerterfassung verbunden. Der Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes sind Spannungs-Istwerte, Strom-Istwerte und ein Leistungs-Sollwert zugeführt. Mittels des Lastwinkel-Regelkreises wird eine Stellgröße erzeugt, die mittels des nachgeschalteten Steuersatzes in Steuersignale des drehzahlveränderbaren Antriebs umgewandelt wird, wodurch der Ständer der Synchronmaschine relativ zu seinem Läufer verdreht wird, bis der Lastwinkel-Istwert mit dem Lastwinkel- Sollwert übereinstimmt. Damit ist die von der angetriebenen Synchronmaschine abgegebene Leistung gleich einem vorbestimmten Leistungs-Sollwert.The device for dynamic power control of a driven synchronous machine comprises, on the one hand, a device for determining a load angle actual value, a device for determining a load angle setpoint and a load angle control circuit with a downstream control set, and, on the other hand, a synchronous machine, the stand of which rotates by means of a variable-speed drive and a transmission can be. The device for determining an actual load angle value is connected on the one hand to outputs of two position sensors, which are connected on the input side to a rotor and a stator of the synchronous machine, and on the other hand to a voltage measurement value acquisition. The device for determining a load angle setpoint is supplied with actual voltage values, actual current values and a power setpoint. A manipulated variable is generated by means of the load angle control circuit, which is converted into control signals of the variable-speed drive by means of the downstream tax rate, whereby the stator of the synchronous machine is rotated relative to its rotor until the actual load angle value with the load angle Setpoint matches. The power output by the driven synchronous machine is therefore equal to a predetermined power setpoint.
Die Synchronmaschine weist einen eine mehrphasige Wicklung aufweisenden Ständer und einen Läufer auf. Der Ständer ist drehbar gelagert und ist mit einem Getriebe versehen. Jede Wicklung der mehrphasigen Wicklung des Ständers ist mittels eines Schleifringes und einer Bürste mit einem Klemmenan- schluß der Synchronmaschine elektrisch leitend verbunden. Der Ständer und der Läufer dieser Synchronmaschine ist mit einem Lagegeber verbunden. Das Getriebe ist antriebsseitig mit einem drehzahlveränderbaren Antrieb verbunden, dessen Steuereingänge mit dem Steuersatz der Vorrichtung verknüpft sind. Eingangsseitig ist dieser drehzahlveränderbare Antrieb mit einem Netz verknüpft, an dem die angetriebene Synchronmaschine Leistung abgeben soll. Durch die Ausgestaltung dieser Synchronmaschine, insbesondere seines Ständers, besteht die Möglichkeit, im Zusammenhang mit der Vorrichtung Leistungs- Schwankungen dynamisch auszuregeln.The synchronous machine has a stator having a multi-phase winding and a rotor. The stand is rotatably mounted and is equipped with a gear. Each winding of the multi-phase winding of the stator is electrically connected to a terminal connection of the synchronous machine by means of a slip ring and a brush. The stator and the rotor of this synchronous machine is connected to a position encoder. The transmission is connected on the drive side to a variable-speed drive, the control inputs of which are linked to the headset of the device. On the input side, this variable-speed drive is linked to a network on which the driven synchronous machine is to deliver power. The configuration of this synchronous machine, in particular of its stand, makes it possible to dynamically compensate for power fluctuations in connection with the device.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung bzw. der Synchronmaschine sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 16 zu entnehmen.Advantageous refinements of the method or the device or the synchronous machine can be found in the dependent claims 2 to 6 and 8 to 16.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which an embodiment of the device according to the invention is illustrated schematically.
FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen1 shows a block diagram of an inventive
Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen Synchronmaschine, FIG 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine, die IG 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes , die FIG 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes, die FIG 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Lastwinkel-Regelkreises, wobei in der FIG 6 ein Blockschaltbild eines Leistungs-Sollwert-Bild- ners dargestellt ist, die FIG 7 zeigt ein Raumzeiger-Bild der Netz-, Ständer- und Polradspannung der Synchronmaschine, wobei dieDevice for dynamic power control of a driven synchronous machine, FIG 2 shows an embodiment of a synchronous machine according to the invention, the IG 3 shows a block diagram of a device for determining a load angle actual value, FIG. 4 shows a block diagram of a device for determining a load angle setpoint, FIG. 5 shows a block diagram of a load angle control circuit, in FIG. 6 a block diagram of a power Setpoint generator is shown, FIG 7 shows a space vector image of the mains, stator and magnet wheel voltage of the synchronous machine, the
FIG 8 ein Zeigerbild für die Synchronisationsbedingung und die FIG 9 ein Zeigerbild für den stationären Generatorbetrieb der Synchronmaschine zeigen.8 shows a pointer image for the synchronization condition and FIG. 9 shows a pointer image for the stationary generator operation of the synchronous machine.
In dem Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß FIG 1 ist mit 2 eine Synchronmaschine, mit 4 ein drehzahlveränderbarer Antrieb, mit 6 ein Getriebe, mit 8 eine Regel- und Steuereinrichtung eines drehzahlveränderbaren An- triebs 4 und mit 10 und 12 jeweils ein Lagegeber gekennzeichnet. Diese Synchronmaschine 2 weist einen eine mehrphasige Wicklung aufweisenden Ständer 14 und einen Läufer 16, insbesondere einen fremderregten Läufer, auf. Das Getriebe weist ein abtriebsseitiges Zahnrad 18 und ein antriebsseitiges Zahnrad 20 auf. Als Getriebe ist ein Schneckengetriebe vorgesehen. Der Läufer 16 dieser Synchronmaschine 2 und das an- triebsseitige Zahnrad 20 ist jeweils mit einem Lagegeber 10 und 12 verbunden. Das antriebsseitige Zahnrad 20 ist ebenfalls mit einem Stellmotor 22 des drehzahlveränderbaren An- triebs 4 verbunden. Dieser Stellmotor 22 wird mittels eines Umrichters 24 aus einem Netz 26 gespeist, in das die von der angetriebenen Synchronmaschine 2 generierte Leistung P eingespeist wird. Ständerseitig ist zwischen der Synchronmaschine 2 und dem Netz 26 ein Leistungsschalter 28 angeordnet. Im Netz 26 ist eine Spannungs-Meßwerterfassung 30 angeordnet, mit der Netz-Phasenspannung UNR, uNS und um ermittelt werden. Ständerseitig weist die Synchronmaschine 2 eine Spannungsund Strom-Meßwerterfassung 32 und 34 auf, mit denen die Ständerspannungen UIR, uis, uιτ und die Ständerströme iιR, ils, ilτ gemessen werden. Als Umrichter 24 ist ein Spannungszwischen- kreis-Umrichter vorgesehen, der einen ungesteuerten netzsei- tigen Stromrichter 36, einen Spannungszwischenkreis 38 und einen lastseitigen Pulsstromrichter 40 aufweist. Ein derartiger Umrichter 24 mit nachgeschaltetem Stellmotor 22 ist aus der Antriebstechnik bekannt.1, 2 is a synchronous machine, 4 is a variable-speed drive, 6 is a gear, 8 is a regulating and control device of a variable-speed drive 4, and 10 and 12 are position indicators. This synchronous machine 2 has a stator 14 having a multi-phase winding and a rotor 16, in particular an externally excited rotor. The transmission has a gear 18 on the output side and a gear 20 on the drive side. A worm gear is provided as the gear. The rotor 16 of this synchronous machine 2 and the drive-side gear 20 are each connected to a position encoder 10 and 12. The drive-side gear 20 is also connected to a servomotor 22 of the variable-speed drive 4. This servomotor 22 is fed by means of a converter 24 from a network 26 into which the power P generated by the driven synchronous machine 2 is fed. A circuit breaker 28 is arranged on the stand side between the synchronous machine 2 and the network 26. A voltage measurement value acquisition 30 is arranged in the network 26, can be determined with the mains phase voltage U NR , u NS and u m . On the stator side, the synchronous machine 2 has a voltage and current measured value acquisition 32 and 34, with which the stator voltages U IR , uis, uιτ and the stator currents iι R , i ls , i lτ are measured. A voltage intermediate circuit converter is provided as converter 24, which has an uncontrolled line-side converter 36, a voltage intermediate circuit 38 and a pulse converter 40 on the load side. Such a converter 24 with a servomotor 22 connected downstream is known from drive technology.
Die Regel- und Steuereinrichtung 8 weist eine Einrichtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ, eine EinrichtungThe regulating and control device 8 has a device 42 for determining an actual load angle value δ, a device
44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes δ* , einen Last- winkel-Regelkreis 46 und einen Steuersatz 48 auf. Die Einrichtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ ist einerseits mit den Ausgängen der Lagegeber 10 und 12 und andererseits mit der Spannungs-Meßwerterfassung 30 verknüpft. Das Blockschaltbild einer Ausführungsform dieser Einrichtung 42 ist in der FIG 3 näher dargestellt. Die Einrichtung 44 zur44 to determine a load angle setpoint δ *, a load angle control circuit 46 and a headset 48. The device 42 for determining an actual load angle value δ is linked on the one hand to the outputs of the position sensors 10 and 12 and on the other hand to the voltage measurement value acquisition 30. The block diagram of an embodiment of this device 42 is shown in more detail in FIG. The device 44 for
Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes Ö* ist mit der Spannungs-Meßwerterfassung 32 und mit der Strom-Meßwerterfassung 34 verknüpft. Außerdem ist dieser Einrichtung 44 ein vorbestimmter Leistungs-Sollwert P* zugeführt. Das Blockschaltbild einer Ausführungsform dieser Einrichtung 44 ist in der FIG 4 näher dargestellt. Der Lastwinkel-Regelkreis 46, dessen Blockschaltbild in der FIG 5 näher dargestellt ist, ist ein- gangsseitig mit einem Ausgang der Einrichtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ und mit einem Ausgang der Einrichtung 44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes Ö* und ausgangsseitig mit einem Eingang des nachgeschalteten Steuersatz 48 verknüpft. Am Ausgang dieses Lastwinkel-Regelkreises 46 steht eine generierte Stellgröße Sy an, die mit- tels des Steuersatzes 48 in Steuersignalen Sv für den Umrichter 24 des drehzahlveränderbaren Antriebs 4 gewandelt wird.Determination of a load angle setpoint value Ö * is linked to the voltage measurement value acquisition 32 and to the current measurement value acquisition 34. In addition, this device 44 is supplied with a predetermined power target value P *. The block diagram of an embodiment of this device 44 is shown in more detail in FIG. The load angle control circuit 46, the block diagram of which is shown in more detail in FIG. 5, is on the input side with an output of the device 42 for determining an actual load angle value δ and with an output of the device 44 for determining a load angle setpoint value Ö * and on the output side linked to an input of the downstream tax rate 48. A generated manipulated variable S y is present at the output of this load angle control circuit 46 and means of the tax rate 48 is converted into control signals S v for the converter 24 of the variable-speed drive 4.
In der FIG 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 2 näher dargestellt. Der Ständer 14 dieser Synchronmaschine 2 ist drehbar gelagert und seine Wicklungen 48 sind jeweils mit einem Schleifring 50 und einer Bürste 52 mit einem Klemmenanschluß der Synchronmaschine 2 elektrisch leitend verbunden. Die drehbare Lagerung des Ständers 14 der Synchronmaschine 2 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht im einzelnen dargestellt. Das abtriebsseitige Zahnrad 18 des Getriebes 6 umschließt den Ständer 14 und ist mit dessen Mantelfläche kraftschlüssig verbunden. Das antriebsseitige Zahnrad 20 ist mit dem Stellmotor 22 kraftschlüssig verbunden. Mittels einer Welle 54 wird der Läufer 16 dieser Synchronmaschine 2 angetrieben, so daß diese Synchronmaschine 2 als Generator betrieben wird. Mittels des drehzahlveränderbaren Antriebs 4 und des Getriebes 6 kann der drehbar gelagerte Ständer 14 in Läufer-Drehrichtung bzw. in Laufer-Gegendrehrich- tung rotiert werden.2 shows an embodiment of a synchronous machine 2 according to the invention in more detail. The stator 14 of this synchronous machine 2 is rotatably mounted and its windings 48 are each electrically conductively connected to a slip ring 50 and a brush 52 with a terminal connection of the synchronous machine 2. The rotatable mounting of the stator 14 of the synchronous machine 2 is not shown in detail for reasons of clarity. The output-side gear 18 of the transmission 6 surrounds the stator 14 and is non-positively connected to its outer surface. The drive-side gear 20 is non-positively connected to the servomotor 22. The rotor 16 of this synchronous machine 2 is driven by means of a shaft 54, so that this synchronous machine 2 is operated as a generator. By means of the variable-speed drive 4 and the gear 6, the rotatably mounted stator 14 can be rotated in the rotor rotation direction or in the rotor counter-rotation direction.
In der FIG 3 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einrichtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ näher dargestellt. Diese Einrichtung 42 weist eingangssei- tig einen Netzspannungs-Raumzeiger-Bildner 56 und ausgangs- seitig einen Vergleicher 58 auf. Der Ausgang des Netzspan- nungs-Raumzeiger-Bildners 56 ist jeweils mittels einer Einrichtung 60 zur Bildung eines asynchronen Teillastwinkels δiäufer und δständer mit einem Eingang des Vergleichers 58 ver- knüpft. Jeweils ein zweiter Eingang dieser beiden Einrichtungen 60 ist mit einem Ausgang der Lagegeber 10 und 12 verbunden. Der Netzspannungs-Raumzeiger-Bildner 56 weist zwei hintereinander geschaltete Koordinatenwandler 62 und 64 auf. Als eingangsseitigen Koordinatenwandler 62 ist ein sogenannter 3/2-Koordinatenwandler vorgesehen. Dieser 3/2-Koordinatenwandler 62 ist eingangsseitig mit wenigstens zwei Ausgängen der Spannungs-Meßwerterfassung 30 verbunden. Als ausgangssei- tigen Koordinatenwandler 64 ist ein sogenannter K/P-Koordi- natenwandler vorgesehen, der eingangsseitig mit den beiden Ausgängen des 3/2-Koordinatenwandlers 62 verknüpft ist. Am K/P-Koordinatenwandler 64 steht ein Netzspannungs-Raumzeiger uN an, der als Bezugs-Raumzeiger für die Bestimmung eines3 shows a block diagram of an embodiment of the device 42 for determining an actual load angle value δ. This device 42 has a mains voltage space vector 56 on the input side and a comparator 58 on the output side. The output of the mains voltage space vector 56 is linked to an input of the comparator 58 by means 60 for forming an asynchronous partial load angle δ rotor and δ stand. In each case a second input of these two devices 60 is connected to an output of the position sensors 10 and 12. The mains voltage space vector 56 has two coordinate converters 62 and 64 connected in series. As the input-side coordinate converter 62 is a so-called 3/2 coordinate converter provided. This 3/2-coordinate converter 62 is connected on the input side to at least two outputs of the voltage measurement value acquisition 30. A so-called K / P coordinate converter is provided as the output-side coordinate converter 64, which is linked on the input side to the two outputs of the 3/2-coordinate converter 62. A network voltage space vector u N is present at the K / P coordinate converter 64 and serves as a reference space vector for determining a
Lastwinkel-Istwertes δ verwendet wird. Der 3/2-Koordinaten- wandler 62 erzeugt aus zwei Phasenspannungen UNR und uNS des dreiphasigen Netzes 26 zwei orthogonale Spannungskomponenten uNα und uNp eines ständerorientierten kartesischen Koordinatensystems . Diese orthogonalen Spannungskomponenten uNα und uNß der Netzspannung werden mittels des K/P-Koordinaten- wandlers 64 in polare Komponenten Betrag uN| und Phasenwinkel (pw des Netzwinkel-Raumzeigers uN eines polaren Koordinatensystems gewandelt (FIG 7) . Dieser Netzspannungs-Raumzeiger uN läuft mit der Netzkreisfrequenz C0N im ständerorientierten kartesischen Koordinatensystem α, ß um. Die Einrichtung 60 generiert nun aus einem anstehenden Lagesignal Li bzw. Ls und aus dem Netzspannungs-Raumzeiger uN einen asynchronen Teillastwinkel δiäufer bzw. δstander (FIG 7) . Diese asynchronen Teillastwinkel δiäufer und δgtänder geben jeweils die relative Lage eines Polradspannungs-Raumzeiger up und eines Ständerspan- nungs-Raumzeigers der Synchronmaschine 2 bezüglich desActual load angle value δ is used. The 3/2-coordinate converter 62 uses two phase voltages U NR and u NS of the three-phase network 26 to produce two orthogonal voltage components u Nα and u Np of a column-oriented Cartesian coordinate system. These orthogonal voltage components u Nα and u Nß of the mains voltage are converted into polar components magnitude u N | by means of the K / P coordinate converter 64 and phase angle (pw of the network angle space vector u N converted into a polar coordinate system (FIG. 7). This network voltage space vector u N rotates at the network frequency C0 N in the stator-oriented Cartesian coordinate system α, β. The device 60 now generates Li from a pending position signal or L δiäuf s and an asynchronous part of the load angle from the power line voltage space vector u N he or δ st other (FIG 7). These asynchronous partial load angle δiäufer and δgtänder each indicate the relative position of a Polradspannungs space vector u p and a Ständerspan- nungs- Space pointer of the synchronous machine 2 with respect to
Netzspannungs-Raumzeigers uN wieder. In Abhängigkeit der Arbeitsmaschine (Turbine, Wind) der Synchronmaschine 2 kann die Umlaufgeschwindigkeit des Ständerspannungs-Raumzeiger u1 oder des Polradspannungs-Raumzeigers up im Vergleich zur konstanten Umlaufgeschwindigkeit des Netzspannungs-Raumzeiger uN schwanken. Diese Schwankungen sind jeweils durch einen Doppelpfeil in der FIG 7 kenntlich gemacht. Ein Vergleich dieser beiden asynchronen Teillastwinkel διäUfer und δΞtänder miteinander ergibt den Lastwinkel-Istwert δ der Synchronmaschine 2 (FIG 7) . D.h., wenn die Umlaufgeschwindigkeit des Ständerspannungs-Raumzeigers ui oder des Polradspannungs- Raumzeigers up schwankt, so schwankt auch der Lastwinkel- Istwert δ.Mains voltage space vector u N again. Depending on the working machine (turbine, wind) of the synchronous machine 2, the rotational speed of the stator voltage space vector u 1 or the pole wheel voltage space vector u p can fluctuate in comparison to the constant rotational speed of the mains voltage space vector u N. These fluctuations are caused by one Double arrow marked in FIG 7. A comparison of these two asynchronous partial load angles δι ufer and δ Ξt än of each other results in the actual load angle value δ of the synchronous machine 2 (FIG 7). That is, if the rotational speed of the stator voltage space vector ui or the pole wheel voltage space vector u p fluctuates, the actual load angle value δ also fluctuates.
In der FIG 4 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einrichtung 44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes δ* näher dargestellt. Diese Einrichtung 44 weist einen Leistungs-Regelkreis 66, eine Einrichtung 68 zur Bildung eines Leistungs-Istwertes P, eines Ständerspannungs-Raumzeiger- Bildners 70 und einen Ständerstrom-Raumzeiger-Bildner 72 auf. Der Leistungs-Regelkreis 66 besteht aus einem Vergleicher 74 und einem PI-Regler 76. An einem Steuereingang dieses PI- Reglers 76 steht ein Freigabe-Signal SFG an, das nach dem schließen des Leistungsschalters 28 generiert wird. Mittels dieses Freigabe-Signals SFG wird der Regler 76 freigegeben. Der invertierende Eingang des Vergleichers 74 ist mit einem Ausgang der Einrichtung 68 zur Bildung eines Leistungs-Istwertes P verknüpft. Am nichtinvertierenden Eingang dieses Vergleichers 74 steht ein vorbestimmter Leistungs-Sollwert P* an. Die Einrichtung 68 zur Bestimmung eines Leistungs-Ist- wertes P ist eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang der beiden Raumzeiger-Bildner 70 und 72 verbunden. Der Aufbau der Raumzeiger-Bildner 70 und 72 entspricht jeweils dem Aufbau des Netzspannungs-Raumzeiger-Bildners 56. Der Ständerspan- nungs-Raumzeiger-Bildner 70 ist eingangsseitig mit Ausgängen der Ständerspannungs-Meßwerterfassung 32, wogegen der Ständerstrom-Raumzeiger-Bildner 72 mit Ausgängen der Ständerstrom-Meßwerterfassung 34 verknüpft sind. Als Einrichtung 68 zur Bestimmung eines Leistungs-Istwertes P ist vorteilhafterweise ein Mikroprozessor vorgesehen, der aus den beiden an- stehenden Raumzeigern u1 und i1 einen Leistungs-Istwert P berechnet. Der Leistungs-Regelkreis 66 generiert aus diesem Leistungs-Istwert und einem vorbestimmten Leistungs-SollwertFIG. 4 shows a block diagram of an embodiment of the device 44 for determining a load angle setpoint δ * in more detail. This device 44 has a power control circuit 66, a device 68 for forming an actual power value P, a stator voltage space vector 70 and a stator current space vector 72. The power control circuit 66 consists of a comparator 74 and a PI controller 76. An enable signal S FG is present at a control input of this PI controller 76 and is generated after the power switch 28 is closed. The controller 76 is released by means of this release signal S FG . The inverting input of the comparator 74 is linked to an output of the device 68 for forming an actual power value P. At the non-inverting input of this comparator 74, there is a predetermined power setpoint P *. The device 68 for determining an actual power value P is connected on the input side to an output of the two space vector generators 70 and 72. The structure of the space vector generators 70 and 72 corresponds in each case to the structure of the mains voltage space vector 56. The stator voltage space vector 70 is on the input side with outputs of the stator voltage measurement value acquisition 32, whereas the stator current space vector 72 has outputs the stator current measured value acquisition 34 are linked. A microprocessor is advantageously provided as the device 68 for determining an actual power value P, which is made up of the two other standing space vector u 1 and i 1 calculates an actual power value P. The power control circuit 66 generates this actual power value and a predetermined desired power value
P* derart einen Lastwinkel-Sollwert δ* , daß eine ermittelte Leistungs-Differenz ΔP zu Null wird.P * is a load angle setpoint δ * such that a determined power difference ΔP becomes zero.
Dieser Lastwinkel-Sollwert δ* und der ermittelte Lastwinkel- Istwert δ werden dem Lastwinkel-Regelkreis 46 zugeführt, wobei gemäß FIG 5 der Lastwinkel-Sollwert δ* einem nichtinver- tierenden Eingang und der Lastwinkel-Istwert Ö einem invertierenden Eingang eines Vergleichers 78 zugeführt wird. Aus- gangsseitig ist dieser Vergleicher 78 mit einem P-Regler 80 verknüpft, an dessen Ausgang eine Stellgröße Sy ansteht. Diese Stellgröße Sy wird derart erzeugt, daß eine ermittelte Lastwinkel-Differenz Δδ zu Null wird.This load angle setpoint δ * and the determined load angle actual value δ are fed to the load angle control circuit 46, the load angle setpoint δ * being fed to a non-inverting input and the load angle actual value Ö to an inverting input of a comparator 78 according to FIG . On the output side, this comparator 78 is linked to a P controller 80, at whose output a manipulated variable S y is present. This manipulated variable S y is generated in such a way that a determined load angle difference Δδ becomes zero.
In der FIG 6 ist ein Blockschaltbild eines Leistungs-Sollwert-Bildners 82 näher dargestellt. Dieser Sollwert-Bildner 82 wird bei einer stochastisch angetriebenen Synchronmaschine 2 verwendet. Dieser Sollwert-Bildner 82 weist eingangsseitig einen Funktionsgeber 84 und ausgangsseitig einen Rampengenerator 86 auf. Der Funktionsgeber 84 ist ausgangsseitig mit dem Eingang des Rampengenerators 86 verbunden, wobei am Eingang des Funktionsgebers 84 ein Windgeschwindigkeits-Meßwert VWin ansteht. Am Ausgang des Rampengenerators 86 steht ein stochastischer Leistungs-Sollwert P* an. An einem Steuereingang des Funktionsgebers 84 und des Rampengenerators 86 steht jeweils ein Freigabe-Signal SFG an, das nach dem Schließen des Leistungsschalters 28 generiert wird. Mittels dieses Freigabe-Signals SFG wird der Funktionsgeber 84 und der Rampengenerator 86 gestartet. In der FIG 7 sind der Polradspannungs-Raumzeiger up , derFIG. 6 shows a block diagram of a power setpoint generator 82 in more detail. This setpoint generator 82 is used in a stochastically driven synchronous machine 2. This setpoint generator 82 has a function generator 84 on the input side and a ramp generator 86 on the output side. The function generator 84 is connected on the output side to the input of the ramp generator 86, a wind speed measured value V W n n being present at the input of the function generator 84. A stochastic power setpoint P * is present at the output of the ramp generator 86. An enable signal S FG is present at a control input of the function generator 84 and the ramp generator 86, which is generated after the circuit breaker 28 is closed. The function generator 84 and the ramp generator 86 are started by means of this release signal S FG . 7 shows the pole wheel voltage space vector u p , the
Standerspannungs-Raumzeiger u1 und der Netzspannungs-Raumzeiger uN in einem ständerorientierten kartesischen Koordinatensystem α, ß dargestellt. Diesem Zeigerdiagramm kann ent- nommen werden, daß die asynchronen Teillastwinkel δiäufer und δständer größer Null sind. D.h., der Polradspannungs-Raumzeiger up eilt dem Ständerspannungs-Raumzeiger ux vor, wodurch ein Generatorbetrieb (Wirkleistungsabgabe) der Synchronmaschine 2 gekennzeichnet ist, und der Ständerspannungs-Raumzeiger τ1 eilt dem Netzspannungs-Raumzeiger uN vor, wodurch eine Wirkleistungspendelung angezeigt wird. Da in dieser Darstellung der Teillastwinkel δständer größer Null ist, ist der Lastwinkel-Istwert δ kleiner als ein gefolgerter Lastwert-SollwertThe standard voltage space vector u 1 and the mains voltage space vector u N are shown in a stand-oriented Cartesian coordinate system α, ß. It can be seen from this vector diagram that the asynchronous partial load angles δiauf e r and δ stand are greater than zero. That is, the Polradspannungs space vector u p approaches the stator voltage space vector u x before, whereby a generator mode (effective power output) is in the synchronous machine 2, and the stator voltage space vector τ 1 notifies the power line voltage space vector u N in front, whereby an active power averaging is displayed . Since the partial load angle δ stand is greater than zero in this representation, the actual load angle value δ is smaller than a inferred load value setpoint
Ö* . Damit die Wirkleistungspendelung ausgeregelt wird, muß der Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 so lange in Läufer-Gegendrehrichtung gedreht werden, bis der asynchrone Teillastwinkel δΞtänder Null ist. Ist beispielsweise der asynchrone Teillastwinkel δständer gleich Null und der Lastwinkel-Istwert δ größer als ein Lastwinkel-Sollwert δ* , so wird die Synchronmaschine 2 stochastisch angetrieben. Damit diese höhere Leistung ins Netz 26 abgegeben werden kann, muß der Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 in Läufer- Drehrichtung so lange verdreht werden, bis der Lastwinkel- Istwert δ mit einem Lastwinkel-Sollwert δ* übereinstimmt.Ö *. So that the active power oscillation is corrected, the stator 14 of the driven synchronous machine 2 must be rotated in the rotor counter-rotating direction until the asynchronous partial load angle δ Ξ tander is zero. If, for example, the asynchronous partial load angle δ stand equals zero and the actual load angle value δ is greater than a set load angle value δ *, the synchronous machine 2 is driven stochastically. So that this higher power can be delivered to the network 26, the stator 14 of the driven synchronous machine 2 must be rotated in the rotor direction of rotation until the actual load angle value δ corresponds to a desired load angle value δ *.
Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht den Unter-, Über- und Synchronbetrieb einer Synchronmaschine 2. Um in den untersynchronen Betrieb zu gelangen, muß zuerst der asynchrone Hochlauf der angetriebenen Synchronmaschine 2 abgeschlossen wer- den. Die einzelnen Schritte bis zum Schließen des Leistungs- schalters 28 werden für eine stochastisch angetriebene Synchronmaschine 2 erläutert. Für einen stochastischen Hochlauf wird angenommen, daß der Wind den Läufer 18 der Synchronmaschine 2 zu drehen beginnt. Am Anfang des asynchronen Hochlaufs ist der Lastwinkel-Istwert δ nur vom asynchronen Teillastwinkel δiäufer abhängig, weil der Ständer 14 noch steht und dadurch der zugehörige asynchrone Teillastwinkel δΞtänder Null ist. Der asynchrone Hochlauf-Lastwinkel-Istwert δ gibt die momentane Phasenlage zwischen dem Netzspannungs-Raumzeiger uN und dem Polradspannungs-Raumzeiger up wieder, die unterschiedliche Winkelge- schwindigkeiten haben. Wenn das stochastische mechanische Moment das Aggregat, beispielsweise bestehend aus einem Propeller und dem Läufer 18 der Synchronmaschine 2, auf Drehzahlwerte, die ; 0.8 pu der synchronen Drehzahl sind, beschleunigt, werden die Spannungsregelung und die Winkelregelung freigegeben. Die Spannungsregelung regelt den Betrag derThe proposed concept enables the under-, over- and synchronous operation of a synchronous machine 2. In order to get into the under-synchronous operation, the asynchronous startup of the driven synchronous machine 2 must first be completed. The individual steps up to the closing of the circuit breaker 28 are explained for a stochastically driven synchronous machine 2. For a stochastic run-up, it is assumed that the wind begins to rotate the rotor 18 of the synchronous machine 2. At the beginning of the asynchronous startup, the actual load angle value δ only depends on the asynchronous partial load angle δi ufer , because the stator 14 is still standing and the associated asynchronous partial load angle δ Ξt ä n is zero. The asynchronous run-up load angle actual value δ shows the current phase position between the mains voltage space vector u N and the pole wheel voltage space vector u p , which have different angular velocities. If the stochastic mechanical moment the aggregate, for example consisting of a propeller and the rotor 18 of the synchronous machine 2, on speed values that; 0.8 pu of the synchronous speed are accelerated, the voltage regulation and the angle regulation are released. The voltage regulation regulates the amount of
StanderSpannung u1 auf den Wert der Netzspannung uN . Solange der Leistungsschalter 28 offen ist, ist die Leistungsregelung gesperrt und der Lastwinkel-Sollwert δ* ist Null. Je nach momentaner Lage des Netzspannungs-Raumzeigers uN und des Pol- radspannungs-Raumzeigers up im Moment der Reglerfreigäbe wird die Winkelregelung den Ständer 14 so drehen, daß der Lastwinkel-Istwert δ zu Null wird. Weil die Winkelgeschwindigkeit des Netzspannungs-Raumzeiger uN höher als die des Polradspannungs-Raumzeiger up ist, wird die Winkelregelung den Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 in Läufer-Gegendrehrichtung drehen und zwar so, daß die beiden Raumzeiger uN und up synchron drehen (FIG 8) .Stander voltage u 1 to the value of the mains voltage u N. As long as the circuit breaker 28 is open, the power control is blocked and the load angle setpoint δ * is zero. Depending on the current position of the mains voltage space vector u N and the pole wheel voltage space vector u p at the moment of the controller releases, the angle control will rotate the stator 14 such that the actual load angle value δ becomes zero. Because the angular velocity of the mains voltage space vector u N is higher than that of the pole wheel voltage space vector u p , the angular control will rotate the stator 14 of the driven synchronous machine 2 in the rotor counter-direction of rotation in such a way that the two space vectors u N and u p rotate synchronously (FIG 8).
Ist der Lastwinkel-Istwert δ gleich Null und der Betrag der beiden Raumzeiger uN und up identisch, kann der Leistungsschalter 28 geschlossen werden und der untersynchrone Betrieb kann beginnen. Mit dem Schließen des Leistungsschalters 28 wird die Leistungsregelung und der Leistungs-Sollwert-Bildner 82 freigegeben. Durch diese Einschaltbedingung für den Leistungsschalter 28 kann die angetriebene Synchronmaschine 2 stoßfrei an das Netz 26 angeschlossen werden. Der PI-Regler 76 des Leistungs-Regelkreises 66 wird langsam entsprechend der vorgegebenen Rampe des Rampengenerators 86 des Leistungs- Sollwert-Bildners 82 und der herrschenden Windgeschwindigkeit den Lastwinkel-Sollwert δ* erhöhen. Dadurch steigt die Wirkleistung auf den gewünschten Leistungs-Sollwert P* .If the actual load angle value δ is equal to zero and the magnitude of the two space pointers u N and u p are identical, the circuit breaker 28 can be closed and the sub-synchronous operation can begin. With the closing of the circuit breaker 28 the power control and the power setpoint generator 82 are released. As a result of this switch-on condition for the circuit breaker 28, the driven synchronous machine 2 can be connected to the network 26 without bumps. The PI controller 76 of the power control circuit 66 will slowly increase the load angle setpoint δ * in accordance with the predetermined ramp of the ramp generator 86 of the power setpoint generator 82 and the prevailing wind speed. This increases the active power to the desired power setpoint P *.
Der klassische synchrone Betrieb ist erreicht, wenn der Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 von der Vorrichtung 8 nicht mehr gedreht wird, weil der Polradspannungs- Raumzeiger up und der Ständerspannungs-Raumzeiger u^ ohne fremde Hilfe synchron drehen.The classic synchronous operation is achieved when the stator 14 of the driven synchronous machine 2 is no longer rotated by the device 8 because the pole wheel voltage space pointer u p and the stator voltage space pointer u ^ rotate synchronously without outside help.
Beim übersynchronen Betrieb ist die Umlaufgeschwindigkeit des Polradspannungs-Raumzeigers up höher als die Umlaufgeschwindigkeit des Ständerspannungs-Raumzeigers u1. Deswegen wird die Vorrichtung 8 den Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 in Läufer-Drehrichtung drehen und zwar so, daß die beiden Raumzeiger up und ux weiterhin synchron drehen.In oversynchronous operation, the rotational speed of the pole wheel voltage space vector u p is higher than the rotational speed of the stator voltage space vector u 1 . Therefore, the device 8 will rotate the stator 14 of the driven synchronous machine 2 in the direction of rotation of the rotor so that the two space pointers u p and u x continue to rotate synchronously.
Die Leistungs-Schwankungen oder -Pendelungen um einen Lei- stungs-Sollwert P* werden von der Vorrichtung 8 im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Synchronmaschine 2 ausgeregelt, unabhängig, ob im Unter-, Über- oder im klassischen Synchronbetrieb gefahren wird und unabhängig vom Anregungsort (Arbeitsmaschine oder Netz) der Störung.The power fluctuations or fluctuations around a power setpoint P * are corrected by the device 8 in connection with the embodiment of the synchronous machine 2, regardless of whether the operation is under, over or classic synchronous operation and regardless of the excitation location (Machine or network) of the fault.
Für eine geregelte angetriebene Synchronmaschine 2 (Turbosatz) bietet dieses Konzept eine bessere dynamische Pendeldämpfung an als es mit einem im Handel erhältlichen Pendeldämpfungsgerät möglich ist, weil diese erfindungsgemäße Vor- richtung 8 auf den Lastwinkel-Istwert δ einwirkt und dadurch auch stationäre Leistungsveränderungen bewirken kann.For a controlled driven synchronous machine 2 (turbo set), this concept offers better dynamic pendulum damping than is possible with a commercially available pendulum damping device because this direction 8 acts on the actual load angle value δ and can thereby also cause stationary changes in output.
Für eine stochastisch angetriebene Synchronmaschine 2 kann die Vorrichtung 8 zur dynamischen Leistungsregelung eingesetzt werden, wobei ein Unter-, Über- und synchroner Betrieb der Synchronmaschine 2 möglich ist, wodurch ein höherer Leistungsertrag einer Windkraftanlage ermöglicht wird. Außerdem wird durch eine direkte Drehstrom-Anbindung einer derartigen stochastisch angetriebenen Synchronmaschine 2 an das Drehstrom-Netz die Kurzschlußleistung erhöht. The device 8 for dynamic power control can be used for a stochastically driven synchronous machine 2, under-, over- and synchronous operation of the synchronous machine 2 being possible, as a result of which a higher power yield of a wind power plant is made possible. In addition, the short-circuit power is increased by a direct three-phase connection of such a stochastically driven synchronous machine 2 to the three-phase network.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen mehrphasigen Synchronmaschine (2), deren Ständer (14) mit einem Netz (26) elektrisch leitend verbunden ist und mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs (4) drehbar ist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermittlung eines Lastwinkel-Istwertes (δ) in Abhängigkeit von Lage-Istwerten (Li, Ls) des Läufers (16) und des Stän- ders (14) der Synchronmaschine (2) und eines aus gemessenen Netzphasenspannungen (UR,S) ermittelten Netzspannungs- Raumzeigers ( uN ) , b) Berechnung eines Leistungs-Istwertes (P) der Synchronmaschine (2) in Abhängigkeit gemessener Phasenspannungen (uιR,s) und -strömen (iιR,s) des Ständers (14) , c) Ermittlung eines Lastwinkel-Sollwertes (δ*) aus einem Vergleich des berechneten Leistungs-Istwertes (P) mit einem vorbestimmten Leistungs-Sollwertes (P*) , d) Ermittlung von Steuersignalen (Sv) für den drehzahlverän- derbaren Antrieb (4) in Abhängigkeit des ermittelten Lastwinkel-Soll- und Istwertes (δ*, δ) derart, daß der Lastwinkel-Istwert (δ) gleich dem Lastwinkel-Sollwert (δ*) und der Leistungs-Istwert (P) gleich dem Leistungs-Sollwert (P*) wird.1. A method for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine (2), the stator (14) of which is electrically connected to a network (26) and can be rotated by means of a variable-speed drive (4), with the following method steps: a) determination of a load angle Actual value (δ) as a function of actual position values (Li, L s ) of the rotor (16) and the stator (14) of the synchronous machine (2) and a grid voltage space vector (U R , S ) determined from measured grid phase voltages (U R , S ) u N ), b) calculation of an actual power value (P) of the synchronous machine (2) as a function of measured phase voltages (uι R , s) and currents (iι R , s ) of the stator (14), c) determination of a load angle Setpoint value (δ * ) from a comparison of the calculated actual power value (P) with a predetermined power setpoint value (P *), d) determining control signals (S v ) for the variable-speed drive (4) as a function of the determined La Setpoint and actual values (δ *, δ) such that the actual load angle value (δ) is equal to the setpoint load angle value (δ *) and the actual power value (P) is equal to the desired power value (P *).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels des Netzspannungs-Raumzeigers (uN) und jeweils eines Lage-Istwertes2. The method according to claim 1, wherein by means of the mains voltage space vector (u N ) and in each case an actual position value
(Li, Ls) jeweils ein asynchroner Teillastwinkel (διäUer δstander) ermittelt wird, deren Vergleich den Lastwinkel- Istwert (δ) ergibt.(Li, L s ), an asynchronous partial load angle (δι external δstander) is determined, the comparison of which gives the actual load angle value (δ).
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Netzspannungs- Raumzeiger (uN) aus zwei gemessenen Netzphasenspannungen (UNR,S) mittels zweier aufeinander folgender Koordinatentransformationen ergibt.3. The method according to claim 1, wherein the network voltage space vector (u N ) consists of two measured network phase voltages (U NR , S ) by means of two successive coordinate transformations.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus den gemessenen Phasenspannungen (UIR,S) und -ströme (iιR,s) mittels zweier aufeinander folgender Koordinatentransformationen ein Spannungs- Raumzeiger ( u.λ ) und ein Strom-Raumzeiger ( ij ) ermittelt werden, die miteinander multipliziert den Leistungs-Istwert (P) ergeben .4. The method of claim 1, wherein from the measured phase voltages (U IR , S ) and currents (iι R , s ) by means of two successive coordinate transformations a voltage space vector (u. Λ ) and a current space vector (i j ) can be determined which, when multiplied together, give the actual power value (P).
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Vergleich des Lastwinkel-Istwertes (δ) mit dem Lastwinkel-Sollwert (δ*) ein Lastwinkel-Differenzwert (Δδ) bestimmt wird, aus dem eine Stellgröße (Sy) generiert wird, die mittels eines pulsweiten- modulierenden Verfahrens in Steuersignale (Sv) umgesetzt wird.5. The method according to claim 1, wherein from the comparison of the actual load angle value (δ) with the desired load angle value (δ *) a load angle difference value (Δδ) is determined, from which a manipulated variable (S y ) is generated, which by means of a pulse width modulating method is converted into control signals (S v ).
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Vergleich des Leistungs-Istwertes (P) mit dem Leistungs-Sollwert (P*) ein Leistungs-Differenzwert (ΔP) bestimmt wird, aus dem der Lastwinkel-Sollwert (δ*) generiert wird.6. The method of claim 1, wherein from the comparison of the actual power value (P) with the power target value (P *) a power difference value (ΔP) is determined, from which the load angle target value (δ *) is generated.
7. Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen mehrphasigen Synchronmaschine (2) mit einem Läufer (16) und einem Ständer (14) , der mit einem Netz (26) elektrisch leitend verbunden ist und der mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs (4) drehbar ist, wobei eine Einrichtung (42) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes (δ) mit Ausgängen zweier Lagegeber (10, 12), die eingangsseitig mit dem Ständer (14) und dem Läufer (16) verknüpft sind, und mit wenigstens zwei Ausgängen einer Netzspannungs-Meßwerterfas- sung (30) verbunden sind, und wobei ein Lastwinkel-Regelkreis (46) vorgesehen ist, der ausgangsseitig mittels eines Steuer- satzes (48) mit Steuereingängen des drehzahlveränderbaren Antriebs (4) und eingangsseitig einerseits mit einem Ausgang der Einrichtung (42) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes (Ö) und andererseits mit einem Ausgang einer Einrichtung (44) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes (δ*) verknüpft ist, an deren Eingängen Spannungs-Istwerte (UιR,Ξ) , Strom-Istwerte (iιR,s) des Ständers (14) und ein Leistungs- Sollwert (P*) anstehen.7. Device for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine (2) with a rotor (16) and a stand (14) which is electrically conductively connected to a network (26) and which is rotatable by means of a variable-speed drive (4), wherein a device (42) for determining a load angle actual value (δ) with outputs of two position sensors (10, 12), which are linked on the input side to the stator (14) and the rotor (16), and with at least two outputs of a mains voltage measured value detector - Solution (30) are connected, and wherein a load angle control circuit (46) is provided, the output side by means of a control set (48) with control inputs of the variable-speed drive (4) and on the input side on the one hand with an output of the device (42) for determining an actual load angle value (Ö) and on the other hand with an output of a device (44) for determining a desired load angle value (δ *) is linked, at the inputs of which actual voltage values (Uι R , Ξ ), actual current values (iι R , s ) of the stator (14) and a power setpoint (P *) are present.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (42) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes (δ) eingangsseitig einen Netzspannungs-Raumzeiger-Bildner (56) und ausgangsseitig einen Vergleicher (58) aufweist, wobei der Ausgang des Netzspannungs-Raumzeiger-Bildners (56) jeweils mittels einer Einrichtung (60) zur Bildung von asynchronem Teillastwinkel (δiäuer δgtänder) mit einem Eingang des Vergleichers (58) verbunden ist und wobei jeweils ein zweiter Eingang der Einrichtungen (60) zur Bildung von asynchronem Teillastwinkel8. The device according to claim 7, wherein the device (42) for determining a load angle actual value (δ) on the input side has a network voltage space generator (56) and on the output side a comparator (58), the output of the network voltage space generator (56) respectively (60) to form an asynchronous partial load angle (.DELTA.I ä uer δgtänd e r) is connected to an input of the comparator (58) by means of a device, and wherein in each case a second input of the means (60) for forming asynchronous partial load angle
(δiäufer- δgänder) mit einem Ausgang eines Lagegebers (10, 12) verknüpft ist.(δiäufer- δgänder) is linked to an output of a position sensor (10, 12).
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (44) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes (δ*) einen Leistungs-Regelkreis (66) , eine Einrichtung (68) zur Bildung ei- nes Leistungs-Istwertes (P) , einen Ständerspannungs-Raumzeiger-Bildner (70) und einen Ständerstrom-Raumzeiger-Bildner (72) aufweist, wobei die Ausgänge der Raumzeiger-Bildner (70, 72) mit Eingängen der Einrichtung (68) zur Bildung eines Leistungs-Istwertes (P) verknüpft sind, deren Ausgang mit ei- nem Istwert-Eingang des Leistungs-Regelkreises (66) verbunden ist, an dessen Sollwert-Eingang der Leistungs-Sollwert (P*) ansteht . 9. The device according to claim 7, wherein the device (44) for determining a load angle setpoint (δ *), a power control circuit (66), a device (68) for forming an actual power value (P), a stator voltage Having space pointer generator (70) and a stator current space pointer generator (72), the outputs of the space pointer generator (70, 72) being linked to inputs of the device (68) for forming an actual power value (P), whose output is connected to an actual value input of the power control circuit (66), at whose setpoint input the power setpoint (P *) is present.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Lastwinkel-Regelkreis (46) einen Vergleicher (78) und einen P-Regler (80) aufweist, der dem Vergleicher (78) nachgeschaltet ist, und wobei am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (78) der Lastwinkel-Sollwert (δ*) und an seinem invertierenden Eingang der Lastwinkel-Istwert (δ) anstehen.10. The apparatus of claim 7, wherein the load angle control circuit (46) has a comparator (78) and a P-controller (80) which is connected downstream of the comparator (78), and wherein at the non-inverting input of the comparator (78) Load angle setpoint (δ *) and the actual load angle (δ) are present at its inverting input.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Raumzeiger-Bildner (56, 70, 72) einen 3/2-Koordinatenwandler (62) und einen K/P- Koordinatenwandler (64) aufweist, wobei der K/P-Koordinaten- wandler (64) dem 3/2-Koordinatenwandler (62) nachgeschaltet ist .11. The device according to claim 8, wherein a space vector (56, 70, 72) has a 3/2-coordinate converter (62) and a K / P-coordinate converter (64), the K / P-coordinate converter ( 64) is connected downstream of the 3/2 coordinate converter (62).
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Leistungs-Regel- kreis (66) einen Vergleicher (74) und einen PI-Regler (76) aufweist, der dem Vergleicher (74) nachgeschaltet ist, und wobei am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (74) der Leistungs-Sollwert (P*) und an seinen invertierenden Eingang der Leistungs-Istwert (P) anstehen.12. The apparatus of claim 9, wherein the power control circuit (66) has a comparator (74) and a PI controller (76) which is connected downstream of the comparator (74), and wherein at the non-inverting input of the comparator (74 ) the power setpoint (P *) and the actual power value (P) are present at its inverting input.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ständer (14) mit einem Getriebe (6) versehen ist und jede Wicklung der mehrphasigen Wicklung dieses Ständers (14) mittels eines Schleifrings (50) und einer Bürste (52) mit einem Klemmenanschluß der Synchronmaschine (2) elektrisch leitend verbunden ist und wobei das Getriebe (6) mit einem drehzahlveränderbaren Antrieb (4) verbunden ist.13. The apparatus of claim 1, wherein the stator (14) is provided with a gear (6) and each winding of the multi-phase winding of this stator (14) by means of a slip ring (50) and a brush (52) with a terminal connection of the synchronous machine ( 2) is electrically conductively connected and the gear (6) is connected to a variable-speed drive (4).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 , wobei der drehzahlveränder- bare Antrieb (4) einen Stellmotor (22) und einen Umrichter14. The apparatus of claim 13, wherein the variable-speed drive (4), a servomotor (22) and a converter
(24) aufweist.(24).
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei als Getriebe (6) ein Schneckengetriebe vorgesehen ist, dessen abtriebsseitiges Zahnrad (18) entlang des Umfangs des Ständers (14) angeordnet ist und dessen antriebsseitiges Zahnrad (20) mit dem drehzahlveränderbaren Antrieb (4) verbunden ist.15. The apparatus of claim 13, wherein a worm gear is provided as the gear (6), the output side Gear (18) is arranged along the circumference of the stator (14) and the drive-side gear (20) is connected to the variable-speed drive (4).
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei als Umrichter (24) ein Spannungszwischenkreis-Umrichter vorgesehen ist. 16. The apparatus of claim 14, wherein a voltage intermediate circuit converter is provided as converter (24).
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