Drehzahl-/Frequenzregelung

Bei der Regelung der Drehzahl des Dieselgenerators, das entspricht der primären Regelung der Frequenz, kann hinsichtlich der Anzahl an Generatoren zwischen

− Alleinbetrieb (droop oder isochrone Regelung)

− Parallelbetrieb (droop-Regelung)

unterschieden werden. Bei alleinigem Betrieb eines Dieselgenerators besteht die Möglichkeit einer astatischen Regelung (isochron). Die Regeldifferenz kann theoretisch zu null gemacht werden. Bei parallelem Betrieb muss die Drehzahlregelung um eine Statik erweitert werden, um eine gezielte Aufteilung der Wirklast auf die einzelnen Generatoren zu ermöglichen. Bei statischer Drehzahlregelung bleibt dadurch ein Regelfehler bestehen. Der Regelfehler kann in diesem Fall, nur bei Vorhandensein eines sekundären Reglers, durch Vorgabe eines neuen Stellwerts für den Drehzahlregler zu null gemacht werden [17, p. 692 ff.].

Abb. 2-15 Drehzahlregelung droop vs. isochron links: Zeitverlauf Drehzahl für einen Einheitssprung rechts: stationäre Werte Drehzahl in Abhängigkeit der Wirkleistung

In einem Inselnetz mit mehreren Dieselgeneratoren laufen stationär alle Generatoren mit der gleichen, der Netzfrequenz entsprechenden (synchronen), Drehzahl. Bei einer plötzlichen Änderung der Verbraucherlast ergibt sich eine Neuverteilung der Generatorströme. Die unterschiedliche Änderung der Generatorbelastung führt zu Abweichungen in der Drehzahl

der einzelnen Aggregate. Damit werden synchronisierende Kräfte wirksam, die mit einer Schwingungsfrequenz von meist 1–10 rad/s, und sofern das Netz stabil ist, den Gleichlauf aller Generatoren wieder erzwingen. Da die Primärregelung deutlich langsamer reagiert als die Synchronisierungskräfte (Schnittfrequenz ca. 0.1–1 rad/s), kann in erster Näherung ihre Interaktion mit den Synchronisierungsvorgängen vernachlässigt werden [19, p. 60]. Das bedeutet, dass bei Aktivwerden der Drehzahlregelung bereits wieder eine synchrone Netzfrequenz angenommen werden kann.

Die Aufgabe der Drehzahlregelung im Betrieb besteht darin, dem Regelkreis gewünschtes Störverhalten zu verleihen. Als Störung für den Regelkreis gilt eine plötzliche Änderung der elektrischen Wirkleistung, welche sich durch Abweichung der Drehzahl äußert. Um der Drehzahlabweichung entgegen zu wirken, wird durch die Regelung die mechanische Leistung des Dieselmotors (innerhalb der möglichen Grenzen) durch Änderung der Stellgröße angepasst. Die bereits erwähnten Grenzwerte nach Anforderungsklasse gelten als maximale Werte, welche das dynamische und stationäre Verhalten des Regelkreises charakterisieren.

Die Regelung der Drehzahl des Dieselmotors erfolgt heutzutage meist durch elektronische Regler. Zum Teil werden auch mechanische Regler (Fliehkraftregler) verwendet [22]. Der Regler bewirkt durch Änderung der Stellgröße für die Einspritzpumpe eine Änderung der Menge an eingespritztem Diesel, so dass sich das benötigte mechanische Moment einstellen kann. Die Regelung von Dieselmotoren nimmt neben der Regelung der Einspritzung (Menge und Zeitpunkt) des Kraftstoffes weitere Teilaufgaben wahr, wie z.B. die Regelung von Ventilen (Abgasrezirkulation, Turbolader), welche sich auf das dynamische Verhalten des Dieselmotors auswirken [23]. Die genannten Effekte werden bei der Modellbildung nicht berücksichtigt. Aus regelungstechnischer Sicht kann die Strecke, in linearisierter Form, durch folgende Übertragungsfunktion ausgedrückt werden

s'-) = st'-)∗ su'-) =_'-∗v^t

hDwt)∗_-∗v^t

x=^*_z^'y)

'y) 2-7

und beschreibt den Zusammenhang zwischen gewünschtem Moment infolge der Stellgröße

| und der Drehzahl } der Maschine [24]. Der erste Teil der Übertragungsfunktion beschreibt den zeitlichen Versatz zwischen Änderung der Stellgröße und resultierendem Moment an der Welle durch die Ersatzzeitkonstante ~₆₊. Der zweite Teil beschreibt die Trägheit des Motors und der Last des Motors (Synchronmaschine) durch die Zeitkonstante~.... Mit der linearen Darstellung des Dieselmotors in Form der Übertragungsfunktion kann das reale Verhalten des Regelkreises in Näherung beschrieben werden. Vorteile sind die einfache Beschreibung und die Reglerparametrierung bzw. der Reglerentwurf. Nachteilig ist die Vernachlässigung von nichtlinearen Einflüssen (Beschränkung der Stellgröße, nichtlineares Verhalten der VKM), welche bei großen Änderungen der Last einen merklichen Fehler verursachen. Die Streckenübertragungsfunktion ist vom Typ IT-1. Die Sprungantwort der Strecke kann bei Kenntnis der Parameter, z.B. aus Messungen, dazu verwendet werden um geeignete Reglerparameter, nach dem Verfahren symmetrisches Optimum, zu berechnen [25, p. 60 ff.],

[24]. Bei Parameterstudien kann so, unter Annahme der Strecken-Parameter, eine stabile Startkonfiguration gefunden werden.

Abb. 2-16 Bestimmung der Regler Parameter durch Analyse Sprungantwort der Strecke links: linearer Drehzahlregelkreis (Simulink-Modell)

rechts: Sprungantwort der Strecke mit den Größen €') und 

In Abbildung 2-16 sind der lineare Drehzahlregelkreis und die Sprungantwort der Strecke dargestellt. Anhand der Auswertung der Streckenantwort auf einen Einheitssprung können die benötigten Größen ‚ƒ-'vz) und ~z für die Berechnung der Reglerparameter nach Schätzformel bestimmt werden⁸. Der Wert ~z (Verzugszeit) ist der Schnittpunkt der Tangente mit der Zeitachse. Der Wert ‚ƒ-'vz) stellt den Wert des Integralanteils der Strecke zum Zeitpunkt ~z dar.

Werte für das dargestellte Bsp:

Annahme Streckenparameter: ~6+ = 0.3; ~/ = 1.5 Auswertung Sprungantwort:~z = 0.26; ‚ƒ-'vz)= 0.17 Reglerparameter: ‚„= 0.42 ∗ ^t

†y'‡ˆ)∗v_ˆ= 2.55; ~ƒ= 5.8 ∗ ~z; ‚ƒ=_v^‰

† = 1.71

In Abbildung 2-17 ist das Bodediagramm der Reglerparametrierung (PI-Regler) nach symmetrischem Optimum dargestellt. Das Frequenzverhalten der Strecke ist dem blauen Verlauf zu entnehmen. Der Betrag weist für Frequenzen kleiner der Grenzfrequenz der Strecke (~0.8 rad/s) eine Steigung von -20dB/Dekade auf, und ab Aktivwerden des Verzögerungsgliedes erster Ordnung -40dB/Dekade. Die Phase dreht von -90° auf -180°. Die Reglerparameter werden so eingestellt, dass sich ungefähr bei der Durchtrittsfrequenz des offenen Regelkreises (~2 rad/s) die maximale Phasenreserve (Stabilität) einstellt, welche ausgehend vom Maximum symmetrisch in beide Richtungen abnimmt. Abschließend ist in Abbildung 2-18 das zeitliche Verhalten des Drehzahlregelkreises (für die gewählten Werte) für einen Einheitssprung der Führungsgröße und einen Sprung (00.6) der Störgröße dargestellt.

8 Reglereinstellung unter Zuhilfenahme Schätzformel für Strecken ohne Ausgleich (Seite 100) abrufbar unter http://www.f07.fh-koeln.de/imperia/md/content/personen/krah_jens/rt.pdf

Abb. 2-17 Bode Diagramm PI-Regler Entwurf nach symmetrischen Optimum

Š')…Strecke, ‹')…Regler, Œ')= Š')∗ ‹')…offener RK

Abb. 2-18 zeitliches Verhalten des Regelkreises für Sprung der Führungs-und Störgröße