AT513542A1 - Verfahren und Anordnung zur Datenkommunikation zwischen einem Wechselrichter und einer Netzüberwachungseinheit - Google Patents

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AT513542A1 ATA50517/2012A AT505172012A AT513542A1 AT 513542 A1 AT513542 A1 AT 513542A1 AT 505172012 A AT505172012 A AT 505172012A AT 513542 A1 AT513542 A1 AT 513542A1
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Abstract

Für eine einfache und zuverlässige Datenkommunikation in einer Anordnung aus einer Anzahlvon seriell verschaltetet Wechselrichtern (31, 32, ... 3n) und einer Netzüberwachungseinheit(5) ist vorgesehen, der an der elektrischen Last (4) anliegenden Netzspannung (VN)durch die Netzüberwachungseinheit (5) einen Synchronisationspuls (1 0) zu überlagern, derdurch die Wechselrichter (31, 32, ... 3n) zur zeitlichen Synchronsierung detektiert werdenkann.

Description

FO-3505 AT
Verfahren und Anordnung zur Datenkommunikation zwischen einem Wechselrichter und einer Netzüberwachungseinheit
Die gegenständliche Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Datenkommunikation zwischen einer an eine elektrische Last angeschlossenen Netzüberwachungseinheit und einer Anzahl von ausgangsseitig in Serie geschalteten Wechselrichtern, wobei die Wechselrichter und die Netzüberwachungseinheit zueinander zeitlich synchronisiert werden.
Photovoltaikanlagen umfassen in der Regel eine Anzahl von Solarpanelen, die in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung eine Gleichspannung gewisser Größe liefern. Diese Gleichspannung wird mit einem Wechselrichter in eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom gewandelt und in ein elektrisches Versorgungsnetz geliefert, oder an eine elektrische Last geschaltet, wie z.B. eine elektrische Maschine oder eine Batterieladestation. Dabei sind unterschiedliche Konfigurationen bekannt geworden. Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, bei der jedes Solarpanel einen eigenen Wechselrichter aufweist und die einzelnen Wechselrichter in Serie geschaltet sind, wobei die Summe der Ausgangsspannungen der Wechselrichter die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes oder der elektrischen Last ergibt. Eine solche Anordnung ist z.B. aus der GB 2 483 317 A bekannt. Darin wird auch ausgeführt, dass die einzelnen Wechselrichter synchron zueinander und zum Versorgungsnetz bzw. zur Last sein müssen. Dazu wird vorgeschlagen, mittels eines Sensors die Netzspannung auszuwerten, z.B. hinsichtlich Amplitude, Phase und Frequenz, und diese Information an Synchronisationseinheiten der einzelnen Wechselrichter zu senden. Dies kann über eigene Steuerleitungen erfolgen, oderauch mittels Powerline Kommunikation. Allerdings beschreibt die GB 2 483 317 A nicht, wie die Synchronisation im Detail erfolgen soll.
Die EP 1 483 819 B1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern elektrischer Geräte mittels Powerline Kommunikation. Dabei sind an ein Stromversorgungsnetz eine Anzahl von Teilnehmern angeschlossen, die untereinander kommunizieren und dazu untereinander synchronisiert sein müssen. Zur Synchronisation wird von den Teilnehmern der Nulldurchgang der Netzspannung verwendet, um ein Kanalraster mit einem Sende- und Empfangszyklus aufzubauen. Jeder Sende- und Empfangszyklus wird durch Nulldurchgänge der Netzspannung begrenzt. Dazu muss jeder Teilnehmer die Netzspannung auf deren Nulldurchgänge hin beobachten und dafür entsprechend ausgestattet sein. Diese Art der Synchronisation kann aber nur dann funktionieren, wenn die einzelnen Teilnehmer parallel an das Stromversorgungsnetz geschaltet sind. Dieses Powerline Kommunikationsverfahren würde daher nicht in einer Anordnung nach der GB 2 483 317 A funktionieren. 2/11
FO-3505 AT
Es ist nun eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit der eine einfache und zuverlässige Datenkommunikation in einer Anordnung aus einer Anzahl von seriell verschaltetet Wechselrichtern möglich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, in dem der an der elektrischen Last anliegenden Netzspannung durch die Netzüberwachungseinheit ein Synchronisationspuls überlagert wird, der durch die Wechselrichter zur zeitlichen Synchronsierung detektiertwird. Dieser Synchronisationspuls kann von allen seriell verschalteten Wechselrichtern detektiert werden, womit sich die Wechselrichter sehr einfach zur Datenkommunikation mit der Netzüberwachungseinheit synchronisieren können. Außerdem bilden die Synchronisationpulse definierte Zeitspannen, in denen ein beliebiges Kommunikationsprotokoll realisiert werden kann.
Besonders vorteilhaft werden zwischen zwei aufeinander folgende Synchronisationspulse zumindest zwei Datenkanäle vorgegebener zeitlicher Dauer ausgebildet. Die Datenkanäle können dann von den Wechselrichtern und von der Netzüberwachungseinheit gemäß dem Kommunikationsprotokoll genutzt werden.
Die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation kann verbessert werden, wenn zwischen dem Senden bzw. Detektieren des Synchronisationspulses und dem erstem Datenkanal eine vorgegebene Pulsdauer vorgesehen wird, sodass der Synchronisationspuls ausreichend abklin-gen kann, bevor Daten über die Leitung gesendet werden.
Der Synchronisationspuls wird vorteilhaft auf einen definierten, eindeutigen und leicht zu erfassenden Referenzpunkt der Netzspannung bezogen und nach einer vorgegebenen Verzögerungzeit nach diesem Referenzpunkt, vorzugsweise der Nulldurchgang oder Scheitelpunkt der Netzspannung, gesendet.
Die Verzögerungszeit kann vorteilhaft genutzt werden, um zusätzliche Daten von einem Wechselrichter an die Netzüberwachungseinheit, z.B. zum Signalisieren einer Notsituation eines Wechselrichters, oder umgekehrt, z.B. zur Adressierung eines Wechselrichters, zu senden. Auf diese Weise können weitere, für den Betrieb der Anlage wichtige Informationen auf einfache Weise übermittelt werden, ohne die Bandbreite der Datenkommunikation einzuschränken. Das Signalisieren einer Notsituation kann entsprechend auch eine Notabschaltung zur Folge haben, sodass die Sicherheit der Anlage und die Sicherheit für den Anwender erhöht wird.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4, die beispielhaft und schematisch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen, näher erläutert. Dabei zeigt 3/11
FO-3505 AT
Fig. 1 ein Blockschaltung einer Photovoltaikanlage an einer elektrischen Last,
Fig.2 die Netzspannung mit Synchronisationspulsen,
Fig.3 eine Vergrößerung davon und
Fig.4 eine Ausgestaltung einer Synchronisationseinheit.
Eine Photovoltaikanlage 1 umfasst eine Reihe von Photovoltaikmodulen 2i, 22, ... 2n. Jedes Photovoltaikmodul 2i, 22, ... 2n ist in an sich bekannterWeise mit einem zugehörigen Wechselrichter 3i, 32, ... 3n verbunden, der jeweils die Gleichspannung VDCi, VDC2, ... VDCn des Photovoltaikmoduls 2h 22, ... 2n in eine Wechselspannung VAci, VÄc2, ... VAcn am Ausgang des Wechselrichters 3!, 32, ... 3n wandelt. Die Wechselrichter 3i, 32, ... 3n sind über deren Ausgänge in Serie geschaltet, wobei die Summe der Wechselspannungen VACi, VAc2, ... VACn die Netzspannung VN des zu speisenden Versorgungsnetzes bzw. des zu versorgenden elektrischen Verbrauchers (allgemein als elektrische Last 4 bezeichnet) in Amplitude und Phase ergibt. Die Netzspannung VN wird in einer an die elektrische Last 4 angeschlossenen Netzüberwachungseinheit 5 überwacht. Die Netzüberwachungseinheit 5 ist dabei parallel an die in Serie geschalteten Wechselrichter 3i, 32, ... 3n angeschlossen. In der Netzüberwachungseinheit 5 ist weiters eine Synchronisationseinheit 6 angeordnet, die für die Synchron-sierung der einzelnen Wechselrichter 3i, 32, ... 3n auf die Netzspannung VN verantwortlich ist, wie unten im Detail noch ausgeführt wird. Dazu umfasst jeder Wechselrichter 3i, 32, ... 3n auch eine Steuereinheit 71, 72, ... 7„, der die Synchronisationsinformation der Synchronisationseinheit 6 auswertet und die Wechselrichter 3^ 32, ... 3n zur Synchronisierung auf die Netzspannung VN steuert.
Fig.2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Netzspannung VN. In einem vorgegebenen Zeitabstand td vom Nulldurchgang wird hier durch die Synchronisationseinheit 6 ein zeitlich kurzer Synchronisationspuls 10 (siehe Fig.3) erzeugt und der Netzspannung VN überlagert. Dieser Synchronisationspuls 10 kann aufgrund der seriellen Verschaltung der Wechselrichter 3^ 32, ... 3n durch jeden Wechselrichter 3^ 32, ... 3n bzw. durch die zugehörige Steuereinheit 7U 72, ... 7n detektiert werden und stellt daher eine eindeutige zeitliche Referenz dar, auf die sich die WechselrichterSi, 32, ... 3n synchronisieren können. Der Synchronisationspuls 10 kann dabei natürlich, mit oder ohne Verzögerung td, auch zu einem anderen eindeutigen Zeitpunkt der Netzspannung VN, z.B. am Scheitelpunkt der Netzspannung VN, gesendet werden. Für die Datenkommunikation werden hier beispielsweise zwei Datenkanäle definiert. Dazu wird nach der Detektion bzw. nach dem Senden des Synchronisationspulses 10 eine vorgegebene Pulsdauer tSp gewartet. Danach können für eine bestimmte Zeitdauer tN Daten von der Netzüberwachungseinheit 5 an die Wechselrichter 3i, 32, ... 3n gesendet werden. Das kann auch genutzt werden, um die Wechselrichter 3i, 32, ... 3n durch Steuersignale zentral von der Netzüberwachungseinheit 5 aus in Abhängigkeit vom Zustand der elektrischen Last 4/11
FO-3505 AT 4 zu steuern, z.B. durch Vorgabe von Spannungswerten VAc, Frequenz, Blindleistungs- sowie Wirkleistungsvorgaben, etc. Darauf folgt für die Zeitdauer t| ein zweiter Datenkanal, zum Senden von Daten, z.B. Statusdaten, Betriebsdaten, Daten für zentrales Monitoring, etc., von den Wechselrichtern 3i, 32, ... 3n an die Netzüberwachungseinheit 5. Ein Übertragungszyklus dauert hierbei eine Periode der Netzspannung VN.
Auf diese Weise kann eine ganze Welle oder eine Halbwelle der Netzspannung für die Datenkommunikation genutzt werden. Bei einer Netzfrequenz von 60Hz, wie in Nordamerika oder Asien üblich, ergibt sich damit eine Zeitspanne von ca. 16,7ms (ganze Welle) bzw. 8,35ms (Halbwelle) für die vorgesehenen Datenkanäle. Bei einer Netzfrequenz von 50Hz, wie in Europa üblich, ergibt sich eine Zeitspanne von 20ms.
Es ist aber auch eine Konfiguration denkbar, bei der mehrere solcher über die Wechselrichter 3i, 32, ... 3n seriell verschalteter Photovoltaikmodule 2h 22, ... 2n parallel zueinander und an die Netzüberwachungseinheit 5 bzw. die elektrische Last 4 geschaltet werden. Z.B. könnten drei Stränge mit jeweils zehn in Serie geschalteten Wechselrichtern parallel an die Netzüberwachungseinheit 5 bzw. die elektrische Last 4 geschaltet werden. Durch die Parallelschaltung wird der Synchronisationspuls 10 in jeden Strang aus in Serie geschalteten Wechselrichtern gesendet und kann dort zur Synchronisation von den Wechselrichter detektiert werden.
Selbstverständlich sind hier beliebe Adaptionen denkbar und möglich. Z.B. könnten mehr als zwei Datenkanäle implementiert werden oder ein Übertragungszyklus kann auch länger als eine Periode der Netzspannung VN sein. Für die Datenübertragung kann jedes beliebige geeignete Kommunikationsprotokoll implementiert werden. Zur physikalischen Umsetzung der Datenübertragung kann auf die hinlänglich bekannten Methoden der Powerline Kommunikation zurückgegriffen werden.
Ebenso könnte vorgesehen sein, dass auch einer der Wechselrichter 3^ 32, ... 3n bzw. die zugehörigen Steuereinheiten 7^, 72, ... 7n einen Synchronisationspuls 10 in Richtung Netzüberwachungseinheit 5 und/oder an die weiteren Wechselrichter 3^ 32, ... 3n senden können, auch asynchron, z.B. um eine Notsituation zu signalisieren odereinen gewissen notwendigen Eingriff der Netzüberwachungseinheit 5 auszulösen, z.B. ein Notaus der Photovoltaikanlage 1 oder ein Trennen der Photovoltaikanlage 1 von der elektrischen Last 4. Der Synchronisationspuls 10 in Richtung Netzüberwachungseinheit 5 könnte z.B. auch während der Verzögerungszeit td gesendet werden.
Ebenso könnten auch weitere Daten, z.B. eine Adressinformation zur Auswahl eines bestimmten Wechselrichters 3i, 32, ... 3n, während der Verzögerungszeit td gesendet werden. 5/11
FO-3505 AT
Auch könnte vorgesehen sein, dass einer der Wechselrichter 3^ 32, ... 3n die Funktion der Netzüberwachungseinheit 5 übernimmt, womit eine separate Netzüberwachungseinheit 5 eingespart werden könnte.
Der Synchronisationspuls 10 kann auf vielfältigste Weise erzeugt werden. Z.B. könnte zwi-5 sehen Phase und Nullleiter eine Impedanz 12 in Serie mit einem Schalter 11 geschaltet werden, wie in Fig.4 dargestellt. Bei geöffnetem Schalter 11 wird elektrische Energie in der Impedanz 12 gespeichert, die sich beim Schließen des Schalters 11 entlädt und einen Synchronisationspuls 10 erzeugt. Andere Möglichkeiten zur Erzeugung und zum Detektieren eines Synchronisationspulses 10 sind z.B. in der US 7,078.982 B2 beschrieben. 10 Vor allem bei einem Powerline Verfahren zur Datenkommunikation, bei dem ja das Datensignal dem Trägersignal (Netzspannung) überlagert wird, könnte aber auch das erste Bit der zu übertragenden Daten als Synchronisationspuls 10 verwendet und detektiert werden. Allgemein kann als Synchronisationspuls 10 auch ein spezieller Zeitpunkt wie der Beginn oder das Ende der Datenübertragung verwendet werden. 15 Anstelle der Übertragung des Synchronisationspulses 10 über die in Serie geschalteten
Ausgänge der Wechselrichter 3i, 32, ... 3n könnte zwischen Netzüberwachungseinheit 5 und den Wechselrichter 3i, 32, ... 3n auch eine eigene Steuerleitung für die Datenkommunikation vorgesehen sein. Der Synchronisationspuls 10 würde dann eben über die Steuerleitung an die Wechselrichter 3i, 32, ... 3n gesendet. 6/11

Claims (7)

  1. FO-3505 AT Patentansprüche 1. Verfahren zur Datenkommunikation zwischen einer an eine elektrische Last (4) angeschlossenen Netzüberwachungseinheit (5) und einer Anzahl von ausgangsseitig in Serie 5 geschalteten Wechselrichtern (3^ 32, ... 3n), wobei die Wechselrichter (3^ 32, ... 3n) und die Netzüberwachungseinheit (5) zueinander zeitlich synchronisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der an der elektrischen Last (4) anliegenden Netzspannung (VN) durch die Netzüberwachungseinheit (5) ein Synchronisationspuls (10) überlagert wird, der durch die Wechselrichter (3^ 32, ... 3n) zur zeitlichen Synchronsierung detektiertwird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei aufeinan der folgende Synchronisationspulse (10) zumindest zwei Datenkanäle vorgegebener zeitlicher Dauer (tN, t|) ausgebildet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Senden bzw. Detektieren des Synchronisationspulses (10) und dem erstem Datenkanal eine vorge- 15 gebene Pulsdauer (tsp) vorgesehen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisationspuls (10) nach einer vorgegebenen Verzögerungzeit (U) nach einem Referenzpunkt der Netzspannung (VN), vorzugsweise der Nulldurchgang oder Scheitelpunkt der Netzspannung (VN), gesendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verzöge rungszeit (td) Daten von einem Wechselrichter (3i, 32, ... 3n) an die Netzüberwachungseinheit (5), oder umgekehrt, gesendet werden.
  6. 6. Anordnung zur Datenkommunikation zwischen einer an eine elektrische Last (4) angeschlossenen Netzüberwachungseinheit (5) und einer Anzahl von ausgangsseitig in Serie 25 geschalteten Wechselrichtern (3^ 32, ... 3n), dadurch gekennzeichnet, dass in der Netzüberwachungseinheit (5) eine Synchronisationseinheit (6) zur Erzeugung eines der an der Last (4) anliegenden Netzspannung (VN) überlagerten Synchronisationspulses (10) vorgesehen ist und die Wechselrichter (3i, 32, ... 3n) konfiguriert sind, diesen Synchronisationspuls (10) zur zeitlichen Synchronisation mit der Netzüberwachungseinheit (5) zu detektieren.
  7. 7/11 30
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