WO2022268780A1 - Regeleinrichtung zur regelung einer eine brennkraftmaschine und einen mit der brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen generator umfassenden leistungsanordnung, regelanordnung mit einer solchen regeleinrichtung, leistungsanordnung und verfahren zur regelung einer leistungsanordnung - Google Patents

Regeleinrichtung zur regelung einer eine brennkraftmaschine und einen mit der brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen generator umfassenden leistungsanordnung, regelanordnung mit einer solchen regeleinrichtung, leistungsanordnung und verfahren zur regelung einer leistungsanordnung Download PDF

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control
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Armin DÖLKER
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Rolls-Royce Solutions GmbH
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    • F02D2250/18—Control of the engine output torque

Definitions

  • Control device for controlling a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator drivingly connected to the internal combustion engine, control arrangement with such a control device, power arrangement and method for controlling a power arrangement
  • the invention relates to a control device for controlling a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator drivingly connected to the internal combustion engine, a control arrangement with such a control device, a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator drivingly connected to the internal combustion engine, with such a control device or with such a control arrangement , and a method for controlling such a power arrangement.
  • Such a control device is typically set up to control a rotational speed of the internal combustion engine and, indirectly via this, a generator frequency of the generator which is drive-actively connected to the internal combustion engine. This is problematic insofar as a comparatively dynamic variable is used for regulation. Thus, the control is intrinsically comparatively less robust, from which a stationary control behavior suffers in particular.
  • the speed controller has to be parameterized in a special way in order to be able to control the generator frequency. Furthermore, a separate adaptation is required for each speed controller of each specific power arrangement.
  • the invention is based on the object of providing a control device for controlling a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator drivingly connected to the internal combustion engine, a control arrangement having such a control device, a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator drivingly connected to the internal combustion engine, having such a control device or with such a control arrangement, and to create a method for controlling such a power arrangement, the disadvantages mentioned not occurring.
  • the object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
  • the object is achieved in particular by creating a control device for controlling a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator drivingly connected to the internal combustion engine, the control device being set up to detect a generator frequency of the generator as a control variable in a first functional state.
  • the control device is also set up to determine a control deviation as the difference between the detected generator frequency and a setpoint generator frequency.
  • the control device is set up to determine a setpoint speed as a manipulated variable for controlling the internal combustion engine as a function of the control deviation.
  • the controller is also set up to use a control law to determine the target speed.
  • the control device is set up to be operatively connected to a control device of the internal combustion engine in such a way that the setpoint speed can be transmitted from the control device to the control device.
  • control device is designed as a generator controller and can be operatively connected to the control device of the internal combustion engine in such a way that the setpoint speed can be transmitted from the control device to the control device.
  • control device proposed here calculates the target speed as a function of the control deviation determined as the difference between the detected generator frequency and the target generator frequency, comparatively slow control is provided which can readjust deviations from the target generator frequency in a robust manner.
  • the control device uses a control law for this purpose, a particularly robust configuration of the frequency control is achieved.
  • the dynamics for the operation of the power arrangement are provided separately from this by a speed controller implemented in the control device of the internal combustion engine. This results in a particularly robust configuration of the control device for the purpose of frequency control.
  • control device itself is designed as a generator controller and can be actively connected to the control device of the internal combustion engine, it can be used flexibly with different internal combustion engines in different power configurations. In particular the control device can also be used with internal combustion engines or power systems from other manufacturers.
  • a generator frequency is understood to mean in particular the frequency of the electrical voltage induced in the generator, in particular the frequency of the electrical output voltage of the generator.
  • a control law is understood to mean, in particular, a mathematical relationship, in particular an equation, which describes the behavior of a controller.
  • the control law describes the relationship between the manipulated variable and the control deviation.
  • the control law describes how the manipulated variable behaves as a function of the control deviation.
  • control law describes the behavior of a controller that is selected from a group consisting of a P controller, an I controller, a D controller, a PI controller, a PD controller, a PD1 controller, a PD2 controller, a PID controller, a PT 1 controller, a PT2 controller, a PI(DT1) controller, and a combination of at least two of the aforementioned controllers.
  • Control laws that describe the behavior of these and other controllers are known in principle to those skilled in the art.
  • the control law is preferably implemented in the control device, preferably in a hardware structure of the control device, or in the form of software that is executed on the control device during operation of the control device.
  • the manipulated variable it is possible, on the one hand, for the manipulated variable to be calculated explicitly as a function of the control deviation by carrying out specific calculation steps in the software; However, it is also possible for the manipulated variable to be determined as a function of the control deviation on the basis of the specific interconnection of the hardware structure of the control device, that is to say it is calculated more or less indirectly.
  • a control device is understood to mean, in particular, a control device.
  • a control arrangement is understood to mean, in particular, a control arrangement.
  • a control device is understood to mean, in particular, a control device.
  • a generator controller is understood to mean, in particular, a control device that is separate from the control device of the internal combustion engine, i.e. in particular an external control unit, which is set up to regulate the generator frequency of the generator by specifying the target speed for the internal combustion engine, in particular the target speed as a manipulated variable to the To transmit control device of the internal combustion engine.
  • a generator controller itself is not a control device for the internal combustion engine, in particular not a so-called engine control unit (ECU).
  • the generator regulator is provided in addition to the control device for the internal combustion engine, that is to say in addition to the control unit.
  • a power arrangement is understood here in particular to be an arrangement made up of an internal combustion engine and an electric machine that can be operated as a generator, i.e. a generator, with the internal combustion engine being operatively connected to the generator in order to drive the generator.
  • the power arrangement is thus set up in particular to convert chemical energy converted into mechanical energy in the internal combustion engine into electrical energy in the generator.
  • the power arrangement can be operated alone—in a so-called island operation—or with a plurality of—in particular few—other power arrangements together in a network, ie in an island parallel operation.
  • the first functional state is preferably assigned to an isolated parallel operation or parallel operation of a power system equipped with the control device.
  • the control device is preferably set up to assume the first functional state when a power arrangement that is operatively connected to it is in isolated parallel operation or parallel grid operation--i.e. H. in particular in combination with at least one other power arrangement or on a national power grid - is operated.
  • the control device is preferably set up in the first functional state in order to vary the setpoint speed—in particular as a function of an instantaneous load requirement.
  • the control device preferably has an interface via which it can be operatively connected to a control device of the internal combustion engine in such a way that the setpoint Speed can be transmitted via the interface from the control device to the control device.
  • the control device is operatively connected--in particular via the interface--to a control device of the internal combustion engine in such a way that the setpoint speed can be transmitted from the control device to the control device.
  • the control device is also set up to receive at least one torque variable from the control device.
  • the interface is preferably set up in such a way that, in addition to the output of the setpoint speed, the at least one torque variable can be received via the interface.
  • a separate, second interface to be provided for receiving the at least one torque variable.
  • the control device is set up to adapt the control law used to determine the setpoint speed as a function of at least one adaptation variable, the at least one adaptation variable being selected from a group consisting of a droop variable and a torque value—calculated in particular by the control device of the internal combustion engine.
  • This torque variable is preferably the at least one torque variable received via the interface or via a separate, second interface.
  • the use and especially the adaptation of the control law make it possible to operate the control device in combination with a large number of different power arrangements, in particular with a large number of different internal combustion engines, without a specific adaptation to the power arrangement actually being operated, in particular to the internal combustion engine actually being operated , requirement.
  • the power arrangement, in particular the internal combustion engine can be operated virtually without any adjustments, so that the adaptation effort otherwise required with conventional control devices and methods is advantageously minimal when using the technical teaching according to the invention, preferably completely eliminated.
  • control law is adapted as a function of the at least one adaptation variable also advantageously makes it possible to keep a loop gain of the open control loop similar at all operating points, preferably at a predetermined value, in particular at a value parameterized by the user, across all operating points. This in turn simplifies the control behavior and at the same time the adjustment of the control device to the specific application.
  • the control device is easy to adapt in this way and can be used easily and reliably, which last but not least also saves costs in use.
  • adaptation of the control law as a function of at least one adaptation variable is understood in particular to mean that at least one parameter determining the control law is changed as a function of the at least one adaptation variable.
  • the control law is adapted as a function of the at least one adjustment variable by changing the proportional coefficient of the control law as a function of the at least one adjustment variable.
  • the control law is determined in particular by the proportional coefficient as a parameter.
  • An adaptation variable is accordingly understood as a variable, depending on which the at least one parameter determining the control law is changed.
  • an adjustment variable is a variable on which a value of the at least one parameter that determines the control law depends.
  • the droop size is preferably a size provided and used to ensure a predetermined power distribution among a plurality of power assemblies. Droop size is also known as P grade. A finite value of, in particular, a few percentage points, preferably at most 8%, preferably 4%, is preferably assigned to the droop size in the first puncture state. The droop size also has a dampening and stabilizing effect on the behavior of the power arrangement in conjunction with other power arrangements. However, the droop size can also be chosen to be zero in the first puncture state if the power distribution does not take place in the control device itself, but in a higher-level control device which is connected upstream of the control device in particular.
  • the droop magnitude takes on the value zero when the controller does not assume a power distribution.
  • the droop size preferably has the value zero.
  • the second functional state is associated with isolated operation of a power arrangement that is operatively connected to the control device, ie operation of the power arrangement as the sole power generation device in a—particularly comparatively small—power grid. Accordingly, no power distribution is required.
  • the torque variable is, in particular, an instantaneous torque of the internal combustion engine, preferably a time-delayed, in particular filtered torque.
  • the torque variable is preferably a variable derived from the—in particular instantaneous—torque of the internal combustion engine.
  • the control law is preferably tracked as a function of the at least one adjustment variable, with it being adjusted--in particular automatically--in particular to changing operating points of the power arrangement.
  • control device is set up to keep the control law constant—in particular independently of a current operating point of the power arrangement.
  • control device is preferably set up to adapt, in particular to track, the control law in the first functional state as a function of the at least one adaptation variable.
  • the control device is preferably set up to adapt, in particular to track, the control law used to determine the setpoint speed in the first functional state as a function of the droop size and the torque size.
  • the control device is preferably set up to keep the control law used to determine the setpoint speed constant in the second functional state.
  • a stationary state is considered, which is why the variables concerned are provided with the index "stat".
  • the relationships, connections and equations derived in this way are also valid in transient states.
  • the control law is preferably determined in particular by: with the proportional coefficient k p , the predetermined, preferably predefinable
  • the full-load torque My corresponds in particular to the torque at 100% engine power of the internal combustion engine.
  • Equation (1) is sometimes also briefly referred to as a control law.
  • Equation (1) shows that in the first functional state - which is preferably associated with island parallel operation or grid parallel operation, with the droop variable df preferably being different from zero - the proportional coefficient k p with a specified, constant loop gain vf with the droop -Size d and the torque M stat varies.
  • Equation (1) can be derived in particular if one starts from the linearized representation of the control circuit according to FIG. namely considering the complex variables s according to the following equation:
  • the transfer function G s (s ) of the controlled system of the frequency controller starting from the setpoint speed n o u up to the output of the actual frequency fi s , can be read off as:
  • the transfer function according to equation (10) can be derived from the model of the controlled system as a two-mass oscillator in the following way:
  • Equation (16) can easily be derived from a consideration of the electrodynamic load behavior of the generator, is given by Linearization in a steady state after some transformations:
  • Equation (1) in particular assuming a controller that includes at least one P controller, that is, for example, a P controller, a PI controller, a PID controller, or a PI(DTi) controller.
  • the control device is set up to adapt the control law by determining the proportional coefficient k p of the control law in such a way that the predetermined loop gain vf of the open control loop is constant.
  • the control device is preferably set up to determine the proportional coefficient k p in such a way that the predetermined loop gain vf—in particular over all operating points of the power arrangement—remains constant.
  • the control device is advantageously easy to adapt in this way and can be used easily and reliably.
  • Equation (1) in particular shows that it is possible to always adapt the proportional coefficient k p in such a way that the loop gain vf is constant—in particular independently of the instantaneous operating point of the power arrangement.
  • the predetermined loop gain vf can preferably be parameterized, ie in particular can be set or specified by a user. In this way, a user can Control device or a user of a power arrangement that is operated with the control device, set the loop gain vf in the desired manner.
  • the proportional coefficient k p is then suitably adapted to the loop gain vf selected by the user. This has the advantage that no complex tuning of the control device to the power arrangement is required.
  • the control device is set up in particular to select the proportional coefficient k p proportional to the predetermined loop gain vf.
  • the predetermined loop gain vf is preferably set once or at most infrequently by a user and otherwise kept constant. It can thus be regarded as a constant, at least during ongoing operation of the power arrangement.
  • the control device is set up to determine the proportional coefficient k p as a function of the droop variable d and the torque variable.
  • the control device is preferably set up to determine the proportional coefficient k p according to equation (1). In this way, the proportional coefficient k p can be tracked flexibly and precisely.
  • the control device is set up to select the proportional coefficient k p only as a function of the predetermined loop gain vf, ie preferably constant at least during operation of the power arrangement.
  • the control device is set up to determine the proportional coefficient k p according to equation (2). This represents a simplified design of the control device that is optimized in particular in terms of computational complexity.
  • control device is set up to filter an instantaneous actual frequency of the generator and to use the filtered actual frequency as the detected generator frequency.
  • the instantaneous actual frequency is preferably measured directly at the generator.
  • the current actual frequency filtered with a PTi filter or an averaging filter, the detected generator frequency resulting from the PTi filter or the averaging filter.
  • control device is set up in order to preset the setpoint speed to be constant in the second functional state.
  • This represents a particularly stable way of controlling the generator frequency, especially in stand-alone operation, with the speed controller in particular reacting immediately to changing load requirements. For example, an application of load leads to a downward deviation from the setpoint speed, and a removal of load leads to an upward deviation from the setpoint speed, with the corresponding deviation being corrected directly by the speed controller.
  • the object is also achieved by creating a control arrangement for controlling a power arrangement comprising an internal combustion engine and a generator that is drivingly connected to the internal combustion engine, which has a control device according to the invention or a control device according to one or more of the exemplary embodiments described above and a control device that is operatively connected to the control device for direct Having control of the internal combustion engine.
  • the control device is set up to transmit the setpoint speed to the control device.
  • the control device is preferably an engine regulator of the internal combustion engine .
  • the control device is particularly preferably what is known as an engine control unit (ECU).
  • the engine controller or the ECU is preferably set up to calculate at least one energization duration for at least one fuel injection valve, in particular an injector, of the internal combustion engine using the target speed—preferably via the intermediate step of a target torque.
  • the control device preferably has a speed controller, or a speed controller is implemented in the control device.
  • the speed controller is preferably designed as disclosed in patent specification DE 102008036 300 B3.
  • the control device is set up to determine at least one torque variable, in particular to calculate, and to transmit to the control device, wherein the control device is set up to receive the at least one torque variable from the control device.
  • the at least one torque variable is in particular that torque variable which is preferably used in the control device to adapt, in particular track, the control law, in particular according to equation (1).
  • the control device is set up to determine as the at least one torque variable a variable that is selected from a group consisting of a—preferably filtered—target torque and an integral component for the target torque a speed controller of the control device.
  • the at least one torque variable is the setpoint torque, which is used in the control device to calculate an energization duration for the fuel injection valves, in particular as a manipulated variable for the speed controller.
  • the at least one torque variable is preferably an integral component (I component) of the setpoint torque.
  • the at least one torque variable is preferably a torque, or an integral component of a torque, or a variable derived from a torque in some other way.
  • the object is also achieved by creating a power arrangement that has an internal combustion engine and a generator that is drivingly connected to the internal combustion engine.
  • the power arrangement has a control device according to the invention or a control device according to one or more of the exemplary embodiments described above.
  • the power arrangement has a control arrangement according to the invention or a control arrangement according to one or more of the exemplary embodiments described above.
  • the control device or the control arrangement is operatively connected to the internal combustion engine and the generator of the power arrangement.
  • a method for controlling an internal combustion engine and a generator which is drivingly connected to the internal combustion engine comprehensive power arrangement is created, in a first mode, a generator frequency of the generator is detected as a controlled variable.
  • a control deviation is determined as the difference between the detected generator frequency and a setpoint generator frequency.
  • a setpoint speed is determined as a manipulated variable for controlling the internal combustion engine as a function of the control deviation.
  • the setpoint speed is determined, in particular calculated, using a control law.
  • the first mode of operation of the method is preferably assigned to an isolated parallel operation or a grid parallel operation of the power arrangement.
  • the control law used to determine the setpoint speed is preferably adapted as a function of at least one adaptation variable.
  • the at least one adjustment variable is selected from a group consisting of a droop variable and a torque variable—calculated in particular by the control device of the internal combustion engine.
  • the control law is preferably kept constant.
  • the setpoint speed is preferably specified as constant.
  • the droop size is preferably chosen to be zero.
  • An isolated operation of the power arrangement is preferably assigned to the second operating mode.
  • the control law is adjusted by determining a proportional coefficient of the control law such that a predetermined open-loop gain is constant to be shown to remain constant.
  • the proportional coefficient is preferably determined as a function of the droop size and of the torque size, preferably according to equation (1).
  • the proportional coefficient is preferably only a function of the predetermined loop gain, ie preferably in ongoing operation of the internal combustion engine constant selected.
  • the proportional coefficient is preferably determined according to equation (2).
  • An instantaneous actual frequency of the generator is preferably filtered, and the filtered actual frequency is used as the detected generator frequency.
  • Figure 1 is a first schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 2 shows a second schematic illustration of the exemplary embodiment of the power arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a third schematic illustration of the exemplary embodiment of the power arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a detailed representation of a controller for frequency control
  • FIG. 5 shows a detailed illustration of an embodiment of a method for calculating the proportional coefficient for the frequency control
  • FIG. 6 shows a schematic, diagrammatic representation of the functioning of an embodiment of a method for controlling a power arrangement.
  • the power arrangement 1 shows a first schematic representation of an embodiment of a power arrangement 1 with a first embodiment of a control device 3.
  • the power arrangement 1 has an internal combustion engine 5 and a generator 9 drivingly connected to the internal combustion engine 5 via a shaft 7 shown schematically.
  • the control device 3 is operatively connected to the internal combustion engine 5 on the one hand and to the generator 9 on the other hand.
  • control device 3 is set up to control the power arrangement 1, wherein it is set up to detect a generator frequency fc of the generator 9 as a controlled variable, to determine a control deviation as the difference between the detected generator frequency fc and a setpoint generator frequency f desired , and to a setpoint speed n is to be determined as a manipulated variable for controlling internal combustion engine 5 as a function of the control deviation.
  • the control device 3 is also set up to a control law Determining the target speed n is to be used.
  • the control device 3 is designed as a generator controller and is operatively connected to a control device 11 of the internal combustion engine 5 in such a way that the setpoint speed n setpoint can be transmitted from the control device 3 to the control device 11 . At the same time, this enables a particularly robust frequency control and a diverse range of uses for the control device 3, in particular with a large number of power arrangements 1.
  • the regulating device 3 and the control device 11 together form a regulating arrangement 13 for regulating the power arrangement 1.
  • the control device 11 is preferably designed as an engine regulator, in particular as an engine control unit (ECU).
  • the control device 11 is set up in particular to calculate at least one torque variable and to transmit it to the control device 3 , with the control device 3 being set up to receive the at least one torque variable from the control device 11 .
  • control device 11 is preferably set up to determine a variable as the torque variable that is selected from a group consisting of a - preferably filtered - target torque M set and an integral component of a speed controller 21 - shown in Figure 2 - of control device 11 , In particular an integral component M s l ol of the target torque M set -
  • a further input variable of the control device 3 is optionally a droop variable d.
  • the control device 11 also has the target speed n set and a detected speed n st as input variables. From this, the control device 11 calculates a speed control deviation. From this speed control deviation, the control device 11 finally calculates an energization duration BD for controlling fuel injection valves of the internal combustion engine 5. The control device 11 preferably first calculates the setpoint torque M soll from the speed control deviation and from this in turn the energization duration BD.
  • FIG. 2 shows a second schematic representation of the exemplary embodiment of the power arrangement 1 according to FIG. 1, in particular in the form of a block diagram.
  • an actual frequency factual detected at the generator 9 is filtered in a frequency filter 15, and the filtered actual frequency fist is used as the detected generator frequency fc.
  • the frequency filter 15 is preferably a PTi filter or an average filter.
  • the frequency filter 15 is preferably part of the control device 3, which also has a frequency controller 17 , which calculates the target speed n target from the control deviation e/ as the difference between the target generator frequency / so// and the detected generator frequency fc.
  • the set speed n set can be an absolute set speed—unrelated to a rated speed H N —or a relative set speed—particularly as a difference from the rated speed H N . If the setpoint speed n setpoint is a relative speed, the nominal speed H N is added to the output of the frequency controller 17 in the control device 11, as shown in dashed lines.
  • the control device 11 has a speed filter 19, which is preferably designed as a PTi filter or averaging filter.
  • a measured speed n mess that is preferably used to calculate the speed control deviation e n results from filtering the actual speed n st measured directly on the internal combustion engine 5 using the speed filter 19.
  • the control device 11 also has the speed controller 21, which is Speed control deviation e n the target torque M is and preferably from this - in a manner not shown - the energization duration BD calculated.
  • a controlled system 23 of the speed control circuit assigned to the speed controller 21 includes the internal combustion engine 5 and the generator 9.
  • a differential speed An is preferably calculated on the basis of the droop variable d, with an effective desired speed n efj being calculated by adding the differential speed An to the desired speed n desired -- alternatively the nominal speed HN.
  • the effective set speed n ej f is used to calculate the speed control deviation e n by using the effective set Speed n ejj the measured speed n meSs is subtracted.
  • the differential speed An is calculated in a calculation block 25 .
  • the input variables of the calculation block 25 are the integral component Mi oll of the setpoint torque M setpoint calculated by the speed controller 21 , the droop size d, the full-load torque Mv, and a nominal speed H N for the internal combustion engine 5, the nominal Speed H N can be 1500 min 1 , for example.
  • the differential speed An is preferably calculated according to the following equation:
  • the droop variable d is preferably set to a finite value, in particular in the single-digit percentage range, preferably to a maximum of 8%, preferably 4%.
  • the droop variable d can in particular be specified by a user of the power arrangement 1 or the control device 3, ie in particular it can be parameterized.
  • the droop size d is preferably set to zero, both in the control device 3 and in the control device 11. If the droop size d is equal to zero , the differential speed An disappears at the same time, so that the effective target speed n e ff is equal to the target speed n set .
  • the droop variable d is not zero, the following results: If the internal combustion engine 5 is running under full load, the integral component Mi oll of the setpoint torque M setpoint is equal to the full-load torque Mv, so that the differential speed An is equal to zero. If, on the other hand, the internal combustion engine 5 is idling, the integral component is M ⁇ . 0 ⁇ i is equal to zero, and the differential speed An is equal to the percentage of the nominal speed H N determined by the droop size d. If the rated speed is 1500 rpm and the droop size d is 4 %, the value of the differential speed An varies between 0 rpm at full load and 60 rpm when idling.
  • FIG. 3 shows a third schematic representation of the power arrangement 1 according to FIG. 1, in this case as a linearized block diagram.
  • the individual controls are through Transmission blocks are shown with correspondingly assigned transmission functions.
  • the controlled system 23 in FIG. 3 is shown divided into two transmission blocks, namely a transmission block assigned to the internal combustion engine 5, characterized by the transmission function with the setpoint torque M setpoint as the input variable and the actual speed m st as the output variable, and a transmission block assigned to the generator 9, characterized by the transfer function G S J (s), with the same input variable, namely the setpoint torque M setpoint , and the actual frequency fi st as output variable.
  • the speed controller 21 is represented by a first multiplication element 27 for calculating a proportional component of the target torque M soll by multiplying it by the speed proportional coefficient , and a first integrator 29 for the calculation of the integral component M s l o u of the target torque M SOÜ by multiplying by a term with the reset time and the complex variable s.
  • the speed controller 21 here a PI transfer behavior since the first multiplication element 27 has a proportional transfer behavior and the first integrator 29 has an integral transfer behavior.
  • the calculation block 25 is given a negative sign here by the linearization, so that the differential speed An calculated in the calculation block 25 is now subtracted from the setpoint speed n set . Due to the linearization, the differential speed An is calculated in the calculation block 25 according to the following modified equation:
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a detail of the frequency controller 17 according to FIG. 3, which is preferably implemented as a PI controller.
  • the control deviation e/ is first multiplied by the proportional coefficient, so that a proportional component for the target Speed n S oii results.
  • the proportional component h o1i is divided by the product of the reset time and the complex variable s in Integral component for the setpoint speed n is calculated, which is then added to the proportional component. This results in the target speed n set as initial size.
  • the transfer function of the frequency controller 17 is thus given by:
  • the proportional coefficient is preferably calculated according to equation (1).
  • the control law is adjusted in particular by the proportional coefficient so it is determined that the predetermined loop gain vf is constant, in particular remains constant.
  • FIG. 5 shows a detailed illustration of an embodiment of a method for calculating the proportional coefficient for the frequency control according to equation (1).
  • a second multiplier 33 multiplies the predetermined loop gain vf by a factor of 900 and an output of a summation element 35 .
  • the proportional coefficient results as the output of the second multiplication element 33.
  • the summation element 35 the number 1 is added to the output of a third multiplication element 37.
  • the droop variable d is multiplied by the torque M stat and the reciprocal of the full-load torque My.
  • the reciprocal of the full-load torque My is formed in a division element 39 from the full-load torque My.
  • the torque M stat can be determined in two different ways: On the one hand from the integral component delayed by a sampling step t a .
  • a to switch switch 41 provided between the two types of calculation is arranged in the upper switch position according to FIG.
  • the torque M stat can be calculated from the setpoint torque M setpoint calculated by the control device 11 . This too is first delayed by a sampling step t 1 , then filtered by a filter 43, the filter 43 preferably being a PTi filter. This calculation is active when the switch 41 is in the lower switch position according to FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic, diagrammatic representation of the functioning of an embodiment of a method for controlling the power arrangement 1.
  • the method is illustrated using five time diagrams.
  • a first time diagram at a) shows in particular a time profile of the actual frequency / / s; of the generator 9.
  • a second time diagram at b) shows a time profile of the setpoint speed n set in the unit min "1.
  • a third time diagram at c) shows the time profile of the integral component M s l o u of the setpoint torque M setpoint
  • a fourth time diagram at d) shows the progression over time of the speed n of the internal combustion engine 5.
  • a fifth time diagram at e) shows the progression over time of the differential speed An.
  • a first dashed curve represents the progression of the constant target frequency f target of the generator 9, which is preferably 50 Hz.
  • a load is applied, which means that the actual frequency fi st , which is represented by a second solid curve, drops.
  • the actual frequency fi st increases again, reaches the value of the setpoint frequency f setpoint again , overshoots, and finally levels off at the value of the setpoint frequency f setpoint at a second point in time t 2 .
  • the load is dropped again.
  • the actual frequency fi st subsequently increases and finally levels off again at the value of the target frequency / so « at a fourth point in time t4.
  • the internal combustion engine 5 is operated in parallel operation with the mains.
  • the default droop size is 4%.
  • the second time diagram at b) shows the course over time of the set speed n set .
  • the differential speed An is shown in the fifth time diagram.
  • the load increase shown in the first timing diagram represents an increase in a 50% load - based on full load - when the load is switched off, this 50% load should be shed again.
  • the internal combustion engine 5 Up to the first point in time ti, the internal combustion engine 5 is in a load-free state, so that—as shown in the fifth time diagram—a value of 60 rpm results for the differential speed An.
  • the target speed n target is up to the first point in time ti 1440 min "1 .
  • the 50% load that is present at the second point in time t2 is switched on.
  • the Differential speed An is therefore 30 rpm at the second point in time.
  • the setpoint speed n setpoint is therefore 1470 rpm at the second point in time t2.
  • the setpoint speed n setpoint therefore increases from the first point in time ti to the second point in time t2 from 1440 min "1 to 1470 min " 1.
  • the differential speed An falls from 60 min "1 to 30 min "1 during this period.
  • the integral component M s l o u shown in the third time diagram at c) is 0 Nm up to the first point in time ti, since there is no load. Starting from the first point in time ti, it then increases up to the second point in time t2 to the value 5000 Nm, which in the exemplary embodiment shown here corresponds to a load of 50% of the full-load torque My.
  • the measured speed n me ss and the effective setpoint speed n eff are shown one above the other.
  • both values are typically constant and identical to 1500 rpm.
  • Switching off the load at the third point in time ti results in the setpoint speed n set in the second time diagram being reduced back to its initial value of 1440 rpm will.
  • the integral part M ⁇ . 0 ⁇ i according to the third time diagram is reduced again to the value 0 Nm.
  • the differential speed An shown in the fifth time diagram is increased again to the value of 60 rpm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung (3) zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine (5) und einen mit der Brennkraftmaschine (5) antriebswirkverbundenen Generator (9) umfassenden Leistungsanordnung (1), wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um in einem ersten Funktionszustand ˗ eine Generatorfrequenz (fG) des Generators (9) als Regelgröße zu erfassen, ˗ eine Regelabweichung (ef) als Differenz der erfassten Generatorfrequenz (fG) zu einer Soll-Generatorfrequenz (fsoll) zu ermitteln, ˗ eine Soll-Drehzahl (nsoll) als Stellgröße zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine (5) in Abhängigkeit von der Regelabweichung (ef) zu bestimmen, wobei ˗ die Regeleinrichtung (3) außerdem eingerichtet ist, um ein Regelgesetz zur Bestimmung der Soll-Drehzahl (nsoll) zu verwenden, wobei ˗ die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um mit einer Steuereinrichtung (11) der Brennkraftmaschine (5) derart wirkverbunden zu werden, dass die Soll-Drehzahl (nsoll) von der Regeleinrichtung (3) an die Steuereinrichtung (11) übermittelt werden kann.

Description

BESCHREIBUNG
Regeleinrichtung zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator umfassenden Leistungsanordnung, Regelanordnung mit einer solchen Regeleinrichtung, Leistungsanordnung und Verfahren zur Regelung einer Leistungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator umfassenden Leistungsanordnung, eine Regelanordnung mit einer solchen Regeleinrichtung, eine Leistungsanordnung, umfassend eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator, mit einer solchen Regeleinrichtung oder mit einer solchen Regelanordnung, und ein Verfahren zur Regelung einer solchen Leistungsanordnung.
Eine solche Regeleinrichtung ist typischerweise eingerichtet, um eine Drehzahl der Brennkraftmaschine und mittelbar darüber eine Generatorfrequenz des mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generators zu regeln. Dies ist insoweit problematisch, als eine vergleichsweise dynamische Größe zur Regelung herangezogen wird. Somit ist die Regelung intrinsisch vergleichsweise wenig robust, worunter insbesondere ein stationäres Regelverhalten leidet. Hinzu kommt, dass der Drehzahlregler eigens in besonderer Weise parametriert werden muss, um die Generatorfrequenz regeln zu können. Weiterhin bedarf es einer separaten Adaption für jeden Drehzahlregler jeder spezifischen Leistungsanordnung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator umfassenden Leistungsanordnung, eine Regelanordnung mit einer solchen Regeleinrichtung, eine Leistungsanordnung, umfassend eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator, mit einer solchen Regeleinrichtung oder mit einer solchen Regelanordnung, und ein Verfahren zur Regelung einer solchen Leistungsanordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten. Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Regeleinrichtung zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator umfassenden Leistungsanordnung geschaffen wird, wobei die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um in einem ersten Funktionszustand eine Generatorfrequenz des Generators als Regelgröße zu erfassen. Die Regeleinrichtung ist außerdem eingerichtet, um eine Regelabweichung als Differenz der erfassten Generatorfrequenz zu einer Soll-Generatorfrequenz zu ermitteln. Weiterhin ist die Regeleinrichtung eingerichtet, um eine Soll-Drehzahl als Stellgröße zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu bestimmen. Die Regeleinrichtung ist außerdem eingerichtet, um ein Regelgesetz zur Bestimmung der Soll- Drehzahl zu verwenden. Die Regeleinrichtung ist eingerichtet, um mit einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine derart wirkverbunden zu werden, dass die Soll-Drehzahl von der Regeleinrichtung an die Steuereinrichtung übermittelt werden kann. Insbesondere ist die Regeleinrichtung als Generatorregler ausgebildet und mit der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine derart wirkverbindbar, dass die Soll-Drehzahl von der Regeleinrichtung an die Steuereinrichtung übermittelt werden kann. Indem die hier vorgeschlagene Regeleinrichtung die Soll-Drehzahl in Abhängigkeit von der als Differenz der erfassten Generatorfrequenz zu der Soll-Generatorfrequenz ermittelten Regelabweichung berechnet, wird eine vergleichsweise langsame Regelung bereitgestellt, die in robuster Weise Abweichungen von der Soll- Generatorfrequenz nachregeln kann. Indem die Regeleinrichtung hierfür ein Regelgesetz verwendet, wird eine besonders robuste Ausgestaltung der Frequenzregelung erzielt. Die Dynamik für den Betrieb der Leistungsanordnung wird demgegenüber getrennt davon durch einen in der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine implementierten Drehzahlregler bereitgestellt. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders robuste Ausgestaltung der Regeleinrichtung zum Zweck der Frequenzregelung. Außerdem bedarf es keiner eigenständigen, separaten Parametrisierung des Drehzahlreglers der Brennkraftmaschine· Dadurch, dass die Regeleinrichtung selbst als Generatorregler ausgebildet und mit der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine wirkverbindbar ist, kann sie flexibel mit verschiedenen Brennkraftmaschinen in verschiedenen Leistungsanordnungen eingesetzt werden. Insbesondere kann so die Regeleinrichtung auch mit Brennkraftmaschinen oder Leistungsanordnungen anderer Hersteller verwendet werden.
Unter einer Generatorfrequenz wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere die Frequenz der in dem Generator induzierten elektrischen Spannung, insbesondere die Frequenz der elektrischen Ausgangsspannung des Generators, verstanden.
Unter einem Regelgesetz wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine mathematische Beziehung, insbesondere eine Gleichung verstanden, welche das Verhalten eines Reglers beschreibt. Insbesondere beschreibt das Regelgesetz den Zusammenhang zwischen der Stellgröße und der Regelabweichung. Insbesondere beschreibt das Regelgesetz, wie sich die Stellgröße in Abhängigkeit von der Regelabweichung verhält. In bevorzugter Ausgestaltung beschreibt das Regelgesetz das Verhalten eines Reglers, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem P-Regler, einem I-Regler, einem D-Regler, einem PI-Regler, einem PD- Regler, einem PD1 -Regeier, einem PD2-Regler, einem PID-Regler, einem PT 1 -Regler, einem PT2-Regler, einem PI(DT1)-Regler, und einer Kombination von mindestens zwei der vorgenannten Regler. Regelgesetze, die das Verhalten dieser und anderer Regler beschreiben, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Das Regelgesetz ist bevorzugt in die Regeleinrichtung implementiert, vorzugsweise in eine Hardwarestruktur der Regeleinrichtung, oder in Form einer Software, die während des Betriebs der Regeleinrichtung auf der Regeleinrichtung ausgeführt wird. Insbesondere ist es einerseits möglich, dass die Stellgröße in Abhängigkeit von der Regelabweichung explizit durch softwaretechnisches Durchführen bestimmter Rechenschritte berechnet wird; es ist aber auch möglich, dass die Stellgröße in Abhängigkeit von der Regelabweichung aufgrund der bestimmten Verschaltung der Hardwarestruktur der Regeleinrichtung bestimmt, das heißt quasi indirekt berechnet wird.
Unter einer Regeleinrichtung wird insbesondere eine Regelungseinrichtung verstanden. In entsprechender Weise wird unter einer Regelanordnung insbesondere eine Regelungsanordnung verstanden. Unter einer Steuereinrichtung wird entsprechend insbesondere eine Steuerungseinrichtung verstanden. Unter einem Generatorregler wird insbesondere ein von der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine separates, das heißt insbesondere externes Steuergerät verstanden, welches eingerichtet ist, um die Generatorfrequenz des Generators durch Vorgabe der Soll-Drehzahl für die Brennkraftmaschine zu regeln, insbesondere die Soll-Drehzahl als Stellgröße an die Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zu übermitteln. Insbesondere ist ein Generatorregler selbst kein Steuergerät für die Brennkraftmaschine, insbesondere keine sogenannte Engine Control Unit (ECU). Insbesondere ist der Generatorregler zusätzlich zu der Steuereinrichtung für die Brennkraftmaschine, das heißt zusätzlich zu dem Steuergerät, vorgesehen.
Unter einer Leistungsanordnung wird hier insbesondere eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine, d.h. einem Generator, verstanden, wobei die Brennkraftmaschine mit dem Generator antriebs wirkverbunden ist, um den Generator anzutreiben. Somit ist die Leistungsanordnung insbesondere eingerichtet, um in der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umgesetzte chemische Energie in dem Generator in elektrische Energie zu wandeln. Die Leistungsanordnung kann alleine - in einem sogenannten Inselbetrieb - betrieben werden, oder auch mit einer Mehrzahl von - insbesondere wenigen - anderen Leistungsanordnungen gemeinsam in einem Verbund, das heißt in einem Inselparallelbetrieb. Es ist aber auch möglich, dass die Leistungsanordnung an einem insbesondere größeren Stromnetz oder Energieversorgungsnetz, insbesondere einem überregionalen Stromnetz, im Netzparallelbetrieb betrieben wird.
Der erste Funktionszustand ist bevorzugt einem Inselparallelbetrieb oder Netzparallelbetrieb einer mit der Regeleinrichtung ausgestatteten Leistungsanordnung zugeordnet. Die Regeleinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um den ersten Funktionszustand anzunehmen, wenn eine mit ihr wirkverbundene Leistungsanordnung in einem Inselparallelbetrieb oder Netzparallelbetrieb - d. h. insbesondere im Verbund mit wenigstens einer anderen Leistungsanordnung oder an einem überregionalen Stromnetz - betrieben wird. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist die Regeleinrichtung in dem ersten Funktionszustand bevorzugt eingerichtet, um die Soll-Drehzahl - insbesondere abhängig von einer momentanen Lastanforderung - zu variieren.
Bevorzugt weist die Regeleinrichtung eine Schnittstelle auf, über die sie mit einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine derart wirkverbunden werden kann, dass die Soll- Drehzahl über die Schnittstelle von der Regeleinrichtung an die Steuereinrichtung übermittelt werden kann. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Regeleinrichtung - insbesondere über die Schnittstelle - mit einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine derart wirkverbunden, dass die Soll-Drehzahl von der Regeleinrichtung an die Steuereinrichtung übermittelt werden kann. Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung außerdem eingerichtet, um wenigstens eine Drehmomentgröße von der Steuereinrichtung zu empfangen. Insbesondere ist die Schnittstelle bevorzugt so eingerichtet, dass zusätzlich zu der Ausgabe der Soll-Drehzahl die wenigstens eine Drehmomentgröße über die Schnittstelle empfangen werden kann. Es ist aber auch möglich, dass für das Empfangen der wenigstens einen Drehmomentgröße eine separate, zweite Schnittstelle vorgesehen ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um das zur Bestimmung der Soll-Drehzahl verwendete Regelgesetz in Abhängigkeit von wenigstens einer Anpassungsgröße anzupassen, wobei die wenigstens eine Anpassungsgröße ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Droop-Größe und einer - insbesondere von der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine berechneten - Drehmomentgröße. Bevorzugt ist diese Drehmomentgröße die wenigstens eine, über die Schnittstelle oder über eine separate, zweite Schnittstelle empfangene Drehmomentgröße.
Insbesondere die Verwendung und ganz besonders die Anpassung des Regelgesetzes ermöglichen es, die Regeleinrichtung in Kombination mit einer Vielzahl verschiedener Leistungsanordnungen, insbesondere mit einer Vielzahl verschiedener Brennkraftmaschinen zu betreiben, ohne dass es einer spezifischen Anpassung an die konkret betriebene Leistungsanordnung, insbesondere an die konkret betriebene Brennkraftmaschine, bedarf. Dadurch kann die Leistungsanordnung, insbesondere die Brennkraftmaschine quasi einstellungsfrei betrieben werden, sodass ein ansonsten bei herkömmlichen Regeleinrichtungen und Verfahren nötiger Adaptierungsaufwand bei Verwendung der erfindungsgemäßen technischen Lehre vorteilhaft minimal ist, vorzugsweise völlig entfällt.
Dass das Regelgesetz in Abhängigkeit der wenigstens einen Anpassungsgröße angepasst wird, ermöglicht es außerdem vorteilhaft, eine Kreisverstärkung des offenen Regelkreises in allen Betriebspunkten ähnlich, vorzugsweise über alle Betriebspunkte auf einem vorbestimmten Wert, insbesondere auf einem vom Anwender parametrierten Wert, konstant zu halten. Dies wiederum vereinfacht das Regelverhalten und damit zugleich auch die Einstellung der Regeleinrichtung auf den konkreten Anwendungsfall. Insbesondere ist die Regeleinrichtung auf diese Weise einfach zu adaptieren sowie leicht und zuverlässig einsetzbar, was nicht zuletzt auch Kosten in der Anwendung einspart.
Unter einer Kreisverstärkung des offenen Regelkreises wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere das Produkt eines Proportionalbeiwerts des Regelgesetzes mit der statischen (s = 0) Verstärkung der Regelstrecke bei sprunghafter Anregung verstanden.
Unter einer Anpassung des Regelgesetzes in Abhängigkeit von wenigstens einer Anpassungsgröße wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass wenigstens ein das Regelgesetz bestimmender Parameter in Abhängigkeit von der wenigstens einen Anpassungsgröße verändert wird. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Regelgesetz in Abhängigkeit von der wenigstens einen Anpassungsgröße angepasst, indem der Proportionalbeiwert des Regelgesetzes in Abhängigkeit von der wenigstens einen Anpassungsgröße verändert wird. Das Regelgesetz wird dabei in bevorzugter Ausgestaltung insbesondere durch den Proportionalbeiwert als Parameter bestimmt. Unter einer Anpassungsgröße wird entsprechend eine Größe verstanden, abhängig von der der wenigstens eine das Regelgesetz bestimmende Parameter verändert wird. Insbesondere ist eine Anpassungsgröße eine Größe, von welcher ein Wert des wenigstens einen das Regelgesetz bestimmenden Parameters abhängt.
Die Droop-Größe ist bevorzugt eine Größe, die vorgesehen ist und verwendet wird, um eine vorbestimmte Leistungsverteilung auf eine Mehrzahl von Leistungsanordnungen zu gewährleisten. Die Droop-Größe wird auch als P-Grad bezeichnet. Vorzugweise ist der Droop- Größe in dem ersten Punktionszustand ein endlicher Wert von insbesondere wenigen Prozentpunkten, vorzugsweise höchstens 8 %, vorzugsweise 4 %, zugeordnet. Die Droop-Größe hat auch eine dämpfende und stabilisierende Wirkung auf das Verhalten der Leistungsanordnung im Verbund mit weiteren Leistungsanordnungen. Die Droop-Größe kann aber auch in dem ersten Punktionszustand zu Null gewählt werden, wenn die Leistungsverteilung nicht in der Regeleinrichtung selbst, sondern in einem übergeordneten Steuergerät erfolgt, welches insbesondere der Regeleinrichtung vorgeschaltet ist. Die Droop-Größe nimmt insbesondere den Wert null an, wenn die Regeleinrichtung keine Leistungsverteilung vomimmt. In einem zweiten Funktionszustand weist die Droop-Größe bevorzugt den Wert null auf. Der zweite Funktionszustand ist in bevorzugter Ausgestaltung einem Inselbetrieb einer mit der Regeleinrichtung wirkverbundenen Leistungsanordnung zugeordnet, d. h. einem Betrieb der Leistungsanordnung als einziger Leistungserzeugungseinrichtung in einem - insbesondere vergleichsweise kleinen - Stromnetz. Entsprechend bedarf es keiner Leistungsverteilung.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Drehmomentgröße ein insbesondere momentanes Drehmoment der Brennkraftmaschine, bevorzugt ein zeitverzögertes, insbesondere gefiltertes Drehmoment. Alternativ oder zusätzlich ist die Drehmomentgröße bevorzugt eine von dem - insbesondere momentanen - Drehmoment der Brennkraftmaschine abgeleitete Größe.
Vorzugsweise wird das Regelgesetz in Abhängigkeit von der wenigstens einen Anpassungsgröße nachgeführt, wobei es insbesondere an sich ändernde Betriebspunkte der Leistungsanordnung - insbesondere automatisch - angepasst wird.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist die Regeleinrichtung eingerichtet, um das Regelgesetz - insbesondere unabhängig von einem momentanen Betriebspunkt der Leistungsanordnung - konstant zu halten.
Insbesondere ist die Regeleinrichtung bevorzugt eingerichtet, um das Regelgesetz in dem ersten Funktionszustand in Abhängigkeit von der wenigstens einen Anpassungsgröße anzupassen, insbesondere nachzuführen.
Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung eingerichtet, um das zur Bestimmung der Soll-Drehzahl verwendete Regelgesetz in dem ersten Funktionszustand in Abhängigkeit von der Droop-Größe und von der Drehmomentgröße anzupassen, insbesondere nachzuführen.
Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung eingerichtet, um das zur Bestimmung der Soll-Drehzahl verwendete Regelgesetz in dem zweiten Funktionszustand konstant zu halten. Zum Zweck der folgenden Herleitung wird ein stationärer Zustand betrachtet, weshalb die betroffenen Größen mit dem Index „stat“ versehen sind. Die auf diese Weise hergeleiteten Beziehungen, Zusammenhänge und Gleichungen sind aber auch in transienten Zuständen gültig.
Das Regelgesetz wird bevorzugt insbesondere bestimmt durch:
Figure imgf000010_0001
mit dem Proportionalbeiwert kp , der vorbestimmten, vorzugsweise vorgebbaren
Kreisverstärkung v>f, der Droop-Größe d, dem Drehmoment Mstat und dem Volllast- Drehmoment Mv. Das Volllast- Drehmoment My entspricht insbesondere dem Drehmoment bei 100 % Motorleistung der Brennkraftmaschine. Ein solcher Zusammenhang wie Gleichung (1) wird teilweise auch selbst kurz als Regelgesetz bezeichnet.
Anhand von Gleichung (1) zeigt sich, dass in dem ersten Funktionszustand - der vorzugsweise dem Inselparallelbetrieb oder Netzparallelbetrieb zugeordnet ist, wobei die Droop-Größe d f bevorzugt von null verschieden ist - der Proportionalbeiwert kp bei vorgegebener, konstant gehaltener Kreisverstärkung vf mit der Droop-Größe d und dem Drehmoment Mstat variiert.
In dem zweiten Funktionszustand, der vorzugsweise dem Inselbetrieb zugeordnet ist, wobei die Droop-Größe d gleich null ist, ist der Proportionalbeiwert kp dagegen bei vorgegebener, konstant gehaltener Kreisverstärkung v ebenfalls konstant, d. h. das Regelgesetz insgesamt ist konstant: kv f = 900 vf (2)
Der Zusammenhang für den zweiten Funktionszustand gemäß Gleichung (2) ergibt sich somit insbesondere als Grenzfall für d = 0 aus Gleichung (1). Insbesondere ist die Regeleinrichtung eingerichtet, um die Droop-Größe d in dem zweiten Funktionszustand zu Null zu wählen. Gleichung (1) kann insbesondere hergeleitet werden, wenn man von der linearisierten Darstellung des Regelkreises gemäß Figur 3 ausgeht: Darin wird ein Soll-Drehmoment Msoll in Abhängigkeit von einer Drehzahl-Regelabweichung en, einem Drehzahl-Proportionalbeiwert k und einer Nachstellzeit berechnet, nämlich unter Berücksichtigung der komplexen Variablen
Figure imgf000011_0006
s gemäß folgender Gleichung:
(3)
Figure imgf000011_0004
Zugleich liest man aus Figur 3 mit den dort dargestellten Übertragungsfunktionen direkt ab:
Figure imgf000011_0001
mit der Soll-Drehzahl nsoll und der Nenn-Drehzahl « y.
Nach Auflösen von Gleichung (3) nach der Drehzahl-Regelabweichung en, Umformen von Gleichung (4) und Einsetzen der aufgelösten Gleichung (3) in die umgeformte Gleichung (4) sowie weiterem Umformen erhält man:
Figure imgf000011_0002
«3
Die Übertragungsfunktion Gs(s ) der Regelstrecke des Frequenzreglers ausgehend von der Soll- Drehzahl n ou bis zur Ausgabe der Ist-Frequenz fis liest man ab als:
(6)
Figure imgf000011_0005
Durch Einsetzen von Gleichung (5) in Gleichung (6) erhält man:
Figure imgf000011_0003
Für den stationären Betriebszustand gilt: (8)
Figure imgf000012_0006
womit Gleichung (7) im stationären Betriebszustand folgende Form annimmt:
Figure imgf000012_0001
Für die Übertragungsfunktionen der Brennkraftmaschine (0) und des Drehzahlfilters
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0007
einerseits sowie des Generators (0) andererseits gilt im stationären Betriebszustand:
Figure imgf000012_0008
Figure imgf000012_0003
mit der Frequenz fstat,
Figure imgf000012_0004
unter Berücksichtigung der Umrechnung der Drehzahl nstat - in min 1 - in die Frequenz - in Hz - , und
Figure imgf000012_0005
Die Übertragungsfunktion gemäß Gleichung (10) kann aus dem Modell der Regelstrecke als Zweimassen-Schwinger insbesondere auf folgende Weise hergeleitet werden:
Im Rahmen des Modells des Zweimassen-Schwingers nimmt man an, dass die Brennkraftmaschine, mit ihrem Trägheitsmoment θm, mit dem Generator, der das Trägheitsmoment θL aufweist, über eine Welle verbunden ist, wobei diese drehmomentübertragende Verbindung beschrieben wird durch eine Federsteifigkeit c und eine Dämpfung b (b beschreibt hier die dimensionsbehaftete Dämpfung, die später in die dimensionslose Dämpfung Y überführt wird). Mit dem Drehwinkel pm der Brennkraftmaschine, dem Drehwinkel pL des Generators, dem durch die Brennkraftmaschine aufgebrachten Drehmoment Mm, dem am Generator angreifenden Last- Drehmoment ML und der bekannten Notation mit übergestellten Punkten für die zeitliche Ableitung ergeben sich dann folgende Gleichungen für die Momenten-Bilanz:
Figure imgf000013_0004
Mit
Figure imgf000013_0001
wobei
Figure imgf000013_0002
mit der Anzahl l und der Fläche A der Leiterschleifen des Generators, der magnetischen Flussdichte B, und dem Scheinwiderstand XL der mit dem Generator elektrisch verbundenen Last, wobei sich Gleichung (16) leicht aus einer Betrachtung des elektrodynamischen Lastverhaltens des Generators ergibt, ergibt sich nach Linearisierung in einem stationären Betriebszustand nach einigen Umformungen:
Figure imgf000013_0005
Dabei sind die mit vorangestelltem D bezeichneten Größen die bei der Linearisierung angesetzten Auslenkungen aus dem stationären Betriebspunkt. Mit
Figure imgf000013_0003
womit zugleich die dimensionslose Dämpfung Y eingeführt wird, ergibt sich:
Figure imgf000014_0001
schreibt sich Gleichung (25):
Figure imgf000015_0005
Nach Laplace-Transformation und Übergang auf die Übertragungsfunktion erhält man:
Figure imgf000015_0006
mit der Adjunkten P(s) der Matrix (sl -A) und der Einheitsmatrix I.
Da die Drehzahlauslenkung D nL des Generators im stationären Betriebspunkt gegeben ist durch
Figure imgf000015_0001
setzt man zur Herleitung der Übertragungsfunktion für die Frequenzregelung an:
Figure imgf000015_0002
und
Figure imgf000015_0003
Mit den Definitionen
Figure imgf000015_0004
wobei
Figure imgf000015_0007
die Drehzahl des Generators im stationären Betriebspunkt ist, und, nach Übergang zur dimensionslosen Darstellung - bei Angabe der Drehzahl in 1/min, der Frequenz in Hz und der Feistung in kW,
Figure imgf000016_0004
erhält man unter Berücksichtigung von
Figure imgf000016_0001
- wegen 1500 min 1 = 50 Hz als Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Generatorfrequenz - schließlich aus Gleichung (30) die Übertragungsfunktion gemäß Gleichung (10) - unter Streichung der Indizes G und m zum Zweck der einfacheren Darstellung.
Die Herleitung der Übertragungsfunktion für die Drehzahlregelung ergibt sich analog. Dabei ist wegen der Gleichungen (23) und (24) die Auslenkung der Drehzahl der Brennkraftmaschine im stationären Zustand
Figure imgf000016_0002
und entsprechend in dimensionsloser Darstellung, bei Angabe der Drehzahl in 1/min
Figure imgf000016_0003
Daher setzt man nun zur Lösung von Gleichung (30) an:
Figure imgf000016_0006
Damit, mit den Definitionen gemäß den Gleichungen (34) und (35) sowie
Figure imgf000016_0005
folgt dann analog der Herleitung der Gleichung (10) ohne Weiteres die Übertragungsfunktion der Regelstrecke für die Drehzahlregelung gemäß Gleichung (11). Durch Einsetzen der Gleichungen (10) bis (12) in Gleichung (9), einigem Umformen, und weiterhin unter Berücksichtigung, dass im stationären Zustand bei Nenndrehzahl gilt:
Figure imgf000017_0002
erhält man schließlich:
Figure imgf000017_0001
Daraus folgt mit:
Figure imgf000017_0003
Figure imgf000017_0004
Gleichung (1) insbesondere unter Annahme eines Reglers, der zumindest einen P-Regler beinhaltet, das heißt zum Beispiel eines P-Reglers, eines PI-Reglers, eines die PID-Reglers, oder eines PI(DTi)-Reglers.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um das Regelgesetz anzupassen, indem der Proportionalbeiwert kp des Regelgesetzes so bestimmt wird, dass die vorbestimmte Kreisverstärkung vf des offenen Regelkreises konstant ist. Insbesondere ist die Regeleinrichtung bevorzugt eingerichtet, um den Proportionalbeiwert k p so zu bestimmen, dass die vorbestimmte Kreis Verstärkung vf - insbesondere über alle Betriebspunkte der Leistungsanordnung - konstant bleibt. Insbesondere ist die Regeleinrichtung auf diese Weise vorteilhaft einfach zu adaptieren sowie leicht und zuverlässig einsetzbar. f
Insbesondere ergibt sich aus Gleichung (1), dass es möglich ist, den Proportionalbeiwert kp stets so anzupassen, dass die Kreisverstärkung vf - insbesondere unabhängig von dem momentanen Betriebspunkt der Leistungsanordnung - konstant ist.
Die vorbestimmte Kreisverstärkung vf ist bevorzugt parametrierbar, d. h. insbesondere durch einen Anwender einstellbar oder vorgebbar. Auf diese Weise kann ein Anwender der Regeleinrichtung oder ein Anwender einer Leistungsanordnung, die mit der Regeleinrichtung betrieben wird, die Kreisverstärkung vf in gewünschter Weise einstellen. Der Proportionalbeiwert kp wird dann an die durch den Anwender gewählte Kreisverstärkung vf in geeigneter Weise angepasst. Dies hat den Vorteil, dass es keiner aufwändigen Abstimmung der Regeleinrichtung auf die Leistungsanordnung bedarf. f
Die Regeleinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um den Proportionalbeiwert kp proportional zu der vorbestimmten Kreisverstärkung vf zu wählen. Die vorbestimmte Kreis Verstärkung vf wird allerdings bevorzugt einmalig oder höchstens selten durch einen Anwender eingestellt und im Übrigen konstant gehalten. Sie kann somit zumindest im laufenden Betrieb der Leistungsanordnung als Konstante betrachtet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um den Proportionalbeiwert kp in Abhängigkeit von der Droop-Größe d und der Drehmomentgröße zu bestimmen. Insbesondere ist die Regeleinrichtung bevorzugt eingerichtet, um den Proportionalbeiwert kp nach Gleichung (1) zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Proportionalbeiwert kp flexibel und genau nachgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung eingerichtet f ist, um den Proportionalbeiwert kp nur in Abhängigkeit von der vorbestimmten Kreisverstärkung vf , d. h. zumindest im laufenden Betrieb der Leistungsanordnung bevorzugt konstant, zu wählen. Insbesondere ist die Regeleinrichtung eingerichtet, um den Proportionalbeiwert kp gemäß Gleichung (2) zu bestimmen. Dies stellt eine vereinfachte und insbesondere vom Rechenaufwand her optimierte Ausgestaltung der Regeleinrichtung dar.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um eine momentane Ist-Frequenz des Generators zu filtern, und die gefilterte Ist-Frequenz als erfasste Generatorfrequenz zu verwenden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders ruhige und damit robuste Regelung. Die momentane Ist-Frequenz wird vorzugsweise unmittelbar am Generator gemessen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die momentane Ist-Frequenz mit einem PTi-Filter oder einem Mittelwertfilter gefiltert, wobei die erfasste Generatorfrequenz aus dem PTi-Filter oder dem Mittelwertfilter resultiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um in dem zweiten Funktionszustand die Soll-Drehzahl konstant vorzugeben. Dies stellt insbesondere im Inselbetrieb eine besonders stabile Möglichkeit dar, die Generatorfrequenz zu regeln, wobei insbesondere der Drehzahlregler unmittelbar auf veränderte Lastanforderungen reagiert. Beispielsweise führt eine Aufschaltung von Last zu einer Abweichung von der Soll- Drehzahl nach unten, und eine Wegnahme von Last führt zu einer Abweichung von der Soll- Drehzahl nach oben, wobei die entsprechende Abweichung unmittelbar von dem Drehzahlregler ausgeregelt wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Regelanordnung zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator umfassenden Leistungsanordnung geschaffen wird, die eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung oder eine Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und eine mit der Regeleinrichtung wirkverbundene Steuereinrichtung zur direkten Ansteuerung der Brennkraftmaschine aufweist. Die Regeleinrichtung ist eingerichtet, um die Soll-Drehzahl an die Steuereinrichtung zu übermitteln. In Zusammenhang mit der Regelanordnung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Regeleinrichtung erläutert wurden.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt ein Motorregler der Brennkraftmaschine· Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung eine sogenannte Engine Control Unit (ECU). Der Motorregler oder die ECU ist bevorzugt eingerichtet, um anhand der Soll-Drehzahl - vorzugsweise über den Zwischenschritt eines Soll-Drehmoments - wenigstens eine Bestromungsdauer für wenigstens ein Brennstoffeinbringventil, insbesondere einen Injektor, der Brennkraftmaschine zu berechnen. Die Steuereinrichtung weist bevorzugt einen Drehzahlregler auf, oder es ist ein Drehzahlregler in die Steuereinrichtung implementiert. Der Drehzahlregler ist bevorzugt ausgebildet, wie dies in der Patentschrift DE 102008036 300 B3 offenbart ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um wenigstens eine Drehmomentgröße zu bestimmen, insbesondere zu berechnen, und an die Regeleinrichtung zu übermitteln, wobei die Regeleinrichtung eingerichtet ist, um die wenigstens eine Drehmomentgröße von der Steuereinrichtung zu empfangen. Die wenigstens eine Drehmomentgröße ist dabei insbesondere diejenige Drehmomentgröße, welche in der Regeleinrichtung bevorzugt dazu verwendet wird, das Regelgesetz, insbesondere gemäß Gleichung (1), anzupassen, insbesondere nachzuführen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um als die wenigstens eine Drehmomentgröße eine Größe zu bestimmen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem - vorzugsweise gefilterten - Soll- Drehmoment und einem Integralanteil für das Soll-Drehmoment eines Drehzahlreglers der Steuereinrichtung .
Die wenigstens eine Drehmomentgröße ist in bevorzugter Ausgestaltung das Soll-Drehmoment, welches in der Steuereinrichtung verwendet wird, um eine Bestromungsdauer für die Brennstoffeinbringventile zu berechnen, insbesondere als Stellgröße des Drehzahlreglers. Alternativ oder zusätzlich ist die wenigstens eine Drehmomentgröße bevorzugt ein Integralanteil (I- Anteil) des Soll-Drehmoments. Insbesondere ist die wenigstens eine Drehmomentgröße bevorzugt ein Drehmoment, oder ein Integralanteil eines Drehmoments, oder eine anderweitig von einem Drehmoment abgeleitete Größe.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Leistungsanordnung geschaffen wird, die eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator aufweist. Außerdem weist die Leistungsanordnung eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung oder eine Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Alternativ weist die Leistungsanordnung eine erfindungsgemäße Regelanordnung oder eine Regelanordnung nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Die Regeleinrichtung oder die Regelanordnung ist mit der Brennkraftmaschine und dem Generator der Leistungsanordnung wirkverbunden. In Zusammenhang mit der Leistungsanordnung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit der Regeleinrichtung oder der Regelanordnung erläutert wurden.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine und einen mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbundenen Generator umfassenden Leistungsanordnung geschaffen wird, wobei in einer ersten Betriebsart eine Generatorfrequenz des Generators als Regelgröße erfasst wird. Eine Regelabweichung wird als Differenz der erfassten Generatorfrequenz zu einer Soll-Generatorfrequenz ermittelt. Eine Soll- Drehzahl wird als Stellgröße zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Regelabweichung bestimmt. Außerdem wird die Soll-Drehzahl anhand eines Regelgesetzes bestimmt, insbesondere berechnet. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor bereits in Zusammenhang mit der Regeleinrichtung, der Regelanordnung oder der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Die erste Betriebsart des Verfahrens ist dabei vorzugsweise einem Inselparallelbetrieb oder Netzparallelbetrieb der Leistungsanordnung zugeordnet.
Vorzugsweise wird in der ersten Betriebsart das zur Bestimmung der Soll-Drehzahl verwendete Regelgesetz in Abhängigkeit von wenigstens einer Anpassungsgröße angepasst. Die wenigstens eine Anpassungsgröße ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Droop-Größe und einer - insbesondere von der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine berechneten - Drehmomentgröße .
Vorzugsweise wird in einer zweiten Betriebsart das Regelgesetz konstant gehalten. Bevorzugt wird in der zweiten Betriebsart die Soll-Drehzahl konstant vorgegeben. Vorzugsweise wird in der zweiten Betriebsart die Droop-Größe zu Null gewählt. Der zweiten Betriebsart ist vorzugweise ein Inselbetrieb der Leistungsanordnung zugeordnet.
Vorzugsweise wird das Regelgesetz in der ersten Betriebsart angepasst, indem ein Proportionalbeiwert des Regelgesetzes so bestimmt wird, dass eine vorbestimmte Kreisverstärkung des offenen Regelkreises konstant ist, vorzuweisen konstant bleibt.
Vorzugsweise wird der Proportionalbeiwert in Abhängigkeit von der Droop-Größe und von der Drehmomentgröße bestimmt, bevorzugt nach Gleichung (1).
Vorzugsweise wird der Proportionalbeiwert gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens nur in Abhängigkeit von der vorbestimmten Kreisverstärkung, d. h. bevorzugt im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine konstant, gewählt. Insbesondere wird der Proportionalbeiwert bevorzugt gemäß Gleichung (2) bestimmt.
Vorzugsweise wird eine momentane Ist-Frequenz des Generators gefiltert, und die gefilterte Ist- Frequenz wird als erfasste Generatorfrequenz verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine erste schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Leistungsanordnung mit einem Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung;
Figur 2 eine zweite schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der Leistungsanordnung gemäß Figur 1;
Figur 3 eine dritte schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der Leistungsanordnung gemäß Figur 1;
Figur 4 eine Detaildarstellung eines Reglers zur Frequenzregelung;
Figur 5 eine Detaildarstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Berechnung des Proportionalbeiwerts für die Frequenzregelung;
Figur 6 eine schematische, diagrammatische Darstellung der Funktionsweise einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung einer Leistungsanordnung.
Fig. 1 zeigt eine erste schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leistungsanordnung 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung 3. Die Leistungsanordnung 1 weist eine Brennkraftmaschine 5 und einen mit der Brennkraftmaschine 5 über eine schematisch dargestellte Welle 7 antriebswirkverbundenen Generator 9 auf. Die Regeleinrichtung 3 ist einerseits mit der Brennkraftmaschine 5 und andererseits mit dem Generator 9 wirkverbunden.
Insbesondere ist die Regeleinrichtung 3 eingerichtet zur Regelung der Leistungsanordnung 1, wobei sie eingerichtet ist, um eine Generatorfrequenz fc des Generators 9 als Regelgröße zu erfassen, um eine Regelabweichung als Differenz der erfassten Generatorfrequenz fc zu einer Soll-Generatorfrequenz fsoll zu ermitteln, und um eine Soll-Drehzahl nsoll als Stellgröße zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine 5 in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu bestimmen. Die Regeleinrichtung 3 ist außerdem eingerichtet, um ein Regelgesetz zur Bestimmung der Soll-Drehzahl nsoll zu verwenden. Die Regeleinrichtung 3 ist als Generatorregler ausgebildet und mit einer Steuereinrichtung 11 der Brennkraftmaschine 5 derart wirkverbunden, dass die Soll-Drehzahl nsoll von der Regeleinrichtung 3 an die Steuereinrichtung 11 übermittelt werden kann. Dies ermöglicht zugleich eine besonders robuste Frequenzregelung und eine vielfältige Einsetzbarkeit der Regeleinrichtung 3, insbesondere mit einer Vielzahl von Leistungsanordnungen 1.
Die Regeleinrichtung 3 und die Steuereinrichtung 11 bilden gemeinsam eine Regelanordnung 13 zur Regelung der Leistungsanordnung 1. Die Steuereinrichtung 11 ist bevorzugt als Motorregler, insbesondere als Engine Control Unit (ECU) ausgebildet.
Die Steuereinrichtung 11 ist insbesondere eingerichtet, um wenigstens eine Drehmomentgröße zu berechnen und an die Regeleinrichtung 3 zu übermitteln, wobei die Regeleinrichtung 3 eingerichtet ist, um die wenigstens eine Drehmomentgröße von der Steuereinrichtung 11 zu empfangen.
Außerdem ist die Steuereinrichtung 11 bevorzugt eingerichtet, um als Drehmomentgröße eine Größe zu bestimmen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem - vorzugsweise gefilterten - Soll-Drehmoment Msoll und einem Integralanteil eines - in Figur 2 dargestellten - Drehzahlreglers 21 der Steuereinrichtung 11, insbesondere einem Integralanteil Ms l ol des Soll- Drehmoments Msoll-
Optional ist eine weitere Eingangsgröße der Regeleinrichtung 3 eine Droop-Größe d.
Die Steuereinrichtung 11 weist außerdem als Eingangsgrößen die Soll-Drehzahl nsoll und eine erfasste Drehzahl nst auf. Hieraus berechnet die Steuereinrichtung 11 eine Drehzahl- Regelabweichung. Aus dieser Drehzahl-Regelabweichung berechnet die Steuereinrichtung 11 schließlich eine Bestromungsdauer BD zur Ansteuerung von Brennstoffeinbringventilen der Brennkraftmaschine 5. Vorzugsweise berechnet die Steuereinrichtung 11 aus der Drehzahl- Regelabweichung zunächst das Soll-Drehmoment Msoll und aus diesem wiederum die Bestromungsdauer BD. Fig. 2 zeigt eine zweite schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der Leistungsanordnung 1 gemäß Figur 1, insbesondere in Form eines Blockschaltbilds.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Vorzugsweise wird eine am Generator 9 erfasste Ist-Frequenz fist in einem Frequenzfilter 15 gefiltert, und die gefilterte Ist-Frequenz fist wird als die erfasste Generatorfrequenz fc verwendet. Das Frequenzfilter 15 ist vorzugsweise ein PTi-Filter oder ein Mittelwertfilter. Das Frequenzfilter 15 ist vorzugsweise Teil der Regeleinrichtung 3, die außerdem einen Frequenzregler 17 aufweist, der aus der Regelabweichung e/ als Differenz von Soll- Generatorfrequenz /so// und erfasster Generatorfrequenz fc die Soll-Drehzahl nsoll berechnet. Bei der Soll-Drehzahl nsoll kann es sich um eine absolute Soll-Drehzahl - ohne Bezug zu einer Nenndrehzahl HN - oder um eine relative Soll-Drehzahl - insbesondere als Differenz zu der Nenndrehzahl HN - handeln. Handelt es sich bei der Soll-Drehzahl nsoll um eine relative Drehzahl, wird in der Steuereinrichtung 11, wie gestrichelt dargestellt, dem Ausgang des Frequenzreglers 17 noch die Nenndrehzahl HN aufaddiert.
Die Steuereinrichtung 11 weist ein Drehzahlfilter 19 auf, das vorzugsweise als PTi-Filter oder Mittelwertfilter ausgebildet ist. Eine vorzugsweise zur Berechnung der Drehzahl- Regelabweichung en verwendete, gemessene Drehzahl nmess ergibt sich durch Filterung der unmittelbar an der Brennkraftmaschine 5 gemessenen Ist-Drehzahl nst mittels des Drehzahlfilters 19. Die Steuereinrichtung 11 weist außerdem den Drehzahlregler 21 auf, der aus der Drehzahl- Regelabweichung en das Soll-Drehmoment Msoll und vorzugweise hieraus - in nicht dargestellter Weise - die Bestromungsdauer BD berechnet. Eine Regelstrecke 23 des dem Drehzahlregler 21 zugeordneten Drehzahl-Regelkreises umfasst die Brennkraftmaschine 5 und den Generator 9.
Im Folgenden wird die Bedeutung der Droop-Größe d näher erläutert:
Anhand der Droop-Größe d wird vorzugsweise eine Differenzdrehzahl An berechnet, wobei durch Addition der Differenzdrehzahl An zu der Soll-Drehzahl nsoll - alternativ der Nenndrehzahl HN - eine effektive Soll-Drehzahl nefj berechnet wird. Die effektive Soll-Drehzahl nejf wird zur Berechnung der Drehzahl-Regelabweichung en herangezogen, indem von der effektiven Soll- Drehzahl nejj die gemessene Drehzahl nmeSs abgezogen wird. Die Differenzdrehzahl An wird in einem Berechnungsblock 25 berechnet. Eingangsgrößen des Berechnungsblocks 25 sind dabei der von dem Drehzahlregler 21 berechnete Integralanteil Mioll des Soll-Drehmoments Msoll, die Droop-Größe d, das Volllast-Drehmoment Mv, und eine Nenn-Drehzahl HN für die Brennkraftmaschine 5, wobei die Nenn-Drehzahl HN beispielsweise 1500 min 1 betragen kann. Die Differenzdrehzahl An wird bevorzugt gemäß folgender Gleichung berechnet:
Figure imgf000025_0001
In einem ersten Funktionszustand der Regeleinrichtung 3, der vorzugsweise einem Inselparallelbetrieb oder Netzparallelbetrieb der Leistungsanordnung 1 entspricht, wird die Droop-Größe d bevorzugt auf einen endlichen Wert, insbesondere im einstelligen Prozentbereich, vorzugsweise auf höchstens 8 %, vorzugweise 4 %, gesetzt. Die Droop-Größe d ist insbesondere durch einen Benutzer der Leistungsanordnung 1 oder der Regeleinrichtung 3 vorgebbar, d. h. insbesondere parametrierbar. In einem zweiten Funktionszustand der Regeleinrichtung 3, der einem Inselbetrieb der Leistungsanordnung 1 zugeordnet ist, wird die Droop-Größe d bevorzugt zu Null gesetzt, und zwar sowohl in der Regeleinrichtung 3 als auch in der Steuereinrichtung 11. Ist die Droop-Größe d gleich null, verschwindet zugleich auch die Differenzdrehzahl An, sodass im Ergebnis die effektive Soll-Drehzahl neff gleich der Soll- Drehzahl nsoll ist.
Ist die Droop-Größe d von null verschieden, ergibt sich folgendes: Läuft die Brennkraftmaschine 5 unter Volllast, ist der Integralanteil Mioll des Soll-Drehmoments Msoll gleich dem Volllast- Drehmoment Mv, sodass die Differenzdrehzahl An gleich null wird. Läuft dagegen die Brennkraftmaschine 5 im Leerlauf, ist der Integralanteil Mΐ.0ΐi gleich Null, und die Differenzdrehzahl An ist gleich dem durch die Droop-Größe d bestimmten Prozentsatz der Nenn- Drehzahl HN. Beträgt die Nenn-Drehzahl 1500 min 1 und die Droop-Größe d 4 %, variiert demnach der Wert der Differenzdrehzahl An zwischen 0 min 1 bei Volllast und 60 min 1 im Leerlauf.
Fig. 3 zeigt eine dritte schematische Darstellung der Leistungsanordnung 1 gemäß Figur 1, in diesem Fall als linearisiertes Blockschaltbild. Dabei sind die einzelnen Regler durch Übertragungsblöcke mit entsprechend zugeordneten Übertragungsfunktionen dargestellt. Im Unterschied zu Figur 2 ist die Regelstrecke 23 in Figur 3 in zwei Übertragungsblöcke aufgeteilt dargestellt, nämlich einen der Brennkraftmaschine 5 zugeordneten Übertragungsblock, gekennzeichnet durch die Übertragungsfunktion ,
Figure imgf000026_0010
mit dem Soll-Drehmoment Msoll als Eingangsgröße und der Ist-Drehzahl mst als Ausgangsgröße, und einen dem Generator 9 zugeordneten Übertragungsblock, gekennzeichnet durch die Übertragungsfunktion GS J (s), mit derselben Eingangsgröße, nämlich dem Soll-Drehmoment Msoll, und der Ist-Frequenz fist als Ausgangsgröße. Der Drehzahlregler 21 ist dargestellt durch ein erstes Multiplikationsglied 27 zur Berechnung eines Proportionalanteils
Figure imgf000026_0006
des Soll-Drehmoments Msoll durch Multiplikation mit dem Drehzahl-Proportionalbeiwert , und ein erstes Integrationsglied 29 zur Berechnung
Figure imgf000026_0007
des Integralanteils Ms l ou des Soll-Drehmoments MSOÜ durch Multiplikation mit einem Term
Figure imgf000026_0002
mit der Nachstellzeit und der komplexen Variablen s. Somit weist der Drehzahlregler 21 hier
Figure imgf000026_0005
ein Pl-Übertragungsverhalten auf, da das erste Multiplikationsglied 27 ein proportionales Übertragungsverhalten und das erste Integrationsglied 29 ein integrales Übertragungsverhalten aufweist. Der Berechnungsblock 25 erhält durch die Linearisierung hier ein negatives Vorzeichen, sodass nun die in dem Berechnungsblock 25 berechnete Differenzdrehzahl An von der Soll-Drehzahl nsoll subtrahiert wird. Aufgrund der Linearisierung wird die Differenzdrehzahl An in dem Berechnungsblock 25 gemäß folgender, abgewandelter Gleichung berechnet:
Figure imgf000026_0001
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Details des Frequenzreglers 17 gemäß Figur 3, der bevorzugt als PI-Regler umgesetzt ist. Die Regelabweichung e/ wird dabei zunächst mit dem Proportionalbeiwert multipliziert, sodass sich ein Proportionalanteil für die Soll-
Figure imgf000026_0003
Figure imgf000026_0004
Drehzahl nSoii ergibt. In einem zweiten Integrationsglied 31 wird aus dem Proportionalanteil h o1i durch Division durch das Produkt der Nachstellzeit mit der komplexen Variablen s ein
Figure imgf000026_0008
Integralanteil für die Soll-Drehzahl nsoll berechnet, der anschließend zu dem Proportionalanteil addiert wird. Hieraus resultiert die Soll-Drehzahl nsoll als
Figure imgf000026_0009
Ausgangsgröße. Die Übertragungsfunktion des Frequenzreglers 17 ist somit gegeben durch:
Figure imgf000027_0001
Die Berechnung des Proportionalbeiwerts erfolgt bevorzugt gemäß Gleichung (1).
Figure imgf000027_0002
Das Regelgesetz wird dabei insbesondere angepasst, indem der Proportionalbeiwert so
Figure imgf000027_0003
bestimmt wird, dass die vorbestimmte Kreisverstärkung vf konstant ist, insbesondere konstant bleibt.
Fig. 5 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Berechnung des Proportionalbeiwerts für die Frequenzregelung gemäß Gleichung (1). Hierzu wird in einem
Figure imgf000027_0004
zweiten Multiplikationsglied 33 die vorbestimmte Kreisverstärkung vf mit dem Faktor 900 und einem Ausgang eines Summationsglieds 35 multipliziert. Der Proportionalbeiwert ergibt sich
Figure imgf000027_0006
als Ausgang des zweiten Multiplikationsglieds 33. In dem Summationsglied 35 wird die Zahl 1 mit dem Ausgang eines dritten Multiplikationsglieds 37 addiert. In dem dritten Multiplikationsglied 37 wird die Droop-Größe d mit dem Drehmoment Mstat und dem Kehrwert des Volllast-Drehmoments My multipliziert. Der Kehrwert des Volllast-Drehmoments My wird in einem Divisionsglied 39 aus dem Volllast- Drehmoment My gebildet.
Das Drehmoment Mstat kann auf zwei verschiedene Arten ermittelt werden: Einerseits aus dem um einen Abtastschritt ta verzögerten Integralanteil . In diesem Fall ist ein zur Umschaltung
Figure imgf000027_0005
zwischen den beiden Berechnungs arten vorgesehener Schalter 41 in der oberen Schalterstellung gemäß Figur 5 angeordnet.
Alternativ kann das Drehmoment Mstat aus dem durch die Steuereinrichtung 11 berechneten Soll- Drehmoment Msoll berechnet werden. Auch dieses wird zunächst um einen Abtastschritt t,, verzögert, danach durch einen Filter 43 gefiltert, wobei der Filter 43 vorzugsweise ein PTi-Filter ist. Diese Berechnung ist aktiv, wenn sich der Schalter 41 in der unteren Schalterstellung gemäß Figur 5 befindet.
Fig. 6 zeigt eine schematische, diagrammatische Darstellung der Funktionsweise einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Leistungsanordnung 1. Das Verfahren wird dabei anhand von fünf Zeitdiagrammen verdeutlicht. Ein erstes Zeitdiagramm bei a) zeigt insbesondere einen zeitlichen Verlauf der Ist-Frequenz //s; des Generators 9. Ein zweites Zeitdiagramm bei b) zeigt einen zeitlichen Verlauf der Soll-Drehzahl nsoll in der Einheit min"1. Ein drittes Zeitdiagramm bei c) zeigt den zeitlichen Verlauf des Integralanteils Ms l ou des Soll- Drehmoments Msoll . Ein viertes Zeitdiagramm bei d) zeigt den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 5. Schließlich zeigt ein fünftes Zeitdiagramm bei e) den zeitlichen Verlauf der Differenzdrehzahl An.
In dem ersten Zeitdiagramm bei a) stellt eine erste, gestrichelte Kurve den Verlauf der konstanten Soll-Frequenz fsoll des Generators 9 dar, die bevorzugt 50 Hz beträgt. Zu einem ersten Zeitpunkt ti wird eine Last aufgeschaltet was dazu führt, dass die Ist-Frequenz fist, welche durch eine zweite, durchgezogene Kurve dargestellt ist, abfällt. In der Folge steigt die Ist-Frequenz fist wieder an, erreicht den Wert der Soll-Frequenz fsoll wieder, schwingt über, und pendelt sich schließlich zu einem zweiten Zeitpunkt t2 auf den Wert der Soll-Frequenz fsoll ein.
Zu einem dritten Zeitpunkt wird die Last wieder abgeworfen. Die Ist-Frequenz fist steigt dadurch in der Folge an und pendelt sich schließlich zu einem vierten Zeitpunkt t4 wieder auf den Wert der Soll-Frequenz /so« ein.
Bei den dargestellten Zeitdiagrammen wird die Brennkraftmaschine 5 im Netzparallelbetrieb betrieben. Die eingestellte Droop-Größe beträgt 4 %.
Das zweite Zeitdiagramm bei b) zeigt den zeitlichen Verlauf der Soll-Drehzahl nsoll. In dem fünften Zeitdiagramm ist die Differenzdrehzahl An dargestellt. Die im ersten Zeitdiagramm dargestellte Lastaufschaltung stellt eine Aufschaltung einer 50 %-Last - bezogen auf Volllast - dar, bei der Lastabschaltung soll diese 50 %-Last wieder abgeworfen werden. Bis zu dem ersten Zeitpunkt ti ist die Brennkraftmaschine 5 in einem lastfreien Zustand, sodass sich - wie in dem fünften Zeitdiagramm dargestellt - ein Wert von 60 min'1 für die Differenzdrehzahl An ergibt.
Da eine Summe der Soll-Drehzahl nsoll und der Differenzdrehzahl An bei einer Soll-Frequenz für den Generator 9 von 50 Hz eine effektive Soll-Drehzahl nejf von 1500 min"1 ergeben muss, beträgt die Soll-Drehzahl nsoll bis zu dem ersten Zeitpunkt ti 1440 min"1. Zu dem ersten Zeitpunkt ti wird die 50 %-Last aufgeschaltet, welche zu dem zweiten Zeitpunkt t2 anliegt. Die Differenzdrehzahl An beträgt damit zu dem zweiten Zeitpunkt 30 min"1. Somit beträgt die Soll- Drehzahl nsoll zu dem ti zweiten Zeitpunkt t2 1470 min'1. Die Soll-Drehzahl nsoll steigt also von dem ersten Zeitpunkt ti bis zu dem zweiten Zeitpunkt t2 von 1440 min"1 auf 1470 min" 'an. Die Differenzdrehzahl An fällt dagegen während dieses Zeitraums von 60 min"1 auf 30 min"1 ab.
Der in dem dritten Zeitdiagramm bei c) dargestellte Integralanteil Ms l ou beträgt bis zu dem ersten Zeitpunkt ti 0 Nm, da keine Last anliegt. Ausgehend von dem ersten Zeitpunkt ti steigt er dann bis zu dem zweiten Zeitpunkt t2 auf den Wert 5000 Nm an, welcher bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einer Last von 50 % des Volllast-Drehmoments My entspricht.
In dem vierten Zeitdiagramm bei d) sind die gemessene Drehzahl nmess und die effektive Soll- Drehzahl neff übereinander dargestellt. Beide Werte sind im Netzparallelbetrieb typischerweise konstant und identisch mit 1500 min"1. Das Abschalten der Last zu dem dritten Zeitpunkt ti hat zur Folge, dass die Soll-Drehzahl nsoll in dem zweiten Zeitdiagramm wieder auf ihren Anfangs wert von 1440 min"1 reduziert wird. Der Integralanteil Mΐ.0ΐi gemäß dem dritten Zeitdiagramm wird wieder auf den Wert 0 Nm verkleinert. Die in dem fünften Zeitdiagramm dargestellte Differenzdrehzahl An wird wieder auf den Wert von 60 min"1 erhöht.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Regeleinrichtung (3) zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine (5) und einen mit der Brennkraftmaschine (5) antriebswirkverbundenen Generator (9) umfassenden Leistungsanordnung (1), wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um in einem ersten Funktionszustand eine Generatorfrequenz (fc) des Generators (9) als Regelgröße zu erfassen, eine Regelabweichung (ef) als Differenz der erfassten Generatorfrequenz (fc) zu einer
Soll-Generatorfrequenz (fsoll ) zu ermitteln, eine Soll-Drehzahl (nsoll) als Stellgröße zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine (5) in Abhängigkeit von der Regelabweichung (ef) zu bestimmen, wobei die Regeleinrichtung (3) außerdem eingerichtet ist, um ein Regelgesetz zur Bestimmung der Soll-Drehzahl (nsoll) zu verwenden, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um mit einer Steuereinrichtung (11) der Brennkraftmaschine (5) derart wirkverbunden zu werden, dass die Soll-Drehzahl (nsoll) von der Regeleinrichtung (3) an die Steuereinrichtung (11) übermittelt werden kann.
2. Regeleinrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um das zur Bestimmung der Soll-Drehzahl (nsoll) verwendete Regelgesetz in Abhängigkeit von wenigstens einer Anpassungsgröße anzupassen, wobei die wenigstens eine Anpassungsgröße ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Droop-Größe ( d ) und einer - insbesondere von der Steuereinrichtung (11) der Brennkraftmaschine (5) berechneten - Drehmomentgröße.
3. Regeleinrichtung (3) nach Anspruch 2, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um das Regelgesetz anzupassen, indem ein Proportionalbeiwert des Regelgesetzes so bestimmt
Figure imgf000030_0001
wird, dass eine vorbestimmte Kreisverstärkung (vf ) des offenen Regelkreises konstant ist.
4. Regeleinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um den Proportionalbeiwert in Abhängigkeit von der
Figure imgf000030_0002
Droop-Größe ( d ) und der Drehmomentgröße zu bestimmen.
5. Regeleinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um den Proportionalbeiwert nur in Abhängigkeit von
Figure imgf000031_0001
der vorbestimmten Kreisverstärkung (vf) zu wählen.
6. Regeleinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um eine momentane Ist-Frequenz (fiSt) des Generators (9) zu filtern, und die gefilterte Ist-Frequenz (fiSt) als erfasste Generatorfrequenz (fc) zu verwenden.
7. Regeleinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um in einem zweiten Funktionszustand die Soll-Drehzahl (i risoll ) konstant vorzugeben, und vorzugsweise eine Droop-Größe (d) zu Null zu wählen.
8. Regelanordnung (13) zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine (5) und einen mit der Brennkraftmaschine (5) antriebswirkverbundenen Generator (9) umfassenden Leistungsanordnung (1), mit einer Regeleinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einer mit der Regeleinrichtung (3) wirkverbundenen Steuereinrichtung (11) zur direkten Ansteuerung der Brennkraftmaschine (5), wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um die Soll-Drehzahl ( nsoll ) an die Steuereinrichtung (11) zu übermitteln.
9. Regelanordnung (13) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (11) eingerichtet ist, um wenigstens eine Drehmomentgröße zu bestimmen und an die Regeleinrichtung (3) zu übermitteln, wobei die Regeleinrichtung (3) eingerichtet ist, um die wenigstens eine Drehmomentgröße von der Steuereinrichtung (11) zu empfangen.
10. Regelanordnung (13) nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die Steuereinrichtung (11) eingerichtet ist, um als Drehmomentgröße eine Größe zu bestimmen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem - vorzugsweise gefilterten - Soll-Drehmoment ( Msoll ) und einem Integralanteil eines Drehzahlreglers (21) der Steuereinrichtung (11).
11. Leistungsanordnung (1) mit einer Brennkraftmaschine (5) und einem mit der Brennkraftmaschine (5) antriebs wirkverbundenen Generator (9), sowie mit einer Regeleinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, oder mit einer Regelanordnung (13) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Regeleinrichtung (3) oder die Regelanordnung (13) mit der Brennkraftmaschine (5) und dem Generator (9) der Leistungsanordnung (1) wirkverbunden ist.
12. Verfahren zur Regelung einer eine Brennkraftmaschine (5) und einen mit der Brennkraftmaschine (5) antriebs wirkverbundenen Generator (9) umfassenden Leistungsanordnung (1), wobei in einer ersten Betriebsart eine Generatorfrequenz (fc) des Generators (9) als Regelgröße erfasst wird, eine Regelabweichung (ef) als Differenz der erfassten Generatorfrequenz (fc) zu einer
Soll-Generatorfrequenz (fsoll ) ermittelt wird, - eine Soll-Drehzahl (nsoll) als Stellgröße zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine (5) in
Abhängigkeit von der Regelabweichung (ej) bestimmt wird, und wobei die Soll-Drehzahl ( nsoll ) anhand eines Regelgesetzes bestimmt, insbesondere berechnet wird.
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