EP4378045A1 - Verfahren zum betreiben eines generatorsatzes, einrichtung zum betreiben eines generatorsatzes und generatorsatz - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines generatorsatzes, einrichtung zum betreiben eines generatorsatzes und generatorsatz

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EP4378045A1
EP4378045A1 EP22757899.4A EP22757899A EP4378045A1 EP 4378045 A1 EP4378045 A1 EP 4378045A1 EP 22757899 A EP22757899 A EP 22757899A EP 4378045 A1 EP4378045 A1 EP 4378045A1
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EP
European Patent Office
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phase
generator
engine
generator set
motor
Prior art date
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Pending
Application number
EP22757899.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg REMELE
Andreas KRAMMER
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Solutions GmbH filed Critical Rolls Royce Solutions GmbH
Publication of EP4378045A1 publication Critical patent/EP4378045A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • 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
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    • H02J3/381—Dispersed 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
    • H02J3/46—Controlling the sharing of generated power between the generators, sources or networks
    • 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
    • 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
    • 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
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/25—Special adaptation of control arrangements for generators for combustion engines
    • 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
    • H02P2103/00—Controlling arrangements characterised by the type of generator
    • H02P2103/20—Controlling arrangements characterised by the type of generator of the synchronous type

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a generator set according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a device for operating a generator set.
  • 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 concerns a synchronous generator.
  • the generator set includes a generator, an internal combustion engine, and a generator set controller, wherein:
  • 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 method for synchronizing operation of the generator set with respect to the power grid provides for synchronizing the generator voltage with respect to the grid voltage. In operation during the synchronization process is the
  • Synchronous generator not yet connected to deliver and/or feed in electrical power for the power grid i.e. H. 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 at the end of the
  • the method mentioned at the outset for operating a generator set with an internal combustion engine and a generator connected to a motor of the internal combustion engine in a torque-transmitting manner provides for generating the generator voltage, with the mains supply being assigned a mains frequency, a mains voltage and a mains phase.
  • the generator voltage is generated as a terminal voltage on the generator and then an electrical power is provided to an electrical supply network or, in the case of feed-in, an acceptance of the electrical power from this, the supply network receiving a Mains frequency, a mains voltage and a mains phase are assigned.
  • the procedure has the steps:
  • the static or droop represents a characteristic curve that is characteristic of a power generator, in particular a generator set, and describes the change in frequency or speed when the load changes.
  • WO 2018/122726 A1 describes a control system for microgrids for generating and distributing electrical energy from different types of generation sources, both connected to a supply network and isolated.
  • WO 2018/122726 A1 generally describes an adaptation of a droop to changes in the voltage and frequency of a supply network.
  • the object of which is to specify an improved method for operating a generator set, in which the generator set in particular contributes to the network stability to an increased extent.
  • a generator set is to be specified which can react more dynamically to load surges.
  • the invention is based on a method mentioned at the outset for operating a generator set with an internal combustion engine and a generator connected to a motor of the internal combustion engine in a torque-transmitting manner in order to provide electrical power to an electrical supply network or to accept electrical power from it, the supply network receiving a network frequency, a mains voltage and a mains phase are assigned, comprising the steps:
  • the motor target phase is set, and the motor target phase is determined by means of a phase controller upstream target phase generator, depending on a computational rotary reference system that describes the rotational movement of a fictitious, inertia-increasing mass with a virtual stabilization speed.
  • the motor command phase is the phase of the inertia-increasing mass rotating at the virtual stabilization speed.
  • the motor setpoint phase can be determined by means of a setpoint phase generator upstream of the phase regulator, via a model of a virtual seismic mass based on a virtual stabilization speed of the virtual seismic mass.
  • control energy i. H. Electrical energy that is present in a frequency and phase that has a stabilizing effect on a supply network is advantageous for the supply network. This is particularly the case when the supply network is an island network and/or has a number of relatively small power generators, in particular generator sets.
  • the invention is based on the finding that a generator set—compared to a large turbine with a generator used in a large power plant—has a relatively small rotating mass and thus a lower mass inertia.
  • the invention has recognized that a droop is required for stationary load balancing, but it would be desirable if the generator set would dynamically regulate the engine to a higher torque faster than the static droop curve specifies in the event of a frequency dip. This can be achieved by the internal combustion engine being able to react dynamically even to small frequency dips.
  • the invention includes the knowledge that when the engine of the generator set is operated in a phase control mode, a motor phase of the engine can be controlled with phase accuracy, and thus the generator set phase of the generator that is firmly connected to the engine in a torque-transmitting manner, in particular with regard to a line phase , can be regulated. Due to the fixed torque-transmitting connection between the generator and the engine, the engine phase is always in a defined geometric relationship to the generator set phase.
  • the generator set speed and - consequently also the engine phase - can be phase-accurately adjusted and the engine phase - for targeted influencing of the generator set phase - can be matched to a target engine phase in phase control mode.
  • the motor target phase is determined by a target phase generator upstream of the phase controller using a model of a virtual seismic mass based on a virtual stabilization speed of this virtual seismic mass, it is also possible in particular to synchronize the motor phase not only with one mains phase, but to take additional boundary conditions into account when calculating the virtual stabilization speed. These boundary conditions include, in particular, the mains frequency and the mains phase as well as a stall limit of the generator.
  • a dynamic component of a so-called virtual seismic mass can be superimposed on the currently known static droop characteristic of the generator set.
  • the virtual seismic mass is a computational rotational reference system that advantageously describes the kinetic behavior of a fictitious, relatively large rotating mass.
  • the mass is relatively large, especially when compared to the actual rotating mass of the generator set.
  • the generator set can provide additional control energy, especially in the event of load changes, even with the smallest changes in grid frequency, from the resulting phase difference to a calculated virtual seismic mass, which results from an early increase in torque of the combustion engine, and advantageously stabilizes the supply network work.
  • the torque-forming combustion control variable is a combustion control variable for torque-forming combustion adjustment of the engine.
  • the combustion control variable 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 comprises a fuel allocation parameter for the engine, in particular an injection parameter and/or a throttle parameter and/or an ignition parameter.
  • 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, advantageously has a fuel metering device in the form of an injection, injection and/or throttle and/or ignition device, preferably it has an injection device for Injection of 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.
  • the generator is a synchronous generator.
  • the virtual stabilization speed is assigned as a function of the grid frequency and the grid phase.
  • the virtual stabilization speed initially corresponds to a calculated rotational movement in which the rotational speed, i. H. is the angular velocity of the virtual seismic mass in units of 1/sec. or Hz, which corresponds to the mains frequency.
  • the determination of the virtual stabilization speed is not based on the instantaneous mains frequency, but on a previous mains frequency, in particular a mains frequency before a load change, in particular before a load surge.
  • the phase of this speed of rotation of the virtual stabilization speed corresponds to the target motor phase and is accordingly determined based on the mains phase, with the target motor phase in particular not being equal to the mains phase, but - to reduce the risk of tipping and/or to increase a the generator transmittable torque is adjusted taking into account a critical Generatorpolradwinkel.
  • the virtual stabilization speed is advantageously made for the virtual stabilization speed to be adapted as a function of a tipping limit in such a way that the target motor phase and/or a target pole wheel angle assumes a value between 0° and the tipping limit.
  • the motor setpoint phase does not deviate from the current motor phase, which represents the actual generator set phase of the generator set, by more than an amount which corresponds to the breakdown limit.
  • the target engine phase does not lead the engine phase (and thus the generator set phase) further than the magnitude of the stall limit.
  • the target motor phase is determined as a function of a transmission curve of the generator.
  • the torque that can be transmitted by a generator as a function of a magnet wheel angle is stored in such a transmission curve.
  • a transfer behavior of the generator can advantageously be generated in a targeted manner as a function of the magnet wheel angle.
  • the target motor phase is determined in such a way that a transmission torque of the generator is increased, in particular a maximum torque that can be transmitted by the generator is reached.
  • the magnet wheel angle is set in such a way that a maximum value for the transmission torque is reached according to the transmission curve.
  • a value of the transmission curve for positive values of a magnet wheel angle is less than or equal to a corresponding value of a maximum torque curve of the generator.
  • the transfer curve can advantageously be formed in such a way that its absolute value is always below a (maximum transferrable) torque curve of a generator, as a result of which—particularly independently of the magnet wheel angle—exceeding the breakdown torque is advantageously avoided.
  • Adjusting a torque-forming combustion control variable for the engine advantageously includes adjusting one or more torque-forming combustion control variables selected from the group consisting of: fuel injection control variable, gas injection control variable, throttle valve position control variable.
  • the torque-forming combustion control variable is a fuel injection control variable, advantageously an injection quantity.
  • the internal combustion engine of the generator set has, in particular, an injection device.
  • An increase in the injection quantity can, in particular, Increase the torque and / or the speed of the engine cause, whereby an adjustment of the engine phase - and thus also the generator set phase - can be done to the engine target phase. Accordingly, in a case in which the tilt angle is threatened to be exceeded, the injection quantity can be reduced in order to prevent the generator from tilting.
  • other torque-forming combustion control variables can also be adjusted as part of the method, for example an injection duration, an injection point in time and/or similar control variables.
  • the tilting limit is 90°.
  • the tilting limit can also assume a value other than 90°, in particular due to technical and/or geometric reasons, in particular due to the number of pole pairs of the generator.
  • the transmission curve is designed as a machine-proportional transmission curve.
  • a machine-proportional transfer curve of the generator set is proportional to at least one other machine-proportional transfer curve of at least one other generator set means in particular that two machine-proportional transfer curves can differ in terms of absolute value, but can have the same proportionality coefficient.
  • two machine-proportional transfer curves have the same course, but are scaled by a different, constant factor.
  • a uniform load acceptance behavior can advantageously be achieved via a machine-proportional transfer curve, in particular in the case of differently dimensioned generator sets.
  • a number of generator sets each with a different rated output, can have a common droop characteristic for stabilizing the supply network by means of a machine-proportional transfer curve, while at the same time tilting in each generator set—regardless of its size—is prevented.
  • the engine phase is determined by means of a phase position of the crankshaft, in particular as a time function of an engine angle and/or phase position of the crankshaft.
  • a development provides that the generator voltage frequency and/or the generator voltage phase is/are calculated from the engine speed and/or the engine phase taking into account a number of pole pairs of the generator and/or taking into account a mechanical interlocking angle between the internal combustion engine and the generator.
  • the invention leads to a device for operating a generator set, wherein the generator set has an internal combustion engine and a generator connected to a motor of the internal combustion engine in a torque-transmitting manner and is designed to feed electrical power into an electrical supply network, the supply network receiving a network frequency , a mains voltage and a mains phase is assigned, having a generator set control, designed to indicate a generator set frequency and a generator set phase of a voltage of the power generated by the generator, in particular depending on a generator set speed during operation of the internal combustion engine, an engine control, designed to Adjusting a torque-forming combustion control variable for the engine.
  • the device provides that the device has a phase controller designed to operate the motor of the internal combustion engine in a phase control mode with control of a motor phase to change the generator set phase, the motor phase being in a defined geometric relationship to the generator set phase and the engine controller is designed to set the torque-forming combustion control variable for the engine to adapt the engine phase to a target engine phase, and calculated rotational reference system is determined, which describes the rotational movement of a fictitious, inertia-increasing mass with a virtual stabilization speed.
  • the device has a setpoint phase generator which is arranged upstream of the phase controller and is designed to determine a motor setpoint phase via a model of a virtual seismic mass on the basis of a virtual stabilization speed of a virtual seismic mass.
  • an attenuator is provided.
  • a transmission curve adaptation module designed to set a machine-proportional transmission curve, the machine-proportional transmission curve of the generator set being proportional to at least one other machine-proportional transmission curve of at least one other generator set.
  • a transmission curve adaptation module can have a number of different machine-proportional transmission curves in order to make a generator set adaptable with regard to operation in different combinations of generator sets, in particular with different sized generator sets in each case.
  • a speed filter designed to filter out combustion-related torsional vibration shocks from a generator set signal of the generator set speed.
  • An attenuator can advantageously have a dampening effect on the device for operating the generator set, which functions in the sense of a phase-locked loop, and in particular effectively prevent a control-related oscillation of the device, particularly in the event of load surges.
  • the invention leads to a generator set with an internal combustion engine and a generator connected in a torque-transmitting manner to a motor of the internal combustion engine for feeding a supply network with energy, having a device according to the second aspect of the invention for operating the generator set.
  • one development provides that the motor is 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 that with the motor of the Internal combustion engine torque-transmitting connected generator, especially in the form of a synchronous generator, rigidly or connected by means of a gear.
  • FIG. 1 a generator set with a device for operating the generator set according to the concept of the invention
  • FIG. 2A is a comparative representation of two transfer curves from two generator sets to illustrate the concept of machine-proportional transfer curves.
  • FIG. 2B, FIG. 2C two representations of a first and a second operating point of the two generator sets to clarify the concept of machine-proportional droop transfer curves
  • FIG. 3A shows a more detailed representation of a device for operating the generator set according to the concept of the invention.
  • FIG. 3B shows a more detailed schematic representation of a target phase generator.
  • FIG. 3C shows a schematic representation of a transmission curve
  • FIG. 3D shows a development of the method over time in a highly schematic representation.
  • FIG. 1 shows a generator set 100 with a motor 122 of an internal combustion engine 120 and a generator 140, which is designed here as a synchronous machine 142—namely here as a synchronous generator— for generating electricity.
  • the generator set controller 150 can be formed as part of a converter 112 of the generator set 100 .
  • the generator set controller 150 is connected via a speed control line 157 to a motor controller 180 of a motor 122 of an internal combustion engine 120 in a signal-carrying manner in order, if required, in particular to adapt a generator set frequency FG to a mains frequency FN in speed-controlled operation, to generate a generator set Increase or decrease speed NG. Because engine 122 is connected to generator 140 via a main shaft 124 in a torque-transmitting manner, the speed of engine 122 corresponds to the speed of generator 140. Thus, in the present example, engine 122 and generator 140 have the same generator set speed NG.
  • the rotational speed can deviate, but are in a defined relationship to one another, which means that a clear Conversion of the speeds and in particular the phases, ie from an engine phase to the generator set phase, is readily possible.
  • the means 200 for operating the generator set 100 may include the generator set controller 150 and the engine controller 180, or may be formed as part of both.
  • the generator set control 150 is designed to apply an excitation current IE to the generator 140 via an excitation line 156, in particular to adapt the generator set voltage UG and/or the generator set frequency FG.
  • Engine controller 180 has a phase controller 136, which can determine and/or adapt a torque-forming combustion control variable EP for engine 122 as a function of a phase difference PD determined by phase detector 134, in particular an engine setpoint phase PV.
  • phase detector 134 is connected to the phase controller 136 via a phase controller line 158 in a signal-carrying manner.
  • Phase controller 136 thus makes it possible, depending on a phase and in particular a phase difference PD, to control the engine via a torque-forming combustion control variable, in particular an injection quantity EM and/or an injection time, in order to adapt an engine phase PM, in turn to influence the Generator set phase PG.
  • a torque-forming combustion control variable in particular an injection quantity EM and/or an injection time
  • the motor 122 has, in particular, an injection device 126.
  • phase detector 134 and the phase controller 136 are part of a device 200 for operating a generator set, which in particular has the functionality of a phase-locked loop, and in FIG. 3A is described in more detail.
  • FIG. 2A, FIG. 2B and FIG. 2C show, to explain the technical background, the principle of the load assumption by several generator sets connected in parallel as part of what is known as load sharing. Individual generator sets are known to have an individual speed/torque behavior in the form of a so-called droop characteristic.
  • FIG. 2A schematically shows a first transfer curve KU1 and a second transfer curve KU2, with both transfer curves KU1, KU2 being machine-proportional transfer curves KUP.
  • the two transmission curves KU1, KU2 can assume different absolute values, but their relative change, viewed with regard to a change in the magnet wheel angle PRW, is the same between the two transmission curves KU1, KU2.
  • the first transmission curve KU1, which is larger in terms of amount - from a first generator 140 of a first generator set 100 - assumes a first torque MD 1.1 transmitted by the first generator 140 at a first pole wheel angle PRW1.
  • the first transmission curve KU1 correspondingly assumes a second torque MD1.2 transmitted by the first generator 140.1.
  • the second transmission curve KU 2 which is smaller in terms of absolute value - from a second generator 140' of a second generator set 100' - assumes a first torque MD2.1 transmitted by the second generator 140' at the first pole wheel angle PRW1. At the second magnet wheel angle PRW2, the second transmission curve KU2 accordingly assumes a second torque MD2.2 transmitted by the second generator 140'.
  • the transfer curves KU1, KU2 there is a proportionality between them according to the relationship:
  • FIG. 2B and FIG. 2C a first working point API and a second working point AP2 represented by the number of the two generator sets 100, 100' with machine-proportional transfer curves KUP.
  • a first generator set 100 has a first droop characteristic DC1, which is shown here as the first generator set speed NG1 as a function of a first nominal power PI of the first generator set 100.
  • a second generator set 100' has a second droop characteristic DC2, which is shown as a second generator set speed NG2 as a function of a second nominal power P2 of the second generator set 100'. Both graphs are arranged opposite one another in such a way that the axes with the respective nominal power PI, P2 point towards one another.
  • FIG. 2C shows the same number of the two generator sets 100, 100' in a second working point AP2.
  • the behavior of the two generator sets 100, 100' in the event of a load surge LS with a drop in rotational speed DE becomes clear here, in which case a greater total nominal power PGES.2 must be provided due to a suddenly increased power requirement on the part of the supply network 1000.
  • the area encompassed by the two droop curves DC1, DC2 widens so that they intersect again at the operating point AP2, which represents the reduced speed.
  • the same proportionality of the first transfer curve KU1 of the first generator set 100 and the second transfer curve KU2 of the second generator set 100′ is expressed in the present case in the same magnitude of the gradients of the first droop characteristic DC1 and the second droop characteristic DC2 or their courses in FIG. 2B and FIG. 2C.
  • both generator sets 100, 100' then increase their respective generator set speed NG1, NG2 again to the same extent.
  • a flat progression of the droop characteristic DC1, DC2 means that the generator set speed NG1, NG2 of the generator set 100, 100' drops only slightly in the event of a sudden load surge.
  • a steeper course of the droop characteristic DC1, DC2 would accordingly mean that the speed drops more sharply.
  • a droop characteristic can be achieved with a flat gradient with large turbines—in a basically known manner—by a correspondingly large mass inertia of the rotating mass.
  • FIG. 3A shows a detailed illustration of an arrangement for operating a generator set which has a desired phase generator 164 according to the concept of the invention.
  • This is connected upstream of the phase detector 134 in the mains signal line 144 and is used to generate a target motor phase PV on the basis of a mains signal, in particular a mains phase PN.
  • the motor setpoint phase PV corresponds to a generator set setpoint phase PGS.
  • the setpoint phase generator 164 has a network signal input 164.1.
  • the target phase generator 164 has a generator signal input 164.2, by means of which the generator set phase PG can be provided for determining the motor target phase PV.
  • a setpoint pole wheel angle SPRW is determined by the phase detector 134 on the basis of a phase difference PD between the motor setpoint phase PV and the generator set phase PG.
  • the phase controller 136 is designed in particular as a phase lock loop (PLL) controller.
  • PLL phase lock loop
  • the target pole wheel angle SPRW is determined in such a way that a breakdown torque in the form of a breakdown limit KG of the generator 140 is not exceeded.
  • the setpoint pole wheel angle SPRW is determined in particular as a function of a transfer curve KU of generator 140 .
  • the motor setpoint phase PV is determined on the basis of a model of a virtual seismic mass VSM, which is designed as a virtual, rotating mass with a virtual stabilization speed NV.
  • the virtual stabilization speed NV is a virtual rotational movement which initially - as the starting point of the calculation - corresponds to the network signal, with the rotational speed of the virtual seismic mass VSM corresponding to the network frequency FN and the rotational phase of the virtual seismic mass VSM corresponding to the network phase PN.
  • the virtual stabilization speed NV corresponds to the grid signal SN before a sudden change in the grid signal SN, in particular before a load is switched on.
  • the speed of the engine 122 not only adapts to a changing grid frequency and grid phase - in particular in the event of a load surge - but rather a target motor phase PV is deliberately determined in such a way that the motor runs ahead of the grid phase , the load surge caused by the supply network can be absorbed by the corresponding speed adjustment of the engine and thus a "virtual" mass inertia without exceeding the maximum breakdown torque of the generator.
  • control of the motor 122 can be achieved by simulating greater inertia of the rotating portion of generator set 100 than actually physically exists.
  • the engine output can be briefly increased by increasing the injection quantity in order to simulate greater inertia of the engine.
  • the generator set phase PG it is always ensured that a breakdown torque is not exceeded.
  • the injection quantity should not be selected in such a way that, due to the increasing engine power, the engine or the magnet wheel angle leads in such a way that the generator set phase exceeds the breakdown torque. If there is a risk that the breakdown torque will be exceeded, the engine is throttled, in particular the injection quantity EM is reduced.
  • Device 200 can optionally have a speed filter 172, in particular in generator signal line 146, for filtering out torsional vibration shocks of engine 122 caused by combustion.
  • a speed filter 172 designed in particular as a low-pass filter
  • high-frequency interference signals can advantageously be filtered out of the generator set signal SG.
  • the device 200 in particular the phase controller 136, can optionally have an attenuation element 138 in order to have a damping effect on the device 200 in terms of control technology and to prevent the device 200 from oscillating, in particular in the event of load surges.
  • the device 200 in particular the phase controller 136, can optionally have a transfer curve adaptation module 170 for setting a transfer curve KUP which is proportional with respect to a number of generator sets.
  • a transfer curve adaptation module 170 for setting a transfer curve KUP which is proportional with respect to a number of generator sets.
  • the device 200 can be formed as an electronic control unit 220 or as part of it.
  • the individual components of device 200 can be distributed differently, for example phase regulator 136 can be formed as part of another electronic control unit 220', and the other components, in particular phase detector 134 and setpoint phase generator 164, can be formed as a separate control technology module be.
  • FIG. 3B a more detailed schematic of target phase generator 164 is shown.
  • This includes a synchronicity module 164A, a calculation module 164B and a line signal module 164C.
  • the synchronicity module 164A can be used, in particular by receiving a Boolean synchronicity variable SYNC with the content TRUE or FALSE, to determine whether a difference between a grid phase PN of the supply grid and the generator set phase PG is equal to 0 and both phases are therefore synchronous get lost.
  • the synchronicity variable SYNC can be provided via a phase detector, for example. In this case, where there is consequently no need for load acceptance by the gen-set, the synchronicity variable SYNC is equal to TRUE.
  • the synchronicity variable SYNC is correspondingly set to FALSE and made available to the calculation module 164B as the first output variable OUT1.
  • the calculation module 164B Upon receipt of the first output variable OUT1, the calculation module 164B starts determining the target motor phase PV based on a virtual seismic mass VSM having a virtual stabilization speed NV determined based on the grid frequency FN.
  • Motor phase PM corresponds to generator set phase PG due to the fixed torque-transmitting connection between motor 122 and generator 140 .
  • the engine phase PM can be converted into the generator set phase PG on the basis of the known geometric relationship, in particular the known transmission ratio, in particular using a constant factor .
  • the motor setpoint phase PV also corresponds to a generator set setpoint phase PGS or can be converted into this.
  • the desired motor phase PV is provided as the result of the calculation by the desired phase generator 164, in particular as an input variable for the phase detector 134.
  • the desired motor phase PV is provided as a feedback to the line signal module 164C where it is compared to the line phase PN.
  • the target motor phase PV leads the line phase PN in such a way that it is larger than the line phase PN, but smaller than the line phase PN plus a tipping limit KG, in particular smaller than the line phase PN plus 90° a risk of tipping is effectively avoided, and a second output variable OUT2 is set to TRUE and provided to the calculation module 164B.
  • the second output variable OUT2 is correspondingly set to FALSE and made available to the calculation module 164B, whereupon the target motor phase PV is bypassed reduced.
  • the phase detector is provided with a lower input variable, whereupon a lower setpoint pole wheel angle is calculated and the phase controller correspondingly reduces the injection quantity in order to avoid the risk of tipping.
  • the reduction preferably takes place in that the stabilization speed NV is adapted to the virtual seismic mass VSM. This ensures that the stabilization speed NV and thus the phase angle of the virtual seismic mass VSM does not lag behind the grid frequency FN.
  • FIG. 3C schematically shows a transfer curve KU of phase controller 136, which is also taken into account in particular in setpoint phase generator 164 when determining setpoint motor phase PV.
  • the transmission curve KU is shown as the course of a torque MD transmitted by the generator 140 as a function of the magnet wheel angle PRW of the generator 140 .
  • the motor target phase PV does not deviate from the generator set phase PG of generator 140 by more than the amount of a tipping limit KG, i.e. by a tipping angle of in particular 90°, ensures that a target rotor wheel angle SPRW is always below the tipping limit KG remains and thus tilting of the generator 140 is avoided.
  • the transfer curve KU is always below a torque curve MKS of the generator 140, in particular of the synchronous machine 142, the torque curve MKS describing the maximum torque MD that can be transmitted by the generator 140 as a function of the magnet wheel angle PRW.
  • the torque curve MKS At the tipping limit KG, which is 90° in the present case, the torque curve MKS has reached a maximum tipping moment KM.
  • the torque curve MKS decreases again.
  • a machine-proportional transfer curve KUP represents a special form of a transfer curve KU that is advantageous for a number of multiple generator sets that are to have a uniform load acceptance behavior. In particular, this is the case when, in the number of generator sets, generators or generator sets of different sizes are used, and there are therefore different sized breakdown moments.
  • a maximum torque MMAX as the maximum value of the maximum torque MD transmitted by the generator 140 according to the transmission curve KU is less than or equal to the breakdown torque KM and is at a maximum magnet wheel angle PRWM below or on the breakdown limit KG.
  • FIG. 3D shows a course of the mains frequency FN, the magnet wheel angle PRW of a generator 140 and a torque MD transmitted by the generator 140 in three diagrams at three points in time TI, T2, T3.
  • the mains frequency FN is at the value of an operating mains frequency FNB.
  • a load surge LS takes place, which, due to the suddenly increased power demand by the supply network 1000 due to the load surge LS, immediately leads to a speed drop DE in the generator set speed NG.
  • the difference between the mains speed drop and the constantly running virtual seismic mass VSM adds up to form a phase difference.
  • the motor setpoint phase PV is increased by the setpoint phase generator 164, and then the pole wheel angle PRW is increased accordingly by the phase detector 134 as an input variable for the phase controller 136 to increase the torque MD transmitted by the generator 140 , starting from an operating pole wheel angle PRWB at a first point in time TI towards a maximum pole wheel angle PRWM a second point in time T2.
  • the torque MD transmitted by the generator is increased from a first operating torque MDB at the time TI to the torque at a second time T2, so that the mains frequency is stabilized at the original value.
  • the torque is limited according to FIG. 2C in order to avoid tipping. This is indicated in the dotted line.
  • a correspondingly flat droop characteristic can advantageously be achieved, in which the transmission torque of the generator can be maximized, taking into account a possible risk of tipping, on the basis of a model of a virtual seismic mass, and in particular by a correspondingly strong, i.e. over generator set engine with sufficient power rating.
  • phase controller line 162 synchronization controller 164 target phase generator
  • API AP2 first, second operating point DC droop characteristics DC1, DC2 first, second droop characteristics

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generatorsatz und ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes (100) mit einer Brennkraftmaschine (120) und einem mit einem Motor (122) der Brennkraftmaschine (120) momentenübertragend verbundenen Generator (140) zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung (P) an ein elektrisches Versorgungsnetz (1000) oder zum Annehmen der elektrischen Leistung (P) von diesem, wobei dem Versorgungsnetz (1000) eine Netzfrequenz (FN), eine Netzspannung (UN) und eine Netzphase (PN) zugeordnet sind, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Angeben einer Generatorsatzfrequenz (FG) und einer Generatorsatz-Phase (PG) einer Spannung (UG) der vom Generator (140) erzeugten Leistung (PG), insbesondere abhängig von einer Generatorsatz -Drehzahl (NG) beim Betrieb der Brennkraftmaschine (120), - Anpassen einer momentenbildenden Verbrennungs- Steuergröße (EP) für den Motor. Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren der Schritt vorgesehen: - Betreiben des Motors (122) der Brennkraftmaschine (120) in einem Phasenregelmodus (PRM) unter Regelung einer Motorphase (PM) durch einen Phasenregler (136) zur Änderung der Generatorsatz-Phase (PG), wobei die Motorphase (PM) in einer bekannten Phasenbeziehung zur Generatorsatz-Phase (PG) steht, und - die momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße (EP) für den Motor (122) zum Anpassen der Motorphase (PM) an eine Motor-Soll-Phase (PV) eingestellt wird, und - die Motor-Soll-Phase (PV) mittels eines dem Phasenregler (136) vorgeordneten Sollphasen- Erzeugers (164), in Abhängigkeit eines rechnerischen rotatorischen Bezugssystems bestimmt wird, das die Drehbewegung einer fiktiven, trägheitsvergrößernden Masse (VSM) mit einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl (NV) beschreibt.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes, Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes und Generatorsatz
Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt eine Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes. Die Erfindung betrifft in einem dritten Aspekt 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. Inbesondere betrifft dies einen Synchrongenerator.
Der Generatorsatz weist einen Generator eine Brennkraftmaschine und eine Generatorsatzsteuerung auf, 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. Bevorzugter Weise sieht das Verfahren zum Synchronisierungsbetrieb des Generatorsatzes bezüglich des Stromnetzes, das Synchronisieren der Generatorspannung bezüglich der Netzspannung vor. Im Betrieb während des Synchronisierungsvorganges 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.
Das eingangs genannte Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes mit einer Brennkraftmaschine und einem mit einem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundenen Generator sieht ein Erzeugen der Generatorspannung vor, wobei dem Versorgungsnetz eine Netzfrequenz, eine Netzspannung und eine Netzphase zugeordnet sind. Insbesondere -vor Ankopplung bzw. Synchronisieren des Generators— ist vorgesehen, ein Erzeugen der Generatorspannung als eine Klemmenspannung am Generator und anschließend ein Bereitstellen einer elektrischen Leistung an ein elektrisches Versorgungsnetz oder im Falle einer Einspeisung ein Annehmen der elektrischen Leistung von diesem, wobei dem Versorgungsnetz eine Netzfrequenz, eine Netzspannung und eine Netzphase zugeordnet sind.
Das Verfahren weist die Schritte auf:
Angeben einer Generatorsatzfrequenz und einer Generatorsatz-Phase einer Spannung der vom Generator erzeugten Leistung, insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl beim Betrieb der Brennkraftmaschine,
Anpassen einer mom entenbildenden Verbrennungs-Steuergröße für den Motor.
Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes, insbesondere unter Berücksichtigung der Stabilität eines elektrischen Versorgungsnetzes, sind allgemein bekannt. Bei modernen Energieversorgungssystemen wird zur Netzstabilisierung eine sogenannte Regelenergie immer wichtiger. Heutige elektrische Versorgungsnetze machen es erforderlich, u.a. aufgrund des vermehrten Einsatzes von emeuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik und Windenergie und der damit verbundenen Instabilitätsursachen, Stabilisierungsmaßnahmen mit zu berücksichtigen. Soweit eine Energiebereitstellung durch jedenfalls eine hohe Dynamik emeuerbarer 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.
Die Statik bzw. der Droop stellt dabei eine Kennlinie dar, die für einen Stromerzeuger, insbesondere einen Generatorsatz, charakteristisch ist und die Änderung der Frequenz bzw. Drehzahl bei Laständerungen beschreibt.
WO 2018/122726 Al beschreibt ein Regelsystem für Microgrids zur Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie aus verschiedenartigen Erzeugerquellen, sowohl mit einem Versorgungsnetz verbunden als auch isoliert. In WO 2018/122726 Al wird allgemein eine Anpassung eines Droops an Änderungen von Spannung und Frequenz eines Versorgungsnetzes beschreiben.
In US 10,027,128 B2 wird ein sogenannter Droop-Betriebsmodus beschrieben, in dem in Abhängigkeit einer Motorbelastung ein Droop zugelassen wird.
Problematisch sind weiterhin die Netzstabilität eines elektrischen Versorgungsnetzes und insbesondere die Berücksichtigung von Droop-Eigenschaften eines Generatorsatzes im Verbundbetrieb mit anderen Stromerzeugern und/oder in einem Versorgungsnetz.
Wird ein elektrisches Versorgungsnetz belastet, stammt zunächst bei dem elektrischen Laststoß die gesamte Energie aus der kinetischen Energie der rotierenden Massen aller Generatoren im Netz. Daher bieten gemäß dem Stand der Technik größere Kraftwerke, aufgrund ihrer höheren rotierenden Massen, eine bessere Möglichkeit zur Annahme von Laststößen und somit eine stabilisierende Wirkung auf das elektrische Versorgungsnetz. Erst wenn die Drehzahl durch den Energieentzug aus den rotierenden Massen abnimmt, erkennt der Verbrennungsmotor eines Generatorsatzes gemäß dem Stand der Technik über die frequenzgesteuerte Droopkennlinie, dass er mehr Moment bilden soll. Zu diesem Zeitpunkt ist aber die Drehzahl bereits eingebrochen.
Wünschenswert wäre es, die oben genannten Probleme zumindest teilweise zu beheben.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes anzugeben, bei dem insbesondere der Generatorsatz im erhöhten Maß zur Netzstabilität beiträgt. Insbesondere soll ein Generatorsatz angegeben werden, der dynamischer auf Laststöße reagieren kann.
Die Aufgabe, betreffend das Verfahren, wird durch die Erfindung mit einem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes mit einer Brennkraftmaschine und einem mit einem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundenen Generator zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung an ein elektrisches Versorgungsnetz oder zum Annehmen der elektrischen Leistung von diesem, wobei dem Versorgungsnetz eine Netzfrequenz, eine Netzspannung und eine Netzphase zugeordnet sind, aufweisend die Schritte:
Angeben einer Generatorsatzfrequenz und einer Generatorsatz-Phase einer Spannung der vom Generator erzeugten Leistung, insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl beim Betrieb der Brennkraftmaschine,
Anpassen einer momentenbildenden Verbrennungs-Steuergröße für den Motor.
Erfmdungsgemäß ist bei dem Verfahren der Schritt vorgesehen:
Betreiben des Motors der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus unter Regelung einer Motorphase durch einen Phasenregler zur Änderung der Generatorsatz-Phase, wobei die Motorphase in einer bekannten Phasenbeziehung zur Generatorsatz-Phase steht, und die momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße für den Motor zum Anpassen der Motorphase an eine Motor-Soll-Phase eingestellt wird, und die Motor-Soll-Phase mittels eines dem Phasenregler vorgeordneten Sollphasen-Erzeugers, in Abhängigkeit eines rechnerischen rotatorischen Bezugssystems bestimmt wird, das die Drehbewegung einer fiktiven, trägheitsvergrößernden Masse mit einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl beschreibt. Anders asugedrückt, ist die Motor-Soll-Phase die Phase der mit der virtuellen Stabilisierungsdrehzahl drehenden, trägheitsvergrößernden Masse. Dazu kann man in einer Weiterbildung die Motor-Soll-Phase mittels einem dem Phasenregler vorgeordneten Sollphasen- Erzeuger, über ein Modell einer virtuellen seismischen Masse auf Basis einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl der virtuellen seismischen Masse bestimmen.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Regelenergie, d. h. elektrische Energie, die in einer Frequenz und einer Phase vorliegt, dass sie stabilisierend auf ein Versorgungsnetz wirkt, vorteilhaft für das Versorgungsnetz ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Versorgungsnetz ein Inselnetz ist und/oder eine Anzahl relativ kleiner Stromerzeuger, insbesondere Generatorensätze, aufweist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Generatorsatz - im Vergleich zu einem in einem Großkraftwerk eingesetzten Groß-Turbine mit Generator - eine relativ geringe rotierende Masse und somit eine geringere Massenträgheit aufweist.
Die Erfindung hat erkannt, dass ein Droop zwar für den stationären Lastausgleich benötigt wird, es aber wünschenswert wäre, wenn der Generatorsatz bei Frequenzeinbruch dynamisch den Motor schneller auf ein höheres Moment regeln würde, als es die statische Droopkurve vorgibt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Verbrennungsmotor dynamisch bereits auf geringe Frequenzeinbrüche reagieren kann.
Die Erfindung schließt dabei die Erkenntnis ein, dass wenn der Motor des Generatorsatzes in einem Phasenregelmodus betrieben wird, eine Motorphase des Motors phasengenau geregelt werden kann, und somit die Generatorsatz-Phase des fest momentenübertragend mit dem Motor verbundenen Generators, insbesondere in Bezug auf eine Netzphase, geregelt werden kann. Aufgrund der fest momentenübertragenden Verbindung des Generators mit dem Motor steht die Motorphase stets in einer definierten geometrischen Beziehung zur Generator satz-Phase.
Durch das Einstellen der momentenbildenden Verbrennungs- Steuergröße für den Motor kann die Generatorsatz-Drehzahl und - folglich auch die Motorphase - phasengenau angepasst werden und die Motorphase - zur gezielten Beeinflussung der Generatorsatz-Phase - im Phasenregelmodus auf eine Motor-Soll-Phase angeglichen werden. Indem die Motor-Soll-Phase von einem dem Phasenregler vorgeordneten Sollphasen-Generator über ein Modell einer virtuellen seismischen Masse auf Basis einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl dieser virtuellen seismischen Masse bestimmt wird, wird darüber hinaus insbesondere ermöglicht, die Motorphase nicht nur auf eine Netzphase zu synchronisieren, sondern bei der rechnerischen Bestimmung der virtuellen Stabilisierungsdrehzahl weitere Randbedingungen zu berücksichtigen. Zu diesen Randbedingungen zählen insbesondere die Netzfrequenz und die Netzphase sowie eine Kippgrenze des Generators. Durch die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl und insbesondere die damit verbundene Berücksichtigung derartiger Randbedingungen kann gemäß der Erfindung der heute bekannten statischen Droop-Charakteristik des Generatorsatzes eine dynamische Komponente einer sogenannten virtuellen seismischen Masse überlagert werden. Die virtuelle seismische Masse ist ein rechnerisches rotatorisches Bezugssystem, das vorteilhaft das kinetische Verhalten einer fiktiven, relativ großen rotierenden Masse beschreibt. Die Masse ist dabei relativ groß, insbesondere verglichen mit der tatsächlichen rotierenden Masse des Generatorsatzes.
Durch eine virtuelle Massencharakteristik in Form der virtuellen seismischen Masse kann der Generatorsatz insbesondere bei Laständerungen bereits bei kleinsten Netzfrequenzänderungen aus der entstehenden Phasendifferenz zu einer gerechneten virtuellen seismischen Masse zusätzliche Regelenergie zur Verfügung stellen, die aus einem frühzeitigen Drehmomentenerhöhung des Verbrennungmotors resultiert, und vorteilhaft stabilisierend auf das Versorgungsnetz wirken.
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.
Die momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße ist eine Verbrennungs- Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Verbrennungs- Steuergröße 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 umfasst, insbesondere einen Einspritz oder Eindüsungs-Parameter und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter umfasst. Das mit der Motorsteuereinrichtung steuerverbundene Verbrennungsstellglied, das mittels einer Verbrennungs-Steuergröße zur momentenbildenden Verbrennungseinstellung des Motors steuerbar ist, weist vorteilhaft eine Kraftstoffzuteileinrichtung in Form einer Einspritz-, Eindüsungs- und/oder Drossel- und/oder Zündeinrichtung auf, vorzugsweise weist es 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 auf.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Generator ein Synchrongenerator ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl in Abhängigkeit von der Netzfrequenz und der Netzphase zugeordnet ist. Insbesondere entspricht die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl zunächst einer gerechneten Drehbewegung, bei der die Drehgeschwindigkeit, d. h. die Winkelgeschwindigkeit der virtuellen seismischen Masse in der Einheit 1/Sek. bzw. Hz, der Netzfrequenz entspricht. In bevorzugten Weiterbildungen wird nicht die momentane Netzfrequenz bei der Bestimmung der virtuellen Stabilisierungsdrehzahl zugrunde gelegt, sondern eine zeitlich in der Vergangenheit liegende Netzfrequenz, insbesondere eine Netzfrequenz vor einem Lastwechsel, insbesondere vor einem Laststoß. Die Phase dieser Drehgeschwindigkeit der virtuellen Stabilisierungsdrehzahl entspricht der Motor-Soll-Phase und wird entsprechend ausgehend von der Netzphase bestimmt, wobei die Motor-Soll-Phase insbesondere nicht gleich der Netzphase ist, sondern - zur Verringerung einer Kippgefahr und/oder zur Vergrößerung eines durch den Generator übertragbaren Drehmoments unter Berücksichtigung eines kritischen Generatorpolradwinkels angepasst wird.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl in Abhängigkeit einer Kippgrenze angepasst wird, derart, dass die Motor-Soll-Phase und/oder ein Soll-Polradwinkel einen Wert zwischen 0° und der Kippgrenze annimmt. In einer derartigen Weiterbildung wird vorteilhaft sichergestellt, dass die Motor-Soll-Phase nicht mehr als ein Betrag, welcher der Kippgrenze entspricht, von der aktuellen, die tatsächliche Generatorsatz-Phase des Generator satzes repräsentierenden Motorphase abweicht. Insbesondere eilt die Motor-Soll-Phase der Motorphase (und damit der Generatorsatz -Phase) nicht weiter als der Betrag der Kippgrenze voraus. Hierdurch wird die Gefahr eines unvorteilhaften Kippens des Generators verringert, insbesondere vermieden, während gleichzeitig eine vorteilhafte schnelle Übertragung eines Drehmoments vom Motor auf den Generator zur Stabilisierung des Netzes, insbesondere nach einem Laststoß, erfolgen kann.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Motor-Soll-Phase in Abhängigkeit einer Übertragungskurve des Generators bestimmt wird. In einer derartigen Übertragungskurve ist das von einem Generator in Abhängigkeit eines Polradwinkels übertragbare Drehmoment hinterlegt. Mittels einer derartigen Übertragungskurve kann vorteilhaft gezielt ein Übertragungsverhalten des Generators in Abhängigkeit des Polradwinkels erzeugt werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Motor-Soll-Phase derart bestimmt wird, dass ein Übertragungsmoment des Generators vergrößert wird, insbesondere ein vom Generator übertragbares Maximalmoment erreicht wird. In einer derartigen Weiterbildung wird insbesondere im Phasenregelmodus der Polradwinkel so eingestellt, dass gemäß der Übertragungskurve ein Maximalwert für das Übertragungsmoment erreicht wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft das vom Motor übertragene - bzw. im Falle eines Laststoßes aufgenommene - Drehmoment vergrößert, insbesondere maximiert, werden und gleichzeitig - durch das Berücksichtigen der Übertragungskurve - ein Kippen des Generators vermieden werden.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein Wert der Übertragungskurve für positive Werte eines Polradwinkels kleiner oder gleich einem entsprechenden Wert einer maximalen Momentenkurve des Generators ist. Die Übertragungskurve kann vorteilhaft derart gebildet sein, dass sie betragsmäßig stets unterhalb einer (maximal übertragbaren) Momentenkurve eines Generators liegt, wodurch - insbesondere unabhängig vom Polradwinkel - ein Überschreiten des Kippmoments vorteilhaft vermieden wird.
Vorteilhaft umfasst das Anpassen einer momentenbildenden Verbrennungs- Steuergröße für den Motor das Anpassen einer oder mehrerer momentenbildenden Verbrennungs- Steuergrößen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, Gas-Eindüsung- Steuergröße, Drosselklappenstellung- Steuergröße.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die momentenbildende Verbrennungs- Steuergrößeeine Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße, vorteilhaft eine Einspritzmenge, ist. Die Brennkraftmaschine des Generatorsatzes weist insbesondere eine Einspritzeinrichtung auf. Durch ein Anpassen der Kraftstoff-Einspritz-Steuergröße kann insbesondere im Sinne eines Stellglied in die Phasenregelung eingegriffen werden. Eine Erhöhung der Einspritzmenge kann insbesondere eine Erhöhung des Drehmoments und/oder der Drehzahl des Motors bewirken, wodurch eine Angleichung der Motorphase - und damit auch der Generatorsatz-Phase - an die Motor-Soll-Phase erfolgen kann. Entsprechend kann in einem Fall, in dem ein Überschreiten des Kippwinkels droht, die Einpsritzmenge reduziert werden, um ein Kippen des Generators zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich können auch andere momentenbildende Verbrennungs-Steuergrößen im Rahmen des Verfahrens angepasst werden, beispielsweise eine Einspritzdauer, ein Einspritzzeitpunkt und/oder dergleichen Steuergrößen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kippgrenze 90° beträgt. Die Kippgrenze kann auch einen anderen Wert als 90° annehmen, insbesondere technisch und/oder geometrisch bedingt, insbesondere bedingt durch die Anzahl der Polpaare des Generators.
In einer Weiterbildung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Übertragungskurve als maschinenproportionale Übertragungskurve ausgebildet ist. Dass eine maschinenproportionale Übertragungskurve des Generatorsatzes proportional ist zu mindestens einer anderen maschinenproportionalen Übertragungskurve mindestens eines weiteren Generatorsatzes, bedeutet insbesondere, dass zwei maschinenproportionale Übertragungskurve zwar betragsmäßig unterschiedlich sein können, jedoch den gleichen Proportionalitäts-Koeffizienten aufweisen können. Insbesondere weisen zwei maschinenproportionale Übertragungskurven denselben Verlauf auf, sind jedoch über einen unterschiedlichen, konstanten Faktor skaliert. Über eine maschinenproportionale Übertragungskurve kann vorteilhaft ein gleichmäßiges Lastannahmeverhalten, insbesondere bei unterschiedlich dimensionierten Generatorensätzen, erreicht werden. Insbesondere können eine Anzahl von Generatorsätzen mit jeweils unterschiedlicher Nennleistung mittels einer maschinenproportionalen Übertragungskurve zusammen eine gemeinsame Droop-Charakteristik zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes aufweisen, wobei gleichzeitig ein Kippen bei jedem Generatorsatz - unabhängig von seiner Größe - verhindert wird.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Motorphase mittels einer Phasenlage der Kurbelwelle ermittelt wird, insbesondere als Zeitfunktion eines Motorwinkels und/oder Phasenlage der Kurbelwelle zur Verfügung gestellt ist.
In einer 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.
Die Erfindung führt in einem zweiten Aspekt auf eine Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes, wobei der Generatorsatz eine Brennkraftmaschine und einen mit einem Motor der Brennkraftmaschine momentenüb ertragend verbundenen Generator aufweist und zum Einspeisen einer elektrischen Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz ausgebildet ist, wobei dem Versorgungsnetz eine Netzfrequenz, eine Netzspannung und eine Netzphase zugeordnet ist, aufweisend eine Generatorsatz- Steuerung, ausgebildet zum Angeben einer Generatorsatzfrequenz und einer Generatorsatz-Phase einer Spannung der vom Generator erzeugten Leistung, insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl beim Betrieb der Brennkraftmaschine, eine Motorsteuerung, ausgebildet zum Anpassen einer momentenbildenden Verbrennungs- Steuergröße für den Motor.
Bei der Einrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen Phasenregler aufweist, ausgebildet zum Betreiben des Motors der Brennkraftmaschine in einem Phasenregelmodus unter Regelung einer Motorphase zur Änderung der Generatorsatz -Phase, wobei die Motorphase in einer definierten geometrischen Beziehung zur Generatorsatz-Phase steht, und die Motorsteuerung ausgebildet ist, die momentenbildende Verbrennungs-Steuergröße für den Motor zum Anpassen der Motorphase auf eine Motor-Soll-Phase einzustellen, und - die Motor-Soll-Phase mittels eines dem Phasenregler vorgeordneten Sollphasen-Erzeugers in Abhängigkeit eines rechnerischen rotatorischen Bezugssystems bestimmt wird, das die Drehbewegung einer fiktiven, trägheitsvergrößernden Masse mit einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl beschreibt.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist die Einrichtung einen dem Phasenregler vorgeordneten Sollphasen-Erzeuger auf, der ausgebildet ist zum Bestimmen einer Motor-Soll- Phase über ein Modell einer virtuellen seismischen Masse auf Basis einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl einer virtuellen seismischen Masse. Bei der Einrichtung werden die Vorteile des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung entsprechend genutzt.
In einer Weiterbildung der Einrichtung ist ein Dämpfungsglied vorgesehen.
In einer Weiterbildung der Einrichtung ist ein Übertragungskurven-Anpassungsmodul vorgesehen, ausgebildet zum Einstellen einer maschinenproportionalen Übertragungskurve, wobei die maschinenproportionale Übertragungskurve des Generatorsatzes proportional ist zu mindestens einer anderen maschinenproportionalen Übertragungskurve mindestens eines weiteren Generatorsatzes. Insbesondere kann ein Übertragungskurven-Anpassungsmodul eine Anzahl unterschiedlicher maschinenproportionaler Übertragungskurven aufweisen, um einen Generatorsatz anpassbar zu gestalten hinsichtlich eines Betriebs in unterschiedlichen Zusammenschlüssen von Generatorsätzen, insbesondere mit jeweils unterschiedlich großen Generatorsätzen.
In einer Weiterbildung der Einrichtung ist ein Drehzahlfilter vorgesehen, ausgebildet zum Herausfiltem von verbrennungsbedingten Drehschwingungsstößen aus einem Generatorsatz- Signal der Generatorsatz-Drehzahl. Ein Dämpfungsglied kann vorteilhaft dämpfend auf die, im Sinne eines Phasen-Regelkreises funktionierende, Einrichtung zum Betreiben des Generatorsatzes wirken und insbesondere effektiv ein regel technisches Aufschwingen der Einrichtung, insbesondere bei Laststößen, vermeiden.
Die Erfindung führt in einem dritten Aspekt auf einen Generatorsatz mit einer Brennkraftmaschine und einem, mit einem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundenen Generator zum Speisen eines Versorgungsnetzes mit Energie, aufweisend eine Einrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zum Betreiben des Generatorsatzes.
Bei dem Generatorsatz werden die Vorteile des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und der Einrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung entsprechend genutzt.
Vorteilhaft ist in einer Weiterbildung vorgesehen, 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 bei der Generatorspannungsfrequenz, insbesondere der mit dem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundene Generator, insbesondere in Form eines Synchrongenerators, starr oder mittels einem Getriebe verbunden ist.
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. 1 einen Generatorsatz mit einer Einrichtung zum Betreiben des Generatorsatzes gemäß dem Konzept der Erfindung,
FIG. 2A eine vergleichende Darstellung von zwei Übertragungskurven von zwei Generatorsätzen zur Verdeutlichung des Konzepts maschinenproportionaler Übertragungskurven,
FIG. 2B, FIG. 2C zwei Darstellungen von einem ersten und einem zweiten Arbeitspunkt der zwei Generatorsätze zur Verdeutlichung des Konzepts maschinenproportionaler Droop-Übertragungskurven, FIG. 3A eine detailliertere Darstellung einer Einrichtung zum Betreiben des Generator satzes gemäß dem Konzept der Erfindung,
FIG. 3B eine detailliertere schematische Darstellung eines Sollphasen-Generators,
FIG 3C eine schematische Darstellung einer Übertragungskurve, FIG 3D einen zeitlichen Verlauf einer Weiterbildung des Verfahrens in stark schematischer Darstellung.
FIG. 1 zeigt einen Generatorsatz 100 mit einem Motor 122 einer Brennkraftmaschine 120 und einem Generator 140, der vorliegend als Synchronmaschine 142 -nämlich hier als Synchrongenerator— ausgebildet ist, zur Stromerzeugung. Über eine Generatorsatz- Steuerung 150 kann mittels eines Phasendetektors 134 über eine Netzsignal-Leitung 144 ein Netzsignal SN eines Versorgungsnetzes 1000 - insbesondere eine Netzspannung UN, eine Netzfrequenz FN und eine Netzphase PN- bestimmt werden und diese Werte mit einem über eine Generator-Signal-Leitung 146 aufgenommenen Generatorsatz -Signal SG des Generators 140 - insbesondere einer Generatorsatz- Spannung UG, einer Generatorsatz-Frequenz FG und einer Generatorsatz-Phase PG - verglichen werden, insbesondere um eine stromführende Verbindung über einen Schalter 154 erst dann herzustellen, wenn diese Größen ausreichend übereinstimmen. Die Generatorsatz- Steuerung 150 kann insbesondere als Teil eines Umrichters 112 des Generatorsatzes 100 gebildet sein.
Die Generatorsatz- Steuerung 150 steht über eine Drehzahl -Steuerleitung 157 mit einer Motorsteuerung 180 eines Motors 122 einer Brennkraftmaschine 120 signalführend in Verbindung, um bei Bedarf, insbesondere zur Anpassung einer Generator satz-Frequenz FG an eine Netzfrequenz FN in einem drehzahlgesteuerten Betrieb eine Generatorsatz-Drehzahl NG zu erhöhen oder zu verringern. Dadurch, dass der Motor 122 vorliegend über eine Hauptwelle 124 momentenübertragend mit dem Generator 140 verbunden ist, entspricht die Drehzahl des Motors 122 der Drehzahl des Generators 140. Somit haben im vorliegenden Beispiel der Motor 122 und der Generator 140 die gemeinsame Generatorsatz-Drehzahl NG. In Weiterbildungen, in denen zwischen Motor 120 und Generator 140 ein Getriebe geschaltet ist, kann die Drehzahl zwar abweichen, jedoch in einem definierten Verhältnis zueinanderstehen, wodurch eine eindeutige Umrechnung der Drehzahlen und insbesondere der Phasen, d. h. von einer Motorphase zur Generatorsatz-Phase, ohne weiteres möglich ist.
Die Einrichtung 200 zum Betreiben des Generatorsatzes 100 kann die Generatorsatz- Steuerung 150 und die Motorsteuerung 180 umfassen, oder auch als Teil von beiden gebildet sein.
Weiterhin ist Die Generatorsatz- Steuerung 150 ausgebildet, über eine Erregerleitung 156 den Generator 140, insbesondere zur Anpassung der Generatorsatz- Spannung UG und/oder der Generator satz-Frequenz FG, mit einem Erregerstrom IE zu beaufschlagen.
Die Motorsteuerung 180 weist einen Phasenregler 136 auf, welcher in Abhängigkeit einer vom Phasendetektor 134 ermittelten Phasendifferenz PD, insbesondere einer Motor-Soll-Phase PV, eine momentenbildende Verbrennungs-Steuergröße EP für den Motor 122 bestimmen und/oder anpassen kann.
Hierzu steht der Phasendetektor 134 über eine Phasenregler-Leitung 158 signalführend mit dem Phasenregler 136 in Verbindung. Durch den Phasenregler 136 ist es somit möglich, in Abhängigkeit einer Phase und insbesondere einer Phasendifferenz PD eine Steuerung des Motors über eine momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße, insbesondere eine Einspritzmenge EM und/oder einen Einspritzzeitpunkt, vorzunehmen zur Anpassung einer Motorphase PM, wiederum zur Beeinflussung der Generatorsatz-Phase PG. Somit wird vorteilhaft eine phasengenaue Regelung des Motors ermöglicht, insbesondere im Unterschied zu dem oben genannten, drehzahlgesteuerten Betrieb des Motors 122. Der Motor 122 weist insbesondere eine Einspritzeinrichtung 126 auf.
Der Phasendetektor 134 und der Phasenregler 136 sind Teil einer Einrichtung 200 zum Betreiben eines Generator satzes, die insbesondere die Funktionalität eines Phasenregelkreises aufweist, und in FIG. 3 A näher beschrieben wird.
In FIG. 2A, FIG. 2B und FIG. 2C zeigen zur Erläuterung des technischen Hintergrunds das Prinzip der Lastannahme durch mehrere, parallel geschaltete Generatorsätze im Rahmen eines sogenannten Load- Sharings. Einzelne Generatorsätze weisen dabei bekanntermaßen ein individuelles Drehzahl -/Drehmomentverhalten in Form einer sogenannten Droop-Charakteristik auf. FIG. 2A zeigt zur Verdeutlichung des Konzepts maschinenproportionaler Übertragungskurven KUP schematisch eine erste Übertragungskurve KU1 und eine zweite Übertragungskurve KU2, wobei beide Übertragungskurven KU1, KU2 maschinenproportionale Übertragungskurven KUP sind. Dies bedeutet, dass beide Übertragungskurve KU 1 , KU2 zwar unterschiedliche Absolutwerte annehmen können, ihre relative Veränderung, betrachtet auf eine Veränderung des Polradwinkels PRW, zwischen beiden Übertragungskurven KU1, KU2 jedoch gleich ist. Die betragsmäßig größere, erste Übertragungskurve KU1 - von einem ersten Generator 140 eines ersten Generator satzes 100 - nimmt bei einem ersten Polradwinkel PRW1 ein erstes vom ersten Generator 140 übertragenes Drehmoment MD 1.1 an. Bei einem zweiten Polradwinkel PRW2 nimmt die erste Übertragungskurve KU1 entsprechend ein zweites vom ersten Generator 140.1 übertragenes Drehmoment MD 1.2 an.
Die zweite, betragsmäßig kleinere Übertragungskurve KU 2 - von einem zweiten Generator 140‘ eines zweiten Generatorsatzes 100‘ - nimmt bei dem ersten Polradwinkel PRW1 ein erstes vom zweiten Generator 140‘ übertragenes Drehmoment MD2.1 an. Bei dem zweiten Polradwinkel PRW2 nimmt die zweite Übertragungskurve KU2 entsprechend ein zweites vom zweiten Generator 140‘ übertragenes Drehmoment MD2.2 an. Trotz der unterschiedlichen absoluten Beträge der Übertragungskurven KU1, KU2 gilt eine Proportionalität zwischen ihnen gemäß der Beziehung:
MD 1.1 _ MD 2.1 MD1.2 ~ MD2.2
Entsprechend ist in FIG. 2B und FIG. 2C ein erster Arbeitspunkt API und ein zweiter Arbeitspunkt AP2 dargestellt von der Anzahl der beiden Generatorsätze 100, 100‘ mit maschinenproportionalen Übertragungskurven KUP. Ein erster Generatorsatz 100 weist eine erste Droop-Charakteristik DC1 auf, welche vorliegend als erste eine Generatorsatz-Drehzahl NGl in Abhängigkeit einer ersten Nennleistung PI des ersten Generatorsatzes 100 dargestellt ist. Ein zweiter Generatorsatz 100' weist eine zweite Droop-Charakteristik DC2 auf, welche als eine zweite Generatorsatz- Drehzahl NG2 in Abhängigkeit einer zweiten Nennleistung P2 des zweiten Generatorsatzes 100' dargestellt ist. Beide Graphen sind gegenüberliegend angeordnet, derart, dass die Achsen mit der jeweiligen Nennleistung PI, P2 aufeinander zeigen. Beide linearen Verläufe der Droop- Charakteristiken DC1, DC2 kreuzen sich entsprechend in dem ersten Arbeitspunkt API, sodass beide Generatorsatz-Drehzahlen NGl, NG2 gleich sind und somit auch die Generatorsatzfrequenz FG und die Generatorsatz-Phase PG beider Generatorsätze 100, 100'. Durch die gegenüberliegende Darstellung der Graphen kann in FIG. 2B die zum ersten Arbeitspunkt API von beiden Generatorsätzen 100, 100' abgegebene Gesamt-Nennleistung PGES.l abgelesen werden, welche sich aus der vom ersten Generatorsatz 100 im ersten Arbeitspunkt API abgegebene Nennleistung Pl.l und die vom zweiten Generatorsatz 100' im ersten Arbeitspunkt API abgegebene Nennleistung P2.1 zusammensetzt.
In FIG. 2C ist dieselbe Anzahl der beiden Generatorsätze 100, 100' in einem zweiten Arbeitspunkt AP2 dargestellt. Hierbei wird das Verhalten der beiden Generatorsätze 100, 100' bei einem Laststoß LS mit einem Drehzahleinbruch DE deutlich, bei dem aufgrund eines plötzlich gestiegenen Leistungsbedarf seitens des Versorgungsnetzes 1000 eine größere Gesamt- Nennleistung PGES.2 bereitgestellt werden muss. Aufgrund der beiden Droop-Charakteristiken DC1, DC2 verschiebt sich aufgrund des nun vom ersten Generatorsatz 100 im zweiten Arbeitspunkt AP2 zu erbringende Nennleistung PI.2 und der vom zweiten Generatorsatz 100' im zweiten Arbeitspunkt AP2 zu erbringende Nennleistung P2.2 beide Generatorsatz-Drehzahlen NGl, NG2 von einer im ersten Arbeitspunkt API herrschenden, ersten Drehzahl NI auf eine geringere, im zweiten Arbeitspunkt AP2 herrschende zweite Drehzahl N2. Grafisch betrachtet verbreitert sich der von beiden Droop-Verläufen DC1, DC2 umfasste Bereich, damit sie sich in dem, die gesunkene Drehzahl repräsentierenden, Arbeitspunkt AP2 wieder schneiden.
Die gleiche Proportionalität der ersten Übertragungskurve KU1 des ersten Generatorsatzes 100 und der zweiten Übertragungskurve KU2 des zweiten Generatorsatzes 100' äußert sich vorliegend im gleichen Betrag der Steigungen der ersten Droop-Charakteristik DC1 und der zweiten Droop- Charakteristik DC2 bzw. von deren Verläufen in FIG. 2B und FIG. 2C.
In dem eine erhöhte Leistungsanforderung bei beiden Generatorsätzen 100, 100' zur gleichen Änderung der Generatorsatz-Drehzahl NGl, NG2 führt, und entsprechend auch beide Generatorsätze 100, 100' ihre jeweilige Generatorsatz-Drehzahl NGl, NG2 anschließend in gleichem Maße wieder erhöhen. Ein flacher Verlauf der Droop-Charakteristik DC1, DC2 bedeutet, dass die Generatorsatz -Drehzahl NGl, NG2 des Generatorsatzes 100, 100' bei einem plötzlichen Laststoß nur geringfügig einbricht. Ein steilerer Verlauf der Droop-Charakteristik DC1, DC 2 würde entsprechend bedeuten, dass die Drehzahl stärker einbricht. Eine Droop-Charakteristik kann mit flacher Steigung mit Groß-Turbinen -in grundsätzlich bekannter Weise— durch eine entsprechend große Massenträgheit der rotierenden Masse erreicht werden. FIG. 3A zeigt eine detaillierte Darstellung einer Einrichtung zum Betreiben eines Generator satzes, die gemäß dem Konzept der Erfindung einen Sollphasen-Generator 164 aufweist. Dieser ist in der Netzsignal-Leitung 144 dem Phasendetektor 134 vorgeschaltet und dient dazu, auf Basis eines Netzsignals, insbesondere einer Netzphase PN eine Motor-Soll-Phase PV zu generieren. Die Motor-Soll-Phase PV entspricht aufgrund der festen momentenübertragenden Verbindung zwischen dem Motor 122 und dem Generator 140 gleich einer Generatorsatz- Sollphase PGS. Hierzu weist der Sollphasen-Generator 164 einen Netzsignal-Eingang 164.1 auf. Weiterhin weist der Sollphasen-Generator 164 einen Generator-Signal -Eingang 164.2 auf, mittels dem die Generatorsatz-Phase PG zur Bestimmung der Motor-Soll-Phase PV bereitgestellt werden kann. Durch den Phasendetektor 134 wird auf Basis einer Phasendifferenz PD zwischen der Motor-Soll-Phase PV und der Generatorsatz-Phase PG ein Soll-Polradwinkel SPRW bestimmt, der als Eingangsgröße für den Phasenregler 136 zur Steuerung des Motors 122 bereitgestellt wird. Der Phasenregler 136 ist insbesondere als Phase-Lock-Loop-(PLL-)Regler ausgebildet.
Durch die Berücksichtigung der Generatorsatz-Phase PG bei der Bestimmung der Motor-Soll- Phase PV kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass der Soll-Polradwinkel SPRW derart bestimmt wird, dass ein Kippmoment in Form einer Kippgrenze KG des Generators 140 nicht überschritten wird. Hierzu wird der Soll-Polradwinkel SPRW insbesondere in Abhängigkeit einer Übertragungskurve KU des Generators 140 bestimmt.
Gemäß dem Konzept der Erfindung erfolgt die Bestimmung der Motor-Soll-Phase PV auf Basis eines Modells einer virtuellen seismischen Masse VSM, welche als virtuelle, rotierende Masse mit einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl NV ausgebildet ist. Die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl NV ist eine virtuelle Drehbewegung, welche zunächst - als Ausgangspunkt der Berechnung - dem Netzsignal entspricht, wobei die Drehgeschwindigkeit der virtuellen seismischen Masse VSM der Netzfrequenz FN, und die Drehphase der virtuellen seismischen Masse VSM der Netzphase PN entspricht.
Insbesondere entspricht die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl NV bei der Bestimmung der Motor- Soll-Phase PV dem Netzsignal SN vor einer plötzlichen Veränderung des Netzsignals SN, insbesondere vor einer Lastauf Schaltung. Dadurch, dass die Motor-Soll-Phase PV zwar auf Basis der Netzphase PN bestimmt wird, aber dieser nicht genau entspricht, sondern unter Berücksichtigung der Geno-Phase PG angepasst, insbesondere verschoben wird, kann vorteilhaft eine das Versorgungsnetz 1000 stabilisierende „Massen-Charakteristik“ des Generatorsatzes 100 gemäß der virtuellen seismischen Masse VSM erreicht werden. Indem eine Drehzahl des Motors 122, insbesondere die Generatorsatz-Drehzahl NG, nicht lediglich auf eine sich - insbesondere bei einem Laststoß - verändernde Netzfrequenz und Netzphase anpasst, sondern bewusst eine Motor-Soll-Phase PV derart bestimmt wird, dass der Motor der Netzphase vorauseilt, kann der durch das Versorgungsnetz ergangene Laststoß durch die entsprechende Drehzahlanpassung des Motors und eine somit „virtuelle" Massenträgheit aufgenommen werden, ohne dabei das maximale Kippmoment des Generators zu überschreiten.
Analog zu einer Turbine in einem Großkraftwerk, welche aufgrund ihrer großen rotierenden Masse und der damit verbundenen Massenträgheit stabilisierend auf plötzliche Lastschwankungen wirkt, kann gemäß dem Konzept der Erfindung durch die Vorgabe einer Motor-Soll-Phase PV eine Steuerung des Motors 122 erreicht werden, durch die eine größere Massenträgheit des rotierenden Teils des Generatorsatzes 100 simuliert wird, als tatsächlich physisch vorhanden ist. Insbesondere kann bei einer Lastaufschaltung im Versorgungsnetz 1000, und einem damit verbundenen, plötzlich vergrößerten auf den Generator 140 wirkenden Drehmoment, die Motorleistung durch Vergrößerung der Einspritzmenge kurzzeitig erhöht werden um eine größere Massenträgheit des Motors zu simulieren. Hierbei wird durch Berücksichtigung der Generatorsatz-Phase PG stets sichergestellt, dass ein Kippmoment nicht überschritten wird. In diesem Beispiel dürfte die Einspritzmenge nicht so gewählt werden, dass durch die steigende Motorleistung der Motor bzw. der Polradwinkel derart vorauseilt, dass die Generatorsatz-Phase das Kippmoment überschreitet. Bei einem drohenden Überschreiten des Kippmoments wird der Motor somit gedrosselt, insbesondere die Einspritzmenge EM reduziert.
Optional kann die Einrichtung 200, insbesondere in der Generator-Signal-Leitung 146, ein Drehzahlfilter 172 zum Herausfiltern von verbrennungsbedingten Drehschwingungsstößen des Motors 122 aufweisen. Mittels eines solchen, insbesondere als Tiefpassfilter ausgebildeten Drehzahlfilters 172 können vorteilhaft hochfrequente Störsignale aus dem Generatorsatz- Signal SG herausgefiltert werden. Optional kann die Einrichtung 200, insbesondere der Phasenregler 136, ein Dämpfungsglied 138 aufweisen, um regelungstechnisch dämpfend auf die Einrichtung 200 zu wirken und ein Aufschwingen der Einrichtung 200, insbesondere bei Laststößen, zu vermeiden.
Optional kann die Einrichtung 200, insbesondere der Phasenregler 136, ein Übertragungskurven- Anpassungsmodul 170 aufweisen zum Einstellen einer - hinsichtlich einer Anzahl von Generatorsätzen - proportionalen Übertragungskurve KUP. Mittels einer solchen maschinenproportionalen Übertragungskurve KUP kann vorteilhaft ein gleichmäßiges Lastannahmeverhalten einer Anzahl von Generatorensätzen erreicht werden.
Die Einrichtung 200 kann als elektronische Steuereinheit 220 oder als Teil von dieser gebildet sein. In alternativen Weiterbildungen können die einzelnen Komponenten der Einrichtung 200 anders verteilt sein, beispielsweise kann der Phasenregler 136 als Teil einer weiteren elektronischen Steuereinheit 220' gebildet sein, und die übrigen Komponenten, insbesondere Phasendetektor 134 und Sollphasen-Generator 164 können als ein eigenes steuerungstechnisches Modul ausgebildet sein.
In FIG. 3B ist eine detailliertere schematische Darstellung des Sollphasen-Generators 164 dargestellt. Dieser weist ein Synchronitäts-Modul 164A, ein Berechnungsmodul 164B und ein Netzsignal -Modul 164C auf. Über das Synchronitäts-Modul 164A kann, insbesondere über das Erhalten einer booleschen Synchronitäts-Variable SYNC mit dem Inhalt TRUE oder FALSE festgestellt werden, ob eine Differenz zwischen einer Netzphase PN des Versorgungsnetzes und der Generatorsatz-Phase PG gleich 0 ist und beide Phasen somit synchron verlaufen. Die Synchronitäts-Variable SYNC kann beispielsweise über einen Phasendetektor bereitgestellt werden. In diesem Fall, in dem folglich kein Bedarf einer Lastannahme durch den Generatorsatz besteht, ist die Synchronitäts-Variable SYNC gleich TRUE. Sollte im Falle eines Laststoßes die Netzfrequenz einbrechen und entsprechend die Netzphase nicht mehr synchron zur Generatorsatz- Phase sein, wird die Synchronitäts-Variable SYNC entsprechend auf FALSE gesetzt und als erste Ausgangsvariable OUT1 an das Berechnungsmodul 164B bereitgestellt.
Beim Erhalt der ersten Ausgangsvariable OUT1 startet das Berechnungsmodul 164B mit der Bestimmung der Motor-Soll-Phase PV auf Basis einer virtuellen seismischen Masse VSM, welche eine virtuelle Stabilisierungsdrehzahl NV aufweist, die auf Basis der Netzfrequenz FN bestimmt wird. Die Motor-Phase PM entspricht aufgrund der fest momentenübertragenden Verbindung zwischen dem Motor 122 und dem Generator 140 der Generatorsatz-Phase PG. In Weiterbildungen, in denen zwischen dem Motor 122 und dem Generator 140 noch ein Getriebe angeordnet ist, kann die Motor-Phase PM aufgrund der bekannten geometrischen Beziehung, insbesondere des bekannten Übersetzungsverhältnisses, insbesondere über einen konstanten Faktor, in die Generatorsatz-Phase PG umgerechnet werden. Aus diesem Grund entspricht auch die Motor-Soll-Phase PV einer Generatorsatz-Soll-Phase PGS oder kann in diese umgerechnet werden.
Die Motor-Soll-Phase PV wird als Ergebnis der Berechnung vom Sollphasen-Generator 164, insbesondere als Eingangsgröße für den Phasendetektor 134, bereitgestellt. Weiterhin wird die Motor-Soll-Phase PV im Sinne einer Rückführung dem Netzsignal -Modul 164C bereitgestellt, wo sie mit der Netzphase PN verglichen wird. In dem Fall, in dem die Motor-Soll-Phase PV der Netzphase PN derart vorauseilt, dass sie größer ist als die Netzphase PN, jedoch kleiner als die Netzphase PN plus eine Kippgrenze KG, insbesondere kleiner als die Netzphase PN plus 90°, wird eine Kippgefahr effektiv vermieden, und eine zweite Ausgangsvariable OUT2 wird auf TRUE gesetzt und dem Berechnungsmodul 164B bereitgestellt. In diesem Fall gilt demnach:
PN > PV > PN+KG
Für den anderen Fall, dass die Motor-Soll-Phase PV insbesondere größer ist als die Netzphase PN plus eine Kippgrenze KG, wird entsprechend die zweite Ausgangsvariable OUT2 auf FALSE gesetzt und dem Berechnungsmodul 164B bereitgestellt, woraufhin dieses die Motor-Soll-Phase PV umgehend verringert. Dies hat zur Folge, dass dem Phasendetektor eine geringere Eingangsgröße bereitgestellt wird, woraufhin ein geringerer Soll-Polradwinkel berechnet wird und der Phasenregler entsprechend die Einspritzmenge zurücknimmt, um eine Kippgefahr zu vermeiden. Die Verringerung geschieht bevorzugt dadurch, dass die Stabilisierungsdrehzahl NV der virtuellen seismischen Masse VSM angepasst wird. Damit wird gewährleistet, dass die Stabilisierungsdrehzahl NV und damit die Phasenlage der virtuellen seismischen Masse VSM nicht der der Netzfrequenz FN davoneilt.
FIG. 3C zeigt schematisch eine Übertragungskurve KU des Phasenreglers 136, die insbesondere auch im Sollphasen-Generator 164 bei der Bestimmung der Motor-Soll-Phase PV berücksichtigt wird. Die Übertragungskurve KU ist als Verlauf eines vom Generator 140 übertragenen Moments MD in Abhängigkeit des Polradwinkels PRW des Generators 140 dargestellt. Insbesondere wird, indem die Motor-Soll-Phase PV nicht mehr als den Betrag einer Kippgrenze KG, also als ein Kippwinkel von insbesondere 90°, von der Generatorsatz-Phase PG des Generators 140 abweicht, sichergestellt, dass ein Soll-Polradwinkel SPRW stets unterhalb der Kippgrenze KG bleibt und somit ein Kippen des Generators 140 vermieden wird. Die Übertragungskurve KU befindet sich stets unterhalb einer Momentenkurve MKS des Generators 140, insbesondere der Synchronmaschine 142, wobei die Momentenkurve MKS das maximal vom Generator 140 übertragbare Drehmoment MD in Abhängigkeit des Polradwinkels PRW beschreibt. An der Kippgrenze KG, die vorliegend 90° beträgt, hat die Momentenkurve MKS als Maximum ein Kippmoment KM erreicht. Für einen Polradwinkel PRW, der größer ist als die Kippgrenze, nimmt die Momentenkurve MKS wieder ab. Eine maschinenproportionale Übertragungskurve KUP stellt eine Sonderform einer Übertragungskurve KU dar, die vorteilhaft ist für eine Anzahl von mehreren Generatorensätzen, die ein gleichmäßiges Lastannahmeverhalten aufweisen sollen. Insbesondere ist dies der Fall, wenn in der Anzahl der Generatorsätze unterschiedlich große Generatoren bzw. Generatorsätze eingesetzt werden, und somit unterschiedlich große Kippmomente vorhanden sind.
Ein Maximalmoment MMAX als Maximalwert des vom Generator 140 gemäß der Übertragungskurve KU maximal übertragenen Drehmoments MD ist kleiner oder gleich dem Kippmoment KM und liegt an einem Maximal-Polradwinkel PRWM unterhalb oder auf der Kippgrenze KG.
In FIG. 3D ist schematisch ein Verlauf der Netzfrequenz FN, des Polradwinkels PRW eines Generators 140 und eines von dem Generator 140 übertragenen Moments MD in drei Diagrammen zu drei Zeitpunkten TI, T2, T3 dargestellt. Im Ausgangszustand befindet sich die Netzfrequenz FN auf dem Wert einer Betriebs-Netzfrequenz FNB. Beim ersten Zeitpunkt TI findet ein Laststoß LS statt, welcher aufgrund der durch den Laststoß LS plötzlich erhöhten Leistungsanforderung durch das Versorgungsnetz 1000 unmittelbar zu einem Drehzahl einbruch DE der Generatorsatz- Drehzahl NG führt. Es summiert sich über der Zeit die Differenz des Netzsdrehzahleinbruches zur konstant laufenden virtuellen seismischen Masse VSM zu einer Phasendifferenz auf.
Zur Aufnahme des Laststoßes LS wird zum ersten Zeitpunkt TI durch den Sollphasen-Generator 164 die Motor-Soll-Phase PV, und darauf entsprechend durch den Phasendetektor 134 der Polradwinkel PRW als Eingangsgröße für den Phasenregler 136 zur Erhöhung des vom Generator 140 übertragenen Drehmoments MD vergrößert, und zwar ausgehend von einem Betriebs- Polradwinkel PRWB zu einem ersten Zeitpunkt TI auf einen maximal -Polradwinkel PRWM zu einem zweiten Zeitpunkt T2. Dies hat zur Folge, dass das vom Generator übertragene Drehmoment MD von einem ersten Betriebs-Drehmoment MDB zum Zeitpunkt TI bis zu dem Drehmoment zu einem zweiten Zeitpunkt T2 erhöht wird, dass die Netzfrequenz auf den ursprünglichen Wert stabilisiert wird. Erreicht zu dem zweiten Zeitpunkt T2 der Polradwinkel PRW einen Maximal- Polradwinkel PRWM, welcher unterhalb der Kippgrenze, beispielsweise bei 85° liegt, wird das Drehmoment gemäß Fig 2C abgeregelt, um ein Kippen zu vermeiden. Dies ist im gestrichelten Verlauf angedeutet.
Durch das hier beschriebene Verfahren kann vorteilhaft eine entsprechend flache Droop- Charakteristik erreicht werden, bei dem das Übertragungsmoment des Generators unter Berücksichtigung einer möglichen Kippgefahr auf Basis eines Modells einer virtuellen seismischen Masse maximiert werden kann, und insbesondere auch durch einen entsprechend starken, das heißt über eine ausreichende Nennleistung verfügenden, Motor des Generatorsatzes. Durch ein entsprechendes Steuern, insbesondere Beschleunigen, dieses Motors durch Anpassung der momentenbildenden Verbrennungs- Steuergrößen kann somit im Falle eines Laststoßes ein Abfallen der Generatorsatz -Drehzahl in Grenzen gehalten und diese schnell wieder auf eine, einer Soll-Netzfrequenz entsprechenden Generatorsatz-Drehzahl geführt werden. Somit wird durch eine entsprechende Nennleistung des Motors und das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung die größere Massenträgheit einer Groß-Turbine bzw. das drehzahlstabilere Nachlaufverhalten einer solchen Groß-Turbine bei einem Laststoß simuliert, um die netzstabilisierenden Eigenschaften des Generatorsatzes zu verbessern.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 Generatorsatz
112 Umrichter
120 Brennkraftmaschine
122 Motor
124 Hauptwelle des Generatorsatzes
126 Einspritzeinrichtung
134 Phasendetektor
136 Phasenregler
138 Dämpfungsglied
140 Generator
142 Synchronmaschine
144 Netzsignal-Leitung
146 Generator-Signal-Leitung
150 Generatorsatz- Steuerung
154 Schalter
157 Drehzahl - Steuerl eitung
158 Phasenregler-Leitung 162 Synchronisierungs-Regler 164 Sollphasen-Generator
164.1 Netzsignal-Eingang
164.2 Generator-Signal-Eingang 164A Synchronitäts-Modul 164B Berechnungsmodus 164C Netzsignal-Modul 170 Übertragungskurven-Anpassungsmodul 172 Drehzahlfilter 180 Motorsteuerung 200 Einrichtung zum Betreiben eines Generatorsatzes, Phasenregelkreis 1000 Versorgungsnetz
API, AP2 erster, zweiter Arbeitspunkt DC Droop-Charakteri stik DC1, DC2 erste, zweite Droop-Charakteristik
DE Drehzahleinbruch
EM Einspritzmenge
EP momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße
FG Genofrequenz, Generatorsatz-Frequenz
FN Netzfrequenz
FNB Betriebs-Netzfrequenz
IE Erregerstrom
KG Kippgrenze
KM Kippmoment
KU Übertragungskurve des Generators
KUP, KUP‘ maschinenproportionale Übertragungskurve
LS Laststoß
MD Übertragungsmoment
MKS maximale Momentenkurve des Generators
MMAX Maximalmoment der Übertragungskurve
MPRK maschinenproportionale Phasenregelkurve
NG Generatorsatz-Drehzahl
NGl, NG2 erste, zweite Generator satz-Drehzahl
NV virtuelle Stabilisierungsdrehzahl
OUT1, OUT2 erste, zweite Ausgangsvariable
P elektrische Leistung
PI, P2 Nennleistung eines ersten, zweiten Generatorsatzes
PGES Gesamt-Nennleistung einer Anzahl von Generatorsätzen
PD Phasendifferenz
PG Generatorsatz-Phase
PGS Generatorsatz-Sollphase
PM Motorphase
PN Netzphase
PRM Phasenregelmodus
PRW Polradwinkel
PRWM Maximal-Polradwinkel
PV Motor-Soll-Phase
SG Generatorsatz- Signal SGN Signal der Generatorsatz-Drehzahl
SN Netzsignal
SPRW Soll-Polradwinkel SYNC Sy nchronitätsvari abl e UG vom Generator erzeugte Spannung, Generatorsatz-Spannung UN Netzspannung VSM virtuelle seismische Masse

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Generatorsatzes (100) mit einer Brennkraftmaschine (120) und einem mit einem Motor (122) der Brennkraftmaschine (120) momentenübertragend verbundenen Generator (140) zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung (P) an ein elektrisches Versorgungsnetz (1000) oder zum Annehmen der elektrischen Leistung (P) von diesem, wobei dem Versorgungsnetz (1000) eine Netzfrequenz (FN), eine Netzspannung (UN) und eine Netzphase (PN) zugeordnet sind, aufweisend die Schritte:
Angeben einer Generatorsatzfrequenz (FG) und einer Generatorsatz-Phase (PG) einer Spannung (UG) der vom Generator (140) erzeugten Leistung (PG), insbesondere abhängig von einer Generatorsatz -Drehzahl (NG) beim Betrieb der Brennkraftmaschine (120),
Anpassen einer momentenbildenden Verbrennungs- Steuergröße (EP) für den Motor, gekennzeichnet durch den Schritt:
Betreiben des Motors (122) der Brennkraftmaschine (120) in einem Phasenregelmodus (PRM) unter Regelung einer Motorphase (PM) durch einen Phasenregler (136) zur Änderung der Generatorsatz-Phase (PG), wobei die Motorphase (PM) in einer bekannten Phasenbeziehung zur Generatorsatz-Phase (PG) steht, und die momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße (EP) für den Motor (122) zum Anpassen der Motorphase (PM) an eine Motor-Soll-Phase (PV) eingestellt wird, und die Motor-Soll-Phase (PV) mittels eines dem Phasenregler (136) vorgeordneten Sollphasen- Erzeugers (164), in Abhängigkeit eines rechnerischen rotatorischen Bezugssystems bestimmt wird, das die Drehbewegung einer fiktiven, trägheitsvergrößernden Masse (VSM) mit einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl (NV) beschreibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl (NV) in Abhängigkeit von der Netzfrequenz (FN) und der Netzphase (PN) zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Stabilisierungsdrehzahl (NV) in Abhängigkeit einer Kippgrenze (KG) derart angepasst wird, dass die Motor-Soll-Phase (PV) und/oder ein Soll-Polradwinkel (SPRW) einen Wert zwischen 0° und der Kippgrenze (KG) annimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Soll- Phase (PV) in Abhängigkeit einer Übertragungskurve (KU) des Generators (140) bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Soll-Phase (PV) derart bestimmt wird, dass ein Übertragungsmoment (MD) des Generators (140) vergrößert wird, insbesondere ein Maximalmoment (MMAX) erreicht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert der
Übertragungskurve (KU) für positive Werte eines Polradwinkels (PRW) kleiner oder gleich einem entsprechenden Wert einer maximalen Momentenkurve (MKS) des Generators (140) ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße (EP) eine Einspritzmenge (EM) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kippgrenze (KG) 90° elektrisch beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Übertragungskurve (KU) als maschinenproportionale Übertragungskurve (KUP) ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbrennungs- Steuergröße 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 umfasst, insbesondere einen Einspritz- oder Eindüsungs-Parameter und/oder einen Drosselparameter und/oder Zündparameter umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein Synchrongenerator ist.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorphase mittels einer Phasenlage der Kurbelwelle ermittelt wird, insbesondere als Zeitfunktion eines Motorwinkels und/oder Phasenlage der Kurbelwelle zur Verfügung gestellt ist.
13. 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 Brennkraft maschine und Generator.
14. Einrichtung (200) zum Betreiben eines Generatorsatzes (100), wobei der Generatorsatz (100) eine Brennkraftmaschine (120) und einen mit einem Motor (122) der Brennkraftmaschine (120) momentenübertragend verbundenen Generator (140) aufweist und zum Einspeisen einer elektrischen Leistung (P) in ein elektrisches Versorgungsnetz (1000) ausgebildet ist, wobei dem Versorgungsnetz (1000) eine Netzfrequenz (FN), eine Netzspannung (UN) und eine Netzphase (PN) zugeordnet ist, aufweisend eine Generatorsatz- Steuerung (150), ausgebildet zum Angeben einer Generatorsatzfrequenz (FG) und einer Generatorsatz-Phase (PG) einer Spannung (UG) der vom Generator (140) erzeugten Leistung (PG), insbesondere abhängig von einer Generatorsatz-Drehzahl (NG) beim Betrieb der Brennkraftmaschine (120), eine Motorsteuerung (180), ausgebildet zum Anpassen einer momentenbildenden Verbrennungs-Steuergröße (EP) für den Motor, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (200) einen Phasenregler (136) aufweist, ausgebildet zum Betreiben des Motors (122) der Brennkraftmaschine (120) in einem Phasenregelmodus (PRM) unter Regelung einer Motorphase (PM) zur Änderung der Generatorsatz-Phase (PG), wobei die Motorphase (PM) in einer definierten geometrischen Beziehung zur Generatorsatz-Phase (PG) steht, und die Motorsteuerung (180) ausgebildet ist, die momentenbildende Verbrennungs- Steuergröße (EP) für den Motor (122) zum Anpassen der Motorphase (PM) auf eine Motor-Soll-Phase (PV) einzustellen, und die Motor-Soll-Phase mittels eines dem Phasenregler vorgeordneten Sollphasen-Erzeugers in Abhängigkeit eines rechnerischen rotatorischen Bezugssystems bestimmt wird, das die Drehbewegung einer fiktiven, trägheitsvergrößernden Masse mit einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl beschreibt, insbesondere die Einrichtung (200) einen dem Phasenregler (136) vorgeordneten Sollphasen-Erzeuger (164) aufweist, ausgebildet zum Bestimmen der Motor-Soll-Phase (PV) über ein Modell einer virtuellen seismischen Masse (VSM) auf Basis einer virtuellen Stabilisierungsdrehzahl (NV) der virtuellen seismischen Masse (VSM).
15. Einrichtung (200) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Dämpfungsglied (138).
16. Einrichtung (200) nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch ein Übertragungskurven- Anpassungsmodul (170), ausgebildet zum Einstellen einer maschinenproportionalen Übertragungskurve (KUP), wobei die maschinenproportionale Übertragungskurve (KU1, KUP) des Generatorsatzes (100) proportional ist zu mindestens einer anderen maschinenproportionalen Übertragungskurve (KU2, KUP) mindestens eines weiteren Generatorsatzes (100‘).
17. Einrichtung (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch einen Drehzahlfilter (172), ausgebildet zum Herausfiltern von verbrennungsbedingten Drehschwingungsstößen aus einem Generatorsatz- Signal (SG) der Generatorsatz -Drehzahl (NG).
18. Generatorsatz (100) mit einer Brennkraftmaschine (120) oder Brennkraftmaschine (120) mit einem Motor (122) der Brennkraftmaschine (120) momentenüb ertragend verbundenen Generator (140) zum Speisen eines Versorgungsnetzes (1000) mit Energie (E), aufweisend eine Einrichtung (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 17 zum Betreiben des Generator satzes (100).
19. Generatorsatz oder Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, 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 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.
20. Generatorsatz oder Brennkraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, 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 bei der Generatorspannungsfrequenz, insbesondere der mit dem Motor der Brennkraftmaschine momentenübertragend verbundene Generator, insbesondere in Form eines Synchrongenerators, starr oder mittels einem Getriebe verbunden ist.
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