DE19752940C2

DE19752940C2 - Method and device for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine

Info

Publication number: DE19752940C2
Application number: DE1997152940
Authority: DE
Inventors: Franz Karlecik-Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2017-11-29
Also published as: EP1034616A1; WO1999029036A1; DE19752940A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebe nen mehrphasigen Synchronmaschine.The invention relates to a method and a front Direction for dynamic power control of a drive a multi-phase synchronous machine.

Bei einer stochastisch angetriebenen Synchronmaschine, bei spielsweise einer Windenergieanlage, treten infolge eines stochastisch auftretenden Windes Leistungsschwankungen auf, die bisher mittels einer Rotor-Blattverstellung ausgeregelt werden. Mittels dieser Rotor-Blattverstellung der Windener gieanlage ist nur eine langsame Leistungsregelung möglich.With a stochastically driven synchronous machine, at for example a wind turbine, occur as a result of performance fluctuations occurring stochastically, which was previously corrected by means of a rotor blade adjustment become. By means of this rotor blade adjustment of the winch only a slow power control is possible.

Das Thema Leistungs-Pendelungen bei einer geregelt angetrie benen Synchronmaschine existiert seit Beginn des Kraftwerks baus. Die rotierende Masse des Turbosatzes bildet im Zusam menwirken mit dem über eine Netzreaktanz angeschlossenen Drehstromnetz ein schwingungssicheres System. Diese Schwin gungen wirken sich nach außen als Wirkleistungspendelungen aus, intern können sie zusätzlich als Polradwinkelschwankun gen der Synchronmaschine beobachtet werden.The subject of power commuting in a regulated drive The synchronous machine has existed since the beginning of the power plant construction. The rotating mass of the turbo set forms together interact with the one connected via a network reactance Three-phase network a vibration-proof system. This swine outcomes act as active power oscillations off, internally they can also be used as be observed against the synchronous machine.

Verschiedene Parameter beeinflussen die Dämpfung der Eigen schwingungen:
Various parameters influence the damping of the natural vibrations:

- Das asynchrone Drehmoment des Generators ist proportional zum Schlupf des Generators und wirkt daher einer Polrad winkeländerung entgegen. Ein höheres asynchrones Drehmo ment erhöht daher die Dämpfung. Das asynchrone Drehmoment ist hauptsächlich von den Abmessungen des Generators ab hängig. Da die Leistungssteigerung der Generatoren aller dings durch die verstärkte Kühlung der aktiven Wicklungen und weniger durch größere Abmessungen erreicht wird, ver ringert sich das asynchrone Moment im Vergleich zum syn chronen Moment und die Eigendämpfung des System wird schwächer.- The asynchronous torque of the generator is proportional to slip the generator and therefore acts a flywheel change in angle. A higher asynchronous torque ment therefore increases damping. The asynchronous torque depends mainly on the dimensions of the generator pending. Because the performance increase of the generators of all However, through the increased cooling of the active windings and less is achieved by larger dimensions, ver the asynchronous moment is reduced compared to the syn chronic moment and the system's inherent damping weaker.
- Die Wechselbeziehung zwischen Netz und Kraftwerk steigen mit der Kraftwerksleistung. Die bei nahezu gleichbleiben der Kurzschlußleistung in letzter Zeit gestiegene mittle re Leistung einzelner Kraftwerksblöcke wirkt sich daher negativ auf die Stabilität des Netzes aus.- The interrelation between the grid and the power plant is increasing with the power plant output. Which remain almost the same the short-circuit power has recently increased The performance of individual power plant units therefore has an impact negatively affect the stability of the network.
- Der Einsatz geregelter Stromrichter auf der Verbraucher seite wirkt sich ebenfalls destabilisierend aus. Der ver stärkte Einsatz derartiger Komponenten verschlechtert die dynamischen Eigenschaften des Netzes in immer höherem Ma ße.- The use of regulated power converters on the consumer side also has a destabilizing effect. The ver increased use of such components worsens the dynamic properties of the network to an ever increasing extent eat.
- Spannungsregler mit hoher Verstärkung reagieren auf die aus den Pendelungen resultierenden Spannungsänderungen derart massiv, daß sie über die Erregung dem Turbosatz zusätzlich transiente Drehmomente aufprägen. Diese wirken zwar spannungsstützend, wirken aber genau gegensinnig auf die abgegebene Wirkleistung aus und destabilisierend, da her die Eigenschwingung des Turbosatzes. Diese Entdämp fung kann unabhängig von der sogenannten Netzkonfigura tion zur Instabilität des Turbosatzes führen.- High gain voltage regulators respond to the changes in tension resulting from the oscillations so massive that it excites the turbo set additionally apply transient torques. These work tension-supporting, but act in exactly the opposite direction the active power given off and destabilizing because forth the natural vibration of the turbo set. This muffler fung can be independent of the so-called network configuration tion lead to instability of the turbo set.

Die Regelung des Turbosatzes erfolgt primär durch den Turbi nenregler, bestehend aus einem Leistungs- und einem Drehzahl regler, und dem Spannungsregler. Der Turbinenregler wirkt auf die Regelventile, die einen Gas- oder Dampfmassenstrom zur Turbine regulieren. Durch die Frequenzstatik kann er langsa men Änderungen der Netzfrequenz entgegenwirken. Bei Frequen zen oberhalb von 0,1 Hz ... 0,2 Hz kann er jedoch wegen der begrenzten Dynamik der Ventile nicht eingreifen.The turbo set is primarily regulated by the turbo controller, consisting of a power and a speed regulator, and the voltage regulator. The turbine controller acts the control valves that a gas or steam mass flow for Regulate the turbine. Due to the frequency statics, it can be slow counteract changes in the network frequency. With frequencies zen above 0.1 Hz ... 0.2 Hz it can, however, because of the limited dynamics of the valves do not intervene.

Der Spannungsregler hat die Aufgabe, die Klemmenspannung des Generators möglichst konstant zu halten und damit unabhängig von äußeren Störungen zu machen. Eine hohe Regelgüte der Spannungsregelung ist eine wichtige Forderung. Die Dynamik der Spannungsregelung kann jedoch nicht beliebig erhöht wer den. Beim Turbosatz als Mehrgrößenstrecke existiert eine Kopplung zwischen Erregerspannung und der abgegebenen Wirk leistung, wodurch ein Pendeldämpfungsgerät zur Pendeldämpfung eingesetzt werden kann. Dieses Pendeldämpfungsgerät, auch als "Power System Stabilizer" bezeichnet, wirkt hauptsächlich über die Erregung des Synchrongenerators. Dieses Pendeldämp fungsgerät ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Dämpfung von Leistungspendelungen durch Beeinflussung der Generatorerre gung", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Siemens Energietech nik", Band 3, 1981, Heft 1, Seiten 8 bis 12, bekannt. Nach teilig ist, daß zur Pendeldämpfung ein zusätzliches Regelge rät verwendet werden muß, daß auf den Spannungsregler der Re gelung des Turbosatzes abgestimmt werden muß.The voltage regulator has the task of the terminal voltage of the Keep generator as constant as possible and therefore independent to make of external disturbances. A high control quality of the Voltage regulation is an important requirement. The dynamics However, the voltage regulation cannot be increased arbitrarily the. One exists for the turbo set as a multi-size line Coupling between excitation voltage and the delivered active performance, making a pendulum damping device for pendulum damping can be used. This pendulum damping device, also as Called "Power System Stabilizer" works mainly about the excitation of the synchronous generator. This pendulum damper is, for example, from the article "Damping of Power fluctuations by influencing the generator ground gung ", printed in the DE magazine" Siemens Energietech nik ", volume 3, 1981, volume 1, pages 8 to 12 is in part that for pendulum damping an additional Regelge advises must be used that the voltage regulator of the Re turbo set must be coordinated.

Bei einer Synchronmaschine, die als Generator betrieben wird, wird die Generatorleistung stationär durch folgende Glei chung:
In the case of a synchronous machine that is operated as a generator, the generator output becomes stationary through the following equation:

mit
U₁ Ständerspannungs-Raumzeiger
U_P Polradspannungs-Raumzeiger
X₁ synchrone Reaktanz
δLastwinkel zwischen U₁ und U_P
bestimmt. With
U ₁ stator voltage room pointer
U _P pole wheel voltage space vector
X ₁ synchronous reactance
δLoad angle between U ₁ and U _P
certainly.

Diese Leistungsgleichung gibt an, welche Größen verändert werden können, um eine Leistungsbeeinflussung zu erreichen, die zu einer stabilen Leistungsübertragung führt. Weil die Netze der elektrischen Energieversorgung nahezu mit konstan ter Spannung als sogenannte Konstantspannungsnetze betrieben werden und die synchrone Reaktanz baulich bestimmt ist, wo durch diese nicht veränderbar ist, kann eine nennenswerte und schnelle Leistungsveränderung nur über direkte Lastwinkel- Veränderung erzielt werden.This power equation indicates which quantities changed be able to influence performance, which leads to stable power transmission. Because the Networks of electrical energy supply almost constant ter voltage operated as so-called constant voltage networks and the synchronous reactance is structurally determined where is not changeable by this, a significant and rapid change in performance only via direct load angle Change can be achieved.

Aus der Veröffentlichung "Damping the power-angle oscillati ons of a permanent magnet synchronous generator with particu lar reference to wind turbine applications", abgedruckt in der Zeitschrift "IEE Proc.-Electr. Power Appl.", Vol. 143, No. 3, May 1996, Seiten 269 bis 280, ist eine stochastisch angetriebene mehrphasige Synchronmaschine bekannt, deren Ständer drehbar gelagert ist. Dieser drehbar gelagerte Stän der ist mittels eines Feder-Dämpfer-Systems mit einem Turbi nengehäuse einer Windenergieanlage verbunden. Mittels diesem Feder-Dämpfer-System können Leistungsschwankungen besser ge dämpft werden, als mit einer konventionellen Dämpferwicklung.From the publication "Damping the power-angle oscillati ons of a permanent magnet synchronous generator with particu lar reference to wind turbine applications ", printed in the magazine "IEE Proc.-Electr. Power Appl.", Vol. 143, No. 3, May 1996, pages 269 to 280, is a stochastic driven multi-phase synchronous machine known, the Stand is rotatably mounted. This rotatably mounted stand which is by means of a spring-damper system with a turbo connected the housing of a wind turbine. By means of this Spring damper system can better fluctuations in performance be damped than with a conventional damper winding.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine dynamische Leistungsregelung einer angetriebenen Synchronmaschine anzugeben.The invention is based on the object of a method and a device for dynamic power control to specify a driven synchronous machine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7.This object is achieved with the features of claim 1 and claim 7.

Dadurch, daß der Ständer einer angetriebenen Synchronmaschine mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs drehbar ist, kann eine dynamische Leistungsregelung mittels einer dynami schen Lastwinkelregelung durchgeführt werden. Das dynamische Verhalten des Lastwinkels wird hauptsächlich von der Integra tion der Differenz zwischen mechanischem und elektrischem Mo ment bestimmt. Die Integrationszeit entspricht der Anlauf zeitkonstante des Aggregats, bestehend aus Arbeitsmaschine und Läufer der Synchronmaschine. The fact that the stand of a driven synchronous machine is rotatable by means of a variable-speed drive, can dynamic power control by means of a dynami load angle control. The dynamic Behavior of the load angle is mainly determined by the integra tion of the difference between mechanical and electrical Mo ment determined. The integration time corresponds to the start-up time constant of the unit, consisting of work machine and rotor of the synchronous machine.

Für eine derartige dynamische Lastwinkel-Regelung werden ein Lastwinkel-Sollwert und ein Lastwinkel-Istwert benötigt. Der Lastwinkel-Sollwert läßt sich mittels einer überlagerten Lei stungs-Regelung in Abhängigkeit eines vorbestimmten Lei stungs-Sollwertes und eines aus einem ermittelten Ständer spannungs-Raumzeiger und einem ermittelten Ständerstrom- Raumzeiger bestimmten Leistungs-Istwertes generieren. Der Lastwinkel-Istwert ist gleich dem Vergleichswert zweier asyn chroner Teillastwinkel, die jeweils in Abhängigkeit eines er mittelten Netzspannungs-Raumzeigers und eines Lage-Istwertes des Läufers bzw. des Ständers der Synchronmaschine bestimmt werden. Diese beiden asynchronen Teillastwinkel geben jeweils die relative Lage des Ständerspannungs-Raumzeigers und des Polradspannungs-Raumzeigers der Synchronmaschine zu einem Netzspannungs-Raumzeiger (Bezugs-Raumzeiger) an. Die Diffe renz dieser beiden asynchronen Teillastwinkel ergibt den Lastwinkel-Istwert.For such a dynamic load angle control, a Load angle setpoint and an actual load angle value are required. Of the The load angle setpoint can be set using a superimposed lei power control depending on a predetermined Lei setpoint and one from a determined stand voltage space vector and a determined stator current Generate a room pointer of a specific actual performance value. Of the Actual load angle value is equal to the comparison value of two asyn chronic partial load angle, each depending on a he average mains voltage space vector and an actual position value of the rotor or the stator of the synchronous machine become. These two asynchronous partial load angles give each the relative position of the stator voltage space vector and the Magnetic voltage space pointer of the synchronous machine to one Mains voltage space pointer (reference space pointer). The differences limit of these two asynchronous partial load angles results in the Actual load angle value.

Mittels einer unterlagerten Winkelregelung wird in Abhängig keit des Lastwinkel-Sollwertes und des Lastwinkel-Istwertes eine Stellgröße für den drehzahlveränderbaren Antrieb er zeugt, die mittels eines pulsweitenmodulierten Verfahrens in Steuersignale dieses drehzahlveränderbaren Antriebs umgewan delt wird. Diese Steuerung des drehzahlveränderbaren Antriebs bewirkt eine Rotation des Ständers der Synchronmaschine in Rotor-Drehrichtung oder in Rotor-Gegenrichtung. Dadurch wird der Lastwinkel-Istwert auf den Lastwert-Sollwert geregelt.By means of a subordinate angle control it becomes dependent of the load angle setpoint and the load angle actual value a manipulated variable for the variable-speed drive testifies that by means of a pulse width modulated method in Control signals of this variable-speed drive uman delt is. This control of the variable-speed drive causes the stator of the synchronous machine to rotate in Direction of rotation of the rotor or in the opposite direction of the rotor. This will the actual load angle value is regulated to the nominal load value.

Durch die dynamische Rotation des Ständers der Synchronma schine, die als Synchrongenerator betrieben wird, werden Schwankungen der konstanten Umlaufgeschwindigkeit des Stän derspannungs-Raumzeigers kompensiert, so daß der Lastwinkel proportional eines vorbestimmten Leistungs-Sollwertes ist. Diese Schwankungen (Frequenzabweichungen) wirken nach außen bei einer geregelt angetriebenen Synchronmaschine als Wirkleistungspendelung aus, die somit durch die dynamische Rotation des Ständers der Synchronmaschine ausgeregelt wer den.Thanks to the dynamic rotation of the synchronous stand machine that is operated as a synchronous generator Fluctuations in the constant rotational speed of the stand derspannungs space pointer compensated so that the load angle is proportional to a predetermined power setpoint. These fluctuations (frequency deviations) have an external effect in a controlled driven synchronous machine as Active power oscillation, which is thus due to the dynamic Rotation of the stator of the synchronous machine corrected who the.

Bei einer stochastisch angetriebenen Synchronmaschine verän dert der Polradspannungs-Raumzeiger seine relative Lage zum Ständerspannungs-Raumzeiger, was sich in einer Leistungs- Schwankung bemerkbar macht. Durch die dynamische Rotation des Ständers der Synchronmaschine werden diese stochastischen Leistungs-Schwankungen ausgeregelt. Somit kann eine stocha stisch angetriebene Synchronmaschine eine konstante Leistung abgeben. Change with a stochastically driven synchronous machine the pole wheel voltage space pointer changes its relative position to Stator voltage space pointer, which is reflected in a power Fluctuation noticeable. Due to the dynamic rotation of the The synchronous machine becomes stochastic Power fluctuations corrected. Thus a stocha Tically driven synchronous machine a constant performance submit.

Die Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer ange triebenen Synchronmaschine umfaßt einerseits eine Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes, eine Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes und einen Lastwin kel-Regelkreis mit nachgeschaltetem Steuersatz und anderer seits eine Synchronmaschine, deren Ständer mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs und eines Getriebes rotiert werden kann. Die Einrichtung zur Bestimmung eines Lastwinkel- Istwertes ist einerseits mit Ausgängen zweier Lagegeber, die eingangsseitig mit einem Läufer und einem Ständer der Syn chronmaschine verbunden sind, und andererseits mit einer Spannungs-Meßwerterfassung verbunden. Der Einrichtung zur Be stimmung eines Lastwinkel-Sollwertes sind Spannungs-Istwerte, Strom-Istwerte und ein Leistungs-Sollwert zugeführt. Mittels des Lastwinkel-Regelkreises wird eine Stellgröße erzeugt, die mittels des nachgeschalteten Steuersatzes in Steuersignale des drehzahlveränderbaren Antriebs umgewandelt wird, wodurch der Ständer der Synchronmaschine relativ zu seinem Läufer verdreht wird, bis der Lastwinkel-Istwert mit dem Lastwinkel- Sollwert übereinstimmt. Damit ist die von der angetriebenen Synchronmaschine abgegebene Leistung gleich einem vorbestimm ten Leistungs-Sollwert.The device for dynamic power control an driven synchronous machine on the one hand includes a device to determine an actual load angle value, a device for determining a load angle setpoint and a Lastwin kel control loop with downstream tax rate and others hand a synchronous machine, the stand by means of a variable-speed drive and a gear rotates can be. The device for determining a load angle Actual value is on the one hand with outputs of two position sensors, the on the input side with a rotor and a stand of Syn Chron machine are connected, and on the other hand with a Voltage measured value acquisition connected. The facility for loading adjustment of a load angle setpoint are actual voltage values, Current actual values and a power setpoint are supplied. Means a manipulated variable is generated in the load angle control circuit by means of the downstream tax rate in control signals of the variable-speed drive is converted, whereby the stand of the synchronous machine relative to its rotor is rotated until the actual load angle value Setpoint matches. So that is driven by the Synchronous machine output equal to a predetermined power setpoint.

Die Synchronmaschine weist einen eine mehrphasige Wicklung aufweisenden Ständer und einen Läufer auf. Der Ständer ist drehbar gelagert und ist mit einem Getriebe versehen. Jede Wicklung der mehrphasigen Wicklung des Ständers ist mittels eines Schleifringes und einer Bürste mit einem Klemmenan schluß der Synchronmaschine elektrisch leitend verbunden. Der Ständer und der Läufer dieser Synchronmaschine ist mit einem Lagegeber verbunden. Das Getriebe ist antriebsseitig mit ei nem drehzahlveränderbaren Antrieb verbunden, dessen Steuer eingänge mit dem Steuersatz der Vorrichtung verknüpft sind. Eingangsseitig ist dieser drehzahlveränderbare Antrieb mit einem Netz verknüpft, an dem die angetriebene Synchronmaschi ne Leistung abgeben soll. Durch die Ausgestaltung dieser Syn chronmaschine, insbesondere seines Ständers, besteht die Mög lichkeit, im Zusammenhang mit der Vorrichtung Leistungs schwankungen dynamisch auszuregeln.The synchronous machine has a multi-phase winding having stand and a runner. The stand is rotatably mounted and is equipped with a gear. Each Winding of the multi-phase winding of the stator is by means of a slip ring and a brush with a clamp conclusion of the synchronous machine electrically connected. Of the Stand and the rotor of this synchronous machine is with one Position encoder connected. The gearbox has an egg on the drive side connected to a variable-speed drive, its control inputs are linked to the tax rate of the device. This variable-speed drive is included on the input side linked to a network on which the driven synchronous machine should deliver a service. By designing this syn chronmaschine, especially its stand, the possibility exists ability related to the device performance to regulate fluctuations dynamically.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrich tung bzw. der Synchronmaschine sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 16 zu entnehmen.Advantageous embodiments of the method and the Vorrich device or the synchronous machine are the dependent claims 2 to 6 or 8 to 16.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform der erfindungsge mäßen Vorrichtung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing Reference, in which an embodiment of the fiction The device is schematically illustrated.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer angetriebenen Synchronmaschine, Fig. 1 shows a block diagram of an apparatus for dynamic power control of a driven synchronous machine,

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine, die Fig. 2 shows an embodiment of a synchronous machine according to the invention, the

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Be stimmung eines Lastwinkel-Istwertes, die Fig. 3 shows a block diagram of a device for determining a load angle actual value, the

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Be stimmung eines Lastwinkel-Sollwertes, die Fig. 4 shows a block diagram of a device for determining a load angle setpoint, the

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Lastwinkel- Regelkreises, wobei in der Fig. 5 shows a block diagram of a load angle control loop, in which

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Leistungs-Sollwert- Bildners dargestellt ist, die Fig. 6 is a block diagram of a power setpoint generator is shown, the

Fig. 7 zeigt ein Raumzeiger-Bild der Netz-, Ständer- und Polradspannung der Synchronmaschine, wobei die Fig. 7 shows a space vector image of the mains, stator and magnet wheel voltage of the synchronous machine, the

Fig. 8 ein Zeigerbild für die Synchronisationsbedingung und die Fig. 8 is a pointer image for the synchronization condition and

Fig. 9 ein Zeigerbild für den stationären Generatorbetrieb der Synchronmaschine zeigen. Fig. 9 show a pointer image for stationary generator operation of the synchronous machine.

In dem Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist mit 2 eine Synchronmaschine, mit 4 ein dreh zahlveränderbarer Antrieb, mit 6 ein Getriebe, mit 8 eine Re gel- und Steuereinrichtung eines drehzahlveränderbaren An triebs 4 und mit 10 und 12 jeweils ein Lagegeber gekennzeich net. Diese Synchronmaschine 2 weist einen eine mehrphasige Wicklung aufweisenden Ständer 14 und einen Läufer 16, insbe sondere einen fremderregten Läufer, auf. Das Getriebe weist ein abtriebsseitiges Zahnrad 18 und ein antriebsseitiges Zahnrad 20 auf. Als Getriebe ist ein Schneckengetriebe vorge sehen. Der Läufer 16 dieser Synchronmaschine 2 und das an triebsseitige Zahnrad 20 ist jeweils mit einem Lagegeber 10 und 12 verbunden. Das antriebsseitige Zahnrad 20 ist eben falls mit einem Stellmotor 22 des drehzahlveränderbaren An triebs 4 verbunden. Dieser Stellmotor 22 wird mittels eines Umrichters 24 aus einem Netz 26 gespeist, in das die von der angetriebenen Synchronmaschine 2 generierte Leistung P einge speist wird. Ständerseitig ist zwischen der Synchronmaschi ne 2 und dem Netz 26 ein Leistungsschalter 28 angeordnet. Im Netz 26 ist eine Spannungs-Meßwerterfassung 30 angeordnet, mit der Netz-Phasenspannung u_NR, u_NS und u_NT ermittelt werden. Ständerseitig weist die Synchronmaschine 2 eine Spannungs- und Strom-Meßwerterfassung 32 und 34 auf, mit denen die Stän derspannungen u_1R, u_1S, u_1T und die Ständerströme i_1R, i_1S, i_1T gemessen werden. Als Umrichter 24 ist ein Spannungszwischen kreis-Umrichter vorgesehen, der einen ungesteuerten netzsei tigen Stromrichter 36, einen Spannungszwischenkreis 38 und einen lastseitigen Pulsstromrichter 40 aufweist. Ein derarti ger Umrichter 24 mit nachgeschaltetem Stellmotor 22 ist aus der Antriebstechnik bekannt.In the block diagram of an inventive device according to FIG. 1, with 2 a synchronous machine, 4 is a variable-speed drive, with 6 a transmission gel with 8 is a Re and control device of a variable speed to drive 4 with 10 and 12 respectively, a position encoder gekennzeich net. This synchronous machine 2 has a stator 14 having a multi-phase winding and a rotor 16 , in particular a separately excited rotor. The transmission has a gear 18 on the output side and a gear 20 on the drive side. A worm gear is provided as the gearbox. The rotor 16 of this synchronous machine 2 and the drive-side gear 20 is each connected to a position encoder 10 and 12 . The drive-side gear 20 is just if connected to an actuator 22 of the variable-speed drive 4 . This servo motor 22 is fed from a network 26 via an inverter 24, in which the generated from the driven synchronous machine 2 power P is fed. On the stand side, a circuit breaker 28 is arranged between the synchronous machine 2 and the network 26 . A voltage measurement value acquisition 30 is arranged in the network 26 , with which the network phase voltage u _NR , u _NS and u _{NT are} determined. On the stator side, the synchronous machine 2 has a voltage and current measured value detection 32 and 34 , with which the stator voltages u _1R , u _1S , u _1T and the stator currents i _1R , i _1S , i _{1T are} measured. As the converter 24 , a voltage intermediate circuit converter is provided, which has an uncontrolled line-side converter 36 , a voltage intermediate circuit 38 and a load-side pulse converter 40 . Such a converter 24 with a downstream servomotor 22 is known from drive technology.

Die Regel- und Steuereinrichtung 8 weist eine Einrichtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ, eine Einrichtung 44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes δ*, einen Last winkel-Regelkreis 46 und einen Steuersatz 48 auf. Die Ein richtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ ist einerseits mit den Ausgängen der Lagegeber 10 und 12 und an dererseits mit der Spannungs-Meßwerterfassung 30 verknüpft. Das Blockschaltbild einer Ausführungsform dieser Einrichtung 42 ist in der Fig. 3 näher dargestellt. Die Einrichtung 44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes δ* ist mit der Span nungs-Meßwerterfassung 32 und mit der Strom-Meßwerterfassung 34 verknüpft. Außerdem ist dieser Einrichtung 44 ein vorbe stimmter Leistungs-Sollwert P* zugeführt. Das Blockschaltbild einer Ausführungsform dieser Einrichtung 44 ist in der Fig. 4 näher dargestellt. Der Lastwinkel-Regelkreis 46, dessen Blockschaltbild in der Fig. 5 näher dargestellt ist, ist ein gangsseitig mit einem Ausgang der Einrichtung 42 zur Bestim mung eines Lastwinkel-Istwertes δ und mit einem Ausgang der Einrichtung 44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes δ* und ausgangsseitig mit einem Eingang des nachgeschalteten Steuersatz 48 verknüpft. Am Ausgang dieses Lastwinkel-Regel kreises 46 steht eine generierte Stellgröße S_y an, die mit tels des Steuersatzes 48 in Steuersignalen S_v für den Umrich ter 24 des drehzahlveränderbaren Antriebs 4 gewandelt wird.The regulating and control device 8 has a device 42 for determining an actual load angle value δ, a device 44 for determining a desired load angle value δ *, a load angle control circuit 46 and a headset 48 . A device 42 for determining an actual load angle value δ is linked on the one hand to the outputs of the position sensors 10 and 12 and on the other hand to the voltage measurement value acquisition 30 . The block diagram of an embodiment of this device 42 is shown in more detail in FIG. 3. The device 44 for determining a load angle setpoint value δ * is linked to the voltage measurement value acquisition 32 and to the current measurement value acquisition 34 . In addition, this device 44 is supplied with a predetermined power setpoint P *. The block diagram of an embodiment of this device 44 is shown in more detail in FIG. 4. The load angle control circuit 46 , the block diagram of which is shown in more detail in FIG. 5, is on the aisle side with an output of the device 42 for determining an actual load angle value δ and with an output of the device 44 for determining a desired load angle value δ * and linked on the output side to an input of the downstream tax rate 48 . At the output of this load angle control circuit 46 there is a generated manipulated variable S _y , which is converted by means of the tax rate 48 into control signals S _v for the converter 24 of the variable-speed drive 4 .

In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 2 näher dargestellt. Der Ständer 14 dieser Synchronmaschine 2 ist drehbar gelagert und seine Wicklungen 48 sind jeweils mit einem Schleifring 50 und einer Bürste 52 mit einem Klemmenanschluß der Synchronmaschine 2 elektrisch leitend verbunden. Die drehbare Lagerung des Ständers 14 der Synchronmaschine 2 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht im einzelnen dargestellt. Das abtriebsseitige Zahnrad 18 des Ge triebes 6 umschließt den Ständer 14 und ist mit dessen Man telfläche kraftschlüssig verbunden. Das antriebsseitige Zahn rad 20 ist mit dem Stellmotor 22 kraftschlüssig verbunden. Mittels einer Welle 54 wird der Läufer 16 dieser Synchronma schine 2 angetrieben, so daß diese Synchronmaschine 2 als Ge nerator betrieben wird. Mittels des drehzahlveränderbaren An triebs 4 und des Getriebes 6 kann der drehbar gelagerte Stän der 14 in Läufer-Drehrichtung bzw. in Läufer-Gegendrehrich tung rotiert werden.An embodiment of a synchronous machine 2 according to the invention is shown in more detail in FIG. 2. The stator 14 of this synchronous machine 2 is rotatably mounted and its windings 48 are each electrically conductively connected to a slip ring 50 and a brush 52 with a terminal connection of the synchronous machine 2 . The rotatable mounting of the stator 14 of the synchronous machine 2 is not shown in detail for reasons of clarity. The output-side gear 18 of the Ge gear 6 encloses the stand 14 and is connected to the Man telfläche non-positively. The drive-side toothed wheel 20 is non-positively connected to the servomotor 22 . By means of a shaft 54 of the rotor 16 of this Synchronma machine 2 is driven, so that these synchronous machine 2 is operated as a Ge erator. By means of the variable-speed drive 4 and the gear 6 , the rotatably supported stan 14 can be rotated in the direction of rotation of the rotor or in the direction of rotation of the rotor.

In der Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einrichtung 42 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δnäher dargestellt. Diese Einrichtung 42 weist eingangssei tig einen Netzspannungs-Raumzeiger-Bildner 56 und ausgangs seitig einen Vergleicher 58 auf. Der Ausgang des Netzspan nungs-Raumzeiger-Bildners 56 ist jeweils mittels einer Ein richtung 60 zur Bildung eines asynchronen Teillastwinkels δ_läufer und δ_ständer mit einem Eingang des Vergleichers 58 ver knüpft. Jeweils ein zweiter Eingang dieser beiden Einrichtun gen 60 ist mit einem Ausgang der Lagegeber 10 und 12 verbun den. Der Netzspannungs-Raumzeiger-Bildner 56 weist zwei hin tereinander geschaltete Koordinatenwandler 62 und 64 auf. Als eingangsseitigen Koordinatenwandler 62 ist ein sogenannter 3/2-Koordinatenwandler vorgesehen. Dieser 3/2-Koordinaten wandler 62 ist eingangsseitig mit wenigstens zwei Ausgängen der Spannungs-Meßwerterfassung 30 verbunden. Als ausgangssei tigen Koordinatenwandler 64 ist ein sogenannter K/P-Koordi natenwandler vorgesehen, der eingangsseitig mit den beiden Ausgängen des 3/2-Koordinatenwandlers 62 verknüpft ist. Am K/P-Koordinatenwandler 64 steht ein Netzspannungs-Raumzeiger u _N an, der als Bezugs-Raumzeiger für die Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes δ verwendet wird. Der 3/2-Koordinaten wandler 62 erzeugt aus zwei Phasenspannungen u_NR und u_NS des dreiphasigen Netzes 26 zwei orthogonale Spannungskomponenten u_Nα und u_Nβ eines ständerorientierten kartesischen Koordina tensystems. Diese orthogonalen Spannungskomponenten u_Nα und u_Nβ der Netzspannung werden mittels des K/P-Koordinaten wandlers 64 in polare Komponenten Betrag |u _N| und Phasenwin kel ϕ_N des Netzwinkel-Raumzeigers u _N eines polaren Koordina tensystems gewandelt (Fig. 7). Dieser Netzspannungs-Raumzeiger u _N läuft mit der Netzkreisfrequenz ω_N im ständerorientierten kartesischen Koordinatensystem α, β um. Die Einrichtung 60 generiert nun aus einem anstehenden Lagesignal L₁ bzw. L_s und aus dem Netzspannungs-Raumzeiger u _N einen asynchronen Teil lastwinkel δ_läufer bzw. δ_ständer (Fig. 7). Diese asynchronen Teil lastwinkel δ_läufer und δ_ständer geben jeweils die relative Lage eines Polradspannungs-Raumzeiger u _P und eines Ständerspan nungs-Raumzeigers u ₁ der Synchronmaschine 2 bezüglich des Netzspannungs-Raumzeigers u _N wieder. In Abhängigkeit der Ar beitsmaschine (Turbine, Wind) der Synchronmaschine 2 kann die Umlaufgeschwindigkeit des Ständerspannungs-Raumzeiger u ₁ oder des Polradspannungs-Raumzeigers u _P im Vergleich zur konstanten Umlaufgeschwindigkeit des Netzspannungs-Raumzeiger u _N schwanken. Diese Schwankungen sind jeweils durch einen Doppelpfeil in der Fig. 7 kenntlich gemacht. Ein Vergleich dieser beiden asynchronen Teillastwinkel δ_läufer und δ_ständer mit einander ergibt den Lastwinkel-Istwert δ der Synchronmaschine 2 (Fig. 7). D. h., wenn die Umlaufgeschwindigkeit des Ständer spannungs-Raumzeigers u₁ oder des Polradspannungs-Raumzeigers u _P schwankt, so schwankt auch der Lastwinkel-Istwert δ. FIG. 3 shows a block diagram of an embodiment of the device 42 for determining an actual load angle value δ closer. This device 42 has a mains voltage space vector 56 on the input side and a comparator 58 on the output side. The output of the line voltage space vector 56 is linked by means of a device 60 to form an asynchronous partial load _angle δ _rotor and δ _stator with an input of the comparator 58 . In each case a second input of these two devices 60 is connected to an output of the position sensors 10 and 12 . The mains voltage space vector 56 has two coordinate converters 62 and 64 connected in series. A so-called 3/2 coordinate converter is provided as the input-side coordinate converter 62 . This 3/2-coordinate converter 62 is connected on the input side to at least two outputs of the voltage measurement value acquisition 30 . A so-called K / P coordinate converter is provided as the output-side coordinate converter 64, which is linked on the input side to the two outputs of the 3/2-coordinate converter 62 . A mains voltage space vector u _{N is present} at the K / P coordinate converter 64 and is used as a reference space vector for determining an actual load angle value δ. The 3/2-coordinate converter 62 generates two orthogonal voltage components u _N α and u _N β of a stator-oriented Cartesian coordinate system from two phase voltages u _NR and u _{NS of} the three-phase network 26 . These orthogonal voltage components u _N α and u _N β of the mains voltage are converted into polar components by means of the K / P coordinate converter 64 u _N | and phase angle ϕ _{N of} the network angle space vector u _{N of} a polar coordinate system ( Fig. 7). This line voltage space vector u _N rotates with the line frequency ω _N in the stator-oriented Cartesian coordinate system α, β. The device 60 now generates an asynchronous partial load angle δ _rotor or δ _stator from a pending position signal L ₁ or L _s and from the mains voltage space vector u _N ( FIG. 7). This asynchronous partial load angle δ _rotor and δ _stator each give the relative position of a pole wheel voltage space vector u _P and a stator voltage voltage space vector u _{1 of} the synchronous machine 2 with respect to the line voltage space vector u _N. Depending on the working machine (turbine, wind) of the synchronous machine 2 , the rotational speed of the stator voltage space vector u ₁ or the pole wheel voltage space vector u _{P can} fluctuate in comparison to the constant rotational speed of the mains voltage space vector u _N. These fluctuations are identified by a double arrow in FIG. 7. A comparison of these two asynchronous partial load _angles δ _rotor and δ _stator with one another gives the actual load angle value δ of the synchronous machine 2 ( FIG. 7). That is, if the rotational speed of the stator voltage space vector u ₁ or the pole wheel voltage space vector u _P fluctuates, the actual load angle value δ also fluctuates.

In der Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einrichtung 44 zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes δ* näher dargestellt. Diese Einrichtung 44 weist einen Lei stungs-Regelkreis 66, eine Einrichtung 68 zur Bildung eines Leistungs-Istwertes P, eines Ständerspannungs-Raumzeiger- Bildners 70 und einen Ständerstrom-Raumzeiger-Bildner 72 auf. Der Leistungs-Regelkreis 66 besteht aus einem Vergleicher 74 und einem PI-Regler 76. An einem Steuereingang dieses PI- Reglers 76 steht ein Freigabe-Signal S_FGan, das nach dem schließen des Leistungsschalters 28 generiert wird. Mittels dieses Freigabe-Signals S_FG wird der Regler 76 freigegeben. Der invertierende Eingang des Vergleichers 74 ist mit einem Ausgang der Einrichtung 68 zur Bildung eines Leistungs-Ist wertes P verknüpft. Am nichtinvertierenden Eingang dieses Vergleichers 74 steht ein vorbestimmter Leistungs-Sollwert P* an. Die Einrichtung 68 zur Bestimmung eines Leistungs-Ist wertes P ist eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang der beiden Raumzeiger-Bildner 70 und 72 verbunden. Der Aufbau der Raumzeiger-Bildner 70 und 72 entspricht jeweils dem Aufbau des Netzspannungs-Raumzeiger-Bildners 56. Der Ständerspan nungs-Raumzeiger-Bildner 70 ist eingangsseitig mit Ausgängen der Ständerspannungs-Meßwerterfassung 32, wogegen der Stän derstrom-Raumzeiger-Bildner 72 mit Ausgängen der Ständer strom-Meßwerterfassung 34 verknüpft sind. Als Einrichtung 68 zur Bestimmung eines Leistungs-Istwertes P ist vorteilhafter weise ein Mikroprozessor vorgesehen, der aus den beiden an stehenden Raumzeigern u ₁ und i ₁ einen Leistungs-Istwert P be rechnet. Der Leistungs-Regelkreis 66 generiert aus diesem Leistungs-Istwert und einem vorbestimmten Leistungs-Sollwert P* derart einen Lastwinkel-Sollwert δ*, daß eine ermittelte Leistungs-Differenz ΔP zu Null wird. FIG. 4 shows a block diagram of an embodiment of the device 44 for determining a load angle setpoint δ * in more detail. This device 44 has a power control circuit 66 , a device 68 for forming an actual power value P, a stator voltage space vector 70 and a stator current space vector 72 . The power control circuit 66 consists of a comparator 74 and a PI controller 76 . An enable signal S _{FG is present} at a control input of this PI controller 76 and is generated after the circuit breaker 28 is closed. The controller 76 is released by means of this release signal S _FG . The inverting input of the comparator 74 is linked to an output of the device 68 for forming an actual power value P. At the non-inverting input of this comparator 74, there is a predetermined power setpoint P *. The device 68 for determining an actual power value P is connected on the input side to an output of the two space vector formers 70 and 72 . The structure of the space vector generators 70 and 72 corresponds in each case to the construction of the mains voltage space vector 56 . The Ständerspan voltage space vector generator 70 is on the input side with outputs of the stator voltage measurement value acquisition 32 , whereas the stan derstrom space vector generator 72 are connected to outputs of the stator current measurement value acquisition 34 . A microprocessor is advantageously provided as means 68 for determining an actual power value P, which calculates an actual power value P be from the two standing space pointers u ₁ and i ₁ . The power control circuit 66 uses this actual power value and a predetermined power setpoint P * to generate a load angle setpoint δ * such that a determined power difference ΔP becomes zero.

Dieser Lastwinkel-Sollwert δ* und der ermittelte Lastwinkel- Istwert δ werden dem Lastwinkel-Regelkreis 46 zugeführt, wo bei gemäß Fig. 5 der Lastwinkel-Sollwert δ* einem nichtinver tierenden Eingang und der Lastwinkel-Istwert δ einem inver tierenden Eingang eines Vergleichers 78 zugeführt wird. Aus gangsseitig ist dieser Vergleicher 78 mit einem P-Regler 80 verknüpft, an dessen Ausgang eine Stellgröße S_y ansteht. Die se Stellgröße S_y wird derart erzeugt, daß eine ermittelte Lastwinkel-Differenz Δδ zu Null wird. This load angle setpoint δ * and the determined load angle actual value δ are fed to the load angle control circuit 46 , where in FIG. 5 the load angle setpoint δ * is a non-inverting input and the load angle actual value δ is an inverting input of a comparator 78 is fed. From the output side, this comparator 78 is linked to a P controller 80 , at whose output a manipulated variable S _y is present. This manipulated variable S _y is generated in such a way that a determined load angle difference Δδ becomes zero.

In der Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines Leistungs-Soll wert-Bildners 82 näher dargestellt. Dieser Sollwert-Bildner 82 wird bei einer stochastisch angetriebenen Synchronmaschine 2 verwendet. Dieser Sollwert-Bildner 82 weist eingangsseitig einen Funktionsgeber 84 und ausgangsseitig einen Rampengene rator 86 auf. Der Funktionsgeber 84 ist ausgangsseitig mit dem Eingang des Rampengenerators 86 verbunden, wobei am Ein gang des Funktionsgebers 84 ein Windgeschwindigkeits-Meßwert V_Wind ansteht. Am Ausgang des Rampengenerators 86 steht ein stochastischer Leistungs-Sollwert P* an. An einem Steuerein gang des Funktionsgebers 84 und des Rampengenerators 86 steht jeweils ein Freigabe-Signal S_FG an, das nach dem Schließen des Leistungsschalters 28 generiert wird. Mittels dieses Freigabe-Signals S_FG wird der Funktionsgeber 84 und der Ram pengenerator 86 gestartet.In FIG. 6 is a block diagram of a power command value generator 82 shown in more detail. This setpoint generator 82 is used in a stochastically driven synchronous machine 2 . This setpoint generator 82 has a function generator 84 on the input side and a ramp generator 86 on the output side. The function generator 84 is connected on the output side to the input of the ramp generator 86 , a wind speed measured value V _{wind being} present at the input of the function generator 84 . A stochastic power setpoint P * is present at the output of the ramp generator 86 . At a control input of the function generator 84 and the ramp generator 86 there is an enable signal S _FG which is generated after the circuit breaker 28 is closed. The function generator 84 and the ram pen generator 86 are started by means of this release signal S _FG .

In der Fig. 7 sind der Polradspannungs-Raumzeiger u _P, der Ständerspannungs-Raumzeiger u ₁ und der Netzspannungs-Raum zeiger u _N in einem ständerorientierten kartesischen Koordi natensystem α, β dargestellt. Diesem Zeigerdiagramm kann ent nommen werden, daß die asynchronen Teillastwinkel δ_läufer und δ_ständer größer Null sind. D. h., der Polradspannungs-Raumzeiger u _P eilt dem Ständerspannungs-Raumzeiger u ₁ vor, wodurch ein Generatorbetrieb (Wirkleistungsabgabe) der Synchronmaschine 2 gekennzeichnet ist, und der Ständerspannungs-Raumzeiger u ₁ eilt dem Netzspannungs-Raumzeiger u _N vor, wodurch eine Wirk leistungspendelung angezeigt wird. Da in dieser Darstellung der Teillastwinkel δ_ständer größer Null ist, ist der Lastwin kel-Istwert δ kleiner als ein gefolgerter Lastwert-Sollwert δ*. Damit die Wirkleistungspendelung ausgeregelt wird, muß der Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 so lange in Läufer-Gegendrehrichtung gedreht werden, bis der asynchro ne Teillastwinkel δ_ständer Null ist. Ist beispielsweise der asynchrone Teillastwinkel δ_ständer gleich Null und der Lastwin kel-Istwert δ größer als ein Lastwinkel-Sollwert δ*, so wird die Synchronmaschine 2 stochastisch angetrieben. Damit diese höhere Leistung ins Netz 26 abgegeben werden kann, muß der Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 in Läufer- Drehrichtung so lange verdreht werden, bis der Lastwinkel- Istwert δ mit einem Lastwinkel-Sollwert δ* übereinstimmt.In Fig. 7, the pole wheel voltage space vector u _P , the stator voltage space vector u ₁ and the mains voltage space vector u _{N are shown} in a stator-oriented Cartesian coordinate system α, β. This pointer diagram shows that the asynchronous partial load _angles δ _rotor and δ _{stator are} greater than zero. That is, the pole wheel voltage space vector u _{P leads} the stator voltage space vector u ₁ , which characterizes generator operation (active power output) of the synchronous machine 2 , and the stator voltage space vector u _{1 leads} the mains voltage space vector u _N , which results in a Active power swing is displayed. Since in this representation the partial load _angle δ _{stand is} greater than zero, the actual load angle δ is smaller than a deduced load value setpoint δ *. So that the active power oscillation is corrected, the stator 14 of the driven synchronous _machine 2 must be rotated in the rotor _{counter-rotating direction} until the asynchronous partial load _angle δ _{stator is} zero. For example, if the asynchronous partial load _angle δ _stands equal to zero and the actual load _angle δ is greater than a set load angle value δ *, the synchronous machine 2 is driven stochastically. So that this higher power can be delivered to the network 26 , the stator 14 of the driven synchronous machine 2 must be rotated in the rotor direction of rotation until the actual load angle value δ corresponds to a desired load angle value δ *.

Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht den Unter-, Über- und Synchronbetrieb einer Synchronmaschine 2. Um in den untersyn chronen Betrieb zu gelangen, muß zuerst der asynchrone Hoch lauf der angetriebenen Synchronmaschine 2 abgeschlossen wer den. Die einzelnen Schritte bis zum Schließen des Leistungs schalters 28 werden für eine stochastisch angetriebene Syn chronmaschine 2 erläutert.The proposed concept enables the under, over and synchronous operation of a synchronous machine 2 . To access the untersyn-synchronous operation of the asynchronous high must first complete running of the driven synchronous machine 2 who the. The individual steps up to the closing of the power switch 28 are explained for a stochastically driven syn chron machine 2 .

Für einen stochastischen Hochlauf wird angenommen, daß der Wind den Läufer 18 der Synchronmaschine 2 zu drehen beginnt. Am Anfang des asynchronen Hochlaufs ist der Lastwinkel-Ist wert δ nur vom asynchronen Teillastwinkel δ_läufer abhängig, weil der Ständer 14 noch steht und dadurch der zugehörige asynchrone Teillastwinkel δ_ständer Null ist. Der asynchrone Hochlauf-Lastwinkel-Istwert δ gibt die momentane Phasenlage zwischen dem Netzspannungs-Raumzeiger u _N und dem Polradspan nungs-Raumzeiger u _P wieder, die unterschiedliche Winkelge schwindigkeiten haben. Wenn das stochastische mechanische Mo ment das Aggregat, beispielsweise bestehend aus einem Propel ler und dem Läufer 18 der Synchronmaschine 2, auf Drehzahl werte, die ≧ 0.8 pu der synchronen Drehzahl sind, beschleu nigt, werden die Spannungsregelung und die Winkelregelung freigegeben. Die Spannungsregelung regelt den Betrag der Ständerspannung u ₁ auf den Wert der Netzspannung u _N. Solange der Leistungsschalter 28 offen ist, ist die Leistungsregelung gesperrt und der Lastwinkel-Sollwert δ* ist Null. Je nach mo mentaner Lage des Netzspannungs-Raumzeigers u _N und des Pol radspannungs-Raumzeigers u _P im Moment der Reglerfreigabe wird die Winkelregelung den Ständer 14 so drehen, daß der Lastwinkel-Istwert δ zu Null wird. Weil die Winkelgeschwin digkeit des Netzspannungs-Raumzeiger u _N höher als die des Polradspannungs-Raumzeiger u _P ist, wird die Winkelregelung den Ständer 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 in Läu fer-Gegendrehrichtung drehen und zwar so, daß die beiden Raumzeiger u _N und u _P synchron drehen (Fig. 8).For a stochastic run-up, it is assumed that the wind begins to rotate the rotor 18 of the synchronous machine 2 . At the beginning of the asynchronous startup, the actual load _angle value δ is dependent only on the asynchronous partial load _angle δ _rotor , because the stator 14 is still standing and the associated asynchronous partial load _angle δ _{stator is} zero. The asynchronous run-up load angle actual value δ represents the current phase position between the mains voltage space vector u _N and the pole wheel voltage space vector u _P , which have different angular speeds. When the stochastic mechanical moment accelerates the unit, for example consisting of a propeller and the rotor 18 of the synchronous machine 2 , to speed values that are ≧ 0.8 pu of the synchronous speed, the voltage regulation and the angle regulation are released. The voltage control regulates the amount of the stator voltage u ₁ to the value of the mains voltage u _N. As long as the circuit breaker 28 is open, the power control is blocked and the load angle setpoint δ * is zero. Depending on the momentary position of the mains voltage space vector u _N and the pole wheel voltage space vector u _P at the moment of the controller release, the angle control will rotate the stator 14 so that the actual load angle value δ becomes zero. Because the Winkelgeschwin speed of the mains voltage space vector u _{N is} higher than that of the pole wheel voltage space vector u _P , the angle control will rotate the stator 14 of the driven synchronous machine 2 in Läu fer counter-direction of rotation so that the two space vector u _N and u _P turn synchronously ( Fig. 8).

Ist der Lastwinkel-Istwert δ gleich Null und der Betrag der beiden Raumzeiger u _N und u _P identisch, kann der Leistungs schalter 28 geschlossen werden und der untersynchrone Betrieb kann beginnen. Mit dem Schließen des Leistungsschalters 28 wird die Leistungsregelung und der Leistungs-Sollwert-Bildner 82 freigegeben. Durch diese Einschaltbedingung für den Lei stungsschalter 28 kann die angetriebene Synchronmaschine 2 stoßfrei an das Netz 26 angeschlossen werden. Der PI-Regler 76 des Leistungs-Regelkreises 66 wird langsam entsprechend der vorgegebenen Rampe des Rampengenerators 86 des Leistungs- Sollwert-Bildners 82 und der herrschenden Windgeschwindigkeit den Lastwinkel-Sollwert δ* erhöhen. Dadurch steigt die Wirk leistung auf den gewünschten Leistungs-Sollwert P*.If the actual load angle value δ is equal to zero and the amount of the two space pointers u _N and u _{P is} identical, the circuit breaker 28 can be closed and the sub-synchronous operation can begin. When the power switch 28 is closed, the power control and the power setpoint generator 82 are released. Due to this switch-on condition for the Lei circuit breaker 28 , the driven synchronous machine 2 can be connected to the network 26 smoothly. The PI controller 76 of the power control circuit 66 will slowly increase the load angle setpoint δ * in accordance with the predetermined ramp of the ramp generator 86 of the power setpoint generator 82 and the prevailing wind speed. This increases the active power to the desired power setpoint P *.

Der klassische synchrone Betrieb ist erreicht, wenn der Stän der 14 der angetriebenen Synchronmaschine 2 von der Vorrich tung 8 nicht mehr gedreht wird, weil der Polradspannungs- Raumzeiger u _P und der Ständerspannungs-Raumzeiger u ₁ ohne fremde Hilfe synchron drehen. The classic synchronous operation is achieved when the stan 14 of the driven synchronous machine 2 is no longer rotated by the device 8 because the pole wheel voltage space vector u _P and the stator voltage space vector u ₁ rotate without outside help.

Beim übersynchronen Betrieb ist die Umlaufgeschwindigkeit des Polradspannungs-Raumzeigers u _P höher als die Umlaufgeschwin digkeit des Ständerspannungs-Raumzeigers u ₁. Deswegen wird die Vorrichtung 8 den Ständer 14 der angetriebenen Synchron maschine 2 in Läufer-Drehrichtung drehen und zwar so, daß die beiden Raumzeiger u _P und u ₁ weiterhin synchron drehen.In oversynchronous operation, the rotational speed of the pole wheel voltage space vector u _{P is} higher than the speed of the stator voltage space vector u ₁ . Therefore, the device 8 will rotate the stator 14 of the driven synchronous machine 2 in the direction of rotation of the rotor so that the two space pointers u _P and u ₁ continue to rotate synchronously.

Die Leistungs-Schwankungen oder -Pendelungen um einen Lei stungs-Sollwert P* werden von der Vorrichtung 8 im Zusammen hang mit der Ausführungsform der Synchronmaschine 2 ausgere gelt, unabhängig, ob im Unter-, Über- oder im klassischen Synchronbetrieb gefahren wird und unabhängig vom Anregungsort (Arbeitsmaschine oder Netz) der Störung.The power fluctuations or fluctuations around a power setpoint value P * are regulated by the device 8 in conjunction with the embodiment of the synchronous machine 2 , regardless of whether the drive is under, over or in classic synchronous operation and regardless of Excitation site (machine or network) of the fault.

Für eine geregelte angetriebene Synchronmaschine 2 (Turbo satz) bietet dieses Konzept eine bessere dynamische Pendel dämpfung an als es mit einem im Handel erhältlichen Pendel dämpfungsgerät möglich ist, weil diese erfindungsgemäße Vor richtung 8 auf den Lastwinkel-Istwert δ einwirkt und dadurch auch stationäre Leistungsveränderungen bewirken kann.For a controlled driven synchronous machine 2 (turbo set), this concept offers a better dynamic pendulum damping than is possible with a commercially available pendulum damping device because this device 8 according to the invention acts on the actual load angle value δ and thereby also cause steady-state power changes can.

Für eine stochastisch angetriebene Synchronmaschine 2 kann die Vorrichtung 8 zur dynamischen Leistungsregelung einge setzt werden, wobei ein Unter-, Über- und synchroner Betrieb der Synchronmaschine 2 möglich ist, wodurch ein höherer Lei stungsertrag einer Windkraftanlage ermöglicht wird. Außerdem wird durch eine direkte Drehstrom-Anbindung einer derartigen stochastisch angetriebenen Synchronmaschine 2 an das Dreh strom-Netz die Kurzschlußleistung erhöht.For a stochastically driven synchronous machine 2 , the device 8 for dynamic power control can be used, with under, over and synchronous operation of the synchronous machine 2 being possible, as a result of which a higher power output of a wind power plant is made possible. In addition, the short-circuit power is increased by a direct three-phase connection of such a stochastically driven synchronous machine 2 to the three-phase network.

Claims

1. Verfahren zur dynamischen Leistungsregelung einer ange triebenen mehrphasigen Synchronmaschine (2), deren Ständer (14) mit einem Netz (26) elektrisch leitend verbunden ist und mittels eines drehzahlveränderbaren Antriebs (4) drehbar ist, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Ermittlung eines Lastwinkel-Istwertes (δ) in Abhängigkeit von Lage-Istwerten (L₁, L_S) des Läufers (16) und des Stän ders (14) der Synchronmaschine (2) und eines aus gemesse nen Netzphasenspannungen (u_NR,S) ermittelten Netzspannungs- Raumzeigers (u _N),
b) Berechnung eines Leistungs-Istwertes (P) der Synchronma schine (2) in Abhängigkeit gemessener Phasenspannungen (u_1R,S) und -strömen (i_1R,S) des Ständers (14),
c) Ermittlung eines Lastwinkel-Sollwertes (δ*) aus einem Ver gleich des berechneten Leistungs-Istwertes (P) mit einem vorbestimmten Leistungs-Sollwertes (P*),
d) Ermittlung von Steuersignalen (S_v) für den drehzahlverän derbaren Antrieb (4) in Abhängigkeit des ermittelten Last winkel-Soll- und Istwertes (δ*, δ) derart, daß der Last winkel-Istwert (δ) gleich dem Lastwinkel-Sollwert (δ*) und der Leistungs-Istwert (P) gleich dem Leistungs-Sollwert (P*) wird.

1. Method for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine ( 2 ), the stator ( 14 ) of which is electrically connected to a network ( 26 ) and can be rotated by means of a variable-speed drive ( 4 ), with the following method steps:

a) Determination of an actual load angle value (δ) as a function of actual position values (L ₁ , L _S ) of the rotor ( 16 ) and the stander ( 14 ) of the synchronous machine ( 2 ) and one of measured network phase voltages (u _{NR, S} ) determined network voltage space vector ( u _N ),
b) calculation of an actual power value (P) of the synchronous machine ( 2 ) as a function of measured phase voltages (u _{1R, S} ) and currents (i _{1R, S} ) of the stator ( 14 ),
c) determining a load angle setpoint (δ *) from a comparison of the calculated actual power value (P) with a predetermined power setpoint (P *),
d) Determination of control signals (S _v ) for the variable-speed drive ( 4 ) as a function of the determined load angle setpoint and actual value (δ *, δ) such that the actual load angle value (δ) is equal to the load angle setpoint (δ *) and the actual power value (P) becomes equal to the desired power value (P *).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels des Netzspan nungs-Raumzeigers (u _N) und jeweils eines Lage-Istwertes (L₁, L_S) jeweils ein asynchroner Teillastwinkel (δ_läufer, δ_ständer) ermittelt wird, deren Vergleich den Lastwinkel- Istwert (δ) ergibt.2. The method according to claim 1, wherein by means of the mains voltage space vector ( u _N ) and an actual position value (L ₁ , L _S ) in each case an asynchronous partial load _angle (δ _rotor , δ _stator ) is determined, the comparison of the load angle Actual value (δ) results.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Netzspannungs- Raumzeiger (u _N) aus zwei gemessenen Netzphasenspannungen (u_NR,S) mittels zweier aufeinander folgender Koordinatentrans formationen ergibt.3. The method according to claim 1, wherein the network voltage space vector ( u _N ) results from two measured network phase voltages (u _{NR, S} ) by means of two successive coordinate transformations.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus den gemessenen Pha senspannungen (u_1R,S) und -ströme (i_1R,S) mittels zweier auf einanderfolgender Koordinatentransformationen ein Spannungs- Raumzeiger (u ₁) und ein Strom-Raumzeiger (i ₁) ermittelt wer den, die miteinander multipliziert den Leistungs-Istwert (P) ergeben.4. The method of claim 1, wherein from the measured phase voltages (u _{1R, S} ) and currents (i _{1R, S} ) by means of two successive coordinate transformations a voltage space vector ( u ₁ ) and a current space vector ( i ₁ ) who determined who multiplied together give the actual power value (P).

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Vergleich des Lastwinkel-Istwertes (δ) mit dem Lastwinkel-Sollwert (δ*) ein Lastwinkel-Differenzwert (Δδ) bestimmt wird, aus dem eine Stellgröße (S_y) generiert wird, die mittels eines pulsweiten modulierenden Verfahrens in Steuersignale (S_v) umgesetzt wird.5. The method according to claim 1, wherein from the comparison of the actual load angle value (δ) with the desired load angle value (δ *) a load angle difference value (Δδ) is determined, from which a manipulated variable (S _y ) is generated, which by means of a pulse-width modulating method is converted into control signals (S _v ).

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Vergleich des Leistungs-Istwertes (P) mit dem Leistungs-Sollwert (P*) ein Leistungs-Differenzwert (ΔP) bestimmt wird, aus dem der Last winkel-Sollwert (δ*) generiert wird.6. The method according to claim 1, wherein from the comparison of the Power actual value (P) with the power setpoint (P *) Power difference value (ΔP) is determined from which the load angle setpoint (δ *) is generated.

7. Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung einer ange triebenen mehrphasigen Synchronmaschine (2) mit einem Läufer (16) und einem Ständer (14), der mit einem Netz (26) elek trisch leitend verbunden ist und der mittels eines drehzahl veränderbaren Antriebs (4) drehbar ist, wobei eine Einrich tung (42) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes (δ) mit Ausgängen zweier Lagegeber (10, 12), die eingangsseitig mit dem Ständer (14) und dem Läufer (16) verknüpft sind, und mit wenigstens zwei Ausgängen einer Netzspannungs-Meßwerterfas sung (30) verbunden sind, und wobei ein Lastwinkel-Regelkreis (46) vorgesehen ist, der ausgangsseitig mittels eines Steuer satzes (48) mit Steuereingängen des drehzahlveränderbaren An triebs (4) und eingangsseitig einerseits mit einem Ausgang der Einrichtung (42) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwer tes (δ) und andererseits mit einem Ausgang einer Einrichtung (44) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes (δ*) ver knüpft ist, an deren Eingängen Spannungs-Istwerte (u_1R,S), Strom-Istwerte (i_1R,S) des Ständers (14) und ein Leistungs- Sollwert (P*) anstehen.7. A device for dynamic power control of a driven multi-phase synchronous machine ( 2 ) with a rotor ( 16 ) and a stand ( 14 ) which is electrically conductively connected to a network ( 26 ) and which can be rotated by means of a variable-speed drive ( 4 ) is, a device ( 42 ) for determining a load angle actual value (δ) with outputs of two position sensors ( 10 , 12 ), which are linked on the input side to the stator ( 14 ) and the rotor ( 16 ), and with at least two outputs a mains voltage measured value acquisition ( 30 ) are connected, and wherein a load angle control circuit ( 46 ) is provided, the output side by means of a control set ( 48 ) with control inputs of the variable-speed drive ( 4 ) and the input side on the one hand with an output of the device ( 42 ) for determining an actual load angle value (δ) and on the other hand with an output of a device ( 44 ) for determining an intended load angle value (δ *) ver is linked, at the inputs actual voltage values (u _{1R, S} ), actual current values (i _{1R, S} ) of the stator ( 14 ) and a power setpoint (P *) are present.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (42) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Istwertes (δ) eingangsseitig einen Netzspannungs-Raumzeiger-Bildner (56) und ausgangssei tig einen Vergleicher (58) aufweist, wobei der Ausgang des Netzspannungs-Raumzeiger-Bildners (56) jeweils mittels einer Einrichtung (60) zur Bildung von asynchronem Teillastwinkel (δ_läufer, δ_ständer) mit einem Eingang des Vergleichers (58) ver bunden ist und wobei jeweils ein zweiter Eingang der Einrich tungen (60) zur Bildung von asynchronem Teillastwinkel (δ_läufer, δ_ständer) mit einem Ausgang eines Lagegebers (10, 12) verknüpft ist.8. The device according to claim 7, wherein the device ( 42 ) for determining an actual load angle value (δ) on the input side has a network voltage space vector ( 56 ) and on the output side a comparator ( 58 ), the output of the network voltage space vector Formers ( 56 ) each by means of a device ( 60 ) for forming an asynchronous partial load _angle (δ _rotor , δ _stator ) with an input of the comparator ( 58 ) and a second input of the device ( 60 ) for forming asynchronous devices _Partial load _angle (δ _rotor , δ _stand ) is linked to an output of a position sensor ( 10 , 12 ).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (44) zur Bestimmung eines Lastwinkel-Sollwertes (δ*) einen Lei stungs-Regelkreis (66), eine Einrichtung (68) zur Bildung ei nes Leistungs-Istwertes (P), einen Ständerspannungs-Raum zeiger-Bildner (70) und einen Ständerstrom-Raumzeiger-Bildner (72) aufweist, wobei die Ausgänge der Raumzeiger-Bildner (70, 72) mit Eingängen der Einrichtung (68) zur Bildung eines Leistungs-Istwertes (P) verknüpft sind, deren Ausgang mit ei nem Istwert-Eingang des Leistungs-Regelkreises (66) verbunden ist, an dessen Sollwert-Eingang der Leistungs-Sollwert (P*) ansteht. 9. The device according to claim 7, wherein the device ( 44 ) for determining a load angle setpoint (δ *) a performance control circuit ( 66 ), a device ( 68 ) for forming an actual power value (P), a stator voltage -Space pointer generator ( 70 ) and a stator current space pointer generator ( 72 ), the outputs of the space pointer generator ( 70 , 72 ) being linked to inputs of the device ( 68 ) for forming an actual power value (P) , the output of which is connected to an actual value input of the power control circuit ( 66 ), at whose setpoint input the power setpoint (P *) is present.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Lastwinkel-Regel kreis (46) einen Vergleicher (78) und einen P-Regler (80) aufweist, der dem Vergleicher (78) nachgeschaltet ist, und wobei am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (78) der Lastwinkel-Sollwert (δ*) und an seinem invertierenden Eingang der Lastwinkel-Istwert (δ) anstehen.10. The apparatus of claim 7, wherein the load angle control circuit ( 46 ) has a comparator ( 78 ) and a P-controller ( 80 ) which is connected downstream of the comparator ( 78 ), and wherein at the non-inverting input of the comparator ( 78 ) the load angle setpoint (δ *) and the actual load angle (δ) are present at its inverting input.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Raumzeiger-Bildner (56, 70, 72) einen 3/2-Koordinatenwandler (62) und einen K/P- Koordinatenwandler (64) aufweist, wobei der K/P-Koordinaten wandler (64) dem 3/2-Koordinatenwandler (62) nachgeschaltet ist.11. The device according to claim 8, wherein a space vector ( 56 , 70 , 72 ) has a 3/2-coordinate converter ( 62 ) and a K / P-coordinate converter ( 64 ), the K / P-coordinate converter ( 64 ) is connected downstream of the 3/2 coordinate converter ( 62 ).

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Leistungs-Regel kreis (66) einen Vergleicher (74) und einen PI-Regler (76) aufweist, der dem Vergleicher (74) nachgeschaltet ist, und wobei am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (74) der Leistungs-Sollwert (P*) und an seinen invertierenden Ein gang der Leistungs-Istwert (P) anstehen.12. The apparatus of claim 9, wherein the power control circuit ( 66 ) has a comparator ( 74 ) and a PI controller ( 76 ) which is connected downstream of the comparator ( 74 ), and wherein at the non-inverting input of the comparator ( 74 ) the power setpoint (P *) and the inverting input of the actual power value (P) are present.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ständer (14) mit einem Getriebe (6) versehen ist und jede Wicklung der mehr phasigen Wicklung dieses Ständers (14) mittels eines Schleif rings (50) und einer Bürste (52) mit einem Klemmenanschluß der Synchronmaschine (2) elektrisch leitend verbunden ist und wobei das Getriebe (6) mit dem drehzahlveränderbaren Antrieb (4) verbunden ist.13. The apparatus of claim 7, wherein the stator ( 14 ) is provided with a gear ( 6 ) and each winding of the multi-phase winding of this stator ( 14 ) by means of a slip ring ( 50 ) and a brush ( 52 ) with a terminal connection of Synchronous machine ( 2 ) is electrically conductively connected and the gear ( 6 ) is connected to the variable-speed drive ( 4 ).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der drehzahlveränder bare Antrieb (4) einen Stellmotor (22) und einen Umrichter (24) aufweist. 14. The apparatus of claim 13, wherein the variable speed drive ( 4 ) has a servomotor ( 22 ) and a converter ( 24 ).

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei als Getriebe (6) ein Schneckengetriebe vorgesehen ist, dessen abtriebsseitiges Zahnrad (18) entlang des Umfangs des Ständers (14) angeordnet ist und dessen antriebsseitiges Zahnrad (20) mit dem dreh zahlveränderbaren Antrieb (4) verbunden ist.15. The apparatus of claim 13, wherein a worm gear is provided as the gear ( 6 ), the output-side gear ( 18 ) is arranged along the circumference of the stator ( 14 ) and the drive-side gear ( 20 ) connected to the variable-speed drive ( 4 ) is.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei als Umrichter (24) ein Spannungszwischenkreis-Umrichter vorgesehen ist.16. The apparatus of claim 14, wherein a voltage intermediate circuit converter is provided as converter ( 24 ).