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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, der zur Einspeisung von elektrischer Energie über einen Transformator an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen zur Durchführung des Betriebsverfahrens geeigneten Wechselrichter.
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Wechselrichter dienen der Umwandlung von Gleichstrom in einen zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz geeigneten, netzkonformen Wechselstrom. Derartige Wechselrichter finden beispielsweise in Photovoltaikanlagen Verwendung. Falls eine galvanische Trennung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter gewünscht oder aufgrund von Richtlinien und gesetzlichen Bestimmungen für bestimmte Energieversorgungsnetze auch gefordert ist, ist zwischen einem Wechselstromausgang des Wechselrichters und dem Energieversorgungsnetz der eingangs genannte Transformator angeordnet. Insbesondere bei größeren Photovoltaikanlagen, die unmittelbar an ein Mittelspannungsnetz angeschlossen werden, ist die Verwendung von Transformatoren unerlässlich. Dabei ist zudem üblicherweise gefordert, dass die Photovoltaikanlage wirksam geerdet sein muss, beispielsweise gemäß der normativen Vorgabe „IEEE 142 – Grounding of Industrial and Commercial Power Systems". Technisch geeignet und kostengünstig umzusetzen ist eine solche geforderte effektive Erdung durch die Verwendung eines sogenannten YNd-Transformators, da ein solcher Transformator keinen Pfad für etwaige Fehlerströme von der Mittelspannungsseite zur Photovoltaikanlagenseite aufweist. In einigen Fällen ist die Verwendung eines derartigen YNd-Transformators von Betreibern des Energieversorgungsnetzes auch explizit vorgegeben.
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Eine weitere Anforderung an Photovoltaikanlagen ist gemäß IEEE 1547-2003, Sektion 4.2.1, dass Fehlerzustände des Energieversorgungsnetzes innerhalb der Photovoltaikanlage detektiert werden können und sich die Photovoltaikanlage nach einer Erkennung bestimmter Fehlerzustände vom Netz trennt. Ein in dieser Hinsicht relevanter Fehlerzustand ist gemäß der Vorschrift IEEE 1547-2003, Sektion 4.2.3 insbesondere auch ein einphasiger Phasenverlust, also eine Unterbrechung zwischen der Photovoltaikanlage und dem Energieversorgungsnetzes bzw. innerhalb des Energieversorgungsnetzes auf einer von üblicherweise drei Phasen.
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Zur Einspeisung von elektrischer Energie in das Energieversorgungsnetz werden Leistungsschalter einer Ausgangsstufe, meist Ausgangsbrücke, des Wechselrichters in einem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM-Verfahren) angesteuert. Dazu werden Ausgangsströme und Ausgangsspannungen sowie deren Grundfrequenz erfasst. In Abhängigkeit von einer Differenz zwischen Soll- und Istwerten der Ausgangsströme werden Stellwerte für die Ausgangsströme ermittelt. Alternativ wird bei sogenannten spannungsgeregelten Wechselrichtern eine Differenz zwischen Soll- und Istwerten der Ausgangsspannungen gebildet und Stellwerte für die Ausgangsspannungen ermittelt. Aus den Stellwerten für die Ausgangsströme bzw. die Ausgangsspannungen werden pulsweitmodulierte Steuersignale für die Leistungsschalter des Wechselrichters erzeugt und die Leistungsschalter entsprechend anhand der Steuersignale getaktet.
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Abhängig von der Art des zwischen Wechselrichter und Energieversorgungsnetz verwendeten Transformators werden bestimmte Fehlerzustände des Energieversorgungsnetzes auf das wechselrichterseitige Wechselspannungsnetz der Photovoltaikanlage abgebildet und können dort detektiert und ggf. berücksichtigt werden. Bei den genannten YNd-Transformatoren spiegeln sich jedoch gerade einphasige Phasenverluste des Energieversorgungsnetzes auf der Wechselspannungsseite jenseits des Transformators, d.h. innerhalb der Photovoltaikanlage nicht wieder. Bei anderen Transformatortypen, beispielsweise den sogenannten YNy-Transformatoren wird ein Phasenverlust aufseiten der Photovoltaikanlage abgebildet und kann von bekannten Betriebsverfahren des Wechselrichters erkannt und berücksichtigt werden. Bei diesem Transformatortyp ist allerdings die eingangs genannte Voraussetzung der effektiven Erdung nicht gegeben.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen über einen Transformator galvanisch getrennt mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Wechselrichter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ein einphasiger Phasenverlust des Energieversorgungsnetzes schnell und zuverlässig erkannt wird. Es ist eine weitere Aufgabe, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Wechselrichter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters bzw. einen Wechselrichter mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters ist dieser zur Einspeisung von elektrischer Energie über einen Transformator an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen, wobei Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Wechselrichters erfasst werden und Leistungsschalter des Wechselrichters anhand von Steuersignalen geschaltet werden, wobei die Steuersignale in Abhängigkeit von den Ausgangsströmen und Ausgangsspannungen bei einer Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes erzeugt werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuersignale zusätzlich mittels eines Regelkreises mit positiver Rückkopplung in Abhängigkeit von Oberschwingungen der Ausgangsspannungen des Wechselrichters mit einem Vielfachen der Grundfrequenz erzeugt werden. Wenn Oberschwingungen im Regelkreis zur Erzeugung der Steuersignale positiv verstärkt werden, führt dieses zu einem instabilen Verhalten („Aufschaukeln“) des Regelkreises und damit zu einem Ansteigen der Ausgangsströme der Oberschwingung falls eine der Phasen des Energieversorgungsnetzes nicht am Transformator anliegt. Bevorzugt kann eine Höhe der Ausgangsströme überwacht werden und der Wechselrichter zumindest zeitweise abgeschaltet wird, wenn die Höhe einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Es kann auch vorgesehen sein, dass Sicherungsorgane, die ausgangsseitig vom Wechselrichter angeordnet sind, beispielsweise Überstromsicherungen, auslösen.
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So wird ein Phasenverlust auch bei Einsatz solcher Transformatoren, zum Beispiel YNd-Transformatoren, erkannt, bei denen der Phasenverlust bei der Grundfrequenz am Wechselrichterausgang nicht abgebildet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Stellwerte für die Ausgangsströme aus einer Differenz zwischen Soll- und Istwerten der Ausgangsströme ermittelt, pulsweitenmodulierte Steuersignale für Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters aus den Stellwerten für die Ausgangsströme erzeugt und die Leistungsschalter anhand der Steuersignale geschaltet. Es werden Spannungskomponenten der Ausgangsspannungen bei einer Frequenz einer Oberschwingung ermittelt und Sollwerte für Stromkomponenten der Ausgangsströme bei der Frequenz der Oberschwingung aus zeitlichen Änderungen der Spannungskomponenten bei der Frequenz der Oberschwingung erzeugt. Die Stellwerte für die Stromkomponenten der Ausgangsströme werden bei der Frequenz der Oberschwingung aus den Sollwerten für die Stromkomponenten der Ausgangsströme bei der Frequenz der Oberschwingung bestimmt. Die Stellwerte für die Stromkomponenten der Ausgangsströme werden dann bei der Frequenz der Oberschwingung zu den Stellwerten für die Ausgangsströme bei der Grundfrequenz addiert und die pulsweitmodulierten Steuersignale für die Leistungshalbleiterschalter werden aus der Summe der Stellsignale erzeugt. Auf diese Weise kann die Regelung mit positiver Rückkopplung bei der Oberschwingungsfrequenz mit dem Regelungsmechanismus für den Strom bei der Grundfrequenz kombiniert werden. Bevorzugt wird die Spannungskomponente der Ausgangsspannungen bei einer Frequenz einer Oberschwingung zur Ermittlung ihrer zeitlichen Änderungen dabei durch einen Hochpass-Filter gefiltert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Steuersignale zusätzlich in Abhängigkeit von Ausgangsströmen des Wechselrichters durch den Regelkreis mit positiver Rückkopplung bestimmt, insbesondere aus Differenzen von Soll- und Istwerten der Stromkomponenten der Ausgangsströme. In dieser Ausgestaltung ist das Verfahren besonders gut für Wechselrichter mit einem stromgeregelten Ausgang geeignet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Ausgangsspannungen und/oder die Ausgangsströme sowie die Spannungs- und/oder Stromkomponenten bei der Frequenz der Oberschwingung in einem dq-Koordinatensystem dargestellt. Besonders bevorzugt werden zur Ermittlung der Stellwerte für die Ausgangsströme bei der Grundfrequenz Mitsystem-Spannungskomponenten oder Mit- und Gegensystem-Spannungskomponenten betrachtet. Ebenfalls bevorzugt werden zur Bestimmung der Stellwerte für die Stromkomponenten der Ausgangsströme bei der Frequenz der Oberschwingung nur Gegensystem-Komponenten betrachtet. Die Behandlung der Spannungs- und/oder Stromkomponenten in dem dq-Koordinatensystem bietet den Vorteil, dass statische Regelmechanismen eingesetzt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Oberschwingung von der Ordnung (3n – 1), wobei n = 1, 2, 3 usw. ist. Besonders bevorzugt ist n = 3 und die Oberschwingung 8-ter Ordnung. Diese Oberschwingungen werden im Normalbetrieb des Wechselrichters durch Schaltvorgänge der Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichterbrücke nur wenig angeregt. Die positive Rückkopplung kann dann mit einem hohen Verstärkungsfaktor ausgebildet werden, ohne dass es im Normalbetrieb zu Störungen kommt. Folglich kann ein Phasenverlust mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden.
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Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter, vorgesehen zur Einspeisung von elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz über einen Transformator, ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Steuereinrichtung aufweist, die zur Durchführung eines zuvor genannten Verfahrens eingerichtet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer an ein Energieversorgungsnetz angeschlossenen PV-Anlage;
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2 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zur Steuerung eines Wechselrichters;
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3 bis 5 jeweils ein Blockschaltbild eines Teils des in 2 dargestellten Regelkreises.
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1 zeigt in einem Blockschaltbild eine PV-Anlage 1 als ein Beispiel einer dezentralen Energieversorgungsanlage. Die PV-Anlage 1 umfasst einen PV-Generator 2, der über einen Gleichstromeingang 31 an einen Wechselrichter 3 angeschlossen ist. Der Wechselrichter 3 ist über Wechselstromausgänge 32 mit einer Primärseite 41 eines Transformators 4 verbunden. Der Transformator 4 ist im dargestellten Beispiel ein Mittelspannungstransformator, der an seiner Sekundärseite 42 Spannungen im Bereich von etwa 20 kV (Kilovolt) bereitstellt und entsprechend mit einem Mittelspannungsnetz 5 verbunden ist.
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Die Struktur der PV-Anlage 1 ist in der 1 beispielhaft und vereinfacht dargestellt. Der in der 1 nur durch das Schaltsymbol einer PV-Zelle symbolisierte PV-Generator 2 umfasst bei einer unmittelbar in das Mittelspannungsnetz 5 einspeisenden PV-Anlage 1 üblicherweise eine Vielzahl von PV-Modulen, von denen jeweils mehrere zu sogenannten PV-Strings serienverschaltet sind, die wiederum jeweils parallel geschaltet mit dem Wechselrichter 3 verbunden sind. Der Wechselrichter 3 ist bei Anlagen dieser Art üblicherweise als ein Zentralwechselrichter ausgebildet. Der Wechselrichter 3 ist im dargestellten Beispiel dreiphasig ausgeführt, wie es in Verbindung mit Mittelspannungsnetzen 5 üblich ist. In der 1 sind lediglich die im Rahmen der Anmeldung wesentlichen Teile der PV-Anlage1 dargestellt. Weitere gleich- oder wechselstromseitig vom Wechselrichter 3 angeordnete Elemente, wie zum Beispiel Trenn- oder Schaltorgane, Filter oder Überwachungseinrichtungen, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Üblicherweise entfernt von der PV-Anlage 1 ist im weiteren Verlauf des Mittelspannungsnetzes 5 ein (Hochspannungs-)Transformator 6 vorgesehen, über den die Mittelspannungsebene 5 mit einem (Hochspannungs-)Energieversorgungsnetz 7 verbunden ist.
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Durch die galvanische Trennung der Primärseite 41 des Transformators 4 von der Sekundärseite 42 kann eine häufig von Betreibern des Energieversorgungsnetzes 7 geforderte separate Erdung der PV-Anlage 1 erfolgen, hier beispielhaft indem ein negativer Pol des PV-Generators 2 mit einem Erdpotential verbunden ist. Aufgrund der vollständigen galvanischen Trennung der PV-Anlage 1 vom Mittelspannungsnetz 5 ist es im Betrieb des Wechselrichters schwierig, einen Ausfall einer der Phasen im Mittelspannungsnetz 5, beispielsweise an der in der 1 dargestellten strichpunktierten Linie, zu identifizieren.
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Im Zusammenhang mit den 2 bis 5 wird nachfolgend ein Betriebsverfahren für einen Wechselrichter, beispielsweise den Wechselrichter 3 der 1, beschrieben, bei dem ein derartiger Einphasen-Fehler sicher, schnell und zuverlässig erkannt wird.
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2 zeigt einen Regelkreis 33 des Wechselrichters 3 in einem Blockschaltbild. Der Regelkreis 33 dient der Ansteuerung von Leistungshalbleiterschaltern, die in einer Ausgangsbrückenschaltung des Wechselrichters 3 die an den Wechselstromausgängen 32 fließenden Ströme schalten.
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Der Regelkreis 33 weist eine Messsignalvorbereitung 34 auf, der anhand von Messpunkten bzw. Stromsensoren gemessene am Wechselstromausgang 32 anliegende Potentiale und dort fließende Ströme zugeführt werden. Die aufbereiteten Messsignale werden einem Grundfrequenzregler 35 und einem Oberschwingungsfrequenzregler 36, abgekürzt auch als Oberfrequenzregler 36 bezeichnet, zugeführt. Von diesen Reglern 35, 36 ermittelte Stellgrößen werden in einem Mischer 37 addiert und die Summe als Stellgröße einer PWM-Steuerung 38 zugeführt. Diese PWM-Steuerung 38 generiert Ansteuersignale für die Leistungshalbleiterschalter der Ausgangsbrücken des Wechselrichters 3.
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In den 3, 4 und 5 sind die Messsignalvorbereitung 34, der Grundfrequenzregler 35 und der Oberfrequenzregler 36 des Regelkreises 33 in detaillierteren Blockschaltbildern dargestellt.
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Bei dem im gezeigten Ausführungsbeispiel verwendeten Regelkreis 33 wird eine Transformation von gemessenen zeitabhängigen Strom- und Spannungsmesssignalen in ein rotierendes Koordinatensystem, das sogenannte dq-Koordinatensystem vorgenommen. Bei Darstellung der Messsignale in einem rotierenden Koordinatensystem können statische Regler, beispielsweise PI (proportional/integral)-Regler eingesetzt werden. Bei dem Regelkreis 33 wird sowohl ein Mitsystem als auch ein Gegensystem, dessen Phasenabfolge gegenüber dem Mitsystem invertiert ist, berücksichtigt.
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Die Darstellung von Messgrößen in einem dq-Koordinatensystem ist im Zusammenhang mit der Regelung von Wechselrichtern grundsätzlich bekannt. Auf Einzelheiten der zugrunde liegenden Transformationen sowie ihrer Umsetzung in analoger und/oder digitaler Schaltungstechnik wird daher im Folgenden nicht detaillierter eingegangen. Die Verwendung von rotierenden dq-Koordinatensystemen in der Regelung ist für das anmeldungsgemäße Verfahren vorteilhaft, jedoch nicht notwendig. Es wird angemerkt, dass eine Umsetzung des anmeldungsgemäßen Verfahrens auch unmittelbar auf Basis der zeitabhängigen Messgrößen, also dargestellt in einem stationären Koordinatensystem, erfolgen kann. In diesem Fall können beispielsweise sogenannte Sinusregler eingesetzt werden.
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In 3 ist die Messsignalvorbereitung 34 des Regelkreises 33 dargestellt. Eingangsgrößen für die Messsignalvorbereitung 34 sind Spannungsmesssignale 340, die die Spannungen Va, Vb, Vc, zusammengefasst als Vektor Vabc, an den einzelnen Phasen a, b, c am Wechselstromausgang 32 des Wechselrichters 3 repräsentieren.
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Das Spannungsmesssignal 340 wird in einer αβ-Transformationseinheit 341 in ein orthogonales zweiphasiges stationäres Koordinatensystem, das sogenannte αβ-Koordinatensystem umgewandelt. Die gewonnenen αβ-Komponenten werden vorliegend einem multiresonanten PLL (phase-locked loop) Schaltkreis 342 zugeführt.
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Der multiresonante PLL-Kreis 342 umfasst eine Mehrzahl 1 bis n von PLL-Kreisen, von denen sich der erste auf eine Grundfrequenz des Spannungsmesssignals 340, der zweite auf die Frequenz einer ersten Oberschwingung des Spannungsmesssignals 340, der dritte auf die Frequenz einer zweiten Oberschwingung des Spannungsmesssignals 340 einstimmt. Der n-te der PLL-Kreise stimmt sich entsprechend auf die Frequenz der (n – 1)-ten Oberschwingung des Spannungsmesssignals 340 ein. Die Frequenz der ersten, zweiten, usw. Oberschwingung wird im Folgenden auch als erste, zweite, usw. Oberfrequenz bezeichnet. Die einzelnen PLL-Kreise können in bekannter Weise beispielsweise mithilfe eines Quadratursignalgenerators aufgebaut werden. Alternativ zu dem hier verwendeten multiresonanten PLL-Schaltkreis 342 können auch separate PLL-Schaltkreise oder Bandpassfilter verwendet werden, um die Grund- und Oberschwingungskomponenten zu ermitteln.
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Die Ausgänge der multiresonanten PLL-Schaltung 342 werden dann in dq-Transformationseinheiten 343, 343‘ in dq-Komponenten umgesetzt. Dabei erzeugt die dq-Transformationseinheit 343 dq-Komponenten im Mitsystem und die dq-Transformationseinheit 343‘ dq-Komponenten im Gegensystem. Das Mitsystem beschreibt in ebenfalls bekannter Weise ein rein symmetrisches System, wohingegen durch das Gegensystem, das gegenüber dem Mitsystem eine inverse Phasenfolge aufweist, Asymmetrien berücksichtigt werden können. Im Rahmen der Anmeldung kennzeichnen Bezugszeichen ohne Apostroph (‘) Mitsystem-Komponenten und Bezugszeichen mit Apostroph Gegensystem-Komponenten.
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Im Resultat werden von der Messsignalvorbereitung 34 von der multiresonanten PLL-Schaltung 342 erzeugte (synthetisierte) Phasenwinkel 344 und 344’ der Grundschwingung für Mit- und Gegensystem ausgegeben. Weiter werden dq-Komponenten 345 bzw. 345’ und 346 bzw. 346’ im Mitsystem bzw. im Gegensystem ausgegeben, die von den dq-Transformationseinheiten 343 und 343‘ erzeugt werden. Die dq-Komponenten 345, 345‘ sind die der Grundschwingung des Spannungsmesssignals und die dq-Komponenten 346, 346‘ die verschiedener Oberschwingungen.
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4 zeigt den Grundfrequenzregler 35 des Regelkreises 33 im Blockschaltbild detaillierter. Eingangsgrößen für den Grundfrequenzregler 35 sind ein Strommesssignal 350, das analog zum Spannungsmesssignal 340 einen Strom IA, IB, IC, als Vektor zusammengefasst IABC, für die drei Phasen A, B, C am Wechselstromausgang 32 des Wechselrichters 3 repräsentiert. Das Strommesssignal 350 wird in einer α/β-Transformationseinheit 351 wiederum in einem stationären zweiphasigen Koordinatensystem wiedergegeben. Die ermittelten orthogonal aufeinander stehenden Komponenten α und β werden dq-Transformationseinheiten 352 und 352‘ zugeführt, die als weitere Eingangsgröße den Phasenwinkel 344 bzw. 344‘ von der Messsignalvorbereitung 34 erhalten. Die Ausgänge der dq-Transformationseinheiten 352 und 352‘ werden Subtrahierer 354 bzw. 354‘ als Strom-Ist-Signale im dq-System zugeführt. Als Stromsollwerte werden die Subtrahierer 354 bzw. 354‘ mit Stromsollwerten 353 und 353‘ beaufschlagt. Die Stromsollwerte 353 sind jeweils vektorielle Größen, die einen Sollwert für die d- und einen Sollwert für die q-Komponente umfassen, wobei die d-Komponente einen Wirkstromanteil und die q-Komponente eine Blindstromanteil angibt. Das von den Subtrahierern 354, 354‘ erzeugte Differenzsignal wird jeweils einem Regler 355, 355‘ zugeführt, der hier als PI-Regler ausgebildet ist. Die Regelausgänge werden in den dq-Rücktransformationseinheiten 356 und 356‘ jeweils im Mit-/Gegensystem zurück in α/β-Komponenten transformiert, die in einem Addierer 357 am Ausgang des Grundfrequenzregler 35 aufsummiert werden. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Reglern wird der Ausgang des Addierers 357 unmittelbar zur Steuerung einer PWM-Steuerung, vergleichbar der PWM-Steuerung 38 aus 2, zugeführt.
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5 zeigt ebenfalls als Blockschaltbild den Oberfrequenzregler 36 des Regelkreises 33. Eine der Eingangsgrößen ist dabei ebenso wie bei dem Grundfrequenzregler 35 das Stromsignal 350, das wiederum in α/β-Koordinaten dargestellt wird. Entsprechend kann die α/β-Transformationseinheit 351 des Grundfrequenzreglers 35 verwendet werden, deren Ausgang für den Oberfrequenzregler 36 dann jedoch einer separaten dq-Transformationseinheit 360‘ zugeführt wird. Dieser dq-Transformationseinheit 360‘ wird ein Phasenwinkel zugeführt, der nicht bei der Grundfrequenz sondern bei einer der Oberschwingungen der Grundfrequenz liegt. Dieser Phasenwinkel der Oberschwingung wird aus dem Phasenwinkel 344 der Grundschwingung durch Multiplikation in einem Multiplizierer 361 erzeugt. Dem Multiplizierer 361 ist eine Negiereinheit 362‘ nachgeordnet, die bei der Kosinus-Komponente des vervielfachten Phasenwinkels das Vorzeichen tauscht. Dieses entspricht einer Transformation der Oberschwingung vom Mitsystem ins Gegensystem. Der so erzeugte Phasenwinkel der Oberschwingung wird der dq-Transformationseinheit 360‘ zugeführt, die entsprechend das gemessene Stromsignal 350 bei der entsprechenden Frequenz der gewählten Oberschwingung in dq-Koordinaten im Gegensystem darstellt. Der ausgegebene Wert stellt den Ist-Wert des Stromes für den Oberfrequenzregler 36 dar. Der Soll-Wert des Stromes wird aus einer der dq-Komponenten im Gegensystem 346‘ erzeugt, die aus dem Spannungsmesssignal 340 durch die Messsignalvorbereitung 34 generiert wurden. Es wird dazu das Signal ausgewählt wie bei dem Multiplizierer 361. Die entsprechende Komponente wird in einem Hochpassfilter 363‘ gefiltert und nachfolgend in einem Verstärker 364‘ um einen einstellbaren Verstärkungsfaktor K verstärkt. Das Ausgangssignal am Verstärker 364‘ bildet den Soll-Wert des Stromes bei der entsprechenden Oberfrequenz dargestellt in einer dq-Komponente im Gegensystem, wobei dieser Sollwert aufgrund der Hochpass-Filterung im wesentlichen eine Funktion der Änderungen der Spannungskomponente 346‘ der Oberschwingung ist.
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Soll- und Ist-Wert des Stromes werden einem Subtrahierer 365‘ zugeführt, dessen Ausgang in einem Regler 366‘, hier wiederum einem PI-Regler, weiterverarbeitet wird. Der Ausgang des Reglers 366‘ wird in einer dq-Rücktransformationseinheit 367‘ schließlich in ein αβ-Koordinatensystem rücktransformiert. Der dq-Rücktransformationseinheit 367‘ wird dazu das Frequenzsignal auf der betrachteten Oberfrequenz zugeführt, das auch bei der Hin-Transformation in das dq-Koordinatensystem in der dq-Transformationseinheit 360‘ verwendet wurde.
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Durch den Mischer 37 (vgl. 2) wird bei dem anmeldungsgemäßen Betriebsverfahren zum einen das bei der Grundfrequenz bestimmte Regelsignal und zum anderen das bei der Oberfrequenz bestimmte Stellsignal addiert und gemeinsam der Pulswellenmodulationssteuerung 38 übergeben.
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Bevorzugt wird für dieses Verfahren eine Oberschwingung verwendet, die eine Gegensystemspannungskomponente darstellt. Solche Oberschwingungen lassen sich allgemein als Oberschwingung der Ordnung 3n – 1, für n = 1, 2 usw. darstellen. Besonders bevorzugt wird die Oberschwingung achter Ordnung mit n = 3 eingesetzt, da diese im Normalbetrieb des Wechselrichters durch Schaltvorgänge der Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichterbrücke nur wenig angeregt wird. Grundsätzlich sind aber auch Gegensystem-Spannungs-komponenten höherer Ordnung, also mit n > 3, geeignet. Von diesen sind insbesondere geradzahlige Oberschwingungen günstig, da diese weniger als die ungeradzahligen Oberschwingungen durch Schaltvorgänge der Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichterbrücke angeregt werden.
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Die Rückkopplung der Spannungskomponenten der Oberschwingung in die Regelstruktur fügt dem Regelkreis eine Regelkomponente mit positiver Rückkopplung hinzu. Bei geeigneter Wahl des Verstärkungsfaktors, der im Verstärker 364‘ des Oberschwingungsreglers 36 eingestellt wird, ist der Regelkreis 33 im Normalbetrieb stabil.
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Schon eine minimale Regelabweichung wird positiv verstärkt und erzeugt Stellwerte, die zu einer Erzeugung von (schnell) steigenden Strömen in der entsprechenden Oberschwingung führen; der Wechselrichter „schwingt sich auf“. Bei einem Überschreiten eines üblicherweise vorhandenen Grenzwertes für die Momentanwerte der Ausgangsströme schaltet ein Schutzkreis den Wechselrichter ab.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass ein Phasenverlust detektiert werden kann, ohne dabei etwaige Anforderungen an die dynamische Netzstützung im Falle eines Kurzschlusses im Netz zu gefährden. Ein solcher Kurzschluss hat im Gegensatz zur Phasentrennung keinen Einfluss auf die Stabilität des Regelkreises, d.h. der Wechselrichter funktioniert weiterhin stabil und kann ggf. erforderliche Blindströme bei der Grundschwingung für die dynamische Netzstützung einspeisen. Ein Phasenverlust dagegen wird sicher detektiert und der Wechselrichter schaltet ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- PV-Anlage
- 2
- PV-Generator
- 3
- Wechselrichter
- 4
- Transformator
- 5
- Mittelspannungsnetz
- 6
- Transformator
- 7
- Energieversorgungsnetz
- 31
- Gleichstromeingang
- 32
- Wechselstromausgang
- 33
- Regelkreis
- 34
- Messsignalvorbereitung
- 35
- Grundfrequenzregler
- 36
- Oberfrequenzregler
- 37
- Mischer
- 38
- PWM-Steuerung
- 41
- Primärseite
- 42
- Sekundärseite
- 340
- Spannungsmesssignale
- 341
- αβ-Transformationseinheit
- 342
- multiresonante PLL-Schaltung
- 343, 343’
- dq-Transformationseinheit (Mitsystem, Gegensystem)
- 344, 344’
- Phasenwinkel der Grundschwingung
- 345, 345‘
- dq-Komponente im Mitsystem
- 350
- Strommesssignal
- 351
- αβ-Transformationseinheit
- 352, 352‘
- dq-Transformationseinheit im Mitsystem
- 353, 353‘
- Stromsollwert
- 354, 354‘
- Subtrahierer
- 355, 355‘
- Regler
- 356, 356‘
- dq-Rücktransformationseinheit
- 357
- Addierer
- 360‘
- dq-Rücktransformationseinheit
- 361
- Multiplizierer
- 362
- Negierer
- 363‘
- Hochpassfilter
- 364‘
- Verstärker
- 365‘
- Subtrahierer
- 366‘
- Regler
- 367‘
- dq-Rücktransformationseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „IEEE 142 – Grounding of Industrial and Commercial Power Systems“ [0002]
- IEEE 1547-2003, Sektion 4.2.1 [0003]
- IEEE 1547-2003, Sektion 4.2.3 [0003]
