Lastverteilung mit 2301E

In der Praxis kommt es häufig zu Missverständnissen bezüglich der Funktionsweise der analogen Lastverteilungslinie (Load Sharing Line) bei Drehzahlreglern wie dem Woodward 2301E. In diesem Beitrag versuche ich die Funktion und Prinzip in wenigen Worten und sehr allgemein zu erklären.

Die Grundidee der analogen Lastverteilung ist denkbar einfach und wird von Woodward bereits seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Identische Schnittstellen finden sich daher auch in anderen Reglerserien wie dem 723 Plus, dem 721 oder sogar dem analogen 2301A LSSC.

Wie funktioniert die analoge Schnittstelle?

Die analoge Schnittstelle Load Sharing Line erfüllt gleichzeitig zwei Aufgaben: Spannung einspeisen und Spannung messen.

  1. Einspeisung der Eigenleistung: Jeder Regler speist seine aktuell skalierte Generatorleistung (0 % bis 100 %) als Analogspannung im Bereich von 0 bis 6 V in die gemeinsame Linie ein.
  2. Messung des Lastfehlers (Load Sharing Error): Bedenkt man, dass alle Regler parallel auf dieselbe Linie geschaltet sind, entspricht die Spannung auf der Linie stets der höchsten eingespeisten Spannung – also der des am stärksten belasteten Aggregats.
    • Ermittlung der Abweichung: Jeder Regler vergleicht die Spannung auf der Linie mit seinem eigenen eingespeisten Wert. Die mathematische Differenz ergibt den prozentualen Load Sharing Error.

Ein einfaches Gedankenspiel zur Veranschaulichung

Nehmen wir an, mehrere Generatoren laufen parallel im Inselbetrieb:

  • Der am stärksten belastete Regler misst auf der Linie dieselbe Spannung, die er selbst einspeist. Sein Load Sharing Error ist somit 0. Für ihn besteht kein Handlungsbedarf.
  • Die weniger belasteten Regler stellen eine Differenz zwischen der Linienspannung und ihrem eigenen Leistungssignal fest. Ihr Load Sharing Error ist größer als 0.
  • Ausgleichsregelung: Über einen berechneten Offset (Bias) wird die Soll-Drehzahl der jeweiligen Motoren angepasst. Dadurch übernehmen diese schrittweise mehr Last vom am stärksten belasteten Generator.

Dieser Regelprozess läuft dynamisch so lange ab, bis der Load Sharing Error aller beteiligten Regler den Wert 0 erreicht hat und alle Aggregate prozentual gleichmäßig belastet sind.

Besonderheit bei Segmentierung und Koppelschaltern

In Anlagen mit einem oder mehreren Koppelschaltern (Bus Tie Breakers) muss die Load Sharing Line bei geöffnetem Schalter zwingend synchron aufgetrennt werden.

Sollte die Lastverteilungslinie trotz geöffnetem Koppelschalter verbunden bleiben, würden die Regler der getrennten Netzsegmente weiterhin versuchen, die Leistung über das Gesamtsystem auszugleichen. Dies führt zwangsläufig zu Regelschwingungen sowie massiven Über- oder Unterfrequenzen in den einzelnen Segmenten. Eine saubere galvanische oder relaisseitige Trennung der Load Sharing Line analog zur Schaltstellung der Schalter ist daher essenziell für einen stabilen Betrieb.

Anfahren eines Motors im Inselbetrieb

Ein weiterer zentraler Aspekt im Betrieb von Aggregaten mit dem Woodward 2301E ist der Ablauf vom Motorstart bis zur automatischen Lastübernahme.

Im Folgenden betrachten wir den typischen Ablauf für ein Aggregat, wenn die Leistungssammelschiene bereits von mindestens einem anderen Generator versorgt wird:

1. Start und Hochlauf

  • Motorstart & Betriebsmeldung: Der Motor wird gestartet. Zeitgleich wird der digitale Eingang A (RUN) am Regler aktiviert.
  • Leerlaufdrehzahl (Idle): Der Regler bringt den Motor zunächst auf die definierte Leerlaufdrehzahl (IDLE Speed).
  • Nenndrehzahl (Rated): Die Beschleunigung auf Nenndrehzahl (RATED SPEED) erfolgt entweder durch das Aktivieren von Eingang C (RATED SPEED) oder – bei aktivierter Automatik – selbstständig durch den Regler.

2. Synchronisation und Zuschaltung

  • Netzsynchronisation: Ein externes Synchronisiergerät liest die Netz- sowie Generatorwerte und gleicht Spannung, Frequenz und Phasenlage des Generators an die live versorgte Sammelschiene an.
  • Schalterrückmeldung: Sobald die Werte identisch sind, schließt das Synchronisiergerät den Leistungsschalter des Generators (GCB). Gleichzeitig erhält der Regler über Eingang D (GCB CLOSED) die Rückmeldung, dass das Aggregat am Netz ist.
  • Bereitschaftsphase: Der Motor läuft nun mit Nenndrehzahl am Netz, übernimmt jedoch vorerst noch keine Wirkleistung.

3. Belastung und Wechsel in den isochronen Betrieb

  • Lastanforderung: Erst wenn der Eingang G (LOAD GENERATOR) aktiviert wird, beginnt der Regler, die Drehzahlreferenz leicht anzuheben, um dem Motor gezielt Wirkleistung aufzuprägen.
  • Aktivierung der isochronen Lastverteilung: Sobald die Leistungsdifferenz zwischen der aktuellen Generatorleistung und dem System Load (der gemessenen Systemauslastung auf der Load Sharing Line) ca. 10 % unterschreitet, schaltet der Regler automatisch auf isochrone Lastverteilung um.Hinweis: Die aktive isochrone Lastverteilung wird durch die grüne LED in der Mitte der Reglerfront signalisiert.

Sonderfall: Synchronisation von Netzsegmenten (Tie Breaker / Koppelschalter)

Sollen zwei bereits unter Spannung stehende Netzsegmente über einen Koppelschalter (Tie Breaker) synchronisiert werden, muss die Frequenz einer der beiden Seiten kurzzeitig angepasst werden. Dies erfordert ein spezielles Vorgehen bei den beteiligten Reglern:

  1. Umschaltung in den Droop-Betrieb: Die Generatoren der zu synchronisierenden Seite müssen kurzzeitig von Isochronous auf Statik (Droop), wie im Video unten, umgeschaltet werden.
    • Sanfter Übergang: Der Woodward 2301E übernimmt dabei die aktuelle Drehzahlreferenz nahtlos aus dem isochronen Betrieb, sodass im Moment des Umschaltens keine Frequenzabweichung entsteht.
  2. Synchroner Drehzahlabgleich: Alle Motoren des betroffenen Segments passen nun gemeinsam und parallel ihre Drehzahl an, bis Frequenz und Phasenlage über dem Koppelschalter übereinstimmen.
  3. Schließen des Koppelschalters: Sobald der Koppelschalter schließt, müssen zwei Aktionen synchron erfolgen:
    • Die Load Sharing Line der beiden Segmente wird galvanisch/relaisseitig miteinander verbunden (wie im vorherigen Abschnitt beschrieben).
    • Der digitale Eingang D (GCB / Tie Breaker CLOSED) wird an allen beteiligten Reglern aktiviert.

Ergebnis: Die neu hinzugeschalteten Generatoren passen ihre Leistung umgehend an. Sobald die Mindestbedingung (Differenz zum System Load < 10 %) erreicht ist, aktivieren alle Regler automatisch wieder die isochrone Lastverteilung – das Gesamtsystem läuft stabil und symmetrisch ausgeregelt.

Fazit

Die analoge Lastverteilungslinie (Load Sharing Line) bietet bewährte Vorteile: Sie ist äußerst robust, einfach einzubinden und erfordert eine vergleichsweise unkomplizierte Konfiguration der einzelnen Teilnehmer.

Allerdings stößt die analoge Technik in komplexeren Anforderungsprofilen an ihre Grenzen. Die moderne Datenübertragung über CAN-Bus ermöglicht es heute, neben den reinen Leistungsdaten auch umfassende Statusmeldungen in Echtzeit auszutauschen. Dies erlaubt eine deutlich präzisere, dynamischere und sanftere Lastverteilung zwischen den Motoren. Mit moderner Hardware – wie beispielsweise dem Woodward 2300E – lässt sich diese digitale Vernetzung zukunftssicher und effizient umsetzen.