Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung, insbesondere eine Windenergieanlage zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz. Es ist bekannt, mit Windenergieanlagen in ein dreiphasiges elektrisches Versorgungsnetz einzuspeisen. Es ist auch bekannt, dass dabei die Windenergieanlage neben der reinen Leistungseinspeisung auch Aufgaben der Netzstützung wahrnehmen kann. Besonders kann zur Stützung des elektrischen Versorgungsnetzes in Abhängigkeit von Netzzuständen wie der Netzspannung oder der Netzfrequenz die Einspeisung zur Stützung angepasst werden.

Dabei wird bei der Auswertung oder Berücksichtigung solcher Netzzustände häufig davon ausgegangen, dass Großkraftwerke mit direkt gekoppelten Synchrongeneratoren die Verhaltensweise des Netzes bestimmen. Die Windenergieanlagen, oder andere dezentrale Einspeiser, legen ein entsprechendes Verhalten zugrunde und reagieren entsprechend. Besonders ist zu beachten, dass mittels Umrichter einspeisende Systeme, besonders Windenergieanlagen, die mittels eines Vollumrichters bzw. Vollumrichterkonzepts einspeisen, mit sehr hoher Dynamik auf Änderungen von Netzzuständen reagieren können. Ihre Dynamik ist im Wesentlichen frei vorgebbar. Besonders weisen sie, anders als das bei direkt gekoppelten Synchrongeneratoren der Fall ist, kaum eine physikalisch bedingte Dy- namik auf, wie bspw. ein gewisses Trägheitsverhalten.

Mit zunehmender Dominanz dezentraler, ganz oder teilweise durch Umrichter gesteuerter Einspeiser verliert damit eine solche physikalische Dynamik, wie die Dynamik direkt gekoppelter Synchrongeneratoren, an Einfluss und Dominanz im elektrischen Versorgungsnetz. Besonders eine netzstabilisierende oder zumindest beruhigende Trägheit direkt ge- koppelter Synchrongeneratoren kann dadurch zurückgedrängt werden und müsste anderweitig berücksichtigt werden. Eine Variante ist, mittels Umrichter gesteuerter Einspeiser einen Synchrongenerator bzw. das Verhalten eines Synchrongenerators zu emulieren. Dazu kann ein physikalisches Modell eines Synchrongenerators in der Steuerung eines Umrichters zum Einspeisen der elektrischen Leistung hinterlegt werden und der Umrichter so gesteuert werden, dass er sich im Wesentlichen wie ein Synchrongenerator verhält.

Das kann aber zum einen den Nachteil haben, dass solche Synchrongeneratormodelle komplex sind und daher bei Programmierung und Parametrierung mitunter schwierig zu handhaben sein können. Auch kann eine zu komplizierte Emulation zu einer zu langsamen Steuerung führen bzw. teure Steuerungshardware erforderlich sein, um eine ausreichend schnelle Steuerung gewährleisten zu können. Durch Filterungen können auch unerwünschte Signalverzögerungen auftreten. Es kommt hinzu, dass eine Emulation eines Synchrongenerators auch dazu führen kann, dass nicht nur die gewünschten Effekte wie die genannte Stabilisierung oder Beruhigung das hohe Trägheitsmoment erreicht werden, sondern dass auch andere Verhaltensweisen des Synchrongenerators auftreten, die möglicherweise unerwünscht sind. Neben einer potenziellen Gefahr des Außertrittfallens eines Synchrongenerators ist auch zu nennen, dass sich dabei auch nicht optimale, besonders nicht optimal sinusförmige Ströme einstellen können. Diese können auch das Resultat einer Unzulänglichkeit eines verwendeten Synchrongeneratormodells sein.

Die in manchen elektrischen Netzen zunehmende Durchdringung mit durch Umrichter gesteuerter Einspeiser kann auch dazu führen, dass solche Einspeiser in Zukunft Aufgaben im Bereich eines Schwarzstarts oder zumindest eines Netzwiederaufbaus übernehmen müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eines der o.g. Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die so arbeitet, dass das Einspeisen elektrischer Leistung mittels eines durch Umrichter gesteu- erten Erzeugers möglichst gut an ein elektrisches Versorgungsnetz mit einem geringen Anteil herkömmlicher Großkraftwerke mit direkt gekoppeltem Synchrongenerator ange- passt ist. Besonders soll für ein solches Netz oder auch ein Inselnetz eine Einspeisung mit möglichst hoher Qualität und/oder guter Regelungsstabilität vorgeschlagen werden. Zumindest soll eine zu bisher bekannten Lösungen alternative Lösung vorgeschlagen wer- den.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Dieses Verfahren betrifft das Einspeisen elektrischer Leistung in ein dreiphasiges elektrisches Versorgungsnetz an einem Netzanschlusspunkt mittels einer Windenergieanlage und dabei unter Verwendung eines Wechselrichters bzw. Umrichters. Grundsätzlich kommt auch in Betracht, einen anderen dezentralen Erzeuger zu verwenden, solange dabei ein Wechselrichter bzw. ein Umrichter verwendet wird. Jegliche Beschreibungen und Erläuterungen zu einem Wechselrichter gelten hier auch sinngemäß für Umrichter und umgekehrt.

Dazu wird zunächst vorgeschlagen, dass eine elektrische Netzspannung am Netzan- Schlusspunkt erfasst wird. Das Erfassen der elektrischen Netzspannung am Netzanschlusspunkt ist besonders deswegen vorteilhaft, weil dort auch eingespeist werden soll und daher dort die elektrische Netzspannung berücksichtigt werden sollte. Grundsätzlich kommt aber auch in Betracht, die Messung an einer anderen Stelle im elektrischen Versorgungsnetz oder auch an einer anderen Stelle vor dem Netzanschlusspunkt, also zwischen der einspeisenden Windenergieanlage und dem Netzanschlusspunkt vorzunehmen, wenn dort eine entsprechend repräsentative Spannung erfasst werden kann.

Es wird dann eine virtuelle Generatorspannung unter Verwendung eines Maschinenmodells bestimmt. Das Maschinenmodel emuliert ein Verhalten einer Synchronmaschine. Die so bestimmte virtuelle Generatorspannung ist somit eine Spannung, die der Spannung ei- nes Generators entspricht, dessen Verhalten durch das Maschinenmodel emuliert wird.

Weiterhin wird die erfasste Netzspannung zum Vergleich mit der virtuellen Generatorspannung vorbereitet. Das bedeutet besonders, dass die bestimmte virtuelle Generatorspannung, die zunächst im Wesentlichen eine Rechengröße ist, mit der erfassten Netzspannung, die tatsächlich gemessen wurde, verglichen werden kann. Außerdem wird ein Sollstrom als Vorgabe für einen Einspeisestrom in Abhängigkeit der virtuellen Generatorspannung und in Abhängigkeit der zum Vergleich vorbereiteten Netzspannung vorgegeben. Das kann besonders bedeuten, dass eine Abweichung zwischen diesen beiden Spannungen zu einem entsprechenden Sollstrom führt, z.B. so, dass eine höhere Spannungsabweichung zu einem größeren Sollstrom führt. Entsprechend des so vorgegebenen Sollstroms wird dann ein Einspeisestrom erzeugt und am Netzanschlusspunkt in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist. Ein Vergleich zwischen virtueller Generatorspannung und gemessener Spannung am Netzanschlusspunkt führt somit zu einem davon abhängigen Sollstrom und damit auch zu einem entsprechend eingestellten Einspeisestrom. Es wird nun vorgeschlagen, dass das Vorbereiten der erfassten Netzspannung zum Vergleich mit der virtuellen Generatorspannung ein Transformieren der erfassten Netzspannung in eine Raumzeigerdarstellung umfasst. Die erfasste Netzspannung, nämlich des dreiphasigen elektrischen Versorgungsnetzes und damit insbesondere auch die so er- fasste dreiphasige Netzspannung wird somit in eine Raumzeigerdarstellung transformiert. Es wurde erkannt, dass die Vorbereitung der gemessenen Netzspannung in einer Raumzeigerdarstellung besonders die Berücksichtigung des sinusförmigen Grundsignals be- günstigt. Die virtuelle Generatorspannung ist ebenfalls das Ergebnis einer Berechnung und ist daher ebenfalls als sinusförmig mit geringer Verzerrung und wenig Rauschen anzunehmen.

Vorzugsweise ist das Transformieren der erfassten Netzspannung in eine Raumzeigerdarstellung eine d/q-Transformation, die auch als qd-Transformation oder als Park-Transfor- mation bezeichnet werden kann. Eine solche d/q-Transformation setzt ein dreiphasiges System voraus und transformiert dies in ein zweiachsiges, sich drehendes Koordinatensystem mit den Achsen d und q bzw. den Werten d und q. Im Idealfall sind die Werte d und q konstant, weil sie sich mit dem Koordinatensystem mitdrehen. Die Transformation setzt grundsätzlich ein System mit sinusförmigen Größen voraus, auch wenn durch zeitliche Än- derungen auch von sinusförmigen Größen abweichenden Größen Berücksichtigung finden können. Dennoch liegen solche sinusförmigen Größen zugrunde und die d/q-Transformation bzw. die Berechnung in der Raumzeigerdarstellung kann dadurch auch eine nichtlineare Filterfunktion haben, die von einem Sinussignal abweichende Störungen oder andere Abweichungen zu einem gewissen Gerade herausfiltern kann oder aus dem letztlich zu erzeugenden Sollstrom heraushalten kann.

Besonders für den Vergleich zwischen erfasster Netzspannung und virtueller Generatorspannung ist es vorteilhaft, eine solch sinusförmige Spannung zu verwenden.

Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Netzspannung in der Raumzeigerdarstellung, in die sie transformiert wurde, gefiltert wird und anschließend zurück- transformiert wird, so dass der Sollstrom in Abhängigkeit der virtuellen Generatorspannung und in Abhängigkeit der zurücktransformierten Netzspannung vorgegeben wird. Die Filterung der erfassten Netzspannung erfolgt somit in der Raumzeigerdarstellung. Dadurch wird ein Verzerren oder Verzögern des sinusförmigen Grundsignals vermieden. Besonders ergibt sich nach Rücktransformation ein gefiltertes sinusförmiges Signal, für das auch auf- grund der zugrundeliegenden Transformationsvorschrift bzw. Rücktransformationsvor- schrift eine Sinusförmig angenommen wird.

Es wurde erkannt, dass sich in der Raumzeigerdarstellung eine einfache Filterung, besonders eine Filterung mit einem PT1 -Glied, realisieren lässt, die in dem zurücktransformierten sinusförmigen Signal zu einer vorteilhaften Filterwirkung führt. Besonders wäre für eine Filterung im Zeitbereich mit gleichem Filterergebnis ein wesentlich komplexeres Filter nötig gewesen. Ein solches komplexeres Filter wäre aber aufwändig zu parametrieren und wenig robust. Ändert sich bei einem solchen komplexen Filter die herauszufilternde Störung der Art nach, so ist es möglich, dass die Qualität des Filters sinkt oder sogar seine Wirksamkeit in Frage steht. Die vorgeschlagene Filterung in der Raumzeigerdarstellung ist hingegen robust und im Wesentlichen darauf gezielt angepasst, dass das zu filternde Grundsignal sinusförmig ist. Besonders ist von Bedeutung, dass die Werte d und q in der Raumzeigerdarstellung idealerweise konstant sind. Der Filter kann also, vereinfachend ausgedrückt, im Wesentlichen auf einen konstanten Wert filtern. Trotz nichtlinearer Eingangsgröße bzw. Eingangsgröße mit nichtlinearem Verlauf kann ein einfacher linearer Filter verwendet wer- den.

Somit wird eine möglichst störungsfreie und verzögerungsfreie Sinusform der erfassten Netzspannung erreicht und diese kann dann gut mit der virtuellen Generatorspannung verglichen werden, die ebenfalls sinusförmig ist. Das Vorgeben des Sollstroms kann so mit hoher Güte in Abhängigkeit dieser rücktransformierten Netzspannung und der virtuellen Generatorspannung erfolgen.

Vorzugsweise legt das Maschinenmodel eine virtuelle Synchronmaschine mit Stator und Läufer zugrunde, die somit ebenfalls virtuell sind, auch ohne dass das erwähnt wird. Zur Bestimmung der Generatorspannung verwendet das Maschinenmodel eine, mehrere oder alle der Größen der folgenden Liste: - einen virtuellen Drehwinkel θ des Läufers

eine virtuelle Drehzahl ω des Läufers,

eine virtuelle Erregerspannung,

einen virtuellen Statorstrom,

ein virtuelles Trägheitsmoment J des Läufers,

- ein virtuelles Drehmoment T _e des Läufers und

eine virtuelle Reibung Dp des Läufers.

Der Einfachheit halber können diese und andere virtuelle Größen auch nachfolgend ohne den Zusatz„virtuell" bezeichnet werden, denn soweit sie sich auf den virtuellen Generator beziehen, sind sie selbst auch virtuell. Über den virtuellen Drehwinkel (θ) des Läufers, also des virtuellen Läufers, wird dessen Position mit aufgenommen, was den Phasenwinkel der Generatorspannung beeinflusst.

Durch das Berücksichtigen der virtuellen Drehzahl (ω) des Läufers kann die Frequenz der Generatorspannung berücksichtigt und beeinflusst werden. Durch die virtuelle Erregerspannung kann besonders die Amplitude der Generatorspannung beeinflusst und berücksichtigt werden.

Durch den virtuellen Statorstrom kann besonders auch ein Verhalten der virtuellen Synchronmaschine in Bezug auf eine angeschlossene Impedanz berücksichtigt werden. Über ein virtuelles Trägheitsmoment (J) des Läufers ist besonders auch die Dynamik der virtuellen Synchronmaschine beeinflussbar.

Über ein virtuelles Drehmoment (T _e ) des Läufers kann ebenfalls das dynamische Verhalten der virtuellen Synchronmaschine berücksichtigt und beeinflusst werden.

Eine virtuelle Reibung des Läufers kann besonders als Verstärkung einer frequenzabhän- gigen Leistungsregelung realisiert werden. Diese Leistungsregelung ist vorzugsweise Teil des Maschinenmodells und berücksichtigt Abweichungen zwischen der Drehfrequenz des Maschinenmodells und einer Referenzfrequenz. Die Referenzfrequenz kann eine gemessene Netzfrequenz oder eine vorgegebene Frequenz sein. Es kann hierdurch ein frequenzabhängiges Verhalten der virtuellen Synchronmaschine in dem Maschinenmodell berück- sichtigt werden.

Vorzugsweise wird der erzeugte Einspeisestrom als virtueller Statorstrom verwendet. Dadurch wird besonders der Bezug der virtuellen Synchronmaschine zu dem tatsächlichen Einspeisen hergestellt. Der erzeugte und dann tatsächlich eingespeiste Einspeisestrom hängt auch von Bedingungen der Beschaltung des Wechselrichterausgangs bzw. Um- richterausgangs ab, besonders von Bedingungen im elektrischen Versorgungsnetz und somit können diese Einflüsse über den Einspeisestrom, der dann den virtuellen Statorstrom bildet, in der virtuellen Synchronmaschine, also in dem Maschinenmodel berücksichtigt werden.

Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass das virtuelle Trägheitsmoment einstell- bar ist. Dadurch kann besonders die Dynamik der virtuellen Synchronmaschine beeinflusst werden. Je nach konkreter Situation oder Anforderung kann ein größeres oder kleineres virtuelles Trägheitsmoment gewählt werden. Besonders für eine schnelle Synchronisation der virtuellen Synchronmaschine bzw. des Maschinenmodels mit dem elektrischen Versorgungsnetz, wenn noch nicht eingespeist wird, sondern eine Einspeisung erst vorbereitet wird, kann ein kleines virtuelles Trägheitsmoment sinnvoll sein. Besonders beim Einspeisen in das elektrische Versorgungsnetz kann zur Stützung und Stabilisierung des elektrischen Versorgungsnetzes ein höheres virtuelles Trägheitsmoment sinnvoll sein. Besonders in dem Fall, wenn das elektrische Versorgungsnetz ein Inselnetz ist und durch den Wechselrichter stabilisiert werden muss, oder wenn der Wechselrichter hierbei sogar als Netzbildner arbeiten soll, kommt ein besonders hohes Trägheitsmoment als bevorzugte Einstellung in Betracht. Aber auch in einem elektrischen Versorgungsnetz, das kein Inselnetz ist, können unterschiedliche Netzsituationen auftreten, auf die mit einem entspre- chend angepassten virtuellen Trägheitsmoment reagiert werden kann. Es kommt auch in Betracht, dass der Netzbetreiber eines solchen elektrischen Versorgungsnetzes Vorgaben an die Dynamik des Einspeisens macht, auf die mit einem entsprechend eingestellten virtuellen Trägheitsmoment reagiert werden kann.

Vorzugsweise wird das virtuelle Trägheitsmoment in Abhängigkeit eines Netzzustands o- der einer Netzeigenschaft eingestellt. Ein Netzzustand ist bspw. eine Überfrequenz oder eine Unterfrequenz, oder überhaupt der aktuelle Wert der Frequenz. Auch die aktuelle Netzspannung ist ein Netzzustand und auch hierunter fällt eine Überspannung oder Unterspannung, um ein weiteres Beispiel zu nennen. Als Netzeigenschaft kann bspw. eine Netz- sensitivität berücksichtigt werden, die angegeben werden kann als das Verhältnis einer Spannungsänderung an einem betrachteten Netzanschlusspunkt in Bezug auf eine Änderung der eingespeisten Leistung an dem betrachteten Netzanschlusspunkt. Die Netzsen- sitivität ist insoweit auch eine auf den Netzanschlusspunkt bezogene Eigenschaft des elektrischen Versorgungsnetzes. Sie kann angeben, wie sensitiv das Netz auf Änderungen reagiert. Besonders bei einer hohen Netzsensitivität kann es vorteilhaft sein, ein entspre- chend hohes virtuelles Trägheitsmoment zur Stabilisierung zu wählen.

Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine virtuelle Netzimpedanz zum Vorgeben des Sollstroms berücksichtigt wird, die als eine Impedanz zwischen einem Ausgang des Maschinenmodels bzw. der virtuellen Synchronmaschine, und dem Netzanschlusspunkt berücksichtigt wird. Dazu wird vorgeschlagen, dass die virtuelle Impedanz in ihrer Größe veränderbar ist. Die virtuelle Synchronmaschine wird somit mit einer virtuellen Impedanz beschaltet, so dass diese virtuelle Impedanz besonders auch einen Strom in Abhängigkeit der Generatorspannung beeinflusst.

Über die virtuelle Impedanz können unterschiedliche Eigenschaften des elektrischen Versorgungsnetzes berücksichtigt werden. Das Verhalten der virtuellen Synchronmaschine kann dadurch auf einfache Art und Weise verändert werden, um dadurch veränderte Eigenschaften des elektrischen Versorgungsnetzes zu berücksichtigen. Eine dezidierte Berücksichtigung kann dadurch entbehrlich sein.

Vorzugsweise wird die virtuelle Impedanz abhängig davon ausgewählt, ob in einem Normalzustand des elektrischen Versorgungsnetzes eingespeist wird, oder ob in einem Wie- deraufbaumodus eingespeist wird, nachdem das elektrische Versorgungsnetz unterbrochen war oder ausgefallen ist und in dem das elektrische Versorgungsnetz in einen normalen Arbeitspunkt hochgefahren werden muss. Für den Netzwiederaufbaumodus ist besonders vorgesehen, dass die virtuelle Impedanz größer als im Normalzustand des elektrischen Versorgungsnetzes gewählt wird, um das Hochfahren in den normalen Arbeitspunkt erleichtern zu können. Besonders kann bei dem Hochfahren in den normalen Arbeitspunkt eine Generatorspannung nach und nach erhöht werden und gleichzeitig die virtuelle Impedanz so angepasst werden, dass ein geringer Strom fließt, solange in diesem Netzwiederaufbaumodus noch nicht viel Leistung eingespeist werden soll.

Damit kann auf einfache Art und Weise ein Netzwiederaufbau bzw. ein Schwarzstart realisiert werden, Besonders die Anforderung, dass bei einem Schwarzstart zunächst das Erzeugen und Halten einer Spannung im Vordergrund steht, während nur wenig Leistung eingespeist wird, kann dadurch erreicht werden. Gleichzeitig ist ein Normalmodus ebenso mit derselben Anordnung realisierbar. Durch Anpassen der virtuellen Impedanz kann der Einspeiser auf das Einspeisen im Normalmodus angepasst werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass in dem Maschinenmodell

eine Drehzahldifferenz zwischen virtueller Drehzahl und einer Referenzdrehzahl gebildet wird,

als Referenzdrehzahl ein gefilterter Wert der virtuellen Drehzahl oder eine vorgegebenen Frequenz verwendet wird,

die Differenzdrehzahl über eine Differenzdrehzahl Verstärkung zu einem Hilfsdrehmoment berechnet wird,

das Hilfsdrehmoment über eine Summierstelle auf das virtuelle Trägheitsmoment des Maschinenmodells wirkt, um dadurch die virtuelle Drehzahl auf die Referenzdrehzahl zu regeln, wobei vorzugsweise

zur Synchronisation des Maschinenmodells mit dem elektrischen Versorgungsnetz die Differenzdrehzahl auf null gesetzt wird.

Über die Berücksichtigung und Rückführung dieser Differenzdrehzahl kann somit eine Ausregelung der virtuellen Drehzahl auf die Referenzdrehzahl erfolgen, wobei nicht unbedingt eine stationäre Genauigkeit mit der Abweichung 0 erreicht werden muss. Besonders kann diese Differenzdrehzahl Rückführung über die Differenzdrehzahlverstärkung als ein sog. Droop-Control bezeichnet werden. Dieser berücksichtigt ein Verhalten einer Synchronmaschine, die bei Abruf einer höheren Leistung zunächst langsamer wird. Durch eine solche höhere Leistungsabgabe, die sich besonders auch durch höhere Ausgangsströme, hier also Einspeiseströme, auszeichnet, erhöht sich das Drehmoment des Synchrongenerators und entsprechend das virtuelle Drehmoment des Synchrongenerators. Dieses virtuelle Drehmoment des Synchrongenerators greift dabei an derselben Summierstelle an, an der auch das Hilfsdrehmoment angreift bzw. aufaddiert wird.

Vorzugsweise ist die Differenzdrehzahlverstärkung ein positiver Faktor und das Hilfsdrehmoment wird an der Summierstelle abgezogen. Verlangsamt sich die Drehung der virtuel- len Synchronmaschine, verringert sich also die virtuelle Drehzahl, während die Referenzdrehzahl gleich bleibt oder sich langsamer ändert, so ist die Differenzdrehzahl negativ und das Hilfsdrehmoment ist auch negativ und das Abziehen dieses negativen Hilfsdrehmoments an der Summierstelle führt im Ergebnis zu einer Erhöhung des gesamten Drehmoments an der Summierstelle um den Betrag des Hilfsdrehmoments. Für diesen exemplari- sehen Fall wird die virtuelle Synchronmaschine also beschleunigt bzw. wirkt einem erhöhten virtuellen Generatormoment entgegen.

Zur Synchronisation des Maschinenmodels mit dem elektrischen Versorgungsnetz wird aber vorgeschlagen, diese Droop-Control außer Kraft zu setzen. Das kann dadurch erfolgen, dass die Differenzdrehzahl unmittelbar auf 0 gesetzt wird. Das kann aber auch indirekt dadurch erfolgen, dass die Differenzendrehzahl als Differenz zweier gleicher Drehzahlen gebildet wird, wodurch die Differenzdrehzahl dann auch 0 ist. Dazu kann der Filter, der die virtuelle Drehzahl filtert, auf Eins gesetzt werden.

Besonders kommt die Variante in Betracht, dass die Referenzdrehzahl die gefilterte virtuelle Drehzahl ist. Es wird dann also von der virtuellen Drehzahl die gefilterte virtuelle Dreh- zahl abgezogen. Bei einer Filterfunktion, die eine Gesamtverstärkung von 1 aufweist, aber eine Dynamik aufweist, wird diese Differenzdrehzahl somit bei stationärer Drehzahl allmählich 0.

Jedenfalls wird für die Synchronisation vorgeschlagen, die Differenzdrehzahl und damit das Hilfsdrehmoment auf 0 zu setzen und den Droop-Control außer Kraft zu setzen, wodurch eine solche Drehzahlregelung unterdrückt wird. Besonders dann, wenn bei der Synchronisation keine oder keine nennenswerte Ströme fließen, insbesondere also auch die Sollleistung 0 ist, befindet sich also die virtuelle Synchronmaschine im Wesentlichen in einem Leerlaufzustand und hierbei wird dieser Zustand durch diesen Droop-Control auch nicht gestört. Die virtuelle Synchronmaschine kann somit in einer Art Leerlaufsituation in einen Zustand gebracht oder gehalten werden, bei dem sie mit dem elektrischen Versorgungsnetz, in das schließlich eingespeist werden soll, synchron läuft. Ist dieser Fall erreicht, und ändert sich auch die Spannung und Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzes nicht, befindet sich die virtuelle Synchronmaschine im Grunde in einem stabilen leerlaufähnlichen Betriebszustand. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass

zur Synchronisation des Maschinenmodells mit dem elektrischen Versorgungsnetz eine Sollleistung den Wert null aufweist,

ein Berechnungsmodell verwendet wird zum Berechnen

- interner virtueller Generatorspannungen und/oder

des virtuellen Drehmomentes T _e , wobei

das Berechnungsmodell zum Berechnen eine, mehrere oder alle Größen verwendet der Liste aufweisend

den virtuellen Drehwinkel θ des Läufers

- die virtuelle Drehzahl ω des Läufers,

die virtuelle Erregerspannung, und

den Einspeisestrom oder den Sollstrom, wobei

insbesondere keine Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzes erfasst wird.

Somit wird hierbei zur Synchronisation des Maschinenmodels mit dem elektrischen Versorgungsnetz zunächst die Sollleistung auf den Wert 0 gesetzt. Die Sollleistung wirkt in dem Maschinenmodell über einen entsprechenden Umrechnungsfaktor als Antriebsmoment auf das virtuelle Trägheitsmoment. Dadurch, dass diese Leistung auf 0 gesetzt wird, wird somit das Antriebsmoment der virtuellen Maschine ebenfalls auf 0 gesetzt. Die virtuelle Synchronmaschine erhält dann also keinen Antrieb. Mit einem Berechnungsmodel werden dann interne virtuelle Generatorspannungen und das virtuelle Drehmoment berechnet. Grundsätzlich kommt auch in Betracht, dass nur eine der Größen berechnet wird, vorteilhaft ist es aber, alle diese genannten Größen zu berechnen. Das Berechnungsmodel verwendet dabei vorzugsweise die Maschinengleichungen einer Synchronmaschine, die entsprechend der angenommenen virtuellen Synchronmaschine parametriert sind. Das Berechnungsmodel erhält dazu besonders den virtuellen Drehwinkel des Läufers, die virtuelle Drehzahl des Läufers, die virtuelle Erregerspannung und den Einspeisestrom als Eingangsgröße. Diese werden in den Maschinengleichungen benötigt, um die genannten Größen zu berechnen. Grundsätzlich kommen aber auch vereinfachende Berechnungen durch ein vereinfachtes Model theoretisch in Betracht. Es kann auch die virtuelle Drehzahl aus dem virtuellen Drehwinkel berechnet werden, so dass nicht beide Größen in das Berechnungsmodel eingegeben werden müssten.

Als Einspeisestrom kann ein tatsächlich erzeugter Strom verwendet werden, der gemäß des vorgegeben Sollstroms erzeugt wurde. Im Übrigen ist hier und auch für die übrige Beschreibung unter einem Sollstrom und auch dem Einspeisestrom und sich entsprechend ergebenden Strömen jeweils ein 3-phasiger Strom zu verstehen. Der Einspeisestrom, oder der Sollstrom bildet insoweit jeweils drei einzelne Ströme, nämlich jeweils einer Phase. Jedenfalls kann ein geringer Einspeisestrom auch bei der Synchronisierung erzeugt werden, der in kleinere Verbraucher fließen kann, die noch vor dem Netzanschlusspunkt vorhanden sind. Besonders im Falle eines Windparks, der mehrere Windenergieanlagen aufweist, können kleine Verbraucher im entsprechenden Parknetz verwendet werden. Das können bspw. Leitungsinduktivitäten sein oder der Transformator der Windenergieanlage. Auch eine Drossel kommt in Betracht. Im Übrigen kann die virtuelle Impedanz auf die entsprechenden Werte oder Verhalten dieser kleinen Verbraucher eingestellt werden.

Alternativ, wenn noch gar kein Strom fließt, kann der vorgegebene Soll-Strom als Ist-Strom in das Berechnungsmodel eingehen. Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass

die virtuelle Erregerspannng

wenigstens in Abhängigkeit

einer vorgegebenen Blindleistung und optional

einer vorgegebenen elektrischen Netzspannung am Netzanschlusspunkt bestimmt wird.

Über eine vorgegebene Blindleistung, die insbesondere mit einer gemessenen Blindleistung verglichen wird, so dass also insbesondere eine solche Blindleistungsabweichung verwendet wird, kann die virtuelle Erregerspannung bestimmt werden. Besonders wird diese Blindleistungsdifferenz oder Blindleistungsabweichung über eine Blindleistungsver- Stärkung gegeben und zu der virtuellen Erregerspannung integriert. Die Blindleistungsverstärkung ist somit ein Verstärkungsfaktor des Integrators für die Blindleistungsregelung.

Optional wird eine vorgegebene elektrische Netzspannung am Netzanschlusspunkt bestimmt, die die virtuelle Erregerspannung mit beeinflusst. Dazu wird besonders eine Differenz zwischen dieser erfassten Netzspannung und einer vorgegeben Spannung gebildet. Diese Spannungsdifferenz kann über eine Spannungsverstärkung einen Blindleistungswert bilden und dann ebenso wie die beschriebene Differenz zwischen vorgegebener und gemessener Blindleistung die virtuelle Erregerspannung beeinflussen. Die Summe dieser Blindleistungen kann dazu nämlich gemeinsam zu der virtuellen Erregerspannung integriert werden, wobei der Integrator als Integrationskonstante die beschriebene Blindleis- tungsverstärkung aufweist.

Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass elektrische Größen des Maschinenmodels in Raumzeigerdarstellung, insbesondere gemäß einer d/q-Transformation berechnet werden. Dies betrifft besonders einen dreiphasigen Statorstrom und eine dreiphasige Statorspannung. Die virtuelle Synchronmaschine kann dadurch auf effiziente Art und Weise berechnet werden. Insbesondere kann dadurch gut ein symmetrisches dreiphasiges System berechnet und insbesondere auch gewährleistet werden.

Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Einspeisestrom mittels eines Toleranzbandverfahrens erzeugt wird. Insbesondere wird er somit entsprechend des Tole- ranzbandverfahrens geregelt. Das Toleranzbandverfahren arbeitet dabei grundsätzlich so, dass um die gewünschte Signalform des zu erzeugenden Stroms herum, also insbesondere um die sinusförmige Signalform des zu erzeugenden Stroms herum, ein Toleranzband gelegt wird. Der jeweils erzeugte Strom wird gemessen und dann abhängig von dem Messwert über entsprechende Schalterstellungen gesteuert, nämlich so, dass der Strom verrin- gert wird, wenn er an eine obere Toleranzbandgrenze stößt, und so, dass er erhöht wird, wenn er an eine untere Toleranzbandgrenze stößt. Das Verwenden eines Toleranzbandverfahrens zum Einspeisen bzw. dazu Erzeugen eines elektrischen sinusförmigen Stroms ist grundsätzlich bekannt. Hier wird aber ein Verfahren vorgeschlagen, dass eine Spannungsprägung trotz Verwendung des Toleranzbandverfahrens erreichen kann. Das ist be- sonders unter Verwendung der virtuellen Impedanz möglich, über die trotz Vorgabe eines Stroms letztlich eine Ausgangsspannung nicht nur erreicht, sondern auch gezielt vorgegeben werden kann. Besonders kann diese Spannung im Falle eines Netzwiederaufbaus o- der sogar eines Schwarzstarts gezielt und geführt erhöht werden.

Besonders ist auch Inselnetzbetrieb möglich und es wird besonders vorgeschlagen, dass in einem Inselbetrieb, wenn der Wechselrichter die Netzfrequenz vorgibt,

die virtuelle Drehzahl ω von einer vorgegebenen Netzfrequenz abhängt, insbesondere so, dass in Abhängigkeit einer Differenz zwischen virtueller Drehzahl und vorgegebener Netzfrequenz ein bzw. das in dem Maschinenmodell wirkende Hilfsdrehmoment geregelt wird, und/oder

- die virtuelle Erregerspannung

von einer vorgegebenen Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes und einer erfassten Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes abhängt, insbesondere so, dass in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der vorgegebenen Spannung und der erfassten Spannung, ein Hilfsblindleistungswert gere- gelt wird, von der die virtuelle Erregerspannung abhängt.

Das vorgeschlagene Verfahren, zumindest gemäß dieser Ausführungsform, ist somit besonders für einen Inselbetrieb oder Inselnetzbetrieb geeignet. Als ein Inselnetzbetrieb wird hier ein solcher Betrieb angesehen, bei dem ein geschlossenes elektrisches Versorgungsnetz vorliegt, in dem die Windenergieanlage, oder anderer Wechselrichter- oder umrichter- gesteuerter Einspeiser, eine solche Dominanz hat, dass er im Wesentlichen das Netz führt, insbesondere hinsichtlich Frequenz und Spannung. Hierfür wird vorgeschlagen, dass die virtuelle Drehzahl von einer vorgegebenen Netzfrequenz abhängt. Hier wird also die Netzfrequenz vorgegeben, insbesondere als feste Referenzfrequenz. In Abhängigkeit einer Differenz zwischen virtuellen Drehzahl, also einer Drehzahl in dem Maschinenmodel, und der vorgegebenen Netzfrequenz, kann ein Hilfsdrehmoment bestimmt werden, das insoweit dadurch geregelt bzw. gesteuert oder eingestellt wird. Dieses Hilfsdrehmoment wirkt in dem Modell dem virtuellen elektrischen Drehmoment entgegen. Die Differenz zwischen dem Hilfsdrehmoment und dem virtuellen elektrischen Drehmoment, ggf. nach Berücksichtigung weiterer Drehmomente, wirkt auf die virtuelle Drehzahl, die sich daraus durch Integration mit entsprechender Integrationszeitkonstante ergibt. Die virtuelle Drehzahl kann dann wiederum Eingangsgröße für das Berechnungsmodel sein und dadurch die Frequenz der Generatorspannung und damit letztlich auch die Frequenz der Referenzströme vorgeben. Durch dieses Verfahren kann also besonders eine feste Frequenz durch die Verwendung der virtuellen Synchronmaschine so umgesetzt werden, dass das elektrische Inselnetz dadurch hinsichtlich Frequenz geführt wird. Die Regelung des Hilfsdrehmomentes verwendet vorzugsweise einen Pl-Regler, um die virtuelle Drehzahl mit stationärer Genauigkeit auf die vorgegebene Netzfrequenz bzw. eine entsprechende Drehzahl auszuregeln.

Außerdem oder alternativ wird hier vorgeschlagen, dass die virtuelle Erregerspannung von einer vorgegebenen Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes und einer erfassten Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes abhängt. Dies wird besonders so vorgeschlagen, dass in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der vorgegebenen Spannung und der erfassten Spannung ein Hilfsblindleistungswert ermittelt wird. Ggf. wird davon ein er- fasster Blindleistungswert abgezogen. Dieser so erhaltene Blindleistungswert kann zu der virtuellen Erregerspannung integriert werden, besonders über eine Blindleistungsverstär- kung, wie schon erläutert wurde.

Durch die Berücksichtigung der Spannung kann eine Spannungsregelung erfolgen, die auch als Droop-Voltage-Control bezeichnet werden kann. Diese Spannungsregelung kann vorzugsweise aktiviert oder deaktiviert werden. Dadurch, dass die optionale Verwendung der vorgegebenen Spannung und der erfassten Spannung berücksichtigt wird, also akti- viert wird, wird somit diese Spannungsregelung aktiviert. Die virtuelle Synchronmaschine wird damit so gesteuert, dass sie auf Spannungsänderungen im elektrischen Versorgungsnetz, besonders am Netzanschlusspunkt, mit einer Spannungsregelung reagieren kann. Sie kann also dadurch Spannungsstabilisierend oder spannungsnachführend agieren. Diese Variante wird besonders für den Inselnetzbetrieb vorgeschlagen, weil dadurch eine Spannungsregelung und damit Spannungsführung erreicht werden kann. Diese Regelung entfaltet dann seine Wirkung über die elektrische Erregerspannung. Dadurch kann das Verfahren in einem Inselnetz nicht nur die Frequenz vorgeben bzw. führen, sondern auch die Spannung, also die Spannungsamplitude.

Für den Inselnetzbetrieb wird somit besonders vorgeschlagen, dass das Hilfsdrehmoment über einen Pl-Regler geregelt wird und

- die virtuelle Drehzahl sich insbesondere durch eine Integration eines Differenzmomentes, als Differenz zwischen dem Hilfsdrehmoment und dem virtuellen elektrischen Drehmoment, über eine Integrationszeitkonstante ergibt und/oder der Hilfsblindleistungswert über einen Pl-Regler geregelt wird, und

die virtuelle Erregerspannung sich insbesondere durch eine Integration einer Diffe- renzblindleistung, als Differenz zwischen der Hilfsblindleistung und einer erfassten

Blindleistung, über eine Integrationszeitkonstante ergibt.

Auf das Maschinenmodel wirkt somit ein Drehmoment, das sich aus einer Differenz zwischen dem geregelten Hilfsdrehmoment und dem virtuellen Drehmoment ergibt. Dies wird in dem Maschinenmodel integriert, nämlich über das inverse virtuelle Trägheitsmoment als Integrationszeitkonstante und bestimmt damit die virtuelle Drehzahl. Soweit kein weiteres Drehmoment hinzu kommt, ergibt diese Integration die virtuelle Drehzahl. Hierüber wird somit die Drehzahl der virtuellen Synchronmaschine gesteuert bzw. geregelt.

Über die Blindleistung wird die Ausgangsspannung geregelt bzw. gesteuert. Dazu wird die Spannungsabweichung zu einem Referenzwert bzw. Sollwert als Regelabweichung über eine Pl-Regelung in einen Blindleistungswert überführt und damit über die virtuelle Erregerspannung die Spannung durch die virtuelle Synchronmaschine geregelt.

Erfindungsgemäß wird auch eine Windenergieanlage vorgeschlagen, die zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein 3-phasiges elektrisches Versorgungsnetz an einem Netzanschlusspunkt vorbereitet ist. Dazu weist sie wenigstens einen Wechselrichter zum Erzeu- gen eines Einspeisestroms auf. Mit dem Wechselrichter wird dann also ein solcher Ein- speisestrom bspw. über ein Toleranzbandverfahren erzeugt. Außerdem ist ein Erfassungsmittel zum Erfassen einer elektrischen Netzspannung vorgesehen und diese elektrische Netzspannung wird insbesondere am Netzanschlusspunkt erfasst. Das Erfassungsmittel kann entsprechend als Messgerät oder Messsensor ausgebildet sein und die Spannung am Netzanschlusspunkt messen. Der tatsächliche Sensor kann aber auch als separates Element vorhanden sein, das nicht Teil der Windenergieanlage bildet. Die Windenergieanlage weist dann eine Schnittstelle auf, über die die erfasste Netzspannung empfangen kann und diese Schnittstelle kann dann als Erfassungsmittel zum Erfassen der elektrischen Netzspannung dienen. Außerdem ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des Einspeisens vorgesehen. Diese Steuereinrichtung steuert besonders den Wechselrichter an. Dazu kann ein spezieller Mikroprozessor in dem Wechselrichter vorgesehen sein, der Schalthandlungen im Wechselrichter vorsieht und der von der Steuereinrichtung angesteuert wird, besonders Sollwerte für den Einspeisestrom erhält. Die Steuereinrichtung kann aber auch unmittelbar auf den Wechselrichter einwirken.

Jedenfalls wird vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung dazu vorbereitet ist, ein Verfahren auszuführen, das eine virtuelle Generatorspannung unter Verwendung eines Maschinenmodels bestimmt, wobei das Maschinenmodel ein Verhalten einer Synchronmaschine emuliert. Somit ist zumindest dieses Maschinenmodel in der Steuereinrichtung implementiert. Dafür kann die Steuereinrichtung einen entsprechenden Mikroprozessor oder andere Computereinrichtungen aufweisen.

Außerdem umfasst das implementierte Verfahren den Schritt die erfasste Netzspannung zum Vergleich mit der virtuellen Generatorspannung zu vergleichen. Besonders wird die Netzspannung dafür so gefiltert, dass möglichst nur eine Grundwelle der Netzspannung mit der virtuellen Generatorspannung verglichen wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die virtuelle Generatorspannung in der Steuereinrichtung und besonders unter Zuhilfenahme des Maschinenmodels generiert wird und daher keine oder keine nennenswerten Messstörungen aufweist. Da es bei dem Vergleich nicht darum geht, Unterschiede in den Messstörungen zu erkennen, sollte die erfasste Netzspannung möglichst so vorbereitet werden, dass sie keine Messstörungen aufweist, oder zumindest möglichst wenig oder möglichst schwache Messstörungen.

Weiterhin umfasst das implementierte Verfahren den Schritt, einen Solllstrom als Vorgabe für den Einspeisestrom in Abhängigkeit der virtuellen Generatorspannung und in Abhän- gigkeit der zum Vergleich vorbereiteten Netzspannung vorzugeben. Der Sollstrom wird somit also in Abhängigkeit der virtuellen Generatorspannung und in Abhängigkeit der Netzspannung vorgegeben.

Ferner ist der Wechselrichter dazu vorbereitet, den Einspeisestrom abhängig des Sollstroms zu erzeugen und den erzeugten Einspeisestrom am Netzanschlusspunkt in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen. Dafür ist besonders auch eine entsprechende Verschaltung am Ausgang des Wechselrichters vorteilhaft. Dazu kann eine entsprechende Drossel gehören. Außerdem ist der Wechselrichter dafür ggf. über wenigstens einen weiteren Transformator mit dem Netzanschlusspunkt verbunden. Es wird zudem vorgeschlagen, dass das Vorbereiten der erfassten Netzspannung zum Vergleich mit der virtuellen Generatorspannung ein Transformieren der erfassten Netzspannung in eine Raumzeigerdarstellung umfasst. Die Steuereinrichtung ist somit auch dazu vorbereitet, eine solche Transformation vorzusehen. Dazu können entsprechende Transformationsalgorithmen in der Steuereinrichtung implementiert sein. Außerdem ist die Steuereinrichtung mit entsprechender Rechenkapazität, also insbesondere mit einem entsprechenden Mikroprozessor oder anderer Computereinrichtung ausgestattet.

Vorzugsweise ist eine solche Windenergieanlage, insbesondere die Steuereinrichtung, dazu vorbereitet, ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform auszuführen. Dazu wird vorgeschlagen, die erläuterten Schritte jeweils in der Steuereinheit zu implementieren.

Erfindungsgemäß wird auch ein Windpark vorgeschlagen, der mehrere Windenergieanlagen aufweist, wobei die Windenergieanlagen gemäß wenigstens einer vorstehend be- schriebenen Ausführungsform ausgebildet sind. Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass der Windpark eine Parkeinspeiseeinrichtung aufweist, die an einen Netzanschlusspunkt angeschlossen ist und dazu vorbereitet ist, ein Verfahren gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform auszuführen. Besonders wird hierzu ein Parkwechselrichter vorgeschlagen. Eine solche Parkeinspeiseeinrichtung bzw. der Parkwech- selrichter können, besonders im Falle eines Windparks mit einem DC-Netz Leistung von den Windenergieanlagen des Windparks insgesamt in das elektrische Versorgungsnetz einspeisen. Ggf. kann das auch mit einer hohen Spannung erfolgen. Besonders wird hier ein zentraler Parkwechselrichter für diese Einspeisung vorgeschlagen. Auch ein solcher zentraler Parkwechselrichter kann basierend auf der vorgeschlagenen emulierten Syn- chronmaschine arbeiten und die vorgeschlagenen Verfahren, oder eines davon, anwenden.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Darstellung. Fig. 2 zeigt einen Windpark in einer schematischen Darstellung.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Leistungsübertragung zwischen zwei Wechselspannungsquellen. Fig. 4 zeigt ein schematisches Strukturbild eines Einspeiseverfahrens gemäß einer Ausführungsform für einen Netzbetrieb.

Fig. 5 zeigt ein Strukturbild eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform bei einem Inselnetzbetrieb.

Fig. 6 zeigt ein Strukturbild zum Veranschaulichen einer Adaption einer virtuellen

Impedanz gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 7 zeigt ein Strukturbild zum Veranschaulichen eines vorgeschlagenen Span- nungsfilterungsprozesses gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 8 zeigt Spannungsverläufe zur Erläuterung einer Filterwirkung.

Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.

Figur 2 zeigt einen Windpark 1 12 mit beispielhaft drei Windenergieanlagen 100, die gleich oder verschieden sein können. Die drei Windenergieanlagen 100 stehen somit repräsentativ für im Grunde eine beliebige Anzahl von Windenergieanlagen eines Windparks 1 12. Die Windenergieanlagen 100 stellen ihre Leistung, nämlich insbesondere den erzeugten Strom über ein elektrisches Parknetz 1 14 bereit. Dabei werden die jeweils erzeugten Ströme bzw. Leistungen der einzelnen Windenergieanlagen 100 aufaddiert und meist ist ein Transformator 1 16 vorgesehen, der die Spannung im Park hochtransformiert, um dann an dem Einspeisepunkt 1 18, der auch allgemein als PCC bezeichnet wird, in das Versorgungsnetz 120 einzuspeisen. Fig. 2 ist nur eine vereinfachte Darstellung eines Windparks 1 12, die beispielsweise keine Steuerung zeigt, obwohl natürlich eine Steuerung vorhanden ist. Auch kann beispielsweise das Parknetz 1 14 anders gestaltet sein, in dem beispielsweise auch ein Transformator am Ausgang jeder Windenergieanlage 100 vorhanden ist, um nur ein anderes Ausführungsbeispiel zu nennen.

Das vorgeschlagene Verfahren ist ein Stromregelverfahren eines Vollumrichters bei Insel- und Netzbetrieb basierend auf der Bewegungsgleichung einer Synchronmaschine. Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Stro m reg el verfahren eines Vollumrichters, dessen Kernregelung auf der Bewegungsgleichung einer Synchronmaschine beruht. Diese Regelung ermöglicht u.a. das Trägheitsmoment einer Synchronmaschine bei Netzzustandsänderun- gen, besonders Änderungen der Netzfrequenz und der Netzspannung möglichst frei einstellbar zu emulieren. Diese Eigenschaft hängt auch ab von einer im Gleichspannungszwischenkreis des Vollumrichters gespeicherten Energie. Es kommt auch eine über eine Zwi- schenkreisspannungsregelung durch eine Primärenergiequelle in den Zwischenkreis eingespeisten Energie in Betracht. Diese kann dann ebenso im Gleichspannungszwischenkreis zur Verfügung stehen.

Im Folgenden wird das Verfahren beispielhaft auch an Hand mehrerer Beispiele näher erläutert.

In einem Wechselstromsystem werden die übertragenen Wirk- und Blindleistungen zwischen zwei Knotenpunkten mit den Spannungen V und E durch folgende Gleichungen bestimmt:

V*E*sin6

X (1 )

£ ² -E*V*cos6

X (2) ' wobei X die Leitungsreaktanz zwischen den beiden Knotenpunkten und δ die Phasenverschiebung zwischen beiden Spannungen ist. Das wird in dem Ersatzschaltbild der Figur 3 dargestellt.

Angenommen, E sei die Ausgangspannung eines Vollumrichters, der am Netz mit der Spannung V verbunden ist, wird aus den Gleichungen (1 ) und (2) ersichtlich, dass die übertragenen Wirk- und Blindleistungen durch die Amplituden und Phasenlage der Ausgangspannung des Umrichters beeinflusst werden können.

Die Regelung besteht aus einem äußeren und inneren Regelkreis. In dem äußeren Regelkreis werden die Amplitude und der Winkel der Polradspannung einer virtuellen Synchronmaschine so dynamisch verändert, dass die ins Netz eingespeisten Wirk- und Blindleistungen eines Vollumrichters auf vorgegebene Sollwerte ausgeregelt werden. Die Wirkleistungsregelung basiert auf der Bewegungsgleichung einer Synchronmaschine, während die Blindleistung bzw. Spannungsregelung auf einem P-Regler oder PI Regler beruht. Die Gleichung (3) beschreibt die Bewegungsgleichung einer Synchronmaschine, wobei T _m und T _e jeweils das mechanische bzw. elektromagnetische Drehmoment, ω _Γ die Rotorgeschwindigkeit, K _D der Dämpfungsfaktor und J die Trägheit der Synchronmaschine darstellen.

T _m wird durch einen Wirkleistungssollwert bestimmt, wie noch zur Figur 4 erläutert wird , während Kd und J einstellbare Parameter sind. Die Variable KD kann auch als Verstärkung Dp bezeichnet werden.

Die elektrischen Größen der virtuellen Synchronmaschine werden in d/q Komponenten in Bezug auf das Rotorkoordinatensystem transformiert und für die Berechnung von Te eingesetzt. Die d/q-Transformation kann auch als qd Transformation bzw. Transformation in qd Koordinaten bezeichnet werden und für weitere Erläuterungen zur Transformation wird auf die unten genannte Literaturstelle [Lit1 ] hingewiesen. Für die Transformation wird der Winkel Θ, der sich aus der Lösung von (3) und Integration von ω _Γ ergibt, verwendet.

Die abc/qd Transformationsmatrizen werden wie folgt definiert:

COS0 cos(0 — -j-) cos(0 + -j-)

2π 2π

[7\] = sinO sin(0 ) sin(0 H ) (4)

Bei einer Vollpolmaschine wird T _e wie folgt berechnet:

Te = pL _m if i _q (6)

Dabei stellt p die Polpaarzahl, L _m die Gegeninduktivität, if den Erregerstrom und i^die q Komponente des Statorstromes dar, wobei der Anteil L _m if sich aus der Blindleistung- und Spannungsregelung ergibt.

Die Amplitude der virtuelle Polradspannung in qd Komponenten errechnet sich aus: ω (7) (8)

Durch Θ und (5) werden (7) und (8) in abc rücktransformiert. Es ist zu beachten, dass hierbei der Spannungswinkel Θ nicht gesondert durch ein Verfahren wie z.B. einen Phasenregelkreis aus der Netzspannung gewonnen wird, sondern sich aus der Lösung des oben beschriebenen Gleichungssystems, insbesondere der Bewegungsgleichung (3), ergibt. Dies ist ein entscheidender Vorteil der Verfahrensklasse der auf Synchronmaschinen basierenden Regelverfahren, da Verzögerungen, wie sie bei Phasenregelkreisen und ähnlichen Verfahren in der Größenordnung von mehreren 10 ms üblich sind, hierbei vermieden werden.

Der Innenregelkreis besteht aus einem Stromhystereseregler, der auch als Toleranzbandverfahren bezeichnet werden kann, dessen Sollwerte sich aus den Augenblickswerten der virtuellen Polradspannungen e _abc , gemessenen Spannungen an den Umrichterklemmen v _abc , und einer virtuellen Statorimpedanz Z _s , ergeben.

Die virtuelle Statorimpedanz kann so eingestellt werden, dass die Regelungsstabilität gewährleistet wird und besteht aus folgender Gleichung:

Z _s = R _s + s L _s (9)

Wobei R _s und L _s den Statorwiderstand und die Statorinduktivität der virtuellen Synchronmaschine darstellen.

Somit errechnen sich die Stromsollwerte aus:

^■ _ ^e abc ^v dbc

abe — ^{i U} )

Die gemessenen Klemmenspannungen des Umrichters sind nicht unbedingt sinusförmig und können je nach Betriebsweise oder Netzzustand viele Oberschwingungen enthalten, welche eine negative Auswirkung auf die Stromsollwerte gemäß Gleichung (10) und die gesamte Regelung haben können. Dies wird zum Beispiel im leerlaufenden Betrieb, d.h. bei Einprägen einer Spannung ohne Last, oder bei stark nichtlinearen Lasten der Fall sein. Prinzipiell wirkt die stets symmetrische Polradspannung des Synchrongeneratorglei- chungssystems dieser Unsymmetrie und Oberschwingungshaltigkeit entgegen, sie kann sie jedoch nicht immer vollständig kompensieren. Um diesem Verhalten entgegenzuwirken, werden die Umrichterklemmenspannungen in qd Koordinaten transformiert, ihre Korn- ponenten durch einen Tiefpassfilter erster Ordnung gefiltert und wieder in abc Komponenten zurücktransformiert. Somit wird keine Amplituden- und Phasenkompensation erforderlich. Das wird in dem Ersatzschaltbild der Figur 3 dargestellt.

Nachfolgend wird ein Netzbetrieb erläutert, bei dem in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist wird, wie bspw. das Europäische Verbundnetz. Das kann sich von dem Einspeisen in ein Inselnetz unterscheiden, wie unten noch beschrieben wird.

Da die Regelung die Eigenschaften einer Synchronmaschine emuliert, ist der Umrichter in der Lage sich mit dem elektrischen Versorgungsetz, das auch einfach als Netz bezeichnet werden kann, selbst zu synchronisieren. Bevor der Umrichter mit dem Netz verbunden wird, findet eine Synchronisierungsphase statt.

Die Wirk- und Blindleistungssollwerte werden auf null gesetzt und die Regelung sorgt dafür, dass die Bedingungen laut (1 1 ) erfüllt werden. Das bedeutet, dass die Amplitude und Phasenlage der virtuellen Polradspannungen e _abc gleich denen der Netzspannungen v _abc am Verknüpfungspunkt (VKP) sind. Somit sind die Wirk- und Blindleistungen im eingeschwun- genen Zustand nach Gleichungen (12) und (13) am VKP null.

V _g *E*sin{9-e _g ) _{= o ( 1 2 )}

Da während der Synchronisierungsphase der Umrichter noch nicht mit dem Netz verbunden ist, sind die Ströme nach Gleichung (10) virtuell. Am Ende der Synchronisierungsphase, wenn Gleichung (1 1 ) erfüllt ist, ergibt sich:

^abc ^v abc 0 ^— * 'sabc (14)

Wenn die Synchronisierungsphase abgeschlossen ist, kann der Umrichter mit dem Netz verbunden werden und P _se t und Qset können auf einen neuen Sollwert eingestellt werden. Die für den Netzbetrieb vorgeschlagene Struktur ist in der Figur 4 dargestellt. Durch das Verfahren soll der Sollstrom isabc vorgegeben werden. Dieser Sollstrom isabc ist 3-phasig und er ergibt sich aus einer Differenzspannung UDV, die an der virtuellen Impedanz Zv anliegt. In dem Strukturbild der Figur 4 ist das so dargestellt, dass die Differenzspannung UDV in diese virtuelle Impedanz eingegeben wird. Die Differenzspannung UDV ergibt sich als Differenz aus der gemessenen Spannung Vpcc, die von der virtuellen Generatorspannung Egen abgezogen wird. Dazu ist ein Ausgangssummierglied 10 vorgesehen. Die Spannung Vpcc ist die am Netzanschlusspunkt gemessene Spannung, die allerdings gefiltert ist, nämlich vorzugsweise so, wie dies noch anhand der Figur 7 erklärt wird. Die Generatorspannung Egen wird dem Berechnungsmodel 12 berechnet und von diesem ausgegeben. Das Berechnungsmodel 12 verwendet dafür Maschinengleichungen des Synchrongenerators, die vorstehend beschrieben wurden. Die Differenz zwischen der Generatorspannung Egen und der gemessenen Spannung Vpcc am Netzanschlusspunkt wirkt somit auf die virtuelle Impedanz Zv, woraus sich der Sollstrom Isabc berechnet. Das bedeutet im Grunde, dass eine Impedanz, für die die virtuelle Impedanz Zv steht, zwischen der Generatorspannung und der Spannung am Netzanschlusspunkt liegt.

Das Berechnungsmodel 12 hat als Eingangsgrößen den virtuellen Drehwinkel δ des Läufers und eine virtuelle Drehzahl ω des Läufers. Diese beiden Größen, die insoweit mechanische Größen betreffen bzw. sind, hängen letztendlich von einer Wirkleistung, besonders einer vorgegebenen Wirkleistung ab.

Das Erzeugen des Sollstroms Isabc in Abhängigkeit der virtuellen Impedanz Zv und der Differenzspannung UDV basiert auf der vorstehend erläuterten Gleichung (10). Insoweit entspricht die Generatorspannung E _gen der Generatorspannung e _a bc der Gleichung (10) und die gemessene und gefilterte Spannung Vpcc entspricht der Spannung v _a bc der Gleichung (10). Die virtuelle Impedanz Zv entspricht der Impedanz Z _s der Gleichung (10).

Außerdem geht die virtuelle Erregerspannung U _E und der Ausgangsstrom labe in das Berechnungsmodel 12 ein. Der Ausgangsstrom labe kann ein gemessener Strom sein, nämlich insbesondere der 3-phasige Ausgangsstrom, der entsprechend des Sollstroms Isabc von dem Wechselrichter erzeugt wurde. Im Übrigen wird darauf hingewiesen, dass die Figur 4 und die Figur 5 ein virtuelles Maschinenmodel enthalten und jegliche Größen, die sich auf eine Synchronmaschine darin beziehen somit Größen dieser virtuellen Synchronmaschine sind und somit generell als virtuelle Größen anzusehen sind, auch wenn dies nicht im Einzelnen ausgeführt wird. Außerdem gibt das Berechnungsmodel 12 ein virtuelles elektrisches Drehmoment T _e aus. Dieses virtuelle elektrische Drehmoment T _e wirkt im Betrieb einen mechanischen Drehmoment T _m an dem Drehmomentsummierglied 14 entgegen. Aus dem Drehmomentsummierglied 14 ergibt sich ein wirksames Drehmoment T _w . Das mechanische Drehmoment T _m ergibt sich aus einer Leistung, die hier als Sollleistung P _s vorgegeben werden kann. Über die Drehmomentumrechnung 16, die im Wesentlichen die Drehzahl berücksichtigt, ergibt sich aus der eingegebenen Sollleistung P _s das mechanische Drehmoment T _m .

Das wirksame Drehmoment T _w wird durch das virtuelle Trägheitsmoment J geteilt, was die Trägheitsverstärkung 18 realisiert, und führt dann über den ersten mechanischen Integra- tor 21 zur Drehzahl ω. Die Drehzahl ω führt über den zweiten mechanischen Integrator 22 zum Drehwinkel δ des Läufers. Diese beiden mechanischen Integratoren 21 und 22 bilden somit im Wesentlichen das mechanische Verhalten des Läufers wieder, auf den das wirksame Drehmoment T _w wirkt.

Außerdem ist noch ein Drehmomentregler mit einer Drehmomentreglerverstärkung 24 vor- gesehen. Die Drehmomentreglerverstärkung 24 führt zu einem Hilfsdrehmoment Th, das in dem Drehmomentsummierglied 14 mit negativen Vorzeichen berücksichtigt wird und insoweit das wirksame Drehmoment T _w verringert, solange das Hilfsdrehmoment selbst einen positiven Wert hat.

Dazu wirkt auf die Drehmomentreglerverstärkung 24 das Ergebnis des Drehzahlsummier- glieds 26. In dem Drehzahlsummierglied wird gemäß der in Figur 4 gezeigten Konstellation von der virtuellen Drehzahl ω eine gefilterte Drehzahl ω ^* abgezogen. Das Ergebnis ist die Differenzdrehzahl Δω.

Mit dieser Drehmomentregelung kann besonders für eine Synchronisierung die Drehzahl ω beeinflusst werden. Solange die Drehzahl ω sich ändert, kann sich ein Unterschied zwi- sehen der Drehzahl ω und der gefilterten Drehzahl ω ^* ergeben. Hierfür ist insbesondere vorgesehen, dass das Drehzahlfilter 28 eine Verstärkung von 1 aufweist und somit die gefilterte Drehzahl ω ^* der Drehzahl ω im stationären Zustand entspricht. In diesem stationären Zustand wird dann auch die Differenzdrehzahl Δω 0 sein und somit auch das Hilfsdrehmoment Th 0 sein. Wenn in der Synchronisierung dann auch die vorgegebene Leistung P _s 0 ist und die virtuelle elektrische Maschine insgesamt in einem solchen stationären Leerlaufbetrieb läuft, wird dann auch das virtuelle elektrische Drehmoment T _e , zu 0 und damit wird dann auch das wirksame Drehmoment T _w zu 0. Die Drehzahl ω ändert sich dann nicht mehr. Eine Synchronisierung ist dann abgeschlossen und es kann dann bspw. eine Zu- schaltung zum Einspeisen über den Netzanschlusspunkt in das elektrische Versorgungs- netz erfolgen. Besonders für einen Inselnetzbetrieb kann eine Frequenzvorgabe über den Frequenzvorgabeblock 30 erfolgen, was besonders für den Inselnetzbetrieb vorgesehen ist. Der Inselnetzbetrieb wird nachfolgend noch im Zusammenhang mit der Figur 5 beschrieben.

Die virtuelle Erregerspannung U _e ergibt sich aus der Integration einer wirksamen Blindleis- tung Qw unter Berücksichtigung einer Blindleistungsverstärkung G, die auch als Integrationszeitkonstante bezeichnet werden kann. Dazu ist der Blindleistungsverstärkungsblock 32 und der Blindleistungsintegrator 34 vorgesehen.

Die wirksame Blindleistung Q _w ist das Ergebnis der Differenz aus vorgegebener Blindleistung Q _s und gemessener Blindleistung Qi. Die Differenz wird an dem Blindleistungssum- mierglied 36 gebildet. Die gemessene Blindleistung Qi ist die Blindleistung, die von dem Wechselrichter in dem Moment eingespeist wird. Die virtuelle Erregerspannung U _e wird somit über die Blindleistung eingestellt bzw. beeinflusst.

Über einen Spannungsregelschalter 38 kann eine Spannungsregelung aktiviert bzw. aufgeschaltet werden. Mit dieser Spannungsregelung kann eine Regelung auf eine vorgege- bene Spannung Vpccs vorgenommen werden. Zumindest kann in Abhängigkeit davon eine Spannungsregelung vorgenommen werden. Dazu wird von dieser Sollspannung Vpccs am Netzanschlusspunkt eine dort gemessene Spannung VPCCI abgezogen. Dazu ist das Spannungssummierglied 40 vorgesehen. Für die Spannungsregelung wird die so erhaltene Differenzspannung AV über eine Spannungsverstärkung D _q in dem Spannungsverstärkungs- block 42 gegeben. Es resultiert eine Regelungsblindleistung QR, die über das Blindleistungssummierglied 36 die wirksame Blindleistung Q _w beeinflusst und damit wird dann über den Blindleistungsverstärkungsblock 32 und den Blindleistungsintegrator 34 die virtuelle Erregungsspannung Ue beeinflusst. Diese Regelung kann durch das Schließen des Span- nungsregelungsschalters 38 aktiviert werden. Vorzugsweise ist auch die Spannungsver- Stärkung D _q des Spannungsverstärkungsblocks 42 veränderlich, um insbesondere die Dynamik dieser Spannungsregelung zu beeinflussen.

Bei Inselnetzbetrieb werden die Frequenz und die Spannung des Netzes auf gewünschte Sollwerte ausgeregelt. Die Frequenzregelung basiert nach wie vor auf der Gleichung (3) mit dem Unterschied , dass T _M durch einen PI Regler, der auf eine Frequenzabweichung reagiert, bestimmt wird und in Figur 5 als TR bezeichnet ist. Ähnlich wie bei der Frequenzregelung, erfolgt die Spannungsregelung auch durch einen PI Regler, aus dessen Ausgang der Blindleistungssollwert resultiert.

Die entsprechende Regelung ermöglicht dem Umrichter, schwarzstartfähig zu sein. Die Eigenschaft wird durch das Schalten einer kleinen ohmschen oder induktiven Last parallel zu den Umrichterklemmen erreicht, falls die durch den Netzfilter des Umrichters fließenden Leerlaufströme oder Leerlaufströme sonstiger Betriebsmittel für einen zufriedenstellenden Einsatz eines Hysteresestromreglers, zu gering sind. Somit kann sich ein minimaler Umrichterausgangsstrom ausbilden, so dass die Funktionalität der Hysteresesregelung ge- währleistet ist. Daraus ergibt sich eine Spannung an den Anschlussklemmen des Umrichters, dessen Frequenz und Amplitude auf die erwünschten Sollwerte ausgeregelt werden.

Der Inselnetzbetrieb ist in Figur 5 veranschaulicht, die eine Struktur wie in Figur 4 zeigt. Soweit die Struktur bzw. die Elemente in beiden Figuren gleich sind bzw. dieselbe Funktion haben, werden gleiche Bezeichnungen und Bezugszeichen verwendet. Zur Erläuterung der Funktionen, die sich für den Inselnetzbetrieb nicht verändert haben, wird insoweit auch auf die Erläuterung zur Figur 4 verwiesen.

Im Inselnetzbetrieb ist nun für eine Leistungsregelung, die im Grunde die mechanische Bewegung des Läufers betrifft, ein zusätzlicher Pl-Leistungsregleranteil 50 vorgesehen. Dieser erzeugt ausgehend von einer Differenzdrehzahl Δω ein Reglerdrehmoment TR, das über das Drehmomentsummierglied 14 das wirksame Drehmoment T _w beeinflusst.

Die Differenzdrehzahl Δω ergibt sich hierbei als Differenz aus der Drehzahl ω des Maschinenmodels und einer Solldrehzahl CJ _s , die von dem Frequenzvorgabeblock 30 vorgegeben wird. Der Frequenzvorgabeblock 30 gibt die Frequenz für das Inselnetz vor und gibt hier insoweit eine Sollfrequenz vor, umgerechnet in eine Solldrehzahl ω ₅ . Die Differenz wird in dem Drehzahlsummierglied 26 gebildet. Eine gefilterte Drehzahl ω ^* gemäß der Struktur der Figur 4 kommt hier nicht zum Einsatz. Es kann aber auch die Struktur gemäß Figur 4 insoweit verwendet werden, als dass für den Inselbetrieb von dem Drehzahlfilter 28 auf den Frequenzvorgabeblock 30 geschaltet wird, wie durch den Frequenzumschalter 29 in Figur 4 angedeutet ist. Dadurch kann auch eine temporäre Inselnetzsituation berücksichtigt wer- den, wenn also nicht nur ein Einsatz grundsätzlich in einem Inselnetz vorgenommen wird, wie bspw. auf einer tatsächlichen kleinen geographischen Insel, sondern wenn aufgrund von Schalthandlungen in einem größeren Versorgungsnetz sich ein Teilbereich dieses Versorgungsnetzes als Inselnetz bildet, also temporär abgekoppelt ist.

Über das Aufschalten des Regeldrehmoments TR kann somit die Läuferbewegung bzw. virtuelle Läuferbewegung der virtuellen Synchronmaschine so geregelt werden, dass sich die vorgegebene Frequenz bzw. die vorgegebene Solldrehzahl ω ₅ einstellt. Die Berücksichtigung einer Sollleistung P _s über die Drehmomentumrechnung 16 ist hier zunächst nicht vorgesehen. Sie kann ggf. über den Sollleistungsschalter 52 ausgewählt werden. Das virtuelle elektrische Drehmoment T _e wirkt allerdings weiterhin über das Drehmomentsummier- glied 14 auf das wirksame Drehmoment T _w . Insoweit ist nämlich das Maschinenmodel unverändert geblieben, aber es wurde eine andere Regelung implementiert. Zur Spannungsregelung sieht der Inselnetzbetrieb gemäß der Struktur der Figur 5 ebenfalls die Verwendung eines Pl-Anteils vor, nämlich als Pl-Spannungsregelungsanteil 54. Der Pl- Spannungsregelungsanteil 54 gibt eine Regelungsblindleistung QR aus, die hier der Einfachheit halber dieselbe Bezeichnung wie in der Figur 4 erhält. Die Regelungsblindleistung QR ist nun aber der Ausgang des Pl-Spannungsregelungsanteils 54. Es ist also ein integraler Anteil in dieser Regelungsblindleistung QR enthalten. Den Eingang dieses Pl- Spannungsanteils 54 bildet wieder eine Differenz aus der vorgegeben Spannung Vpccs am Netzanschlusspunkt und einer dort gemessenen Spannung VPCCI. Die wirksame Blindleistung Q _w ist nun das Ergebnis der Differenz aus der Regelungsblindleisung QR und der gemessenen Blindleistung Qi. Eine vorgegebene Blindleistung Qs ist nicht wirksam, weil mit dem Blindleistungsschalter 56 auf den Ausgang des Pl-Spannungsregelungsanteils 54 geschaltet ist. Über den Pl-Spannungsregelungsanteil 44 wird nun erreicht, dass im Wesentlichen dadurch eine Blindleistung vorgegeben wird, die von der Spannungsabweichung zwischen vorgegebener und gemessener Spannung am Netzanschlusspunkt abhängt. Der integrale Anteil des Pl-Spannungsanteils 54 ist zum Erreichen einer stationären Genauigkeit der vorgegebenen Spannung am Netzanschlusspunkt vorgesehen. Für die Umschaltung von Schwarzstartbetrieb auf Lastbetrieb, also im Inselnetz, und umgekehrt wird eine Adaption der virtuellen Impedanz vorgenommen. Dies wird vorgeschlagen da während des Betriebs ohne signifikante Lasten eine stärkere Tiefpassfilterung der Differenz zwischen der virtuellen Polradspannung und der gemessenen Klemmenspannung notwendig wäre, um die Stabilität zu gewährleisten. Die Adaption der virtuellen Impedanz ist in der Figur 6 dargestellt. Die Adaption bei der Umschaltung von Schwarzstartbetrieb auf Lastbetrieb basiert auf der gemessenen Ausgangsleistung des Umrichters, was Wirk- und/oder Blindleistung betreffen kann, oder alternativ auf den gemessenen Leistungsgradienten dP/dt und/oder dQ/dt und ist in der Figur 6 als Bedingung 1 , bzw. Bedingung C1 , bezeichnet. Hierbei wird der induktive Anteil Ls der virtuellen Impedanz Zs verändert und diese Veränderung wird durch einen maximalen Gradienten begrenzt, der als rate limiter bezeichnet werden kann.

Bei dem Übergang vom Lastbetrieb zum Schwarzstartbetrieb wird die Lastimpedanz wesentlich größer. Da sich die Sollwertströme während des Überganges nicht ändern, führt das zu einer deutlichen transienten Erhöhung der Klemmenspannung. Wenn die Differenz zwischen den Amplituden der virtuellen Polradspannung und der gemessenen Klemmenspannung eine bestimmte Grenze überschreitet, was als Bedingung 2 bzw. Bedingung C2 in Figur 6 eingezeichnet ist, wird die virtuelle Impedanz der Regelung geändert.

Die Figur 6 zeigt insoweit eine Umsetzung der virtuellen Impedanz Zv der Strukturen der Figuren 4 und 5, in dem der Wert dieser virtuellen Impedanz Zv invers an dem Multiplikator 60 mit der Differenzspannung UDV multipliziert wird, so dass sich der Sollstrom be ergibt. Der 3-phasige Sollstrom labe kann aufgrund seiner 3-Phasigkeit auch als Sollströme bezeichnet werden, nämlich ein Strom je Phase. Gleiches gilt für andere 3-phasige Größen.

Die virtuelle Impedanz Zv, die auch als Zs bezeichnet werden kann, setzt sich aus einem induktiven Teil Ls und einem ohmschen Anteil Rs zusammen und diese Größen bilden somit einen Eingang für den Impedanzblock 62, in dem diese beiden Anteile zusammengesetzt werden und zur weiteren Berechnung die Inverse der Impedanz gebildet und ausgegeben wird.

Gemäß der gezeigten Ausführungsform wird der induktive Anteil Ls verändert, wobei der ohmsche Anteil Rs unverändert bleibt. Aber auch er kann grundsätzlich verändert werden.

Die Änderung oder Einstellung des induktiven Anteils Ls hängt nun besonders davon ab, ob ein Schwarzstartbetrieb oder ein Lastbetrieb vorliegt. Entsprechend kann mit dem Betriebsartschalter 64 abhängig von diesen Betriebsarten zwischen den beiden induktiven Anteilen umgeschaltet werden, nämlich dem induktiven Anteil Lsi für den Schwarzstartbe- trieb und Ls2 für den Lastbetrieb. Dazu werden die beiden Bedingungen C1 bzw. C2 in den Betriebsartschalter 64 eingegeben. Da diese Umschaltung im laufenden Betrieb vorgenommen werden kann, die Änderung der virtuellen Induktivität Zv bzw. Zs aber nicht sprunghaft erfolgen soll, ist ein Gradientenblock 66 vorgesehen, der dafür sorgt, dass die Änderung als Rampe mit einer maximalen Steigung weitergegeben wird bzw. dass die Än- derung auf eine solche Flanke mit maximaler Steigung begrenzt wird. Eine solche maximale Steigung ist insoweit betragsmäßig begrenzt. Es wird also sowohl ein Anstieg als, auch ein Abfall begrenzt. Wenn also in dem Betriebsartschalter 64 zwischen zwei Werten der induktiven Anteile geschaltet wird und der Ausgang des Betriebsschalters 64 ein Sprung ist, ist dann der Ausgang des Gradientenblocks 66 eine Rampe. Im Ergebnis ändert sich also die virtuelle Impedanz Zv bzw. Zs allmählich und diese Änderung kann somit im laufenden Betrieb vorgenommen werden und wirkt über den Multiplikator 60 unmittelbar auf den Sollstrom be. Es kommt aber auch in Betracht, besonders im Schwarzstartbetrieb, dass nicht nur zwischen den beiden induktiven Anteilen Lsi bzw. Ls2 umgeschaltet wird, sondern auch dass der jeweils je nach Schalterstellung des Betriebsartschalters 64 wirksame induktive Anteile seinerseits verändert wird. Auch diese Veränderung kann über den Gradientenblock 66 auf einen maximalen Gradienten also eine maximale Flankensteilheit begrenzt werden.

Figur 7 veranschaulicht dann die Filterung der am Netzanschlusspunkt gemessenen Spannung VPCC. Die gemessene Spannung wird hier als Vpcc' bezeichnet, wohingegen das gefilterte Ergebnis dann die Spannung Vpcc ist. Die gemessene Spannung Vpcc wird in den Transformationsblock 70 eingegeben, der diese 3-phasige Spannung in eine grundsätzlich bekannte Darstellung mit einer q-Komponente und einer d-Komponente transformiert. Die Transformation ist auch als d/q-Transformation bekannt und betrifft dieselbe Transformation, die bspw. auch als Park-Transformation bekannt ist. Sie überführt die 3-phasigen Größen, hier nämlich die Spannung der drei Phasen, in ein 2-achsiges Koordinatensystem mit den Achsen d und q. Zur Veranschaulichung beinhaltet ein q-Block 72 die q-Komponente und ein d-Block 74 die d-Komponente. Um zu verdeutlichen, dass diese beiden Komponenten noch zu dem ungefilterten Spannungssignal Vpcc gehören, sind sie ebenfalls als gestrichene Größen, nämlich als q' und d' dargestellt. Sie gehen dann jeweils in einen Filterblock ein, nämlich den q-Filterblock 76 und den d-Filterblock 78. Beide Filterblöcke 76 und 78 können identisch aber auch unterschiedlich sein. Die in Figur 7 vorgeschlagene Struktur verwendet jeweils zwei gleich parametrierte lineare Filter erster Ordnung, also jeweils ein PT1 -Glied bzw. PT1 -Filter. Beide Komponenten q' und d' werden also über einen Tiefpassfilter erster Ordnung gegeben und das Ergebnis ist dann jeweils die gefilterte Komponente q bzw. d . Diese gefilterten Komponenten q und d werden dann auf den Rücktrans- formationsblock 80 gegeben und in das 3-phasige System zurücktransformiert. Das Ergeb- nis ist die gefilterte 3-phasige Spannung Vpcc, die besonders in den Figuren 4 und 5 auf das Ausgangssummenglied 10 gegeben werden.

Figur 8 zeigt zwei Spannungsdiagramme, die jeweils eine Spannungsamplitude U in Volt über Zeit in Sekunden zeigt. Die dargestellten Spannungen zeigen somit im Wesentlichen jeweils eine Spannung mit sinusförmigem Verlauf mit einer Periodendauer von 20ms und damit eine Spannung eines 50Hz-Signals.

In der oberen Darstellung der Figur 8 ist die am Netzanschlusspunkt aufgenommene Spannung V'i.pcc einer Phase dargestellt. Das entspricht somit einer Phase der dreiphasigen Spannung Vpcc am Eingang des Transformationsblocks 70 der Figur 7. Es ist zu beachten, dass die Ergebnisse der Figur 8 Simulationsergebnisse sind. Es wird auch darauf hinge- wiesen, dass zur Darstellung einer elektrischen Spannung teilweise der Buchstabe U und teilweise der Buchstabe V verwendet wird , ohne dass dadurch irgendein technischer Unterschied dargestellt werden soll.

Das obere Diagramm der Figur 8 zeigt somit eine ungefilterte Spannung, die auch erkennbar stark verrauscht ist. In dem unteren Diagramm der Figur 8, das die identische Zeitachse zum oberen Diagramm aufweist, sind zwei gefilterte Spannungen dargestellt. Die Spannung Vi.pcc zeigt den gefilterten Verlauf zur ungefilterten Spannung V'i.pcc des oberen Diagramms, der sich aus der Filterung gemäß Figur 7 ergibt. Die Spannung Vi. pcc ist somit die zum oberen Diagramm der Figur 8 korrespondierende Phase des dreiphasigen Spannungssignals Vpcc am Aus- gang des Rücktransformationsblocks 80 der Figur 7. Wird also ein dreiphasiges Spannungssignal in den Transformationsblock 70 der Figur 7 eingegeben, wobei alle drei Phasen etwa einen Verlauf wie im oberen Diagramm der in Figur 8 gezeigt aufweisen, ergibt sich am Ausgang des Rücktransformationsblocks 80 der Figur 7 ein dreiphasiges Spannungssignal, von dem alle drei Phasen etwa den Verlauf Vi, PCC gemäß der unteren Dar- Stellung der Figur 8 aufweisen. Die ungefilterte Spannung V'I .PCC und die gefilterte Spannung VI .PCC betreffen dabei dieselbe Phase.

Es ist zu erkennen, dass zwischen der ungefilterten Spannung V'I .PCC und der entsprechenden gefilterten Spannung VI .PCC praktisch keine Phasenverschiebung auftritt.

Für die Filterung wurde gemäß Figur 7 für die beiden Filterblöcke 76 und 78 jeweils ein PT1 -Glied mit derselben Verstärkung, nämlich 1 , und derselben Zeitkonstante verwendet, nämlich 10 Millisekunden.

Als Vergleich ist dasselbe verrauschte Signal V'I .PCC der oberen Darstellung direkt über ein PT1 -Filter gefiltert worden, das genauso parametriert war, wie die beiden Filterblöcke 76 und 78. Das Ergebnis dieser direkten Filterung mittels PT1 -Filters ist gestrichelt in dem unteren Diagramm dargestellt und als VPTI R bezeichnet. Neben der verringerten Amplitude, die sicherlich durch eine Anpassung der Verstärkung des PT1 -Filters angepasst werden könnte, ist auch deutlich eine Phasenverschiebung von fast 90 Grad zu erkennen. Das spiegelt tatsächlich auch das von einem PT1 -Filter bekannte Phasenverhalten wieder.

Es ist somit zu erkennen, dass die vorgeschlagene Filterung, die nicht nur gezielt auf das dreiphasige Signal angepasst ist, sondern besonders auch die Tatsache berücksichtigt, dass ein sinusförmiges Signal erwartet wird, ein sehr gutes Filterergebnis liefert. Besonders ist die Phasentreue hervorzuheben. Mit dem dabei intern verwendeten PT1 -Filter wäre eine direkte Filterung mit ähnlicher Filterqualität also ähnlicher Rauschunterdrückung nur mit einer großen Phasenverschiebung bzw. einem großen Phasennacheilen möglich. Alternativ könnte ein wesentlich komplexeres Filter besonders höherer Ordnung verwendet werden, um besonders die Problematik des Phasenverzugs zu verringern. Dieses Filter müsste dann aber sehr viel komplexer ausgestaltet sein, sehr genau an das zu erwartende Rauschverhalten angepasst sein und dürfte dann wenig robust gegenüber Änderungen des zu filternden Signals, besonders gegenüber überlagerten Störgrößen sein.

Es wird somit eine Leistungsregelung eines Umrichters im Netzbetrieb, sowohl für starke als auch schwache Netze, und ein schwarzstartfähiger Umrichter im Inselnetzbetrieb vorgeschlagen. Dabei wurde auch eine Spannungs- und Frequenzregelung bei Inselnetzbe- trieb vorgestellt.

Prinzipiell ist das Regel verfahren für den Einsatz mit verschiedenen Primärenergieformen geeignet, so z.B. Windenergieanlagen, Batteriespeicher, Schwungräder und weitere Formen. Weiterhin ist auch der selbstgeführte Aufbau eines Anlagenversorgungsnetzes, wie z.B. bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) möglich. Es wurde somit eine Möglichkeit geschaffen, mit einem Umrichter eine Synchronmaschine zu emulieren. Dem liegen auch die folgenden Erkenntnisse zu Grunde. Die Synchronmaschinenemulation ist besonders wichtig in Hinblick auf eine Steigerung des Anteils durch Leistungselektronik gesteuerter Lasten und Generatoreinheiten, die zu einem auf Leistungselektronik basierten Energieversorgungssystem führen kann. Ein solches System kann Netzinstabilitäten mit sich bringen, da z.B. bei Netzfrequenzänderungen das Trägheitsmoment bzw. die gespeicherte Rotationsenergie konventioneller Kraftwerksgeneratoren nicht mehr vorhanden ist aber durch gezielte Regelungsstrategien emuliert werden kann. Dies wirkt sich somit bei geeigneter Parametrisierung der virtuellen Synchronmaschine positiv auf verschiedene mit der Frequenz im Zusammenhang stehende Phäno- mene aus, wie z.B. ein Frequenzeinbruch nach Ausfall einer größeren Kraftwerkseinheit oder einer HGÜ-Leitung. Auch Frequenzpendelungen können relevant sein.

Nach Verlust des elektrischen Versorgungsnetzes, insbesondere nach Verlust eines Verbundnetzes, kann die Bildung eines Inselnetzsystems durch Schwarzstartfähigkeit erreicht werden, in dem die Netzspannung und Frequenz vom Umrichter vorgegeben werden kann. Eine Verwendung der Kerngleichungen einer Synchronmaschine unter Nutzung eines stromgeregelten Umrichters zu einfacher Umsetzung einer Strombegrenzung wird ermöglicht. Ein Einsatz des Verfahren zu Netzbildung eines Inselnetzes bei Schwarzstart und Um- schaltung von lastfrei in den Inselnetzbetrieb und zurück ist ein Vorzug.

Es wird auch vorgeschlagen, dass um die sinusförmigen Sollwertströme zu generieren, Augenblickswerte der Spannungen benutzt werden wie in der Gleichung (10) dargestellt ist. Die gemessenen Klemmenspannungen des Umrichters sind nicht sinusförmig und können viele Oberschwingungen enthalten, deshalb könnten Probleme bei der Berechnung der Sollwertströme entstehen und in einem ungünstigen Fall zu einer Instabilität führen. Der Filterungsprozess der Klemmenspannungen in qd Komponenten, im Vergleich zu dem in abc Koordinatensystem, führt im eingeschwungenen Zustand zu einer besseren Span- nungsqualität mit einer kleinen Filterzeitkonstante, ohne die Amplitude und Phasenverschiebung kompensieren zu müssen.

Die virtuelle Impedanz nach Gleichung (9) wird je nach Betriebsmodus adaptiv angepasst, so dass die Regelungsstabilität gewährleistet wird, zumindest gemäß einer Ausführungsform. Besonders kann auch ein stabiler Betrieb eines stromgeregelten Umrichters mit folgenden Eigenschaften erreicht werden:

Schwarzstart durch Einprägung einer Spannung an den Umrichterklemmen ohne zugeschaltete Last.

Umschalten auf Inselbetrieb mit Last und dabei Ausregelung von Spannung und Frequenz auf wählbare Sollwerte.

Synchronisierung mit einem bestehenden Netz und schnelle Regelung von Wirk- und Blindleistung in Abhängigkeit von Netzfrequenz und Spannung.

Netzbetrieb auch bei sehr kleinen Kurzschlussverhältnissen.

Auf folgende Literatur wird besonders hingewiesen: [Lit1] P. C. Krause, O. Wasynczuk and S. D. Sudhoff, "Analysis of Electric Machinery and Drive Systems", 2nd Edition, New York, 2002, John Wiley & Sons.