DE102013114729B4

DE102013114729B4 - Wechselrichter und Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls in einem Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE102013114729B4
Application number: DE102013114729.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Halt; Christian Hardt; Christoph Jordaan
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2033-12-21
Also published as: US20150177335A1; US9581656B2; CN104730406A; CN104730406B; DE102013114729A1

Abstract

Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls in einem Energieversorgungsnetz (5, 7) bei einem Betreiben eines Wechselrichters (3), der zur Einspeisung von elektrischer Energie über einen YNd-Transformator (4) mit dem Energieversorgungsnetz (5, 7) verbunden ist, wobei Werte der Ausgangsströme (ia, ib, ic) und Ausgangsspannungen (Va, Vb, Vc) des Wechselrichters erfasst werden und Leistungsschalter des Wechselrichters (3) anhand von Steuersignalen geschaltet werden, wobei die Steuersignale in Abhängigkeit von den Werten der Ausgangsströme (ia, ib, ic) und Ausgangsspannungen (Va, Vb, Vc) bei einer Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes (5) erzeugt werden, mit den folgenden Schritten:- Transformieren der Werte der Ausgangsströme (ia, ib, ic) in einen symmetrischen Mitsystemstromwert (I+) und einen in einen symmetrischen Gegensystemstromwert (I-) eines mit der Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes (5, 7) rotierenden Koordinatensystems;- Ermitteln eines Verhältnisses von Gegensystemstromwert (I-) zu Mitsystemstromwert (I+);- Detektieren eines Phasenausfalls in dem Energieversorgungsnetz (5) falls das Verhältnis von Gegensystemstromwert (I-) zu Mitsystemstromwert (I+) länger als ein vorgegebener Zeitraum (t0) größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls in einem Energieversorgungsnetz bei einem Betreiben eines Wechselrichters, der zur Einspeisung von elektrischer Energie über einen YNd-Transformator mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Wechselrichter.
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 das Mittelspannungsnetz wirksam geerdet sein muss, beispielsweise gemäß der normativen Vorgabe „IEEE142 - 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. In dieser Nomenklatur beschreibt die Abkürzung „YN“ eine Oberspannungsseite in Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt und „d“ eine Niederspannungsseite in Dreiecksschaltung. In einigen Fällen ist die Verwendung eines derartigen YNd-Transformators von Betreibern des Energieversorgungsnetzes auch explizit vorgegeben.
Eine weitere Anforderung an Photovoltaikanlagen ist gemäß IEEE 1547-2003, dass Fehlerzustände des Energieversorgungsnetzes auf der Niederspannungsseite des Transformators, d.h. innerhalb der Photovoltaikanlage detektiert werden müssen 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 4.3 insbesondere auch ein einphasiger Phasenverlust, also eine Unterbrechung zwischen der Photovoltaikanlage und dem Energieversorgungsnetzes bzw. innerhalb des Energieversorgungsnetzes auf einer von üblicherweise drei Phasen.
Grundsätzlich kann ein einphasiger Phasenverlust mittels Messgeräten innerhalb des Energieversorgungsnetzes, also auf der Ausgangsseite (Hochspannungsseite) eines YNd-Trafos detektiert werden. Der Stromfluss kann beispielsweise in allen drei Phasen überwacht werden und ein Ausfall einer Phase direkt detektiert werden. Eine solche Lösung ist wegen der komplexen Messtechnik auf der Hochspannungsseite jedoch sehr aufwändig und kostenintensiv.
Die Druckschrift US 4 600 961 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von hochohmigen Erdschlussfehlern in einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz. Die Vorrichtung umfasst Stromsensoren zur Messung von in den drei Phasen fließenden Strömen, wobei mittels geeigneter Filter aus den Strommesswerte Mitsystem- und Gegensystemströme ermittelt werden und ein Verhältnis der ermittelten Gegensystem- zu den Mitsystemströmen gebildet wird. Ein hochohmiger Erdschluss wird angezeigt, wenn dieses Verhältnis einen ihm zugeordneten Schwellenwert übersteigt. Auch diese Vorrichtung ist aufgrund der zur Messung bei den hohen Spannungen im Energieversorgungsnetz notwendigerweise komplexen Messtechnik entsprechend aufwändig.
Die Druckschrift WO 2013/ 004 500 A1 betrifft ein System, bei dem eine Unterwasserpipeline geheizt wird, indem ein Strom unmittelbar durch die Pipeline geleitet wird. Zu diesem Zweck wird eine Stromversorgungseinheit verwendet, die. einen Transformator aufweist, mit dem sie an einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz angeschlossen ist. Sekundärseitig wird der dreiphasige Strom dann in einen einphasigen Laststrom zum Heizen der Pipeline umgesetzt. Es ist ein Fehlerdetektor beschrieben, der an der Sekundärseite des Transformators in den drei Phasen fließende Ströme misst und in einen Mitsystemstromwert und einen Gegensystemstromwert umrechnet. Anhand des Mitsystemstromwerts und des Gegensystemstromwerts kann auf eine Änderung der Impedanz der zu heizenden Pipeline und damit auf einen Fehler an der Pipeline geschlossen werden.
Zur Einspeisung von elektrischer Energie in das Energieversorgungsnetz werden Leistungsschalter einer Ausgangsstufe, meist einer 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 pulsweitenmodulierte Steuersignale für die Leistungsschalter des Wechselrichters erzeugt und die Leistungsschalter entsprechend anhand der Steuersignale getaktet.
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 unmittelbar wieder. Bei anderen Transformatortypen, beispielsweise den sogenannten YNy-Transformatoren wird ein Phasenverlust auf Seiten der Photovoltaikanlage direkt 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.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls für einen über einen Transformator galvanisch getrennt mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Wechselrichter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ein einphasiger Phasenverlust in dem Energieversorgungsnetz schnell und zuverlässig erkannt wird. Es ist eine weitere Aufgabe, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Wechselrichter anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls bzw. einen Wechselrichter mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden Werte der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Wechselrichters erfasst und Leistungsschalter des Wechselrichters anhand von Steuersignalen geschaltet, wobei die Steuersignale in Abhängigkeit von den Werten der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen bei einer Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes erzeugt werden. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Die Werte der Ausgangsströme werden in einen symmetrischen Mitsystemstromwert und einen symmetrischen Gegensystemstromwert eines mit der Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes rotierenden Koordinatensystems transformiert. Dann wird ein Verhältnis des Gegensystemstromwerts zu dem Mitsystemstromwert ermittelt und ein Phasenausfalls in dem Energieversorgungsnetz detektiert, falls das Verhältnis von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert länger als ein vorgegebener Zeitraum größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
So kann ohne Eingriff in das Energieversorgungsnetz und auf der Niederspannungsseite schnell und einfach ein Phasenausfall im Energieversorgungsnetz erkannt werden. Da die Messung ausschließlich auf Messwerten beruht, die auf der Niederspannungsseite des YNd-Transformators ermittelt werden, kann das Verfahren ohne aufwendige Messtechnik durchgeführt werden. Die Erfindung nutz aus, dass im rotierenden Koordinatensystem ein einfach zu überprüfendes Kriterium zur Detektion des Phasenausfalls angegeben werden kann, wohingegen sich der Phasenausfall in den gemessenen Stromwerten nicht unmittelbar erkennen lässt. Der eingeführte Zeitraum, für den das Kriterium erfüllt sein muss, erlaubt eine sichere Unterscheidung des Phasenausfalls z.B. von einer Netzinstabilität, die von dem Wechselrichter ohne Abschaltung durchfahren werden soll.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wechselrichter zumindest zeitweise abgeschaltet oder eine eingespeiste elektrische Leistung des Wechselrichters wird reduziert, wenn ein Phasenausfall detektiert wurde. So wird ein nicht zulässiges Einspeisen der Photovoltaikanlage in dem erkannten Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes unterbunden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das rotierende Koordinatensystem ein dq-System. Ebenfalls vorteilhaft werden der Gegensystemstromwert und der Mitsystemstromwert im Rahmen eines Steuer- und/oder Regelverfahrens zur Bestimmung der Steuersignale für die Leistungsschalter des Wechselrichters ermittelt. Regelverfahren zur Bestimmung der Steuersignale für die Leistungsschalter des Wechselrichters verwenden häufig eine Darstellung der gemessenen Strom- und auch Spannungswerte in einem rotierenden Koordinatensystem, beispielsweise dem dq-System. Damit liegen die für das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls benötigten Werte innerhalb des Wechselrichters bereits vor. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann mit einem geringen Zusatzaufwand umgesetzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens liegt der Schwellenwert für das Verhältnis von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert zwischen 0,1 und 0,6 und insbesondere zwischen 0,2 und 0,4. Weiter vorteilhaft liegt der vorgegebene Zeitraum zwischen 1 und 2 Sekunden. Diese Werte stellen praxisgerechte und zuverlässige Kriterien für eine Unterscheidung zwischen einem zu durchfahrenden Fehler, bei dem die Photovoltaikanlage nicht von dem Energieversorgungsnetz getrennt werden soll, und einem Phasenausfall dar.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Länge des vorgegebenen Zeitraums abhängig von der Höhe des Verhältnisses von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert gewählt werden, wobei bei einem größeren Verhältnis ein kürzerer Zeitraum gewählt wird. Ein höherer Wert des Verhältnisses lässt sicherer auf einen Phasenausfall schließen, weswegen der Zeitraum bis zum Detektieren und Signalisieren des Phasenausfalls abgekürzt werden kann. Dabei kann die Länge des vorgegebenen Zeitraums dynamisch an die Höhe des Verhältnisses von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert angepasst werden oder alternativ der Schwellenwert für das Verhältnis von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert dynamisch an die Höhe des Mitsystemstromwertes angepasst werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Phasenausfall nur dann signalisiert wird, wenn bei einem über dem Schwellenwert liegenden Verhältnis von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert die Ausgangsspannungen gegenüber einem Normalbetrieb im Wesentlichen unverändert sind, also beispielsweise um weniger als 10% von ihrem Nennwert abweichen. Bei einem Erd- oder Kurzschluss weicht die Netzspannung anders als bei einem Phasenausfall deutlich von ihrem Nominalwert ab. Mit diesem zusätzlichen Kriterium kann eine Abgrenzung des Phasenausfalls gegenüber einem Kurzschluss oder einem Erdschluss erfolgen, da bei einem einphasigen Spannungsausfall die Spannungen für die beschriebene Systemstruktur weitestgehend konstant bleiben. Eine Fehleridentifizierung und Abgrenzung zu anderen Netzfehlern erfolgt somit durch logische Verknüpfung des Verhältnisses von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert und der Zeitdauer der Schwellenwertüberschreitung unter Berücksichtigung der Netzspannung.
Alternativ kann auch ein oberer Grenzwert für das Verhältnis von Gegensystemstromwert zu Mitsystemstromwert eingeführt werden, der oberhalb des zuvor eingeführten Schwellenwertes liegt und vorteilhaft zwischen etwa 0,8 und 1,2 beträgt. Ein Phasenausfall wird dann detektiert, wenn das Verhältnis des Gegensystemstromwertes zum Mitsystemstromwert zwar größer als der Schwellenwert, aber kleiner als der obere Schwellenwert ist. Über dem oberen Schwellenwert liegende Werte für das Verhältnis deuten eher auf einen Erd- oder Kurzschluss, und nicht auf einen Phasenausfall hin.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter, vorgesehen zur Einspeisung von elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz über einen YNd-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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer an ein Energieversorgungsnetz angeschlossenen PV-Anlage;
2 eine schematische Darstellung eines Phasenausfalls in dem Energieversorgungsnetz;
3 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zur Steuerung eines Wechselrichters; und
4 und 5 jeweils ein Blockschaltbild eines Teils des in 3 dargestellten Regelkreises.

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 Niederspannungsseite 41 eines Transformators 4 verbunden. Der Transformator 4 ist im dargestellten Beispiel ein Mittelspannungstransformator, der an seiner Oberspannungsseite 42 Spannungen im Bereich von 6 bis 36 kV (Kilovolt) bereitstellt und entsprechend mit einem Mittelspannungsnetz als Energieversorgungsnetz 5 verbunden ist. Konkret ist der Transformator 4 als sogenannter YNd-Transformator („YN“- Oberspannungsseite, „d“- Niederspannungsseite) ausgeführt, der sich durch eine mittelspannungsseitige Sternschaltung der drei Phasen des Mittelspannungs-Energieversorgungsnetzes 5 mit geerdetem Sternpunkt und eine niederspannungsseitige Dreiecksschaltung auszeichnet.
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 Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz 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 Mittelspannungs-Energieversorgungsnetzen 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.
Üblicherweise entfernt von der PV-Anlage 1 ist im weiteren Verlauf des Mittelspannungs-Energieversorgungsnetzes 5 ein (Hochspannungs-) Transformator 6 vorgesehen, über den die Mittelspannungsebene mit einem Hochspannungs-Energieversorgungsnetz 7 verbunden ist.
Durch die galvanische Trennung der Niederspannungsseite 41 des Transformators 4 von der Oberspannungsseite 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 Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz 5 ist es im Betrieb des Wechselrichters schwierig, einen Ausfall einer der Phasen im Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz 5, beispielsweise an der in der 1 dargestellten strichpunktierten Linie, oder des Hochspannungs-Energieversorgungsnetzes 7 zu identifizieren.
Ein solcher Phasenausfall ist in 2 durch einen geöffneten Schalter in einem der Phasenleiter im Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz 5 symbolisiert. Dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren und Signalisieren des Phasenausfalls liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein solcher Phasenausfall zwar nicht unmittelbar in gemessenen Spannungen und/oder Strömen am Ausgang des Wechselrichters 3 zeigt, jedoch aus den Strömen abgeleitet werden kann, wenn die Ströme in einem rotierenden Koordinatensystem dargestellt werden. Konkret wird dazu ein Gegensystemstrom I^- und ein Mitsystemstrom I⁺ betrachtet.
Für die Normalbetriebssituation in 1 und den Phasenausfall in 2 sind diese Ströme beispielhaft in den Figuren angegeben: Im Normalbetrieb ist der Mitsystemstrom I⁺ ungleich null und der Gegensystemstrom I^- ist null oder zumindest klein gegenüber dem Mitsystemstrom I⁺ . Bei einem Phasenausfall wird der Wechselrichter weiterhin Energie in das Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz 5 einspeisen, wobei sich der dreiphasige Strom des Wechselrichters 3 aufgrund der Dreieckswicklung auf der Niederspannungsseite 41 des Transformators 4 auf die den beiden intakten Phasen zugeordneten Wicklungen der Mittelspannungsseite des Transformators 4 verteilt, so dass ein Durchflutungsgleichgewicht trotz der ausgefallenen Phase im Transformators 4 bestehen bleibt. Ebenso werden die Netzspannungen aufgrund der geringen Nullimpedanz des YNd- Transformators 4 und der daraus resultierenden geringen Sternpunktverschiebung konstant bleiben. Der Strom besteht jedoch nicht mehr aus einem reinen Mitsystemstrom I⁺ , sondern weist bedingt durch das Fehlerbild einen gewissen Anteil an Gegensystemstrom I^- auf. Der Gegensystemstrom I^- wird folglich ebenfalls ungleich null sein.
Im Zusammenhang mit den 3 bis 5 wird nachfolgend ein Regelverfahren für einen Wechselrichter, beispielsweise den Wechselrichter 3 der 1 und 2, beschrieben, das um ein Verfahren ergänzt ist, bei dem ein derartiger Einphasen-Fehler sicher, schnell und zuverlässig erkannt und signalisiert wird.
3 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.
Der Regelkreis 33 weist eine Messsignalvorbereitung 34 auf, der anhand von an Messpunkten bzw. durch Stromsensoren gemessene am Wechselstromausgang 32 anliegende Potentiale und dort fließende Ströme zugeführt werden. Die aufbereiteten Messsignale werden einem bei der Grundfrequenz der Energieversorgungsnetze 5, 7 arbeitenden Regler 35 zugeführt. Von diesem Regler 35 ermittelte Stellgrößen werden als Stellgröße einer PWM-Steuerung 36 zugeführt. Diese PWM-Steuerung 36 generiert Ansteuersignale für die Leistungshalbleiterschalter der Ausgangsbrücken des Wechselrichters 3.
In den 4 und 5 sind die Messsignalvorbereitung 34 und der Regler 35 des Regelkreises 33 in detaillierteren Blockschaltbildern dargestellt.
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.
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.
In 4 ist die Messsignalvorbereitung 34 des Regelkreises 33 dargestellt. Eingangsgrößen für die Messsignalvorbereitung 34 sind Spannungsmesssignale 340, die die Spannungen V_a , V_b , V_c , zusammengefasst als Vektor V_abc, an den einzelnen Phasen a, b, c am Wechselstromausgang 32 des Wechselrichters 3 repräsentieren.
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 PLL (phase-locked loop) Schaltkreis 342 zugeführt.
Der PLL-Schaltkreis 342 stimmt sich auf eine Grundfrequenz des Spannungsmesssignals 340 ein. Der PLL-Schaltkreis 342 kann in bekannter Weise beispielsweise mithilfe eines Quadratursignalgenerators aufgebaut werden. Alternativ zu dem hier verwendeten PLL-Schaltkreis 342 kann auch ein Bandpassfilter verwendet werden, um die Grundschwingungskomponenten zu ermitteln.
Der Ausgang der PLL-Schaltung 342 wird 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.
Im Resultat werden von der Messsignalvorbereitung 34 von der PLL-Schaltung 342 erzeugte (synthetisierte) Phasenwinkel 344 und 344' der Grundschwingung für Mit- und Gegensystem ausgegeben.
5 zeigt den Regler 35 des Regelkreises 33 im Blockschaltbild detaillierter. Eingangsgrößen für den Regler 35 sind ein Strommesssignal 350, das analog zum Spannungsmesssignal 340 einen Strom I_A, I_B, I_C, als Vektor zusammengefasst I_ABC, für 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 die 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 einen Blindstromanteil angibt. Das von den Subtrahierern 354, 354' erzeugte Differenzsignal wird jeweils einer Regeleinheiten 355, 355' zugeführt, die hier als Pl-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 Reglers 35 aufsummiert werden. Der Ausgang des Addierers 357 kann unmittelbar der PWM-Steuerung 38 aus 3 zugeführt werden.
Da an den Ausgängen der dq-Transformationseinheiten 352 und 352' im Rahmen des Regelverfahrens für den Wechselrichter 3 bereits der Mitsystemstromwert I⁺ und der Gegensystemstromwert I^- ermittelt und verwendet werden, liegen damit die für das erfindungsgemäße Verfahren zum Detektieren und Signalisieren eines Phasenausfalls benötigten Werte bereits vor. Die Werte werden einem Dividierer 358 zugeführt, der das Verhältnis von dem Gegensystemstromwert I^- zum Mitsystemstromwert I⁺ bildet. Dieses Verhältnis wird am Ausgang des Dividierers 358 ausgegeben und einem Schwellenwertschalter 359 zugeführt, in dem ein Zeitglied integriert ist. Übersteigt das Verhältnis (I^- ) / (I⁺ ) einen vorgegebenen Schwellenwert für mindestens einen vorgegebener Zeitraum t₀ , wird an einem Signalausgang 360 des Schwellenwertschalters 359 ein Signal ausgegeben, das das Vorliegen eines einphasigen Phasenausfalls signalisiert.
Vorteilhaft liegt der vorgegebene Schwellenwert für das Verhältnis zwischen 0,1 und 0,6 und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4. Kleine von null verschiedene Gegensystemstromwerte I^- treten in einem normalen und nicht fehlerhaften Betrieb des Wechselrichters 3 und des Energieversorgungsnetzes 5 bzw. 7 zumindest zeitweise durchaus auf. Erst wenn das Verhältnis des Gegensystemstromwerts I^- zum Mitsystemstromwert I⁺ für den angegebenen Zeitraum t₀ größer als der Schwellenwert ist, deutet dieses auf einen Phasenausfall hin. Der vorgegebene Zeitraum t₀ liegt bevorzugt im Bereich von einer bis zwei Sekunden. Fehlerzustände, die kürzer als der Zeitraum t₀ sind, sind üblicherweise Fehlerzustände, die von der Photovoltaikanlage durchfahren werden sollen, insbesondere solche Fehlerzustände des Energieversorgungsnetzes 5, 7, bei denen der Wechselrichter 3 mit dem Energieversorgungsnetz 5, 7 verbunden bleiben soll, um das Energieversorgungsnetz 5, 7 in diesem Fehlerfall zu unterstützen.
Ein Wechselrichter, der ein derartiges Regelverfahren verwendet, kann somit auf einfache Weise ausgerüstet werden oder, ggf. durch eine Aktualisierung der den Wechselrichter steuernden Programme (sogenanntes Firmware-Update) nachgerüstet werden, so dass der Wechselrichter das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines Ausfalls einer Phase ausführen kann.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, die Länge des vorgegebenen Zeitraums t₀ abhängig von der Höhe des Verhältnisses vom Gegensystemstromwert I^- zum Mitsystemstromwert I⁺ zu wählen. Je größer das ermittelte Verhältnis zwischen den Stromwerten I^- , I⁺ ist, umso kürzer wird der Zeitraum t₀ gewählt. Der vorgegebene Zeitraum t₀wird bei dieser Weiterbildung somit dynamisch an die Höhe des ermittelten Verhältnisses von Gegensystemstromwert I^- zu Mitsystemstromwerten I⁺ variiert. Bei dieser Ausgestaltung wird der Tatsache Rechnung getragen, dass eine stark asymmetrische Stromverteilung, die sich in einem hohen Gegensystemstromwert I^- und damit entsprechend auch einem hohen Verhältnis von diesem Gegensystemstromwert I^- zum Mitsystemstromwert I⁺ äußert, die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines Phasenausfalls steigt, so dass bereits nach einer kürzeren Wartezeit dieses signalisiert werden kann.
Das Signal am Signalausgang 360 kann verwendet werden, um den Wechselrichter 3 derart herunter zu regeln, dass kein Strom mehr in das Energieversorgungssystem 5, 7 eingespeist wird. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein innerhalb der PV-Anlage vorgesehenes AC-Trennorgan aktiviert werden, das den Transformator 4 vom Ausgang des Wechselrichters 3 trennt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zusätzlich als ein weiteres Kriterium die Höhe der Spannungen V_abc, betrachtet. Ein Phasenausfall gilt nur dann als detektiert, wenn bei Überschreiten des Schwellenwerts sich die Spannungen V_abc nicht, oder nur unwesentlich, beispielsweise um maximal ±10% ändern. Mit diesem Kriterium kann eine Abgrenzung des Phasenausfalls gegenüber einem Kurzschluss oder einem Erdschluss erfolgen, da bei einem einphasigen Spannungsausfall die Spannungen für die beschriebene Systemstruktur weitestgehend konstant bleiben.
Eine Fehleridentifizierung und Abgrenzung zu anderen Netzfehlern erfolgt somit durch logische Verknüpfung des Verhältnisses von Gegensystemstromwert I^- zu Mitsystemstromwert I⁺ und der Zeitdauer der Schwellenwertüberschreitung unter Berücksichtigung der Netzspannung V_abc und/oder der eines oberen Schwellenwertes für das Verhältnis von Gegensystemstromwert I^- zu Mitsystemstromwert I⁺ . Der genannte obere Schwellenwert liegt oberhalb des zuvor eingeführten Schwellenwertes und kann vorteilhaft zwischen etwa 0,8 und 1,2 liegen. Bei einem Erd- oder Kurzschluss weicht die Netzspannung V_abc anders als bei einem Phasenausfall deutlich von ihrem Nominalwert ab. Alternativ und/oder zusätzlich kann als unterscheidendes Kriterium die Höhe des Verhältnisses des Gegensystemstromwertes I^- zum Mitsystemstromwert I⁺ verwendet werden, da sehr hohe, über dem oberen Schwellenwert liegende Werte für das Verhältnis auf einen Erd- oder Kurzschluss und nicht auf einen Phasenausfall hinweisen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass ein Phasenverlust detektiert werden kann, ohne dabei etwaige Anforderungen an die dynamische Netzstützung im Falle eines Kurzschlusses im Netz zu gefährden.
Bezugszeichenliste

1: PV-Anlage
2: PV-Generator
3: Wechselrichter
4: Transformator
5: Mittelspannungs-Energieversorgungsnetz
6: Transformator
7: Hochspannungs-Energieversorgungsnetz
31: Gleichstromeingang
32: Wechselstromausgang
33: Regelkreis
34: Messsignalvorbereitung
35: Regler
36: PWM-Steuerung
41: Niederspannungsseite
42: Oberspannungsseite
340: Spannungsmesssignale
341: aβ-Transformationseinheit
342: PLL-Schaltung
343, 343': dq-Transformationseinheit (Mitsystem, Gegensystem)
344, 344': Phasenwinkel der Grundschwingung
345, 345': dq-Komponente im Mitsystem bzw. Gegensystem
350: Strommesssignal
351: aβ-Transformationseinheit
352, 352': dq-Transformationseinheit im Mitsystem bzw. Gegensystem
353, 353': Stromsollwert
354, 354': Subtrahierer
355,355': Regler
356, 356': dq-Rücktransformationseinheit
357: Addierer
358: Dividierer
359: Schwellenwertschalter
360: Signalausgang
ia, ib, ic: Ausgangsstrom
Va, Vb, Vc: Ausgangsspannung
I+: Mitsystemstromwert
I-: Gegensystemstromwert
t0: Zeitraum

Claims

Verfahren zum Detektieren eines Phasenausfalls in einem Energieversorgungsnetz (5, 7) bei einem Betreiben eines Wechselrichters (3), der zur Einspeisung von elektrischer Energie über einen YNd-Transformator (4) mit dem Energieversorgungsnetz (5, 7) verbunden ist, wobei Werte der Ausgangsströme (ia, ib, ic) und Ausgangsspannungen (Va, Vb, Vc) des Wechselrichters erfasst werden und Leistungsschalter des Wechselrichters (3) anhand von Steuersignalen geschaltet werden, wobei die Steuersignale in Abhängigkeit von den Werten der Ausgangsströme (ia, ib, ic) und Ausgangsspannungen (Va, Vb, Vc) bei einer Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes (5) erzeugt werden, mit den folgenden Schritten: - Transformieren der Werte der Ausgangsströme (ia, ib, ic) in einen symmetrischen Mitsystemstromwert (I⁺) und einen in einen symmetrischen Gegensystemstromwert (I^-) eines mit der Grundfrequenz des Energieversorgungsnetzes (5, 7) rotierenden Koordinatensystems; - Ermitteln eines Verhältnisses von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺); - Detektieren eines Phasenausfalls in dem Energieversorgungsnetz (5) falls das Verhältnis von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺) länger als ein vorgegebener Zeitraum (t₀) größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wechselrichter (3) zumindest zeitweise abgeschaltet oder eine eingespeiste elektrische Leistung des Wechselrichters (3) reduziert wird, wenn ein Phasenausfall detektiert wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das rotierende Koordinatensystem ein dq-System ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schwellenwert für das Verhältnis von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺) zwischen 0,1 und 0,6 und insbesondere zwischen 0,2 und 0,4 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der vorgegebene Zeitraum (t₀) zwischen 1 und 2 Sekunden liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Länge des vorgegebenen Zeitraums (t₀) abhängig von der Höhe des Verhältnisses von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺) gewählt wird, wobei bei einem größeren Verhältnis ein kürzerer Zeitraum (t₀) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Länge des vorgegebenen Zeitraums (t₀) dynamisch an die Höhe des Verhältnisses von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schwellenwert für das Verhältnis von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺) dynamisch an die Höhe des Mitsystemstromwertes (I⁺) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein Phasenausfall nur dann signalisiert wird, wenn bei einem über dem Schwellenwert liegenden Verhältnis von Gegensystemstromwert (I^-) zu Mitsystemstromwert (I⁺) die Ausgangsspannungen (Va, Vb, Vc) gegenüber einem Normalbetrieb im Wesentlichen unverändert sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die die Ausgangsspannungen (Va, Vb, Vc) weniger als 10% von ihrem Nennwert abweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Gegensystemstromwert (I^-) und der Mitsystemstromwert (I⁺) im Rahmen eines Steuer- und/oder Regelverfahrens zur Bestimmung der Steuersignale für die Leistungsschalter des Wechselrichters (3) ermittelt werden.
Wechselrichter (3), vorgesehen zur Einspeisung von elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz (5, 7) über einen YNd-Transformator (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) eine Steuereinrichtung aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.