DE102020205132A1

DE102020205132A1 - Verbessertes Fehlerklärungsverhalten von netzgekoppelten Umrichteranlagen an drehzahlvariablen Generatorantrieben

Info

Publication number: DE102020205132A1
Application number: DE102020205132.1A
Authority: DE
Inventors: Detlef Haje
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-28
Also published as: WO2021213854A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Wiederzuschaltung von netzgekoppelten Umrichteranlagen an drehzahlvariablen Generatorantrieben nach Fehlerklärung einer Netzstörung vorgeschlagen, demzufolge der Umrichter Inv eine zeitlich auf den Generatorstrang St abgestimmte Wiederzuschaltung auf das Netz N vornimmt derart, dass der Zuschaltzeitpunkt nach Maßgabe des von der Netzstörung zum Zeitpunkt t0ausgelösten Schwingungszustandes des Generatorstranges St bestimmt wird. Bei diesem als Soft Ride Through bezeichneten Verfahren werden die Torsionsschwingung durch das Auftreten der Netzstörung und die Torsionsschwingung durch das Wiederzuschalten so aufeinander abgestimmt, dass die Torsionsüberhöhung minimiert wird, was in vorteilhafter weise ein mechanisch schonendes Fehlerklärungsverhalten bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederzuschaltung von netzgekoppelten Umrichteranlagen an drehzahlvariablen Generatorantrieben nach Fehlerklärung einer Netzstörung.
Bei Generatorsträngen, die mit dem Netz verbunden sind, bestehen vorgeschriebene, national unterschiedliche Anforderungen an die Ertragbarkeit elektrischer Netzstörungen. So müssen einphasige oder mehrphasige Kurzschlüsse beherrscht werden, oder auch eine Netztrennung mit Spannungswiederkehr nach einer festgelegten Fehlerklärungszeit. Diese Netzstörungen bedeuten eine teils erhebliche Torsionsanregung des Generatorstrangs, da der torsionsbelastete Strang mit dem Leistungsmoment plötzlich entlastet und teils wieder belastet wird. Je nach Art der Störung und Ausführung des Stranges können sich dabei Wechselmomente ergeben, welche ein Mehrfaches des Nennmomentes betragen. Dies stellt für schnelllaufende Stränge eines der Auslegungskriterien dar und führt zu einer verstärkten Ausführung bestimmter Strangkomponenten, wie zum Beispiel Wellenabschnitte, Kupplungen, Getriebe. Netzgekoppelte Umrichteranlagen müssen diese Anforderungen ebenfalls beherrschen, zum Beispiel bei der Anbindung von Windkraftanlagen, die einen drehzahlvariablen Generatorantrieb aufweisen. Auch hier ist die Beherrschung von (vorübergehenden) Kurzschlüssen oder Netzstörungen, das in Fachkreisen auch als „Fault Ride Through“ bezeichnet wird, ein wesentliches Auslegungs-kriterium.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Lösung zu finden, welche ein mechanisch schonendes Fehlerklärungsverhalten von netzgekoppelten Umrichteranlagen an drehzahlvariablen Generatorantrieben aufweist.
Das Problem wird bei einem durch die Merkmale des Oberbegriffs umrissenen Gegenstand durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Für drehzahlvariable Generatorstränge oder Turbosätze mit netzgekoppelten Umrichteranlagen wird ein mechanisch schonendes Fehlerklärungsverhalten, das auch als Soft Ride Through bezeichnet werden mag, erreicht, indem der Umrichter eine zeitlich auf den Generatorstrang abgestimmte Wiederzuschaltung vornimmt.
Damit können die Torsionsschwingung durch das Auftreten der Netzstörung (deren Zeitpunkt nichtvorhersagbar und damit beliebig sein kann) und die Torsionsschwingung durch das Wiederzuschalten so abgestimmt werden, dass die Torsionsüberhöhung begrenzt, reduziert oder minimiert wird.
Es bestehen zwei Lösungsprinzipien, die auch miteinander kombiniert werden können, 1. und 2.

1. Durch ein zeitlich geeignet gewähltes Wiederzuschalten kann beispielsweise ein Schwingungsmaximum aus der Netzstörung mit einem Schwingungsminimum aus der Wiederzuschaltung überlagert werden. Damit löschen sich die Amplituden teils aus und die Beanspruchung wird deutlich begrenzt. Hierzu wird der Zuschaltzeitpunkt in Abhängigkeit eines gemessenen oder rechnerisch ermittelten Schwingungszustandes bestimmt. Bei Spannungswiederkehr vor diesem Zeitpunkt wird also die Zuschaltung hinausgezögert. Auch können Zeitfenster bestimmt werden, in denen bei einer Spannungswiederkehr unmittelbar wieder zugeschaltet werden kann.

Der Zuschaltzeitpunkt kann beispielsweise durch Messung der Rotorlage (Drehwinkel), der Torsionsspannungen, der Zahnkräfte oder anderer Größen ermittelt werden. Es kann auch eine rechnerische Ermittlung erfolgen. Diese kann auf einer Online-Simulation des Schwingungs-zustandes basieren, bei der der ursprüngliche Belastungszustand der Maschine ebenso berücksichtigt wird wie das Eigenschwingungsverhalten des Stranges.
In einer besonderen Ausführung kann die Ermittlung unmittelbar aus gespeicherten Kennwerten des Stranges ermittelt werden. Eine Zuschaltung kann beispielsweise innerhalb einer Auswahl aus allen geraden Halbwellen einer Torsionsschwingung des Stranges erfolgen. Diese Ausführung weist in vorteilhafter Weise einen geringen Aufwand auf.

2. Die oben diskutierten Torsionsschwingungen aus Trennung und Zuschaltung kann man gedanklich als eine Systemantwort auf einen Sprung des Torsionsmomentes T betrachten. Der Zeitverlauf der Trennung lässt sich auch nicht wesentlich beeinflussen, da zum Beispiel Kurzschlüsse einen unmittelbaren Zusammenbruch der Generatorleistung bedeuten. Hingegen kann die Wiederzuschaltung auch zeitlich gestreckt werden (in Form einer linear ansteigenden Rampe beispielsweise), um die hieraus resultierende Torsionsschwingung zu begrenzen. Hierbei ist eine Rampendauer von mehr als einer Halbwelle der Torsionsschwingung anzustreben. Alternativ zu einer Rampe sind auch andere Zeitverläufe geeignet, wie zum Beispiel ein sinusförmiger Anstieg (Viertelwelle) oder ein sin^2-Anstieg.

1. und 2.: Durch Kombination beider Prinzipien kann eine weitere Verbesserung erreicht werden. Bei einer Spannungswiederkehr innerhalb eines für die unmittelbare Zuschaltung geeigneten Zeitfensters wird diese auch durchgeführt. In Randbereichen oder außerhalb des Zeitfensters kann zunächst eine zeitlich gestreckte Zuschaltung erfolgen, bis das Zeitfenster voll erreicht wird, oder die Zuschaltung wird über eine kurze Zeit gestreckt (kürzer als eine Halbwelle der Torsionsschwingung). Durch die Wahl der Zeitfenster und die Ausführung der zeitlichen Streckung kann die Torsionsbeanspruchung des Stranges begrenzt werden. Wird eine Zuschaltung bei 360° Phasenlage durchgeführt, so löscht sich die Schwingung aus (Systemdämpfung nicht berücksichtigt). Die Amplitude des maximalen Torsionswechsel-moments entspricht dem Nennmoment T (in der Zeit t₀ der Netzstörung). Toleriert man eine Zuschaltung „in der Nähe der 360°“, so werden sich eine höhere kurzfristige Torsionsbeanspruchung und auch ein zunächst verbleibendes Wechselmoment einstellen, deren Höhe von der genauen Phasenlage abhängig ist. Mit einer gegebenen zulässigen Torsionsbeanspruchung kann somit festgelegt werden, innerhalb welcher Phasenlage zugeschaltet werden darf.
Die Kombination mit einer zeitlichen Streckung erlaubt einen sofortigen Beginn der Wiederzuschaltung auch bei ungünstiger Phasenlage. Damit wird die Einspeisung in das Netz so früh wie möglich (zumindest teilweise) wieder aufgenommen. Auch wird dem Strang so früh wie möglich wieder Leistung abgenommen, so dass ein (bei Netztrennung aus Last auftretender Hochlauf) begrenzt werden kann.
Als ein wesentlicher Vorteil ist noch zu nennen, dass die zulässige Fehlerklärungszeit, die bei rotierenden Maschinen typischerweise nur wenige 100 ms betragen darf (zum Beispiel 250 ms), durch das hier beschriebene Verfahren auch deutlich erweitert werden kann (abhängig von der Ausführung der Leistungselektronik) .
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 den zeitlichen Verlauf t eines Torsionsmomentes T bei einer Netzstörung zum Zeitpunkt t₀
2 den zeitlichen Verlauf einer Torsionsmomentschwingung T bei einer Zuschaltung in der Nähe von 360° und
3 eine Anordnung, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
1 zeigt den Verlauf des Torsionsmomentes T des Generatorstranges über der Zeit t. Zum Zeitpunkt t_o tritt eine Netzstörung auf, wodurch der Generatorstrang eine Eigenschwingung ausführt, deren Amplitude mit der Zeit abklingt. Erfindungsgemäß erfolgt die Wiederzuschaltung, wenn die Torsionsschwingung ein Maximum nahe dem Torsionsmoment vor der Netzstörung erreicht, das heißt zu geradzahligen Halbwellen der Torsionsschwingung.
2 zeigt den Verlauf der Torsionsschwingung des Generatorstranges, wenn eine Zuschaltung innerhalb eines Fensters von +/- x° relativ vom Zeitpunkt des Schwingungsmaximums erfolgt. Durch den Zeitraum +/- x° wird ein Zeitfenster definiert. Wird, wie im Beispiel dargestellt, abweichend vom Schwingungsmaximum innerhalb des Zeitfensters zugeschaltet, kann eine Überhöhung des Momentes der Torsionsschwingung auftreten. Durch Vorgabe der maximal zulässigen Amplitude der Torsionsschwingung ist die zulässige Breite des Zeitfensters vorgegeben.
Bei der in 3 dargestellten Anordnung ist ein Generator G über einen Generatorstrang St mit einem Antrieb At, der beispielsweise durch eine Dampfturbine oder den Rotor einer Windkraftanlage gegeben sein kann, verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist der Antrieb durch eine Dampfturbine gegeben, der über ein Dampfventil V Arbeitsdampf zugeführt wird. Die vom Generator erzeugte elektrische Energie wird 3-phasig mit einer Spannung U_G, einer Stromstärke I_G und einer variablen Frequenz f_G einem Umrichter Inv, insbesondere Frequenzumrichter, zugeführt. Der Umrichter ist ausgangsseitig mit einem elektrischen Netz N vorgegebener Spannung U_N und vorgegebener Frequenz f_N, beispielsweise 50 Hz, verbunden. Ein Steuergerät C erfasst fortlaufend Spannung U_G, Stromstärke I_G und Frequenz f_G des Generators sowie Spannung U_N, Stromstärke IN und Frequenz f_N des elektrischen Netzes N. Das Steuergerät gibt ein Signal S zur zeitgenauen Wiederzuschaltung des Umrichters an das Netz an den Umrichter ab. Im Falle einer monoton ansteigenden Wiederzuschaltung wird die von dem Umrichter übertragene Leistung, gegebenenfalls über mehrere Perioden der Antriebsfrequenz f_G oder der Netzfrequenz f_N, hochgefahren.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
Bezugszeichenliste

T -: Torsionsmoment
t -: zeitlicher Verlauf
t0 -: Zeitpunkt der Netzstörung
U -: elektrische Spannung
I -: elektrischer Strom
f -: Frequenz des Wechselstroms
G -: Generator
C -: Steuergerät, Controller
Inv: - Umrichter, Frequenzumrichter
At -: Antrieb, Turbine, Rotor einer Windkraftanlage
St -: Generatorstrang
V -: Dampfventil
N -: elektrisches Netz
S -: Signal zur zeitlich koordinierten Wiederzuschaltung

Claims

Verfahren zur Wiederzuschaltung von netzgekoppelten Umrichteranlagen an drehzahlvariablen Generatorantrieben nach Fehlerklärung einer Netzstörung, demzufolge der Umrichter (Inv) eine zeitlich auf den Generatorstrang (St) abgestimmte Wiederzuschaltung auf das Netz (N) vornimmt derart, dass der Zuschaltzeitpunkt nach Maßgabe des von der Netzstörung zum Zeitpunkt (t₀) ausgelösten Schwingungszustandes des Generatorstranges (St) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung zu einem Zeitpunkt t = t₀ + (n * 360°) mit n = 1,2,3.. des Schwingungszustandes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung in einem Zeitfenster t = t₀ + (n * 360°) +/- x° mit n = 1,2,3... erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung nach Maßgabe eines rechnerisch ermittelten Schwingungszustandes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung nach Maßgabe eines in einem Datenspeicher abgelegten Schwingungszustandes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung nach Maßgabe eines momentan rechnerisch ermittelten Schwingungszustandes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung nach Maßgabe eines gemessenen Schwingungszustandes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung durch Einspeisung von Leistung des Generatorstranges in das Netz erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung durch Einspeisung von Leistung des Generatorstranges in das Netz mittels Hochregeln des Umrichters in Form einer monoton steigenden Kurve (Verlauf) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung über eine Viertelwelle der Torsionsschwingung des Schwingungszustandes zeitlich sinusförmig ansteigend erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung über mehr als einer Halbwelle der Torsionsschwingung des Schwingungszustandes zeitlich ansteigend gestreckt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederzuschaltung in Form einer linear ansteigenden Kurve erfolgt.