DE102016120033A1

DE102016120033A1 - Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers und Photovoltaik-Wechselrichtersystem

Info

Publication number: DE102016120033A1
Application number: DE102016120033.6A
Authority: DE
Inventors: Kamran Jalili
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-04-26
Also published as: US20180115255A1; US10250160B2; EP3316071A1; ES2911908T3; EP3316071B1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters (13), der zwischen einem Photovoltaik-Generator (1) und einem Energieversorgungsnetz (4) angeschlossen ist, zum Durchfahren eines Netzfehlers offenbart. Es wird ein Spannungseinbruch der Netzspannung erkannt und die Spannung (U) eines Gleichspannungszwischenkreises (11) des Wechselrichters (13) überwacht. Wenn erkannt wird, dass die Zwischenkreisgleichspannung (U) einen oberen Grenzwert (U) überschreitet, wird ein Betriebsmodus zum Durchfahren des Netzfehlers (FRT) eingeleitet. Der obere Grenzwert (U) entspricht einer Kniespannung (U) in der spezifischen I/U-Kennlinie des Wechselrichters 14, oberhalb derer der maximale Ausgangswechselstrom (I) des Wechselrichters (14) abnimmt. In dem FRT-Betriebsmodus wird eine Energieableitungsvorrichtung (14), die eingerichtet ist, um bedarfsweise Leistung von dem Gleichspannungszwischenkreis (11) abzuführen, aktiviert und gesteuert, um die Zwischenkreisgleichspannung (U) in einem Bereich (U- ΔU < U< U) unterhalb der Kniespannung (U) zu halten. Ein Wechselrichtersystem (2) für eine Photovoltaik-Anlage (1), die das erfindungsgemäße Verfahren implementiert, ist ebenfalls offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers und ein Photovoltaik-Wechselrichtersystem.
Dezentrale Energieerzeugungsanlagen, insbesondere Photovoltaik(PV)-Anlagen, finden zur Einspeisung von Energie in ein öffentliches oder privates Versorgungsnetz zunehmend Verwendung. PV-Anlagen verwenden Wechselrichter, um eine durch einen PV-Generator erzeugte Gleichspannungsleistung in eine Wechselstromleistung umzuwandeln. Bei einer Netzankopplung arbeiten die Wechselrichter ausgangsseitig phasensynchron zu dem Netz, so dass sie eine Wechselspannung entsprechend der Frequenz und Amplitude der Netzspannung und einen hierzu passenden Wechselstrom erzeugen. Es sind Wechselrichter in unterschiedlichen Topologien mit Halb- oder Vollbrückenschaltungen bekannt, die taktbare Halbleiterschaltelemente, meist Leistungs-MOSFETs, IGBTs oder dgl., enthalten, die geeignet hochfrequent angesteuert werden, um den benötigten Wechselstrom mit der gewünschten Phase und Amplitude zu erzeugen.
Um eine möglichst hohe Ausbeute zu erhalten, wird ein PV-Generator an einem sog. Maximum Power Point (MPP) betrieben, der derjenige Punkt des Strom-Spannungs-Diagramms des PV-Generators ist, an dem die größte Leistung entnommen werden kann, d.h. an dem das Produkt aus Strom und Spannung sein Maximum hat. Der MPP-Betriebspunkt ist nicht konstant, sondern hängt von der Einstrahlungsstärke, der Temperatur und dem Typ der Solarzellen und anderen Faktoren ab. Der MPP-Betriebspunkt wird in einem PV-Wechselrichter häufig durch einen sog. MPP-Tracker eingestellt, der die Spannung des PV-Generators auf einen geeigneten Wert einregelt.
Nachdem immer mehr und immer größere PV-Energieerzeugungsanlagen in Betrieb genommen und an Versorgungsnetze angeschlossen werden, fordern viele Netzbetreiber und Länger, dass PV-Erzeugungsanlagen ab einer bestimmten Mindestleistung bei kleinen, beherrschbaren Netzfehlern mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden bleiben und weiterhin Leistung in das Netz einspeisen, um eine ungewollte gleichzeitige Abschaltung der Einspeiseleistungen und damit ganze Netzzusammenbrüche zu verhindern. Bspw. schreibt in Deutschland die Mittelspannungsrichtlinie vor, dass Energieerzeugungsanlagen, einschließlich PV-Anlagen, mit mehr als 100 kW Spitzenleistung, die ihre Leistung in das Mittelspannungsnetz einspeisen, im Falle eines Kurzschlusses in dem Netz an dem Netz angeschlossen bleiben und einen definierten Kurzschlussstrom zur Verfügung stellen müssen. Dieses Durchfahren eines Fehlers ist unter dem englischen Begriff Fault Ride Through (FRT) geläufig und wird auch als Low Voltage Ride Through (LVRT, Durchfahren eines Spannungseinbruchs) oder Zero Voltage Ride Through (ZVRT, Durchfahren eines Netzausfalls) bezeichnet. Entsprechend der deutschen Mittelspannungsrichtlinie soll bei Spannungseinbrüchen von 50% ein definierter Blindstrom als Kurzschlussstrom in Höhe von etwa 90% des Nennstroms eingespeist werden. Ähnliche Einspeiserichtlinien existieren auch in anderen Ländern überall auf der Welt.
Es besteht die Gefahr, dass ein Wechselrichtersystem aufgrund einer Überspannung in seinem Gleichspannungszwischenkreis beschädigt wird, wenn es während eines FRTs an dem Netz angeschlossen bleibt. Da der PV-Generator weiterhin Energie in den Gleichspannungszwischenkreis liefert, kann die Zwischenkreisgleichspannung auf Werte bis in der Nähe der Leerlaufspannung des PV-Generators ansteigen, falls die Wechselspannungsleistung während des FRT-Ereignisses deutlich reduziert ist. Dieser Anstieg der Zwischenkreisgleichspannung kann eine Beschädigung der in dem Wechselrichter verwendeten Leistungshalbleiterschalter zur Folge haben, falls deren Nennspannungswerte überschritten werden. Die Verwendung hinreichend spannungsfester Leistungshalbleiterschalter kann hingegen kostspielig sein.
Der hohe Anstieg der Zwischenkreisgleichspannung führt aufgrund der Ausgangskennlinie des PV-Generators zu einer natürlichen Begrenzung der Gleichspannungsleistung, begrenzt aber auch gleichzeitig die Stromeinspeisefähigkeit des Wechselrichters, falls dessen Leistungshalbleiterschalter bei einer hohen Zwischenkreisgleichspannung den erforderlichen Kurzschlussstrom nicht mehr kommutieren können.
Um dieses Problem zu überwinden, schlägt die US 8,687,328 B2 vor, eine Klemmschaltung (engl. Crowbar), die auch als Bremschopper bekannt ist, zu verwenden, um einen Anstieg der Zwischenkreisgleichspannung während eines FRT-Ereignisses zu vermeiden. Diese Klemmschaltung (der Bremschopper) weist eine Reihenschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter und einem Bremswiderstand auf, die an dem Gleichspannungszwischenkreis parallel zu dem PV-Generator angeschlossen ist, um beim Schließen des Schalters Energie des PV-Generators abzuleiten und in dem Bremswiderstand in thermische Energie umzuwandeln. Dadurch kann die Zwischenkreisgleichspannung auf einen gewünschten maximalen Wert geklemmt werden.
Im Detail schlägt die US 8,687,328 B2 vor, im Falle eines Netzspannungseinbruchs die Betriebsspannung des PV-Generators unmittelbar vor dem Auftreten des Netzspannungseinbruchs zu detektieren und den Schalter der Klemmschaltung zu schließen, wenn erfasst wird, dass die Betriebsspannung des PV-Generators einen vorbestimmten Schwellenwert oberhalb der Betriebsspannung des PV-Generators unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch überschreitet, und den Schalter der Klemmschaltung zu öffnen, wenn erfasst wird, dass die Betriebsspannung des PV-Generators den Wert der Betriebsspannung des PV-Generators unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch unterschreitet. Somit wird die Spannung an dem Zwischenkreis in einem Bereich zwischen der Spannung des PV-Generators unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch und dem um eine Differenzspannung ΔV darüber liegenden oberen Schwellenwert gehalten, wobei sie im allgemeinen während des RFT-Ereignisses zwischen diesen beiden Grenzwerten hin und her schwankt.
Wenn jedoch die Betriebsspannung des PV-Generators unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch bedingt durch Abschattungseffekte, geringe Temperatur oder dgl. relativ gering ist, kann es vorkommen, dass die aktivierte Klemmschaltung nicht in der Lage ist, die steigende Betriebsspannung des PV-Generators festzuhalten. Die Betriebsspannung des PV-Generators kann dann ansteigen, obwohl Energie aus dem Zwischenkreis über den Bremswiderstand der Klemmschaltung abgeleitet und in thermische Energie umgewandelt wird. Dies hat unnötige Energieverluste zur Folge.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers und ein zugehöriges Photovoltaik-Wechselrichtersystem zu schaffen, die die vorerwähnten Nachteile vermeiden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren und Photovoltaik-Wechselrichtersystem zu schaffen, die ein vereinfachtes Durchfahren eines Netzfehlers bei reduzierten Verlusten ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Wechselrichtersystem nach Anspruch 8 geschaffen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaik(PV)-Wechselrichters, der zwischen einem PV-Generator und einem Energieversorgungsnetz angeschlossen ist, zum Durchfahren eines Netzfehlers geschaffen. Das Verfahren weist ein Erkennen eines Spannungseinbruchs der Netzspannung auf. Das Verfahren weist ferner ein Überwachen der Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises an einem Gleichspannungseingang des Wechselrichters auf. Das Verfahren weist ferner ein Erkennen, wenn die Zwischenkreisgleichspannung einen oberen Grenzwert überschreitet, auf, wobei der obere Grenzwert einer Kniespannung in einer spezifischen I_ac/U_dc-Kennlinie des Wechselrichters entspricht, oberhalb derer der maximale Ausgangswellenstrom des Wechselrichters abnimmt. Das Verfahren weist ferner im Falle eines Netzspannungseinbruchs und einer Überschreitung des oberen Grenzwertes ein Aktivieren einer Energieableitungsvorrichtung, die parallel zu dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, um bedarfsweise Leistung von dem Gleichspannungszwischenkreis abzuführen, und Steuern der Energieableitungsvorrichtung auf, um die Zwischenkreisgleichspannung in einem Bereich zwischen dem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert zu halten, der um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz kleiner ist als der obere Grenzwert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, eine PV-Energieerzeugungsanlage weiter an einem Netz, bspw. öffentlichen Versorgungsnetz, angeschlossen zu halten, zu betreiben und einen geforderten Kurzschlussstrom einzuspeisen, wenn die Netzspannung unter eine bestimmte Schwelle von z.B. 50% oder darunter, je nach Anforderung bzw. Richtlinie, fällt. Dabei sieht das Verfahren ein Klemmen der Zwischenkreisgleichspannung auf einen im Voraus festgelegten definierten Wert, den oberen Grenzwert, der der Kniespannung entspricht, vor. Der obere Grenzwert wird nicht im laufenden Betrieb jeweils in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen bestimmt, sondern wird im Vorfeld bestimmt und fest vorgegeben. Im Allgemeinen ist der maximale Ausgangswechselstrom eines Wechselrichters, also der hinsichtlich seiner Amplitude maximal lieferbare Ausgangswechselstrom des Wechselrichters, wenn er über der Eingangsgleichspannung aufgetragen wird, unterhalb einer maximalen Nennspannung, die hier als Kniespannung bezeichnet wird, weitgehend konstant, während der maximale Ausgangswechselstrom für Eingangsgleichspannungen, die höher sind als die Kniespannung, abnimmt. Die Kniespannung, ab der der maximale Ausgangswechselstrom des Wechselrichters abzunehmen beginnt, wird hier als der obere Grenzwert zur Klemmung der Zwischenkreisgleichspannung mittels der Energieableitungsvorrichtung verwendet.
Vorteilhafterweise ist die Kniespannung von der Topologie des Wechselrichters und darin verwendeten Leistungshalbleiterschaltertypen abhängig. Sie kann somit gemäß dem Verfahren im Vorfeld empirisch bestimmt oder an dem jeweiligen Wechselrichter oder Wechselrichtertyp gemessen und abgespeichert werden, um im Falle eines RFT-Ereignisses herangezogen zu werden.
Die Kniespannung ist im normalen Betrieb des Wechselrichters und des PV-Generators, wenn kein Netzspannungseinbruch vorliegt, im Allgemeinen größer als die höchste MPP-Spannung des PV-Generators bzw. als ein oberer Spannungsgrenzwert eines MPP-Trackingfensters. Damit kann sichergestellt werden, dass der Wechselrichter in der Lage ist, während eines RFT-Ereignisses in allen Betriebspunkten des PV-Generators den geforderten Kurzschlussstrom zu erzeugen und einzuspeisen.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das Verfahren ferner ein Durchführen eines MPP(Maximum Power Point)-Trackings auf, um den PV-Generator in von jeweiligen Betriebsbedingungen abhängigen Betriebspunkten maximaler Leistung (MPP) zu betreiben, wenn kein Spannungseinbruch der Netzspannung erfasst wird. Sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, weist das Verfahren ferner ein Unterbrechen des MPP-Trackings und Speichern des Wertes der MPP-Zwischenkreisgleichspannung unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch auf. Das Verfahren weist ferner auf, dass, sobald erkannt wird, dass kein Netzspannungseinbruch mehr vorliegt, die Energieableitungsvorrichtung deaktiviert und das MPP-Tracking wieder aufgenommen wird, wobei die Zwischenkreisgleichspannung auf den Wert der MPP-Zwischenkreisgleichspannung unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch eingestellt wird. Nach einer Erholung des Netzes kann eine Photovoltaikanlage ausgehend von dem zwischengespeicherten Betriebspunkt vor dem Auftreten des Spannungseinbruchs somit relativ schnell zu dem normalen Betrieb zurückkehren.
Das Verfahren kann ferner ein Bestimmen von Referenzwerten für den in das Netz einzuspeisenden Strom, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, und Steuern bzw. Regeln des Wechselrichters in Abhängigkeit von der momentan erfassten Zwischenkreisgleichspannung und den Stromreferenzwerten aufweisen, um den erforderlichen Kurzschlussstrom in das Netz einzuspeisen, solange der Netzspannungseinbruch vorliegt. Der einzuspeisende Strom kann je nach Anforderung Wirkstrom und/ oder Blindstrom sein, dessen Stärke durch den jeweiligen Netzbetreiber bzw. die jeweilige Richtlinie vorgegeben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aktivieren und Steuern einer Energieableitungsvorrichtung ein Aktiveren und Steuern eines Bremschoppers auf, der parallel zu dem PV-Generator an dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist und wenigstens eine Reihenschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter und einem Bremswiderstand zur Umwandlung elektrischer Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in thermische Energie aufweist. Somit kann mit einer einfachen Schaltung und durch geeignete Steuerung des Bremschoppers die Zwischenkreisgleichspannung bedarfsweise auf einen geeigneten oberen Wert, die Kniespannung, begrenzt werden, um ein Durchführen des RFT auf einfache Weise und bei geringen Verlusten zu ermöglichen und eine Beschädigung von Leistungshalbleiterschaltern des Wechselrichters wirksam zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Wechselrichtersystem für eine Photovoltaik(PV)-Anlage geschaffen. Das Wechselrichtersystem weist einen Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannungs(DC)-Leistung eines PV-Generators in eine Wechselspannungs(AC)-Leistung zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz und einen Gleichspannungszwischenkreis am Gleichspannungseingang des Wechselrichters zur Verbindung mit dem PV-Generator auf. Das Wechselrichtersystem weist ferner eine Energieableitungsvorrichtung auf, die parallel zu dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, um bedarfsweise Leistung von dem Gleichspannungszwischenkreis abzuführen. Das Wechselrichtersystem weist ferner eine Erfassungseinrichtung auf, die zur Erfassung der Netzspannung und zur Erfassung der Zwischenkreisgleichspannung sowie zur Erzeugung hierfür kennzeichnender Signale eingerichtet ist. Das Wechselrichtersystem weist außerdem eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Wechselrichters und der Energieableitungsvorrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung mit der Erfassungseinrichtung kommunikationsmäßig verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um einen Spannungseinbruch der Netzspannung zu erkennen. Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, um zu erkennen, wenn die Zwischenkreisgleichspannung einen oberen Grenzwert überschreitet, wobei der obere Grenzwert einer Kniespannung in einer spezifischen I_ac/U_dc-Kennlinie des Wechselrichters entspricht, oberhalb derer der maximale Ausgangswechselstrom des Wechselrichters abnimmt. Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, um im Falle eines Netzspannungseinbruchs und einer Überschreitung des oberen Grenzwerts die Energieableitungsvorrichtung zu aktivieren und zu steuern, um die Zwischenkreisgleichspannung in einem Bereich zwischen dem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert zu halten, der um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz kleiner ist als der obere Grenzwert.
Das Wechselrichtersystem ermöglicht ein zuverlässiges Durchfahren von Netzfehlern bei Einbrüchen oder Ausfällen der Netzspannung mit einfachen Mitteln und bei reduzierten Verlusten. Im Übrigen gelten die Vorteile und Ausführungsformen, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert sind, auch analog für das Wechselrichtersystem.
Der Wechselrichter des Wechselrichtersystems ist vorzugsweise ein einstufiger netzgeführter Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, der eine Schaltungsanordnung mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern aufweist. Vorzugsweise werden Leistungs-MOSFETs oder IGBTs als Schalter des Wechselrichters verwendet. Prinzipiell könnten auch Thyristoren, IGCTs oder dgl. eingesetzt werden.
Das Wechselrichtersystem kann eine MPP-Trackingeinheit zur Durchführung eines MPP-Trackings aufweisen, um den PV-Generator in von jeweiligen Betriebsbedingungen abhängigen Betriebspunkten maximaler Leistung (MPP) zu betreiben, wenn kein Spannungseinbruch der Netzspannung erkannt wird. Dann kann die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet sein, die MPP-Trackingeinheit zu deaktivieren, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, den Wert der MPP-Zwischenkreisspannung unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch zu speichern, und, sobald sie erkennt, dass kein Netzspannungseinbruch mehr vorliegt, die Energieableitungsvorrichtung zu deaktivieren und die MPP-Trackingeinheit zu aktivieren, wobei die Zwischenkreisgleichspannung dann auf den Wert der MPP-Zwischenkreisspannung unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch eingestellt werden kann. Die PV-Anlage kann dann nach Erholung des Netzes relativ schnell zum normalen Betriebsmodus zurückkehren.
Die Steuereinrichtung kann ferner eingerichtet sein, um einen Referenzwert für den in das Netz einzuspeisenden Strom, Wirk- und/oder Blindstrom, zu bestimmen, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, und den Wechselrichter in Abhängigkeit von der momentan erfassten Zwischenkreisspannung und dem Stromreferenzwert zu steuern bzw. zu regeln, um den erforderlichen Kurzschlussstrom in das Netz einzuspeisen, solange der Netzspannungseinbruch vorliegt.
Für die Kniespannung gilt das bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oben Gesagte. Sie ist von der Topologie des Wechselrichters und der darin verwendeten Leistungshalbleiterschalter abhängig und kann im Vorfeld empirisch oder durch Messung an dem Wechselrichter oder einem Wechselrichter des gleichen Typs bestimmt und in einer Speichereinrichtung des Wechselrichters abgespeichert werden. Die Kniespannung ist vorzugsweise größer als die maximale MPP-Spannung des PV-Generators bzw. größer als ein oberer Spannungsgrenzwert eines MPP-Trackingfensters in einem normalen Betrieb des Wechselrichters und des PV-Generators, wenn kein Netzspannungseinbruch vorliegt, jedoch hinreichend begrenzt, damit bei einem FRT der geforderte Kurzschlussstrom erzeugt und in das Netz eingespeist werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Energieableitungsvorrichtung einen Bremschopper aufweisen, der an dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, um im Betrieb parallel zu dem PV-Generator angeordnet zu sein, und der wenigstens eine Reihenschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter, vorzugsweise einem Leistungs-MOSFET oder IGBT, und einen Bremswiderstand zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie aufweisen kann. Eine derartige Energieableitungsvorrichtung weist einen einfachen Aufbau auf und lässt sich auf einfache Weise betreiben, um die Zwischenkreisgleichspannung auf einen für den FRT-Betrieb geeigneten maximalen Spannungswert zu begrenzen.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen, der Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung. In der Zeichnung ist ein keinesfalls beschränkendes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen in allen Figuren verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Photovoltaikanlage mit einem Wechselrichtersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in stark vereinfachter Darstellung;
2 eine I_ac/U_dc-Kennlinie eines beispielhaften Wechselrichters, die die Stromeinspeisefähigkeit eines Wechselrichters in Abhängigkeit von der Spannung am Gleichspannungseingang des Wechselrichters veranschaulicht;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers gemäß der Erfindung, in vereinfachter Darstellung;
4 beispielhafte Verläufe von Spannungen und Strömen in einer Photovoltaik-Anlage bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers, wenn die Zwischenkreisgleichspannung einen festgelegten oberen Grenzwert überschreitet; und
5 beispielhafte Verläufe von Spannungen und Strömen in einer Photovoltaik-Anlage bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers, wenn die Zwischenkreisgleichspannung einen festgelegten oberen Grenzwert nicht überschreitet.

1 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Photovoltaik(PV)-Energieerzeugungsanlage 1, die dazu dient, Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln und in ein Netz einzuspeisen. Die PV-Anlage 1 enthält ein Wechselrichtersystem 2, das elektrisch zwischen einem PV-Generator 3 und einem Energieversorgungsnetz 4, bspw. einem öffentlichen Mittelspannungsversorgungsnetz, angeschlossen ist.
Der PV-Generator 3 ist aus einem oder mehreren PV-Modulen aufgebaut, die einfallendes Licht der Sonne in elektrische Energie umwandeln. Der PV-Generator 3 weist elektrische Anschlüsse auf, die mit einem positiven und einem negativen Gleichspannungsanschluss 6, 7 des Wechselrichtersystems 2 verbunden sind. Von den Gleichspannungsanschlüssen 6, 7 aus erstrecken sich Gleichspannungszweige 8, 9 zu einem Gleichspannungszwischenkreis 11 des Wechselrichtersystems 2 hin.
Der Gleichspannungszwischenkreis 11 ist hier durch einen Kondensator C, 12 dargestellt, kann aber auch durch eine Reihen- und/oder Parallelschaltung von Kondensatoren gebildet sein. Jedenfalls dient der wenigstens eine Zwischenkreiskondensator 12 als Speichermittel zur Speicherung der von dem PV-Generator 3 gelieferten Energie, die dem Wechselrichtersystem 2 zugeführt wird.
Das Wechselrichtersystem 2 weist in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform neben dem Zwischenkreiskondensator 12 einen Wechselrichter 13, einen Bremschopper 14, eine Netzdrosseleinrichtung 16 und eine Netzfiltereinrichtung 17 auf.
Der Wechselrichter 13 ist dazu vorgesehen, die an dem Zwischenkreis 11 anliegende Gleichspannung U_dc in eine ausgangsseitige Wechselspannung umzuwandeln. Der Wechselrichter 4 ist parallel zu dem Kondensator 12 an die Gleichspannungszweige 8, 9 angeschlossen. Obwohl dies in 1 nicht veranschaulicht ist, ist er vorzugsweise in Form einer Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung, bspw. basierend auf einer Halbbrücke oder Vollbrücke, mit taktbaren Schalterelementen ausgebildet, die vorzugsweise als Leistungshalbleiterschalter in Form von Power-MOSFETs oder IGBTs ausgebildet sind. Die Leistungshalbleiterschalter werden gemäß einem vorgebbaren Taktmuster mit hohen Frequenzen im kHz-Bereich geschaltet, um die Zwischenkreisgleichspannung U_dc wechselzurichten.
Der Wechselrichter 13 ist ein einstufiger netzgeführter Wechselrichter, der, wie aus 1 ersehen, die Gleichspannung U_dc des Zwischenkreises 11 an seinem Gleichspannungseingang 18 in eine hier insbesondere dreiphasige Wechselspannung an seinem Ausgang 19 wandelt, die an die Amplitude und Phase der Netzspannung angepasst ist und hier allgemein als U_ac bezeichnet wird. Die einzelnen Phasen sind in 1 mit U, V und W bezeichnet.
Der dreiphasige Ausgang 19 des Wechselrichters 13 ist über Wechselspannungsphasenzweige 21u, 21v, 21w über einen Transformator 22 mit dem Netz 4 elektrisch verbunden. In den Wechselspannungszweigen 21 ist die Netzdrosseleinrichtung 16 angeordnet, die in jedem Phasenzweig 21u, 21v bzw. 21w eine Drosselspule 23u, 23v, 23w aufweist, die die Ausgangswechselstromsignale des Wechselrichters 13 glättet, um höherfrequente Störungen, die durch das Takten der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 3 verursacht werden, herauszufiltern, um sie von dem Netz 4 fernzuhalten.
An den Wechselspannungszweigen 21 ist ferner die Netzfiltereinrichtung 17 angeordnet, die ein RC-Netzwerk 24 mit drei Kondensatoren in Dreiecksschaltung und drei mit diesen verbundenen Widerständen aufweist und die der Unterdrückung der taktfrequenten Anteile der erzeugten Leiter-Leiter-Spannungen dient..
Die Phasenzweige 21u, 21v, 21w sind mit dem Netz 4 über den optionalen Transformator 22 verbunden, der hier vorzugsweise ein Mittelspannungstransformator ist, der die Spannungs- und Stromniveaus auf der Niederspannungsebene an den Phasenzweigen 21 in die entsprechenden Strom- und Spannungsniveaus der Mittelspannungsebene des Netzes 4 transformiert.
Wie ferner aus 1 ersichtlich, ist auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 13 der Bremschopper 14 an dem Gleichspannungszwischenkreis 11 derart angeschlossen, dass er im Betrieb parallel zu dem PV-Generator 3 angeordnet ist. Der Bremschopper 14 dient als Energieableitungsvorrichtung, um insbesondere im Falle einer Überspannung an dem Gleichspannungszwischenkreis 11 überschüssige Energie aus diesem abzuleiten und zu verbrauchen. Hierzu weist der Bremschopper 14 einen ansteuerbaren Schalter 26 auf, der in Reihe zu einem Bremswiderstand 27 und einer Diode 28 geschaltet ist, die parallel zueinander angeordnet sind. Im geschlossenen Zustand des Schalters 26 fließt ein Strom durch den Bremswiderstand 27, der dann Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 11 in thermische Energie umwandelt. Die Diode 28 dient zur Stromkommutierung während des Abschaltens des Schalters 26, um diesen zu schützen.
Das Wechselrichtersystem 2 weist ferner eine Messeinrichtung auf, die dazu dient, Betriebsparameter in dem Wechselrichtersystem 2 im laufenden Betrieb zu erfassen, um hierfür kennzeichnende Signale zu erzeugen, die zur Steuerung der PV-Anlage 1 verwendet werden können. Zu der Messeinrichtung gehört eine Erfassungseinrichtung 29 zur Erfassung der Netzspannung U_ac, die hier bspw. die Spannung U_UV zwischen den Phasenzweigen 21u, 21v und die Spannung U_VW zwischen den Phasenzweigen 21v, 21w erfasst. Ferner gehört zu der Messeinrichtung eine Erfassungseinrichtung 30, die die Phasenströme I_U, I_V und I_W in den Phasenzweigen 21u, 21v und 21w erfasst.
Noch weiter gehören zu der Messeinrichtung Erfassungseinrichtungen 31, 32, die die Zwischenkreisgleichspannung U_dc bzw. den Zwischenkreisstrom I_dc an dem Gleichspannungszwischenkreis 11 zwischen den Gleichspannungszweigen 8, 9 erfassen.
Alle diese Erfassungseinrichtungen 29-32 sind mit einer in 1 als Block 33 dargestellten Steuerungseinrichtung kommunikationsmäßig verbunden, die zur Steuerung des Wechselrichtersystems 2 bzw. der PV-Anlage 1 auf der Basis der von der Messeinrichtung 29-32 gelieferten Messsignale dient. Die Steuereinrichtung 33 weist eine MPP(Maximum Power Point)-Trackereinheit 34, eine Wechselrichter-Steuereinheit 36, eine Netzüberwachungseinheit 37 und eine Chopper-Steuereinheit 38 auf.
Die MPP-Trackereinheit 34 ist zur Durchführung eines MPP-Trackingalgorithmus vorgesehen, um im normalen Betrieb den optimalen Betriebspunkt mit maximaler Leistungsabgabe des PV-Generators 3 einzustellen und den Betriebspunkt laufend nachzuführen. Hierzu empfängt die MPP-Trackingeinheit 34 von den Erfassungseinrichtungen 31, 32 die momentanen Messsignale, die die Zwischenkreisspannung und den Zwischenkreisstrom kennzeichnen, und erzeugt Referenzstrom- oder Spannungssignale für die Wechselrichter-Steuereinheit 36. Die MPP-Trackingeinheit kann, wie die anderen Einheiten 36-38 der Steuereinrichtung 33 auch, in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), als Software, Firmware, Hardware oder in anderer Technologie implementiert sein.
Die Wechselrichter-Steuereinheit 36 empfängt Signale von den Erfassungseinrichtungen 29, 30, die die Phasenspannungen und Phasenströme auf der Netzseite des Wechselrichters 13 kennzeichnen, und die Spannungsreferenzwerte von der MPP-Trackereinheit 34 und steuert die Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 13 geeignet an, um ausgehend von der Zwischenkreisgleichspannung U_dc eine zur Einspeisung in das Netz 4 passende Wechselspannung U_ac und einen entsprechenden Wechselstrom I_ac zu erzeugen.
Die Netzüberwachungseinheit 37 überwacht die von den Erfassungseinrichtungen 29, 30 gelieferten Signale und ist dazu eingerichtet, Netzfehler, einschließlich Spannungseinbrüche der Netzspannung, zu erkennen.
Die Chopper-Steuereinheit 38 ist zur Steuerung des Bremschoppers 14 vorgesehen. Bspw. kann die Chopper-Steuereinheit 38 im Falle einer Überspannung an dem Gleichspannungszwischenkreis 11 den Schalter 26 des Bremschoppers 14 schließen, um Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 11 abzuführen und in dem Bremswiderstand 27 in thermische Energie umzusetzen. Die Chopper-Steuereinheit 38 dient ferner dazu, im Falle eines Netzspannungseinbruchs den Bremschopper 14 bedarfsweise zu aktivieren, um ein Durchfahren des Netzfehlers, das sog. Fault Ride Through (FRT), durchzuführen, um auch in diesem Fehlerfalle einen Weiterbetrieb der PV-Anlage 1 und ein fortgesetztes Einspeisen von Strom in das Netz 4 zu ermöglichen.
Die weltweit immer strenger werdenden Richtlinien und Regeln für den Anschluss und Parallelbetrieb von Energieerzeugungsanlagen an Netzen erfordern es, dass die Energieerzeugungsanlagen einen Netzfehler durchfahren können, indem sie selbst nicht abschalten, sondern an dem Netz angeschlossen bleiben und einen definierten Strom, im Allgemeinen einen Blindstrom, auf den Fehler einspeisen, um bei der Klärung des Fehlers und dem Auslösen von Schutzorganen zu helfen. Bspw. wird in einigen europäischen Ländern bei Spannungseinbrüchen von 50% die Einspeisung eines maximalen Kurzschlussstroms in etwa in Höhe des Nennstroms gefordert.
Die Steuereinrichtung 33 weist deshalb eine FRT-Steuereinheit bzw. -logik 39 auf, die beim Auftreten eines Netzeinbruchs oder -zusammenbruchs einen FRT-Betriebsmodus zum Durchfahren des Netzfehlers einrichtet. Sobald die Netzüberwachungseinheit 37 einen Einbruch oder Zusammenbruch der Netzspannung erkennt, teilt sie dies der FRT-Steuereinheit 39 mit. Die FRT-Steuereinheit 39 beendet daraufhin den normalen Betriebsmodus, indem sie die MPP-Trackereinheit 34 deaktiviert, und weist die Wechselrichter-Steuereinheit 36 an, den Wechselrichter 13 in Abhängigkeit von der Gleichspannung U_dc des Gleichspannungszwischenkreises 11 derart zu betreiben, dass der geforderte Kurzschlussstrom bis zum maximalen Nennstrom weiterhin in das Netz 4 eingespeist wird. Die FRT-Steuereinheit 39 überwacht auch die Zwischenkreisgleichspannung U_dc, um einen unzulässigen Anstieg der Zwischenkreisgleichspannung zu erkennen und ggf. die Chopper-Steuereinheit 38 anzuweisen, die Zwischenkreisgleichspannung mit Hilfe des Bremschoppers 14 auf zulässige Werte zu begrenzen.
Im Falle eines Einbruchs oder Zusammenbruchs der Netzspannung springt die Zwischenkreisgleichspannung einer Photovoltaikanlage, wie bspw. der PV-Anlage in 1, auf Werte nahe an der Leerlaufspannung der PV-Energiequelle, z.B. des PV-Generators 3, da die Wechselstromleistung während des Netzfehlers deutlich reduziert ist. Dieser Anstieg der Zwischenkreisgleichspannung U_dc führt zu einer natürlichen Begrenzung der Gleichspannungsleistung auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters, begrenzt jedoch zur gleichen Zeit die Stromeinspeisefähigkeit des Wechselrichters, falls die Leistungshalbleiterschalter bei einer hohen Zwischenkreisgleichspannung den Strom in der geforderten Höhe, bspw. den Nennstrom, nicht kommutieren können. Um dieses Problem zu überwinden, wird erfindungsgemäß der Bremschopper 14 verwendet, um während eines Netzfehlers ein unzulässiges Ansteigen der Zwischenkreisgleichspannung U_dc zu vermeiden.
2 zeigt eine I_ac/U_dc-Kennlinie, die die Stromeinspeisefähigkeit eines beispielhaften Wechselrichters veranschaulicht. Es ist der maximale Ausgangswechselstrom I_ac,max, also der maximale von dem Wechselrichter lieferbare Ausgangswechselstrom I_ac,max des Wechselrichters, in Abhängigkeit von der Zwischenkreisgleichspannung U_dc, der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters, aufgetragen. Wie zu ersehen ist, ist der maximale Ausgangswechselstrom I_ac,max über einen weiten Bereich der Gleichspannung U_dc weitgehend konstant. Wie ferner aus 2 ersichtlich, nimmt der maximale Strom in seiner Amplitude ab einer bestimmten Grenzspannung, der Kniespannung U_dc,nom(max), die hier auch als maximale Nennspannung bezeichnet werden kann, ab. Für Zwischenkreisgleichspannungen U_dc, die höher sind als die Kniespannung U_dc,nom(max) und bis zu der maximalen Zwischenkreisbetriebsspannung U_dc,max nimmt der maximale Ausgangswechselstrom I_ac,max des Wechselrichters zunehmend ab.
Wenngleich die speziellen Werte für I_ac,max, U_dc,nom(max) und U_dc,max für jeden Wechselrichter spezifisch sind und von der Topologie des Wechselrichters und der darin verwendeten Leistungshalbleiterschalter abhängig sind, weisen die I_ac/U_dc-Kennlinien verschiedener Wechselrichter im Wesentlichen den gleichen Verlauf mit einer charakteristischen Kniespannung U_dc,nom(max) auf, die den Übergang zu abnehmenden maximalen Wechselstromwerten bei weiter steigenden Zwischenkreisgleichspannungswerten kennzeichnet. Nur um ein Beispiel anzugeben, können bei Wechselrichtern, die bis zu einer maximalen Eingangsgleichspannung von 1500 V betrieben werden können, die Kniespannung U_dc,nom(max) z.B. bei etwa 1300 V liegen.
Im normalen Betrieb des Wechselrichters ist der obere Grenzwert des in 2 eingezeichneten MPP-Trackingfensters 41, in dem die MPP-Trackingeinheit 34 die PV-Anlage betreibt, stets geringfügig kleiner als die Kniespannung U_dc,nom(max), so dass der Wechselrichter 13 den Nennstrom für den definierten MPP-Bereich liefert.
Im Falle eines Netzspannungseinbruchs nimmt die Ausgangsleistung proportional zu der Netzspannung ab. Aufgrund der Verringerung der Ausgangsleistung steigt die Zwischenkreisgleichspannung U_dc, um die Gleichspannungsleistung zu begrenzen. Abhängig von der Restspannung während des Netzfehlers könnte die Zwischenkreisgleichspannung U_dc bis auf Werte in der Nähe der Leerlaufspannung des PV-Generators 3 ansteigen. Gemäß den Richtlinien und Regeln der Netzbetreiber, wie bspw. der Mittelspannungsrichtlinie in Deutschland, sollte der Wechselrichter während des FRT (LVRT oder ZVRT) am Netz angeschlossen bleiben und Blindstrom einspeisen. Die Amplitude des einzuspeisenden Blindstroms sollte wenigstens 90% des Nennstroms für den FRT bei einer Restspannung von weniger als 50% betragen.
Wie in 2 veranschaulicht, nimmt die Stromeinspeisefähigkeit des Wechselrichters während eines FRT-Ereignisses deutlich ab, wenn die Zwischenkreisgleichspannung U_dc auf Werte über die Kniespannung V_dc,nom(max) ansteigt. Demgemäß wird der Blindstrom, der während des FRT-Ereignisses eingespeist werden könnte, begrenzt.
Um dieses Problem zu lösen, wird gemäß der Erfindung der Bremschopper 14 bedarfsweise gesteuert, um die Energie des PV-Generators 4 abzuleiten und die Zwischenkreisgleichspannung U_dc auf einem gewünschten Niveau unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes zu halten, um eine maximale Stromeinspeisefähigkeit des Wechselrichters während des FRT-Ereignisses sicherzustellen. Der vorbestimmte Schwellenwert ist erfindungsgemäß die Kniespannung U_dc,nom(max), wie sie vorstehend beschrieben ist.
Ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Photovoltaik-Wechselrichters zum Durchfahren eines Netzfehlers, wie bspw. LFRT oder ZVRT (allgemein FRT), soll nachstehend unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert werden.
Im Schritt S1 wird die Netzspannung, bspw. mittels der Netzüberwachungseinheit 37 in 1, überwacht.
Im Schritt S2 wird überprüft, ob ein Spannungseinbruch vorliegt. Falls kein Spannungseinbruch vorliegt (nein im Schritt S2), kehrt das Verfahren zum Schritt S1 zurück.
Falls im Schritt S2 ein Spannungseinbruch erkannt wird (ja im Schritt S2), wird im Schritt S3 ein FRT-Zustands-Flag bspw. auf logisch „high“ gesetzt.
Anschließend wird im Schritt S4 das MPP-Tracking unterbrochen, indem bspw. die MPP-Trackingeinheit 34 in 1 deaktiviert wird. Außerdem wird im Schritt S4 der Wert der MPP-Zwischenkreisgleichspannung U_dc,MPP unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch für eine spätere Wiederverwendung gespeichert.
Im Schritt S5 werden Referenzwerte für den Wirk- und Blindstrom bestimmt, und im Schritt S6 wird der Ausgangsstrom mittels einer hier nicht näher veranschaulichten Stromregeleinrichtung auf den gewünschten Wert zur Einspeisung in das Netz, bspw. das Netz 4 in 1, eingestellt. Der Wechselrichter, bspw. der Wechselrichter 13 in 1, wird geeignet angesteuert, um den Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Zwischenkreisgleichspannung U_dc zu liefern. Die Zwischenkreisgleichspannung U_dc wird laufend überwacht, wie in 3 mit dem Schritt S7 angezeigt ist.
Im Schritt S8 wird überprüft, ob die Zwischenkreisgleichspannung U_dc einen vorbestimmten oberen Grenzwert U_THup überschreitet. Wie bereits erwähnt, entspricht der obere Grenzwert U_THup der Zwischenkreisgleichspannung U_dc der spezifischen Kniespannung U_dc,nom(max) entsprechend der I_ac/U_dc-Kennlinie des verwendeten Wechselrichters. Die Kniespannung U_dc,nom(max) entspricht der Spannung, oberhalb derer der maximale Ausgangswechselstrom I_ac,max des Wechselrichters abnimmt. Sie ist von der Topologie des Wechselrichters und den darin verwendeten Leistungshalbleiterschaltern abhängig. Sie ist größer als der obere Spannungsgrenzwert eines MPP-Trackingfensters im normalen Betrieb des Wechselrichters und des PV-Generators, wenn kein Netzspannungseinbruch vorliegt, und kann im Vorfeld, vor einer Inbetriebnahme eine Wechselrichters empirisch bestimmt oder an dem jeweiligen Wechselrichter oder Wechselrichtertyp gemessen werden. Der Wert der Kniespannung U_dc,nom(max) als der obere Grenzwert U_THup wird in einem Speicher des Wechselrichtersystems, z.B. einem hier nicht näher dargestellten Speicher des Wechselrichtersystems 2 in 1, gespeichert.
Falls im Schritt S8 erkannt wird, dass die Zwischenkreisgleichspannung U_dc den oberen Grenzwert, also den Wert der Kniespannung U_dc,nom(max) überschreitet (U_dc > U_dc,nom(max)) (ja im Schritt S8), schreitet das Verfahren zum Schritt S9 fort. Ansonsten (nein im Schritt S8) fährt das Verfahren damit fort, die Zwischenkreisgleichspannung U_dc im Schritt S7 weiter zu überwachen und den Wechselrichter weiter im Sinne einer Einspeisung des erforderlichen Kurzschlussstroms anzusteuern.
Falls die Zwischenkreisgleichspannung U_dc die Kniespannung U_dc,nom(max) übersteigt, wird im Schritt S9 eine Energieableitungsvorrichtung, die zur Abführung von Leistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis eingerichtet ist, aktiviert und die Energieableitungsvorrichtung gesteuert, um die Zwischenkreisgleichspannung U_dc in einem gewünschten Wertebereich zwischen einem unteren Grenzwert U_THlow und dem oberen Grenzwert U_THup zu halten. Der obere Grenzwert U_THup entspricht dem Wert der Kniespannung U_dc,nom(max), und der untere Grenzwert U_THlow ist um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz ΔU kleiner als der obere Grenzwert U_THup. Somit wird die Energieableitungsvorrichtung gesteuert, um die Zwischenkreisgleichspannung in dem Bereich U_dc,nom(max) - ΔU < U_dc < U_dc,nom(max) zu halten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in 1 dargestellt ist, ist die Energieableitungsvorrichtung, die zur Steuerung der Zwischenkreisgleichspannung U_dc in dem FRT-Modus verwendet wird, der Bremschopper 14. Sobald die Zwischenkreisgleichspannung U_dc die Kniespannung U_dc,nom(max) überschreitet, schließt die Chopper-Steuereinheit 38 den Schalter 26 des Bremschoppers 14, um Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 11 abzuführen und in dem Bremswiderstand 27 in thermische Energie umzuwandeln. Der Wert des Bremswiderstands 27 ist in Abhängigkeit von der Kniespannung U_dc,nom(max) derart festgelegt, dass der Bremschopper 14 in der Lage ist, die Zwischenkreisgleichspannung U_dc unter den Wert der Kniespannung U_dc,nom(max) zu reduzieren. Wenn der Schalter 26 des Bremschoppers 14 geschlossen wird, sinkt somit die Zwischenkreisgleichspannung U_dc unter den Wert der Kniespannung U_dc,nom(max).
Sobald die Chopper-Steuereinheit 38 erkennt, dass die Zwischenkreisgleichspannung U_dc den unteren Grenzwert U_THlow = U_dc,nom(max) - ΔU, mit ΔU von etwa 20 oder 30 Volt, unterschreitet, öffnet die Chopper-Steuereinheit 38 den Schalter 26 des Bremschoppers 14, um die Leistungsabführung aus dem Gleichspannungszwischenkreis 11 zu unterbrechen. Infolgedessen kann die Zwischenkreisgleichspannung U_dc danach wieder ansteigen. Dieser Vorgang kann sich wiederholen, so dass die Zwischenkreisgleichspannung zwischen dem unteren Grenzwert U_THlow und dem oberen Grenzwert U_THup hin und her pendelt.
Es sollte erwähnt werden, dass zwar in 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Bremschoppers 14 mit einer Reihenschaltung aus einem Leistungshalbleiterschalter 26 und einem Bremswiderstand 27 dargestellt ist, die als die bevorzugte Energieableitungsvorrichtung zur Durchführung des FRT-Betriebsmodus verwendet wird, die Energieableitungsvorrichtung generell aber auch anders als dargestellt implementiert sein kann, wenn sie in der Lage ist, die Zwischenkreisgleichspannung U_dc auf den gewünschten Bereich zu begrenzen.
Parallel zu dem Schritt S9 der Steuerung der Energieableitungsvorrichtung, z.B. des Bremschoppers 14, für den FRT-Betrieb wird im Schritt S10 die Netzspannung U_ac weiterhin überwacht und im Schritt S11 überprüft, ob ein Netzspannungseinbruch bzw. -zusammenbruch weiterhin vorliegt. Solange keine Erholung des Netzes im Schritt S11 erfasst wird (nein im Schritt S11), wird die Überwachung der Netzspannung im Schritt S10 parallel zu dem Schritt S9 fortgeführt. Ansonsten wird, falls eine Netzerholung erkannt wird (ja im Schritt S11) das FRT-Zustands-Flag auf logisch „low“ gesetzt, um anzuzeigen, dass kein FRT-Betriebsmodus mehr erforderlich ist.
Im Schritt S13 wird der Zustand des FRT-Zustands-Flags überprüft. Falls dieser „high“ (nicht „low“) ist (nein im Schritt S13), wird die Zwischenkreisgleichspannung U_dc durch Steuerung der Energieableitungsvorrichtung, z.B. des Bremschoppers 14 in 1, in dem gewünschten Bereich unterhalb der Kniespannung U_dc,nom(max) gehalten. Ansonsten wird, wenn das FRT-Zustands-Flag „low“ ist (ja im Schritt S13), danach im Schritt S14 der FRT-Betriebsmodus beendet und der normale Betriebsmodus wieder aufgenommen. Insbesondere wird die Energieableitungsvorrichtung, z.B. der Bremschopper 14, deaktiviert und das MPP-Tracking mittels der MPP-Trackingeinheit 34 in 1 wiederaufgenommen. Dabei wird vorzugsweise die Zwischenkreisgleichspannung U_dc auf den vorher gespeicherten Wert der MPP-Zwischenkreisgleichspannung U_dc,MPP unmittelbar von dem Netzspannungseinbruch eingestellt, damit die PV-Anlage 1 relativ schnell zu ihrem normalen Betriebsmodus zurückkehren kann.
In 4 sind beispielhafte Signalformen bei der Steuerung der Energieableitungsvorrichtung, insbesondere des Bremschoppers 14 nach 1, während des FRT-Betriebsmodus veranschaulicht. Dargestellt sind der Verlauf der Zwischenkreisgleichspannung U_dc, der Mitkomponente des Netzspannungsvektors U⁺ _line, ein Referenzwert für die Mitkomponente des in das Netz einzuspeisenden Blindstroms I⁺ _line,r und der Zustand des FRT über der Zeit. Zum Zeitpunkt t₀ bricht die Netzspannung ein, und der FRT-Betriebsmodus (hier LVRT) wird aktiviert. Der Referenzwert für den in das Netz einzuspeisenden Blindstrom wird geeignet, bspw. entsprechend dem Nennstrom, eingestellt. Die Zwischenkreisgleichspannung U_dc steigt an und neigt dazu, die Kniespannung U_dc,nom(max) zu überschreiten. Durch die Aktivierung des Bremschoppers 14 wird sie unterhalb der Kniespannung U_dc,nom(max) in dem Bereich U_dc,nom(max) - ΔU < U_dc < U_dc,nom(max) gehalten. Die Zwischenkreisgleichspannung U_dc schwankt dabei zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert hin und her.
Zum Zeitpunkt t1 erholt sich die Netzspannung, der LVRT-Betriebsmodus wird beendet und die Zwischenkreisgleichspannung U_dc sinkt auf normale Werte, die der Leistungsanpassung durch die MPP-Trackingeinheit 34 entsprechen.
In 5 ist ein Fall dargestellt, in dem die Zwischenkreisgleichspannung U_dc während des LVRT-Betriebsmodus nicht auf Werte oberhalb der Kniespannung U_dc,nom(max) ansteigt, sondern bedingt durch Sonneneinstrahlung, Temperatur des PV-Generators und andere Betriebsbedingungen unterhalb der Kniespannung U_dc,nom(max) bleibt. Vorteilhafterweise wird die Energieableitungsvorrichtung, insbesondere der Bremschopper 14 in 1, in diesem Fall während des LVRT-Betriebsmodus nicht aktiviert. Es wird keine Energie verschwendet.
Die Wahl der wechselrichterspezifischen Kniespannung U_dc,nom(max) als der obere Grenzwert für die Steuerung des Bremschoppers 14 bzw. der Energieableitungsvorrichtung ist besonders vorteilhaft, weil der normale MPP-Betriebsbereich der Anlage unterhalb dieses Wertes liegt, die Zwischenkreisgleichspannung auf einen oberen Grenzwert U_THup begrenzt wird, der im Voraus geeignet festgelegt ist und nicht von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig ist und stets neu bestimmt werden muss und eine Aktivierung des Bremschoppers 14 im FRT-Modus auf ein Minimum reduziert wird, während die Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 13 gegen Beschädigung durch unzulässige Zwischenkreisgleichspannung wirksam geschützt werden. Die erfindungsgemäße Steuerung des Wechselrichtersystems 2 zum Durchfahren eines Netzfehlers ist einfach, aber äußerst wirkungsvoll.
Es ist ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters 13, der zwischen einem Photovoltaik-Generator 1 und einem Energieversorgungsnetz 4 angeschlossen ist, zum Durchfahren eines Netzfehlers offenbart. Es wird ein Spannungseinbruch der Netzspannung erkannt und die Spannung U_dc eines Gleichspannungszwischenkreises 11 des Wechselrichters 13 überwacht. Wenn erkannt wird, dass die Zwischenkreisgleichspannung U_dc einen oberen Grenzwert U_THup überschreitet, wird ein Betriebsmodus zum Durchfahren des Netzfehlers (FRT) eingeleitet. Der obere Grenzwert U_THup entspricht einer Kniespannung U_dc,nom(max) in der spezifischen I_ac/U_dc-Kennlinie des Wechselrichters 14, oberhalb derer der maximale Ausgangswechselstrom I_ac,max des Wechselrichters 14 abnimmt. In dem FRT-Betriebsmodus wird eine Energieableitungsvorrichtung 14, die eingerichtet ist, um bedarfsweise Leistung von dem Gleichspannungszwischenkreis 11 abzuführen, aktiviert und gesteuert, um die Zwischenkreisgleichspannung U_dc in einem Bereich U_dc - ΔU < U_dc < U_dc,nom(max) unterhalb der Kniespannung U_dc,nom(max) zu halten. Ein Wechselrichtersystem 2 für eine Photovoltaik-Anlage 1, die das erfindungsgemäße Verfahren implementiert, ist ebenfalls offenbart.
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 8687328 B2 [0007, 0008]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters (13), der zwischen einem Photovoltaik(PV)-Generator (3) und einem Energieversorgungsnetz (4) angeschlossen ist, zum Durchfahren eines Netzfehlers, wobei das Verfahren aufweist: Erkennen eines Spannungseinbruchs der Netzspannung (U_ac); Überwachen der Spannung (U_dc) eines Gleichspannungszwischenkreises (11) an einem Gleichspannungseingang (18) des Wechselrichters (13); Erkennen, wenn die Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) einen oberen Grenzwert (U_THup) überschreitet, wobei der obere Grenzwert (U_THup) einer Kniespannung (U_dc,nom(max)) in einer spezifischen I_ac/U_dc-Kennlinie des Wechselrichters (13) entspricht, oberhalb derer der maximale Ausgangswechselstrom (I_ac,max) des Wechselrichters (13) abnimmt; und Aktivieren einer Energieableitungsvorrichtung (14), die parallel zu dem Gleichspannungszwischenkreis (11) angeschlossen ist, um bedarfsweise Leistung von dem Gleichspannungszwischenkreis (11) abzuführen, und Steuern der Energieableitungsvorrichtung (14), um die Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) in einem Bereich zwischen dem oberen Grenzwert (U_THup) und einem unteren Grenzwert (U_THlow) zu halten, der um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz (ΔU) kleiner ist als der obere Grenzwert (U_THup).
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist: Durchführen eines Maximaler-Leistungspunkt(MPP)-Trackings, um den PV-Generator (3) in von jeweiligen Betriebsbedingungen abhängigen Betriebspunkten maximaler Leistung (MPP) zu betreiben, wenn kein Spannungseinbruch der Netzspannung (U_ac) erkannt wird; Unterbrechen des MPP-Trackings, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, und Speichern des Wertes der MPP-Zwischenkreisspannung (U_dc,MPP) unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch; und sobald erkannt wird, dass kein Netzspannungseinbruch mehr vorliegt, Deaktivieren der Energieableitungsvorrichtung (14) und Wiederaufnehmen des MPP-Trackings, wobei die Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) auf den Wert der MPP-Zwischenkreisspannung (U_dc,MPP) unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner aufweist: Bestimmen von Referenzwerten für den in das Netz (4) einzuspeisenden Strom, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, und Steuern/Regeln des Wechselrichters (13) in Abhängigkeit von der momentanen erfassten Zwischenkreisspannung (U_dc) und den Stromreferenzwerten, um eine erforderlichen Kurzschlussstrom in das Netz (4) einzuspeisen, solange der Netzspannungseinbruch vorliegt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kniespannung (U_dc,nom(max)) von der Topologie des Wechselrichters (13) und darin verwendeten Leistungshalbleiterschaltern abhängig ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kniespannung (U_dc,nom(max)) größer ist als ein oberer Spannungsgrenzwert eines Maximaler-Leistungspunkt(MPP)-Trackingfensters in einem normalen Betrieb des Wechselrichters (13) und des PV-Generators (3), wenn kein Netzspannungseinbruch vorliegt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kniespannung (U_dc,nom(max)) im Vorfeld empirisch oder durch Messung an dem Wechselrichter (13) oder einem Wechselrichter desgleichen Typs bestimmt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aktivieren und Steuern einer Energieableitungsvorrichtung (14) ein Aktivieren und Steuern eines Bremschoppers (14) aufweist, der parallel zu dem PV-Generator (3) an dem Gleichspannungszwischenkreis (11) angeschlossen ist und wenigstens eine Reihenschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter (26) und einem Bremswiderstand (27) zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie aufweist.
Wechselrichtersystem für eine Photovoltaik(PV)-Anlage mit einem Wechselrichter (13) zur Umwandlung einer Gleichspannungs(DC)-Leistung eines PV-Generators (3) in eine Wechselspannungs(AC)-Leistung zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz (4), mit einem Gleichspannungszwischenkreis (11) am Gleichspannungseingang (18) des Wechselrichters (13) zur Verbindung mit dem PV-Generator (3); mit einer Energieableitungsvorrichtung (14), die parallel zu dem Gleichspannungszwischenkreis (11) angeschlossen ist, um bedarfsweise Leistung von dem Gleichspannungszwischenkreis (11) abzuführen, mit einer Erfassungseinrichtung (29, 31), die zur Erfassung der Netzspannung (U_ac) und der Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) und zur Erzeugung hierfür kennzeichnender Signale eingerichtet ist; mit einer Steuereinrichtung (33) zur Steuerung des Wechselrichters (13) und der Energieableitungsvorrichtung (14), wobei die Steuereinrichtung (33) mit der Erfassungseinrichtung (29, 31) kommunikationsmäßig verbunden und eingerichtet sind, um einen Spannungseinbruch der Netzspannung (U_ac) zu erkennen; zu erkennen, wenn die Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) einen oberen Grenzwert (U_THup) überschreitet, wobei der obere Grenzwert (U_THup) einer Kniespannung (U_dc,nom(max)) in der spezifischen I_ac/U_dc-Kennlinie des Wechselrichters (13) entspricht, oberhalb derer der maximale Ausgangswechselstrom (I_ac,max) des Wechselrichters (13) abnimmt; und die Energieableitungsvorrichtung (14) zu aktivieren und zu steuern, um die Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) in einem Bereich zwischen dem oberen Grenzwert (U_THup) und einem unteren Grenzwert (U_THlow) zu halten, der um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz (ΔU) kleiner ist als der obere Grenzwert (U_THup).
Wechselrichtersystem nach Anspruch 8, wobei der Wechselrichter (13) ein einstufiger netzgeführter Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis ist, der eine Schaltungsanordnung mit ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern, vorzugsweise Leistungs-MOSFETs oder IBGTs, aufweist.
Wechselrichtersystem nach Anspruch 8 oder 9, das ferner eine Maximaler-Leistungspunkt(MPP)-Trackingeinheit (34) zur Durchführung eines MPP-Trackings aufweist, um den PV-Generator (3) in von jeweiligen Betriebsbedingungen abhängigen Betriebspunkten maximaler Leistung (MPP) zu betreiben, wenn kein Spannungseinbruch der Netzspannung (U_ac) erkannt wird, wobei die Steuereinrichtung (33) ferner eingerichtet ist, um: die MPP-Trackingeinheit (34) zu deaktivieren, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, und den Wert der MPP-Zwischenkreisspannung (U_dc,MPP) unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch zu speichern; und sobald erkannt wird, dass kein Netzspannungseinbruch mehr vorliegt, die Energieableitungsvorrichtung (14) zu deaktivieren und die MPP-Trackingeinheit (34) zu aktivieren, wobei die Zwischenkreisgleichspannung (U_dc) auf den Wert der MPP-Zwischenkreisspannung (U_dc,MPP) unmittelbar vor dem Netzspannungseinbruch eingestellt wird.
Wechselrichtersystem nach einem der Ansprüche 8-10, wobei die Steuereinrichtung (33) ferner eingerichtet ist, um einen Referenzwert für den in das Netz (4) einzuspeisenden Strom zu bestimmen, sobald ein Netzspannungseinbruch erkannt wird, und den Wechselrichter (13) in Abhängigkeit von der momentanen erfassten Zwischenkreisspannung (U_dc) und dem Stromreferenzwert zu steuern/regeln, um einen erforderlichen Kurzschlussstrom in das Netz (4) einzuspeisen, solange der Netzspannungseinbruch vorliegt.
Wechselrichtersystem nach einem der Ansprüche 8-11, wobei die Kniespannung (U_dc,nom(max)) von der Topologie des Wechselrichters (13) und darin verwendeten Leistungshalbleiterschaltern abhängig ist.
Wechselrichtersystem nach einem der Ansprüche 8-12, wobei die Kniespannung (U_dc,nom(max)) größer ist als ein oberer Spannungsgrenzwert eines Maximaler-Leistungspunkt(MPP)-Trackingfensters (41) in einem normalen Betriebsmodus des Wechselrichtersystems (2) und des PV-Generators (3), wenn kein Netzspannungseinbruch vorliegt.
Wechselrichtersystem nach einem der Ansprüche 8-13, wobei die Kniespannung (U_dc,nom(max)) im Vorfeld empirisch oder durch Messung an dem Wechselrichter (13) oder einem Wechselrichter desgleichen Typs bestimmt wird und in einer Speichereinrichtung des Wechselrichtersystems (2) abgespeichert ist.
Wechselrichtersystem nach einem der Ansprüche 8-14, wobei die Energieableitungsvorrichtung einen Bremschopper (14) aufweist, der an dem Gleichspannungszwischenkreis (11) angeschlossen ist, um parallel zu dem PV-Generator (3) angeordnet zu sein, und der wenigstens eine Reihenschaltung aus einem ansteuerbaren Schalter (26), vorzugsweise einem Leistungs-MOSFET oder IGBT, und einem Bremswiderstand (27) zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie aufweist.