AT408816B - Verfahren zur messung der netz-impedanz bei netzgekoppelten wechselrichtern - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Netzimpedanz bei netzgekoppelten Wechselrichtern bzw. Umrichtern, welche von einem Mikrorechner gesteuert sind
Aus der DE-AS 10 35 760 ist ein Gerät zur Bestimmung der Kurzschluss-Stromstarke in elektrischen Leitungsnetzen bekannt, bei dem ein Netzbelastungswiderstand für eine kurzzeitige Netzspannungsabsenkung dient und bei dem die Differenzspannung aus der Netzspannung bei Einund Abschaltung des Widerstandes ein Kritenum fur die gesuchte Grosse ist.

   Ein Synchronschalter schaltet den Widerstand mit einer von den Netzpenoden abhängigen Häufigkeit abwechselnd zu und ab Der Ein- und Abschaltpunkt wird jeweils in einen Nulldurchgang der Spannung gelegt Die Differenz der Spannungen bei ein- und abgeschaltetem Widerstand gelangt zur Anzeige Der Bela-   stungswiderstand   kann wahlweise ein ohmscher oder ein   Blindwiderstand   sein
Wechselrichter wandeln eingangsseitig verfugbare Gleichstromleistung in ausgangsseitige Wechselstromleistung um Netzgekoppelte Wechselrichter arbeiten dabei wechselstromseitig phasensynchron zum öffentlichen Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU) und speisen die gleichstromseitig verfügbare Leistung in dieses Netz ein Um bei einer Netzabschaltung eine Erhaltung des Netzes,

   d h einen Selbstlauf oder eine Inselbildung durch den speisenden Wechselrichter zu verhindern, ist vorschriftsmässig eine parallele Einrichtung zur   Netzuberwachung   mit jeweils zugeordnetem Schaltorgan, abgekurzt geschrieben ENS, vorgesehen Diese Netzuberwachung, bestehend aus Netzfrequenz-, Netzspannungs- und Netzimpedanz-Messung hat die Aufgabe, bei unzulässigen Messwerten den Wechselrichter vom Netz zu trennen Damit wird erreicht, dass personengefährdende Netzzustände vermieden werden
In der DE 35 13 247 A1 oder in der DE 24 49 016 C2 ist ein Verfahren beschrieben, welches den   Sch@e@fenwiderstand   des Netzes durch eine kurzzeitige,

   gezielte Belastung des Netzes durch einen Lastwiderstand und einer eng gekoppelten Messung der Leerlaufnetzspannung misst Aus dem Belastungsstrom und der Netzspannung zum Belastungszeitpunkt wird die Netzimpedanz berechnet
Ein anderes Verfahren erzeugt durch Parallelschaltung einer Kapazität zum Wechselstromnetz an den Nulldurchgangen einen Blindstrom Daraus resultiert ein Spannungsabfall an der Netzimpedanz, wodurch der Nulldurchgang, bezogen auf das unbelastete Netz zeitverschoben stattfindet Aus dieser Zeitverschiebung wird dann die Netzimpedanz bestimmt
Diese Verfahren benotigen als eigenständiges System eigene und somit zusätzliche Bauelemente Dies hat den Nachteil, dass derartige Verfahren bei Verwendung mit netzgekoppelten Wechselrichtern zusätzliche Kosten verursachen
Aufgabe der Erfindung ist es,

   unter Ausnutzung des Wechselrichterprinzips und ohne zusatzliche Hardware-Komponenten ein Verfahren für eine Netzimpedanzmessung anzugeben, ohne dabei das Netz zu belasten
Diese Aufgabe wird   erfindungsgemass   mit einem eingangs genannten Verfahren dadurch gelost, dass mit der Energieeinspeisung in das Netz des Energieversorgungsunternehmens eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung am   Einspeisepunkt   erfolgt und dass die Netzimpedanz aus der Messung der verursachten Spannungsuberhohung gegenüber der Netzleerlaufspannung und dem dabei erzielten Stromfluss ins Netz bestimmt wird Dabei wird folgende Beziehung 
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   mit AU =   Uerh - Uo und   #Zoffs#   = Impedanzoffset als konstante Grosse verwendet   Erfindungsgemass   wird für das Messverfahren das 

    Wechselrichterprinzip   genutzt Die   Einspei-   sung von Wechselstromleistung in das Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU-Netz) wird durch Überhöhung der Netzspannung am Koppelpunkt (Einspeisepunkt) durch den Wechselrichter erzielt Dabei ist es zunachst unerheblich, auf welche Weise diese Überhöhung vom Wechselrichter erzeugt wird. Um einen bestimmten Wechselstrom in das Netz   emzupragen,   ist abhängig von der Netzimpedanz eine bestimmte Wechselspannungsuberhohung notwendig Die zu uberwachende Netzimpedanz ergibt sich aus der bereits oben angegebenen Beziehung. Der Impedanzoffset   #Zoffs#   repräsentiert eventuelle im Wechselrichter vorhandene Impedanzen, wie Netzfilter, Sicherungsautomaten, Zuleitungs- und Ubergangswiderstände.

   Dieser Offsetwert kann als konstante Grosse bei der Impedanzberechnung im Mikrorechner direkt berücksichtigt werden Aus Gründen der Fertigungstoleranz und bei vorhandener Einstellschnittstelle sollte eine Veränderung dieses Offsets möglich sein. 

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   Das erfindungsgemässe Messverfahren hat den Vorteil, dass die Netzimpedanzmessung kostengünstig ist, weil keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Darüber hinaus wird das EVU-Netz nicht belastet, da die zur Messung benötigte Energie gleichstromseitig entnommen wird Das erfindungsgemässe Verfahren kommt dabei ohne externe Schnittstellen als reine Firmware unmittelbar in der Wechselrichtersteuerung, d. h. mit dem dort verwendeten Mikrorechner, aus.

   Ferner ist das erfindungsgemässe Verfahren in vorteilhafter Weise vollkommen, unempfindlich gegen Netzstörungen am Sinusnulldurchgang (mehrfach Nulldurchgänge) hervorgerufen etwa durch Thynstorsteller oder andere getakte einspeisende Wechselrichter in der Nähe des Einspeisepunktes
Das eigentliche Problem besteht in der Bestimmung der effektiven Wechselspannungs- und Wechselstromwerte Da sich die Netzleerlaufspannung permanent entsprechend der Netzlast ver- ändert, kann diese nicht vor Beginn des Emspeisebetriebes des Wechselrichters einmalig gemessen werden, sondern muss laufend neu ermittelt werden.

   Dazu ist in vorteilhafter Weise das erfindungsgemässe Verfahren derartig weitergebildet, dass in der Ablaufsteuerung (Mikrorechner) des Wechselrichters ein wiederkehrender Impedanzmessvorgang implementiert ist, der die von der Netzbelastung abhängige, sich permanent ändernde Netzleerlaufspannung ermittelt, wobei für eine Netzvollwelle eine Netz-Spannungserhöhung durch eine gezielte Einspeisung ins Netz erfolgt und wobei innerhalb dieser   Überhöhungszeit   durch eine hohe Messwertabtastung echte Effektivwerte für die erhöhte Spannung und den Netzstrom bestimmt werden, wobei ferner für eine darauffolgende Netzvollwelle keine Netzspannungsüberhöhung durch Unterbindung des   Einspeisebetnebes   erfolgt und innerhalb dieser Vollwelle durch hohe Messwertabtastung ein echter Effektivwert für die Netz-Leerlaufspannung bestimmt wird,

   um die Netzimpedanz zu berechnen. So wird die Erkennung von unzulässigen Netzimpedanzwerten innerhalb von einer vorgegebenen bzw. vorgeschriebenen Zeit (max. 5s) sichergestellt Dieser Zyklus wird vor und während des laufenden Einspeisebetriebs des Wechselrichters ausgeführt und setzt sich aus den Teilen Netzbeeinflussung und gleichzeitiger Netzmessung zusammen. 



   Die Netzbeeinflussung besteht aus einer überhöhten Spannungsvollwelle und einer nicht überhöhten Netzspannungs-Vollwelle, das ist die Netzleerlaufspannung. Die überhöhte Vollwelle wird vom Wechselrichter wie im normalen Einspeisebetrieb erzeugt. Die nicht überhöhte Vollwelle entsteht durch einfaches Unterbinden der Einspeisung, so dass nur die Netzleerlaufspannung ansteht. 



   Bei der Netzmessung wird die überhöhte Wechselspannung in der ersten überhöhten Netzhalbwelle gemessen. Gleichzeitig wird der Wechselstrom gemessen. Die nicht überhöhte Netzleerlaufspannung wird in der ersten nicht überhöhten Netzhalbwelle gemessen. Eine Erfassung des Stroms kann entfallen, da durch die fehlende Überhöhung kein Speisestrom erzeugt wird Bei allen Messungen wird durch eine hohe Signal-Abtastrate ein echter RMS-Wert ermittelt, um möglichst viele Oberwellenanteile der Signale einzubinden
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während dieser beiden Netzvollwellen ein Triggersignal zu einem Überwachungsrechner bereitgestellt, der seinerseits redundant eine Netzimpedanzmessung ausfuhrt und aus der Wiederkehr dieses Triggersignales eine Uberwachungsfunktion realisiert,

   die bei Ausbleiben des Messzyklus eine Netztrennung vornimmt
Um eine Spannungsüberhöhung in dem vom Wechselrichter gespeisten Netz vornehmen zu konnen, muss DC-gleichstromseitig eine bestimmte Leistung zur Verfügung stehen, damit eine ausreichende Wechselspannungsüberhöhung und somit auch ein ausreichendes Nutzsignal erzeugt werden kann. 



   Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die gleichstromseitig in jedem Wechselrichter ohnehin vorhandenen Puffer-Kondensatoren als kurzzeitige Energiequelle verwendet werden, wobei durch eine Messpause, die zur Aufladung der Kondensatoren vorgesehen ist, auch bei geringer gleichstromseitig verfugbarer Energie eine ausreichende Netzspannungsuberhöhung erzielt wird Die Kondensatoren haben die Aufgabe, im normalen Wechselrichterbetrieb eine möglichst konstante Leistung aus der Gleichstromquelle (z B. Batterie, Generator usw ) zu entnehmen Diesen Puffer-Kondensatoren wird kurzzeitig Energie entnommen, um leistungsabhängig eine zusatzliche einmalige Wechselspannungsuberhöhung zu ermöglichen. Die für eine Vollwelle aus den Kondensatoren entnommene Energie wird in der anschliessenden "Ruhephase" von der Gleichstromquelle nachgeliefert. 



   Die Anzahl der Impedanzzyklen innerhalb der Zeitspanne von maximal 5s, sowie die Anzahl der überhöhten und nicht überhöhten Vollwellen kann je nach verfügbarer Gleichstromleistung und 

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 Puffer-Kondensator-Kapazität variiert werden. Zu beachten ist jedoch, dass der WechselrichterWirkungsgrad bei Erhöhung der Messzyklenzahl oder Verlängerung der Einspeisepause abnimmt. Die Reihenfolge Netz-Überhöhung und anschliessende Absenkung im Verfahrensteil Netzbeeinflussung hat sich als zweckmässig erwiesen. Sie kann auch umgekehrt werden, wobei jedoch eventuelle auftretende Magnetisierungseinflüsse des Wechselrichter-Transformators zu beachten sind. 



   Da der Netz-Impedanzwert direkt im Mikrorechner bereitsteht, kann dieser zu Netzanalysezwecken weiterverwendet werden. Bereits vorhandene Ausgabeschnittstellen (Display, parallele oder serielle Schnittstellen, Analogausgabe usw. ) können verwendet werden. Bei bereits vorhandenen Schnittstellen ist hierfür ebenfalls kein zusätzlicher Hardware-Aufwand nötig
Im folgenden wird anhand der Zeichnung das erfindungsgemässe Verfahren beschrieben Dabei zeigen Fig 1 einen Impedanzmesszyklus wahrend der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter und Fig 2 einen Impedanzmesszyklus vor Beginn der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter oder bei wenig verfugbarer Gleichstromleistung. 

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Claims (4)

1. In Fig 1 ist ein Impedanzmesszyklus wahrend der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter dargestellt. Über der Zeitachse t sind oben der Verlauf der Netzspannung Ueff am Einspeisepunkt des Wechselrichters und unten der Verlauf des effektiven Stroms I vom Wechselrichter ins Netz aufgetragen In der ersten und allen davorliegenden Netzvollwellen befindet sich der Wechselrichter durch eine geringfügige Anhebung der Spannung Uein im Speisebetneb, was einen entsprechenden Stromfluss lein zur Folge hat. In der zweiten Netzvollwelle hebt der Wechselrichter sprungartig das bisherige Spannungsniveau nochmals an, wobei die dafür notige Energie aus den gleichstromseitig ohnehin vorhandenen Pufferkondensatoren entnommen wird.

   Die Messung der Effektivwerte der erhöhten Netzspannung Uerh und dem ebenfalls nochmals gestiegenen Speisestrom lerh folgt in der ersten Halbwelle dieser Vollwelle, da abhangig von der PufferkondensatorKapazität die Uberhohung hier am grossten ist In der dritten Netzvollwelle unterbleibt die Spannungsuberhohung sprungartig, d h dass lediglich die Netzleerlaufspannung Uo vorhanden ist, was auch am fehlenden Speisestrom I ins Netz (1=0) erkennbar ist In der ersten Halbwelle dieser Vollwelle wird der Effektivwert der Leerlaufnetzspannung Uo gemessen In der vierten Netzvollwelle befindet sich der Wechselrichter wieder im Speisebetrieb, Ueff = Uein Dieser Zustand bleibt bestehen,

   bis durch die Ablaufsteuerung seitens des Mikrorechners ein neuer Messzyklus angestossen wird In der Fig 2 ist ein Impedanzmesszyklus vor Beginn der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter oder bei sehr wenig verfugbarer Gleichstromleistung dargestellt Über der Zeitachse t sind oben der Verlauf der Netzspannung Ueff am Einspeisepunkt des Wechselrichters und unten der Verlauf des Stroms leff vom Wechselrichter ins Netz aufgetragen. In der ersten und allen davorliegenden Netzvollwellen befindet sich der Wechselrichter nicht im Speisebetrieb.

   In der zweiten Netzvollwelle hebt der Wechselrichter sprunghaft das Leerlauf-Netzspannungsniveau Uo auf Uerh an, wobei die dafur benotigte Energie aus den gleichstromseitig ohnehin vorhandenen Pufferkondensatoren entnommen wird Die Messung der Effektivwerte der erhöhten Netzspannung Uerh und dem erzielten Speisestrom lerh erfolgt in der ersten Halbwelle dieser Vollwelle, da abhangig von der Pufferkondensator-Kapazität die Uberhohung hier am grossten ist In der dritten Netzvollwelle unterbleibt die Spannungsuberhohung wieder sprungartig, was auch am fehlenden Speisestrom ins Netz erkennbar ist In der ersten Halbwelle dieser Vollwelle wird der Effektivwert der Leerlaufnetzspannung Uo gemessen Ab der vierten Netzvollwelle verbleibt der Wechselnchtung im nichtspeisenden Betneb,

   bis durch die Ablaufsteuerung seitens des Mikrorechners ein neuer Messzyklus angestossen wird PATENTANSPRÜCHE: 1 Verfahren zur Messung der Netzimpedanz bei netzgekoppelten Wechselrichtern bzw Um- nchtern, welche von einem Mikrorechner gesteuert sind, dadurch h g e k e n n z e i c h - n e t , dass mit der Energieeinspeisung in das Netz des Energieversorgungsunternehmens eine kurzzeitige Spannungsuberhohung (AU) am Einspeisepunkt erfolgt und dass die Netz- impedanz (#Z#) aus der Messung der verursachten Spannungsüberhöhung (AU) gegen- uber der Netz-Leerlaufspannung (Uo) und dem dabei erzielten Stromfluss (lerh) ins Netz <Desc/Clms Page number 4> bestimmt wird.
2. 2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen in der Ablaufsteuerung (Mikrorechner) des Wechselrichters implementierten, in Abständen wie- derkehrenden Impedanzmessvorgang die von der Netzbelastung abhängige, sich perma- nent ändernde Netzleerlaufspannung (Uo) ermittelt wird, wobei für eine Netzvollwelle eine Netzspannungserhöhung (AU) durch eine gezielte Einspeisung ins Netz erfolgt und wobei innerhalb dieser Überhöhungszeit durch eine Messwertabtastung echte Effektivwerte für die erhöhte Spannung (Uerh) und den Netzstrom (lerh) bestimmt werden, wobei ferner für eine darauffolgende Netzvollwelle keine Netzspannungsüberhöhung durch Unterbindung des Einspeisebetriebs erfolgt und innerhalb dieser Vollwelle durch hohe Messwertabtastung ein echter Effektivwert für die Netz-Leerlaufspannung (Uo)

   bestimmt wird, um die Netzim- pedanz zu berechnen
3. 3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wahrend dieser bei- den Netzvollwellen ein Triggersignal zu einem Überwachungsrechner bereitgestellt wird, der seinerseits redundant eine Netzimpedanzmessung ausführt und aus der Wiederkehr dieses Triggersignals eine Überwachungsfunktion realisiert, die bei Ausbleiben des Mess- zyklus eine Netztrennung vornimmt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gleichstrom- seitig in jedem Wechselrichter ohnehin vorhandene Pufferkondensatoren als kurzzeitige Energiequelle verwendet werden, wobei durch eine Messpause, die zur Aufladung der Kondensatoren vorgesehen ist, auch bei geringer gleichstromseitig verfügbarer Energie eine ausreichende Netz-Spannungsuberhöhung erzielt wird HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN