AT501075B1 - Verfahren und wechselrichter zum einspeisen von wechselstrom in ein netz - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspeisen von Wechselstrom in ein Netz, bei welchem eine Gleichspannung mit Hilfe eines Wechselrichters in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz gewandelt wird und der Ausgang des Wechselrichters an dem Netz liegt.

Ebenso bezieht sich die Erfindung auf einen Wechselrichter zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung einer Gleichspannungsquelle in eine Ausgangswechselspannung mit Netzfrequenz, dessen Ausgang an Klemmen eines Wechselstromnetzes liegt, um Energie von der Gleichspannungsquelle in das Netz zu speisen.

Insbesondere bei sogenannten Alternativenergiequellen, wie Solar- oder Brennstoffzellen mit verhältnismäßig geringer Leistung im Kilowattbereich und darunter, werden elektronische Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Wegen der geringen Spitzenstromleistung zeigen solche Wechselrichter ein Stromquellenverhalten, d. h. es wird so geregelt, dass ein sinusförmiger Strom in das Netz gespeist wird.

Demgegenüber zeigen die Drehstromgeneratoren der Kraftwerke, die meist die Hauptenergielieferanten eines Netzes sind, das Verhalten von Spannungsquellen, die eine Sinusspannung mit Netzfrequenz in das Netz speisen.

Ein Netz samt seinen Verbrauchern zeigt - gesehen von den Einspeisungsquellen - kein rein ohm'sches Verhalten, vielmehr liegen kapazitive und induktive Komponenten vor. Darüber hinaus - und dies war Anlass für die vorliegende Erfindung- ist das Netz mit seinen Verbrauchern keine lineare Impedanz. Die Nichtlinearitäten bringen verzerrte Spannungen und Ströme und dementsprechend Harmonische der Netzfrequenz. Dies bedeutet, dass Generatoren, welche das Netz speisen, und ebenso Transformatoren auch Ströme mit mehrfacher Netzfrequenz, z. B. 150 Hz, liefern müssen. Dies ist z. B. bei Drehstromgeneratoren mit ihrem niedrigen Innenwiderstand möglich, doch führt dies zu zusätzlichen Verlusten in den Generatoren und Transformatoren, die für die Netzfrequenz, z. B. 50 Hz, dimensioniert sind. Es ist daher wünschenswert, diese zusätzlichen Verluste, die sich aus Kupferverlusten und aus Eisenverlusten in den Generatoren bei höheren Frequenzen ergeben, so gering wie möglich zu halten.

Die zusätzliche Energieeinspeisung aus einer großen Anzahl kleiner Wechselrichter von Solaranlagen oder Brennstoffzellen verstärkt jedoch das angesprochene Problem. Wie bereits erwähnt, speisen die Wechselrichter solcher Klein- oder Kleinst-Lieferanten einen sinusförmigen Strom mit Netzfrequenz in das Netz, sie decken daher den Bedarf des Netzes an Stromanteilen mit mehrfacher Netzfrequenz nicht ab. Dadurch werden aber die eigentlichen Kraftwerke mit ihren Drehstromgeneratoren im Bereich der Harmonischen noch mehr belastet, was den Wirkungsgrad der Generatoren weiter herabsetzt.

Zum Stand der Technik sei weiters angemerkt, dass die US 2003/0123268 A1 einen DC/AC-Wandler zeigt, bei dem die Ausgangsspannung des Wechselrichters gemessen wird.

Aus der WO 1995/16302 A1 geht ein digitaler Generator hervor, der das Quadrat eines Fehlersignals zur Erzeugung einer sinusförmigen Ausgangsspannung verwendet.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den weiter oben beschriebenen Problemen entgegenzuwirken, d. h. beim Einsatz kleiner Stromlieferanten mit Wechselspannungswandlern die Belastung der eigentlichen Kraftwerke mit Harmonischen zu verringern.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Klemmenspannung u(t) am Eingang des Wechselrichters gemessen wird und der Ausgangsstrom des Wechselrichters so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblickleistung Po.sin2(u)t) und der Klemmenspannung u(t) entspricht, somit i(t) = Po.sin2{u)t)/u(t). 3 AT 501 075 B1

Dank der Erfindung werden dem Netz Oberwellen des Speisestroms zugeführt, sodass die Kraftwerke weniger mit Oberwellen belastet werden.

Die Aufgabe wird in gleicher Weise mit einem Wechselrichter der gegenständlichen Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß dem Eingang zur Stromregelung das Ausgangssignal einer Rechenschaltung zugeführt wird, welche aus der gemessenen Klemmenspannung u(t) und einer vorgebbaren Sollleistung (Pson) ein Wechselstrom-Steuersignal (l(t).sinü)t) berechnet, sodass der Ausgangsstrom (i(t)) im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblicksleistung Po.sin2(cot) und der Klemmenspannung (u(t)) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(oot)/u(t).

Ein solcher Wechselrichter eignet sich in besonderem Maß zur Netzeinspeisung von Alternativenergiequellen, wie Solar- oder Brennstoffzellen.

Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die auch in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen • Fig. 1 schematisch ein Ersatzschaltbild eines Netzes, seiner Verbraucher und zweier Stromlieferanten und • Fig. 2 eine Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer möglichen Ansteuerungsschaltung eines Wechselrichters.

Gemäß Fig. 1 sollen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei diese Verbraucher insgesamt eine nicht lineare Impedanz X(t) darstellen, bei welchen der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom wie beispielsweise bei Halbleiterbandelementen nicht linear ist. Die Verbraucher werden von einem Versorgungsnetz NET gespeist, das hier durch ein Ersatzschaltbild, bestehend aus einer Wechselspannungsquelle G in Serie mit einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R dargestellt ist. Die Wechselspannungsquelle G kann wie üblich ein Drehstromgenerator oder Generatorenblock eines kalorischen Kraftwerkes oder eines Wasserkraftwerkes sein. Ein typischer Wert für den Leitungswiderstand R könnte im Bereich von Zehntel-Ohm liegen, jener für die Leitungsinduktivität L im Bereich von einem mH. Nicht eingezeichnet, da von geringerer Bedeutung, sind Leitungskapazitäten.

Die Verbraucher VER sollen weiters von Alternativenergiequellen oder Klein- bzw. Kleinstkraft-werken versorgt werden, welche Energie in Watt- bis Kilowattbereich in das Netz NET einspeisen. Dabei kann es sich z. B. um voltaische Solaranlagen oder Brennstoffzellen handeln, deren Gleichspannung UDc über einen Wechselrichter WER in das Netz zu den Verbrauchern VER gespeist wird.

Die Erfindung sieht nun eine besondere Art der Einspeisung durch die Wechselrichter vor, welche auch hier in bekannter Weise eine netzfrequente Wechselspannung u(t) und einen zugehörigen Wechselstrom i(t) liefern. Genauer gesagt wird der Ausgangsstrom i(t) des Wechselrichters WER so geregelt, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus der Augenblicksleistung Po.sin2(u)t) und der Klemmenspannung u(t) entspricht. Es soll somit gelten i(t) = Po.sin2 (u)t)/u(t).

Wenn der Ausgangsstrom i(t) des Wechselrichters auf diese Weise geregelt wird, können derartige Stromlieferanten dem Netz bzw. den Verbrauchern auch Oberwellen der Netzfrequenz zuführen, was zu einer geringeren Belastung der Drehstromgeneratoren mit unerwünschten Oberwellen führt. Dazu ist anzumerken, dass übliche Wechselrichter von in fragestehenden Klein/Kleinst-Stromversorgern de facto einen konstanten Strom in das Netz einspeisen.

Ausgehend von der erfindungsgemäß vorgesehenen Stromregelung stehen dem Fachmann viele Realisierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Eine beispielsweise Ausführung hierzu soll an Hand der Fig. 2 erläutert werden.

Claims (2)

1. 4 AT 501 075 B1 Wie Fig. 2 zeigt, wird ein Wechselrichter WER vorausgesetzt, bei welchem der Ausgangsstrom geregelt werden kann, was bei elektrischen Wechselrichtern bekannter Bauart problemlos möglich ist. Die Klemmenspannung u(t) des Wechselrichters WER wird mit Hilfe eines Spannungssensors SPS erfasst, welcher ein Signal k2.u(t) liefert. In der Ansteuerschaltung wird das Ausgangssignal sin(oot) einer Wechselspannungsquelle Q mit Hilfe eines Multiplizierers M1 multipliziert, welcher ein Signal der Form sin2(u>t) liefert. Dieses Signal wird in einem zweiten Multiplizierer M2 mit einem Leistungssollwert Ρ^, multipliziert und das erhaltene Signal gelangt an einen Eingang eines Addier- bzw. Subtrahiergleicher DIF, dessen Ausgangssignal AP(t) einem Regelverstärker REV zugeführt ist. Der Ausgang l(t) des Regelverstärkers REV gelangt an einen Eingang eines dritten Multiplizierers M3, dessen anderer Eingang das Ausgangssignal der Wechselspannungsquelle Q zugeführt ist. Das Signal l(t) sin(u)t) = ^ i(t) als Ausgangssignal des Multiplizierers M3 wird dem Stromeingang des Wechselrichters WER zugeführt. Außerdem gelangt dieses Signal und das bereits erwähnte Spannungssignal k2.u(t) an die beiden Eingänge eines vierten Multiplizierers M4, welcher die Istleistung Pist(t) ermittelt und einem Eingang des Addier- bzw. Subtrahierglei-chers DIF zugeführt. Das oben beschriebene Beispiel soll nun eine Realisierungsmöglichkeit beschreiben. Tatsächlich sind viele andere Lösungen möglich. Insbesondere kann die Regelung auch digital unter Verwendung eines Mikroprozessors erfolgen. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Einspeisen von Wechselstrom in ein Netz (NET), bei welchem eine Gleichspannung mit Hilfe eines Wechselrichters (WER) in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz gewandelt wird und der Ausgang des Wechselrichters an dem Netz liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmenspannung (u(t)) am Eingang des Wechselrichters gemessen wird und der Ausgangsstrom (i(t)) des Wechselrichters (WER) so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblickleistung Po.sin2(u)t) und der Klemmenspannung (u(t)) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(cot)/u(t).
2. 2. Wechselrichter (WER) zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (U0c) einer Gleichspannungsquelle in eine Ausgangswechselspannung (u(t)) mit Netzfrequenz, dessen Ausgang an Klemmen eines Wechselstromnetzes (NET) liegt, um Energie von der Gleichspannungsquelle in das Netz zu speisen, und welcher einen Eingang zur Stromregelung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang zur Stromregelung das Ausgangssignal einer Rechenschaltung (M1, M2, M3, M4) zugeführt wird, welche aus der gemessenen Klemmenspannung u(t) und einer vor-gebbaren Sollleistung (Pson) ein Wechselstrom-Steuersignal (l(t).sincot) berechnet, sodass der Ausgangsstrom (i(t)) im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblicksleistung Po.sin2(cot) und der Klemmenspannung (u(t)) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(u)t)/u(t). Hiezu 2 Blatt Zeichnungen