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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters und einen PV-Wechselrichter.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters und einen PV-Wechselrichter zur Verfügung zu stellen, die ein Abschalten des PV-Wechselrichters aufgrund von einspeisebedingten Überspannungen wirksam verhindern.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen PV-Wechselrichter nach Anspruch 10.
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Das Verfahren dient zum Betreiben eines Photovoltaik(PV)-Systems mit einem oder mehreren PV-Wechselrichtern, optional in Verbindung mit einem externen Netz- und Anlagenschutz. Der oder die PV-Wechselrichter und gegebenenfalls der Netz- und Anlagenschutz sind mit einem Wechselspannungsnetz koppelbar bzw. gekoppelt.
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Es werden kontinuierlich (Momentan-)Spannungsmesswerte mindestens einer Spannung des Wechselspannungsnetzes gemessen bzw. gebildet. Dies kann mittels eines oder mehrerer Wechselrichter oder auch mittels eines gegebenenfalls vorhandenen externen Netz- und Anlagenschutzes erfolgen. Beispielsweise kann ein Verlauf der mindestens einen Spannung des Wechselspannungsnetzes in einem Zeitraster von wenigen µs abgetastet und mittels eines A/D-Wandlers in digitale Messwerte umgewandelt werden. Aus den derart erzeugten digitalen Messwerten kann/können beispielsweise ein Effektivwert und/oder ein Spitzenwert der Spannung berechnet werden.
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Weiter wird kontinuierlich ein gleitender Mittelwert über die Spannungsmesswerte über eine vorgegebene Zeitdauer berechnet. Hierzu kann beispielsweise ein Mittelwert über alle Spannungsmesswerte der letzten 10 Minuten, beginnend bei dem zeitlich aktuellen Spannungsmesswert, gebildet werden.
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Weiter wird überwacht, ob der gleitende Mittelwert einen vorgegebenen bzw. vorgebbaren ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert überschreitet. Der Regelungsaktivierungsschwellenwert kann beispielsweise um einen vorgebbaren Betrag knapp unterhalb einer normativ vorgebbaren Abschaltschwelle liegen.
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Wenn der gleitende Mittelwert den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert (erstmalig) überschreitet, wird eine Spannungsregelung aktiviert, während der die Spannung bzw. die davon abgeleiteten Spannungsmesswerte auf einen Spannungssollwert geregelt wird/werden. Wenn der gleitende Mittelwert den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert nicht überschreitet, wird die Spannungsregelung nicht aktiviert. Eine zuvor aktivierte Spannungsregelung kann aktiviert bleiben, wenn der gleitende Mittelwert den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert nicht überschreitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert ein Abschalten des PV-Wechselrichters aufgrund von Überspannung, die durch die Einspeisung selbst verursacht wird. Gleichzeitig wird durch die bedarfsgerechte Aktivierung der Spannungsregelung sichergestellt, dass trotz drohenden Abschaltens eine optimale Einspeiseleistung gegeben ist.
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Die Regelung kann deaktiviert werden, wenn der gleitende Mittelwert einen vorgegebenen bzw. vorgebbaren Regelungsdeaktivierungsschwellenwert unterschreitet. Der Regelungsaktivierungsschwellenwert kann höher liegen als der Regelungsdeaktivierungsschwellenwert, so dass eine Hysterese für das Aktivieren/Deaktivieren der Regelung gegeben ist.
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Die Spannungsmesswerte können Effektivwerte der mindestens einen Spannung sein. Beispielsweise kann für jede Periode der Spannung der Effektivwert als ein jeweiliger Spannungsmesswert berechnet werden.
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Als Stellgröße der Spannungsregelung kann die in das Wechselspannungsnetz eingespeiste Wirkleistung des PV-Wechselrichters dienen. Beispielsweise kann im Zuge der Regelung die gemessene Spannung bzw. die entsprechenden Spannungsmesswerte als Ist-Spannung mit dem Spannungssollwert verglichen werden. Wenn die gemessene Spannung bzw. die entsprechenden Spannungsmesswerte größer als der Spannungssollwert ist/sind, wird die eingespeiste Wirkleistung reduziert. Wenn die gemessene Spannung bzw. die entsprechenden Spannungsmesswerte kleiner als der Spannungssollwert ist/sind, kann die eingespeiste Wirkleistung auf die maximal einspeisbare (zur Verfügung stehende) Wirkleistung eingestellt werden. Die Regelung kann eine PID-Regelung sein.
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Die Regelung kann zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aktivieren (erstmalig) aktiviert werden, wenn ein Spannungsmesswert einen vorgegebenen zweiten Regelungsaktivierungsschwellenwert überschreitet.
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Für den Fall, dass der oder die Spannungsmesswert(e) den vorgegebenen zweiten Regelungsaktivierungsschwellenwert überschreitet/überschreiten und der gleitende Mittelwert den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert nicht überschreitet, dies entspricht einem schnellen Spannungsanstieg, kann der Spannungssollwert auf einen ersten Wert eingestellt werden. Für den Fall, dass der gleitende Mittelwert den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert überschreitet, kann der Spannungssollwert auf einen zweiten Wert eingestellt werden. Der zweite Spannungssollwert kann kleiner sein als der erste Spannungssollwert.
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Der erste Regelungsaktivierungsschwellenwert kann kleiner sein als eine für gleitende Mittelwerte normativ vorgegebene Mittelwert-Abschaltspannungsschwelle, bei der normativ eine Selbstabschaltung des PV-Wechselrichters gefordert ist. Der zweite Regelungsaktivierungsschwellenwert kann kleiner sein als eine für Momentanspannungen normativ vorgegebene Momentanwert-Abschaltspannungsschwelle, bei der normativ eine Selbstabschaltung des PV-Wechselrichters gefordert ist.
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Die vorgegebene Zeitdauer kann 10 Minuten betragen. Es können kontinuierlich Spannungsmesswerte von mehreren Spannungen des Wechselspannungsnetzes gebildet werden, beispielsweise in einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz Spannungsmesswerte der drei L-N Spannungen und Spannungsmesswerte der drei L-L Spannungen, die alle unabhängig voneinander eine Schwelle überschreiten können. Es werden für diesen Fall folglich sechs (Momentan-)Messwerte und 6 gleitende Mittelwerte berechnet. Es wird diejenige Spannung mit dem höchsten Spannungsmesswert ausgewählt und das oben beschriebene Verfahren für die ausgewählte Spannung durchgeführt.
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Der Photovoltaik(PV)-Wechselrichter weist eine Steuereinheit auf, beispielsweise einen Mikroprozessor, die bzw. der dazu ausgebildet ist, das oben genannte Verfahren durchzuführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
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1 ein PV-System mit einem netzgekoppelten PV-Wechselrichter,
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2 einen zeitlichen Verlauf von Signalen des in 1 gezeigten PV-Systems gemäß einem ersten Szenario und
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3 einen zeitlichen Verlauf von Signalen des in 1 gezeigten PV-Systems gemäß einem weiteren Szenario.
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1 zeigt ein PV-System mit einem PV-Wechselrichter 1, der mit einem Wechselspannungsnetz in Form eines Drehstromniederspannungsnetzes 2 elektrisch gekoppelt ist.
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Der PV-Wechselrichter 1 weist einen Mikroprozessor 3 zu seiner Funktionssteuerung auf. Der PV-Wechselrichter 1 ist herkömmlich mit einem PV-Modul 4 gekoppelt. Das nachfolgend beschriebene Betriebsverfahren wird durchgeführt, wenn der Mikroprozessor 3 Programmcode ausführt, der in einem nicht dargestellten Programmspeicher gespeichert ist.
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Der Betrieb des PV-Wechselrichters 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben, die unterschiedliche Betriebsszenarien darstellen.
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2 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer mittels des PV-Wechselrichters 1 in das Netz 2 eingespeisten Wirkleistung PW, einen zeitlichen Verlauf von (Momentan-)Spannungsmesswerten UM einer zugehörigen Spannung des Drehstromniederspannungsnetzes 2 an einem Einspeisepunkt und einen zeitlichen Verlauf eines gleitenden Mittelwerts GM über die Spannungsmesswerte UM.
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Die Spannungsmesswerte UM bilden einen momentanen Effektivwert der Spannung des Drehstromniederspannungsnetzes 2 ab. Die Spannung kann beispielsweise eine von drei L-N Spannungen (Phase gegen Nullleiter) oder eine von drei L-L Spannungen (Phasen gegeneinander) sein. Die Spannung kann anhand eines Kriteriums aus den genannten Spannungen ausgewählt werden. Beispielsweise kann diejenige Spannung ausgewählt werden, die den größten aktuellen Spannungsmesswert oder den größten gleitenden Mittelwert aufweist.
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Der gleitende Mittelwert GM wird über ein gleitendes Zeitfenster mit einer Dauer von 10 Minuten berechnet.
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Im Idealbetriebsfall weisen die Spannungsmesswerte UM in Deutschland einen Wert von UN = 230 V auf.
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Ein erster Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 liegt bei 1,095·UN, d.h. bei 251,85 V.
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Ein zweiter Regelungsaktivierungsschwellenwert S3 liegt bei 1,145·UN, d.h. bei 263,35 V.
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Ein Regelungsdeaktivierungsschwellenwert S2 liegt bei 1,09·UN, d.h. bei 250,7 V.
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Eine in Deutschland normativ vorgegebene Mittelwert-Abschaltspannungsschwelle AS1 liegt bei 1,1·UN, d.h. bei 253 V.
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Eine in Deutschland normativ vorgegebene Momentanwert-Abschaltspannungsschwelle AS2 liegt bei 1,15·UN, d.h. bei 264,5 V.
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Der erste Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 ist kleiner als die Mittelwert-Abschaltspannungsschwelle AS1 und der zweite Regelungsaktivierungsschwellenwert S3 ist kleiner ist die Momentanwert-Abschaltspannungsschwelle AS2.
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Wie in 2 gezeigt, springen die Spannungsmesswerte UM zum Zeitpunkt t0 auf einen Wert knapp unterhalb der Momentanwert-Abschaltspannungsschwelle AS2. Dies führt zu einer stetigen Zunahme des gleitenden Mittelwerts GM, wobei der gleitende Mittelwert GM bis zum Zeitpunkt t1 kleiner ist als der erste Regelungsaktivierungsschwellenwert S1. Dies bedeutet, dass eine Spannungsregelung, bei der die Spannung auf einen vorgegebenen Spannungssollwert geregelt wird, noch nicht aktiviert wird. Der PV-Wechselrichter 1 speist daher 100 % der derzeit verfügbaren Wirkleistung, die von der Erzeugungsleistung des PV-Moduls bestimmt wird, in das Drehstromniederspannungsnetz 2 ein.
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Zum Zeitpunkt t2 überschreitet der gleitende Mittelwert GM den ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert S1. Dies bewirkt eine Aktivierung der Spannungsregelung, bei der die Spannung bzw. die daraus abgeleiteten Spannungsmesswerte UM auf einen vorgegebenen Spannungssollwert geregelt wird/werden. Der Spannungssollwert stimmt vorliegend mit dem Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 überein.
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Da die Spannungsmesswerte UM zunächst größer sind als der Sollwert, wird die Stellgröße in Form der eingespeisten Wirkleistung PW reduziert.
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Der zugehörige Regelalgorithmus kann beispielsweise ein PID-Verhalten aufweisen.
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Wie aus 2 hervorgeht, nimmt die Spannung bzw. nehmen die Spannungsmesswerte UM in etwa entsprechend der reduzierten Wirkleistung PW ab, so dass auch der gleitende Mittelwert GM nach Überschreiten eines Umkehrpunkts wieder abnimmt.
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Zum Zeitpunkt t2 sinken die Spannungsmesswerte UM aufgrund äußerer Umstände abrupt unter den Spannungssollwert, so dass die Stellgröße in Form der eingespeisten Wirkleistung PW wieder bis auf den Maximalwert zunimmt.
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Da die Spannung bzw. die Spannungsmesswerte UM der Nennspannung UN entspricht/entsprechen, nähert sich der gleitende Mittelwert GM ebenfalls der Nennspannung UN an.
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Zum Zeitpunkt t3 unterschreitet der gleitende Mittelwert GM den Regelungsdeaktivierungsschwellenwert S2, wodurch bewirkt wird, dass die Spannungsregelung deaktiviert wird.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Spannungsregelung nur zwischen den Zeitpunkten t1 (Aktivierung der Spannungsregelung) und t3 (Deaktivierung der Spannungsregelung). Außerhalb dieser Zeitbereiche, d.h. bei deaktivierter Regelung, speist der PV-Wechselrichter 1 100 % der verfügbaren Wirkleistung PW in das Drehstromniederspannungsnetz 2 ein.
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Das Verfahren verhindert durch geregeltes Reduzieren der eingespeisten Wirkleistung PW, dass der gleitende Mittelwert GM die zugehörige, normativ vorgegebene Abschaltschwelle AS1 überschreitet. Mit anderen Worten verhindert das Verfahren eine Selbstabschaltung des PV-Wechselrichters 1 aufgrund einer einspeiseverursachten Überspannung.
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3 zeigt ein weiteres Betriebsszenario. Zu einem Zeitpunkt t4 springt die Spannung bzw. springen die Spannungsmesswerte UM von der Nennspannung UN auf Werte knapp unterhalb der Momentanwert-Abschaltspannungsschwelle AS2, jedoch oberhalb des zweiten Regelungsaktivierungsschwellenwerts S3.
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Dies bewirkt das Aktivieren der Spannungsregelung, jedoch mit einem Spannungssollwert, der dem zweiten Regelungsaktivierungsschwellenwert S3 entspricht und der somit größer ist als derjenige Spannungssollwert S1, der eingestellt wird, wenn der gleitende Mittelwert GM den ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 überschreitet.
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Das Aktivieren der Regelung bewirkt, dass die Stellgröße in Form der eingespeisten Wirkleistung PW auf Werte kleiner als 100 % reduziert wird.
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Zum Zeitpunkt t5 überschreitet der gleitende Mittelwert GM den ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert S1, worauf der Spannungssollwert der Spannungsregelung weiter auf den Wert S1 abgesenkt wird. Dies bewirkt ein weiteres Reduzieren der Stellgröße, d.h. der eingespeisten Wirkleistung PW.
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Zum Zeitpunkt t6 sinken die Spannungsmesswerte UM unter den geltenden Sollwert S1, so dass die eingespeiste Wirkleistung PW aufgrund der Spannungsregelung wieder bis auf den Maximalwert von 100 % erhöht wird.
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Zum Zeitpunkt t7 unterschreitet der gleitende Mittelwert GM den Regelungsdeaktivierungsschwellenwert S2, wodurch bewirkt wird, dass die Spannungsregelung deaktiviert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zweistufig aufgebaut. Zunächst findet eine Aktivierung bzw. Deaktivierung der Spannungsregelung auf Basis des 10-Minuten-Mittelwertes GM der überwachten Spannung statt. Dieser 10-Minuten-Mittelwert GM wird auch für den normativ geforderten Überspannungsschutz ausgewertet, wodurch gewährleistet ist, dass ein Reduzieren der eingespeisten Wirkleistung PW nur dann stattfindet, wenn tatsächlich die Gefahr einer überspannungsbedingten Abschaltung besteht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels eines oder mehrerer Wechselrichter durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mittels eines externen Netz- und Anlagenschutzes in Verbindung mit einem oder mehreren Wechselrichtern durchgeführt werden. Wenn beispielsweise ein externer Netz- und Anlagenschutz vorhanden ist, kann das fortlaufende Bilden der Spannungsmesswerte UM, das fortlaufende Bilden des gleitenden Mittelwerts GM und das Überwachen, ob der gleitende Mittelwert GM den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 überschreitet, mittels des externer Netz- und Anlagenschutzes durchgeführt werden. Falls der gleitende Mittelwert GM den vorgegebenen ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 überschreitet, kann der externe Netz- und Anlagenschutz dem oder den PV-Wechselrichtern über eine Datenschnittstelle signalisieren, die Spannungsregelung zu aktivieren, wobei der Spannungssollwert ebenfalls von dem externen Netz- und Anlagenschutz vorgegeben werden kann. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch vollständig innerhalb eines PV-Wechselrichters ablaufen kann.
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Nach Aktivieren der Regelung wird die Momentanspannung bzw. werden die zugehörigen Spannungsmesswerte UM beispielsweise auf einen Sollwert von 0,5 %·UN unterhalb der normativ vorgegebenen Abschaltschwelle AS1 geregelt. Hierzu wird die Einspeisewirkleistung PW über einen PID-Regler eingestellt, um im eingeregelten Zustand die gewünschte Sollspannung zu erhalten.
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Sinkt die Momentanspannung bzw. sinken die zugehörigen Spannungsmesswerte UM unter einen Wert von O,5 %·UN unterhalb der Abschaltschwelle AS1 ab, öffnet die Regelung die Einspeisewirkleistung PW wieder bis zum Maximum.
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Sinkt der 10-Minuten-Mittelwert GM der Spannung unter einen Wert von 1 %·UN unterhalb der Abschaltschwelle AS1 ab, wird die Regelung deaktiviert. Nach dem Deaktivieren wird auf eine kurzfristige Erhöhung der Spannungsmesswerte UM nicht mit einem Wirkleistungsreduzieren reagiert. Erst wenn der 10-Minuten-Mittelwert GM wieder über die Aktivierungsschwelle S1 steigt, wird im Zuge der Spannungsregelung wieder auf eine Erhöhung der Spannungsmesswerte UM durch Wirkleistungsreduzieren reagiert.
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Häufig ist ein Überspannungsschutz zweistufig aufgebaut. Eine erste Stufe wertet den 10-Minuten-Mittelwert GM aus und eine zweite Stufe wertet die Momentanspannung bzw. die Spannungsmesswerte UM aus.
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Um ein Abschalten aufgrund der 2. Stufe zu verhindern, wird die Regelung ebenfalls aktiviert, wenn die Momentanspannung bzw. die Spannungsmesswerte UM auf einen Wert von 0,5%·UN unterhalb der Abschaltschwelle AS2 der zweiten Stufe steigt/steigen.
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Der Spannungssollwert der Regelung wird dann beispielsweise zunächst auf einen Wert von 0,5%·UN unterhalb der Abschaltschwelle AS2 der zweiten Stufe eingestellt, bis schließlich der gleitende Mittelwert UM den ersten Regelungsaktivierungsschwellenwert S1 überschreitet, worauf der Spannungssollwert entsprechend angepasst wird.
