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Dynamik elektrischer Energieerzeugung und Reglerentwurf im Labormaßstab

Bild 1. Mit dem Laboraufbau des Maschinensatzes (links der Tachogeber, in der Mitte der Antriebsmotor, rechts der Dreiphasen-Synchrongenerator, LD Didactic GmbH) wurde untersucht, inwieweit diese Anordnung als universelles Modell elektrischer Energieerzeuger zur Erprobung innovativer Strategien zu deren Regelung geeignet ist

Bild 1. Mit dem Laboraufbau des Maschinensatzes (links der Tachogeber, in der Mitte der Antriebsmotor, rechts der Dreiphasen-Synchrongenerator, LD Didactic GmbH) wurde untersucht, inwieweit diese Anordnung als universelles Modell elektrischer Energieerzeuger zur Erprobung innovativer Strategien zu deren Regelung geeignet ist

Um eine stabile Netzfrequenz und -spannung bei variablen Lasten zu gewährleisten, muss die elektrische Energieerzeugung regelbar sein. Dieses Standardproblem steht im Zuge der Energiewende vor neuen Herausforderungen, da nun auch dargebotsabhängige Erzeuger, wie Windenergieparks, an der Bereitstellung von Regelleistung teilnehmen sollen. Forscher an der TU Hamburg haben einen Laboraufbau einer Energieerzeugungsanlage konzipiert, die über eine SPS mithilfe von Matlab/Simulink regelbar ist. Mit dieser Alternative zu einer rein simulatorischen Entwicklung lassen sich unterschiedliche prototypische Regelungsfunktionen ohne Hardwareänderungen schnell realisieren.
Mit der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien für die elektrische Energieerzeugung ist es notwendig, neue Strategien für die Regelung der Erzeugungsanlagen zu untersuchen: Während bei Netzen mit überwiegend konventioneller Energieerzeugung fast ausschließlich Großkraftwerke die Erbringung von Systemdienstleistungen (zum Beispiel die Regelleistungsbereitstellung zur Frequenzhaltung) übernehmen, werden diese Aufgaben in Zukunft verstärkt dezentrale erneuerbare Energieerzeuger übernehmen müssen [1]. Die dafür notwendigen neuen Anlagenregelungen lassen sich teilweise durch Simulationen mithilfe von Netzmodellen entwickeln, optimieren und validieren. Eine zusätzliche Möglichkeit besteht jedoch in der praktischen Erprobung der Regler mit einem im Maßstab reduzierten Modell eines elektrischen Energiesystems. Zusätzlich lässt sich an solch einem praktischen Modell das Wechselwirken der einzelnen Komponenten anschaulich für Lehrzwecke darstellen.
Wesentliche Elemente eines solchen Modells sind in Teilen mit Kraftwerken vergleichbar, die direkt, d.h. ohne Umrichter, an das Netz gekoppelt sind: Ein Antrieb, z. B. eine Wind-, Dampf- oder Wasserturbine treibt über eine Welle einen Generator an. Die Ausgangsfrequenz wird über die Drehzahl des Generators eingestellt, was über eine variable Zufuhr des Energieträgers (Wasser, Dampf) erfolgt [2]. Wird der Generator an ein starres Netz gekoppelt, kann die abgegebene elektrische Leistung direkt über die zugeführte Antriebsleistung vorgegeben werden. Im Inselbetrieb oder im Betrieb an schwachen Netzen muss die zugeführte Leistung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz geregelt werden, um diese stabil zu halten [3].
Für den Laborbetrieb kann der Antrieb durch einen Elektromotor ersetzt werden, damit die Versuchsanordnung unabhängig von Primärenergiequellen wird. Das Labor des Instituts für Elektrische Energietechnik (ieet) der Technischen Universität Hamburg (TUHH) besitzt mehrere Motor-Generatorsätze von LD Didactic, die für die universelle Nachbildung verschiedenster elektrischer Energieerzeuger geeignet sind (Bild 1). Ein Antriebsmotor, in diesem Fall ein Gleichstrom-Reihenschlussmotor, treibt einen fremderregten Drehstrom-Synchrongenerator an. Über einen zusätzlich an der Welle angebrachten Tachogenerator lässt sich eine drehzahlproportionale Spannung abgreifen.
Einsatz der blockorientierten Simulationsumgebung mit Echtzeitfähigkeit
In dem Versuchsmodell wird die Turbine durch den Gleichstrommotor abgebildet. Die Regelung der Motorleistung erfolgt mittels Pulsweitenmodulation über eine Leistungsstufe. Als Ist-Signal der Generatordrehzahl dient der Tachogenerator, der eine zur Drehzahl proportionale Spannung liefert. Der Generator kann entweder im Inselbetrieb mit variablen komplexen Lasten laufen, oder über eine Synchronisiereinrichtung mit einem starren Stromnetz verbunden werden. Die Generatorleistung beträgt 0,3 kVA bei einer effektiven Nenn-Klemmenspannung von 400 V.
Für die Entwicklung neuer Regelungen wird häufig Matlab/Simulink verwendet, eine blockorientierte Entwicklungs- und Simulationsumgebung, mit der sich Modelle von Systemen und Regelungen einfach erstellen lassen. Die erzeugten Regelalgorithmen laufen dazu zusammen mit einem mathematischen Modell der Regelstrecke auf konventionellen Workstations oder PC. So lassen sich die Funktionen des Gesamtsystems untersuchen und bewerten. Diese Anwendungen sind in der Regel nicht echtzeitfähig, d. h. eine Zeiteinheit in der Simulation entspricht nicht einer Zeiteinheit im realen System. Eine Anbindung realer Hardware ist dadurch nicht einfach realisierbar.
Für den Versuchsstand wurde eine andere Lösung gewählt, die die Vorteile von Matlab/Simulink mit der Echtzeitfähigkeit kombiniert. Als Hardware für die zu entwickelnden Regler dient eine SPS von Bachmann. Über spezielle Ein- und Ausgabekarten lassen sich die Signale des Maschinensatzes wie Drehzahl und Antriebsleistung einlesen und innerhalb der SPS als digitale Werte bereitstellen. Der Reglerentwurf erfolgt in Form von Matlab/Simulink-Modellen, welche um entsprechende Ein- und Ausgänge erweitert werden. Über eine Softwareerweiterung lassen sich diese Modelle direkt auf der SPS ausführen. Durch die garantierten Zykluszeiten und die daraus resultierende Echtzeitfähigkeit der SPS ist dieses Modell geeignet, reale dynamische Systeme zu regeln. Im Gegensatz zu Reglern mit festem Anwendungszweck lassen sich bei der vorgestellten Laborkonfiguration nicht nur die Reglerparameter frei einstellen, sondern es können auch neue Regelstrategien ohne Änderung der Hardware schnell umgesetzt werden.
Berücksichtigung der mechanischen Parameter
Soll das Verhalten des Maschinensatzes einer realen Erzeugungsanlage in einer Laborumgebung untersucht werden, müssen Parameter, wie die Massenträgheit des rotierenden Systems, maßstabsgetreu nachgebildet werden. Da sich diese Werte aus den mechanischen Parametern des realen Maschinensatzes wie Masse und Größe ergeben, können sie nicht ohne aufwendige mechanische Änderungen variiert werden. Sofern jedoch für die zu simulierende Maschine ein mathematisches Modell existiert, das die physikalischen Eigenschaften, d. h. insbesondere die Trägheit, beinhaltet, ist dieses als Funktionsblock in der SPS implementierbar. Das erweiterte mechanische Gesamtsystem, bestehend aus der rotierenden Maschine und der mathematischen Nachbildung der Trägheit in der Steuerung, verhält sich dadurch wie ein Maschinensatz, dessen Trägheit in weiten Grenzen durch
Parametrierung in der Software verändert werden kann. Die An- und Auslaufeigenschaften des Maschinensatzes lassen sich dadurch nahezu beliebig verändern und realen Gegebenheiten anpassen. Auf diese Weise können beliebige Typen und Varianten regenerativer oder konventioneller elektrischer Energieerzeuger mit netzsynchron rotierenden Generatoren nachgebildet werden. Die Regelung arbeitet dabei mit geschlossener Regelschleife: Über die SPS wird ein Takt-Pausenverhältnis für eine Pulsweitenmodulation (PWM) vorgegeben, die über einen leistungsstarken Motortreiber direkt auf die zugeführte Leistung des Antriebsmotors wirkt. Über den Tachogenerator wird die Generatordrehzahl als Regelgröße an den Regler zurückgegeben (Bild 2).
In der Laborumgebung des Instituts wurde auf diese Weise beispielhaft ein Modell eines Wasserkraftwerks implementiert. Die Steuerung der Anlagenleistung, die bei einer realen Anlage durch das Turbinenventil realisiert wird, erfolgt wie oben beschrieben über die Pulsbreiteneinstellung der PWM für den Antriebsmotor. Der Generator wird über einstellbare elektrische Verbraucher belastet, wodurch unterschiedliche Arbeitspunkte angefahren werden können. Auch Lastsprünge lassen sich durch diesen Aufbau erzeugen. Die auf der SPS implementierte Generatorregelung soll die Frequenz des aufgebauten Inselnetzes für unterschiedliche Belastungsszenarien auf einen konstanten Wert regeln. Zusätzlich erfolgt durch die SPS eine Aufzeichnung der aktuellen Netzfrequenz und des modellierten Öffnungsgrades des Turbinenventils. Mit dem Maschinensatz lässt sich das Verhalten des Kraftwerks im geführten, d. h. ungeregelten und geregelten Betrieb untersuchen. Für den geführten Betrieb wird eine frequenzabhängige Last an die Klemmen des Generators angeschlossen. Der Öffnungsgrad des Turbinenventils wird so eingestellt, dass sich eine Netzfrequenz von 50 Hz ergibt. Anschließend wird die Nennleistung der Last variiert und das Verhalten der Anlage untersucht. Im geregelten Betrieb wird die Regelschleife geschlossen und dem Regler eine Sollfrequenz von 50 Hz vorgegeben. Das Verhalten des Gesamtsystems für unterschiedliche Belastungen wird analog zum ungeregelten Betrieb untersucht.
Verhalten wie konventionelle Kraftwerke
Für die Frequenzregelung der Erzeugungseinheit wird exemplarisch ein PID-Regler verwendet. Er zeigt bei passender Wahl der Parameter keine bleibende Regelabweichung bei gleichzeitig schneller Reaktionszeit und geringem Überschwingen. Bild 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Frequenz im ungeregelten Betrieb des Kraftwerks: Eine frequenzabhängige Last an den Generatorklemmen erzeugt stationär ein konstantes Bremsmoment der Turbine. Die zugeführte mechanische Leistung wird so eingestellt, dass sich eine konstante Drehzahl ergibt. Wird bei konstanter Leistungszufuhr die Last reduziert, resultiert durch die Frequenzabhängigkeit der Last ein neuer Drehzahlwert. Bei einer Erhöhung der Last erfolgt entsprechend eine Drehzahlreduzierung, die ebenfalls in einem stationären Endwert resultiert.
Das Verhalten des Systems mit geschlossener Regelschleife entspricht dem bekannten Verhalten frequenz-/leistungsgeregelter konventioneller Kraftwerke. Bei einer Variation der Last sorgt der Regler für die Einhaltung eines konstanten stationären Drehzahlwertes. Im Falle einer plötzlichen Lastzuschaltung erfolgt unmittelbar ein Drehzahlabfall durch Ausspeicherung kinetischer Energie des trägen rotierenden Maschinensatzes, d. h. Bereitstellung von Momentanreserve, zunächst noch ohne eine signifikante Anpassung der Leistungszufuhr. Mit weiterem Absinken der Drehzahl reagiert der als Primärregler wirkende P-Anteil des Reglers immer stärker und wirkt durch eine erhöhte Primärenergiezuführung entsprechend entgegen. Um eine dauerhafte Frequenzabweichung auszuregeln, nimmt der Integral-Anteil des Reglers als Sekundärregler eine weitere Nachführung des Leistungsbedarfs des Maschinensatzes vor. Nach Abklingen dieser Vorgänge erreicht der Maschinensatz wieder die geforderte Nenndrehzahl (Bild 4).
Fazit
Der vorgestellte Laboraufbau stellt ein skaliertes realistisches Modell einer elektrischen Erzeugungseinheit mit rotierendem Antrieb und elektrischem Generator dar. Mit dem über eine SPS angesteuerten Motor-Generatorsatz lassen sich neue Regelkonzepte für vielfältige dezentrale Erzeugungseinheiten insbesondere im Hinblick auf die Herausforderungen der Energiewende schnell und effizient implementieren sowie in Echtzeit unter Verwendung realer Hardware validieren. Insbesondere können Steuerungen für Netze mit Windkraftanlagen wie neue Algorithmen zur Regelleistungsbereitstellung praxisnah entwickelt werden. In einem nächsten Schritt soll der Laboraufbau um zusätzliche Frequenzumrichter erweitert werden, sodass man auch umrichtergekoppelte Anlagen realitätsnah modellieren kann. Zusätzlich lässt sich die Anlage als Lehrmodell einsetzen, an dem das Verhalten elektrischer Erzeugungseinheiten sowie deren Reglern erprobt werden kann. Erste Experimente mit dem System zeigen eine gute Analogie zum Regelverhalten realer Kraftwerke. (no)

Literatur:

  • Marenbach, R. et al.: Elektrische Energietechnik. 1. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN 978-3-8348-1740-2
  • Heuck, K. et al.: Elektrische Energieversorgung. 9. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN: 978-3-8348-1699-3
  • Karl, J.: Dezentrale Energiesysteme. 3. Auflage, Oldenbourg, München, 2012, ISBN: 978-3-486-70885-1

Prof. Dr.-Ing. Christian Becker ist Leiter des Instituts für Elektrische Energietechnik an der Technische Universität Hamburg. c.becker@tuhh.de
Dr.-Ing. Helge Fielitz ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technische Universität Hamburg im Institut für Elektrische Energietechnik. helge.fielitz@tuhh.de