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Die Erfindung bezieht sich auf einen, eine Regel- und Steuereinheit aufweisenden, an ein 3 Phasen-Drehstromversorgungsnetz anschließbaren Wechselrichter, insbesondere zur Einspeisung von regenerativ erzeugter Energie und auf ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie sind vielfältig bekannt. Jeder Photovoltaikgenerator, im Folgenden auch PV-Generator genannt, erzeugt einen Gleichstrom, der mittels eines Wechselrichters in einen Wechselstrom umgewandelt wird. Als Wechselrichter können sowohl rein elektronische Geräte als auch elektromechanische Umformer eingesetzt werden. Unter Wechselrichter im Sinne vorliegender Erfindung sind dabei alle Vorrichtungen anzusehen, welche auf elektronischem Weg aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugen können. So erzeugen Windkraftanlagen zwar unmittelbar einen Wechselstrom, der aber über einen Frequenzumformer an die Verhältnisse des öffentlichen Versorgungsnetzes anzupassen ist. Diese Frequenzumformer umfassen ebenfalls Wechselrichter mit einem internen Gleichstromzwischenkreis auf die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
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Bisher sind Maßnahmen zur Einhaltung der Stabilität eines Versorgungsnetzes bekannt, die auf das Netz gleichmäßig einwirken. Hier wurde als Nachteil erkannt, dass eine gemeinsame Spannungsveränderung aller Phasen zwar für eine der Phasen erforderlich oder zumindest dienlich sein kann, um die Unterschreitung oder die Überschreitung eines Spannungsschwellwertes zu verhindern, während für eine andere Phase des Drehstromnetzes dies eventuell eher unerwünscht ist. Wird z. B. eine Spannungsanhebung bewirkt, um eine drohende Unterspannung an einer Stelle im Netz zu verhindern, so kann an einer anderen Stelle, an der momentan keine großen Verbraucher anliegen, diese Spannungserhöhung eher unerwünscht sein. Die Erfindung geht daher von der Überlegung aus, dass die Fähigkeit elektronischer Wechselrichter auf jede Phase getrennt einzuwirken, für einen Beitrag zur Spannungsstabilisierung genutzt werden kann. Diese Geräte haben aufgrund ihrer inhärent vorhandenen Bauteile, wie z. B. IGBT's, die Möglichkeit, einen VAr Beitrag phasenselektiv zu leisten. Es wird also eine ohnehin vorhandene Fähigkeit der Geräte zu einem weiteren Zweck genutzt.
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Entsprechend liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Stabilität in einer Versorgungsnetz durch eine Vergleichmäßigung der einzelnen Phasenspannungen zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird nach einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wechselrichter einen Steuereingang aufweist, über den sein Betriebsmodus bei Anliegen eines Steuersignals derart veränderlich ist, dass eine bezüglich der drei Phasen unsymmetrische Einspeisung in das Versorgungsnetz erfolgt. Nach einer zweiten Ausführungsform wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wechselrichter eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, mittels der sein Betriebsmodus eine bezüglich der drei Phasen unsymmetrische Einspeisung in das Versorgungsnetz ermöglicht.
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Unter unsymmetrisch wird dabei verstanden, dass die erzeugte Leistung und/oder Blindleistung des Photovoltaikgenerators durch den Wechselrichter ungleich auf die drei Phasen aufgeteilt wird. Das kann auch bedeuten, dass eine oder zwei Phasen nur mit einem geringen oder gar keinem Anteil der erzeugten Leistung bedacht wird/werden oder sogar Leistung aufnimmt/aufnehmen, während über mindestens eine andere Phase Leistung eingespeist wird. Die Erzeugung von Blindleistung ist dabei unabhängig von der Funktion des PV-Generators. Sie kann auch nachts stattfinden, wenn keine Sonneneinstrahlung und keine Leistung vorhanden ist.
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Bei einer Ermittlung aller drei Phasenspannungen L1, L2 und L3 ergeben sich zum Beispiel die Werte 230 Volt, 225 Volt und 228 Volt. Dies kann aus welchen Gründen auch immer der Fall sein, die in dem aktuell vorliegenden Verhalten von Verbrauchern begründet sind oder auch durch eine Vielzahl von unabhängig voneinander in das Netz einspeisende photovoltaische Dachanlagen. Dann dient es einer vorsorglichen Netzstabilisierung, wenn die schwächste Phase L2, die lediglich eine Phasenspannung von 225 Volt aufweist, gestärkt wird, indem in diese Phase die erzeugte Leistung über einen mit dem entsprechenden Steuereingang versehenen Wechselrichters eingespeist wird. Bei gravierenden Abweichungen kann der Wechselrichter auch freie Kapazitäten nutzen, um zur Spannungsanhebung Blindleistung in die Phase L2 einzuspeisen. Freie Kapazitäten des Wechselrichters liegen dann vor, wenn die momentan vorliegende Leistung des Photovoltaikgenerators unterhalb der Nennleistung des Wechselrichters liegt. Ist der Wechselrichter zum Beispiel auf 12 kVA ausgelegt, werden aber aufgrund der herrschenden Sonneneinstrahlung lediglich 7 KVA an Solarenergie generiert und in Wechselstrom gewandelt, so besitzt der betrachtete Wechselrichter eine freie Kapazität von 5 KVA, die zur Blindleistungseinspeisung (VAr) zur Verfügung stehen. Die 5 KVA entsprechen der Differenz der aktuell gelieferten Leistung zur Nennleistung des Wechselrichters. So wird der Blindleistungsbetrag auf die zur Erreichung der Nennleistung des Wechselrichters verbleibende Leistung beschränkt. Dadurch wird die vom Energieerzeuger selber generierte Energie nicht eingeschränkt oder reduziert. Die freie Leistungskapazität des Wechselrichters wird lediglich zur Erfüllung einer weiterer Funktion, nämlich die des Phasenschiebers oder Blindleistungslieferanten herangezogen. Üblicherweise ist der Betrag an VAr kleiner als der oben als Differenzbetrag errechnete VA Wert von 5 kVA.
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Über ein entsprechendes Steuersignal, das an den Steuereingang gelegt ist, wird die Anforderung dann umgesetzt. Dabei ist es unerheblich, ob an den Steuereingang lediglich die gemessenen Phasenspannungen gegeben werden, die dann von einer Recheneinheit im Wechselrichter zu einem Einspeisemodus umgesetzt werden, oder ob am Steuereingang direkt der geeignete Einspeisemodus eingegeben wird, den der Wechselrichter lediglich noch umsetzt.
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Es kann zwischen vier grundsätzlichen Betriebsmodi unterschieden werden:
- i) der Standardbetriebsmodus hin zu einem Punkt maximal erzeugbarer Leistung wird beibehalten und die photovoltaisch erzeugte Leistung wird unsymmetrisch auf die drei Phasen verteilt;
- ii) es wird ein Betriebsmodus hin zu einem Punkt maximal erzeugbarer Blindleistung eingestellt, die unsymmetrisch auf die drei Phasen verteilt wird;
- iii) der Standardbetriebsmodus hin zu einem Punkt maximal erzeugbarer Leistung wird vorrangig beibehalten, und zusätzlich wird freie Kapazität des Wechselrichters genutzt, um Blindleistung unsymmetrisch in die drei Phasen einzuspeisen oder unsymmetrisch von den drei Phasen zu beziehen; und
- iv) der Standardbetriebsmodus hin zu dem maximalen Leistungspunkt wird ausgesetzt und durch einen Betriebsmodus ersetzt, bei dem in Abhängigkeit von dem Steuersignal ein vorgebbarer Betrag an Blindleistung in zumindest eine der drei Phasen eingespeist oder aus einer der drei Phasen bezogen wird.
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Der Standardbetriebsmodus hin zu dem Punkt maximaler Leistung ist an sich sattsam bekannt und es soll darauf hier nicht weiter eingegangen werden. Wichtig ist es für das Ziel vorliegenden Wechselrichters, dass er ein Steuersignal in eine unsymmetrische Verteilung seiner Leistung umsetzen kann und/oder das seine elektronischen Komponenten über das Steuersignal so beeinflusst werden, dass zusätzlich Blindleistung generiert werden kann.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zum Betrieb des Wechselrichters dadurch gelöst, dass die Spannung von allen drei Phasen an einem beliebigen Netzverknüpfungspunkt im Versorgungsnetz, insbesondere an dem Netzverknüpfungspunkt, der den Wechselrichter mit dem Versorgungsnetz verbindet, gemessen wird, und dass das Steuersignal unter Zuhilfenahme der drei Spannungsmesswerte gebildet wird.
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Unter dem Begriff Netzverknüpfunspunkt wird üblicherweise die Position der Zählstelle zwischen dem Verbraucher und dem Netz, sowie dem Einspeiser und dem Netz verstanden. Im Sinne vorliegender Erfindung wird darüber hinaus auch jede Position innerhalb des öffentlichen Versorgungsnetzes sowie des Netzes der Verbraucher und der Einspeiser, an denen die Spannungsmessung vorgenommen wird, verstanden.
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Die Wahl des Messpunktes in unmittelbarer Nähe des Wechselrichters bedeutet eine spontane Korrekturmöglichkeit der drei Phasenspannungen am Ort der Maßnahme. Neben diesem Ort sind alle Netzverknüpfungspunkte besonders geeignet, an denen eine hohe Spannungssensibilität herrscht. Das bedeutet, dass ein besonders geeigneter Ort für die Platzierung der Spannungsmessvorrichtung am Ende einer Stichleitung oder in Bezug zu einem eine Ringleitung speisenden Netztransformator in der Mitte der Ringleitung oder bei mehreren einspeisenden Transformatoren in deren Nähe ist. Dort befinden sich die Verbraucher, die in der normalen Bezugsrichtung des Netzes die niedrigste Netzspannung mit der größten Differenz ihrer Phasenspannungen zur Verfügung haben, insbesondere wenn einer der Transformatoren ausfällt, z. B. wegen Wartungsarbeiten. Aufgrund der vor ihnen liegenden anderen Verbraucher, die alle einen marginalen Spannungsabfall bewirken, ist dort die verfügbare Spannung in der Regel am niedrigsten, es sei denn ein Energielieferant ist in der Nähe. Am Ende einer Stichleitung und in Bezug zu einem eine Ringleitung speisenden Netztransformator in der Mitte der Ringleitung sind dabei relativ zu sehen. Ist zum Beispiel eine Stichleitung mit 200 Anknüpfungspunkten gegeben, so ist das Ende als ein Anknüpfungspunkt von den letzten 10%, also einer der letzten 20 Anknüpfungspunkte zu sehen. Analog wären bei einer Ringleitung von 200 Anknüpfungspunkten die jeweils 10 links und rechts der Transformator-Verknüpfungspunkte liegenden Anknüpfungspunkte zu sehen.
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Es wird generell der spannungssensibelste Netzverknüpfungspunkt insbesondere unter der Hypothese eines Transformatorausfalls gewählt. Dies kann auch eine andere Stelle sein, wenn dort z. B. ein Verbraucher ist, der schwere Maschinen mit hohem Anlaufstrom betreibt, die öfter am Tag an und abgeschaltet werden. Eine Alternative ist es, dass der Verbraucher mit der höchsten Schwankungsbreite beim Blindleistungsbezug ermittelt wird, und dass die Messung des Spannungswerts am Netzverknüpfungspunkt dieses Verbrauchers erfolgt. Generell kann dazu ausgeführt werden, dass der spannungssensibelste Punkt geprägt ist durch die höchste Spannungsvariation in Bezug zu einer einspeisenden oder zu beziehenden Leistung P. Ferner kann die Spannungsvariation durch einen prozentualen Veränderungsbetrag und nicht durch die absoluten betrachteten Spannungswerte definiert werden. Dies ist bei Vorliegen einer Ringleitung meist in der Mitte in Bezug zum Transformator zum nächst höheren Netz, das heißt an der Stelle, an der in beiden Richtungen die gleiche Entfernung zum Transformator besteht, der Fall.
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Daraus folgt, dass zur Bildung des Steuersignals die Spannungsmessung von mindestens zwei Phasen an dem Verknüpfungspunkt eines Transformators besonders geeignet ist. Zusätzlich sollte der Strom durch mindestens einen der Transformatorausgänge gemessen und verwendet werden, um in die Berechnung des Steuersignals einzugehen.
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Wie bereits erwähnt ist es von Nutzen, wenn die Betriebsführung des Wechselrichters durch die ihm inhärente Regeleinrichtung auf den maximalen Leistungspunkt MPP des Photovoltaikgenerators oder der Windkraftanlage beibehalten wird und er zusätzlich eine Blindleistungsmenge in die Versorgungsebene einspeist oder aus ihr bezieht, die maximal der Differenz der aktuell gelieferten Leistung zur Nennleistung des Wechselrichters entspricht.
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Die Betriebsführung des Wechselrichters sieht so aus, dass eine gemessene Phasenspannung unterhalb eines Schwellwerts zu einer Einspeisung von Blindleistung in diese Phase seitens des Wechselrichters führt, und eine drohende Überspannung einer Phase, z. B. bei Erreichen eines oberen Schwellwerts, zu einem Bezug von Blindleistung aus gezielt dieser Phase durch den mindestens einen Wechselrichter führt.
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Bei einigen Energieversorgern kann es vorgeschrieben sein, dass ein festes Verhältnis von Leistung zu Blindleistung, also entsprechend ein fester cos phi Wert, beibehalten wird. Dann ist es sinnvoll, um einen höheren Bezug oder eine höhere Lieferung an Blindleistung an eine ausgewählte Phase zu beziehen oder liefern zu können, die abgegebene Leistung P an der betreffenden Phase zu erhöhen. Damit wird dann auch über den festen cos phi Wert die Blindleistung an dieser ausgewählten Phase entsprechend verändert.
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Die unsymmetrische Verteilung kann so weit gehen, dass auch die Richtung der Blindleistungserzeugung von Phase zu Phase variieren kann. So kann es zweckmäßig sein, zumindest bei einer der drei Phasen Blindleistung bezogen wird, während gleichzeitig an eine andere Phase Blindleistung geliefert wird. Dies kann beliebig modifiziert werden, in dem z. B. an zwei Phasen Blindleistung geliefert wird und von der dritten Phase Blindleistung bezogen wird oder, es wird von zwei Phasen Blindleistung bezogen und an die dritte Phase geliefert usw. Dies bedeutet die Schaffung der Möglichkeiten: i) dass zumindest bei einer der drei Phasen Blindleistung oder Leistung bezogen wird, während gleichzeitig an eine andere Phase Blindleistung oder Leistung geliefert wird und ii) dass die Leistungsrichtung zumindest einer Phase von der Leistungsrichtung zumindest einer anderen Phase abweicht, während gleichzeitig auf zumindest einer Phase Blindleistung bezogen wird und zumindest an einer anderen Phase Blindleistung geliefert wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur, die eine schematische Übersicht einer Photovoltaikanlage mit einem Wechselrichter gemäß der Erfindung zeigt.
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In der Figur ist ein Dreileiterstromversorgungssystem mit den Leitern L1, L2, L3 gezeigt, die alle drei an eine Messstelle 1 angeschlossen sind, mit deren Hilfe zumindest die anliegende Spannung an den einzelnen Phasen L1, L2, L3 gemessen wird. Auch denkbar ist hier bei gewissen Fällen zusätzlich den Stromwert durch die Leiter zu ermitteln, um eventuell eine Überbelastung eines Leiters zu erkennen, und dann z. B. die eigene Einspeiseleistung auf nicht voll ausgelastete Leiter zu lenken. Hierbei kann es z. B. bei Abgriffen von Transformatoren oder Kabeln zweckmäßig sein, nur den Strom und nicht die Spannung zu messen. Die ermittelten Messwerte werden an eine Regel- und Steuereinheit 3 weitergeleitet, die unter anderem auch die Regeleinheit für die Einstellung des Punktes maximaler Leistung MPP umfasst.
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Eine Photovoltaikgenerator 5 ist als regenerativer Energieerzeuger vorgesehen. Die Photovoltaikgenerator 5 erzeugt einen Gleichstrom, der mittels nicht gezeigter elektrischer Zuleitungen zu einer Gleichstromschiene 7, geführt wird. Die Gleichstromschiene 7 liegt in einem Wechselrichter 9, dessen Wechselspannungsseite mit den drei Phasen L, L2, L3 verbunden ist. Die eigentliche Umrichtung des erzeugten Gleichstroms geschieht für jede Phase getrennt mittels elektronischer Bauelemente, zurzeit bevorzugt mit IGBTs. Dies ist durch drei Wechselrichtersymbole 11a, 11b, 11c innerhalb des Wechselrichters 9 angedeutet. Von der Regel- und Steuereinheit 3 führen drei getrennte Signalleitungen S1, S2 und S3 zu den drei IGBT-Blöcken, die mit den Wechselrichtersymbolen 11a, 11b und 11c bezeichnet sind. Über diese Signalleitungen S1, S2 und S3 werden die IGBTs so angesteuert, dass sie die durch die Regel- und Steuereinheit 3 errechneten Einstellungen in Abhängigkeit der Spannungsmesswerte vornehmen. Der Übersichtlichkeit halber sind der Wechselrichter 9 und die Regel- und Steuereinheit 3 getrennt voneinander gezeichnet. In der Realität ist die Regel- und Steuereinheit 3 mit dem MPP-Glied in den Wechselrichter 9 integriert. Es liegt also ein Wechselrichter 9 vor, dessen Regel- und Steuereinheit 3 zusätzlich das beschriebene phasenselektive Blindleistungsmanagement übernimmt.
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Im Betrieb wird der Wechselrichter 9 folgendermaßen eingesetzt. Um ein zur Illustration der Erfindung prägnantes Zahlenbeispiel zu nennen, sollen sich die drei Phasenspannungen L1, L2 und L3 mit den Werten 230 Volt, 235 Volt und 227 Volt ergeben. Dies kann aus welchen Gründen auch immer der Fall sein, die in dem aktuell vorliegenden Verhalten von Verbrauchern begründet sind oder auch durch eine Vielzahl von unabhängig voneinander in das Netz einspeisende photovoltaische Dachanlagen. Dieser Sachverhalt wird von der Messstelle 3 ermittelt und an die Regel- und Steuereinrichtung 3 übermittelt. Diese ist so programmiert, dass sie z. B. eine maximale Spannungsdifferenz zwischen den Phasen L1, L2 und L3 von 4 Volt akzeptiert, wobei die Phasenspannung in einer vorgebbaren Bandbreite, hier 228 Volt bis 232 Volt, liegen sollte. Das Kriterium, hier die 4 Volt, kann beliebig nach den Bedürfnissen des Energieversorgers und Netzbetreibers festgelegt werden. Es können auch andere Kriterien, wie die absolute Spannung der drei Phasen L1, L2 und L3 herangezogen werden, ohne auf den Differenzwert der Spannung zwischen den Phasen Rücksicht zu nehmen.
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Die Anforderungen an das Netz können sich auch verändern, weswegen eine zweite Ausführungsform der Erfindung vorsieht, die Regel- und Steuereinheit 3 mit einem Einstelleingang E zu versehen. Über den Einstelleingang E wird dem Wechselrichter 9 von einer Leitwarte aus (nicht gezeigt) das aktuell erforderliche Kriterium übermittelt, was z. B. die aktuell erforderlichen Sollwerte für die drei Phasenspannungen L1, L2 und L3 sein können.
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Um bei dem zuvor genannten Zahlenbeispiel zu bleiben, legt die Regel- und Steuereinheit aufgrund der gemessenen Spannungswerte fest, dass die Phase L1 unverändert bleiben soll, dass die Phase L2 durch einen Blindleistungsbezug in ihrer Spannung um wenigstens 3 Volt zu reduzieren ist und dass die Phase L3 durch eine Blindleistungslieferung um ein Volt zu stärken ist. Nach erfolgter Einstellung der beteiligten IGBTs ergibt sich dann ein Spannungsbild für die drei Phasen von L1 = 230 Volt, L2 gleich 232 Volt und L3 gleich 228 Volt. Bei gravierenden Abweichungen kann der Wechselrichter neben der unsymmetrischen Verteilung der vom PV-Generator 5 erzeugten Leistung auch freie Kapazitäten nutzen, um zur Spannungsanhebung Blindleistung in die Phase L3 einzuspeisen und zur Spannungssenkung Blindleistung aus der Phase L2 zu beziehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messstelle
- 3
- Regel- und Steuereinheit
- 5
- PV-Generator
- 7
- Gleichstromschiene
- 9
- Wechselrichter
- 11a–11c
- Wechselrichtersymbol
- E
- Einstelleingang
- L1, L2, L3
- Phase
- S2, S2, S3
- Signaleingang
