DE102014108706A1

DE102014108706A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE102014108706A1
Application number: DE102014108706.2A
Authority: DE
Inventors: Sybille Pape; Jens-Birger Hertkorn
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-06-21
Also published as: DE102014108706B4; JP6585935B2; JP2016010314A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz (5) bei einem zur Energieeinspeisung mit dem Energieversorgungsnetz (5) verbundenen Wechselrichter (3) mit den folgenden Schritten: – Ermitteln einer Frequenz (f) des Energieversorgungsnetzes (5); – Bestimmen einer Frequenzänderungsrate (|df/dt|), die einen Absolutwert einer Änderungsrate (df/dt) der Frequenz (f) darstellt; – Analysieren der Frequenzänderungsrate (|df/dt|) und feststellen, ob sie für einen vorgegebenen ersten Zeitraum (T1) größer als ein vorgegebener erster Schwellenwert (dF1) ist; – Analysieren der Frequenzänderungsrate (|df/dt|) und feststellen, ob sie für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum (T2) größer als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert (dF2) ist, wobei der erste Schwellenwert (dF1) ungleich dem zweiten Schwellenwert (dF2) ist und/oder der erste Zeitraum (T1) ungleich dem zweiten Zeitraum (T2) ist; und – Erkennen einer Inselnetzsituation in dem Energieversorgungsnetz (5), wenn die Frequenzänderungsrate (|df/dt|) für mindestens den ersten Zeitraum (T1) größer als der vorgegebene erste Schwellenwert (dF1) ist und für mindestens den zweiten Zeitraum (T2) größer als der vorgegebene zweite Schwellenwert (dF2) ist und der erste Zeitraum (T1) innerhalb des zweiten Zeitraums (T2) liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz bei einem zur Energieeinspeisung mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Wechselrichter. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Ermittelns einer Frequenz des Energieversorgungsnetzes, des Bestimmens einer Frequenzänderungsrate, die einen Absolutwert einer Änderungsrate der Frequenz darstellt, des Analysierens der Frequenzveränderungsrate und des Feststellens, ob sie für einen vorgegebenen Zeitraum größer als ein vorgegebener erster Schwellenwert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Die Frequenz, beispielsweise einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms, in einem Energieversorgungsnetz ist in einem Energieversorgungsnetz innerhalb enger Grenzen fest vorgegeben und wird beispielsweise durch die in das Netz einspeisenden Generatoren konstant gehalten. In vielen Ländern ist dabei ein Nominalwert von 50 Hertz (Hz) oder 60 Hertz (Hz) üblich. Ein Wechselrichter, der beispielsweise Teil einer Energieerzeugungsanlage ist, die zur Einspeisung von Energie in das Versorgungsnetz mit diesem verbunden ist, übernimmt beim Einspeisen die im Energieversorgungsnetz vorliegende Frequenz.
Beim Betrieb eines derartigen Wechselrichters kann eine Betriebssituation auftreten, in der ein Teil des Energieversorgungsnetzes, in das der Wechselrichter einspeist, vom Rest des Netzes getrennt ist. Dabei kann auch der Wechselrichter vollständig vom Energieversorgungsnetz getrennt sein und nur noch mit einem lokalen Netz, in dem sich der Wechselrichter befindet, verbunden sein. Es entsteht dann eine sogenannte Inselnetzsituation, in der sich der Wechselrichter spätestens nach einer vorgegebenen und meist für ein Energieversorgungsnetz durch dessen Betreiber festgelegten Zeitspanne abschalten muss.
Zum Erkennen einer derartigen Inselnetzsituation wird häufig das eingangs genannte Verfahren, bei dem eine Frequenzänderung des Energieversorgungsnetzes bzw. eines möglicherweise abgetrennten Teils des Energieversorgungsnetzes analysiert wird, eingesetzt. Dieses Verfahren ist auch als ROCOF-Verfahren (rate of change of frequency) bekannt. Es wird die Höhe einer Frequenzänderungsrate betrachtet. Übersteigt die Änderungsrate für länger als eine vorgegebene Zeit, beispielsweise 200 Millisekunden (ms), eine vorgegebene Höhe, beispielsweise 0,2 Hz/s, wird dieses als eine Inselnetzsituation interpretiert. Abhängig von Regelungen, die für das betreffende Energieversorgungsnetz gelten, kann oder muss daraufhin beispielsweise der Wechselrichter abgeschaltet werden.
Jedoch besteht häufig innerhalb eines Energieversorgungsnetzes auch die Anforderung an einen Wechselrichter, bestimmte Fehlersituationen des Energieversorgungsnetzes zu durchlaufen, ohne dass sich der Wechselrichter vom Netz abschaltet (FRT – fault ride through). Die Berücksichtigung dieser Forderung kann in Konflikt mit der bekannten Inselnetzerkennung gemäß dem ROCOF-Verfahren stehen.
Aus der Druckschrift US 2010/0286838 A1 ist eine Erweiterung des ROCOF-Verfahrens bekannt, bei dem zusätzlich zur Änderungsrate der Frequenz auch ein absoluter Wert der Frequenzänderung ermittelt wird. Erst wenn beide ermittelten Parameter (Frequenzänderungsrate und Frequenzänderung) bestimmte Bedingungen erfüllen, wird auf eine Inselnetzsituation geschlossen. Auch die Kombination dieser Kriterien ermöglicht jedoch nicht in allen Fällen eine eindeutige Erkennung einer Inselnetzsituation bei gleichzeitiger Erfüllung der in einem Energieversorgungsnetz geltenden FRT-Kriterien.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Inselnetzerkennung zu schaffen, mit dem eine vorliegende Inselnetzsituation sicher erkannt wird, ohne dass es zu einer ungerechtfertigten Abschaltung in einer Situation kommt, die vom einspeisenden Wechselrichter durchlaufen werden sollte. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des genannten Verfahrens geeignete Vorrichtung zu beschreiben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz bei einem zur Energieeinspeisung mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Wechselrichter weist neben den eingangs genannten die weiteren folgenden Schritte auf: Es wird analysiert und festgestellt, ob die Frequenzänderungsrate für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum größer als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert ist, wobei der erste Schwellenwert ungleich dem zweiten Schwellenwert ist und/oder der erste Zeitraum ungleich dem zweiten Zeitraum ist. Eine Inselnetzsituation in dem Energieversorgungsnetz wird dann erkannt, wenn die Frequenzänderungsrate für mindestens den ersten Zeitraum größer als der vorgegebene erste Schwellenwert ist und für mindestens den zweiten Zeitraum größer als der vorgegebene zweite Schwellenwert ist und der erste Zeitraum innerhalb des zweiten Zeitraums liegt.
Gemäß der Erfindung wird zum sicheren Erkennen einer Inselnetzsituation und zur Abgrenzung der Situation von einem FRT-Fall die Frequenzänderungsrate in zwei ROCOF-Verfahren mit jeweils unterschiedlichen Bewertungsparametern (jeweils Schwellenwert und Zeitraum) analysiert und eine Inselnetzsituation nur dann erkannt, wenn die Bedingungen in beiden Fällen erfüllt sind. Das Kriterium, demzufolge der eine Zeitraum innerhalb des anderen liegen muss, stellt sicher, dass die Frequenzänderungsrate in beiden Fällen ein und derselben Situation zuzuschreiben ist. Die Kombination zweier ROCOF-Verfahren mit unterschiedlichen Bewertungsparametern ermöglicht eine differenzierte Bewertung einer Situation im Energieversorgungsnetz. Gleichwohl wird auf eine Technik zurückgegriffen, deren grundsätzliche Eignung zur Erkennung einer Inselnetzsituation etabliert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der erste Schwellenwert größer als der zweite Schwellenwert und der erste Zeitraum kürzer als der zweite Zeitraum. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass bei einer Inselnetzsituation in der Regel eine hohe Frequenzänderungsrate für zumindest einen kurzen Zeitraum und eine weniger hohe Frequenzänderungsrate für einen längeren Zeitraum auftreten. Diese Charakteristik wird bei dieser Ausgestaltung durch die Wahl der Bewertungsparameter ausgenutzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Inselnetzsituation erkannt, wenn der erste Zeitraum vollständig innerhalb des zweiten Zeitraums liegt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der erste Schwellenwert mindestens 2-mal und bevorzugt mindestens 10-mal so groß ist wie der zweite Schwellenwert. Bevorzugt liegt der zweite Schwellenwert in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,5 Hz/s (Hertz/Sekunde). Weiter bevorzugt ist der zweite Zeitraum mindestens 5-mal und bevorzugt mindestens 20-mal so lang wie der erste Zeitraum. Bevorzugt liegt der zweite Zeitraum in einem Bereich zwischen 100 und 500 ms (Millisekunden). Die genannten Wertebereiche für die Bewertungsparameter haben sich als besonders geeignet zur sicheren Erkennung einer Inselnetzsituation erwiesen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens wird nach einem Feststellen einer Überschreitung des ersten Schwellenwertes für mindestens den ersten Zeitraum ein RS-FlipFlop gesetzt oder ein D-FlipFlop oder ein Monoflop getriggert oder eine Hilfsvariable gesetzt. Bevorzugt wird dabei ein Ausgang des RS-FlipFlops, des D-FlipFlops oder des Monoflops oder der Zustand der Hilfsvariablen mit dem Ergebnis der Überprüfung, ob die Frequenzänderungsrate den zweiten Schwellenwert für mindestens den zweiten Zeitraum überschritten hat, verknüpft. Besonders bevorzugt ist die Verknüpfung eine UND-Verknüpfung. Die genannten Varianten stellen Ausgestaltungen dar, bei denen die beiden Kriterien unter Berücksichtigung des zeitlichen Ablaufs geschickt miteinander kombiniert werden können.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz bei einem zur Energieeinspeisung mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Wechselrichter weist einen Frequenzermittler zum Ermitteln einer Frequenz des Energieversorgungsnetzes, ein Differenzierglied zum Ermitteln einer Frequenzänderungsrate und eine Analyseeinheit zur Auswertung der Frequenzänderungsrate auf. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens bzw. einer seiner Ausgestaltungen eingerichtet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Analyseeinheit zwei Schwellenwertschalter auf, die ein Überschreiten des ersten bzw. zweiten Schwellenwertes überwachen. Mit Hilfe der Schwellenwertschalter wird ein Überschreiten des ersten bzw. zweiten Schwellenwerts erfasst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung ganz oder teilweise in einen Wechselrichter integriert. Ein Wechselrichter, der zur Einspeisung von elektrischer Energie mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, weist häufig bereits Komponenten zur Erfassung der Frequenz im Energieversorgungsnetz und/oder ihrer Änderungsrate auf. Diese Komponenten können dann im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens genutzt werden, wodurch sich eine Implementierung des Verfahrens einfacher und kostengünstiger gestaltet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer PV-Anlage;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Analyseeinheit einer Vorrichtung zur Inselnetzerkennung,
3, 4 Zeitdiagramme zur Darstellung des Verlaufs verschiedener Signale einer Vorrichtung zur Inselnetzerkennung bei verschiedenen Betriebssituationen eines Energieversorgungsnetzes;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Analyseeinheit einer Vorrichtung zur Inselnetzerkennung; und
6, 7 jeweils ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Inselnetzerkennung bei einem Energieversorgungsnetz.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zur Durchführung eines Verfahrens zur Inselnetzerkennung eingerichtete Photovoltaikanlage (PV-Anlage).
Die PV-Anlage weist einen PV-Generator 1 auf, der über Gleichstrom(DC – direct current)-Leitungen 2 mit einem Gleichstromeingang eines Wechselrichters 3 verbunden ist.
Symbolhaft ist in der 1 der PV-Generator 1 durch das Schaltsymbol nur einer PV-Zelle dargestellt. In einer Umsetzung der gezeigten PV-Anlage kann der PV-Generator 1 eine Mehrzahl von aus einer Zusammenschaltung von mehreren PV-Zellen gebildeten PV-Modulen aufweisen, die beispielsweise zu einem String serienverschaltet sind. Gegebenenfalls können mehrere dieser Strings auch parallel und/oder in Serie geschaltet sein. Der PV-Generator 1 kann sich ebenso aus mehreren PV-Teilgeneratoren zusammensetzen, die elektrisch zusammengeschaltet mit dem Wechselrichter 3 verbunden sind oder die über jeweils separate Gleichstromleitungen 2 mit dem Wechselrichter 3 verbunden sind, der dann als sogenannter Multi-String-Wechselrichter ausgebildet ist und über beispielsweise mehrere unabhängig voneinander regelbare Gleichstromeingänge verfügt.
Der Wechselrichter 3 ist über an einen Wechselstrom(AC – alternating current)-Ausgang angeschlossene Wechselstrom-Leitungen 4 mit einem Energieversorgungsnetz 5 verbunden. Beispielhaft ist sowohl der Wechselrichter 3 als auch die Verbindung zum Energieversorgungsnetz 5 hier einphasig ausgebildet. Das Energieversorgungsnetz 5 kann aber ebenso wie der Wechselrichter 3 mehrphasig, insbesondere dreiphasig sein.
Zudem sind in 1 im Rahmen der Anmeldung nicht wesentliche Elemente der PV-Anlage nicht dargestellt. So können beispielsweise auf der Gleich- und/oder Wechselstromseite des Wechselrichters 3 hier nicht dargestellte Schaltorgane (zum Beispiel Trennelemente, Schütze), Filter (zum Beispiel ein Sinusfilter), Netzüberwachungseinrichtungen und/oder Transformatoren vorgesehen sein.
Bei der PV-Anlage der 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Inselnetzerkennung vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Vorrichtung 10 extern vom Wechselrichter 3 angeordnet. Es ist jedoch denkbar, dass die Vorrichtung 10 ganz oder teilweise in den Wechselrichter 3 integriert ist.
Die Vorrichtung 10 weist einen Eingang 11 auf, an dem eine Spannung des Energieversorgungsnetzes 5 am Ausgang des Wechselrichters 3 zugeführt wird. Dazu ist die Vorrichtung 10 mit ihren Eingängen 11 über einen Abgriff 6 mit den AC-Leitungen 4 verbunden. In der Vorrichtung 10 ist ein Frequenzermittler 12 enthalten, der aus dem am Eingang 11 zugeführten Signal eine Frequenz f des Energieversorgungsnetzes 5 bestimmt. Ein Wert der Frequenz f wird an einem Ausgang des Frequenzermittlers 12 ausgegeben. Als Frequenz f des Energieversorgungsnetzes 5 ist im Rahmen der Anmeldung eine Frequenz eines elektrischen Parameters des Energieversorgungsnetzes 5 zu verstehen, beispielsweise die Frequenz einer Spannung auf einer der Phasen des Energieversorgungsnetzes 5. Es kann also auch eine andere Größe des Energieversorgungsnetzes als die in 1 beispielhaft verwendete Spannung, beispielsweise ein Strom, zur Ermittlung der Frequenz herangezogen werden. Es wird angemerkt, dass im Rahmen der Ermittlung der Frequenz f eine Filterung, z.B. eine Tiefpassfilterung, und/oder eine Bildung eines gleitenden Mittelwertes vorgenommen werden kann.
Die Verbindung des Frequenzermittlers 12 unmittelbar mit dem Energieversorgungsnetz 5 ist in der 1 als ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Alternativ kann beispielsweise ein Spannungssignal, das dem Verlauf der Spannung im Energieversorgungsnetz 5 proportional ist, als Kleinspannungssignal von einer in der AC-Leitung 4 angeordneten Einheit, z.B. einer Netzüberwachungseinheit, abgegriffen und der Vorrichtung 10 zugeführt werden.
Weiter ist denkbar, dass eine analog zum Frequenzermittler 12 arbeitende Einheit bereits im Wechselrichter 3 vorliegt. Ein Ausgangssignal, das die Frequenz f des Energieversorgungsnetzes 5 angibt, kann dann über eine Informationsleitung 7, die in der 1 als optionales Element gestrichelt dargestellt ist, vom Wechselrichter 3 der Vorrichtung zur Inselnetzerkennung 10 zur Verfügung gestellt werden, wobei dann auf den Frequenzermittler 12 verzichtet werden kann.
Das die Frequenz f angebende Signal wird innerhalb der Vorrichtung zur Inselnetzerkennung 10 einem Differenzierglied 13 zugeführt. Das Differenzierglied 13 bildet zunächst eine zeitliche Ableitung df/dt des die Frequenz f angebenden Signals. Die zeitliche Ableitung df/dt wird auch als Änderungsrate der Frequenz f bezeichnet. Weiter wird von der Änderungsrate df/dt ein Absolutwert gebildet, wobei von einer negativen Änderungsrate das Vorzeichen entfernt wird. Unabhängig davon, ob sich die Frequenz f mit der Zeit vergrößert oder verkleinert, ist der Absolutwert der Änderungsrate df/dt positiv. Nachfolgend wird der Absolutwert der Änderungsrate df/dt durch den Ausdruck |df/dt| wiedergegeben und als Frequenzänderungsrate bezeichnet.
Diese Frequenzänderungsrate |df/dt| wird einer Analyseeinheit 14 zugeführt, an deren Ausgang 15 ein Signal ausgegeben wird, das das Vorliegen einer Inselnetzsituation signalisiert. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Ausgangssignal über eine Signalisierungsleitung 8 an den Wechselrichter 3 übermittelt, der nach Erhalt eines derartigen Signals beispielsweise gemäß den Vorgaben der Energieversorgungsnetzbetreiber seinen Einspeisebetrieb einstellt und sich gegebenenfalls vom Energieversorgungsnetz 5 trennt.
2 zeigt in einem Blockschaltbild eine mögliche erste Ausgestaltung einer Analyseeinheit 14 zur Verwendung in einer Vorrichtung 10 zur Inselnetzerkennung, beispielsweise der in 1 dargestellten.
Die Analyseeinheit 14 weist zwei Schwellenwertschalter, einen ersten Schwellenwertschalter 141 und einen zweiten Schwellenwertschalter 142 auf, denen die Frequenzänderungsrate |df/dt| zugeführt wird. Jeder der Schwellenwertschalter 141, 142 ist durch zwei vorgebbare Bewertungsparameter charakterisiert, konkret einen Schwellenwert dF für eine Frequenzänderungsrate und eine Dauer eines Zeitraums T. Diese Bewertungsparameter, ebenso wie die später erläuterten Ausgänge der Schwellenwertschalter 141, 142 sind nachfolgend durch Indizes voneinander unterschieden. Dabei gibt ein Index „1“ die Parameter bzw. Ausgänge des ersten Schwellenwertschalters 141 und ein Index „2“ die Parameter und Ausgänge des zweiten Schwellenwertschalters 142 an.
Jeder der Schwellenwertschalter 141, 142 weist zwei Ausgänge auf, einen ersten Ausgang RAT₁ bzw. RAT₂, an dem signalisiert wird, ob die am Eingang zugeführte Frequenzänderungsrate |df/dt| größer ist als der entsprechende Schwellenwert dF₁ bzw. dF₂. An einem jeweiligen zweiten Ausgang ID₁ bzw. ID₂ wird signalisiert, ob der genannte Schwellenwert dF₁ bzw. dF₂ permanent für länger als der erste Zeitraum T₁ bzw. der zweite Zeitraum T₂ überschritten wurde.
Die Funktion der Schwellenwertschalter 141, 142 entspricht dabei jeweils für sich genommen einer Umsetzung des bekannten ROCOF-Verfahrens. Auch bei diesem wird signalisiert, ob ein vorgegebener Schwellenwert einer Frequenzänderungsrate für länger als ein vorgegebener Zeitraum überschritten wurde.
Es wird angemerkt, dass es alternativ zu der Bereitstellung der Frequenzänderungsrate auch möglich ist, den Schwellenwertschaltern 141, 142 jeweils entweder einen Wert der Frequenz f oder auch eine Größe aus dem Energieversorgungsnetz 5, beispielsweise eine Spannung, zuzuführen, wobei dann jeweils ein Frequenzermittler analog zum Frequenzermittler 12 der 1 bzw. ein Differenzierglied analog zum Differenzierglied 13 gemäß 1 in dem jeweiligen Schwellenwertschalter 141, 142 zu integrieren wären.
Die 3 und 4 zeigen Signalverläufe an verschiedenen Ein- oder Ausgängen und an Knotenpunkten der Analyseeinheit 14 der 2 für zwei beispielhafte Betriebssituationen des Energieversorgungsnetzes 5. Im jeweils oberen Teil der Figuren ist in einem Diagramm ein beispielhafter Verlauf der Änderungsrate df/dtder Frequenz f dargestellt. Ausgehend von diesem Verlauf der Änderungsrate df/dt der Frequenz f sind im unteren Bereich der 3 und 4 die Signale an verschiedenen Punkten innerhalb der Analyseeinheit 14 wiedergegeben. Die angegebenen Signalverläufe sind digitale Signalverläufe mit nur zwei Pegeln, wobei ein auf der dargestellten Ordinate liegender Pegel als logisch „0“ und ein darüber liegender Pegel als logisch „1“ angesehen wird. Eine Zuordnung, welchem Spannungspegel der entsprechende Logikpegel entspricht, kann dabei beliebig gewählt sein. Der mit der Bezeichnung „MFO“ versehene Signalverlauf bezieht sich auf das im Zusammenhang mit 5 beschriebene Ausführungsbeispiel.
An den Signalverläufen an den Ausgängen RAT₁ bzw. RAT₂ und ID₁ bzw. ID₂ in 3 ist zu erkennen, dass bei dem dargestellten zunächst rasch ansteigenden Signalverlauf der Änderungsrate df/dt der Frequenz f zunächst der Schwellenwert dF₂ und danach der Schwellenwert dF₁ überschritten wird. Nachdem die Änderungsrate df/dt der Frequenz f einen Maximalwert überschritten hat, fällt sie zunächst unter den ersten Schwellenwert dF₁ und später unter den zweiten Schwellenwert dF₂. Beide Schwellenwerte dF₁ und dF₂ werden für länger als die ihnen zugeordnete Zeit T₁ bzw. T₂ überstiegen. Aus diesem Grund wird sowohl das Signal ID₁ zumindest für eine Zeitlang aktiv und auch das Signal ID₂.
Der dargestellte Verlauf der Änderungsrate df/dt der Frequenz f zeigt also sowohl ein Überschreiten des zweiten, kleineren Schwellenwertes dF₂ für den zweiten, längeren Zeitraum T₂, als auch ein kürzeres, jedoch länger als der erste Zeitraum T₁ andauerndes Überschreiten des ersten, höheren Schwellenwertes.
Die in 3 dargestellte Situation ist charakteristisch für das Vorliegen einer Inselnetzsituation. Der Verlauf der Frequenz bei einer Inselnetzsituation zeichnet sich nach den dieser Anmeldung zugrundeliegenden Analysen und Untersuchungen dadurch aus, dass beim Vorliegen einer Inselnetzsituation zunächst eine große, fast sprungartige Änderung der Frequenz auftritt, die von einer über einen längeren Zeitraum andauernden Frequenzänderung überlagert ist, die jedoch eine geringere Frequenzänderungsrate hat. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Signale an den Ausgängen der Schwellenwertschalter 141, 142 daher so verknüpft, dass eine Inselnetzsituation dann erkannt wird, wenn beide vorgegebenen Schwellenwerte der Frequenzänderungsrate für den jeweils zugeordneten Zeitraum überschritten werden und wenn der Zeitraum des Überschreitens des ersten, höheren Schwellenwertes innerhalb des Zeitraums des Überschreitens des zweiten niedrigeren Schwellenwertes liegt.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 wird die logische Verschaltung der Ausgangssignale durch ein RS-FlipFlop 143 und ein UND-Gatter 144 erreicht. Das RS-FlipFlop 143 ist mit seinem S-Eingang (Set) mit dem Ausgang ID₁ des ersten Schwellenwertschalters 141 verbunden. Wenn somit der Ausgang ID₁ einmal logisch „1“ wird, wird das RS-FlipFlop gesetzt und gibt an seinem Ausgang Q ein Signal des Pegels logisch „1“ aus. Der Ausgang Q bzw. das Signal an diesem Ausgang werden nachfolgend und in den 3 und 4 als RFO bezeichnet. Beim Zeitverlauf gemäß der Betriebssituation aus 3 wird entsprechend das Signal am Ausgang RFO auf logisch „1“ gesetzt, sobald das Signal am Ausgang ID₁ des ersten Schwellenwertschalters 141 auf logisch „1“ geht. Das RS-FlipFlop 143 ist mit einem invertierenden R-Eingang (Reset) mit dem Ausgang RAT₂ des zweiten Schwellenwertschalters verbunden. Ein Pegel von logisch „0“ am Ausgang RAT₂ am zweiten Schwellenwertschalter 142 würde somit das RS-FlipFlop 143 zurücksetzen und den Ausgang RFO wieder auf logisch „0“ setzen.
Der Ausgang RFO des RS-FlipFlops 143 ist dann über das UND-Gatter 144 mit dem Ausgang ID₂ des zweiten Schwellenwertschalters 142 verknüpft, wobei der Ausgang des UND-Gatters 144 auch den Ausgang der Analyseeinheit 14 und damit den Ausgang 15 der Vorrichtung 10 bildet. Das Signal an den genannten Ausgängen wird als IDO-Signal (island detection out) bezeichnet und ist auch in den 3 und 4 im Zeitverlauf angegeben.
Bei dem in 3 angegebenen Zeitverlauf der Änderungsrate df/dt der Frequenz f wird zunächst der erste Schwellenwert dF₁ der Frequenz für länger als der Zeitraum T₁ überschritten, so dass der Ausgang ID₁ des ersten Schwellenwertschalters 1 aktiv wird und damit der Ausgang RFO des RS-FlipFlops 143. Da die Änderungsrate df/dt der Frequenz f auch für länger als der zweite Zeitraum T₂ größer als der zweite Schwellenwert dF₂ ist, wird zum einen das RS-FlipFlop 143 nicht zurückgesetzt, da RAT₂ in diesem Zeitraum logisch „1“ ist, und zum anderen der Ausgang ID₂ nach Ablauf des zweiten Zeitraums T₂ ebenfalls aktiv. Damit sind beide Eingänge des UND-Gatters 144 auf logisch „1“ und damit auch der Ausgang IDO. Das Diagramm der 3 gibt also einen Zeitverlauf der Änderungsrate df/dt der Frequenz f wieder, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Inselnetzerkennung das Vorliegen einer Inselnetzsituation anzeigt.
Im Unterschied dazu zeigt 4 einen Verlauf der Änderungsrate df/dt der Frequenz f, bei dem nicht auf das Vorliegen einer Inselnetzsituation erkannt wird. Es wird zwar der erste Schwellenwert dF₁ für länger als der erste Zeitraum T₁ überschritten und damit sowohl das Signal ID₁ des ersten Schwellenwertschalters 141, als auch der Ausgang RFO des RS-FlipFlops 143 gesetzt. Der zweite Schwellenwert dF₂ wird jedoch nicht ausreichend lang überschritten, als dass das Signal ID₂ gesetzt würde. Auch ist am Ende der ersten Periode, in der das Signal RAT₂ logisch „1“ ist, zu erkennen, dass durch das Wegfallen dieses Signals das RS-FlipFlop 143 zurückgesetzt wird, so dass auch der Ausgang RFO wieder auf logisch „0“ geht. Folglich würde, auch wenn nachfolgend der zweite Schwellenwert dF₂ für länger als der zweite Zeitraum T₂ überschritten werden würde, eine Inselnetzsituation deswegen nicht erkannt, weil im Zusammenhang mit dieser längeren Überschreitung des zweiten Schwellenwertes dF₂ keine Überschreitung des ersten Schwellenwertes dF₁ beobachtet wurde.
Ergänzend wird angemerkt, dass anstelle eines RS FlipFlops 143 auch ein D-Flip-Flop mit invertierendem asynchronem R-Eingang (Reset) verwendet werden kann, bei dem am D-Eingang permanent logisch „1“ anliegt und bei dem der Takteingang mit dem Ausgang ID₁ des ersten Schwellenwertschalters 141 sowie der invertierende asynchrone R-Eingang (Reset) mit dem Ausgang RAT₂ des zweiten Schwellenwertschalters verbunden ist. Bei einem RS-FlipFlop können unbestimmte Zustände auftreten, wenn der Set- und der Reseteingang auf sich einander widersprechenden Signalpegeln liegen. Da ein D-FlipFlop flankengesteuert ist, werden solche undefinierten Zustände, wie sie beim RS-FlipFlop auftreten können, vermieden.
In 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer möglichen Ausgestaltung der Analyseeinheit 14, beispielsweise zur Verwendung im Ausführungsbeispiel der 1, dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier gleiche oder gleich wirkende Elemente wie bei dem Ausführungsbeispiel der 2.
Wiederum sind die aus 2 bekannten Schwellenwertschalter 141 und 142 mit den Parametern dF₁ und T₁ bzw. dF₂ und T₂ eingesetzt. Von diesen Schwellenwertschaltern 141 und 142 werden hier nur die Ausgänge ID₁ bzw. ID₂ benötigt. Anstelle des RS-FlipFlops 143 wird ein Monoflop 145 verwendet, dessen Eingang am Ausgang ID₁ des ersten Schwellenwertschalters angeschlossen ist. Ein am Ausgang ID₁ anliegendes und die Überschreitung des ersten Schwellenwerts dF₁ für einen Zeitraum länger als den Zeitraum T₁ angebendes Signal wird durch das Monoflop 145 auf eine vorgegebene Zeitdauer τ verlängert. An einem Ausgang MFO des Monoflops 145 liegt somit ein Signal an, das anzeigt, dass der Ausgang ID₁ innerhalb der zurückliegenden Zeitdauer τ mindestens einmal logisch „1“ war. Der zeitliche Verlauf des Signals an dem Ausgang MFO ist für die im Zusammenhang mit den 3 und 4 geschilderten Situationen in den 3 und 4 ebenfalls dargestellt.
Bevorzugt ist das Monoflop 145 nachtriggerbar, wird also von einer von logisch „0“ auf logisch „1“ ansteigenden Flanke des Signals ID₁ erneut gestartet. Der Ausgang MFO des Monoflops 145 wird ebenso wie der Ausgang ID₂ des zweiten Schwellenwertschalters 142 dem UND-Gatter 144 zugeführt. Auch hierbei zeigt dann das Signal IDO am Ausgang des UND-Gatters 144 an, dass der zweite Schwellenwert dF₂ für länger als der zweite Zeitraum T₂ überschritten wurde und während dieser Zeit zumindest einmal der erste Schwellenwert dF₁ für länger als der erste Zeitraum T₁ überschritten wurde. Der Zeitparameter des Monoflops 145 τ wird bevorzugt als τ = T₂ – T₁ gewählt. Der Signalverlauf des Signals IDO ist bei Verknüpfung mit dem Signal am Ausgang MFO in 3 entsprechend kürzer als bei Verknüpfung mit dem Signal am Ausgang RFO, was in 3 im Signal IDO gestrichelt dargestellt ist.
Es versteht sich, dass die in den 1, 2 und 5 dargestellte Ausgestaltung einer Vorrichtung 10 zur Inselnetzerkennung sowohl in Hardware, als auch in Software oder teilweise in Hard- und teilweise in Software umgesetzt sein kann. In den nachfolgend beschriebenen Flussdiagrammen der 6 und 7 wird eine eher softwareorientierte Umsetzung von Verfahren zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz beschrieben. Beide Verfahren können beispielswiese bei dem Ausführungsbeispiel der 1 eingesetzt werden, wenn die Vorrichtung 10 zur Inselnetzerkennung eine Ablaufsteuerung, z.B. einen Mikrocontroller, aufweist.
Beim Ausführungsbeispiel der 6 werden in einem ersten Schritt S101 Variablen t₁ und t₂ und IDO auf den Wert 0 gesetzt.
In einem zweiten Schritt S102 wird eine Änderungsrate df/dt einer Frequenz f im Energieversorgungsnetz bestimmt. Wird das Verfahren innerhalb eines Wechselrichters, beispielsweise dem Wechselrichter 3 gemäß 1, durchgeführt, kann gegebenenfalls auf entsprechende, bereits vorliegende Informationen zurückgegriffen werden.
In einem nächsten Schritt S103 wird überprüft, ob ein Absolutwert der Änderungsrate df/dt der Frequenz f größer ist als ein erster Schwellenwert dF₁. Ist dies nicht der Fall, verzweigt das Verfahren zurück zum Schritt S101, in dem die genannten Variablen neu gesetzt werden.
Falls die Frequenzänderungsrate |df/dt|, die den Absolutwert der Änderungsrate df/dt der Frequenz f darstellt, den Schwellenwert im Schritt S103 überschritten hat, werden in einem nachfolgenden Schritt S104 beide Variablen t₁ und t₂ inkrementiert, d. h. jeweils um 1 erhöht.
In einem folgenden Schritt S105 wird überprüft, ob der Wert der Variablen t₁ größer ist als ein vorgegebener Wert T₁. Falls nicht, verzweigt das Verfahren zurück zu dem Schritt S102 woraufhin die Schritte S102 bis S105 erneut durchlaufen werden. Es wird dabei davon ausgegangen, dass das Durchlaufen der durch die Schritte S102 bis S105 gebildeten Schleife innerhalb einer vorgegebenen Zeit vor sich geht, so dass die Variable t₁ als ein Zeitmesser für den Zeitraum dient, während dem die Frequenzänderungsrate |df/dt| größer ist als der erste Schwellenwert dF₁. Entsprechend stellt die Konstante T₁ den im Zusammenhang mit den 2 und 5 beschriebenen Zeitraum T₁ dar.
Wenn das Kriterium im Schritt S105 erfüllt ist, verzweigt das Verfahren zu einem nächsten Schritt S106, in dem analog zum Schritt S102 die Änderung df/dt der Frequenz f bestimmt wird. Im folgenden Schritt S107 wird überprüft, ob die zugeordnete Frequenzänderungsrate |df/dt| größer als der zweite Schwellenwert dF₂ ist. Falls nicht, beginnt das Verfahren erneut vom Anfang mit Schritt S101. Falls doch, wird in einem folgenden Schritt S108 die Zählvariable t₂ inkrementiert.
Im folgenden Schritt S109 wird überprüft, ob die Zählvariable t₂ einen Wert aufweist, der größer als ein vorgegebener Wert T₂ ist. Falls nicht, verzweigt das Verfahren zurück zum Schritt S106. Damit stellen die Schritte S106 bis S109 analog zu den Schritten S102 bis S105 eine Schleife dar, mit der die Zeitdauer ermittelt wird, für die die Frequenzänderungsrate |df/dt| größer als der zweite Schwellenwert dF₂ ist. Da ein Überschreiten des ersten Schwellenwerts dF₁ im Schritt S103 ebenfalls ein Überschreiten des zweiten, kleineren Schwellenwerts dF₂ bedeutete, wurden im Schritt S104 diese Zeiten bereits berücksichtigt.
Falls im Schritt S109 festgestellt wird, dass auch der zweite Schwellenwert dF₂ für länger als der ihm zugeordnete Zeitraum T₂ überschritten wurde, wird in einem Schritt S110 die Variable IDO auf den Wert 1 gesetzt und damit das Vorliegen einer Inselnetzsituation angezeigt. Das Verfahren ist danach beendet.
Beim Flussdiagramm der 7, das ein zu 6 alternatives Verfahren zeigt, werden in einem ersten Schritt S201 ebenfalls die Zählvariablen t₁ und t₂ und die Ausgabevariable IDO auf 0 gesetzt.
Die nachfolgenden Schritte S202 bis S204 sind analog zu den Schritten S106 bis S108, d. h. es wird in der Variablen t₂ die Zeit erfasst, während der der zweite Schwellenwert dF₂ überschritten wird. Danach wird innerhalb derselben Schleife in einem nächsten Schritt S205 abgefragt, ob auch der erste Schwellenwert dF₁ überschritten ist. Falls nicht, wird die entsprechende Zählvariable t₁ zurück auf 0 gesetzt und es erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S202, falls doch, wird in einem Schritt S207 die Zählvariable t₁ inkrementiert.
In einem nachfolgenden Schritt S208 wird überprüft, ob das Überschreiten des ersten Schwellenwerts dF₁ für länger als der erste Zeitraum T₁ vorliegt. Anschließend wird in einer Schleife in den Schritten S209 bis S212 erfasst, ob nach wie vor der zweite Schwellenwert dF₂ überschritten ist. Falls nicht, wird das Verfahren zurückgesetzt und beginnt mit dem Schritt S201 neu.
Falls in dem Schritt S212 festgestellt wird, dass der zweite Schwellenwert dF₂ länger als für den Zeitraum T₂ überschritten ist, wird in einem Schritt S213 die Variable IDO auf 1 gesetzt und damit signalisiert, dass eine Inselnetzsituation vorliegt. Das Verfahren ist danach beendet.
Es wird angemerkt, dass anstelle von mehrfachen Abfragen, ob der erste oder zweite Schwellenwert dF₁ bzw. dF₂ überschritten sind, auch Hilfsvariablen (Flags) gesetzt werden können, die anschließend abgefragt werden.
Bezugszeichenliste

1: PV-Generator
2: Gleichstromleitung (DC-Leitung)
3: Wechselrichter
4: Wechselstromleitung (AC-Leitung)
5: Energieversorgungsnetz
6: Abgriff
7: Informationsleitung
8: Signalisierungsleitung
10: Vorrichtung zur Inselnetzerkennung
11: Eingang
12: Frequenzermittler
13: Differenzierglied
14: Analyseeinheit
15: Ausgang
141: Schwellenwertschalter
142: Schwellenwertschalter
143: RS-FlipFlop
144: UND-Gatter
145: Monoflop
f: Frequenz
df/dt: Änderungsrate der Frequenz
|df/dt|: Frequenzänderungsrate (Absolutwert der Änderungsrate der Frequenz)
dF₁: erster Schwellenwert
dF₂: zweiter Schwellenwert
T₁: erster Zeitraum
T₂: zweiter Zeitraum
t₁, t₂: Zählvariable
IDO: Ausgang der Vorrichtung bzw. Ausgangsvariable des Verfahrens
RAT₁, RAT₂: Ausgang des Schwellenwertschalters
ID₁, ID₂: Ausgang des Schwellenwertschalters
RSO: Ausgang des RS-FlipFlops
MFO: Ausgang des Monoflops

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0286838 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz (5) bei einem zur Energieeinspeisung mit dem Energieversorgungsnetz (5) verbundenen Wechselrichter (3) mit den folgenden Schritten: – Ermitteln einer Frequenz (f) des Energieversorgungsnetzes (5); – Bestimmen einer Frequenzänderungsrate (|df/dt|), die einen Absolutwert einer Änderungsrate (df/dt) der Frequenz (f) darstellt; – Analysieren der Frequenzänderungsrate (|df/dt|) und feststellen, ob sie für einen vorgegebenen ersten Zeitraum (T₁) größer als ein vorgegebener erster Schwellenwert (dF₁) ist; – Analysieren der Frequenzänderungsrate (|df/dt|) und feststellen, ob sie für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum (T₂) größer als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert (dF₂) ist, wobei der erste Schwellenwert (dF₁) ungleich dem zweiten Schwellenwert (dF₂) ist und/oder der erste Zeitraum (T₁) ungleich dem zweiten Zeitraum (T₂) ist; und – Erkennen einer Inselnetzsituation in dem Energieversorgungsnetz (5), wenn die Frequenzänderungsrate (|df/dt|) für mindestens den ersten Zeitraum (T₁) größer als der vorgegebene erste Schwellenwert (dF₁) ist und für mindestens den zweiten Zeitraum (T₂) größer als der vorgegebene zweite Schwellenwert (dF₂) ist und der erste Zeitraum (T₁) innerhalb des zweiten Zeitraums (T₂) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Schwellenwert (dF₁) größer als der zweite Schwellenwert (dF₂) ist und der erste Zeitraum (T₁) kürzer als der zweite Zeitraum (T₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Inselnetzsituation erkannt wird, wenn der erste Zeitraum (T₁) vollständig innerhalb des zweiten Zeitraums (T₂) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Schwellenwert (dF₁) mindestens 2 und bevorzugt mindestens 10 mal so groß ist wie der zweite Schwellenwert (dF₂).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zweite Schwellenwert (dF₂) in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,5 Hz/s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweite Zeitraum (T₂) mindestens 5 und bevorzugt mindestens 20 mal so lang ist wie der erste Zeitraum (T₁).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der zweite Zeitraum (dF₂) in einem Bereich zwischen 100 und 500 ms liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem nach einem Feststellen einer Überschreitung des ersten Schwellenwertes (dF₁) für mindestens den ersten Zeitraum (T₁) ein RS-FlipFlop (143) gesetzt wird oder ein D-FlipFlop oder ein Monoflop (145) getriggert wird oder eine Hilfsvariable gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Ausgang des RS-FlipFlops (143), des D-FlipFlops oder des Monoflops (145) oder der Zustand der Hilfsvariable mit dem Ergebnis der Überprüfung, ob die Frequenzänderungsrate den zweiten Schwellenwert (dF₁) für mindestens den zweiten Zeitraum (T₂) überschritten hat, verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Verknüpfung eine UND-Verknüpfung ist.
Vorrichtung (10) zum Erkennen einer Inselnetzsituation in einem Energieversorgungsnetz (5) bei einem zur Energieeinspeisung mit dem Energieversorgungsnetz (5) verbundenen Wechselrichter (3), aufweisend einen Frequenzermittler (12) zum Ermitteln einer Frequenz (f) des Energieversorgungsnetzes (5), ein Differenzierglied (14) zum Ermitteln einer Frequenzänderungsrate (|df/dt|) und eine Analyseeinheit (14) zur Auswertung der Frequenzänderungsrate (|df/dt|), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, bei der die Analyseeinheit (14) zwei Schwellenwertschalter (141, 142) aufweist, die ein Überschreiten des ersten bzw. zweiten Schwellenwertes (dF₁, dF₂) überwachen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, die ganz oder teilweise in einen Wechselrichter (3) integriert ist.