Verfahren zur Messung der Netzimpedanz bei netzgekoppelten Wechselrichtern.
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 1 035 760 ist ein Gerät zur Bestimmung der Kurzschluss-Stromstärke in elekt-rischen Leitungsnetzen bekannt, bei dem ein Netzbelastungswiderstand für eine kurzzeitige Netzspannungsabsenkung dient und bei dem die Differenzspannung aus der Netzspannung bei Ein- und Abschaltung des Widerstandes ein Kriterium für die gesuchte Grösse ist. Ein Synchronschalter schaltet den Widerstand mit einer von den Netzperioden 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 Belastungswiderstand kann wahlweise ein ohmscher oder ein Blindwiderstand sein.
Wechselrichter wandeln eingangsseitig verfügbare Gleichstromleistung in ausgangsseitige Wechselstromleistung um. Netzgekoppelte Wechselrichter arbeiten dabei wechselstromseitig phasensynchron zum öffentlichen Netz des Energieversorgungsunternehmens und speisen die gleichstromseitig verfügbare Lei stung 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 Netzüberwachung mit jeweils zugeordnetem Schaltorgan, abgekürzt geschrieben ENS, vorgesehen. Diese Netzüberwachung, bestehend aus Netzfrequenz-, Netzspannungs- und Netzimpedanzmessung hat die Aufgabe, bei unzulässigen Messwerten den Wechselrichter vom Netz zu trennen. Damit wird erreicht, dass personengefährdende Netzzustände vermieden werden.
In der DE 3 513 247 A1 oder in der DE 2 449 016 C2 ist ein Verfahren beschrieben, welches den Schleifenwiderstand 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 Nulldurchgängen 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 benötigen 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 zusätzliche Hardware-Komponenten ein Verfahren für eine Netzimpedanzmessung anzugeben, ohne dabei das Netz zu belasten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass mit einer Energieeinspeisung an einem Einspeisepunkt in ein EVU-Netz eine kurzzeitige Netzspannungsüberhöhung DELTA U am Einspeisepunkt erfolgt und dass aus der Messung der verursachten Netzspannungsüberhöhung DELTA U auf eine erhöhte Spannung Uerh gegenüber der Netz-Leerlaufspannung Uo und dem dabei erzielten Netzstrom Ierh als Stromfluss ins EVU-Netz die Netzimpedanz <SEP>Z<SEP> gemäss folgender Beziehung:
<SEP>Z<SEP> = ( DELTA U/Ierh) - <SEP>Zoffs<SEP>,
mit DELTA U = Uerh - Uo
und <SEP>Zoffs<SEP> = Impedanzoffset als konstante Grösse, berechnet wird.
Erfindungsgemäss wird für das Messverfahren das Wechselrichterprinzip genutzt. Die Einspeisung von Wechselstromleistung in das Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU-Netz) wird durch Überhöhung der Netzspannung am Koppelpunkt (Einspeisepunkt) durch den Wechselrichter erzielt. Dabei ist es zunächst unerheblich, auf welche Weise diese Überhöhung vom Wechselrichter erzeugt, wird. Um einen bestimmten Wechselstrom in das Netz einzuprägen, ist abhängig von der Netzimpedanz eine bestimmte Wechselspannungsüberhöhung not wendig. Die zu überwachende Netzimpedanz ergibt sich aus der bereits oben angegebenen Beziehung. Der Impedanzoffset <SEP>Zoffs<SEP> repräsentiert eventuelle im Wechselrichter vorhandene Impedanzen, wie Netzfilter, Sicherungsautomaten, Zuleitungs- und Übergangswiderstände.
Dieser Offsetwert kann als kons-tante Grösse bei der Impedanzberechnung im Mikrorechner direkt berücksichtigt werden. Aus Gründen der Fertigungstoleranz und bei vorhandener Einstellschnittstelle sollte eine Veränderung dieses Offsets möglich sein.
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 Thyristorsteller 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 verändert, kann diese nicht vor Beginn des Einspeisebetriebes 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 des Wechselrichters ein wiederkehrender Impedanzmesszyklus implementiert ist, der die Erkennung von unzulässigen Netzimpedanzwerten innerhalb von einer vorgegebenen bzw. vorgeschriebenen Zeit (max. 5 s) sicherstellt. 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 Spannungs-Vollwelle 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, sodass 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 TRMS-Wert (TRMS = True Root Mean Square, echter durch Quadrierung, Mittelung und Wurzelziehung gebildeter Wert) ermittelt, um möglichst viele Oberwellenanteile der Signale einzubinden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird, während der Zyklus abläuft, an einem Triggerausgang des Haupt-Mikrorechners ein Signal abgegeben, welches dazu verwendet wird, in einem zweiten, parallel vorgesehenen Überwachungsrechner ebenfalls eine Netzmessung auszulösen. In diesem Überwachungsrechner ist ein Watchdogmechanismus realisiert, der bei Ausbleiben des Triggersignals für eine bestimmte Mindestzeit (Timeout) von sich aus eine Netztrennung über das nur ihm zugeordnete Netztrennrelais vornimmt.
Um eine Spannungsüberhöhung in dem vom Wechselrichter gespeisten Netz vornehmen zu können, 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 verwendet werden. Diese 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 zusätzliche einmalige Wechselspannungsüberhöhung 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 5 s, sowie die Anzahl der überhöhten und nicht überhöhten Vollwellen kann je nach verfügbarer Gleichstromleistung und Puffer-Kondensator-Kapazität variiert werden. Zu beachten ist -jedoch, dass der Wechselrichter-Wirkungsgrad 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 während der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter und
Fig. 2 einen Impedanzmesszyklus vor Beginn der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter oder bei wenig verfügbarer Gleichstromleistung.
In Fig. 1 ist ein Impedanzmesszyklus während 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 davor liegenden Netzvollwellen befindet sich der Wechselrichter durch eine geringfügige Anhebung der Spannung Uein im Speisebetrieb, was einen entsprechenden Stromfluss Iein zur Folge hat. In der zweiten Netzvollwelle hebt der Wechselrichter sprungartig das bisherige Spannungsniveau nochmals an, wobei die dafür nötige Energie aus den gleichstromseitig ohnehin vorhandenen Pufferkondensatoren entnommen wird.
Die Messung der Effektivwerte der erhöhten Netzspannung Uerh und dem ebenfalls nochmals gestiegenen Speisestrom Ierh folgt in der ersten Halbwelle dieser Vollwelle, da abhängig von der Pufferkondensator-Kapazität die Überhöhung hier am grössten ist.
In der dritten Netzvollwelle unterbleibt die Spannungsüberhöhung sprungartig, d.h. dass lediglich die Netzleerlaufspannung Uo vorhanden ist, was auch am fehlenden Speisestrom I ins Netz (I = 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 verfügbarer Gleichstromleistung dargestellt. Über der Zeitachse t sind oben der Verlauf der Netzspannung Ueff am Einspeisepunkt des Wechselrichters und unten der Verlauf des Stroms Ieff vom Wechselrichter ins Netz aufgetragen. In der ersten und allen davor liegenden 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 dafür benötigte Energie aus den gleichstromseitig ohnehin vorhandenen Pufferkondensatoren entnommen wird.
Die Messung der Effektivwerte der erhöhten Netzspannung Uerh und dem erzielten Speisestrom Ierh erfolgt in der ersten Halbwelle dieser Vollwelle, da abhängig von der Pufferkondensator-Kapazität die Überhöhung hier am grössten ist.
In der dritten Netzvollwelle unterbleibt die Spannungsüberhöhung 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 Wechselrichtung im nichtspeisenden Betrieb, bis durch die Ablaufsteuerung seitens des Mikrorechners ein neuer Messzyklus angestossen wird.