EP4378044A1 - Verfahren und einrichtung zum betreiben eines generatorsatzes sowie brennkraftmaschine und generatorsatz mit der brennkraftmaschine und generator - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum betreiben eines generatorsatzes sowie brennkraftmaschine und generatorsatz mit der brennkraftmaschine und generator

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Publication number
EP4378044A1
EP4378044A1 EP22757898.6A EP22757898A EP4378044A1 EP 4378044 A1 EP4378044 A1 EP 4378044A1 EP 22757898 A EP22757898 A EP 22757898A EP 4378044 A1 EP4378044 A1 EP 4378044A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
generator
phase
voltage
engine
frequency
Prior art date
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Pending
Application number
EP22757898.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg REMELE
Andreas KRAMMER
Andreas Flohr
Hendrik Weiß
Stefan Hecker
Jan Henker
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.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
Rolls Royce Solutions GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Solutions GmbH filed Critical Rolls Royce Solutions GmbH
Publication of EP4378044A1 publication Critical patent/EP4378044A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/06—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/40—Synchronisation of generators for connection to a network or to another generator
    • H02J3/42—Synchronisation of generators for connection to a network or to another generator with automatic parallel connection when synchronisation is achieved
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/101—Engine speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/18—Control of the engine output torque
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/10—Dispersed power generation using fossil fuels, e.g. diesel generators

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for operating a generator set and a corresponding device for operating a generator set, and the invention relates to an internal combustion engine and a generator set.
  • a generator set (also called “genset”) has a generator, an internal combustion engine and a generator set control (genset control), the internal combustion engine having an engine and an engine control unit (also called “ECU” for “electronic control and regulation unit” - (Engl.) "Engine Control Unit”) and the engine is torque-transmitting connected to the generator.
  • the generator In order to feed electrical power into a power grid, in particular an electrical supply grid, the generator should be synchronized with the grid. In particular, this relates to a synchronous generator.
  • the method mentioned at the outset relates to the operation of the generator set (“genset”) with respect to a power grid operated at a mains voltage, with the generator set having a generator, an internal combustion engine and a generator set controller, with:
  • the internal combustion engine has an engine and an engine control unit (“ECU”) and has a combustion actuator which is control-connected to the engine control unit and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, and
  • ECU engine control unit
  • the generator is drivingly connected to the engine at a generator speed at an engine speed, for generating a generator voltage at a generator voltage frequency on the generator, in particular for generating the generator voltage as a terminal voltage on the generator, wherein
  • the mains voltage is assigned a mains frequency and a mains voltage phase
  • the generator voltage is assigned a generator voltage frequency and a generator voltage phase, wherein the method of synchronizing operation of the generator set with respect to the mains supply, providing for synchronizing the generator voltage with respect to the mains voltage.
  • control energy is becoming increasingly important for grid stabilization.
  • Today's electrical supply networks make it necessary, among other things due to the increased use of renewable energy sources such as photovoltaics and wind energy and the associated causes of instability, to take stabilization measures into account.
  • control energy which compensates for these fluctuations, is therefore increasingly valuable or necessary.
  • a generator set can be operated comparatively stably with an internal combustion engine with a motor; This is one of the reasons why a generator set is particularly suitable for making this so-called balancing energy available.
  • 1st stage Start of the generator set with operation of the motor of the internal combustion engine at approximately one to two revolutions per second, i. H. up to approx. 120 rpm for angle synchronization on the crankshaft within the first few seconds, i. H. for the first adjustment of the generator speed to the engine speed, insofar as the angular synchronization of the drive shaft of the generator to the crankshaft of the engine of the internal combustion engine;
  • 2nd stage Run-up of the generator set for a period of approx. 5 to 15 seconds depending on the available charge air up to the range of the rated speed of the engine if necessary;
  • 3rd stage synchronization of the generator set, ie the generator voltage of the generator, with the grid within a time of about up to 15 seconds;
  • the aim is to determine the grid voltage and the generator voltage, specifically the terminal voltage of the generator — preferably in its effective values — as well as the frequency and phase position of the grid voltage and the generator voltage to equalize or to achieve the same waveform of voltages for generator and grid in all phases of the voltage.
  • the generator variables of a generator voltage, the generator voltage frequency and the generator voltage phase and the grid variables, a grid voltage, grid voltage frequency and grid voltage phase should be matched. These should initially meet the synchronous conditions; only then can a corresponding power supply, i. H. the flow of electrical power into the power grid, in particular the electrical supply grid, properly, d. H. be free of disruption and damage.
  • the synchronous conditions basically require that the voltages of the synchronous machine in the form of the synchronous generator and the network must match.
  • the voltages of the synchronous generator and the mains given the same phase sequence in the case of a usually multi-phase voltage such as that of a three-phase system — must correspond to the three determining elements of a sine wave (a) according to the effective value of the voltages (UN, UG) from the mains and generator as well as (b) frequency (f , fG) and (c) phase position (FN, ⁇ 1>G) of the voltages of the mains and generator match.
  • the generator voltage phase and the mains voltage phase are primarily to be understood in relation to one another.
  • the two voltmeters (for the voltage of the synchronous machine and the voltage of the network) are combined in a double voltmeter, with the pointers of both measuring mechanisms being assigned to a scale.
  • the two frequency meters are also designed as double-frequency meters, in which the series of oscillations are next to each other in one housing. So-called phase lamps are used to observe the phase angle or the phase shift of the voltages.
  • the synchronization conditions can be read that - as already mentioned, the voltages of the synchronous machine and the network must match according to the three determining parts of a sine wave in terms of effective value, frequency and phase position.
  • synchronizing Measures that are required to meet general synchronous conditions —ie to synchronize a generator voltage with respect to the mains voltage— are referred to as synchronizing. This is done, for example, with the following procedure as part of the fully automatic synchronization (above “3rd stage”).:
  • Synchronous machine to be changed This is usually done by intervening in the speed control element of the prime mover.
  • the circuit breaker can be switched on - the synchronous machine, here the synchronous generator, i.e. connected to the power grid in a power-transmitting manner - without compensating currents beginning to flow. In this case one speaks of a fine synchronization.
  • the generator is brought to a point where the mains voltage waveform exactly matches what the generator is producing in clamp voltage; this is described in detail, for example, in: https://crushtymks.com/energy-and-powei7388-preparing-to-synchronize-a-generator-to-the-grid.html
  • the parameters of a generator set terminal voltage i.e. in particular the frequency as well as the phase position of the generator voltage, are specifically determined in turn in the interaction of the generator set control (genset control) and the engine control unit (ECU) set; the engine control usually controls just that speed control element of the drive machine.
  • the step of matching the phase position to fulfill the synchronous condition takes place in that, as a result of a phase difference between the terminal voltage of the generator and the mains voltage determined in the generator set control, the generator set control regulates the speed of the internal combustion engine whose engine control unit (ECU) is activated; the speed control in turn converts a corresponding new setting for changing the speed in a predetermined manner.
  • the generator set control regulates the speed of the internal combustion engine whose engine control unit (ECU) is activated; the speed control in turn converts a corresponding new setting for changing the speed in a predetermined manner.
  • the engine control unit stops the speed control, which takes place in a predetermined manner and independently of the generator set control.
  • the problem with the generator speed is that — due to the nature of the matter —the generator set control (also referred to below as genset control) and the engine control unit (ECU) sometimes follow different control premises or have different setpoint or pre-control specifications.
  • the generator set control also referred to below as genset control
  • the engine control unit ECU
  • the starting operation of a generator set in particular in the particularly preferred case of a generator set with a synchronous generator, with respect to an electricity network operated at a mains voltage - in order to "synchronize the generator with the mains" - should therefore be improved with the aim of synchronizing the generator voltage with regard to the mains voltage become.
  • an adjustment of the frequency and phase position in accordance with the generator set control (on the one hand) and by one of these following control of the Target speed via a speed control of the internal combustion engine (on the other hand) is a reliable method of adjustment; Last but not least, this speed control is usually used in synchronous operation, as explained above.
  • the setpoint speed of the engine is also readjusted using the generator set control to synchronize the generator set with the grid (above “Stage 3.”); i.e. H. after the generator set has started up (“Stage 2” above), the speed control of the internal combustion engine is controlled by means of the generator set controller in order to synchronize the generator set with the grid; controlling the speed control of the internal combustion engine by means of the generator set control is referred to below as the speed control mode.
  • This process can take up to 15 seconds or longer - it is comparatively long - and thus wastes valuable time, which is used for the classification of the generator set system and thus reduces a return for the customer; So it is disadvantageous in terms of earnings.
  • WO 2013/139862 A2 describes a method for synchronizing a generator that can be connected to a grid via a generator switch, which is accelerated by the following steps: a) Raising the generator speed from a value that corresponds to a frequency below the grid frequency , to a synchronizing speed equal to the value of the mains frequency plus/minus a frequency difference for synchronizing; b) Waiting until the phase angle between mutually associated phase voltages of the generator and network falls below a predetermined value; and c) connecting the generator to the grid by turning on the generator switch.
  • This method can still be improved, e.g. .for the above reasons.
  • the object of which is to specify a method and a device by means of the method and device mentioned at the outset for operating a generator set or, in the case of a corresponding device of an internal combustion engine or a generator set, synchronizing the generator set with the power grid can be improved, in particular a synchronization time can be shortened - in particular, this relates to a generator in the form of a synchronous generator.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 .
  • the invention is based on a method for operating a generator set, as mentioned at the outset, in relation to a power grid operated at a mains voltage, the generator set having a generator, an internal combustion engine and a generator set controller, with:
  • the internal combustion engine has an engine and an engine control unit (“ECU”) and has a combustion actuator which is control-connected to the engine control unit and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, and
  • ECU engine control unit
  • the generator is drivingly connected to the engine at a generator speed at an engine speed, for generating a generator voltage at a generator voltage frequency on the generator, in particular for generating the generator voltage as a terminal voltage on the generator, wherein
  • the grid voltage is associated with a grid frequency and a grid voltage phase
  • the generator voltage is associated with a generator voltage frequency and a generator voltage phase
  • the method for synchronizing the generator voltage with respect to the mains voltage provides that the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase of the generator voltage generated by the generator is matched with respect to the mains frequency and/or the mains voltage phase.
  • the generator set is operated in a synchronization mode for synchronizing the generator voltage phase with the mains voltage phase, and the motor of the internal combustion engine is adapted during operation, wherein - The engine of the internal combustion engine is operated in a phase control mode with adaptation of a motor phase to change the generator voltage phase, wherein
  • the phase controller regulates the motor phase to a phase difference, which is formed from a difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase, where
  • phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine is set.
  • the invention has thus recognized that in a synchronization mode, particularly advantageously in addition to a speed control mode, a synchronization of the phase of the generator set with the power grid can be implemented in an improved manner by a phase controller, in particular the synchronization time can be shortened by the improved phase controller in particular, this relates to a generator in the form of a synchronous generator.
  • the motor of the internal combustion engine is operated in a phase control mode with adaptation of a motor phase to change the generator voltage phase, in particular for controlling a generator set speed; in particular the generator in the form of a synchronous generator.
  • the mains voltage phase is transmitted to a phase controller which, according to the concept of the invention, regulates the motor phase to a phase difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase.
  • a phase controller which, according to the concept of the invention, regulates the motor phase to a phase difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase. This allows the motor to be controlled directly to the phase difference, so to speak.
  • a mains voltage phase, in particular the phase difference of the type mentioned, has hitherto not been available for controlling the motor.
  • the concept of the invention makes it possible to adjust the engine phase as a function of the phase difference by setting a phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • the invention is based on the consideration that a conventional motor normally only adjusts the speed in speed mode until the generator voltage phase matches the mains voltage phase, without the mains voltage phase being explicitly specified for controlling the motor.
  • an engine phase can be explicitly regulated to a phase difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase in a phase controller, in which case a phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine is then set to adapt the engine phase as a function of the phase difference becomes. This can significantly reduce synchronization time.
  • this can be an injection parameter for the engine to adjust the engine phase as a function of the phase difference.
  • the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine is preferably selected from the group consisting of: fuel injection control variable, gas injection control variable, throttle valve position control variable, in particular the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine includes a fuel allocation parameter for the engine, in particular an injection or injection parameter and/or a throttle parameter and/or ignition parameter.
  • the invention to solve the problem relating to the device relates to a device for operating a generator set (“genset”) with respect to a power grid operated at a mains voltage, the generator set having a generator, an internal combustion engine and a generator set controller, and the device has:
  • a generator sensor system for indicating a generator voltage frequency and a generator voltage phase of a generator voltage generated by the generator, in particular depending on a generator set speed during operation of the internal combustion engine,
  • mains sensor system for indicating a mains voltage, which is assigned a mains frequency and a mains voltage phase, and the generator voltage is assigned a generator voltage frequency ( ⁇ s) and a generator voltage phase,
  • control and regulation device for synchronizing the generator voltage with respect to the mains voltage. According to the invention, it is provided that the control and regulation device is designed to carry out the method according to the concept of the invention.
  • the internal combustion engine has the control and regulating device which is designed to carry out the method according to one of Claims 1 to 19, in particular the control and regulating device being connected to an electronic control unit (ECU) of the internal combustion engine ( BKM) is connected to or part of.
  • ECU electronice control unit
  • the phase controller can advantageously be formed as part of the engine control unit (ECU) and the mains voltage phase can be transmitted to the engine control unit in the phase control mode, in particular only in the synchronization mode.
  • a speed control module can be used to operate the generator set in a speed control mode, with switching between the phase controller and the speed control module, especially in the event that the difference in the phase difference is not reduced during injection with the injection parameter im Phase control mode for synchronizing the internal combustion engine, in which case the internal combustion engine is then switched from the synchronization mode to the speed control mode for synchronizing, in particular after a time-out period is switched over.
  • the invention relates to a generator set with the device according to the concept of the invention.
  • the internal combustion engine has an engine and an engine control unit (“ECU”) and has a combustion actuator which is control-connected to the engine control unit and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, and
  • ECU engine control unit
  • the generator is drivingly connected to the engine at a generator speed at an engine speed, for generating a generator voltage at a generator voltage frequency on the generator, in particular for generating the generator voltage as a terminal voltage on the generator, wherein
  • the mains voltage is assigned a mains frequency and a mains voltage phase
  • the generator voltage is assigned a generator voltage frequency and a generator voltage phase
  • the generator set for synchronizing operation of the generator set regarding the power grid is trained to:
  • the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase of the generator voltage generated by the generator is matched with respect to the mains frequency and/or the mains voltage phase
  • the generator set in a synchronization mode to synchronize the
  • Generator voltage phase is operated with the mains voltage phase, and the motor of the internal combustion engine is set during operation, whereby- the motor of the internal combustion engine is in a phase control mode with adjustment of a motor phase to change the
  • the phase controller regulates the motor phase to a phase difference, which is formed from a difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase, where
  • phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine is set.
  • the motor is advantageously connected to the generator via a drive shaft in a torque-transmitting manner, with a rotor being driven in rotation relative to a stator of the generator during operation of the internal combustion engine in order to generate the generator voltage at the generator voltage frequency.
  • the combustion actuator which is control-connected to the engine control device and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, has a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or or has ignition device.
  • the injection device can preferably be designed for injecting fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine.
  • the combustion actuator which is connected to the engine control device and which can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, can also have a throttle valve for adjusting a gas mixture flow rate in a gas engine and/or a carburetor valve for adjusting a combustion mixture in a Otto engine.
  • an engine preferably an internal combustion engine
  • an internal combustion engine has a large number of other components, such as the charge air and exhaust gas ducts and exhaust gas treatment and supercharging of the engine.
  • the injector or gas mixing system and control system should also be mentioned.
  • an engine can be understood not only as a diesel engine, but also as an Otto engine, in particular a gas engine, or a similar internal combustion engine as part of an internal combustion engine.
  • the engine can have a combustion actuator that is control-connected to the engine control device and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • a combustion actuator that is control-connected to the engine control device and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • a fuel metering device optionally comprising an ignition device, in particular with one or more of the torque-generating combustion actuators selected from the group consisting of: fuel injection actuator, gas injection actuator, throttle position actuator.
  • a combustion actuator is part of a complex combustion actuator, such as an injection device; for example a common rail system with an injector or a gas mixer with an injection device.
  • An injection or injection device can in particular have an injection, injection and/or throttle element, preferably for injecting or injecting fuel such as diesel or gas in a diesel or Otto engine, in particular a gas engine.
  • a combustion control device can have the throttle element in the form of a throttle flap for setting a gas mixture flow rate in a gas engine and/or a carburetor flap for setting a combustion mixture in an Otto engine; this can possibly also include an ignition device.
  • a combustion actuator which is control-connected to the engine control device, can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • the motor is preferably connected to the generator via a drive shaft in a torque-transmitting manner, with a rotor being driven in rotation with respect to a stator of the generator during operation of the internal combustion engine in order to generate the generator voltage at the generator voltage frequency, in particular the generator connected to the engine of the internal combustion engine in a torque-transmitting manner, in particular in Form of a synchronous generator, rigid or connected by means of a gear.
  • the invention makes use of the fact that the engine phase is determined using an engine angle and/or a phase position of the crankshaft; as crankshaft rotation angle) be made available.
  • the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase can be calculated from the engine speed and/or the engine phase
  • the concept of the invention is therefore also based on the consideration that the input variables for determining the phase position of initially the motor and generator and also that of the network are fundamentally known or can be determined.
  • Adaptation of a generator voltage phase, which initially differs from the mains voltage phase in terms of the phase difference, to the mains voltage phase is to be understood in principle that the relative phase positions of the mains voltage (mains voltage phase) and the generator voltage are determined at practically the same voltage frequency and a correspondingly determined phase difference describing the phase positions is minimized; in this respect, the generator voltage phase and the mains voltage phase are to be understood primarily in relation to one another.
  • a particularly preferred development is based on the consideration that a property of modern internal combustion engines can be used to shorten the synchronization time.
  • Modern motor control devices know namely the phase position of the Crankshaft at any time, since they have to control injectors or spark plugs at the correct angle, among other things.
  • the further development has recognized that — if the generator is flanged to the engine at the same angle or is attached via a transmission gear, so that the transmission ratio is fixed or variable but must be calculated in any case — the engine phase is essentially a time function of the engine angle or phase position of the crankshaft (e.g. f(t)) is known and remains fixed for the generator voltage phase.
  • the motor control device is able to determine the difference between the two phases and to reduce this to a suitable or possibly necessary minimum.
  • the phase regulator is formed as part of the motor control device and the mains voltage phase is transmitted to the motor control device in the phase control mode, in particular only in the synchronization mode.
  • the phase controller is therefore preferably integrated into the engine control unit — e.g. B. a PLL (Phased Locked Loop) controller— inserted. This compares the phase of the network with the engine phase and adjusts the injection—in particular by changing the engine phase—in such a way that the phase angle—in particular between the line voltage phase and the generator voltage phase—is suitably adjusted, in particular minimized.
  • PLL Phase Locked Loop
  • a preferred development provides that a generator voltage frequency and/or a generator voltage phase of a generator voltage is specified as a function of a generator set speed during operation of the internal combustion engine. This improves the interaction of the generator set-generator set control and the engine control device, which again contributes to shortening the synchronization time, since the engine and the generator can be converted to phase-locked operation in an improved manner, i.e. in particular when the generator voltage frequency and mains frequency are already approximately the same.
  • this can be provided, preferably in the engine control unit, to which the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase and correspondingly the mains frequency and/or the mains voltage phase is directly available -
  • the engine of the internal combustion engine is operated with adjustment of an engine speed to control a generator set speed.
  • the engine speed can be changed in a predetermined manner, thereby controlling the generator set speed.
  • mains voltage phase is transmitted to the phase controller in the phase control mode in the synchronization mode, with the motor of the internal combustion engine being operated by adapting a motor phase to change the generator voltage phase.
  • the motor is operated in the phase control mode with an adjustment of a motor speed while changing the motor phase according to the phase difference, which is formed from a comparison of the generator voltage phase to the mains voltage phase, in particular the motor speed with a change in the motor phase regulated to minimize the phase difference, thereby controlling the generator set speed.
  • the generator set can be operable in a speed control mode as an alternative to the phase control mode in the synchronization mode.
  • the generator set can advantageously be operated either in phase control mode, in synchronization mode and then in a speed control mode, especially if the difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase is not reduced or only slightly reduced in phase control mode, then for synchronizing the internal combustion engine in the Speed control mode is switched, in particular after a time-out period is switched.
  • the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase for determining the phase difference is calculated from the motor phase and/or a motor speed of the motor of the internal combustion engine; this preferably in the engine control unit, to which the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase and, correspondingly, the mains frequency and/or the mains voltage phase are directly available.
  • the generator in particular in the form of a synchronous machine, which is connected to the motor of the internal combustion engine in a torque-carrying manner, is drive-connected rigidly via the shaft itself or by means of a flange; these variants can be taken into account in the calculation mentioned, in particular by means of the physical displacement model (between the engine phase and the generator phase on the drive and crankshaft) and the generator model. If it is possible to connect the drive shaft of the generator and the crankshaft of the engine on the drive side with a gear coupling, it must be taken into account that a gear with a transmission ratio always resolves a fixed phase reference; this can also be taken into account with a suitable translation model if required.
  • a preferred development provides for the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase to be calculated from the engine speed and/or the engine phase
  • a blocking angle is learned, which indicates a difference between an engine rotation angle, in particular between a crankshaft angle of the engine and a rotor angle of the generator.
  • a phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine is set as part of the above-mentioned regulation for adapting the engine phase as a function of the phase difference, this for the engine preferably in the engine control unit or the electronic engine control and regulation unit (ECU).
  • the electronic engine control and regulation unit (ECU) the Generator voltage frequency and / or the generator voltage phase and according to the mains frequency and / or the mains voltage phase are directly available.
  • a generator voltage frequency which initially differs from the grid frequency in a frequency difference, is adapted to the grid frequency, and/or
  • the generator voltage phase which initially differs from the mains voltage phase in terms of the phase difference, is adapted to the mains voltage phase.
  • a generator voltage frequency and/or a generator voltage phase of a generator voltage is specified as a function of a generator set speed during operation of the internal combustion engine
  • the motor of the internal combustion engine is operated in a phase control mode with adaptation of a motor phase to change the generator voltage phase
  • - is operated in a speed control mode for controlling a generator set speed.
  • the generator in particular a synchronous generator, is preferably designed to generate a generator voltage as a terminal voltage on the generator; i.e. a generator voltage associated as a terminal voltage with a generator voltage frequency and a generator voltage phase.
  • the synchronous generator is not yet connected for delivering and/or feeding in electrical power for the power grid; i.e. a load switch or main switch at the connection point of the generator is not yet closed; in this state no power is generated.
  • the method is preferably designed so that the generator set already generates a generator voltage in such a way that it is prepared to deliver and/or feed in electrical power for the power grid, in particular to complete the synchronization operation of the generator set (genset) with respect to the power grid and/or one of the following operations.
  • the phase difference for a phase-locked state between Generator voltage frequency and grid frequency is specified.
  • the phase difference for a phase-locked state can be specified in particular for approximately the same generator voltage frequency and mains frequency.
  • An adaptation of the phase is therefore advantageously possible in the context of the phase controller in particular when the phase difference for a phase-locked state between generator voltage frequency and mains frequency is specified, i.e. when the engine speed is already close to a correct motor speed, which only leads to a slightly deviating, in particular approximately the same generator voltage frequency and mains frequency.
  • the frequency difference as a frequency adjustment value indicates a difference between the generator voltage frequency and the grid frequency and/or the phase difference as a phase adjustment value indicates a difference between the generator voltage phase and the grid voltage phase for setting the phase parameter Form of the combustion control variable for torque-generating combustion adjustment of the engine in a frequency and/or phase-locked loop of the phase controller.
  • a phase signal can advantageously be made available to the phase controller at the input, which follows a strictly monotonic, in particular linear, transfer function of the phase difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase, preferably a strictly monotonic, in particular linear, function of the phase difference of a phase angle between -180° and is +180°.
  • phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine in the speed control mode depending on the frequency difference is set in such a way, in particular as part of a pre-control and/or pre-regulation, that the frequency difference is minimized when injecting with the injection parameter.
  • the phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine to adapt the engine phase as a function of the phase difference is set in such a way, in particular as part of pre-control and/or pre-regulation, that the Phase difference minimized with torque-forming Combustion setting of the engine (e.g. injection or injection or throttling) with the combustion control variable for torque-forming combustion setting of the engine
  • the engine speed is first changed in the synchronization mode by starting from a starting engine speed is ramped up until the generator voltage frequency and grid frequency match and then according to the phase control mode the motor phase to change the
  • the generator voltage phase is adjusted to the Advantageously, after booting, the generator set can then be in synchronization mode for synchronizing the
  • Generator voltage phase can be operated with the mains voltage phase, in particular in accordance with the phase control mode, the motor phase can be adjusted to change the generator voltage phase.
  • a blocking angle is learned, which indicates a difference between an engine rotation angle, in particular a crankshaft angle and a rotor angle of the generator, in particular the internal combustion engine for synchronizing is operated at least once in a speed control mode.
  • FIG. 1A shows a basic diagram of a generator set provided for connection to an electrical power network, in particular an electrical supply network;
  • FIG. 1B provides additional details of a speed control mode of the one shown in FIG. 1A;
  • FIG. 2A shows a course of the engine speed and an engine output of the engine of the device shown in FIG. 1A and FIG. 1B shown generator set during the start-up operation of the generator set for connection to the power grid, namely here an electrical supply network according to the scheme shown in detail X;
  • FIG. 2B schematically illustrates the effect of improved synchronizing of the generator set according to a preferred embodiment of FIG. 3A et seq. wherein the synchronization time can be shortened by means of synchronizing the improved generator set with the mains, namely here an electric mains according to the scheme shown in detail X;
  • FIG. 3A shows a first preferred embodiment of a control loop for a device for operating an improved generator set operating an internal combustion engine as part of a generator set, i.e. with a generator and an internal combustion engine according to the concept of the invention, in this embodiment a phase control synchronizing the generator voltage phase Fo with the Concerns the mains voltage phase FN; so the phase F regulates;
  • FIG. 3B shows a second preferred embodiment of a control loop for an apparatus for operating an improved generator set
  • a phase control relates to a synchronization of the generator voltage phase Fo with the mains voltage phase FN and in addition to the phase difference PD, DF also a frequency difference Af-; ie controls the phase F and the frequency f;
  • FIG. Figure 3C shows a third preferred embodiment of a control loop for a device for operating an improved generator set operating an internal combustion engine as part of a generator set, i.e. with a generator and an internal combustion engine according to the concept of the invention, in which embodiment a phase control has a transformed form F[IN, UN], F[IG, UG] of the generator voltage 316 or the grid voltage 318;
  • FIG. 3D for one shown in FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C, a transfer function for a transfer of an adjustment value between the comparison unit and the pilot control unit of the device shown in FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C for operating an improved generator set;
  • FIG. 4 shows a flowchart of a preferred embodiment of a method for operating an internal combustion engine of a generator set with a generator and the internal combustion engine, the internal combustion engine having an engine with an injection device for injecting fuel;
  • FIG. 5 shows a flow chart for a further embodiment of the system shown in FIG. 4 illustrated method, which has an additional speed control mode
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device shown in FIG. 5, in which parameters relevant to the phase control mode are learned in the speed control mode;
  • FIG. 7 a basic scheme of a preferred embodiment of a
  • FIG. 1A and FIG. 1B An embodiment of a basic structure of a generator set is described below with reference to FIG. 1A and FIG. 1B in relation to a start-up operation of FIG. 2A explained.
  • FIG. 1A shows a generator 106 in the form of a synchronous generator SyncGen, provided for connection to a power grid 100, in particular an electrical supply grid, as part of a generator set 102.
  • a generator set 102 is usually also referred to as a “genset”.
  • GenSet is also referred to as generator set 102 below.
  • the generator set 102 of FIG. 1A is shown here schematically in its fundamentally known structure.
  • An electrical connection between the synchronous generator SyncGen and the power grid 100 is established via a connection point 101, symbolically represented as a load switch.
  • the generator 106 in the form of the synchronous generator SyncGen is part of an overall generator set system, which is referred to here as a generator set GenSet and which also includes an internal combustion engine BKM.
  • the internal combustion engine BKM has a motor 104 labeled “Eng” and an engine control device 110 labeled “ECU”.
  • the generator set GenSet, 102 includes a generator 106, which is designed here as a synchronous generator SyncGen and is correspondingly labeled “SyncGen”, and has a generator set controller 108 labeled “GenCtri”.
  • the generator 106 is thus designed as a synchronous machine in the form of a synchronous generator SyncGen.
  • the synchronous generator SyncGen is connected to a drive train 104.1 of the motor 104 at the same angle. Before a synchronous generator SyncGen designed as a synchronous machine is connected to the power grid 100, it must—after an asynchronous start—be synchronized with the power grid 100. In generator mode, the synchronous generator “SyncGen” 106 then generally runs at a relatively constant speed. Such a synchronous generator SyncGen can emit reactive power. As a result, the synchronous generator SyncGen as a synchronous machine can also be used for reactive power compensation and thus overall for Grid stabilization of the power grid 100 are used. The reactive power behavior can be influenced by exciting the synchronous generator SyncGen 106.
  • the generator set control 108 receives a mains current assigned to the mains via a connection provided with a voltage converter; this can be a connection 100.1 of the connection point 101 provided for power/energy transmission and in this respect also using a connection transformer.
  • a voltage converter can be used as a special form of a transformer, a measurement connection solely for measurement technology purposes (and less for power/energy transmission).
  • the generator set controller 108 is designed to determine relevant information about a grid frequency fh, a grid voltage phase FN and a grid voltage UN of the grid current of the power grid 100 via the connection 100.1. Furthermore, the generator set control 108 receives a generator voltage associated with the generator 106 via a connection 106.1 provided with a voltage converter. The generator set controller 108 is designed to also receive relevant information from the generator voltage via the connection 106.1 about a generator voltage frequency fG or generator speed NG, a generator voltage phase—hereinafter generator voltage phase PD—and a generator voltage UG of the generator current. The generator set control 108 is thus designed to initially create an “equality” between mains current and generator current during start-up operation of the internal combustion engine.
  • the synchronization that then follows between the mains voltage and the generator voltage is implemented, among other things, via an excitation 108.1 of the generator 106 - the corresponding variables mains voltage UN, generator voltage UG and mains frequency fk, generator voltage frequency fG and mains voltage phase PN, generator voltage phase PG are shown in FIG. 1A and FIG. 1B as UN, UG or fh, FN or fG Fs.
  • the mains voltage phase PN is synchronized with the generator voltage phase PG and the mains frequency fN with the generator voltage frequency fG by means of a speed control; or better said, a speed controller with a more or less fixed method for changing the speed.
  • a “speed control signal” or speed control signal 108.2 labeled “Cs” is optionally used Speed control commands Cs "speed up” and "speed down” transmitted from the generator set controller 108 to the engine controller 110 .
  • the engine control device 110 receives the speed control signal 108.2 and is designed to convert the speed control signal 108.2 into—in this case, for example—an injection control signal 110.1 for transmitting an injection parameter “Cin” and to give it to an injection device EE in order to set a speed of the engine 104 with it.
  • Motor 104 uses motor signal 104.2 to report a motor speed nM relating to motor 104 and a motor phase FM to motor control device 110.
  • the generator set controller 108 is also designed to detect synchronicity between the mains voltage and the generator voltage.
  • the generator set control 108 is also configured by means of a switch control signal 108.3 at the connection point 101 to establish an electrically conductive connection between the power grid 100 and the generator 106 for feeding in electrical energy; in particular—as shown here—to close the load switch.
  • FIG. 1B shows, based on FIG. 1A additional details of the speed control of the device shown in FIG. 1A shown generator set 102; i.e. H. ie a known control of the synchronous generator “SyncGen” for synchronizing in a speed control mode with predetermined setting of the injection parameters Cin to an injection device EE of the engine 104—that is, in the true sense of the word, only a control.
  • generator set 102 i.e. H. ie a known control of the synchronous generator “SyncGen” for synchronizing in a speed control mode with predetermined setting of the injection parameters Cin to an injection device EE of the engine 104—that is, in the true sense of the word, only a control.
  • the generator set controller 108 issues a speed control command Cs to the engine controller 110.
  • the speed control signal 108.2 is marked with "Rot Conv”.
  • Speed converter 152 received and the speed control command Cs is in a Speed specification converted and provided.
  • a speed controller 154 labeled "ECU RotCtrl” receives the speed specification and converts it into the injection control signal Cin, which controls the engine speed of the engine 104 via the injection device EE.
  • a time course of the engine speed of the engine 104 during the start-up operation is shown below with reference to FIG. 2 explained.
  • FIG. 2A shows (shown with any unit 204 on the Y-axis)—principal curves 200 of an engine speed 208 and an engine power 206 of the engine 104 as a function of time 202 during the start-up operation of a generator set 102, ie for connecting one driven by the engine Generator 106, namely a synchronous generator SyncGen, to the power grid 100; in particular, the curve 200 relates to the start-up operation of the device shown in FIG. 1A and FIG. 1B with the currents equalized and the voltages synchronized as described with respect to FIG. 1A and FIG. 1B has been explained.
  • start-up operation can also be divided into four sections, namely: switch-on section, run-up section,
  • the start-up portion of motor 104 is shown in FIG. 2A at a time TI (21:03:43) and lasts about 1 second. During this period, approximately 2 revolutions of a crankshaft of the engine 104 occur for basic angular synchronization of the crankshaft of the engine 104 at 120 rpm.
  • the run-up section follows the starting section of the motor 104 .
  • the engine speed 208 increases continuously and the engine power 206 increases as a result.
  • the run-up usually takes about 10-15 seconds and depends on the available charge air. In the one shown in FIG. 2A, the run-up portion lasts until a time T2 (21:03:50). At the end of the run-up section, the engine speed 208 reaches an approximately constant value and the engine power 206 reduces to a value close to zero.
  • a synchronization section follows the run-up section.
  • the engine speed of the engine 104 of the generator set 102 is adjusted in such a way that the generated by the generator 106 Generator voltage is synchronous with the mains voltage of the power grid 100. This process can take up to 15 seconds and ends in the situation shown in FIG. 2 at a time T3 (21:04:03).
  • T3 21:04:03
  • the load increase section follows the run-up section.
  • the load increase segment begins at time T3 (21:04:03).
  • the load application section ends with the load application presently at time T5 (21:04:50).
  • T3 a third point in time
  • T4 a fourth point in time T4
  • a section can be seen in which a small proportion of reverse power can take place before the above-mentioned load application section begins after the fourth point in time T4.
  • the method for operating a generator set (“genset”) 102 in relation to a power grid operated at a mains voltage UN, the generator set having a generator 106 in the form of a synchronous generator SyncGen, an internal combustion engine BKM and a generator set controller 108, is basically designed in the manner explained above. Based on the in FIG. The curve 200 of the engine speed 208 shown in FIG. 2A makes it clear that the approach of only providing a speed control 150 is still in need of improvement.
  • the engine 104 of the generator set 102 preferably already has an engine speed that corresponds approximately to the engine speed during operation of the generator set 102 .
  • an energy feed-in cannot yet be used.
  • FIG. 2B shows the curves 800 of an engine speed 806 and an engine output 808 of a motor 104 of a generator set 102 during a running-in process of a generator set 102 for connection to a power grid 100, namely to an electrical power grid in the present case.
  • the generator set GenSet 300 has the internal combustion engine BKM with an engine 312 and an engine control unit (“ECU”) and a combustion actuator control-connected to the engine control unit.
  • ECU engine control unit
  • the combustion actuator VG which is connected to the engine control unit ECU and can be controlled by means of a combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine, can have a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device, preferably an injection device for Injecting fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine and/or a throttle valve for adjusting a gas mixture flow rate in a gas engine and/or a carburetor valve for adjusting a combustion mixture in an Otto engine.
  • a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device, preferably an injection device for Injecting fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine and/or a throttle valve for adjusting a gas mixture flow rate in a gas engine and/or a carburetor valve for adjusting a combustion mixture in an Otto engine.
  • a combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine is selected from the group consisting of: fuel injection control variable, gas injection control variable, throttle position control variable, in particular the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine can be a fuel allocation parameter for the engine 312, in particular an injection parameter Cin and/or a throttle parameter and/or an ignition parameter.
  • the combustion actuator VG which is control-connected to the engine control device, can be controlled by means of a combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • the generator 314 is drive-connected to the motor 312 at a motor speed for generating a generator voltage UG at a generator voltage frequency fG at the generator, in particular for generating the generator voltage UG as a terminal voltage at the generator, where
  • the mains voltage UN is assigned a mains frequency fk and a mains voltage phase PN
  • the generator voltage UG is assigned a generator voltage frequency fG and a generator voltage phase ⁇ E>G.
  • the method for synchronizing operation of the generator set Genset with respect to the power grid 100 provides improved synchronization of the generator voltage UG with respect to the grid voltage UN.
  • the generator voltage frequency fG and/or the generator voltage phase ⁇ E>G of the generator voltage UG generated by the generator 314—namely a synchronous generator SyncGen— is matched with respect to the mains frequency fk and/or the mains voltage phase PN .
  • the generator set 300 is operated in a synchronization mode for synchronizing the generator voltage phase ⁇ E>G with the mains voltage phase PN, and the motor 312 of the internal combustion engine BKM is set during operation, with the motor 312 of the internal combustion engine BKM in a phase control mode PCM with adaptation of a Motor phase FM is operated to change the generator voltage phase ⁇ E>D.
  • phase controller 704 the mains voltage phase PN is transmitted to a phase controller 704.
  • phase controller 704 regulates the motor phase FM to a phase difference PD, which is formed from a difference between the generator voltage phase Fs and the mains voltage phase FN, where -
  • a phase parameter in the form of the combustion control variable VS is set for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • curve 800 Particularly marked in curve 800 is the effect of using the concept of the invention in the GenSet 300 generator set.
  • phase control according to the concept of the invention during the synchronization section 814 can reduce the time required for synchronization, which is indicated by the arrow 818 .
  • operating costs for operating the generator set GenSet, 300 can thus be reduced and the power of the generator set 300 can be made available to the power grid 100 more quickly, i.e. the generator set 300 can start earlier—corresponding to the shortened duration of the synchronization section 814— the power grid 100 can be connected in a power-transmitting manner; i.e. the circuit breaker 101 can be closed.
  • FIG. 3A shows a preferred embodiment of a phase controller device 302 for operating the motor 312 of the internal combustion engine BKM as part of the generator set 300 with a generator 314 and the internal combustion engine BKM comprising the motor 312 according to the concept of the invention.
  • the phase regulator device 302 is designed to synchronize a generator voltage 316, Uc, generated by the generator 314 with a mains voltage 318, UN of the power grid 100 for feeding a generator current I a with the generator voltage 316 into the power grid 100 by means of phase control.
  • the power grid 100 is assigned a grid frequency f , a grid voltage UN and a grid voltage phase PN.
  • generator 314 in the form of synchronous generator SyncGen of generator set GenSet, 300 is assigned or can be determined with a generator voltage frequency fG and/or a generator voltage phase PG of a generator voltage UG of the voltage generated by the generator, in particular as a function of a generator speed NG during operation of internal combustion engine BKM .
  • the phase regulator device 302 has the function of a phase regulator 704, which is still to be explained, and includes a comparison unit 304 labeled “Phase-Det” and a pre-control unit 308 labeled “ECU PLL-Ctrl”.
  • the comparison unit 304 receives a generator voltage 316, UG and a mains voltage 318, UN and is designed to determine in particular a generator voltage phase Fo from the generator voltage 316 and a mains voltage phase FN from the mains voltage 318 and to compare them with one another. Furthermore, comparison unit 304 is designed to output an adjustment value 306 that indicates a difference between the generator voltage phase and the mains voltage phase. In the case shown in FIG. 3A, the adjustment value 306 is a phase difference between generator voltage phase Fs and mains voltage phase FN.
  • the pilot control unit 308 receives the phase difference DF and is designed to specify an injection parameter Cin--selected by way of example in this exemplary embodiment--as a function of the phase difference DF.
  • a combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine can be selected from the group consisting of: fuel injection control variable, gas injection control variable, throttle valve position control variable, in particular the combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine include a fueling parameter for the engine 312, in particular an injection or injection parameter Cin and/or a throttle parameter and/or an ignition parameter.
  • the motor 312 of the internal combustion engine is therefore operated in a phase control mode PCM with adaptation of a motor phase PM to change the generator voltage phase PD, in particular for controlling a generator speed NG.
  • the mains voltage phase PN is the aforementioned and in FIG. 7 phase controller 704 explained in more detail, and the phase controller 704 regulates the motor phase PM to a phase difference PD, DF of the generator voltage phase PG to the mains voltage phase PN.
  • an injection parameter Cin for the engine 312 is adjusted in accordance with the present case in order to adapt the motor phase PM as a function of the phase difference PD.
  • Motor 312 of the internal combustion engine receives injection parameter Cin and is designed—in this exemplary embodiment by way of example—to regulate the injection device using the injection parameter.
  • a combustion actuator VG which is control-connected to the engine control device and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, can have a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device, preferably an injection device for injecting fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine and/or a throttle valve for setting a gas mixture flow rate in a gas engine and/or a carburetor flap for setting a combustion mixture in a gasoline engine.
  • a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device, preferably an injection device for injecting fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine and/or a throttle valve for setting a gas mixture flow rate in a gas engine and/or a carburetor flap for setting a combustion mixture in a gasoline engine.
  • injection parameter Cin is selected by the pilot control unit 308 in such a way that the phase difference DF between the generator voltage phase ⁇ E>G and the mains voltage phase FN is reduced in an injection device with the injection parameter Cin.
  • the phase regulator device 302A which has the function of a phase regulator 704, is comprised by a motor control device of the motor 312 of the internal combustion engine.
  • a phase regulator 704 is comprised by a motor control device of the motor 312 of the internal combustion engine.
  • only pilot control unit 308 is included in the engine control unit, with comparison unit 304 being located outside of the engine control unit, for example in a generator set controller of generator set 300.
  • phase regulation relates to a synchronization of the generator voltage phase Fs with the grid voltage phase FN; so the phase F regulates.
  • the phase regulator device 302B is additionally designed to synchronize the generator voltage frequency fG with the grid frequency fh. i.e. specifying a generator voltage frequency fG and a generator voltage phase PG of a generator voltage UG generated by generator 140 occurs as a function of a generator speed NG during operation of the internal combustion engine BKM.
  • the engine of the internal combustion engine can first be operated in the speed control mode, with an engine speed being adjusted in order to control a generator speed NG.
  • the synchronization mode by means of the one shown in FIG. 3A, FIG. 3B or FIG. 3C or the like formed phase controller device 302 - the one shown in FIG. 7 explained in more detail phase regulator 704 in the phase control mode PCM, the mains voltage phase are transmitted, the motor of the internal combustion engine being operated with adaptation of a motor phase PM to change the generator voltage phase PD.
  • a generator voltage frequency that initially differs from the mains frequency in a frequency difference is adapted to the mains frequency
  • the generator voltage phase that initially differs from the mains voltage phase in the phase difference is adapted to the mains voltage phase—possibly based thereon.
  • the phase difference PD, DF is given for a phase-locked state between generator voltage frequency and grid frequency, i.e. H. given at approximately the same generator voltage frequency and mains frequency.
  • the comparison unit thus additionally receives the data shown in FIG. 3B in parentheses generator voltage frequency fG with the mains frequency fh and is designed to also include a frequency difference Af between the received frequencies in addition to the phase difference PD, DF in the determination of an above-mentioned adjustment value 306.
  • pilot control unit 308 is designed to take into account the frequency difference when specifying injection parameter Cin.
  • the comparison unit 304 is designed to calculate two adjustment values 306—in addition to the phase difference PD, DF also a frequency difference Af—which each contain information about the difference between the received frequencies and the received phases. In principle, it is not absolutely necessary for the comparison unit 304 to receive the generator voltage 316 and the mains voltage 318 directly. In another one here about phases F in FIG. 3A, FIG. 3B and FIG. 3C, the comparison unit 304 receives only two phase signals or two phase signals and two frequency signals, which correspond to the generator voltage phase and the grid voltage phase or the generator voltage frequency and the grid frequency. Accordingly, from such phase signals -possibly. Phase and/or frequency signals—to the generator voltage 316 and to the mains voltage 318, the phase difference PD of interest—possibly also a frequency difference Af—can be determined in addition to the phase difference PD, DF.
  • the comparison unit 304 receives a transformed form F[IN, UN], F[IG, UG] of the generator voltage 316 or the mains voltage 318.
  • the comparison unit 304 in this embodiment is also designed based on the transformed form of the generator voltage 316 and of the grid voltage 318 to determine the generator voltage phase and the grid voltage phase or the generator voltage phase, the generator voltage frequency, the grid voltage phase and the grid frequency.
  • the phase difference PD, DF of interest and/or, in addition to the phase difference PD, DF, a frequency difference ⁇ f between the received frequencies can also be determined and corrected from this by means of the phase regulator device 302.
  • the embodiment of FIG. 3C with the phase controller device 302 with the comparison unit 304 can be understood as a generalized form of a phase controller in order to transmit the mains voltage phase PN to a phase controller 704.
  • the phase controller 704 regulates the motor phase PM to a phase difference PD, which is formed from a difference between the generator voltage phase Fs and the mains voltage phase FN and to adapt the motor phase PM as a function of the phase difference PD, a phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the motor becomes.
  • the adjustment value for the phase difference PD of particular interest can be transmitted from the comparison unit 304 to the pilot control unit 308 in various ways.
  • a particularly preferred embodiment of a transmission signal for the Compensation value which can primarily transmit phase information—and preferably both phase information and frequency information—is explained below with reference to FIG. 3D explained.
  • phase controller device 302 - By means of the in FIG. 3A, FIG. 3B or FIG. 3C or the like formed phase controller device 302 - are the in FIG.
  • the phase controller 704 explained in more detail in FIG. 7 transmits the mains voltage phase in the phase control mode PCM, with the motor of the internal combustion engine being operated by adapting a motor phase PM to change the generator voltage phase PD.
  • FIG. 3D shows an exemplary embodiment of a transmission signal for transmission of an adjustment value between the comparison unit 304 and the pilot control unit 308 of the FIG. 3A, FIG. 3B and FIG. 3C shown phase controller device 302.
  • the transmission of the adjustment value is based on a pulse width modulation.
  • FIG. 3D shows a functional relationship 352 between a pulse width 360 of the transmission signal and the phase difference 362 for a range from ⁇ 180° to +180° in a central area. In this middle range, if the mains frequency and the generator voltage frequency are identical, the pulse width increases linearly, starting from a value of 10% for a phase difference of -180° to a pulse width of 90% for a phase difference of 180°.
  • the area outside of -+180° is shown in FIG. 3D characterized in that below -180° the speed is too low and above +180° the speed is too high.
  • this is also designed to determine and transmit a frequency difference between the generator voltage frequency and the grid frequency.
  • the functional dependency 352 is extended beyond the range from -180° to +180°.
  • a pulse width of 10% is used to form the transmission signal at a generator voltage frequency that is lower than the mains frequency (fG ⁇ fh), regardless of the phase difference.
  • a pulse width of 90% is used to form the transmission signal, regardless of the phase difference. That means the basic structure of a PLL controller of FIG. 3D has a phase comparison element which, with a largely identical mains frequency and largely identical generator voltage frequency and a phase angle difference between -180 and +180 degrees, has an output which indicates the phase angle difference proportionally.
  • the phase detector has a second function; namely, if the engine speed generator voltage frequency is lower than the mains frequency, it shows -180°. If the generator frequency is greater than the grid frequency, it shows +180°.
  • FIG. 4 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a method 400 for operating an internal combustion engine of a generator set with a generator and the internal combustion engine, the internal combustion engine having a motor with an injector for injecting fuel.
  • the method 400 is used for synchronizing a generator voltage generated by the generator with a mains voltage of the electricity network for feeding in electricity, with a generator voltage phase being adjusted to the generator voltage and a mains voltage phase being adjusted to the mains voltage.
  • the internal combustion engine is in a position shown in FIG. 4 is operated in the phase-locked mode PCM designated in step 404, with the synchronization taking place in three steps.
  • a first step 406 the grid voltage phase and the generator voltage phase are determined. Then, in a step 408, the mains voltage phase is compared with the generator voltage phase, with an adjustment value being formed which is designed to indicate a difference, in particular a phase difference, between the generator voltage phase and the mains voltage phase.
  • an injection parameter Cin is specified as a function of the adjustment value in such a way that the phase difference is reduced, in particular minimized, during an injection of fuel with the injection parameter Cin.
  • the method 400 ends with a stop point 412.
  • the method 400 may be run one or more times to establish phase difference minimization. Method 400 can also be applied continuously in order to ensure permanent synchronicity between mains current and generator current during operation of the internal combustion engine.
  • the method 400 is extended by additional steps. Some of these modified embodiments are explained with reference to FIG. 5 to FIG. 6 explained below.
  • FIG. 5 shows a modified embodiment 500, in particular as an extension of the one shown in FIG. 4 method shown, which in step 502 also has an optional speed control mode RCM. All already from FIG. 4 known steps of the FIG. 4 was shown in FIG. 5 with the same reference number. In the following, only the changes compared to the one shown in FIG. 4 will be explained.
  • the speed control mode RCM in step 502 includes a step 506 and a step 508.
  • step 506 a speed specification for the motor 312 is created.
  • step 508 the speed specification is converted into an injection parameter Cin in such a way that the speed specification is achieved by the engine during injection with the injection parameter Cin.
  • the speed control mode RCM is also available as an alternative; i.e. H. in principle, the internal combustion engine can already be operated in a speed control mode RCM for synchronization.
  • the PCM phase control mode is preferably selected for synchronization.
  • the internal combustion engine could also only be in one shown in FIG. 4 designated phase lock mode PCM of step 404 are operated.
  • the speed control mode RCM is preferably also available; ie in the context of the particularly preferred embodiment, the internal combustion engine is initially in one shown in FIG. 4 designated phase control mode PCM operated in step 404 and only after the explained phase control mode PCM is the internal combustion engine in operated in a speed control mode RCM. In particular, this takes place in an available variant of the embodiment of the method 500 when synchronization has been achieved by means of the phase control mode PCM—or has not been achieved, in particular after a timeout period. Then, following the phase control mode PCM, the internal combustion engine is operated in the speed control mode RCM.
  • Branching element 504 can be used to switch between speed control mode RCM and phase control mode PCM. Switching between phase control mode PCM of step 404 and speed control mode RCM of step 502 is particularly advantageous in cases when the generator voltage frequency or the generator voltage phase is not detected directly by a phase controller device that executes method 500 . This is the case, for example, when the phase controller device is part of the motor control device. In these cases, the generator voltage phase and the generator voltage frequency can be determined from an engine speed and an engine phase, which are often made available to the engine control device of modern engines by the engines themselves. In order to be able to infer the generator voltage phase and the generator voltage phase generator voltage frequency from the engine speed and the engine phase, however, various determination parameters should be present, which are best determined beforehand in the RCM speed control mode.
  • a modified embodiment of the method 500, which determines the determination parameters in the speed control mode RCM, is described below with reference to FIG. 6 explained.
  • FIG. 6 shows a further embodiment 600, in particular as an extension of the one shown in FIG. Method 500 shown in FIG. 5, in which relevant parameters for the phase control mode PCM in step 404 are learned in the speed control mode RCM in step 502 .
  • the embodiment 600 of the method is particularly advantageous when the determination of the Generator voltage phase takes place based on the motor phase and/or the generator voltage frequency based on the motor frequency and the determination parameters required for determining are initially not known.
  • the method 600 can be used to determine the determination parameters in a first phase of the method.
  • the angle difference also referred to below as blocking angle
  • a blocking angle and a number of pole pairs can also occur independently of whether there is synchronicity between the mains voltage phase and the generator voltage phase.
  • the aforementioned angle difference can be determined in particular by the available angle at which the generator is flanged to the drive train of the motor; this information can be made accessible to the generator set control and the engine control device, in particular as part of a GenSet-individualized initialization. If the generator voltage frequency is also to be determined from the motor frequency, information about the number of pole pairs of the generator should also be available. This information can also be made accessible to the generator set control and the engine control device, in particular as part of a GenSet-individualized initialization.
  • Mains voltage first carried out in the RCM speed control mode in step 502. If synchronicity is established, the generator voltage phase and/or generator voltage frequency are known to the generator set controller.
  • the blocking angle and/or the number of pole pairs can be determined by comparing the generator voltage phase with the motor phase and/or the generator voltage frequency with the motor frequency.
  • a connection 604 between step 602 and step 406 symbolizes that the determined parameters are recorded and when the method is subsequently carried out in Phase control mode PCM can be used for determining generator voltage phase and/or generator voltage frequency.
  • the method is then switched from the speed control mode RCM to the phase control mode PCM. If the determination parameters change, for example due to an exchange of the generator, the method is initially operated again in the speed control mode RCM to determine the determination parameters.
  • a preferred embodiment of a generator set GenSet 300 is described below with reference to FIG. 7 with a phase controller device 302 for carrying out the method 600 of FIG. 6 explained; i.e. with a phase controller device, with which the described with the FIG. 2B through FIG. 6 described properties of the concept of the invention can be realized.
  • FIG. 7 shows, as part of a preferred embodiment, a device for operating a generator set, having a generator 314 in the form of a synchronous generator SyncGen, an internal combustion engine BKM with a motor 312 referred to as Eng, and a generator set controller 108 with a phase controller device 302 and a speed controller 150.
  • the internal combustion engine BKM in addition to the motor 312, also has a motor control device 110, ECU.
  • the motor 312 is connected to the synchronous generator SyncGen in a torque-transmitting manner; this initially for generating a generator voltage UG at a generator voltage frequency fis on the generator, in particular for generating the generator voltage UG as a terminal voltage on the generator.
  • the generator set generates the generator voltage UG in such a way that it is prepared to output and/or feed in electrical power P for the power grid 100, in particular to complete a synchronization operation of the generator set GenSet with respect to the power grid 100 and/or subsequent operation.
  • a grid voltage UN with a grid frequency fh and a grid voltage phase PN is assigned to the power grid 100 .
  • the engine 312 here has an injection device for injecting fuel.
  • a combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine can be selected from the group consisting of: fuel injection control variable, gas injection control variable,
  • Throttle position control variable in particular the combustion control variable VS torque-forming combustion adjustment of the engine include a fuel allocation parameter for the engine 312, in particular an injection or injection parameter Cin and / or a throttle parameter and / or ignition parameter.
  • the combustion actuator VG which is control-connected to the engine control device ECU and can be controlled by means of a combustion control variable VS for torque-forming combustion adjustment of the engine, has a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device. preferably an injection device for injecting fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine and/or a throttle valve for setting a mixture gas flow rate in a gas engine and/or a carburetor flap for setting a combustion mixture in a gasoline engine.
  • the device for operating the generator set (“Genset”) with respect to a power grid 100 operated at a mains voltage UN also has: a generator sensor system for indicating a generator voltage frequency fG and a generator voltage phase PG of a generator voltage UG generated by the generator 314, in particular depending on a generator set -Speed NG during operation of the internal combustion engine,
  • a mains sensor system for indicating a mains voltage UN which is assigned a mains frequency fh and a mains voltage phase PN, and wherein the generator voltage UG is assigned a generator voltage frequency fG and a generator voltage phase ⁇ E>G, and also
  • a control and regulation device for synchronizing the generator voltage UG with respect to the mains voltage UN which is designed according to the concept of the invention.
  • the open-loop and closed-loop control device is provided with the phase controller device 302 and is designed to carry out the method according to the concept of the invention.
  • the open-loop and closed-loop control device can be connected to an electronic control unit (ECU) of the internal combustion engine BKM or be part of it.
  • ECU electronice control unit
  • the generator set GenSet, 300 as a whole is designed with the device, in particular comprising the phase regulator device 302, and the internal combustion engine BKM is designed with a control and regulating device, in particular comprising the phase regulator device 302, to carry out the method according to the concept of the invention, in particular wherein the Control and regulating device connected to an electronic control unit ECU of the internal combustion engine BKM or is part of it.
  • the internal combustion engine BKM is provided with the motor 312 and an engine control unit (“ECU”) and a combustion actuator which is control-connected to the engine control unit and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • ECU engine control unit
  • a combustion actuator which is control-connected to the engine control unit and can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • the combustion actuator which is connected to the engine control device and which can be controlled by means of a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine, can have a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device - this is preferably an injection device for injecting Fuel or a gas injection device in a diesel or Otto engine and/or a throttle valve for setting a mixture gas flow rate in a gas engine and/or a carburetor flap for setting a combustion mixture in an Otto engine.
  • the generator 314 is drive-connected to the motor 312 at a motor speed to generate a generator voltage UG at a generator voltage frequency fG mam generator, in particular to generate the generator voltage UG as a terminal voltage on the generator, as already explained above became.
  • the mains voltage UN is assigned a mains frequency fh and a mains voltage phase PN
  • the generator voltage UG is assigned a generator voltage frequency fG and a generator voltage phase ⁇ E>G
  • the generator set GenSet 300 being designed for synchronizing operation of the generator set 102, GenSet with respect to the power grid 100 for Synchronization of the generator voltage UG with respect to the mains voltage UN.
  • the generator voltage frequency fG and/or the generator voltage phase Fo of the generator voltage UG generated by the generator 140 is matched with respect to the mains frequency f and/or the mains voltage phase PN.
  • the generator set 300 can be operated in a synchronization mode for synchronizing the generator voltage phase ⁇ E>G with the mains voltage phase PN, with the motor 312 of the internal combustion engine BKM being set during operation.
  • the motor 312 of the internal combustion engine BKM can be operated in a phase control mode PCM by adapting a motor phase FM to change the generator voltage phase F ⁇ .
  • the mains voltage phase PN is transmitted to a phase controller 704, and the phase controller 704 uses the phase controller device 302 to regulate the motor phase FM to a phase difference PD.
  • This phase difference PD is formed from a difference between the generator voltage phase Fs and the mains voltage phase FN, with a phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-generating combustion adjustment of the motor being set to adapt the motor phase PM as a function of the phase difference PD.
  • FIG. 7 shows - based on FIG. 3A through FIG. 3B—a generator set 702 for connection to a power grid 100 configured to execute a phase locked mode PCM.
  • Some components of the generator set 702 have already been explained before. with respect to FIG. 1A and FIG. 1B. It is shown here again that the motor Eng, 312 is connected to the generator 314 in the form of the synchronous generator SyncGen via a drive shaft in a torque-transmitting manner, with a rotor being driven in rotation with respect to a stator of the generator during operation of the internal combustion engine in order to generate the generator voltage UG the generator voltage frequency fG.
  • phase control PCM in particular generator 106, which is connected to the motor of the internal combustion engine in a torque-transmitting manner, is present in the form of a synchronous generator, is connected rigidly or by means of a gear.
  • the generator set 702 or the genset 300 is thus designed to carry out a phase control PCM in the phase controller 704, which is designed to determine the injection control signal Cin on the basis of a phase difference between the generator voltage phase Fo and the mains voltage phase FN ZU.
  • the phase control PCM comprises in the phase controller 704, a synchronization detector 706 labeled “SyncDet”, a converter unit 708 labeled “Conv” and the circuit shown in connection with FIG. 3 A already described comparison unit 304 and pilot control unit 308.
  • the comparison unit 304 receives the generator voltage phase Fs and the grid voltage phase FN and is designed to calculate the phase difference DF between the two phases.
  • the generator voltage phase Fs is not derived directly from the generator voltage, but is determined from the motor phase FM.
  • the converter unit 708 receives the motor phase FM and is designed to determine the generator voltage phase Fs based on the motor phase FM and the blocking angle.
  • the comparison unit 304 receives the mains voltage phase FN from the synchronization detector 706, which is designed to determine this from the mains voltage.
  • the number of pole pairs of the generator is thus advantageously taken into account when converting the motor angular velocity and the grid angular velocity. If the engine control unit does not know the mechanical locking angle, it can be learned. This is done by a so-called synchronicity detector, which outputs a corresponding signal value as soon as it detects the synchronicity between the generator voltage phase and the mains voltage phase. If at the same time the engine torque is still close to the friction torque, the "blocking angle" is saved; this enables you to output the generator frequency and generator phase and the PLL controller can work.
  • the generator set 702 or the GenSet 300 includes a timer 710 called “Timer” T, which is designed to actuate a switch 712 after a predefined period of time in which the generator voltage could not be synchronized with the mains voltage Phase controller 704 switches to a speed controller 150. So if the synchronization does not take place after a timeout time T at the latest, the structure is switched to a normal speed controller for a "Teach In” and thus a Synchronization carried out using the aforementioned "Speed Up / Speed Down" via the speed specification.
  • the system can then perform a quick synchronization via the PLL phase controller.
  • the synchronization detector 706 sends a signal to the converter unit 708 to learn the lock angle.
  • the comparison unit 304 also receives the line frequency fh and the generator voltage frequency fG in brackets in addition to the generator voltage phase and the line voltage phase, and is designed to determine a frequency difference in addition to the phase difference--insofar as this corresponds to the embodiment like this with reference to FIG. 3B is explained.
  • pilot control unit 308 is designed to determine the injection parameter Cin mentioned here—example for a phase parameter in the form of the combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine—on the basis of the phase difference and the frequency difference.
  • the mains voltage phase can be detected via an analogue channel.
  • the mains voltage phase can also be recorded via a binary input.
  • the binary input gets a high level with a positive half-wave and a low level with a negative half-wave, so that the zero crossings correspond to the voltage zero crossing.
  • the Phase comparison and/or frequency comparison can also be carried out outside the ECU and fed to the ECU via a PWM (pulse width modulation) input.
  • FM engine phase NG generator set speed P power RCM speed control mode of a speed controller 150 in step 502
  • PCM phase control mode of a phase control 704 in step 404 150 speed controller with speed control RCM 152 speed converter (Rot Conv) 154 speed controller (ECU, RotCtrl)
  • PM motor phase 350 functional dependency for pulse width 352 pulse width function 360 pulse width 362 phase difference/frequency difference according to adjustment value (Df), phase or frequency difference

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generatorsatz und ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes („Genset") bezüglich eines bei einer Netzspannung (UN) betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatzsteuerung aufweist, wobei: - die Brennkraftmaschine einen Motor (312) und eine Motorsteuereinrichtung („ECU") aufweist und ein mit der Motorsteuereinri chtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweist, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zzuurr momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, und - der Generator (314) bei einer Generator-Drehzahl (NG) mit dem Motor (312) bei einer Motor- Drehzahl antriebsverbunden ist, zum Erzeugen einer Generatorspannung (UG) bei einer Generatorspannungsfrequenz (fG) am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung (UG) als eine Klemmenspannung am Generator, wobei - der Netzspannung (UN) eine Netzfrequenz (fN) und eine Netzspannungsphase (PN) zugeordnet ist, und der Generatorspannung (UG) eine Generatorspannungsfrequenz (fG) und eine Generatorspannungsphase (ΦG) zugeordnet ist, wobei das Verfahren zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes (102, Genset) bezüglich des Stromnetzes (100), die Schritte aufweist: - Synchronisieren der Generatorspannung (UG) bezüglich der Netzspannung (UN).

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes sowie Brennkraftmaschine und Generatorsatz mit der Brennkraftmaschine und Generator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Betreiben eines Generatorsatzes und eine entsprechende Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes und die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und einen Generatorsatz.
Ein Generatorsatz (auch „Genset“ genannt) weist einen Generator, eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatz-Steuerung (Genset- Steuerung) auf, wobei die Brennkraftmaschine einen Motor und eine Motorsteuereinrichtung (auch genannt „ECU“ für „elektronische Steuer- und Regeleinheit“ - (engl.) „Engine Control Unit“) aufweist und der Motor momentenübertragend mit dem Generator verbunden ist. Zum Einspeisen einer elektrischen Leistung in ein Stromnetz, insbesondere ein elektrisches Versorgungsnetz, sollte der Generator synchronisiert werden mit dem Netz. Insbesondere betrifft dies einen Synchrongenerator.
Das eingangs genannte Verfahren betrifft das Betreiben des Generatorsatzes („Genset“) bezüglich eines bei einer Netzspannung betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatzsteuerung aufweist, wobei:
- die Brennkraftmaschine einen Motor und eine Motorsteuereinrichtung („ECU“) aufweist und ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweist, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, und
- der Generator bei einer Generator-Drehzahl mit dem Motor bei einer Motor-Drehzahl antriebsverbunden ist, zum Erzeugen einer Generatorspannung bei einer Generatorspannungsfrequenz am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung als eine Klemmenspannung am Generator, wobei
- der Netzspannung eine Netzfrequenz und eine Netzspannungsphase zugeordnet ist, und der Generatorspannung eine Generatorspannungsfrequenz und eine Generatorspannungsphase zugeordnet ist, wobei das Verfahren zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes bezüglich des Stromnetzes, das Synchronisieren der Generatorspannung bezüglich der Netzspannung vorsieht.
Bei modernen Energieversorgungssystemen wird zur Netzstabilisierung eine sogenannte Regelenergie immer wichtiger. Heutige elektrische Versorgungsnetze machen es erforderlich, u.a. aufgrund des vermehrten Einsatzes von erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik und Windenergie und der damit verbundenen Instabilitätsursachen, Stabilisierungsmaßnahmen mit zu berücksichtigen. Soweit eine Energiebereitstellung durch jedenfalls eine hohe Dynamik erneuerbarer Energiequellen Schwankungen im Netz verursacht und damit u.a. mit höherer Dynamik jedenfalls lokal zu Netz -Instabilitäten beitragen könnte, ist deshalb eine sogenannte Regelenergie, welche diese Schwankungen ausgleicht, zunehmend wertvoll bzw. erforderlich. Ein Generatorsatz (engl auch „Genset“) kann jedoch mit einer Brennkraftmaschine mit einem Motor vergleichsweise stabil betrieben werden; u.a. deshalb ist ein Generatorsatz in besonderer Weise dazu geeignet, diese sogenannte Regelenergie zur Verfügung zu stellen.
Es ist somit wichtig, bei einem Generatorsatz die Zeit, vom Motorstart der Brennkraftmaschine bis zur Lastaufschaltung des Generatorsatzes, so gering wie möglich zu halten.
Ein Startbetrieb eines Generatorsatzes erfolgt üblicherweise bereits in einem auch für den Nennbetrieb vorgesehenen vorliegend so bezeichneten Drehzahlregelmodus. Diese an sich bekannte Art eines Startbetriebs im Drehzahlregelmodus setzt sich gemeinhin aus den folgenden vier Stufen zusammen, die hier mit einem vereinfachten und nicht-einschränkenden konkreten Beispiel aufgeführt sind:
1. Stufe: Start des Generatorsatz mit einem Betrieb des Motors der Brennkraftmaschine bei ca. ein bis zwei Umdrehungen pro Sekunde, d. h. bis ca. 120 U/min zur Winkel- Synchronisierung auf die Kurbelwelle innerhalb der ersten Sekunden, d. h. zur ersten Anpassung der Generator-Drehzahl auf die Motor-Drehzahl, insofern der Winkel- Synchronisierung der Antriebswelle des Generators auf die Kurbelwelle des Motors der Brennkraftmaschine;
2. Stufe: Hochlaufen des Generatorsatz für eine Dauer von ca. 5 bis 15 Sekunden abhängig von der verfügbaren Ladeluft bis ggfs in den Bereich der Nenndrehzahl des Motors; 3. Stufe: Synchronisieren des Generatorsatzes, d. h. der Generatorspannung des Generators, mit dem Netz innerhalb einer Zeit von etwa bis zu 15 Sekunden;
4. Stufe: Umsetzung einer Lastauf Schaltung und danach dann Betrieb des Generatorsatzes synchron mit dem Netz; nämlich weiterhin im Drehzahlregelmodus, d. h. unter Regelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine, zur Aufrechterhaltung des synchronen Betriebs.
Um im Ergebnis beim Betrieb eines Generatorsatzes „den Generator mit dem Netz zu synchronisieren“ ist es das Ziel, die Netzspannung und die Generatorspannung, konkret zunächst die Klemmspannung des Generators —bevorzugt in ihren Effektivwerten— als auch die Frequenz und Phasenlage der Netzspannung und der Generatorspannung anzugleichen bzw. die gleiche Wellenform von Spannungen für Generator und Netz in allen Phasen der Spannung zu erreichen. Dazu sollen also die Generatorgrößen einer Generatorspannung, der Generatorspannungsfrequenz und der Generatorspannungsphase und die Netzgrößen, einer Netzspannung, Netzspannungsfrequenz, und Netzspannungsphase angeglichen sein. Diese sollten zunächst den Synchronbedingungen genügen; nur dann kann eine entsprechende Leistungseinspeisung, d. h. des Stroms der elektrischen Leistung in das Stromnetz, insbesondere das elektrische Versorgungsnetz, sachgerecht, d. h. störungs- und schadensfrei erfolgen.
Beim Startbetrieb eines Generator satzes, insbesondere im besonders bevorzugten Falle eines Generatorsatzes mit einem Synchrongenerator, bezüglich eines bei einer Netzspannung betriebenen Stromnetzes, um „den Generator mit dem Netz zu synchronisieren“, ist es also das Ziel, die Generatorspannung bezüglich der Netzspannung zu synchronisieren.
Die Synchronbedingungen fordern grundsätzlich, dass die Spannungen der Synchronmaschine in Form des Synchrongenerators und des Netzes übereinstimmen müssen. Insbesondere müssen die Spannungen des Synchrongenerators und des Netzes —bei vorliegender gleicher Phasensequenz im Falle einer üblicherweise mehrphasigen Spannung, wie die eines Drei- Phasen-Systems— entsprechend den drei Bestimmungsstücken einer Sinusgröße (a) nach Effektivwert der Spannungen (UN, UG) von Netz und Generator sowie (b) Frequenz (f , fG) und (c) Phasenlage (FN, <1>G) der Spannungen von Netz und Generator übereinstimmen. Dies gilt insbesondere da —nachdem ggfs die beiden Spannungen nach Frequenz und Betrag übereinstimmen— es regelmäßig so ist, dass die beiden Spannungen sich nur noch durch die Phasenlage unterscheiden. Die Generatorspannungsphase und die Netzspannungsphase sind vor allem zu verstehen in relativem Bezug zueinander.
Diese Phasenverschiebung wird bislang beseitigt, indem (nochmals) ein kurzzeitiger Eingriff in die Drehzahlstellorgane der Antriebsmaschine vorgenommen wird; also mittels einem hier so in Bezug genommenen „Drehzahlregelmodus“ der Generatorsatz mit Brennkraftmaschine und Synchrongenerator betrieben wird. Zur Veranschaulichung ist der vorgenannte Betrieb eines Generatorsatzes im an sich bekannten Drehzahlregelmodus —beispielhaft in FIG. 2A und FIG. 2B im Zusammenhang mit dem grundsätzlichen Aufbau eines Generatorsatzes in FIG. 1 A und FIG. 1B— in der Zeichnung erläutert. Zur weiteren Erläuterung des Hintergrunds sei hier darauf verwiesen, dass eine vollautomatische Synchronisierung —wie beispielsweise in: https://de.wikipedia.org/wiki/Svnchronoskop beschrieben— üblicherweise durch ein Parallel schalten der jeweiligen Netzteile erfolgt; d.h. durch Einschalten eines dazugehörigen Leistungsschalters „im sogenannten Synchronpunkt“ mit einem Parallelschaltgerät erfolgt, das in Verbindung mit einem Spannungs- und Frequenzabgleichgerät arbeitet.
Die einfachste Art, die Einhaltung der sogenannten Synchronbedingungen zu beobachten —nur um ein Beispiel zu nennen— ist eine sogenannte Synchronisi er säul e. Die beiden Spannungsmesser (für die Spannung der Synchronmaschine bzw. die Spannung des Netzes) sind in einem Doppelspannungsmesser vereinigt, wobei die Zeiger beider Messwerke einer Skala zugeordnet sind. Ebenso sind die beiden Frequenzmesser als Doppelfrequenz-Messer ausgeführt, bei dem die Reihen von Schwingungen in einem Gehäuse nebeneinanderliegen. Um den Phasenwinkel bzw. die Phasenverschiebung der Spannungen zu beobachten dienen sogenannte Phasenlampen.
Daraus lassen sich die Synchronisierungsbedingungen, dass -wie schon erwähnt die Spannungen der Synchronmaschine und des Netzes entsprechend den drei Bestimmungsstücken einer Sinusgröße nach Effektivwert, Frequenz und Phasenlage übereinstimmen müssen— ablesen.
Maßnahmen, die erforderlich sind, um allgemein Synchronbedingungen zu erfüllen —d.h. zum Synchronisieren einer Generatorspannung bezüglich der Netzspannung— bezeichnet man als Synchronisieren. Dies erfolgt beispielsweise mit dem folgenden Vorgehen im Rahmen der vollautomatischen Synchronisierung (oben „3. Stufe“).:
(i) Die Drehfeldgleichheit der Netze wird vor der Erstinbetriebnahme der Anlagen realisiert. (ii) Danach beginnt man damit, die Frequenzen der beiden Spannungen in
Übereinstimmung zu bringen. Dazu muss entsprechend die Drehzahl der
Synchronmaschine geändert werden. Das geschieht üblicherweise durch den Eingriff in das Drehzahlstellorgan der Antriebsmaschine.
(iii) Nachdem die beiden Spannungen nach Frequenz und Betrag übereinstimmen, können sie sich nur noch durch die Phasenlage unterscheiden.
Diese Phasenverschiebung wird beseitigt, indem nochmals ein kurzzeitiger Eingriff in die Drehzahlstellorgane der Antriebsmaschine vorgenommen wird. Dadurch verändert sich die Frequenz der Maschinenspannung -vorliegend also des Synchrongenerators— während dieser Zeit. Diese kurzzeitige Frequenzänderung muss bei Phasengleichheit beendet sein, d.h. wenn über den Kontakten des Leistungsschalters keine Spannung mehr existiert.
Sind damit dann die Synchronbedingungen (i), (ii) und (iii) erfüllt, kann der Leistungsschalter eingeschaltet werden -die Synchronmaschine, hier der Synchrongenerator, also leistungsübertragend an das Stromnetz angeschlossen werden— ohne dass Ausgleichströme zu fließen beginnen. In diesem Falle spricht man von einer Feinsynchronisierung.
Für den Umsetzungsvorgang wird der Generator an einen Punkt gebracht, an dem die Wellenform der Netzspannung genau zu dem passt, was der Generator an Klemmspannung produziert; dies ist beispielsweise im Detail beschrieben in: https://crushtymks.com/energy-and-powei7388-preparing-to-synchronize-a- generator-to-the-grid.html
Die Parameter einer Generatorsatz-Klemmspannung, also insbesondere Frequenz als auch die Phasenlage der Generatorspannung werden konkret wiederum im Zusammenspiel der Generatorsatz- Steuerung (Genset- Steuerung) und der Motorsteuereinrichtung (ECU) eingestellt; wobei die Motorsteuerung üblicherweise eben jenes Drehzahlstellorgan der Antriebsmaschine steuert.
Vereinfacht gesagt: es erfolgt der Schritt der Abstimmung der Phasenlage zur Erfüllung der Synchronbedingung (oben „(iii)“) dadurch, dass infolge einer in der Generatorsatz-Steuerung festgestellten Phasendifferenz zwischen Klemmspannung des Generators und der Netzspannung von der Generatorsatzsteuerung eine Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine über deren Motorsteuerung (ECU) aktiviert wird; die Drehzahlregelung wiederum setzt eine entsprechende Neu-Einstellung zur Drehzahländerung in vorbestimmter Weise um.
Wenn dann —wiederum in der Generatorsatz Steuerung— eine Phasendifferenz zwischen Klemmspannung des Generators und der Netzspannung als ausgeglichen festgestellt wird, wird die in an sich vorbestimmter Weise und unabhängig von der Generatorsatzsteuerung erfolgende Drehzahlregelung von der Motorsteuereinrichtung (ECU) gestoppt.
Generator-Drehzahl problematisch ist, dass —der Sache geschuldet— die Generatorsatz Steuerung (im folgenden auch Genset-Steuerung) und die Motorsteuereinrichtung (ECU) zum Teil unterschiedlichen Steuerprämissen folgen bzw. unterschiedliche Sollwert- oder Vor Steuervorgaben haben.
Dies kann mitunter zur Folge haben, dass ein Abwarten darauf, dass mit der vorgenannten Drehzahlregelung die Brennkraftmaschine an einen für die Synchronität geeigneten „synchronen“ Betriebspunkt gebracht ist, vergleichsweise lange anhält bzw. ein Betriebspunkt des Motors der Brennkraftmaschine für den die Generatorsatz- Steuerung eine Synchronität des Generators feststellt — d. h. insbesondere bis die Phasenwinkel jeweils zwischen einander zugeordneten Phasenspannungen (z. B. bei einer Drei-Phasen-Spannung) von Generator und Netz einen vorgegebenen Wert unterschreiten— vergleichsweise lange auf sich warten lässt. Gemessen an den Anforderungen für Ankopplungszeiten eines Generators an ein Stromnetz, arbeitet eine Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine vergleichsweise langsam.
Der Startbetrieb eines Generatorsatzes, insbesondere im besonders bevorzugten Falle eines Generatorsatzes mit einem Synchrongenerator, bezüglich eines bei einer Netzspannung betriebenen Stromnetzes —um „den Generator mit dem Netz zu synchronisieren“— sollte also mit dem Ziel, die Generatorspannung bezüglich der Netzspannung zu synchronisieren, verbessert werden. Insofern stellt eine Anpassung der Frequenz- und Phasenlage nach Maßgabe der Generator satz- Steuerung (zum einen) und durch eine dieser folgenden Steuerung der Solldrehzahl über eine Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine (zum anderen) zwar eine verlässliche Methode der Anpassung dar; nicht zuletzt kommt diese Drehzahlregelung im Synchronbetrieb üblicherweise zum Einsatz, wie dies oben erläutert ist.
Es wird aber bei aktuellen Generatorsatz- Steuerungen die Solldrehzahl des Motors auch zum Synchronisieren des Generatorsatzes mit dem Netz (oben „Stufe 3.“) auch mittels der Generatorsatz- Steuerung nachgeregelt; d. h. nach dem Hochlaufen des Generatorsatzes (oben „Stufe 2.“) wird zum Synchronisieren des Generatorsatzes mit dem Netz mittels der Generatorsatz- Steuerung die Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine gesteuert; das Steuern der Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine mittels der Generator satz- Steuerung wird im Folgenden als Drehzahlregelmodus bezeichnet.
Dieser Vorgang kann bis zu 15 Sekunden oder länger dauern -ist also vergleichsweise lang— und verschenkt somit wertvolle Zeit, welche aber für die Einstufung des Generatorsatz-Systems herangezogen wird und somit einen Ertrag für den Kunden mindert; also ertragsrelevant nachteilig ist.
In einem Drehzahlregelmodus, der insbesondere auch nach einer Lastaufschaltung (oben „Stufe 4.“) aktiv bleibt, kann dieser Vorgang zudem vergleichsweise zu lange anhalten.
WO 2013/139862 A2 beschreibt ein Verfahren zum Synchronisieren eines Generators, der über einen Generatorschalter mit einem Netz verbindbar ist, was durch die folgenden Schritte beschleunigt wird: a) Hochfahren der Generator-Drehzahl von einem Wert, der einer unterhalb der Netzfrequenz liegenden Frequenz entspricht, auf eine Synchronisierungsdrehzahl, die dem Wert, der Netzfrequenz plus/minus einer Frequenzdifferenz zur Synchronisierung entspricht; b) Abwarten, bis der Phasenwinkel zwischen einander zugeordneten Phasenspannungen von Generator und Netz einen vorgegebenen Wert unterschreitet; und c) Verbinden des Generators mit dem Netz durch Einschalten des Generator Schalters. Dieses Verfahren ist noch verbesserbar u. a. .aus den oben genannten Gründen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben mittels der bei einem eingangs genannten Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes bzw. bei einer entsprechenden Vorrichtung einer Brennkraftmaschine bzw. eines Generatorsatzes ein Synchronisieren des Generatorsatzes mit dem Stromnetz verbessert werden kann, insbesondere eine Synchronisierungszeit verkürzt werden kann - insbesondere betrifft dies einen Generator in Form eines Synchrongenerators.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes, bezüglich eines bei einer Netzspannung betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatzsteuerung aufweist, wobei:
- die Brennkraftmaschine einen Motor und eine Motorsteuereinrichtung („ECU“) aufweist und ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweist, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, und
- der Generator bei einer Generator-Drehzahl mit dem Motor bei einer Motor-Drehzahl antriebsverbunden ist, zum Erzeugen einer Generatorspannung bei einer Generatorspannungsfrequenz am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung als eine Klemmenspannung am Generator, wobei
- der Netzspannung eine Netzfrequenz und eine Netzspannungsphase zugeordnet ist, und der Generatorspannung eine Generatorspannungsfrequenz und eine Generatorspannungsphase zugeordnet ist, wobei das Verfahren zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes bezüglich des Stromnetzes, das Synchronisieren der Generatorspannung bezüglich der Netzspannung vorsieht.
Erfindungsgemäß sieht das Verfahren zum Synchronisieren der Generatorspannung bezüglich der Netzspannung, vor, dass die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase der vom Generator erzeugten Generatorspannung, bezüglich der Netzfrequenz und/oder der Netzspannungsphase abgestimmt wird.
Erfindungsgemäß ist dazu weiter vorgesehen, dass
- der Generatorsatz in einem Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der Generatorspannungsphase mit der Netzspannungsphase betrieben wird, und der Motor der Brennkraftmaschine im Betrieb angepasst wird, wobei - der Motor der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus unter Anpassung einer Motorphase zur Änderung der Generatorspannungsphase betrieben wird, wobei
- die Netzspannungsphase einem Phasenregler übermittelt wird, und
- der Phasenregler die Motorphase auf eine Phasendifferenz regelt, welche gebildet wird aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase zur Netzspannungsphase, wobei
- zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
Die Erfindung hat somit erkannt, dass in einem Synchronisierungs-Modus, insbesondere vorteilhaft zusätzlich zu einem Drehzahlregelmodus, ein Synchronisieren der Phase des Generatorsatzes mit dem Stromnetz durch einen Phasenregler in verbesserter Weise realisiert werden kann, insbesondere die Synchronisierungszeit durch den verbesserten Phasenregler verkürzt werden kann- insbesondere betrifft dies einen Generator in Form eines Synchrongenerators .
Mit anderen Worten ist im Synchronisierungs-Modus vorgesehen, dass der Motor der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus unter Anpassung einer Motorphase zur Änderung der Generatorspannungsphase betrieben wird, insbesondere zum Steuern einer Generatorsatz-Drehzahl; insbesondere des Generators in Form eines Synchrongenerators.
Dabei wird erfindungsgemäß die Netzspannungsphase einem Phasenregler übermittelt, der gemäß dem Konzept der Erfindung die Motorphase auf eine Phasendifferenz der Generatorspannungsphase zur Netzspannungsphase regelt. Dies ermöglicht es, dass der Motor sozusagen direkt auf die Phasendifferenz geregelt werden kann. Eine Netzspannungsphase, insbesondere die Phasendifferenz der genannten Art steht für eine Regelung des Motors bislang nicht zur Verfügung.
Das Konzept der Erfindung ermöglicht es mit der Vorgabe der Phasendifferenz zu einem Phasenregler, insbesondere direkt an einen Phasenregler der Motorsteuerung, dass zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird. Die Erfindung geht insofern von der Überlegung aus, dass ein üblicher Motor normalerweise im Drehzahlmodus lediglich die Drehzahl anpasst, bis die Generatorspannungsphase mit der Netzspannungsphase übereinstimmt, ohne dass die Netzspannungsphase zur Steuerung des Motors explizit vorgegeben wäre.
Die Erfindung hat nun erkannt, dass darüber hinaus eine Motorphase auf eine Phasendifferenz der Generatorspannungsphase zur Netzspannungsphase explizit geregelt werden kann in einem Phasenregler, wobei dann zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird. Dies kann die Synchronisierungszeit erheblich verkürzen.
Dies kann beispielsweise ein Einspritzparameter für den Motor zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz sein. Die Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildende Verbrennungseinstellung des Motors ist in einer Weiterbildung bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, Gas-Eindüsung- Steuergröße, Drosselklappenstellung-Steuergröße, insbesondere umfasst die Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors einen Kraftstoffzuteilparameter für den Motor, insbesondere einen Einspritz- oder Eindüsungs- Parameter und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter.
Weiterhin betrifft die Erfindung zur Lösung der Aufgabe betreffend die Vorrichtung eine Einrichtung zum Betreiben eines Generator satzes („Genset“) bezüglich eines bei einer Netzspannung betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatzsteuerung aufweist, und die Einrichtung aufweist:
- eine Generator-Sensorik zum Angeben einer Generatorspannungsfrequenz und einer Generatorspannungsphase einer vom Generator erzeugten Generatorspannung, insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl beim Betrieb der Brennkraftmaschine,
- eine Netz-Sensorik zum Angeben einer Netzspannung, der eine Netzfrequenz und eine Netzspannungsphase zugeordnet ist, und der Generatorspannung eine Generatorspannungsfrequenz (ίs) und eine Generatorspannungsphase zugeordnet ist,
- eine Steuer- und Regel-Einrichtung zum Synchronisieren der Generatorspannung bezüglich der Netzspannung. Erfmdungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuer- und Regel-Einrichtung ausgebildet ist, das Verfahren nach dem Konzept der Erfindung auszuführen.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Brennkraftmaschine die Steuer- und Regel- Einrichtung auf, welche ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 auszuführen, insbesondere wobei die Steuer- und Regel-Einrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) der Brennkraftmaschine (BKM) verbunden oder ein Teil dieser ist. Vorteilhaft kann wenigstens der Phasenregler als Teil der Motorsteuereinrichtung (ECU) gebildet sein und im Phasenregelmodus, insbesondere nur im Synchronisierungs-Modus, der Motorsteuereinrichtung die Netzspannungsphase übermittelt werden.
Es kann insbesondere in einer besonders bevorzugten Weiterbildung durch ein Drehzahlregelmodul zum Betrieb des Generatorsatzes in einem Drehzahlregelmodus vorgesehen sein, wobei zwischen dem Phasenregler und dem Drehzahlregelmodul geschaltet wird, insbesondere für den Fall, dass sich der Unterschied der Phasendifferenz nicht reduziert bei Einspritzung mit dem Einspritzparameter im Phasenregelmodus zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine, wobei dann zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine vom Synchronisierungsmodus in den Drehzahlregelmodus umgeschaltet wird, insbesondere nach einer Time-Out-Zeit umgeschaltet wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung zur Lösung der Aufgabe betreffend die Vorrichtung einen Generatorsatz mit der Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung.
Es ist vorgesehen, dass beim erfindungsgemäßen Generatorsatz:
- die Brennkraftmaschine einen Motor und eine Motorsteuereinrichtung („ECU“) aufweist und ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweist, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, und
- der Generator bei einer Generator-Drehzahl mit dem Motor bei einer Motor-Drehzahl antriebsverbunden ist, zum Erzeugen einer Generatorspannung bei einer Generatorspannungsfrequenz am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung als eine Klemmenspannung am Generator, wobei
- der Netzspannung eine Netzfrequenz und eine Netzspannungsphase zugeordnet ist, und der Generatorspannung eine Generatorspannungsfrequenz und eine Generatorspannungsphase zugeordnet ist, wobei der Generatorsatz zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes bezüglich des Stromnetzes, ausgebildet ist zum:
- Synchronisieren der Generatorspannung bezüglich der Netzspannung.
Erfmdungsgemäß ist vorgesehen, dass die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase der vom Generator erzeugten Generatorspannung, bezüglich der Netzfrequenz und/oder der Netzspannungsphase abgestimmt wird, wobei
- der Generatorsatz in einem Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der
Generatorspannungsphase mit der Netzspannungsphase betrieben wird, und der Motor der Brennkraftmaschine im Betrieb eingestellt wird, wobei- der Motor der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus unter Anpassung einer Motorphase zur Änderung der
Generatorspannungsphase betrieben wird, wobei
- die Netzspannungsphase einem Phasenregler übermittelt wird, und
- der Phasenregler die Motorphase auf eine Phasendifferenz regelt, welche gebildet wird aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase zur Netzspannungsphase, wobei
- zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
Vorteilhaft ist der Motor mit dem Generator über eine Antriebswelle momentenübertragend verbunden, wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein Rotor gegenüber einem Stator des Generators rotatorisch angetrieben wird zur Erzeugung der Generatorspannung bei der Generatorspannungsfrequenz.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist bei dem Generatorsatz vorgesehen, dass das mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs- und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung aufweist. Vorzugsweise kann die Einspritzeinrichtung ausgebildet sein zum Einspritzen von Kraftstoff oder eine Gas-Eindüsungseinrichtung bei einem Diesel- oder Otto-Motor. Das mit der Motor Steuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist kann auch eine Drosselklappe zur Einstellung eines Gemischgasdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto-Motor aufweisen. Vorliegend wird in Bezug auf eine Brennkraftmaschine mit der Begrifflichkeit und in bevorzugter Ausführung auf einen Motor —bevorzugt Verbrennungsmotor— Bezug genommen: Eine Brennkraftmaschine weist außer dem Motor an sich eine ganze Vielzahl weiterer Komponenten auf, wie die Ladluft- und Abgasführung, sowie Abgas-Behandlung und Aufladung des Motors, Außerdem ist das Injektor- bzw. Gasmischsystem und Steuersystem zu nennen. Unter einem Motor kann gleichwohl nicht nur ein Dieselmotor zu verstehen sein, sondern auch ein Otto-Motor, insbesondere ein Gasmotor, oder dergleichen Verbrennungsmotor als Teil einer Brennkraftmaschine.
Ganz allgemein, unabhängig vom Typ eines Motors, kann der Motor ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweisen, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist. Darunter fällt beispielsweise eine Kraftstoffzuteileinrichtung, ggfs umfassend eine Zündeinrichtung, insbesondere mit einem oder mehreren der momentenbildenden Verbrennungsstellglieder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz- Stellglied, Gas-Eindüsung-Stellglied, Drosselklappenstellung-Stellglied. Ein Verbrennungsstellglied ist insofern Teil einer komplexen Verbrennungs-Stelleinrichtung, wie eine Einspritz- oder Eindüsungseinrichtung; beispielsweise ein Common-Rail-System mit einem Injektor oder ein Gasmischer mit einer Eindüseeinrichtung. Eine Einspritz- oder Eindüseeinrichtung kann insbesondere ein Einspritz-, Eindüs- und/oder Drosselelement aufweisen, vorzugsweise zum Einspritzen bzw- Eindüsen von Kraftstoff wie Diesel oder Gas bei einem Diesel- oder Otto-, insbesondere Gas-Motor.
Eine Verbrennungs-Stelleinrichtung kann das Drosselelement in Form einer Drosselklappe zur Einstellung eines Gas-Gemischdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto-Motor aufweisen; dies kann ggfs auch eine Zündeinrichtung umfassen. Ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied ist mittels einer Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren. Bevorzugt ist der Motor mit dem Generator über eine Antriebswelle momentenübertragend verbunden, wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein Rotor gegenüber einem Stator des Generators rotatorisch angetrieben wird zur Erzeugung der Generatorspannung bei der Generatorspannungsfrequenz, insbesondere ist der mit dem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundene Generator, insbesondere in Form eines Synchrongenerators, starr oder mittels einem Getriebe verbunden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung nutzt die Erfindung den Umstand, dass die Motorphase mittels eines Motorwinkels und/oder einer Phasenlage der Kurbelwelle ermittelt wird, insbesondere kann die Motorphase als Zeitfunktion eines Motorwinkels (z.B. als Umdrehungswinkel im Verbrennungszyklus) und/oder Phasenlage der Kurbelwelle (z.B. als Kurbelwellen-Drehwinkel) zur Verfügung gestellt sein.
Des Weiteren kann in einer vorteilhaften Weiterbildung die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase berechnet werden aus der Motor-Drehzahl und/oder der Motorphase
- unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl des Generators, und/oder
- unter Berücksichtigung eines mechanischen Verblockungswinkels zwischen Brennkraft maschine und Generator.
Dem Konzept der Erfindung liegt damit auch die Überlegung zugrunde, dass die Eingangsgrößen zur Bestimmung der Phasenlage von zunächst Motor und Generator und zudem auch der des Netzes grundsätzlich bekannt bzw. ermittelbar sind. Unter einem Anpassen einer zunächst sich von der Netzspannungsphase in der Phasendifferenz unterscheidenden Generatorspannungsphase an die Netzspannungsphase ist grundsätzlich zu verstehen, dass die relative Phasenlagen der Netzspannung (Netzspannungsphase) und der Generatorspannung bei praktisch gleicher Spannungsfrequenz festgestellt und eine entsprechend festgestellte die Phasenlagen beschreibende Phasendifferenz minimiert wird; insofern sind die Generatorspannungsphase und die Netzspannungsphase vor allem zu verstehen in relativem Bezug zueinander.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung geht von der Überlegung aus, dass für die Verkürzung der Synchronisierungszeit eine Eigenschaft moderner Verbrennungsmotoren genutzt werden kann. Moderne Motorsteuereinrichtungen kennen nämlich die Phasenlage der Kurbelwelle zu jedem Zeitpunkt, da sie winkelrichtig u.a. Einspritzventile oder Zündkerzen ansteuern müssen. Ausgehend von dieser Überlegung hat die Weiterbildung erkannt, dass — wenn der Generator winkeltreu an den Motor angeflanscht ist oder über ein Übersetzungsgetriebe befestigt ist, sodass die Übersetzung also fest oder variabel aber in jedem Fall zu berechnen ist— die Motorphase im Wesentlichen als Zeitfunktion des Motorwinkels bzw. Phasenlage der Kurbelwelle (z. B. f(t)) bekannt ist und zur Generatorspannungsphase fest bestehen bleibt.
Wird nun die Information der Netzspannungsphase in das Motorsteuergerat eingebracht, ist die Motorsteuereinrichtung in der Lage, die Differenz der beiden Phasen zu bestimmen und diese auf ein geeignetes bzw. ggfs erforderliches Minimum zu reduzieren.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass dem Phasenregler im Phasenregelmodus, insbesondere nur im Synchronisierungs-Modus, die Netzspannungsphase übermittelt wird. Insbesondere ist der Phasenregler als Teil der Motorsteuereinrichtung gebildet und es wird im Phasenregelmodus, insbesondere nur im Synchronisierungs-Modus, der Motorsteuereinrichtung die Netzspannungsphase übermittelt. In das Motorsteuergerät wird also bevorzugt der Phasenregler — z. B. ein PLL (Phased Locked Loop) Regler— eingefügt. Dieser vergleicht die Phase des Netzes mit der Motorphase und stellt die Einspritzung -insbesondere unter Änderung der Motorphase— derart ein, dass die Phasenlage -insbesondere zwischen Netzspannungsphase und Generatorspannungsphase— geeignet eingestellt, insbesondere minimiert, wird.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Angeben einer Generatorspannungsfrequenz und/oder einer Generatorspannungsphase einer Generatorspannung abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt. Dies verbessert das Zusammenspiel der Generatorsatz- Generatorsatz- Steuerung und der Motorsteuereinrichtung trägt wieder zur Verkürzung der Synchronisierungszeit bei, da der Motor und der Generator in verbesserter Weise in einen phasenstarren Betrieb überführt werden können, insbesondere also bei bereits etwa gleicher Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz.
Insbesondere, dies vorzugsweise im Motorsteuergerät, dem die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase sowie entsprechend die Netzfrequenz und/oder die Netzspannungsphase direkt zur Verfügung steht, kann dazu vorgesehen sein, dass - im Drehzahlregelmodus der Motor der Brennkraftmaschine unter Anpassung einer Motor- Drehzahl zum Steuern einer Generatorsatz-Drehzahl betrieben wird. Insbesondere kann die Motor-Drehzahl in vorbestimmter Weise geändert werden, wodurch die Generatorsatz- Drehzahl gesteuert wird.
Zusätzlich oder alternativ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass im Synchronisierungs-Modus dem Phasenregler im Phasenregelmodus die Netzspannungsphase übermittelt wird, wobei der Motor der Brennkraftmaschine unter Anpassung einer Motorphase zur Änderung der Generatorspannungsphase betrieben wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Motor in dem Phasenregelmodus betrieben wird unter Anpassung einer Motor-Drehzahl unter Änderung der Motorphase nach Maßgabe der Phasendifferenz, welche gebildet wird aus einem Vergleich der Generatorspannungsphase zur Netzspannungsphase, insbesondere die Motor-Drehzahl unter Änderung der Motorphase zur Minimierung der Phasendifferenz geregelt wird, wodurch die Generatorsatz -Drehzahl gesteuert wird.
Es kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Generatorsatz wahlweise in einem Drehzahlregelmodus als Alternative zum Phasenregelmodus im Synchronisierungs-Modus betreibbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann vorteilhaft der Generatorsatz wahlweise im Phasenregelmodus im Synchronisierungs-Modus und nachfolgend in einem Drehzahlregelmodus betreibbar sein, insbesondere für den Fall, dass sich der Unterschied der Generatorspannungsphase zur Netzspannungsphase nicht oder nur unwesentlich reduziert im Phasenregelmodus, dann zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine in den Drehzahlregelmodus umgeschaltet wird, insbesondere nach einer Time-Out-Zeit umgeschaltet wird.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase zum Bestimmen der Phasendifferenz berechnet wird aus der Motorphase und/oder einer Motor-Drehzahl des Motors der Brennkraftmaschine; dies vorzugsweise im Motorsteuergerät, dem die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase sowie entsprechend die Netzfrequenz und/oder die Netzspannungsphase direkt zur Verfügung steht. Dies verkürzt die Regelzeit auf eine erst ggfs aufwändig zu messende Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase; es kann stattdessen vergleichsweise zügig und mit geringerem Aufwand die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase aus der Motorphase und/oder der Motor-Drehzahl im Rahmen eines geeigneten physikalischen Übersetzungs- und Generator-Modells berechnet werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der mit dem Motor der Brennkraftmaschine momentenüb ertragend verbundene Generator, insbesondere in Form einer Synchronmaschine-, starr über die Welle an sich oder mittels einem Flansch antriebsverbunden ist; diese Varianten können bei der genannten Berechnung, insbesondere mittels dem physikalischen Versetzungs-Modell (zwischen Motorphase und Generatorphase an Antriebs und Kurbelwelle) und Generator-Modell, berücksichtigt werden. Im Falle der Möglichkeit mit einer Getriebekopplung die Antriebswelle des Generators und die Kurbelwelle des Motors antriebsseitig miteinander zu verbinden ist zu berücksichtigen, dass grundsätzlich ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis einen festen Phasenbezug auflöst; auch dies kann bei Bedarf mit einem geeigneten Übersetzungs-Modell berücksichtigt werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase berechnet wird aus der Motor-Drehzahl und/oder der Motorphase
- unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl des Generators und/oder unter Berücksichtigung eines mechanischen Verblockungswinkels zwischen Brennkraftmaschine und Generator. Insbesondere ist vorgesehen, dass
- zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine in einem Drehzahlregelmodus betrieben wird, und, für den Fall eines synchronisierten Betriebs der Brennkraftmaschine aus dem Drehzahlregelmodus, ein Verblockungswinkel erlernt wird, welcher einen Unterschied zwischen einem Motordrehwinkel, insbesondere zwischen einem Kurbelwellenwinkel des Motors und einem Rotorwinkel des Generators angibt.
So ist es im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass im Rahmen einer vorgenannten Regelung zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird, dies für den Motor vorzugsweise im Motorsteuergerät bzw. der elektronischen Motor-Steuer- und Regeleinheit (ECU) umgesetzt wird. Vorzugsweise wird der elektronischen Motor-Steuer- und Regeleinheit (ECU)die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase sowie entsprechend die Netzfrequenz und/oder die Netzspannungsphase direkt zur Verfügung stehen. Mittels der genannten Regelung kann
- eine zunächst sich von der Netzfrequenz in einer Frequenzdifferenz unterscheidende Generatorspannungsfrequenz an die Netzfrequenz angepasst werden, und/oder
- die sich zunächst von der Netzspannungsphase in der Phasendifferenz unterscheidende Generatorspannungsphase an die Netzspannungsphase angepasst werden.
Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass das Angeben einer Generatorspannungsfrequenz und/oder einer Generatorspannungsphase einer Generatorspannung abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt, und
- im Synchronisierungs-Modus der Motor der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus unter Anpassung einer Motorphase zur Änderung der Generatorspannungsphase betrieben wird, und
- in einem Drehzahlregelmodus zum Steuern einer Generatorsatz-Drehzahl betrieben wird.
Der Generator, insbesondere Synchrongenerator, ist bevorzugt ausgebildet, eine Generatorspannung als eine Klemmenspannung am Generator zu erzeugen; d.h. einer Generatorspannung, der als eine Klemmenspannung eine Generatorspannungsfrequenz und eine Generatorspannungsphase zugeordnet ist. Im Betrieb während des Synchronisierungsvorganges, insbesondere im Synchronisierungsmodus ist der Synchrongenerator noch nicht zum Abgeben und/oder Einspeisen einer elektrischen Leistung für das Stromnetz angeschlossen; d.h. ein Lastschalter oder Hauptschalter am Anschlusspunkt des Generators ist noch nicht geschlossen; in diesem Zustand wird insofern noch keine Leistung erzeugt.
Bevorzugt ist das Verfahren aber dazu ausgebildet, dass der Generatorsatz bereits eine Generatorspannung derart erzeugt, dass er zum Abgeben und/oder Einspeisen einer elektrischen Leistung für das Stromnetz vorbereitet ist, insbesondere zum Abschluss des Synchronisierungsbetriebs des Generatorsatzes (Genset) bezüglich des Stromnetzes und/oder einem dem nachfolgenden Betrieb.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Synchronisierungs- Modus die Phasendifferenz für einen phasenstarren Zustand zwischen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben wird. Die Phasendifferenz für einen phasenstarren Zustand kann insbesondere bei etwa gleicher Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben werden. Eine Anpassung der Phase ist im Rahmen des Phasenreglers mit Vorteil also insbesondere dann effizient möglich, wenn die Phasendifferenz für einen phasenstarren Zustand zwischen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben wird, d. h. also bei bereits in der Nähe einer insofern richtigen Motor-Drehzahl, welche zu einer nur geringfügig abweichenden, insbesondere etwa gleichen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz führt.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Rahmen einer vorgenannten Regelung konkret die Frequenzdifferenz als ein Frequenz-Abgleichwert einen Unterschied zwischen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz und/oder die Phasendifferenz als ein Phasen-Abgleichwert einen Unterschied zwischen Generatorspannungsphase und Netzspannungsphase angibt zum Einstellen des Phasenparameters in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors in einer Frequenz- und/oder Phasenregel schleife des Phasenreglers. Insbesondere kann mit Vorteil dem Phasenregler am Eingang ein Phasensignal zur Verfügung gestellt werden, das einer streng monotonen, insbesondere linearen, Übertragungsfunktion der Phasendifferenz zwischen der Generatorspannungsphase und Netzspannungsphase folgt, vorzugsweise eine streng monotone, insbesondere lineare, Funktion der Phasendifferenz eines Phasenwinkels zwischen -180° und +180° ist.
Vorzugsweise kann im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen sein, dass — insbesondere zunächst— der Phasenparameter in Form der Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors im Drehzahlregelmodus in Abhängigkeit der Frequenzdifferenz derart eingestellt wird, insbesondere im Rahmen einer Vorsteuerung und/oder Vorregelung, dass sich die Frequenzdifferenz minimiert bei Einspritzung mit dem Einspritzparameter.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass —insbesondere nachfolgend— der Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors zur Anpassung der Motorphase in Abhängigkeit der Phasendifferenz derart eingestellt wird, insbesondere im Rahmen einer Vorsteuerung und/oder Vorregelung, dass sich die Phasendifferenz minimiert bei momentenbildender Verbrennungseinstellung des Motors (z. B. Einspritzung oder Eindüsung oder Drosselung) mit dem Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Synchronisierungs- Modus zunächst die Motor-Drehzahl verändert wird indem von einer Startdrehzahl des Motors hochgefahren wird bis die Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz übereinstimmen und dann entsprechend im Phasenregelmodus die Motorphase zur Änderung der
Generatorspannungsphase angepasst wird der Vorteilhaft kann also nach dem Hochfahren dann der Generatorsatz im Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der
Generatorspannungsphase mit der Netzspannungsphase betrieben werden, insbesondere entsprechend im Phasenregelmodus die Motorphase zur Änderung der Generatorspannungsphase angepasst werden.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Drehzahlregelmodus für den Fall eines synchronisierten Betriebs der Brennkraftmaschine, ein Verblockungswinkel erlernt wird, welcher einen Unterschied zwischen einem Motordrehwinkel angibt, insbesondere einen Kurbelwellenwinkel und einem Rotorwinkel des Generators angibt, insbesondere wobei die Brennkraftmaschine zum Synchronisieren wenigstens einmal in einem Drehzahlregelmodus betrieben wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
FIG. 1A ein grundsätzliches Schema eines zum Anschluss an ein elektrisches Stromnetz, insbesondere ein elektrisches Versorgungsnetz, vorgesehenen Generatorsatzes;
FIG. 1B zusätzliche Details eines Drehzahl-Regelmodus des in FIG. 1A gezeigten Generatorsatzes;
FIG. 2A einen Verlauf der Motor-Drehzahl und einer Motorleistung des Motors des in FIG. 1A und FIG. 1B gezeigten Generatorsatzes während des Anlaufbetriebs des Generatorsatzes zum Anschließen an das Stromnetz, nämlich hier ein elektrisches Versorgungsnetz gemäß dem Schema gezeigt in Detail X;
FIG. 2B schematisch den Effekt eines verbesserten Synchronisierens des Generatorsatzes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der FIG. 3A ff. wobei die Synchronisierungszeit verkürzt werden kann, mittels Synchronisieren des verbesserten Generatorsatzes mit dem Stromnetz, nämlich hier ein elektrisches Versorgungsnetz gemäß dem Schema gezeigt in Detail X;
FIG. 3A eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Regelschleife für eine Einrichtung zum Betreiben eines verbesserten Generatorsatzes unter Betreiben einer Brennkraftmaschine als Teil eines Generatorsatzes, d.h. mit einem Generator und einer Brennkraftmaschine gemäß dem Konzept der Erfindung, wobei in dieser Ausführungsform eine Phasenregelung eine Synchronisierung der Generatorspannungsphase Fo mit der Netzspannungsphase FN betrifft; also die Phase F regelt;
FIG. 3B eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Regelschleife für eine Einrichtung zum Betreiben eines verbesserten Generatorsatzes unter Betreiben einer Brennkraftmaschine als Teil eines Generatorsatzes, d.h. mit einem Generator und einer Brennkraftmaschine gemäß dem Konzept der Erfindung, wobei in dieser Ausführungsform eine Phasenregelung eine Synchronisierung der Generatorspannungsphase Fo mit der Netzspannungsphase FN betrifft und zusätzlich zur Phasendifferenz PD, DF auch einen Frequenzunterschied Af-; also die Phase F und die Frequenz f regelt;
FIG. 3C eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Regelschleife für eine Einrichtung zum Betreiben eines verbesserten Generatorsatzes unter Betreiben einer Brennkraftmaschine als Teil eines Generatorsatzes, d.h. mit einem Generator und einer Brennkraftmaschine gemäß dem Konzept der Erfindung, wobei in dieser Ausführungsform eine Phasenregelung eine transformierte Form F[IN, UN], F[IG, UG] der Generatorspannung 316 oder der Netzspannung 318 empfängt;
FIG. 3D für eine in FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C gezeigte Einrichtung, eine Übertragungsfunktion für eine Übertragung eines Abgleichwertes zwischen der Vergleichseinheit und der Vorsteuereinheit der in FIG. 3 A, FIG. 3B, FIG. 3C gezeigten Einrichtung zum Betreiben eines verbesserten Generatorsatzes;
FIG. 4 ein Ablauf diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Generatorsatzes mit einem Generator und der Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine einen Motor mit einer Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff aufweist;
FIG. 5 ein Ablaufdiagramm für eine weitere Ausführungsform des in FIG. 4 dargestellten Verfahrens, das über einen zusätzlichen Drehzahlregelmodus verfügt;
FIG. 6 eine weitere Ausführungsform des in FIG. 5 gezeigten Verfahrens, bei dem im Drehzahlregelmodus für den Phasenregelmodus relevante Parameter erlernt werden; FIG. 7 ein grundsätzliches Schema einer bevorzugten Ausführungsform eines zum
Anschluss an ein Stromnetz vorgesehenes Generatorsatzes mit einem Phasenregelmodus gemäß dem Konzept der Erfindung.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines grundsätzlichen Aufbaus eines Generatorsatzes anhand der FIG. 1 A und FIG. 1B in Bezug auf einen Anlaufbetrieb der FIG. 2A erläutert.
FIG. 1A zeigt einen zum Anschluss an ein Stromnetz 100, insbesondere ein elektrisches Versorgungsnetz, vorgesehenen Generator 106 in Form eines Synchrongenerators SyncGen, als Teil eines Generatorsatzes 102. Ein solcher Generatorsatz 102 wird üblicherweise auch als „Genset“ bezeichnet. Im Folgenden wird auch auf GenSet als Generatorsatz 102 Bezug genommen. Der Generatorsatz 102 der FIG. 1A ist hier schematisch in seinem grundsätzlich gekannten Aufbau gezeigt.
Eine elektrische Anschluss- Verbindung zwischen dem Synchrongenerator SyncGen und dem Stromnetz 100 wird über einen symbolisch als Lastschalter dargestellten Anschlusspunkt 101 hergestellt. Der Generator 106 in Form des Synchrongenerator SyncGen ist Teil eines Generatorsatz-Gesamtsystems, das hier als Generatorsatz GenSet bezeichnet ist und das auch eine Brennkraftmaschine BKM umfasst. Die Brennkraftmaschine BKM weist einen mit „Eng“ bezeichneten Motor 104 und eine mit „ECU“ bezeichnete Motorsteuereinrichtung 110 auf.
Weiterhin umfasst der Generatorsatz GenSet, 102 einen Generator 106, der hier als ein Synchrongenerator SyncGen ausgebildet ist und entsprechend mit „SyncGen“ gekennzeichnet ist, und eine mit „GenCtri“ bezeichnete Generatorsatz- Steuerung 108 aufweist.
In der in FIG. 1A dargestellten Ausführung des Generatorsatzes 102 ist der Generator 106 also als eine Synchronmaschine in Form eines Synchrongenerators SyncGen ausgebildet. Der Synchrongenerator SyncGen ist mit einem Antriebsstrang 104.1 des Motors 104 winkeltreu verbunden. Bevor ein als eine Synchronmaschine ausgebildeter Synchrongenerator SyncGen ans Stromnetz 100 geschaltet wird, muss er —nach asynchronem Anlauf— mit dem Stromnetz 100 synchronisiert werden. Im Generatorbetrieb läuft der Synchrongenerator „SyncGen“ 106 dann allgemein mit relativ konstanter Drehzahl. Ein solcher Synchrongenerator SyncGen kann Blindleistung abgeben. Dadurch kann der Synchrongenerator SyncGen als eine Synchronmaschine zudem zur Blindleistungskompensation und damit insgesamt zur Netzstabilisierung des Stromnetzes 100 verwendet werden. Das Blindleistungsverhalten lässt sich über die Erregung des Synchrongenerators SyncGen 106 beeinflussen.
Die Generatorsatz- Steuerung 108 empfängt dazu einen dem Stromnetz zugeordneten Netzstrom über eine mit einem Spannungswandler versehene Verbindung; dies kann eine zur Leistungs-/ Energieübertragung vorgesehene Anschluss-Verbindung 100.1 des Anschlusspunktes 101 sein und insofern auch unter Nutzung eines Anschluss-Transformators. Vorzugsweise, wie vorliegend, kann ein hier so genannter Spannungswandler, als eine spezielle Form eines Transformators, einer Messverbindung allein zu Messtechnikzwecken (und weniger der Leistungs-/ Energieübertragung) genutzt werden.
Die Generatorsatz- Steuerung 108 ist dazu ausgebildet, über die Anschluss- Verbindung 100.1 relevante Informationen über eine Netzfrequenz fh, eine Netzspannungsphase FN sowie eine Netzspannung UN des Netzstromes des Stromnetzes 100 zu ermitteln. Weiterhin empfängt die Generatorsatz- Steuerung 108 über eine mit einem Spannungswandler versehene Verbindung 106.1 einen dem Generator 106 zugeordnete Generator Spannung. Die Generatorsatz-Steuerung 108 ist dazu ausgebildet über die Verbindung 106.1 auch von -der Generatorspannung relevante Informationen über eine Generatorspannungsfrequenz fG bzw. Generatordrehzahl NG, eine Generatorspannungsphase -im Folgenden Generatorspannungsphase PD— und eine Generatorspannung UG des Generator Stroms zu empfangen. Die Generator satz- Steuerung 108 ist damit ausgebildet, in einem Anlaufbetrieb der Brennkraftmaschine zunächst eine „Gleichstellung“ zwischen Netzstrom und Generatorstrom herzustellen. Die dann folgende Synchronisierung zwischen der Netzspannung und der Generatorspannung wird unter anderem über eine Erregung 108.1 des Generators 106 umgesetzt - die entsprechenden Größen Netzspannung UN, Generatorspannung UG und Netzfrequenz fk, Generatorspannungsfrequenz fG und Netzspannungsphase PN, Generatorspannungsphase PG sind in FIG. 1 A und FIG. 1B als UN, UG bzw. fh, FN bzw., fG, Fs dargestellt.
Die Synchronisierung der Netzspannungsphase PN mit der Generatorspannungsphase PG sowie der Netzfrequenz fN mit der Generatorspannungsfrequenz fG erfolgt mittels einer Drehzahlregelung; oder besser gesagt einer Drehzahlsteuerung mit einem mehr oder weniger fest vorgegebenem Verfahren zur Ändern der Drehzahl. Hierzu wird ein mit „Cs“ bezeichnetes „Geschwindigkeitssteuersignal“ bzw. Drehzahl Steuersignal 108.2 umfassend wahlweise die Drehzahlsteuerbefehle Cs „Drehzahl erhöhen“ und „Drehzahl verringern“ von der Generatorsatz-Steuerung 108 an die Motorsteuereinrichtung 110 übertragen. Die Motorsteuereinrichtung 110 empfängt das Drehzahl Steuersignal 108.2 und ist ausgebildet, das Drehzahl Steuersignal 108.2 in —beispielsweise vorliegend— ein Einspritzsteuersignal 110.1 zur Übermittlung eines Einspritzparameters „Cin“ umzuwandeln und an eine Einspritzeinrichtung EE zu geben, um mit diesem eine Drehzahl des Motors 104 einzustellen. Der Motor 104 meldet mittels des Motorsignals 104.2 eine den Motor 104 betreffende Motor-Drehzahl nM und eine Motorphase FM an die Motorsteuereinrichtung 110.
Die Generatorsatz-Steuerung 108 ist ferner ausgebildet, eine Synchronität zwischen Netzspannung und Generatorspannung zu detektieren.
Liegt Synchronität im Sinne der eingangs genannten Synchronitätsbedingungen und insbesondere zwischen Netzspannungsphase PN mit der Generatorspannungsphase PG sowie der Netzfrequenz fN mit der Generatorspannungsfrequenz fG vor -insbesondere bei gleicher Drehzahl—, so ist die Generator satz- Steuerung 108 ebenfalls ausgebildet, mittels eines Schaltersteuersignals 108.3 am Anschlusspunkt 101 eine elektrisch-leitende Verbindung zwischen dem Stromnetz 100 und dem Generator 106 zur Einspeisung elektrischer Energie herzustellen; insbesondere —wie vorliegend dargestellt ist— den Lastschalter zu schließen.
FIG. 1B zeigt aufbauend auf FIG. 1A zusätzliche Details der Drehzahlregelung des in FIG. 1A gezeigten Generator satzes 102; d. h. also einer an sich bekannten Steuerung des Synchrongenerators „SyncGen“ zur Synchronisierung in einem Drehzahlregelmodus unter vorbestimmtem Einstellen der Einspritzparameter Cin an eine Einspritzeinrichtung EE des Motors 104 -also im eigentlichen Sinne lediglich einer Steuerung. Wie bereits in FIG. 1A erläutert, wird zunächst die Gleichstellung zwischen Generatorstrom und Netzstrom bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel und dann die Synchronität zwischen Netzspannungsphase PN mit der Generatorspannungsphase PG sowie der Netzfrequenz fN mit der
Generatorspannungsfrequenz fG mithilfe des in FIG. 1B gezeigten Drehzahlregelmodus RCM des Drehzahlreglers 150 hergestellt.
Beim Anlaufbetrieb des Generatorsatzes und mittels des Drehzahlreglers 150 gibt die Generatorsatz- Steuerung 108 einen Drehzahlsteuerbefehl Cs an die Motorsteuereinrichtung 110 aus. Das Drehzahl Steuersignal 108.2 wird von einem mit „Rot Conv“ bezeichneten
Drehzahlkonverter 152 empfangen und der Drehzahlsteuerbefehl Cs wird in eine Drehzahl vorgabe konvertiert und bereitgestellt. Ein mit „ECU RotCtrl“ bezeichneter Drehzahlregler 154 empfängt die Drehzahl vorgabe und konvertiert diese in das Einspritzsteuersignal Cin, was über die Einspritzeinrichtung EE die Motor-Drehzahl des Motors 104 steuert. Ein zeitlicher Verlauf der Motor-Drehzahl des Motors 104 während des Anlaufbetriebs wird im Folgenden anhand von FIG. 2 erläutert. FIG. 2A zeigt (mit einer beliebigen Einheit 204 auf der Y-Achse dargestellt)— prinzipielle Verläufe 200 einer Motor- Drehzahl 208 und einer Motorleistung 206 des Motors 104 als Funktion der Zeit 202 während des Anlaufbetriebs eines Generatorsatzes 102, d. h. zum Anschließen eines vom Motor angetriebenen Generators 106, nämlich eines Synchrongenerators SyncGen, an das Stromnetz 100; insbesondere betrifft der Verlauf 200 den Anlaufbetrieb des in FIG. 1A und FIG. 1B gezeigten Generatorsatzes 102 unter Gleichstellung der Ströme und Synchronisierung der Spannungen wie dies in Bezug auf FIG. 1 A und FIG. 1B erläutert wurde.
Der Anlaufbetrieb kann -ergänzend zu der eingangs gegebene Erläuterung— zudem in vier Abschnitte unterteilt werden, nämlich: Einschaltabschnitt, Hochlaufabschnitt,
Synchronisierungsabschnitt und Lastaufschaltab schnitt.
Die Einschaltabschnitt des Motors 104 erfolgt in dem FIG. 2A gezeigten Verlauf 200 zu einem Zeitpunkt TI (21:03:43) und dauert etwa 1 Sekunde. In diesem Zeitraum erfolgen etwa 2 Umdrehungen einer Kurbelwelle des Motors 104 zur grundsätzlichen Winkel- Synchronisierung der Kurbelwelle des Motors 104 bei 120 U/min (rpm).
An den Startabschnitt des Motors 104 schließt sich der Hochlaufabschnitt an. Hierbei erfolgt eine kontinuierliche Erhöhung der Motor-Drehzahl 208 und eine damit einhergehende Erhöhung der Motorleistung206. Das Hochlaufen dauert im Regelfall etwa 10-15 Sekunden und ist abhängig von einer verfügbaren Ladeluft. In dem in FIG. 2A gezeigten Beispiel dauert der Hochlaufabschnitt bis zu einem Zeitpunkt T2 (21:03:50) an. Am Ende des Hochlaufabschnitts erreicht die Motor-Drehzahl 208 einen etwa konstanten Wert und die Motorleistung 206 reduziert sich auf einen Wert nahe null.
Im Anschluss an den Hochlaufabschnitt erfolgt ein Synchronisierungsabschnitt. Während des Synchronisierungsabschnitts wird mittels des im Zusammenhang mit FIG. 1A und FIG. 1B bereits beschriebenen Drehzahlreglers 150 die Motor-Drehzahl des Motors 104 des Generatorsatzes 102 derart eingestellt, bis dass die vom Generator 106 erzeugte Generatorspannung synchron mit der Netzspannung des Stromnetzes 100 ist. Dieser Vorgang kann bis zu 15 Sekunden dauern und endet in dem in FIG. 2 gezeigten Beispiel zu einem Zeitpunkt T3 (21:04:03). Während dieses Synchronisierungsabschnitts wird die eigentliche Synchronisierung des Synchrongenerators zum Stromnetz umgesetzt zum Erreichen der Synchronisierungsbedingungen wie dies eingangs erläutert ist.
Der Lastaufschaltabschnitt schließt sich an den Hochlaufab schnitt an. Der Lastaufschaltab schnitt beginnt vorliegend zum Zeitpunkt T3 (21:04:03). Während des Lastaufschaltab Schnitts erhöht sich die Motorleistung des Motors 104 kontinuierlich. Der Lastaufschaltabschnitt endet mit der Lastaufschaltung vorliegend zum Zeitpunkt T5 (21 :04:50). Zwischen einem dritten Zeitpunkt T3 und einem vierten Zeitpunkt T4 ist ein Abschnitt erkennbar, in dem ein geringer Anteil an Rückleistung erfolgen kann bevor nach dem vierten Zeitpunkt T4 der oben genannte Lastaufschaltabschnitt beginnt.
Das Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes („Genset“) 102 bezüglich eines bei einer Netzspannung UN betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator 106 in Form eines Synchrongenerators SyncGen eine Brennkraftmaschine BKM und eine Generatorsatzsteuerung 108 aufweist, ist in der oben erläuterten Weise grundsätzlich ausgestaltet. Anhand des in FIG. 2A gezeigten Verlaufs 200 der Motor-Drehzahl 208 wird deutlich, dass der Ansatz, allein eine Drehzahlregelung 150 vorzusehen, noch verbesserungswürdig ist.
Während des Synchronisierungsabschnitts weist der Motor 104 des Generator satzes 102 bevorzugter Weise zwar schon eine Motor-Drehzahl auf, die etwa der Motor-Drehzahl während des Betriebs des Generatorsatzes 102 entspricht. Aufgrund einer fehlenden Synchronität der Generatorspannungsphase und der Netzspannungsphase kann eine Energieeinspeisung jedoch noch nicht genutzt werden.
Beim Einsatz des Generatorsatzes 102 als eine Notstromquelle im Falle eines Ausfalls eines Stromerzeugers im Stromnetz 100, ist es essentiell, den Generatorstrom möglichst schnell in das Stromnetz 100 einspeisen zu können. FIG. 2B zeigt die Verläufe 800 einer Motor-Drehzahl 806 und einer Motorleistung 808 eines Motors 104 eines Generator satzes 102 während eines Einlaufvorgangs eines Generatorsatzes 102 zum Anschließen an ein Stromnetz 100, nämlich vorliegend an ein elektrisches Stromnetz.
Bei den dargestellten Verläufen 800 handelt es sich, wie auch in den in FIG. 2A gezeigten Verläufen, um eine Motor-Drehzahl 806 und eine Motorleistung 808 jeweils als Funktion der Zeit während eines Einlaufvorgangs des Generatorsatzes 102. Ebenfalls wie in FIG. 2A sind die vier Abschnitte des Einlaufvorgangs dargestellt: Startabschnitt 810, Hochlaufabschnitt 812, Synchronisierungsabschnitt 814 und Lastaufschaltabschnitt 816.
Der Generatorsatz GenSet 300 gemäß dem Konzept der Erfindung weist in diesem Ausführungsbeispiel die Brennkraftmaschine BKM mit einem Motor 312 und einer Motorsteuereinrichtung („ECU“) auf und ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied.
Das mit der Motorsteuereinrichtung ECU steuerverbundene Verbrennungsstellglied VG, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße VS zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, kann eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs- und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung aufweisen, vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff oder eine Gas-Eindüsungseinrichtung bei einem Diesel- oder Otto-Motor und/oder eine Drosselklappe zur Einstellung eines Gemischgasdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto-Motor aufweisen.
Eine Verbrennungs- Steuergröße VS zur momentenbildende Verbrennungseinstellung des Motors ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, Gas- Eindüsung- Steuergröße, Drosselklappenstellung-Steuergröße, insbesondere kann die Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors einen Kraftstoffzuteilparameter für den Motor 312 umfassen, insbesondere einen Einspritz- oder Eindüsungs-Parameter Cin und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter umfassen. Das mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied VG ist mittels einer Verbrennungs- Steuergröße VS zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist.
Der Generator 314 ist bei einer Generator-Drehzahl NG mit dem Motor 312 bei einer Motor- Drehzahl antriebsverbunden, zum Erzeugen einer Generatorspannung UG bei einer Generatorspannungsfrequenz fG am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung UG als eine Klemmenspannung am Generator, wobei
- der Netzspannung UN eine Netzfrequenz fk und eine Netzspannungsphase PN zugeordnet ist, und der Generatorspannung UG eine Generatorspannungsfrequenz fG und eine Generatorspannungsphase <E>G zugeordnet ist.
Das Verfahren zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes Genset bezüglich des Stromnetzes 100 sieht ein verbessertes Synchronisieren der Generatorspannung UG bezüglich der Netzspannung UN vor.
Im Folgenden werden nun anhand der FIG. 3A bis FIG. 7 Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Bei diesen ist generell vorgesehen, dass gemäß dem Konzept der Erfindung die Generatorspannungsfrequenz fG und/oder die Generatorspannungsphase <E>G der vom Generator 314 -nämlich einem Synchrongenerator SyncGen— erzeugten Generatorspannung UG, bezüglich der Netzfrequenz fk und/oder der Netzspannungsphase PN abgestimmt wird.
Dabei ist vorgesehen, dass
- der Generatorsatz 300 in einem Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der Generatorspannungsphase <E>G mit der Netzspannungsphase PN betrieben wird, und der Motor 312 der Brennkraftmaschine BKM im Betrieb eingestellt wird, wobei der Motor 312 der Brennkraftmaschine BKM in einem Phasenregelmodus PCM unter Anpassung einer Motorphase FM zur Änderung der Generatorspannungsphase <E>D betrieben wird.
Dabei ist vorgesehen, dass
- die Netzspannungsphase PN einem Phasenregler 704 übermittelt wird, und
- der Phasenregler 704 die Motorphase FM auf eine Phasendifferenz PD regelt, welche gebildet wird aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase Fs zur Netzspannungsphase FN, wobei - zur Anpassung der Motorphase PM in Abhängigkeit der Phasendifferenz PD ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs-Steuergröße VS zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
Besonders gekennzeichnet im Verlauf 800 ist die Auswirkung eines Einsatzes des Konzepts der Erfindung in dem Generatorsatz GenSet 300.
Eine Verwendung einer Phasenregelung gemäß dem Konzept der Erfindung während des Synchronisierungsabschnitts 814, kann die für die Synchronisierung benötigte Zeitspanne verringern, was durch den Pfeil 818 verdeutlicht wird. Dadurch kann der Lastaufschaltab schnitt 816 früher erfolgen, da der Synchronisierungsabschnitt 814 erheblich verkürzt wird. Damit können unter anderem Betriebskosten für einen Betrieb des Generatorsatzes GenSet, 300 reduziert werden und die Leistung des Generatorsatzes 300 kann dem Stromnetz 100 schneller zur Verfügung gestellt werden, d.h. der Generatorsatz 300 kann zu einem —entsprechend der verkürzten Dauer des Synchronisierungsabschnitts 814— früheren Zeitpunkt an das Stromnetz 100 leistungsübertragend angeschlossen werden; d.h. der Leistungsschalter 101 geschlossen werden.
FIG. 3A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Phasenreglereinrichtung 302 zum Betreiben des Motors 312 der Brennkraftmaschine BKM als Teil des Generatorsatzes 300 mit einem Generator 314 und der Brennkraftmaschine BKM umfassend den Motor 312 gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Phasenreglereinrichtung 302 ist ausgebildet, eine vom Generator 314 erzeugte Generatorspannung 316, Uc mit einer Netzspannung 318, UN des Stromnetzes 100 für ein Einspeisen eines Generator Stroms Ia mit der Generatorspannung 316 in das Stromnetz 100 mittels einer Phasenregelung zu synchronisieren.
Dem Stromnetz 100 ist wie erläutert eine Netzfrequenz f , eine Netzspannung UN und eine Netzspannungsphase PN zugeordnet. Entsprechend ist dem Generator 314 in Form des Synchrongenerators SyncGen des Generatorsatzes GenSet, 300 eine Generatorspannungsfrequenz fG und/oder eine Generatorspannungsphase PG einer Generatorspannung UG der vom Generator erzeugten Spannung, insbesondere abhängig von einer Generatordrehzahl NG beim Betrieb der Brennkraftmaschine BKM zugeordnet bzw. kann bestimmt werden. Die Phasenreglereinrichtung 302 hat die Funktion eines noch zu erläuternden Phasenreglers 704 und umfasst eine mit „Phase-Det“ bezeichnete Vergleichseinheit 304 und eine mit „ECU PLL-Ctrl“ bezeichnete Vorsteuereinheit 308.
Die Vergleichseinheit 304 empfängt eine Generatorspannung 316, UG und eine Netzspannung 318, UN und ist ausgebildet, insbesondere eine Generatorspannungsphase Fo aus der Generatorspannung 316 und eine Netzspannungsphase FN aus der Netzspannung 318 zu bestimmen und diese miteinander zu vergleichen. Weiterhin ist die Vergleichseinheit 304 ausgebildet, einen Abgleichwert 306 auszugeben, der einen Unterschied zwischen Generatorspannungsphase und Netzspannungsphase anzeigt. Bei der in FIG. 3A gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Abgleichwert 306 um eine Phasendifferenz zwischen Generatorspannungsphase Fs und Netzspannungsphase FN.
Die Vorsteuereinheit 308 empfängt die Phasendifferenz DF und ist ausgebildet, in Abhängigkeit der Phasendifferenz DF einen -in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft gewählten— Einspritzparameter Cin vorzugeben. Wie oben erläutert kann eine Verbrennungs- Steuergröße VS zur momentenbildende Verbrennungseinstellung des Motors ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, Gas-Eindüsung- Steuergröße, Drosselklappenstellung-Steuergröße, insbesondere kann die Verbrennungs-Steuergröße VS zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors einen Kraftstoffzuteilparameter für den Motor 312 umfassen, insbesondere einen Einspritz- oder Eindüsungs-Parameter Cin und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter umfassen.
Im Synchronisierungs-Modus wird demnach der Motor 312 der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus PCM unter Anpassung einer Motorphase PM zur Änderung der Generatorspannungsphase PD betrieben, insbesondere zum Steuern einer Generatordrehzahl NG.
Dabei wird die Netzspannungsphase PN dem vorgenannten und in FIG. 7 näher erläuterten Phasenregler 704 übermittelt, und der Phasenregler 704 regelt die Motorphase PM auf eine Phasendifferenz PD, DF der Generatorspannungsphase PG zur Netzspannungsphase PN. Dabei wird entsprechend vorliegend ein Einspritzparameter Cin für den Motor 312 zur Anpassung der Motorphase PM in Abhängigkeit der Phasendifferenz PD angepasst. Der Motor 312 der Brennkraftmaschine empfängt den Einspritzparameter Cin und ist ausgebildet, —in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft— die Einspritzeinrichtung anhand des Einspritzparameters zu regeln. Wie oben erläutert kann ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied VG, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs- und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung aufweisen, vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff oder eine Gas-Eindüsungseinrichtung bei einem Diesel- oder Otto-Motor und/oder eine Drosselklappe zur Einstellung eines Gemischgasdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto- Motor aufweisen.
Insbesondere aufgrund der winkeltreuen Kopplung zwischen Brennkraftmaschine BKM und Generator wirkt sich eine Regelung der Einspritzeinrichtung mittels des Einspritzparameters Cin ebenfalls in vergleichsweise leicht bestimmbarer Weise auf den Generator 314 und damit auf den durch den Generator 314 erzeugten Generatorstrom 316 aus. Der Einspritzparameter Cin wird von der Vorsteuereinheit 308 derart gewählt, dass sich die Phasendifferenz DF zwischen Generatorspannungsphase <E>G und Netzspannungsphase FN bei einer Einspritzeinrichtung mit dem Einspritzparameter Cin reduziert.
In der in FIG. 3A gezeigten Ausführungsform ist die Phasenreglereinrichtung 302A, welche die Funktion eines Phasenregler 704 hat, von einer Motorsteuereinrichtung des Motors 312 der Brennkraftmaschine umfasst. In anderen Ausführungsformen ist ausschließlich die Vorsteuereinheit 308 von der Motorsteuereinrichtung umfasst, wobei die Vergleichseinheit 304 sich außerhalb der Motorsteuereinrichtung befindet, beispielsweise in einer Generatorsatz- Steuerung des Generator satzes 300.
In der bisher beschriebenen Ausführungsform der FIG. 3A der Phasenreglereinrichtung 302A wurde nur Bezug genommen darauf, dass die Phasenregelung eine Synchronisierung der Generatorspannungsphase Fs mit der Netzspannungsphase FN betrifft; also die Phase F regelt.
In einer weitergebildeten in FIG. 3B gezeigten Ausführungsform ist die Phasenreglereinrichtung 302B zusätzlich ausgebildet, die Generatorspannungsfrequenz fG mit der Netzfrequenz fh zu synchronisieren. D. h. das Angeben einer Generatorspannungsfrequenz fG und einer Generatorspannungsphase PG einer vom Generator 140 erzeugten Generatorspannung UG erfolgt abhängig von einer Generatordrehzahl NG beim Betrieb der Brennkraftmaschine BKM.
Dazu kann zunächst im Drehzahlregelmodus der Motor der Brennkraftmaschine unter Anpassung einer Motor-Drehzahl zum Steuern einer Generatordrehzahl NG betrieben werden. Vorzugsweise danach, bzw. darauf aufbauend— kann im Synchronisierungs-Modus -mittels dem in FIG. 3A, FIG. 3B oder FIG. 3C oder dergleichen ausgebildeten Phasenreglereinrichtung 302— dem in FIG. 7 näher erläuterten Phasenregler 704 im Phasenregelmodus PCM jedenfalls die Netzspannungsphase übermittelt werden, wobei der Motor der Brennkraftmaschine unter Anpassung einer Motorphase PM zur Änderung der Generatorspannungsphase PD betrieben wird.
Außerdem wird eine zunächst sich von der Netzfrequenz in einer Frequenzdifferenz unterscheidende Generatorspannungsfrequenz an die Netzfrequenz angepasst, und die sich zunächst von der Netzspannungsphase in der Phasendifferenz unterscheidende Generatorspannungsphase wird -ggfs darauf aufbauend— an die Netzspannungsphase angepasst.
Konkret wird im Synchronisierungs-Modus die Phasendifferenz PD, DF so für einen phasenstarren Zustand zwischen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben, d. h. bei etwa gleicher Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben.
In einer derart erweiterten Ausführungsform empfängt die Vergleichseinheit somit zusätzlich die in FIG. 3B in Klammern stehende Generatorspannungsfrequenz fG mit der Netzfrequenz fh und ist ausgebildet, zusätzlich zur Phasendifferenz PD, DF auch einen Frequenzunterschied Af zwischen den empfangenen Frequenzen mit in die Bestimmung eines oben genannten Abgleichwertes 306 einzubeziehen. Weiterhin ist die Vorsteuereinheit 308 ausgebildet, den Frequenzunterschied bei der Vorgabe des Einspritzparameter Cin zu berücksichtigen.
In einer anderen, hier in FIG. 3B gezeigten Ausführungsform ist die Vergleichseinheit 304 also ausgebildet zwei Abgleichwerte 306 —zusätzlich zur Phasendifferenz PD, DF auch einen Frequenzunterschied Af— zu berechnen, die jeweils Informationen über den Unterschied zwischen den empfangenen Frequenzen und den empfangenen Phasen enthalten. Grundsätzlich ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Vergleichseinheit 304 die Generatorspannung 316 und die Netzspannung 318 direkt empfängt. In einer anderen hier über die Phasen F in FIG. 3A, FIG. 3B und FIG. 3C angedeuteten Ausführungsform empfängt die Vergleichseinheit 304 nur zwei Phasensignale oder zwei Phasensignale und zwei Frequenzsignale, welche der Generatorspannungsphase und Netzspannungsphase bzw. der Generatorspannungsfrequenz und der Netzfrequenz entsprechen. Entsprechend können aus solchen Phasensignalen -ggfs. Phasen- und/oder Frequenzsignalen— zur Generatorspannung 316 und zur Netzspannung 318 die interessierende Phasendifferenz PD - ggfs zusätzlich zur Phasendifferenz PD, DF auch ein Frequenzunterschied Af— bestimmt werden.
In einer solchen, in FIG. 3C gezeigten, Ausführungsform empfängt die Vergleichseinheit 304 eine transformierte Form F[IN, UN], F[IG, UG] der Generatorspannung 316 oder der Netzspannung 318. Die Vergleichseinheit 304 in dieser Ausführungsform ist zudem ausgebildet, anhand der transformierten Form der Generatorspannung 316 und der Netzspannung 318 die Generatorspannungsphase und die Netzspannungsphase bzw. die Generatorspannungsphase, die Generatorspannungsfrequenz, die Netzspannungsphase und die Netzfrequenz zu ermitteln. Auch daraus kann mittels der Phasenreglereinrichtung 302 die interessierende Phasendifferenz PD, DF und/oder zusätzlich zur Phasendifferenz PD, DF auch ein Frequenzunterschied Af zwischen den empfangenen Frequenzen, bestimmt und ausgeregelt werden.
Insofern kann das Ausführungsbeispiel der FIG. 3C mit der Phasenreglereinrichtung 302 mit der Vergleichseinheit 304 als verallgemeinerte Form einer Phasenregelung verstanden werden, um die Netzspannungsphase PN einem Phasenregler 704 zu übermitteln. Dabei regelt der Phasenregler 704 die Motorphase PM auf eine Phasendifferenz PD, welche gebildet wird aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase Fs zur Netzspannungsphase FN und zur Anpassung der Motorphase PM in Abhängigkeit der Phasendifferenz PD ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
Eine Übertragung des Abgleichwertes für vor allem die interessierende Phasendifferenz PD von der Vergleichseinheit 304 an die Vorsteuereinheit 308 kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Übertragungssignals für den Abgleichwert, das vor allem Phaseninformationen —und bevorzugt sowohl Phaseninformationen als auch Frequenzinformationen— übertragen kann, wird im Folgenden anhand von FIG. 3D erläutert.
Mittels der in FIG. 3A, FIG. 3B oder FIG. 3C oder dergleichen ausgebildeten Phasenreglereinrichtung 302 — werden dem in FIG. 7 näher erläuterten Phasenregler 704 im Phasenregelmodus PCM jedenfalls die Netzspannungsphase übermittelt, wobei der Motor der Brennkraftmaschine unter Anpassung einer Motorphase PM zur Änderung der Generatorspannungsphase PD betrieben wird.
FIG. 3D zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Übertragungssignal zu einer Übertragung eines Abgleichwertes zwischen der Vergleichseinheit 304 und der Vorsteuereinheit 308 der in FIG. 3A, FIG. 3B und FIG. 3C gezeigten Phasenreglereinrichtung 302. Die Übertragung des Abgleichwertes basiert dabei auf einer Pulsweitenmodulation. FIG. 3D zeigt in einem mittleren Bereich einen funktionalen Zusammenhang 352 zwischen einer Pulsweite 360 des Übertragungssignals und der Phasendifferenz 362 für einen Bereich von -180° bis +180°. In diesem mittleren Bereich erhöht sich bei einer Identität zwischen der Netzfrequenz und der Generatorspannungsfrequenz die Pulsweite beginnend von einem Wert von 10% für eine Phasendifferenz von -180° linear auf eine Pulsweite von 90% für eine Phasendifferenz von 180°. Der Bereich außerhalb von -+180° ist in FIG. 3D gekennzeichnet dadurch, dass unterhalb -180° die Drehzahl zu klein ist und über +180° die Drehzahl zu groß ist.
In einer darauf aufbauenden Ausführungsform der Vergleichseinheit 304, ist diese ausgebildet auch einen Frequenzunterschied zwischen der Generatorspannungsfrequenz und der Netzfrequenz zu bestimmen und zu übertragen. Dazu wird die funktionelle Abhängigkeit 352 über den Bereich von -180° bis +180° hinaus erweitert.
In der hier gezeigten Ausführungsform wird bei einer Generatorspannungsfrequenz, die kleiner als die Netzfrequenz ist (fG < fh), unabhängig vom Phasenunterschied eine Pulsweite von 10% für die Bildung des Übertragungssignals verwendet.
Ist die Generatorspannungsfrequenz größer als die Netzfrequenz (fG > fh), wird eine Pulsweite von 90 % unabhängig vom Phasenunterschied für die Bildung des Übertragungssignals verwendet. Das heißt der prinzipielle Aufbau eines PLL Reglers der FIG. 3D weist ein Phasenvergleichselement auf, welches bei weitgehend identischer Netzfrequenz und weitgehend identischer Generatorspannungsfrequenz und einer Phasenwinkeldifferenz zwischen -180 und +180 Grad einen Ausgang hat, der die Phasenwinkel differenz proportional anzeigt.
Der Phasendetektor hat vorliegend noch eine zweite Funktion; wenn nämlich die Motor- Drehzahl Generatorspannungsfrequenz kleiner als die Netzfrequenz ist, zeigt er -180° an. Ist die Generatorfrequenz größer als die Netzfrequenz, zeigt sie +180° an.
Im Folgenden werden zunächst anhand der FIG. 4 bis FIG. 6 grundsätzliche Ablaufpläne der Ausführungsformen eines Verfahrens entsprechend dem Konzept der Erfindung beschrieben.
FIG. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahren 400 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Generatorsatzes mit einem Generator und der Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine einen Motor mit einer Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff aufweist.
Das Verfahren 400 dient zum Synchronisieren einer durch den Generator erzeugten Generatorspannung mit einer Netzspannung Stromnetzes zur Stromeinspeisung, wobei eine Generatorspannungsphase der Generatorspannung und eine Netzspannungsphase der Netzspannung angepasst wird.
Zum Synchronisieren wird die Brennkraftmaschine in einem in FIG. 4 bezeichneten Phasenregelmodus PCM im Schritt 404 betrieben, wobei das Synchronisieren in drei Schritten erfolgt.
Beginnend an einem Startpunkt 402 wird in einem ersten Schritt 406 die Netzspannungsphase und die Generatorspannungsphase bestimmt. Anschließend wird in einem Schritt 408 die Netzspannungsphase mit der Generatorspannungsphase verglichen, wobei ein Abgleichwert gebildet wird, der ausgebildet ist, einen Unterschied, insbesondere eine Phasendifferenz, zwischen der Generatorspannungsphase und der Netzspannungsphase anzugeben. In einem dritten Schritt 410 wird ein Einspritzparameter Cin abhängig vom Abgleichwert vorgegeben, derart, dass sich die Phasendifferenz reduziert, insbesondere minimiert, bei einem Einspritzen von Kraftstoff mit dem Einspritzparameter Cin. Das Verfahren 400 endet mit einem Stoppunkt 412.
Das Verfahren 400 kann einmal oder mehrere Male durchlaufen werden, um eine Minimierung der Phasendifferenz herzustellen. Auch kann das Verfahren 400 kontinuierlich angewandt werden, um eine dauerhafte Synchronität zwischen Netzstrom und Generatorstrom während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Das Verfahren 400 ist in wenigstens einer abgewandelten Ausführungsform erweitert um zusätzliche Schritte. Einige dieser abgewandelten Ausführungsformen werden anhand der FIG. 5 bis FIG. 6 im Folgenden erläutert. FIG. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform 500, insbesondere in Erweiterung des in FIG. 4 dargestellten Verfahrens, das im Schritt 502 zusätzlich über einen optionalen Drehzahlregelmodus RCM verfügt. Alle bereits aus FIG. 4 bekannten Schritte des in FIG. 4 beschriebenen Verfahrens wurde in FIG. 5 mit gleichem Bezugszeichen übernommen. Im Folgenden werden nur die Änderungen im Vergleich zum in FIG. 4 gezeigten Verfahren erläutert.
Der Drehzahlregelmodus RCM im Schritt 502 umfasst einen Schritt 506 und einen Schritt 508. Im Schritt 506 wird eine Drehzahl vorgabe für den Motor 312 erstellt. Im daran anschließenden Schritt 508 wird die Drehzahl vorgabe in einen Einspritzparameter Cin konvertiert, derart, dass die Drehzahl vorgabe beim Einspritzen mit dem Einspritzparameter Cin vom Motor erreicht wird.
Der Drehzahlregelmodus RCM ist grundsätzlich auch alternativ verfügbar; d. h. grundsätzlich kann bereits zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine in einem Drehzahlregelmodus RCM betrieben werden. Bevorzugt wird zum Synchronisieren aber der Phasenregelmodus PCM gewählt. Im Prinzip könnte die Brennkraftmaschine auch nur in einem in FIG. 4 bezeichneten Phasenregelmodus PCM des Schritts 404 betrieben werden.
Der Drehzahlregelmodus RCM ist bevorzugt jedoch zusätzlich verfügbar; d. h. im Rahmen der besonders bevorzugten Ausführungsform wird zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine zunächst in einem in FIG. 4 bezeichneten Phasenregelmodus PCM im Schritt 404 betrieben und erst im Anschluss an den erläuterten Phasenregelmodus PCM wird die Brennkraftmaschine in einem Drehzahlregelmodus RCM betrieben. Insbesondere erfolgt dies in einer verfügbaren Variante der Ausführungsform des Verfahrens 500 wenn mittels des Phasenregelmodus PCM eine Synchronisierung erreicht wurde -oder auch, insbesondere nach einer TimeOut-Zeit, nicht erreicht wurde—. Dann wird anschließend an den Phasenregelmodus PCM die Brennkraftmaschine im Drehzahlregelmodus RCM betrieben.
In einer ebenso verfügbaren Variante der Ausführungsform des Verfahrens 500 kann bevorzugt vom Phasenregelmodus PCM des Schritts 404 in den Drehzahlregelmodus RCM des Schritts 502 immer dann umgeschaltet werden, wenn das Synchronisieren der Generatorspannung mit der Netzspannung innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls, insbesondere einer TimeOut- Zeit, nicht erfolgreich ist.
Ein Umschalten zwischen dem Drehzahlregelmodus RCM und dem Phasenregelmodus PCM ist mittels des Verzweigungselements 504 möglich. Das Umschalten zwischen Phasenregelmodus PCM des Schritts 404 und Drehzahlregelmodus RCM des Schritts 502 ist besonders in solchen Fällen vorteilhaft, wenn die Generatorspannungsfrequenz bzw. die Generatorspannungsphase nicht direkt von einer Phasenreglereinrichtung, die das Verfahren 500 ausführt, erfasst wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Phasenreglereinrichtung ein Teil der Motorsteuereinrichtung ist. In diesen Fällen kann die Generatorspannungsphase und die Generatorspannungsfrequenz aus einer Motor-Drehzahl und einer Motorphase ermittelt werden, die der Motorsteuereinrichtung moderner Motoren oftmals von den Motoren selbst zur Verfügung gestellt werden. Um von der Motor-Drehzahl und der Motorphase auf die Generatorspannungsphase und die Generatorspannungsphase Generatorspannungsfrequenz schließen zu können, sollten jedoch verschiedene Bestimmungsparameter vorliegen, die am besten zuvor im Drehzahlregelmodus RCM ermittelt wurden.
Eine abgewandelte Ausführungsform des Verfahrens 500, das die Bestimmungsparameter im Drehzahlregelmodus RCM ermittelt, wird im Folgenden anhand von FIG. 6 erläutert.
FIG. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform 600, insbesondere in Erweiterung des in FIG. 5 gezeigten Verfahrens 500, bei dem im Drehzahlregelmodus RCM im Schritt 502 für den Phasenregelmodus PCM im Schritt 404 relevante Parameter erlernt werden. Die Ausführungsform 600 des Verfahrens ist besonders vorteilhaft, wenn die Bestimmung der Generatorspannungsphase anhand der Motorphase und/oder die Generatorspannungsfrequenz anhand der Motorfrequenz erfolgt und für das Bestimmen benötigte Bestimmungsparameter zunächst nicht bekannt sind. In diesen Fall kann das Verfahren 600 genutzt werden, um die Bestimmungsparameter in einer ersten Phase des Verfahrens zu ermitteln. Für die Bestimmung der Generatorspannungsphase aus der Motorphase ist es zweckdienlich, die Winkeldifferenz (im Folgenden auch als Verblockungswinkel bezeichnet) zwischen einer Kurbelwellenphasenlage einer Kurbelwelle des Motors und einer Rotorphasenlage eines Rotors des Generators zu ermitteln. Grundsätzlich kann ein Verblockungswinkel und eine Polpaarzahl auch unabhängig davon erfolgen, ob Synchronität zwischen Netzspannungsphase und Generatorspannungsphase besteht. Die vorgenannte Winkel differenz kann insbesondere dadurch bestimmt werden, in dem verfügbar ist unter welchem Winkel der Generator an den Antriebsstrang des Motors angeflanscht ist; diese Information kann der Generatorsatz- Steuerung und der Motorsteuereinrichtung zugänglich gemacht werden, insbesondere im Rahmen einer GenSet-individualisierten Initialisierung. Soll auch die Generatorspannungsfrequenz aus der Motorfrequenz bestimmt werden, sollte zusätzlich eine Information über eine Polpaarzahl des Generators verfügbar sein. Auch diese Information kann der Generatorsatz-Steuerung und der Motorsteuereinrichtung zugänglich gemacht werden, insbesondere im Rahmen einer GenSet-individualisierten Initialisierung.
Ist mindestens einer der Bestimmungsparameter unbekannt, wird bei dem in FIG. 6 dargestellten Verfahren 600 die Synchronisierung zwischen Generatorspannung und
Netzspannung zunächst im Drehzahlregelmodus RCM im Schritt 502 durchgeführt. Ist die Synchronität hergestellt, sind die Generatorspannungsphase und/oder Generatorspannungsfrequenz der Generatorsatz-Steuerung bekannt.
Durch einen Abgleich der Generatorspannungsphase mit der Motorphase und/oder der Generatorspannungsfrequenz mit der Motorfrequenz kann der Verblockungswinkel und/oder die Polpaarzahl ermittelt werden.
Eine Verbindung 604 zwischen Schritt 602 und Schritt 406 symbolisiert, dass die ermittelten Parameter festgehalten werden und bei einer anschließenden Durchführung des Verfahrens im Phasenregelmodus PCM für die Ermittlung von Generatorspannungsphase und/oder Generatorspannungsfrequenz verwendet werden können.
Im Anschluss wird das Verfahren von dem Drehzahlregelmodus RCM auf den Phasenregelmodus PCM umgestellt. Ändern sich die Bestimmungsparameter, beispielsweise durch einen Tausch des Generators, wird das Verfahren zunächst wieder im Drehzahlregelmodus RCM zur Ermittlung der Bestimmungsparameter betrieben.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Generatorsatzes GenSet, 300 anhand von FIG. 7 mit einer Phasenreglereinrichtung 302 zum Ausführen des Verfahrens 600 der FIG. 6 erläutert; d.h. mit einer Phasenreglereinrichtung, mit welcher sich die mit der Beschreibung der FIG. 2B bis FIG. 6 beschriebenen Eigenschaften des Konzepts der Erfindung realisieren lassen.
FIG. 7 zeigt dazu im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eine Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes, aufweisend einen Generator 314 in Form eines Synchrongenerators SyncGen, eine Brennkraftmaschine BKM mit einem als Eng bezeichneten Motor 312 und eine Generatorsatz- Steuerung 108 mit einer Phasenreglereinrichtung 302 und einem Drehzahlregler 150, wobei die Brennkraftmaschine BKM außer dem Motor 312 auch eine Motor Steuereinrichtung 110, ECU aufweist. Der Motor 312 ist momentenübertragend mit dem Synchrongenerator SyncGen verbunden; dies zunächst zum Erzeugen einer Generatorspannung UG bei einer Generatorspannungsfrequenz fis am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung UG als eine Klemmenspannung am Generator. Der Generatorsatz erzeugt die Generatorspannung UG derart, dass er zum Abgeben und/oder Einspeisen einer elektrischen Leistung P für das Stromnetz 100 vorbereitet ist, insbesondere zum Abschluss eines Synchronisierungsbetriebs des Generatorsatzes GenSet bezüglich des Stromnetzes 100 und/oder einem dem nachfolgenden Betrieb.
Dem Stromnetz 100 ist eine Netz-Spannung UN mit einer Netzfrequenz fh und einer Netzspannungsphase PN zugeordnet. Der Motor 312 weist hier eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff auf. Im Allgemeinen kann eine Verbrennungs- Steuergröße VS zur momentenbildende Verbrennungseinstellung des Motors ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, Gas-Eindüsung- Steuergröße,
Drosselklappenstellung-Steuergröße, insbesondere kann die Verbrennungs-Steuergröße VS zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors einen Kraftstoffzuteilparameter für den Motor 312 umfassen, insbesondere einen Einspritz- oder Eindüsungs-Parameter Cin und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter umfassen.
Entsprechend ist vorgesehen, dass das mit der Motorsteuereinrichtung ECU steuerverbundene Verbrennungsstellglied VG, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße VS zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs- und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung aufweist, vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff oder eine Gas-Eindüsungseinrichtung bei einem Diesel- oder Otto-Motor und/oder eine Drosselklappe zur Einstellung eines Gemischgasdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto- Motor aufweist.
Die Einrichtung zum Betreiben des Generatorsatzes („Genset“) bezüglich eines bei einer Netzspannung UN betriebenen Stromnetzes 100 weist auch auf: eine Generator-Sensorik zum Angeben einer Generatorspannungsfrequenz fG und einer Generatorspannungsphase PG einer vom Generator 314 erzeugten Generatorspannung UG, insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl NG beim Betrieb der Brennkraftmaschine,
- eine Netz-Sensorik zum Angeben einer Netzspannung UN, der eine Netzfrequenz fh und eine Netzspannungsphase PN zugeordnet ist, und wobei der Generatorspannung UG eine Generatorspannungsfrequenz fG und eine Generatorspannungsphase <E>G zugeordnet ist, und außerdem
- eine Steuer- und Regel-Einrichtung zum Synchronisieren der Generatorspannung UG bezüglich der Netzspannung UN, die gemäß dem Konzept der Erfindung ausgebildet ist.
Die Steuer- und Regel-Einrichtung ist dazu mit der Phasenreglereinrichtung 302 versehen und so ausgebildet, das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung auszuführen. Insbesondere kann die Steuer- und Regel-Einrichtung, jedenfalls aber die Phasenreglereinrichtung 302, mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) der Brennkraftmaschine BKM verbunden oder ein Teil dieser sein. Der Generatorsatz GenSet, 300 insgesamt ist mit der Einrichtung, insbesondere umfassend die Phasenreglereinrichtung 302, und die Brennkraftmaschine BKM ist mit einer Steuer- und Regel -Einrichtung, insbesondere umfassend die Phasenreglereinrichtung 302 ausgebildet, das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung auszuführen, insbesondere wobei die Steuer- und Regel-Einrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit ECU der Brennkraftmaschine BKM verbunden oder ein Teil dieser ist.
Wie schon zuvor erläutert ist die Brennkraftmaschine BKM mit dem Motor 312 und einer Motorsteuereinrichtung („ECU“) und einem mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenen Verbrennungsstellglied versehen, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist. Das mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, kann eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung aufweisen - dies ist vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff oder eine Gas-Eindüsungseinrichtung bei einem Diesel- oder Otto-Motor und/oder eine Drosselklappe zur Einstellung eines Gemischgasdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto-Motor.
Der Generator 314 ist bei einer Generator-Drehzahl NG mit dem Motor 312 bei einer Motor- Drehzahl antriebsverbunden, zum Erzeugen einer Generatorspannung UG bei einer Generatorspannungsfrequenz fG mam Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung UG als eine Klemmenspannung am Generator, wie dies zuvor bereits erläutert wurde.
Der Netzspannung UN ist eine Netzfrequenz fh und eine Netzspannungsphase PN zugeordnet, und der Generatorspannung UG ist eine Generatorspannungsfrequenz fG und eine Generatorspannungsphase <E>G zugeordnet, wobei der Generatorsatz GenSet 300 zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes 102, GenSet bezüglich des Stromnetzes 100, ausgebildet ist zum Synchronisieren der Generatorspannung UG bezüglich der Netzspannung UN. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist nun auch bei dem Ausführungsbeispiel des Generatorsatzes 300, GenSet der Ausführungsform der FIG. 7 vorgesehen, dass die Generatorspannungsfrequenz fG und/oder die Generatorspannungsphase Fo der vom Generator 140 erzeugten Generatorspannung UG, bezüglich der Netzfrequenz f und/oder der Netzspannungsphase PN abgestimmt wird.
Der Generatorsatz 300, Gen Set ist dazu in einem Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der Generatorspannungsphase <E>G mit der Netzspannungsphase PN betreibbar, wobei der Motor 312 der Brennkraftmaschine BKM im Betrieb eingestellt wird.
Dazu ist der Motor 312 der Brennkraftmaschine BKM in einem Phasenregelmodus PCM unter Anpassung einer Motorphase FM zur Änderung der Generatorspannungsphase Fϋ betreibbar.
Wie oben in Bezug auf Fig. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C und FIG. 3D erläutert ist wird dazu dem Konzept der Erfindung folgend die Netzspannungsphase PN einem Phasenregler 704 übermittelt, und der Phasenregler 704 regelt mittels der Phasenreglereinrichtung 302 die Motorphase FM auf eine Phasendifferenz PD. Diese Phasendifferenz PD wird gebildet aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase Fs zur Netzspannungsphase FN, wobei zur Anpassung der Motorphase PM in Abhängigkeit der Phasendifferenz PD ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
FIG. 7 zeigt dazu -aufbauend auf FIG. 3A bis FIG. 3B— ein zum Anschluss an ein Stromnetz 100 vorgesehenen Generatorsatz 702 ausgebildet zur Ausführung eines Phasenregelmodus PCM. Einige Bestandteile des Generatorsatzes 702 sind bereits zuvor erläutert worden. in Bezug auf FIG. 1A und FIG. 1B. So ist hier nochmals gezeigt, dass der Motor Eng, 312 mit dem Generator 314 in Form des Synchrongenerators SyncGen über eine Antriebswelle momentenübertragend verbunden ist, wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein Rotor gegenüber einem Stator des Generators rotatorisch angetrieben wird zur Erzeugung der Generator Spannung UG bei der Generatorspannungsfrequenz fG. insbesondere der mit dem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundene Generator 106, vorliegend in Form eines Synchrongenerators, starr oder mittels einem Getriebe verbunden ist. Der Generatorsatz 702, bzw. das GenSet 300, ist damit ausgebildet zur Ausführung einer Phasenregelung PCM im Phasenregler 704, die ausgebildet ist das Einspritzsteuersignal Cin auf Basis eines Phasenunterschieds zwischen der Generatorspannungsphase Fo und der Netzspannungsphase FN ZU bestimmen. Die Phasenregelung PCM umfasst dazu im Phasenregler 704, einen mit „SyncDet“ bezeichneten Synchronisierungsdetektor 706, eine mit „Conv“ bezeichnete Konvertereinheit 708 sowie die im Zusammenhang mit FIG. 3 A bereits beschriebene Vergleichseinheit 304 und Vorsteuereinheit 308.
Wie auch in FIG. 3A empfängt die Vergleichseinheit 304 die Generatorspannungsphase Fs und die Netzspannungsphase FN und ist dazu ausgebildet, die Phasendifferenz DF zwischen beiden Phasen zu berechnen. Im Unterschied zu der in FIG. 3A gezeigten Einrichtung wird die Generatorspannungsphase Fs nicht direkt aus der Generatorspannung abgeleitet, sondern aus der Motorphase FM ermittelt. Dazu empfängt die Konvertereinheit 708 die Motorphase FM und ist ausgebildet, anhand der Motorphase FM und dem Verblockungswinkel die Generatorspannungsphase Fs zu bestimmen. Die Netzspannungsphase FN empfängt die Vergleichseinheit 304 von dem Synchronisierungsdetektor 706, der ausgebildet ist, diese aus der Netzspannung zu ermitteln.
Bei der Umrechnung von Motorwinkelgeschwindigkeit und Netzwinkelgeschwindigkeit wird also die Polpaarzahl des Generators vorteilhaft berücksichtigt. Wenn das Motorsteuergerät den mechanischen Verblockungswinkel nicht kennt, kann dieser gelernt werden. Das geschieht durch einen sogenannten Synchronitätserkenner, welcher einen entsprechenden Signalwert ausgibt sobald er die Synchronität zwischen Generatorspannungsphase und Netzspannungsphase feststellt. Wenn gleichzeitig das Motormoment noch Nahe des Reibmomentes ist, wird der „Verblockungswinkel" gespeichert; damit ist man in der Lage Generator-Frequenz und Generator-Phase auszugeben und der PLL Regler kann arbeiten.
Weiterhin umfasst der Generatorsatz 702 bzw. das GenSet 300 einen mit „Timer“ T bezeichneten Zeitgeber 710, der ausgebildet ist, nach einer vordefinierten Zeitspanne, in der die Generatorspannung mit der Netzspannung nicht synchronisiert werden konnte, einen Schalter 712 zu betätigen, der von einem Phasenregler 704 auf einen Drehzahlregler 150 umschaltet. Erfolgt also die Synchronisierung nicht spätestens nach einer Timeoutzeit T wird die Struktur für ein "Teach In" auf normalen Drehzahlregler umgeschaltet und damit eine Synchronisierung mittels des vorgenannten „Speed Up / Speed Down“ über die Drehzahlvorgabe durchgeführt.
Mittels der bereits in FIG. 1A und FIG. 1B beschriebenen Drehzahlregelung erfolgt daraufhin die Synchronisierung zwischen Generatorspannung UG und Netzspannung UN.
Ist das System dann synchron, wird eine Synchronbedingung gemeldet und es ist möglich, sich den neuen Verblockungswinkel (Relation von Generator- und Motorwinkel bzw. -phase) zu merken. Beim nächsten Start kann das System dann eine Schnell-Synchronisierung über den PLL Phasenregler durchführen. Nachdem eine Synchronisierung also hergestellt ist, sendet der Synchronisierungsdetektor 706 ein Signal an die Konvertereinheit 708, um den Verblockungswinkel zu lernen.
In einer weiteren in FIG. 7 angedeuteten Ausführungsform empfängt die Vergleichseinheit 304 zusätzlich zu der Generatorspannungsphase und der Netzspannungsphase auch die in Klammer stehende Netzfrequenz fh und Generatorspannungsfrequenz fG und ist ausgebildet, zusätzlich zum Phasenunterschied auch einen Frequenzunterschied zu ermitteln - insofern entspricht dies der Ausführungsform wie diese in Bezug auf FIG. 3B erläutert ist. In der hier gezeigten Ausführungsform werden anschließend der Phasenunterschied und der Frequenzunterschied in einem Übertragungssignal —wie in FIG. 3D beschrieben— an die Vorsteuereinheit 308 übertragen. Die Vorsteuereinheit 308 ist ausgebildet, im Anschluss an den Empfang des Übertragungssignals auf Basis des Phasenunterschieds und des Frequenzunterschieds den hier - -beispielhaft für einen Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors— genannten Einspritzparameter Cin zu bestimmen.
Um in der in FIG. 7 dargestellten Ausführungsform auch die Generatorspannungsfrequenz fG an die Vergleichseinheit 304 übertragen zu können, wird diese zuvor von der Konvertereinheit 708 aus der Motor-Drehzahl nM auf Basis einer zuvor ermittelten Polpaarzahl des Generators berechnet. Die Netzspannungsphase kann über einen Analogkanal erfasst werden. Die Netzspannungsphase kann auch über einen Binäreingang erfasst werden. Der Binäreingang bekommt bei positiver Halbwelle einen Highpegel bei negativer Halbwelle einen Lowpegel, sodass die Nulldurchgänge dem Spannungsnulldurchgang entsprechen. Der Phasenvergleich und/oder Frequenzvergleich kann auch außerhalb der ECU durchgeführt werden und über einen PWM -(Pulsweiten-Modulation)-Eingang der ECU zugeführt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 Stromnetz, insbesondere elektrisches Versorgungsnetz
100.1 Anschluss- Verbindung mit Messwandler 101 Anschlusspunkt, Lastschalter
102 Generatorsatz, GenSet - Generatorsatz-Gesamtsystem BKM Brennkraftmaschine 104 Motor (Eng) der Brennkraftmaschine BKM 104.1 Antriebsstrang 104.2 Motorsignal
106 Generator
SyncGen Synchrongeneratori 06.1 Verbindung mit Messwandler und/oder Transformator
108 Generatorsatz-Steuerung mit Steuerbefehl, GenCtrl 108.1 Erregung
108.2 Drehzahl Steuersignal mit Drehzahl-Steuerbefehl Cs 108.3 Schaltersteuersignal, Lastschalter 110 Motorsteuerung (ECU) im Text auch Motorsteuereinrichtung 110.1 Ein spritz Steuersignal mit Einspritzparameter Cin fG Generatorspannungsfrequenz
<E>G, PG Generatorspannungsphase UG Generatorspannung fN Netzfrequenz
FN, PN Netzspannungsphase UN Netzspannung nM Motor-Drehzahl
FM Motorphase NG Generatorsatz -Drehzahl P Leistung RCM Drehzahl -Regelmodus eines Drehzahlreglers 150 im Schritt 502 PCM Phasen-Regelmodus einer Phasenregelung 704 im Schritt 404 150 Drehzahlregler mit Drehzahlregelung RCM 152 Drehzahlkonverter (Rot Conv) 154 Drehzahlregler (ECU, RotCtrl)
200 Verlauf Motor-Drehzahl und Motorleistung 202 Zeit 204 Einheit 206 Motor-Drehzahl 208 Motorleistung
TI, T2, T3, T4, T5 Zeitpunkte
300 Generator satz, Gen Set
302 Einrichtung 304 Vergleichseinheit (Phase Det)
306 Abgleichwert (Df), Phasen- bzw. Frequenz-Differenz 308 Vorsteuereinheit (ECU, PLL Ctrl)
310 Einspritzsteuersignal 312 Motor (Eng)
314 Generator
SyncGen Synchrongenerator 316 Generatorspannung, UG 318 Netz ström
PM Motorphase 350 funktionelle Abhängigkeit für Pulsweite 352 Pul sweitenfunktion 360 Pulsweite 362 Phasendifferenz/Frequenzdifferenz gemäß Abgleichwert (Df), Phasen- bzw. Frequenz-Differenz
400 Verfahren
402 Startpunkt 404 Schritt, Phasenregelmodus PCM
406 Schritt, Netzspannungsphase und Generatorspannungsphase bestimmen
408 Schritt, Netzspannungsphase mit Generatorspannungsphase vergleichen 410 Schritt, Einspritzparameter abhängig vom Abgleichwert
412 Stopppunkt
500 Verfahren
502 Schritt, Drehzahlregelmodus, RCM 504 Verzweigungselement
506 Schritt, Geschwindigkeitsvorgabe im Text Schritt 508 Schritt, Geschwindigkeitsvorgabe in Einspritzparameter konvertieren 600 Verfahren 602 Ermitteln der Parameter im Text Schritt
604 Festhalten der Parameter im Text Verbindung
702 Generatorsatz
704 Phasenregler mit Phasenregelung PCM 706 Synchronisierungsdetektor (SyncDet)
708 Konvertereinheit (Conv) 710 Zeitgeber (Timer)
712 Schalter 800 Verlauf von Motorparametern
806 Motor-Drehzahl 808 Motorleistung 810 Einschaltabschnitt 812 Hochlaufabschnitt 814 Sy nchroni si erung Sy nchroni si erungsab schnitt
816 Lastaufschaltungsabschnitt
818 Pfeil, Verringerung der Zeitspanne durch Phasenregelung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes („Genset“) bezüglich eines bei einer Netzspannung (UN) betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator, insbesondere einen Synchrongenerator (SyncGen), eine Brennkraftmaschine (BKM) und eine Generatorsatzsteuerung aufweist, wobei:
- die Brennkraftmaschine einen Motor (312) und eine Motorsteuereinrichtung („ECU“) aufweist und ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweist, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, und
- der Generator (314) bei einer Generator-Drehzahl (NG) mit dem Motor (312) bei einer Motor- Drehzahl (PM) antriebsverbunden ist, zum Erzeugen einer Generatorspannung (UG) bei einer Generatorspannungsfrequenz (ίs) am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung (UG) als eine Klemmenspannung am Generator, wobei
- der Netzspannung (UN) eine Netzfrequenz (f ) und eine Netzspannungsphase (PN) zugeordnet ist, und der Generatorspannung (UG) eine Generatorspannungsfrequenz (ίs) und eine Generatorspannungsphase (<E>G) zugeordnet ist, wobei das Verfahren zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes (102, Genset) bezüglich des Stromnetzes (100), die Schritte aufweist:
- Synchronisieren der Generatorspannung (UG) bezüglich der Netzspannung (UN), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Generatorspannungsfrequenz (ίs) und/oder die Generatorspannungsphase (<E>G) der vom Generator (314) erzeugten Generatorspannung (UG), bezüglich der Netzfrequenz (f ) und/oder der Netzspannungsphase (PN) abgestimmt wird, wobei
- der Generatorsatz (300) in einem Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der Generatorspannungsphase (<E>G) mit der Netzspannungsphase (PN) betrieben wird, und der Motor (312) der Brennkraftmaschine (BKM) im Betrieb eingestellt wird, wobei
- der Motor (312) der Brennkraftmaschine (BKM) in einem Phasenregelmodus (PCM) unter Anpassung einer Motorphase (FM) zur Änderung der Generatorspannungsphase (<E>D) betrieben wird, wobei
- die Netzspannungsphase (PN) einem Phasenregler (704) übermittelt wird, und - der Phasenregler (704) die Motorphase (FM) auf eine Phasendifferenz (PD) regelt, welche gebildet wird aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase (<E>G) zur Netzspannungsphase (FN), wobei
- zur Anpassung der Motorphase (PM) in Abhängigkeit der Phasendifferenz (PD) ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs-Steuergröße (VS) zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungs- Steuergröße (VS) zur momentenbildende Verbrennungseinstellung des Motors ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, Gas-Eindüsung- Steuergröße, Drosselklappenstellung-Steuergröße, insbesondere die Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors einen Kraftstoffzuteilparameter für den Motor (312) umfasst, insbesondere einen Einspritz- oder Eindüsungs-Parameter (Cin) und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (314) ein Synchrongenerator (SyncGen) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorphase (FM) mittels einer Phasenlage der Kurbelwelle ermittelt wird, insbesondere als Zeitfunktion eines Motorwinkels und/oder Phasenlage der Kurbelwelle zur Verfügung gestellt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase berechnet wird aus der Motor-Drehzahl und/oder der Motorphase
- unter Berücksichtigung einer Polpaarzahl des Generators und/oder unter Berücksichtigung eines mechanischen Verblockungswinkels zwischen Brennkraftmaschine und Generator.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Angeben der Generatorspannungsfrequenz (ίs) und/oder der Generatorspannungsphase (PG) einer Generatorspannung (UG) abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl (NG) beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt, insbesondere die Generatorspannung (UG) zunächst als Klemmenspannung, vorzugsweise nachfolgend als Generatorspannung (UG) einer vom Generator (314) erzeugten Leistung (P) ist,
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem Drehzahlregelmodus (RCM) der Motor (312) der Brennkraftmaschine (BKM) unter Anpassung einer Motor-Drehzahl betrieben wird, insbesondere die Motor-Drehzahl in vorbestimmter Weise geändert wird, wodurch die Generatorsatz-Drehzahl (NG) gesteuert wird, und/oder
- im Synchronisierungs-Modus dem Phasenregler (704) im Phasenregelmodus (PCM) die Netzspannungsphase übermittelt wird, wobei der Motor der Brennkraftmaschine unter Anpassung einer Motorphase (PM) zur Änderung der Generatorspannungsphase (PD) betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor in dem Phasenregelmodus (PCM) betrieben wird unter Anpassung einer Motor-Drehzahl unter Änderung der Motorphase (FM) nach Maßgabe der Phasendifferenz (PD), welche gebildet wird aus einem Vergleich der Generatorspannungsphase (<E>G) zur Netzspannungsphase (FN), insbesondere die Motor-Drehzahl unter Änderung der Motorphase (FM) zur Minimierung der Phasendifferenz (PD) geregelt wird, wodurch die Generatorsatz-Drehzahl (NG) gesteuert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Generatorsatz wahlweise in einem Drehzahlregelmodus (RCM) als Alternative zum Phasenregelmodus (PCM) im Synchronisierungs-Modus betreibbar ist, und/oder
- der Generatorsatz wahlweise im Phasenregelmodus (PCM) im Synchronisierungs-Modus und nachfolgend in einem Drehzahlregelmodus (RCM) betreibbar ist, insbesondere für den Fall, dass sich der Unterschied der Generatorspannungsphase (Fs) zur Netzspannungsphase (FN) nicht reduziert im Phasenregelmodus, zum Synchronisieren die Brennkraftmaschine in den Drehzahlregelmodus umgeschaltet wird, insbesondere nach einer Time-Out-Zeit umgeschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenregler (704) als Teil der Motorsteuereinrichtung gebildet ist und im Phasenregelmodus (PCM), insbesondere nur im Synchronisierungs-Modus, der Motorsteuereinrichtung die Netzspannungsphase übermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Generatorspannungsfrequenz und/oder die Generatorspannungsphase zum Bestimmen der Phasendifferenz (PD) berechnet wird aus der Motorphase und/oder einer Motor-Drehzahl des Motors (312) der Brennkraftmaschine (BKM).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine zunächst sich von der Netzfrequenz (f ) in einer Frequenzdifferenz unterscheidende Generatorspannungsfrequenz (ίs) an die Netzfrequenz angepasst wird, und/oder
- die sich zunächst von der Netzspannungsphase (PN) in der Phasendifferenz unterscheidende Generatorspannungsphase (Fo) an die Netzspannungsphase (PN) angepasst wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Synchronisierungs-Modus die Phasendifferenz (PD) für einen phasenstarren Zustand zwischen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben wird, insbesondere bei einer geringfügig abweichenden, insbesondere lediglich in etwa gleicher, Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz angegeben wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzdifferenz als ein Frequenz-Abgleichwert einen Unterschied zwischen Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz und/oder die Phasendifferenz als ein Phasen- Abgleichwert einen Unterschied zwischen Generatorspannungsphase und Netzspannungsphase angibt zum Vorgeben des Phasenparameters in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors in einer Frequenz- und/oder Phasenregelschleife des Phasenreglers (704).
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Phasenregler (704) am Eingang ein Phasensignal zur Verfügung gestellt, das einer streng monotonen, insbesondere linearen, Übertragungsfunktion der Phasendifferenz (PD) zwischen der Generatorspannungsphase (PG) und Netzspannungsphase (PN) folgt, vorzugsweise eine streng monotone, insbesondere lineare, Funktion der Phasendifferenz (PD) eines Phasenwinkels zwischen -180° und +180° ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenparameter in Form der Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors
- in Abhängigkeit der Frequenzdifferenz derart vorgegeben wird, dass sich die Frequenzdifferenz minimiert, insbesondere im Drehzahlmodus, und/oder
- zur Anpassung der Motorphase (PM) in Abhängigkeit der Phasendifferenz (PD) derart vorgegeben wird, dass sich die Phasendifferenz (PD) minimiert, insbesondere im Phasenregelmodus.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Synchronisierungs-Modus zunächst die Motor-Drehzahl verändert wird indem von einer Startdrehzahl des Motors hochgefahren wird bis die Generatorspannungsfrequenz und Netzfrequenz übereinstimmen, und dann der Generatorsatz (300) im Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der Generatorspannungsphase (Fo) mit der Netzspannungsphase (PN) betrieben wird, insbesondere entsprechend im Phasenregelmodus (PCM) die Motorphase (PM) zur Änderung der Generatorspannungsphase (PD) angepasst wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Drehzahlregelmodus für den Fall eines synchronisierten Betriebs der Brennkraftmaschine ein Verblockungswinkel erlernt wird, welcher einen Unterschied zwischen einem Motordrehwinkel, insbesondere Kurbelwellenwinkel und einem Rotorwinkel des Generators angibt, insbesondere die Brennkraftmaschine zum Synchronisieren wenigstens einmal in einem Drehzahlregelmodus betrieben wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass , der Generatorsatz eine Generatorspannung (UG) derart erzeugt, dass er zum Abgeben und/oder Einspeisen einer elektrischen Leistung (P) für das Stromnetz (100) vorbereitet ist, insbesondere zum Abschluss des Synchronisierungsbetriebs des Generatorsatzes (Genset) bezüglich des Stromnetzes (100) und/oder einem dem nachfolgenden Betrieb, wobei die Einrichtung ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
20. Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes („Genset“) bezüglich eines bei einer Netzspannung (UN) betriebenen Stromnetzes, wobei der Generatorsatz einen Generator eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatzsteuerung aufweist, und die Einrichtung aufweist: eine Generator-Sensorik zum Angeben einer Generatorspannungsfrequenz (fG) und einer Generatorspannungsphase (PG) einer vom Generator (314) erzeugten Generatorspannung (UG, insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl (NG) beim Betrieb der Brennkraftmaschine,
- eine Netz-Sensorik zum Angeben einer Netzspannung (UN), der eine Netzfrequenz (fh) und eine Netzspannungsphase (PN) zugeordnet ist, und der Generatorspannung (UG) eine Generatorspannungsfrequenz (fG) und eine Generatorspannungsphase (Fo) zugeordnet ist,
- eine Steuer- und Regel-Einrichtung zum Synchronisieren der Generatorspannung (UG) bezüglich der Netzspannung (UN), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regel-Einrichtung ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 auszuführen, insbesondere wobei die Steuer- und Regel -Einrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) der Brennkraftmaschine (BKM) verbunden oder ein Teil dieser ist.
21. Generatorsatz mit einer Einrichtung nach Anspruch 20 oder Brennkraftmaschine mit einer Steuer- und Regel-Einrichtung, die ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 auszuführen, insbesondere wobei die Steuer- und Regel -Einrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) der Brennkraftmaschine (BKM) verbunden oder ein Teil dieser ist., wobei:
- die Brennkraftmaschine einen Motor (312) und eine Motorsteuereinrichtung („ECU“) aufweist und ein mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundenes Verbrennungsstellglied aufweist, das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, und
- der Generator (314) bei einer Generator-Drehzahl (NG) mit dem Motor (312) bei einer Motor- Drehzahl antriebsverbunden ist, zum Erzeugen einer Generatorspannung (UG) bei einer Generatorspannungsfrequenz (fG) am Generator, insbesondere zum Erzeugen der Generatorspannung (UG) als eine Klemmenspannung am Generator, wobei
- der Netzspannung (UN) eine Netzfrequenz (f ) und eine Netzspannungsphase (PN) zugeordnet ist, und der Generatorspannung (UG) eine Generatorspannungsfrequenz (fG) und eine Generatorspannungsphase (<E>G) zugeordnet ist, wobei der Generatorsatz zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes (102, Genset) bezüglich des Stromnetzes (100), ausgebildet ist zum:
- Synchronisieren der Generatorspannung (UG) bezüglich der Netzspannung (UN), dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorspannungsfrequenz (fü) und/oder die Generatorspannungsphase (Fo) der vom Generator (140) erzeugten Generatorspannung (UG), bezüglich der Netzfrequenz (fk) und/oder der Netzspannungsphase (PN) abgestimmt wird, wobei
- der Generatorsatz (300) in einem Synchronisierungs-Modus zum Synchronisieren der Generatorspannungsphase (<E>G) mit der Netzspannungsphase (PN) betrieben wird, und der Motor (312) der Brennkraftmaschine (BKM) im Betrieb eingestellt wird, wobei
- der Motor (312) der Brennkraftmaschine (BKM) in einem Phasenregelmodus (PCM) unter Anpassung einer Motorphase (FM) zur Änderung der Generatorspannungsphase (Fϋ) betrieben wird, wobei
- die Netzspannungsphase (PN) einem Phasenregler (704) übermittelt wird, und
- der Phasenregler (704) die Motorphase (FM) auf eine Phasendifferenz (PD) regelt, welche gebildet wird aus einem Unterschied der Generatorspannungsphase (Fs) zur Netzspannungsphase (FN), wobei
- zur Anpassung der Motorphase (PM) in Abhängigkeit der Phasendifferenz (PD) ein Phasenparameter in Form der Verbrennungs-Steuergröße (VS) zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors eingestellt wird.
22. Generatorsatz oder Brennkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied (VG), das mittels einer Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs- und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung aufweist, vorzugsweise eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff oder eine Gas-Eindüsungseinrichtung bei einem Diesel- oder Otto- Motor und/oder eine Drosselklappe zur Einstellung eines Gemischgasdurchflusses bei einem Gasmotor und/oder eine Vergaserklappe zur Einstellung eines Verbrennungsgemisches bei einem Otto-Motor aufweist.
23. Generatorsatz oder Brennkraftmaschine nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit dem Generator über eine Antriebswelle momentenübertragend verbunden ist, wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein Rotor gegenüber einem Stator des Generators rotatorisch angetrieben wird zur Erzeugung der Generatorspannung (UG) bei der Generatorspannungsfrequenz (ίs), insbesondere der mit dem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundene Generator (106), insbesondere in Form eines Synchrongenerators, starr oder mittels einem Getriebe verbunden ist.
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