DE102017127311A1

DE102017127311A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vormagnetisierung eines Netztransformators in einem Stromrichtersystem

Info

Publication number: DE102017127311A1
Application number: DE102017127311.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Nadolny; Thomas Brückner; Michael Kocur
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-05-23
Also published as: US20190157982A1; CN109889111A; US10554148B2

Abstract

Offenbart ist eine Vormagnetisierungsvorrichtung für ein an ein dreiphasiges elektrisches Netz (2) anschließbares Stromrichtersystem (3), das einen dreiphasigen Netztransformator (9), einen mit dem Netztransformator (9) verbundenen Stromrichter (11) und einen Leistungsschutzschalter (8) auf der Netzseite des Netztransformators (9) aufweist. Die Vormagnetisierungsvorrichtung (18) ist eingerichtet, um den Netztransformator (9) in einem von dem Netz (2) getrennten Zustand geeignet vorzumagnetisieren. Die Vormagnetisierungsvorrichtung (18) verwendet eine einphasige Referenzspannung (U), die zu der Netzspannung (U) in einer festen Beziehung hinsichtlich der Spannungsparameter steht, um auf der Basis der gemessenen momentanen Referenzspannung (U) und der bekannten festen Parameterbeziehungen durch Ansteuerung des Stromrichters (11) eine zu der Netzspannung (U) synchrone dreiphasige Wechselspannung auf der Netzseite des Netztransformators 9 zu generieren. Ein Stromrichtersystem (3) und ein Verfahren zum Vormagnetisieren eines dreiphasigen Netztransformators (9) eines Stromrichtersystems (3) sind ebenfalls offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Stromrichtersysteme und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vormagnetisierung eines Netztransformators in einem Stromrichtersystem.
Stromrichtersysteme werden häufig eingesetzt, um fernliegende Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. Windkraftanlagen und Photovoltaik(PV)-Anlagen, mit einem elektrischen Versorgungs- oder Verteilungsnetz, z.B. einem Mittelspannungs(MS)-Netz, zu verbinden oder Antriebseinrichtungen, z.B. Motoren, Pumpen, Kompressoren oder dgl., aus dem MS-Netz zu speisen. Gewöhnlich werden für diese Anwendungen heutzutage selbstkommutierte spannungsgesteuerte Stromrichter (sog. voltage source converters, VSC) mit Gleichspannungszwischenkreis verwendet. Diese Stromrichter werden mit dem MS-Netz über einen auch als Haupt- oder Stromrichtertransformator bezeichneten Netztransformator elektrisch verbunden, der die Spannung des MS-Netzes von gewöhnlich 1-50 kV, typischerweise 10-30 kV, in eine geeignete Wechselspannung (AC-Spannung) auf der Wechselspannungsseite des Stromrichters wandelt, die je nach Anwendung zwischen bspw. 400 V und 3300 V betragen kann. Ein Leistungsschutzschalter ist auf der Primärseite (Netzseite) und/oder der Sekundärseite (Stromrichterseite) des Netztransformators angeordnet, um das Stromrichtersystem bedarfsweise mit dem Netz zu verbinden bzw. von diesem galvanisch zu trennen.
In Anwendungen für erneuerbare Energiesysteme ist der Hauptleistungsschutzschalter des Stromrichtersystems bevorzugt auf der Netzseite des Transformators angeordnet. Dies ermöglicht es, auch den Netztransformator bei Nichtgebrauch, z.B. zur Nachtzeit bei PV-Stromrichtersystemen oder bei Windstille in Windkraftanlagen, vom Netz zu trennen, was wesentliche Verlust- und Kosteneinsparungen ergeben kann.
Um den Stromrichter mit dem Netz verbinden, d.h. den Leistungsschutzschalter schließen zu können, ist es erforderlich, zuvor den Gleichspannungszwischenkreis des Stromrichters vorzuladen. Andernfalls würde der entladene Gleichspannungszwischenkreis als ein vorübergehender Kurzschluss wirken, und es würden hohe transiente Kurzschlussströme durch den Netztransformator, Freilaufdioden des Stromrichters und Gleichspannungszwischenkreiskondensatoren fließen. Die Zwischenkreiskondensatoren würden mit einer großen Spannungsüberhöhung geladen werden, was diese und auch andere Stromrichterkomponenten zerstören könnte. Es wird deshalb meist eine Vorladevorrichtung für Stromrichter eingesetzt, um den Gleichspannungszwischenkreis in etwa auf seine Nennbetriebsspannung vorzuladen, bevor der Leistungsschutzschalter geschlossen wird.
Wenn der Leistungsschutzschalter zwischen dem Netz und dem Netztransformator angeordnet ist und der Netztransformator nicht magnetisiert ist, könnte ein Schließen des Leistungsschutzschalters bei ungünstiger Phasenlage der Netzspannung zu einem stark erhöhten Einschaltstrom oder zu Einschaltstromspitzen führen, die auch als Inrush-Strom bezeichnet werden. Die Höhe dieses Einschaltstromes hängt von dem Einschaltzeitpunkt in Bezug zu dem zeitlichen Verlauf der Netzspannung und dem im Transformatorkern gespeicherten magnetischen Fluss ab. Die Stärke des Einschaltstromes kann in Einzelfällen ein Auslösen von Sicherungen oder Öffnen von Schutz- oder Trennschaltern bewirken. Das Leistungssystem müsste bemessen werden, um die transienten Einschaltströme auszuhalten. Allerdings kann ein wiederholt auftretender hoher Transformatoreinschaltstrom die Nutzungslebensdauer des Leistungsschutzschalters reduzieren. Aus diesem Grund werden Vorladevorrichtungen für Stromrichter häufig um die Funktion einer Vormagnetisierung des Netztransformators erweitert.
Aus der Praxis sind unterschiedliche Vorrichtungen zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises eines Stromrichters und zur Vormagnetisierung eines Netztransformators bekannt. Üblicherweise ist bei fernliegenden Stromrichtersystemen keine Hilfsenergieversorgung durch ein separates (Niederspannungs-) Netz vorgesehen. Der gesamte Energiebedarf für Steuerungen und Hilfsausrüstung, wie z.B. Kühl-, Heiz- und Beleuchtungssubsysteme, muss dann aus dem MS-Netz gewonnen werden. Dies gilt beispielsweise auch für PV-Stromrichter, die in Zeiten, wenn keine Solarleistung zur Verfügung steht, zur Netzleistungskonditionierung, bspw. Blindleistungskompensation, dienen können und hierzu, wie auch zum Zwecke der Heizung, Überwachung etc., eine von der Verfügbarkeit der Solarleistung unabhängige Hilfsenergieversorgung benötigen. Daher ist gewöhnlich eine Hilfsenergieversorgung über einen Hilfstransformator aus der MS-Netzversorgung vorgesehen. Diese Hilfsenergieversorgung kann auch zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises eines Stromrichters verwendet werden.
Bspw. ist in einer bekannten Vorrichtung an eine Hilfsenergieversorgung ein spezieller dreiphasiger Vorladetransformator angeschlossen, dessen Sekundärwicklung eine ungesteuerte Drehstrom-Gleichrichterbrücke speist. Die Gleichspannungsseite der Gleichrichterbrücke ist mit dem Gleichspannungszwischenkreis des Stromrichters verbunden. Die Nennleistung des Vorladetransformators ist sehr niedrig gewählt, so dass beim Einschalten die Transformatorimpedanz den Vorladestrom für den Gleichspannungszwischenkreis begrenzt, was ein langsames Vorladen des Zwischenkreiskondensators ermöglicht. Es ist auch bekannt, die Verbindung zwischen dem Vorladetransformator und dem Gleichspannungszwischenkreis über zwei oder mehrere parallele Pfade mit unterschiedlichen Widerständen zu führen, um den Vorladestrom für die Vorladeprozedur kontrolliert zu begrenzen.
Sobald der Gleichspannungszwischenkreis in etwa auf die Nennbetriebsspannung vorgeladen worden ist, kann der Stromrichter durch Ansteuerung seiner Leistungshalbleiterschalter betrieben werden, um eine AC-Spannung auf seiner Wechselspannungsseite aufzubauen, so dass die dreiphasige Primärspannung auf der Netzseite des Netztransformators hinsichtlich der Amplitude, Phase und Phasenreihenfolge zu der dreiphasigen Netzspannung weitgehend synchron ist, bevor der Leistungsschutzschalter geschlossen wird. Die jeweiligen Referenzgrößen der Spannungsamplitude, des Phasenwinkels und des Drehrichtungssinns des MS-Netzes werden meist unmittelbar an der dreiphasigen MS-Netzspannung gemessen.
Eine derartige Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung ist, was die Schaltungsimplementierung, die benötigen Komponenten, die Messung der Parameter und die Steuerung der Vorrichtung anbetrifft, relativ komplex und aufwendig. Es besteht stets der Wunsch, den Aufwand und die Kosten zu reduzieren.
US 9 337 762 B1 beschreibt eine Vormagnetisierungsvorrichtung für einen Netztransformator, die einen dreiphasigen Hilfstransformator aufweist, dessen Primärwicklungen mit der dreiphasigen Netzwechselspannung verbunden sind und dessen Sekundärwicklungen mit den Sekundärwicklungen des Netztransformators gekoppelt sind, um diesen derart vorzumagnetisieren, dass ein Fluss und eine Spannung seiner Primärwicklungen mit der Netzwechselspannung phasengleich sind. Diese Lösung ist unter anderem wegen der Verwendung des dreiphasigen Hilfstransformators aufwändig und kostspielig.
US 2016/0126858 A1 beschreibt eine Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung für ein an ein MS-Netz anschließbares Stromrichtersystem, wobei die Vorladung ausgehend von einer gesonderten DC-Vorladeenergiequelle erfolgt. Sobald der Gleichspannungszwischenkreis auf die Nennspannung vorgeladen ist, wird der Stromrichter geeignet angesteuert, um auf seiner Wechselseite eine mit der Amplitude und Phase der Netzspannung synchrone Wechselspannung zu modulieren. Dadurch können Inrush-Ströme, die beim Anschalten des Stromrichters an das MS-Netz durch Drosseln und Kondensatoren eines Eingangsfilters des Stromrichters fließen, begrenzt werden. Die für die Vormagnetisierung benötigen Bezugsgrößen für die Amplitude und Phase der Netzspannung werden unmittelbar auf der Netzspannungsseite gemessen. Der Aufwand ist relativ hoch.
US 7 092 262 B2 beschreibt eine Vorladeschaltung für einen Gleichspannungszwischenkreis eines dreiphasigen Stromrichters, der über einen Netztransformator an ein dreiphasiges Netz angeschlossen ist. Die Vorladeschaltung verwendet einen einphasigen Trenntransformator, dessen Eingangsanschlüsse mit einer einzigen Phase der Netzwechselspannung verbunden sind, und einen Vollwellengleichrichter, der den Ausgang des Transformators mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbindet. Eine Vormagnetisierung eines Netztransformators ist nicht vorgesehen.
Bekannte Vormagnetisierungsvorrichtungen benötigen Messmittel auf der MS-Netzseite und/oder einen dreiphasigen Hilfstransformator zum Ableiten der Referenzgrößen zum Synchronisieren der Spannung beim Aufmagnetisieren des Netztransformators. Dies führt zu einem relativ hohen schaltungstechnischen und verfahrenstechnischen Aufwand und relativ hohen Kosten für die Implementierung und den Betrieb derartiger Stromrichtersysteme.
Ausgehend hiervor ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vormagnetisierung eines Netztransformators in einem Stromrichtersystem zu schaffen, die die Vormagnetisierung mit einfachen Mitteln, unter reduziertem schaltungstechnischen und verfahrenstechnischen Aufwand ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren zu schaffen, die sich vorzugsweise auch zur einfachen Vorladung eines Gleichspannungszwischenkreises des Stromrichtersystems eignen.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stromrichtersystem mit einer derartigen Vormagnetisierungsvorrichtung und bevorzugt Vorladevorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch eine Vormagnetisierungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, ein Stromrichtersystem nach Anspruch 11 und ein Verfahren zum Vormagnetisieren eines dreiphasigen Netztransformators nach Anspruch 13 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vormagnetisierungsvorrichtung für ein an ein dreiphasiges elektrisches Netz anschließbares Stromrichtersystem, das einen dreiphasigen Netztransformator mit einer mit dem Netz verbindbaren Primärseite und einer Sekundärseite und einen mit der Sekundärseite des Netztransformators verbunden ansteuerbaren Stromrichter aufweist, geschaffen. Die Vormagnetisierungsvorrichtung ist eingerichtet, um bei vom Netz getrennter Primärseite des Netztransformators den Netztransformator über den Stromrichter derart vorzumagnetisieren, dass eine Spannung auf der Primärseite des Netztransformators im Wesentlichen synchron zu einer Netzspannung des Netzes ist. Die Vormagnetisierungsvorrichtung weist hierzu einen Anschluss an eine einphasige Referenzspannung, die zu der Netzspannung hinsichtlich der Frequenz, Amplitude und Phase in einer festen Beziehung steht, und Mittel zur Erfassung der Referenzspannung auf, wobei die Vormagnetisierungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, den Netztransformator über den Stromrichter auf der Basis der momentanen erfassten Referenzspannung und der bekannten Beziehungen zwischen der Referenzspannung und der Netzspannung vorzumagnetisieren.
Die Vormagnetisierungsvorrichtung ermöglich es, im Vorfeld vor einer Anschaltung des Stromrichtersystems ans Netz, eine Vormagnetisierung des Netztransformators auszuführen, indem eine Spannung an die Sekundärseite des Netztransformators angelegt wird und der Stromrichter angesteuert wird, um einen Magnetisierungsstrom zu liefern, so dass in einer netzseitigen Primärwicklung des Netztransformators eine Primärspannung erzeugt wird, die mit der Netzspannung hinsichtlich der Frequenz, Amplitude, Phase und der Phasenreihenfolge synchronisiert ist. Dabei verwendet die Vormagnetisierungsvorrichtung eine Referenzspannung, die hinsichtlich dieser Bezugsgrößen, insbesondere der Frequenz, Amplitude und Phase, mit der Netzspannung fest verknüpft ist. Bspw. kann die Referenzspannung eine von der Netzspannung abgeleitete Spannung, z.B. die Spannung einer von dem dreiphasigen MS-Netz abgeleiteten einphasigen Hilfsspannungsversorgung, z.B. NS-Versorgung, sein. Die einphasige Hilfsspannungsversorgung kann eine externe, vom Netz abhängige Quelle sein, oder die Referenzspannung kann bspw. über einen einphasigen Hilfstransformator direkt aus der Netzspannung gewonnen werden. Gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen, die eine vom Netz gespeiste dreiphasige Hilfsenergieversorgung und einen dreiphasigen Hilfstransformator für die Vormagnetisierung verwenden, ist der Aufwand für die schaltungstechnische Realisierung und den Betrieb der Vormagnetisierungsvorrichtung deutlich reduziert, was auch die Anschaffungs- und Betriebskosten verringert. Dabei hat es sich gezeigt, dass die bereitgestellte einphasige Referenzspannungsquelle oder Hilfsenergieversorgung ausreicht, um auch Hilfsaggregate des Stromrichtersystems, einschließlich Steuerungen, Kühl-, Heiz-, Beleuchtungseinrichtungen und dgl., zu versorgen. Eine dreiphasige Hilfsenergieversorgung wird hierzu nicht benötigt.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Vormagnetisierungsvorrichtung einen einphasigen Hilfstransformator auf, der eine Primärwicklung zur elektrischen Verbindung mit einer einphasigen Hilfsspannungsversorgung, vorzugsweise einer Phasenspannung oder einer verketteten Spannung des Netzes, aufweist. Die Erfassungsmittel weisen eine Messeinrichtung zur Erfassung der Spannung an einer Sekundärwicklung des Hilfstransformators als Referenz zur Vormagnetisierung des Netztransformators auf. Kleine einphasige MS-Hilfstransformatoren sind deutlich kosteneffizienter als ihre dreiphasigen Entsprechungen und auch bei niedrigeren Leistungsniveaus verfügbar, die vollständig ausreichend sind, um die typischen Hilfsenergieanforderungen, einschließlich der Bereitstellung einer Vorlade- und/oder Vormagnetisierungsleistung, zu erfüllen.
Die Erfindung ermöglicht so die Funktionalität der Vormagnetisierung eines Netztransformators eines Stromrichtersystems ohne die Notwendigkeit einer dreiphasigen Hilfsenergieverbindung und mit gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen reduziertem Aufwand und einfacheren Mitteln. Hohe Einschaltstromspitzen (Inrush-Ströme) können wirksam vermieden werden. Im Allgemeinen kann angenommen werden, dass der Netztransformator hinreichend vormagnetisiert ist und die Inrush-Ströme ausreichend minimiert werden, wenn der relative Fehler zwischen den erreichten Parametern der Primärspannung des Netztransformators und denjenigen der Netzspannung kleiner als etwa 10 % oder mehr, vorzugsweise kleiner als etwa 5 %, bezogen auf die Netzspannung ist.
Jede beliebige vorstehend erwähnte Vormagnetisierungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Logik zur Steuerung der Vormagnetisierungsprozedur bspw. aus einem Gleichspannungszwischenkreis des Stromrichters durch Ansteuerung ansteuerbarer Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters unter Verwendung der einphasigen Referenzspannung auf. Die Steuerlogik kann vorteilhafterweise, jedoch nicht notwendigerweise, in einer Steuerungseinrichtung des Stromrichtersystems gemeinsam integriert oder integrierbar sein. Insbesondere kann die Steuerlogik allein in Software implementiert sein. Eine derartige Vormagnetisierungsvorrichtung kann auch in bestehenden Systemen leicht nachgerüstet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vormagnetisierungsvorrichtung weist die Steuerlogik Logikmittel zur Bestimmung von für die Vormagnetisierung relevanten Informationen über Beziehungen zwischen Parametern der Netzspannung und derjenigen der einphasigen Referenzspannung auf, wobei diese Informationen in einer Messroutine, vorzugsweise bei einer Inbetriebnahme des Stromrichtersystems oder in einem Testzyklus, gewonnen werden. Die Vormagnetisierungsvorrichtung weist dann ferner Speichermittel zur Abspeicherung dieser relevanten Informationen zur Verwendung für nachfolgende betriebliche Vormagnetisierungsprozeduren bei späteren Einschaltvorgängen des Stromrichtersystems auf.
Insbesondere können die in den Speichermitteln vorab gespeicherten Daten die ermittelten relevanten Informationen enthalten, die die festen Beziehungen zwischen den Amplituden und Phasenwinkeln der einphasigen Referenzspannung und der dreiphasigen Netzspannung und die Phasenreihenfolge (den Drehrichtungssinn) des Drehstromsystems des Netzes kennzeichnen. Ferner können diese vorab gespeicherten Daten gemessene oder vorgegebene Daten enthalten, die bei der Durchführung der Vormagnetisierungsprozedur eine Berechnung oder Abschätzung der resultierenden Primärspannung des Netztransformators ermöglichen, wie z.B. ein Windungsverhältnis zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Netztransformators, ein gemessenes Amplitudenverhältnis und/oder eine gemessene Phasenverschiebung zwischen der Primär- und der Sekundärspannung des Netztransformators, wenn die Primärwicklung des Hilfstransformators im Leerlauf ist, oder dgl. Es müssen nicht alle der hier aufgeführten Daten erforderlich sein und vorab abgespeichert werden. Auch das Windungsverhältnis und/oder gemessene Amplituden- und Phasenbeziehungen des Hilfstransformators können vorab gespeichert und zur Abschätzung der Netzspannung herangezogen werden. Eine Messung des Amplitudenverhältnisses ermöglicht im Allgemeinen eine genauere Schätzung der dreiphasigen Wechselspannung des Netztransformators. Jedenfalls kann eine Steuerlogik für die Vormagnetisierungsprozedur dazu eingerichtet sein, Istwerte der Netzspannung und der Primärspannung des Netztransformators während einer Vormagnetisierungsprozedur auf der Basis der gespeicherten relevanten Informationen bzw. der gemessenen oder vorgegebenen Daten zu berechnen. Mit den gespeicherten Daten stehen alle quantitativen Informationen zur Verfügung, die erforderlich sind, um künftig die Primärspannung des Netztransformators mit der Netzspannung zu synchronisieren.
Die einzigen Größen, die während der betrieblichen Vormagnetisierungsroutine später noch benötigt werden und gemessen werden müssen, sind die Amplitude und der Phasenwinkel der Referenzspannung, z.B. einer Spannung der Hilfsspannungsversorgung oder der Hilfsspannung an der Sekundärwicklung des Hilfstransformators, die als eine Referenz für die Modulation der AC-Ausgangsspannung des Stromrichters dienen. Außerdem kann die Vormagnetisierungsvorrichtung vorzugsweise ferner eine Messeinrichtung zur Erfassung der Sekundärspannung des Netztransformators aufweisen, die bei der Bestimmung der Primärspannung des Netztransformators bei der Vormagnetisierungsprozedur verwendet werden kann. Die Vormagnetisierungsvorrichtung ist aber vorzugsweise frei von Messeinrichtungen zur Erfassung elektrischer Spannungen oder Ströme auf der Netzseite des Hilfstransformators, der Netzseite des Netztransformators und der Netzseite des Leistungsschutzschalters. Es erfolgt keine Messung der Netzspannung. Dies reduziert ferner den Messaufwand für die Vormagnetisierungsprozedur und damit die Implementierungs- und Betriebskosten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vormagnetisierungsvorrichtung Teil einer Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung, die sowohl zur Vormagnetisierung des Netztransformators als auch zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises des Stromrichters bei vom Netz getrenntem Stromrichtersystem eingerichtet ist. Die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung weist hierzu vorzugsweise ferner Logikmittel zur Durchführung und Steuerung einer Vorladeprozedur vor der Durchführung der Vormagnetisierungsprozedur auf. Der Gleichspannungszwischenkreis kann ungefähr auf seine Nennbetriebsspannung vorgeladen werden, um transiente Kurzschlussströme beim Anschalten des Stromrichters ans Netz und damit verbundene Gefahren einer Beschädigung von Stromrichterkomponenten zu vermeiden.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung vorteilhafterweise einen mit dem Netz verbundenen einphasigen Hilfstransformator aufweisen, der die Referenzspannung für die Vormagnetisierungsprozedur und ferner Energie zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises des Stromrichters bereitstellt. Die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung kann ferner einen Vorladezweig aufweisen, der den Hilfstransformator mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbindet und eine darin eingefügte Gleichrichtereinrichtung, vorzugsweise eine ungesteuerte Zweipol-Brückengleichrichterschaltung, enthält, um die Hilfsspannung am Sekundärausgang des Hilfstransformators in eine Gleichspannung für den Gleichspannungszwischenkreis umzuwandeln. In einer einfachen Implementierung kann die Gleichrichtereinrichtung hierbei durch eine ungesteuerte Zweipol-Brückengleichrichterschaltung (sog. B2-Brücke) gebildet sein. Es können andere, auch gesteuerte Gleichrichterschaltungen eingesetzt werden, wenn dies gewünscht ist.
In dem Vorladezweig können bedarfsweise weitere Komponenten, wie bspw. ein Vorladetransformator angeordnet sein, der zwischen der Referenzspannungsquelle bzw. dem Hilfstransformator und der Gleichrichterschaltung eingefügt sein kann, um die Referenzspannung auf ein zum Betreiben des Stromrichters, insbesondere zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises und zur Vormagnetisierung des Netztransformators, geeignetes höheres Niveau zu wandeln. Bspw. kann die Sekundärspannung des Hilfstransformators von etwa 230 V AC auf z.B. 1000 V AC für einen 1500 V DC Stromrichter transformiert werden. Diese Angaben sind jedoch nur für eine bevorzugte Anwendung beispielhaft und keinesfalls beschränkend.
In einer Weiterbildung kann der Vorladezweig ferner wenigstens einen ersten Zweigabschnitt mit einem Vorladewiderstand aufweisen, um die Größe des Vorladestroms bei der Vorladeprozedur zu begrenzen. Wenn mehrere derartige Zweigabschnitte mit unterschiedlichen Widerstandsgrößen und Schalterelemente vorgesehen sind, die eine Zwischenschaltung eines jeweiligen Zweigabschnitts ermöglichen, kann der Vorladewiderstand im Verlauf der Vorladeprozedur geeignet angepasst, insbesondere beim Starten der Vorladeprozedur relativ hoch gewählt und anschließend stufenweise reduziert werden. Vorteilhafterweise können ferner ein zu dem wenigstens einen ersten Zweigabschnitt paralleler Bypasszweig, der frei von Widerständen ist, sowie Schalterelemente vorgesehen sein, um wahlweise auch Strom über den Bypasszweig ohne Vorladewiderstand zu führen. Dadurch kann ein preiswerterer Vorladetransformator mit niedrigerer Impedanz verwendet werden, und Sicherungselemente können kleiner bemessen werden.
Der Vorladezweig könnte auch an eine andere Energiequelle angeschlossen oder anschließbar sein oder auch ganz entfallen, z.B. wenn der Zwischenkreis durch eine Photovoltaik-Anlage über seine Gleichspannungsanschlüsse vorgeladen werden kann.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Stromrichtersystem für ein elektrisches Energieerzeugung-, Energieübertragungs- und/oder Energieverteilungssystem, insbesondere für eine Photovoltaik- oder Windkraftanlage, geschaffen. Das Stromrichtersystem weist einen dreiphasigen Netztransformator, der eine Primärseite und einer Sekundärseite aufweist, einen mit der Sekundärseite des Netztransformators verbundenen ansteuerbaren Stromrichter, einen Leistungsschutzschalter und eine Vormagnetisierungsvorrichtung auf. Der Stromrichter weist einen Gleichspannungszwischenkreis auf, der wenigsten einen Gleichspannungszwischenkreiskondensator aufweist. Der Leistungsschutzschalter ist auf der Netz- bzw. Primärseite des Netztransformators angeordnet und eingerichtet, um wahlweise geschlossen oder geöffnet zu werden, um die Primärseite des Netztransformators und den Stromrichter mit einem elektrischen Netz elektrisch zu verbinden bzw. von diesem galvanisch zu trennen. Die Vormagnetisierungsvorrichtung ist nach einer beliebigen der verschiedenen im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Stromrichtersystems weist die Vormagnetisierungsvorrichtung einen einphasigen Hilfstransformator auf, der unmittelbar an eine einzelne Phase des Netzes angeschlossen ist und die Referenzspannung für die Vormagnetisierungsprozedur liefert. Der Hilfstransformator, insbesondere ein Abwärtstransformator, kann zwischen zwei Phasenanschlüssen der Netzspannung oder zwischen einem Phasenanschluss und (sofern vorhanden) einem Neutralanschluss auf der Netzseite angeschlossen sein. Damit kann bspw. eine Niederspannung (NS) zur Hilfsenergieversorgung direkt aus der Mittelspannung (MS) des Netzes gewonnen werden. Diese kann dann auch zur Versorgung von Hilfslasten des Stromrichtersystems, wie bspw. zur Kühlung, Heizung, Beleuchtung und dgl., dienen.
Sind mehrere derartige Stromrichtersysteme an einem Ort parallel an das Netz angeschlossen, so können die Hilfstransformatoren der einzelnen Stromrichtersysteme vorzugsweise an unterschiedliche Phasen des Versorgungsnetzes angeschlossen sein, um die gezogene Hilfsleistung möglichst gleichmäßig auf die Phasen des Netzes aufzuteilen und eine übermäßige asymmetrische Belastung des Netzes zu vermeiden.
Im Übrigen kann die Vormagnetisierungsvorrichtung des Stromrichtersystems eine beliebige der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einnehmen. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit der Vormagnetisierungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt verwiesen, wobei die damit verbundenen Vorteile, insbesondere die Reduzierung der Komplexität der Implementierung und des Aufwands im Betrieb und die damit verbundenen Kosteneinsparungen, auch dem Stromrichtersystem insgesamt zu Gute kommen.
In einem noch weiteren Aspekt ist eine Energieerzeugungsanlage, insbesondere eine Photovoltaik(PV)-Anlage oder eine Windkraftanlage, mit einem Stromrichtersystem, wie vorstehend beschrieben, geschaffen. Bei diesen bevorzugten Anwendungen ist die Möglichkeit der Vormagnetisierung und ggfs. der Vorladung von besonderem Nutzen, weil dadurch das Stromrichtersystem regelmäßig, z.B. jeweils nachts bzw. bei Windstille, vom Netz getrennt und anschließend an dieses wieder angeschaltet werden kann, ohne Beeinträchtigungen oder Beschädigungen zu erfahren. Hinsichtlich möglicher Weiterbildungen und erzielbarer Vorteile wird auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit der Vormagnetisierungsvorrichtung verwiesen.
In einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Vormagnetisieren eines dreiphasigen Netztransformators eines Stromrichtersystems, das einen spannungsgesteuerten Stromrichter aufweist, der über den Netztransformator mit einem elektrischen Netz verbindbar ist, geschaffen. Das Verfahren weist ein Vorsehen einer einphasigen Referenzspannung, die zu der Netzspannung hinsichtlich der Frequenz, Amplitude und Phase in einer festen Beziehung steht, auf. Das Verfahren weist ferner ein Bestimmen von Bezugsgrößen für die erforderliche Primärspannung des Netztransformators in Abhängigkeit von der Referenzspannung in einer Messroutine, vorzugsweise bei der Inbetriebnahme des Stromrichtersystems, und Abspeichern der bestimmten elektrischen Bezugsgrößen in einem Speicher auf. Das Verfahren weist ferner bei nachfolgenden Start- oder Einschaltvorgängen ein Vormagnetisieren des Netztransformators bei vom Netz getrennter Primärseite des Netztransformators unter Verwendung der momentan gemessenen Referenzspannung und der abgespeicherten elektrischen Bezugsgrößen durch Ansteuerung des Stromrichters auf.
Bei der Messroutine, bspw. einer Inbetriebnahmeroutine, werden somit alle wesentlichen relevanten Informationen, die Beziehungen zwischen der Netzspannung und der Hilfsspannung betreffen, gesammelt und gesichert, die dann in einer betrieblichen Vormagnetisierungsroutine jedes Mal, wenn das Stromrichtersystem an das Netz anzuschalten ist, zur Synchronisierung der Sekundärspannung des Netztransformators mit der Netzspannung hinsichtlich der Amplitude, der Phasenlage und der Phasenreihenfolge genutzt werden.
Das Verfahren weist vorzugsweise ferner vor der Durchführung jeder Vormagnetisierung, sofern erforderlich, ein Vorladen des Gleichspannungszwischenkreises bspw. aus einer Hilfsspannungsversorgung unter Verwendung des Hilfstransformators auf. Die Referenzspannung einer Hilfsspannungsversorgung oder an der Sekundärseite eines mit dem Netz verbundenen einphasigen Hilfstransformators kann vorteilhafterweise auch für die Vorladung genutzt werden.
Noch weiter weist das Verfahren nach abgeschlossener Vorladung und Vormagnetisierung vorzugsweise ein Schließen eines Leistungsschutzschalters, der zwischen dem Netz und dem Netztransformator eingefügt ist, auf, um den Netztransformator mit der Netzspannung zu verbinden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird die Messroutine in Inbetriebnahme- oder sonstigen Testzyklen unter im Wesentlichen gleichen Lastbedingungen (für den Hilfstransformator oder die Hilfsspannungsversorgung) wie die betriebliche Vorlade- und/oder Vormagnetisierungsprozedur durchgeführt. Vorzugsweise ist jeweils eine nur geringe Last an die Hilfsspannungsversorgung bzw. den Hilfstransformator angeschlossen. Das Verfahren kann vorsehen, dass hohe Hilfslasten, wie etwa Heizung, Gebläse und ähnliche Einrichtungen, vor der Durchführung der Mess-, Vorlade- und Vormagnetisierungsroutine jeweils deaktiviert bzw. abgeschaltet werden, um bspw. eine Phasenverschiebung und einen Spannungsabfall der Hilfsversorgungsspannung oder der Hilfsspannung an dem Hilfstransformator zu vermeiden. Ein Spannungsabfall der Hilfsversorgungsspannung, der noch durch angeschlossene, funktionierende Lasten hervorgerufen wird, kann ggfs. auch rechnerisch ermittelt und bei der Messung, der Vorlade- und/oder der Vormagnetisierungsprozedur berücksichtigt werden.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, die diese in keiner Weise beschränken. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines netzgekoppelten Stromrichtersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in stark vereinfachter Prinzipdarstellung;
2 eine Energieerzeugungsanlage mit dem Stromrichtersystem nach 1 in einer gegenüber 1 modifizierten Ausführungsform, in einer detaillierteren Schaltbilddarstellung; und
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Vorladung eines Gleichspannungszwischenkreises und zur Vormagnetisierung eines Netztransformators eines Stromrichtersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung ein Blockdiagramm eines Systems 1 veranschaulicht, das zur Energieerzeugung, Energieverteilung oder Energieübertragung dienen kann. In dem dargestellten Beispiel weist das System 1 ein an ein Netz 2, insbesondere ein Mittelspannungs(MS)-Energieversorgungsnetz, angeschlossenes Stromrichtersystem 3 auf, das bspw. dazu eingerichtet ist, Wechselspannungsenergie aus dem Netz 2 zu entnehmen und in eine Gleichspannungsenergie umzuwandeln, die dann verwendet werden kann, um eine Einrichtung 4 mit Energie zu versorgen. Das Netz 2 ist hier ein dreiphasiges Netz, das eine dreiphasige Spannung U_grid liefert. Die Einrichtung 4 kann eine Gleichspannungs(DC)-Last 4a, wie bspw. ein Gleichstrommotor, eine Batterie zur Speicherung der Energie oder jede beliebige geeignete DC-Last sein. Die Einrichtung 4 kann auch eine Wechselspannungs(AC)-Last 4b sein, die über einen vorgeschalteten Wechselrichter 4c gespeist wird. Gegebenenfalls zusätzlich erforderliche Einrichtungen, um die von dem Stromrichtersystem 3 gelieferte Energie zur Verwendung durch die Lasten 4a, 4b geeignet zu konditionieren, sind in 1 der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
Das Stromrichtersystem 3 kann auch als Wechselrichtersystem oder bidirektional ausgebildet sein, um Gleichspannungsenergie von der Einrichtung 4 in eine zur Einspeisung in das Netz 2 geeignete Wechselspannungsenergie umzuwandeln und in das Netz 2 einzuspeisen. In diesem Fall kann die Einrichtung 4 bspw. eine regenerative Energieerzeugungsanlage, wie bspw. eine Photovoltaik(PV)-Anlage, eine über einen (nicht veranschaulichten) Gleichrichter angeschlossene Windkraftanlage, eine auf Brennstoffzellen basierende Anlage oder dgl. oder auch ein anderes Netz sein, das Energie liefern kann.
Das Stromrichtersystem 3 weist zwischen seinem Wechselspannungs(AC)-Anschluss 6 und seinem Gleichspannungs(DC)-Anschluss 7 in einer Hintereinanderanordnung einen Leistungsschutzschalter 8, einen Haupt- oder Netztransformator 9 und einen Stromrichter 11 auf. Der AC-Anschluss 6 ist mit dem Netz 2 elektrisch verbunden. Der Leistungsschutzschalter 8 ist zwischen dem AC-Anschluss 6 und dem Netztransformator 9 angeordnet und dazu eingerichtet, wahlweise geschlossen oder geöffnet zu werden, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Netz 2 und dem Netztransformator 9 sowie dem Stromrichter 11 wahlweise herzustellen bzw. zu unterbrechen. Bei geöffnetem Leistungsschutzschalter 8 sind der Netztransformator 9 und der Stromrichter 11 von dem Netz 2 galvanisch getrennt.
Der Netztransformator 9 ist ein dreiphasiger Transformator, der die dreiphasige Wechselspannung des Netzes 2, insbesondere eines Mittelspannung(MS)-Netzes im Bereich von etwa 1-50 kV AC, im Allgemeinen 10-30 kV AC, in eine für den Stromrichter 11 geeignete Wechselspannung im Bereich von 230-3300 V AC umwandelt. Der Netztransformator 9 weist in bekannter Weise eine Primärseite oder Primärwicklung 12 auf der Netzseite und eine Sekundärseite oder Sekundärwicklung 13 auf seiner Stromrichterseite auf.
Der Stromrichter 11 ist dazu eingerichtet, die dreiphasige transformierte Wechselspannung auf der Sekundärseite 13 des Netztransformators 9 gleichzurichten und auf seiner Gleichspannungs(DC)-Seite 14 bereitzustellen und/oder umgekehrt die Gleichspannung wechselzurichten. Der Stromrichter 11 ist hier ein spannungsgesteuerter Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (sog. voltage source converter, VSC) und kann ein zwei- oder mehrstufiger Stromrichter sein, der eine Reihe von ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere IGBTs, MOSFETs, IGCTs, GTOs oder dgl., aufweist, die geeignet verschaltet sind und hochfrequent getaktet werden können, um die Gleich- oder Wechselrichtung zu erzielen. Die DC-Seite 14 des Stromrichters 11 bildet einen hier durch das Bezugszeichen 16 lediglich angedeuteten Gleichspannungszwischenkreis, der als Energiespeicher dient, um das Stromrichtersystem 3 mit der nachgeschalteten Einrichtung 4 elektrisch zu koppeln. Der Gleichspannungszwischenkreis 16 kann insbesondere einen hier nicht näher veranschaulichten Gleichspannungszwischenkreiskondensator aufweisen, der durch einen oder mehrere Kondensatoren oder eine Kondensatorbank gebildet sein kann.
Wie ferner in 1 ersichtlich, ist das Stromrichtersystem 3 hier zusätzlich über einen Anschluss 15 mit einer Hilfsspannungsversorgung 17 verbunden, die eine Niederspannung(NS)-Spannungsquelle sein kann, die eine aus dem MS-Netz 2 abgeleitete einphasige Hilfsversorgungsspannung U_aux liefert, die zur Versorgung von hier nicht näher dargestellten Hilfseinrichtungen, bspw. zur Kühlung, Heizung oder Beleuchtung in dem Stromrichtersystem 3 oder für die Steuerung verwendet werden kann. Wenngleich die Hilfsspannungsversorgung 17 hier als eine externe Spannungsquelle dargestellt ist, kann sie auch intern, innerhalb des Stromrichtersystems 3 aus der Netzspannung U_grid generiert werden.
Außerdem ist eine Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18 in dem Stromrichtersystem 3 vorgesehen und dazu eingerichtet, den Gleichspannungszwischenkreis 16 bei vom Netz 2 getrenntem Stromrichtersystem 3 bedarfsweise auf ein Betriebsniveau vorzuladen und den Netztransformator 9 bei geöffnetem Leistungsschutzschalter 8, also vom Netz 2 getrennter Primärwicklung 12 des Netztransformators 9, zu der Netzspannung synchron vorzumagnetisieren. Hierzu weist die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18 einen zwischen der Hilfsenergieversorgung 17 und dem Gleichspannungszwischenkreis 16 geschalteten Vorladezweig 19 auf, in dem ein Schalter 20, ein Transformator 21 und eine Gleichrichtereinrichtung 22 angeordnet sind.
Der Transformator 21 ist mit seiner Primärseite bzw. Primärwicklung 23 über den steuerbaren Schalter 20 mit der Hilfsenergieversorgung 17 verbindbar, während seine Sekundärseite bzw. Sekundärwicklung 24 mit der Gleichrichtereinrichtung 22 verbunden sind. Der Transformator 21 wandelt die von der Hilfsenergieversorgung 17 gelieferte Spannung auf ein geeignetes Niveau, bspw. zur Versorgung von hier nicht näher dargestellten Hilfseinrichtungen und insbesondere zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises 16 um. Aufgrund dieser Funktionalität kann der Transformator 21 auch als Vorladetransformator bezeichnet werden.
Für die Vormagnetisierungsfunktion ist es wichtig, dass die Hilfsenergieversorgung 17 in einer definierten Beziehung zu der Netzspannung steht, bspw. eine in den Niedervoltbereich abwärts gewandelte Netzspannung ist, damit feste Beziehungen zwischen der Amplitude und Phase der Spannung der Hilfsenergieversorgung 17 und der Netzspannung aufrechterhalten werden. Die Hilfsenergieversorgung 17 kann insbesondere direkt aus der Netzspannung abgeleitet bzw. durch eine Leiter- oder Strangspannung von dieser gebildet sein, wie dies auch in der nachstehend näher beschriebenen Ausführungsform nach 2 der Fall ist.
Weiter bezugnehmend auf 1 ist ersichtlich, dass die Gleichrichtereinrichtung 22 zwischen dem Vorladetransformator 21 und dem Gleichspannungszwischenkreis 16 angeordnet ist, um die Wechselspannung auf der Sekundärwicklung 24 gleichzurichten und in den Gleichspannungszwischenkreis 16 einzuspeisen. Die Gleichrichtereinrichtung 22 kann im einfachsten Fall durch eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke (sog. B2-Brücke oder Graetzbrücke) gebildet sein, die bekanntermaßen durch vier verschaltete Dioden gebildet ist, die eine leicht pulsierende Gleichspannung liefern. Andere, auch gesteuerte Gleichrichterschaltungen sind hier ebenfalls verwendbar.
Wie ferner aus 1 hervorgeht, ist eine Steuereinrichtung 26 dazu vorgesehen, das Stromrichtersystem 3 zu überwachen und zu steuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 26 dazu eingerichtet, den Leistungsschutzschalter 8 und den Schalter 20 in dem Vorladezweig 19 anzusteuern, um diese zu schließen oder zu öffnen, und die Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters 11 anzusteuern, um die transformierte Netzspannung in eine Gleichspannung oder umgekehrt umzuwandeln. Die Steuereinrichtung 26 weist ferner Logikmittel 27 zur Steuerung der Vorlade- und Vormagnetisierungsprozeduren auf. Details zu den Logikmitteln 27 und den anderen Komponenten des Systems 1 aus 1 sind in Verbindung mit 2 nachstehend weiter erläutert.
2 zeigt eine lediglich beispielhafte Anwendung des Stromrichtersystems 3 aus 1 für eine Energieerzeugungsanlage, hier insbesondere eine Photovoltaikanlage, in einer gegenüber 1 detaillierteren Darstellung unter Veranschaulichung zusätzlicher Komponenten des Stromrichtersystems 3 und in einer geringfügig modifizierten Ausführungsform. Soweit das System 1 nach 2 mit demjenigen nach 1 im Bau und/oder in der Funktion übereinstimmt, wird unter Zugrundlegung gleicher Bezugszeichen für gleiche Komponenten auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Das System 1 nach 2 weist das an das Netz 2, insbesondere ein dreiphasiges MS-Netz, anschließbare Stromrichtersystem 3 mit dem Leistungsschutzschalter 8, dem Netztransformator 9 und dem Stromrichter 11 auf. Der Leistungsschutzschalter 8 ist netzseitig, auf der Primärseite 12 des Netztransformators 9 angeschlossen, um zu ermöglichen, bedarfsweise, z.B. zur Nachtzeit, wenn keine Solarenergie zur Verfügung steht, das gesamte Stromrichtersystem 3, einschließlich des Netztransformators 9, vom Netz zu trennen. Vorteilhafterweise können dann Netztransformatorverluste vermieden werden.
Der zwischen dem Leistungsschutzschalter 8 und dem Stromrichter 11 geschaltete Netztransformator 9 wandelt die dreiphasige Netzspannung des MS-Netzes vom MS-Bereich, im Allgemeinen 10-30 kV AC, für das Beispiel einer PV-Anlage gewöhnlich in einen NS-Bereich, zum Beispiel 400-690 V AC abwärts, um sie mit der Auslegung des Stromrichters 11 kompatibel zu machen. Zwischen dem Netztransformator 9 und dem Stromrichter 11 sind hier übliche Netz- und EMV-Filter 28 angeordnet, die dazu dienen, Hochfrequenzrauschen und Oberschwingungen zu reduzieren. Die Netz- und EMV-Filter 28 sind hier lediglich symbolhaft durch eine Netzdrossel 29 in dem Leitungspfad zwischen dem Netztransformator 9 und dem Stromrichter 11 und eine RC-Reihenschaltung 31 aus einem Widerstand und einem Kondensator dargestellt, die zwischen dem Leitungspfad und einer lokalen Masse angeschlossen ist. Es ist zu beachten, dass der Leitungspfad zwischen dem Netz 2 und dem Stromrichter 11 durchwegs ein dreiphasiger Pfad ist.
Der Stromrichter 11 ist, wie vorstehend erwähnt, ein elektronischer Stromrichter, der hochfrequent taktbare Leistungshalbleiterschalter, z.B. IGBTs, in einer Schaltung aufweist, die es ermöglicht, die Gleichspannung U_DC des Gleichspannungszwischenkreises 16 in eine dreiphasige Wechselspannung und einen dreiphasigen Wechselstrom umzuwandeln, die sich zur Einspeisung in das Netz 2 eignen. Der Gleichspannungszwischenkreis 16 ist durch einen Gleichspannungszwischenkreiskondensator 32 dargestellt, der zwischen einer ersten und einer zweiten Gleichspannungs(DC)-Leitung 33, 34 auf der DC-Seite 14 des Stromrichters 11 angeschlossen ist. Der Gleichspannungszwischenkreiskondensator 32 kann auch durch eine Kondensatorbank mit einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren gebildet sein, um eine höhere Energiespeicherkapazität zu ermöglichen.
Die erste und zweite DC-Leitung 33, 34 erstrecken sich bis zu einem ersten bzw. zweiten DC-Anschluss 36, 37 des Stromrichtersystems 3 und enthalten jeweils einen DC-Trennschalter 38 bzw. 39, der es ermöglicht, den Stromrichter 11 bedarfsweise von der an das Stromrichtersystem 3 angeschlossenen Einrichtung 4, hier insbesondere der PV-Anlage 41, zu trennen. Es kann auch ein mehrpoliger Schalter mit einem Pol 38, 39 für jede DC-Leitung 33, 34 verwendet werden. Jedenfalls kann eine galvanische Trennung des Stromrichtersystems 3 von der PV-Anlage 41 insbesondere zur Nachtzeit oder in sonstigen Zeiten, in denen die gelieferte Solarenergie nicht zur Einspeisung in das Netz 3 ausreicht, oder im Fehlerfalle nützlich sein. Sie ermöglicht auch bestimmte Funktionalitäten, wie bspw. den Betrieb des Stromrichters 11 zur Blindleistungskompensation in Nachtstunden, ohne die PV-Anlage 41 zu beeinträchtigen.
Die PV-Anlage 41 ist in üblicher Weise durch ein PV-Array 42 von vielen PV-Modulen mit Solarzellen gebildet, die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Die PV-Module 43 sind an einen gemeinsamen DC-Bus 44 angeschlossen, der mit den DC-Anschlüssen 36, 37 des Stromrichtersystems 3 verbunden ist. In den Leitungen zwischen dem DC-Bus 44 und den PV-Modulen 43 können PV-Sicherungen 45 zum Schutz gegen Überströme vorgesehen sein.
Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 ist die Hilfsenergieversorgung 17 in 2 keine externe Quelle, sondern direkt mit dem Netz 2 gekoppelt. Insbesondere ist ein Hilfstransformator 46 an das MS-Netz 2 angeschlossen, wobei auf der Primärseite 47 des Hilfstransformators 46 eine Sicherung 47 angeordnet sein kann, um den Hilfstransformator 46 und die an dessen Sekundärseite 48 angeschlossenen Einrichtungen gegen unzulässige Überströme im Fehlerfalle zu schützen.
Der Hilfstransformator 46 ist ein einphasiger Transformator, der an eine einzige Phase des Netzes 2 angeschlossen ist. Er kann zwischen zwei beliebigen Phasenleitern des Stromnetzes 2 angeschlossen sein, um die Leiterspannung abzugreifen. Alternativ kann er auch zwischen einem beliebigen Phasenleiter und (sofern vorhanden) einem Neutral- oder Sternpunkt auf der Netzseite angeschlossen sein, um die jeweilige Strangspannung abzugreifen. Jedenfalls wandelt der Hilfstransformator 46 die MS-Spannung vom kV-Bereich in eine Wechselspannung von bspw. 230 V AC um. Eine derartige Spannung am Ausgang des Hilfstransformators 46, die hier auch als Hilfsspannung bezeichnet werden soll, ist zur Versorgung von Hilfseinrichtungen des Stromrichtersystems 3 geeignet und ausreichend. Nur beispielhaft sind hier eine Heizeinrichtung 49, die elektrische Heizelemente enthalten kann, eine Kühleinrichtung 50, die Gebläse oder dgl. enthalten kann, und eine Beleuchtungseinrichtung 51 als Hilfseinrichtungen veranschaulicht, die von der Hilfsenergieversorgung 17 über den Hilfstransformator 46 versorgt werden können. Außerdem speist der Hilfstransformator 46 vorzugsweise auch die Steuereinrichtung 26, damit diese auch in einem von der PV-Anlage 43 und vom Netz 2 getrennten Zustand ihre Funktionen erfüllen kann.
Der Hilfstransformator 46 ist auch Teil der Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18, die zwischen der hier einphasigen Hilfsspannungsversorgung 17 und dem Gleichspannungszwischenkreis 16 des Stromrichters 11 angeschlossen bzw. wirksam ist. In dem Vorladezweig 19 ist die Gleichrichtereinrichtung 22, bspw. eine ungesteuerte B2-Gleichrichterbrücke angeordnet, deren gleichspannungsseitige Brückenanschlüsse jeweils mit der ersten bzw. zweiten DC-Leitung 33, 34 verbunden sind. Zwischen dem Hilfstransformator 46 und der Gleichrichtereinrichtung 22 ist hier der optionale Vorladetransformator 21 angeordnet, der die sekundärseitige Ausgangsspannung des Hilfstransformators 1 in eine zum Betreiben des Stromrichters 11 geeignete, zu der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 16 von bspw. 1500 V DC geeignete Wechselspannung von z.B. 1000 V AC aufwärts wandelt. Je nach Anwendung und Schaltungsentwurf kann der Vorladetransformator 21 abhängig von den Nennspannungen des Hilfstransformators 46 und des Stromrichters 11 ggfs. auch entfallen.
In der dargestellten Ausführungsform weist der Vorladezweig 19 ferner einen ersten Zweigabschnitt 52 und einen hierzu parallelen zweiten Zweigabschnitt 53 auf. Der erste Zweigabschnitt 52 weist eine Reihenschaltung aus einem Schalterelement 54 und einem Vorladewiderstand 56 auf. Der zweite Zweigabschnitt 53 weist ein weiteres Schalterelement 57, jedoch keinen zusätzlichen Widerstand auf. Je nachdem, welches der Schalterelemente 54 bzw. 57 geschlossen ist, kann so entweder der Vorladewiderstand 56 in den Vorlade- und Vormagnetisierungszweig 19 eingeschaltet werden, um den durch den Zweig 19 fließenden Vorladestrom zu begrenzen, oder der zweite Zweigabschnitt 53 leitend geschaltet werden, der dann als widerstandsarmer Bypasszweig dient.
Die Steuereinrichtung 26 ist, wie bereits erwähnt, zur Überwachung und Steuerung des Stromrichtersystems 3 vorgesehen und eingerichtet. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 26 die Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters 11 moduliert an, um die Wechselrichtung der von der PV-Anlage 41 gelieferten und im Gleichspannungszwischenkreis 16 gespeicherten Spannung in eine dreiphasige Wechselspannung zur Einspeisung in das Netz 2 zu ermöglichen. Die Steuereinrichtung 26 betätigt ferner den Leistungsschutzschalter 8, die DC-Trennschalter 38, 39 und die Schalterelemente 54, 57 bzw. 20 (1), um diese wahlweise zu öffnen oder zu schließen. Die Steuereinrichtung 26 weist auch die Logikmittel 27 zur Steuerung einer Vorlade- und Vormagnetisierungsprozedur sowie Speichermittel 58 zur Speicherung von Steuerungsroutinen, Betriebsparametern und Daten auf.
Die Steuereinrichtung 26 weist ferner eine Überwachungseinrichtung auf, zu der verschiedene Messeinrichtungen gehören, die elektrische Größen in dem Stromrichtersystem 3 erfassen und hierfür kennzeichnende Signale an die Steuereinrichtung 26 liefern. Zu der Mess- bzw. Überwachungseinrichtung gehören insbesondere eine Spannungsmesseinrichtung 59, die die Spannungen U_sek auf der Sekundärseite 13 des Netztransformators 9 erfasst, sowie eine Strommesseinrichtung 61, die den Wechselstrom I_U , I_V , I_W in den Phasenleitungen zwischen dem Netztransformator 9 und dem Stromrichter 11 erfasst. Ferner sind eine Spannungsmesseinrichtung 62 zur Erfassung der Gleichspannung U_DC über dem Zwischenkreiskondensator 32 und eine Strommesseinrichtung 63 zur Erfassung des Gleichstroms I_DC in einer der DC-Leitungen 33, 34 vorgesehen. Außerdem ist eine Spannungsmesseinrichtung 64 auf der Sekundärseite des Hilfstransformators 46 (bzw. in dem Vorladezweig 19 auf der Primärseite 23 des Vorladetransformators 21 in 1) angeordnet, um dort die Referenzspannung U_ref zu erfassen, die dann zur Steuerung der Vormagnetisierungsprozedur und ggfs. für die Vorladeprozedur herangezogen werden kann. Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen, die eine derartige Vorladung und Vormagnetisierung ermöglichen, sind jedoch bei dem erfindungsgemäßen System 1 nach 2 Spannungs- oder Strommesseinrichtungen auf der MS-Netzseite weder erforderlich noch vorgesehen.
Wie bereits erwähnt, ist es bei der gegebenen Positionierung des Leistungsschutzschalters 8 möglich, den Netztransformator 9 bedarfsweise vom Netz zu trennen, wenn das Stromrichtersystem 3 nicht arbeitet. Z.B. können so zur Nachtzeit, wenn der PV-Stromrichter nicht arbeitet, deutliche Verlust- und Kosteneinsparungen realisiert werden. Umgekehrt kann der PV-Stromrichter 11 zur Leistungskonditionierung, z.B. zur Blindleistungskompensation, an das Netz 2 auch dann angeschaltet werden, wenn keine Solarenergie zur Verfügung steht. Die Hilfsenergie, die aus dem MS-Netz 2 bezogen oder durch Transformation von diesem abgeleitet wird, ermöglicht dem Stromrichter 11, auch unabhängig von der Verfügbarkeit von Solarenergie zu arbeiten. Außerdem können die Hilfseinrichtungen 47-49 und die Steuereinrichtung 26 auch ohne Solarenergie stets ausreichend versorgt werden.
Bevor das Stromrichtersystem 3 an das MS-Netz geschaltet, d.h. der Leistungsschutzschalter 8 geschlossen werden kann, muss der Gleichspannungszwischenkreis 16 des Stromrichters 11 auf ungefähr die Nennspannung vorgeladen sein. Andernfalls würde der entladene Gleichspannungszwischenkreis 16 wie ein temporärer Kurzschluss wirken, der einen hohen transienten Kurzschlussstrom durch den Netztransformator, durch Freilaufdioden des Stromrichters 11 und den Gleichspannungszwischenkreiskondensator 32 zur Folge hätte. Letzterer könnte bei starker Überspannung bei der Aufladung ggfs. beschädigt werden. Auch andere Komponenten des Stromrichtersystems 3 könnten zerstört werden. Deshalb sorgt eine Vorladevorrichtung als Teil der Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18 bei Bedarf dafür, dass der Gleichspannungszwischenkreis 16 auf in etwa seine Nennleistung vorgeladen wird, bevor der Leistungsschutzschalter 8 geschlossen wird.
Außerdem sollte der Netztransformator 9 vormagnetisiert werden, bevor der Leistungsschutzschalter 8 geschlossen wird. Andernfalls könnten beim Schließen des Leistungsschutzschalters 8 ohne Vormagnetisierung große Einschaltströme bzw. Einschaltstromspitzen (Inrush-Ströme) in den Primärwicklungen des Netztransformators hervorgerufen werden, selbst wenn der Zwischenkreis 16 zuvor vorgeladen wurde. Obwohl derartige Transformator-Inrush-Ströme im Allgemeinen für Komponenten des Stromrichtersystems 3 nicht schädigend sind, können sie gegebenenfalls die Nutzungslebensdauer des Leistungschutzschalters 8 reduzieren. Deshalb ist eine Vormagnetisierungsvorrichtung als Teil der Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18 dazu eingerichtet, bei vom Netz 2 getrennter Primärwicklung 12 des Netztransformators 9 dessen Primärspannung synchron zu der Netzspannung des Netzes 2 vorzumagnetisieren. Synchron bedeutet in diesem Fall, dass diese Spannungen hinsichtlich der Amplitude, Frequenz, Phasenlage und Phasenreihung bis auf akzeptable Abweichungen weitgehend übereinstimmen, so dass keine oder im Wesentlichen keine Inrush-Ströme beim Schließen des Leistungsschutzschalters 8 entstehen. Die zulässigen Abweichungen sollten vorzugsweise maximal 10 %, vorzugsweise 5 %, der jeweiligen Parametergröße der Netzspannung betragen. Die Steuereinrichtung 26 mit den darin enthaltenen Logikmitteln 27 ist somit speziell eingerichtet, um vor jedem Schließen des Leistungsschutzschalters 8 den Gleichspannungszwischenkreis 16 bedarfsweise auf seine Nennleistung vorzuladen und anschließend den Netztransformator 9 in einer zu der Netzspannung synchronen Weise vorzumagnetisieren.
Die Erfindung basiert auch auf der Tatsache, dass im Gegensatz zu den Kurzschlussströmen in dem Gleichspannungszwischenkreis 16 ein hoher Transformatoreinschaltstrom in Einzelfällen tolerierbar ist, wenn dieses Ereignis nicht häufig wiederholt auftritt. Die Steuereinrichtung 26 führt deshalb einmal, vorzugsweise während einer Inbetriebnahmeprozedur oder zu einem anderen geeigneten Testzeitpunkt, eine Messroutine mit einer Vorladung ohne Vormagnetisierung des Netztransformators 9 durch. Der Gleichspannungszwischenkreis 16 wird aus der Hilfsspannung U_aux über den Hilfstransformator 46 und einen der Zweigabschnitte 52, 53 (in der Ausführungsform nach 2) bzw. den Zweig 19 (in 1), den optionalen Vorladetransformator 21 und die Gleichrichtereinrichtung 22 auf die Nennspannung aufgeladen, woraufhin der Leistungsschutzschalter 8 geschlossen wird. Die hohen Einschaltströme werden hier einmal toleriert. Sobald sich stabile Verhältnisse eingestellt haben, erfasst die Steuereinrichtung 26 mittels der Spannungsmesseinrichtungen 59, 64 qualitative und quantitative Informationen, die erforderlich sind, um in späteren Zeitpunkten, wenn der Stromrichter 11 erneut an das Netz 2 anzuschalten ist, die Primärspannung des Netztransformators 9 mit der Netzspannung synchronisieren zu können. Zu diesen Informationen, die direkt gemessen oder aus Messwerten abgeleitet werden können, gehören vor allem das Amplitudenverhältnis und der Phasenwinkel zwischen der einphasigen Hilfsspannung des Hilfstransformators 46 und der dreiphasigen Netzspannung sowie die Phasenreihenfolge des Drehstromsystems des Netzes 2.
Außerdem kann auch das Verhältnis zwischen der Amplitude der Spannung U_ref am Ausgang des Hilfstransformators 46 und derjenigen der Primärspannung des dreiphasigen Netztransformators gemessen werden, um eine weitgehend genaue Schätzung der dreiphasigen Netzspannung zu ermöglichen. Alternativ kann letztere auch basierend auf dem bekannten Wicklungsverhältnis des Hilfstransformators 46 und unter Berücksichtigung des Wicklungsverhältnisses des Netztransformators 9 bestimmt werden.
Alle vorab bestimmten elektrischen Bezugsgrößen können in dem Speicher 58 der Steuereinrichtung 26 abgespeichert und bei künftigen Vormagnetisierungsprozeduren herangezogen werden. Dadurch ist es möglich, die Vormagnetisierungsprozedur durchzuführen, ohne die elektrischen Spannungen und Ströme direkt auf der (MS-)Netzseite zu messen.
In einer späteren Vormagnetisierungsprozedur wird, nachdem der Gleichspannungszwischenkreis 16 bedarfsweise auf die erforderliche Nennleistung vorgeladen worden ist, anschließend eine Vormagnetisierungsprozedur durchgeführt, bei der ausgehend von der Zwischenkreisgleichspannung durch Taktung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters 11 auf dessen AC-Seite eine Spannung und ein Magnetisierungsstrom erzeugt werden, die den Netztransformator 9 synchron zu der Netzspannung vormagnetisieren, damit beim anschließenden Schließen des Leistungsschutzschalters 8 keine oder keine wesentlichen Inrush-Ströme entstehen. Die einphasige Sekundärspannung des Hilfstransformators 46 (bzw. die Hilfsversorgungsspannung U_aux in der Ausführungsform nach 1), die mit der Netzspannung U_grid in definierter Relation steht, wird dafür als Referenz U_ref genutzt und ist zusammen mit den gespeicherten Informationen als Bezugsgröße hinreichend.
Vorzugsweise kann sowohl während der Messroutine bei der Inbetriebnahme- oder sonstigen Testprozedur zur Bestimmung der erforderlichen elektrischen Bezugsgrößen als auch bei den nachfolgenden Vormagnetisierungsprozeduren der Lastzustand für den Hilfstransformator 46 (bzw. die Hilfsenergieversorgung 17) zur Zeit der Messung berücksichtigt werden. Bevorzugt wird die Messung unter dem gleichen Lastzustand wie der Vormagnetisierungsprozess, d.h. bei geringer Last, z.B. mit abgeschalteter Heiz-, Kühl- und/oder Beleuchtungseinrichtung 49-51, vorgenommen. Ggfs. abweichende Lastbedingungen bei künftigen Vormagnetisierungsprozeduren können eventuell rechnerisch bestimmt und berücksichtigt werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm einer beispielhaften Vorlade- und Vormagnetisierungsprozedur gemäß der Erfindung. Es können zahlreiche Modifikationen an dieser Routine im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzeptes vorgenommen werden, ohne von dessen Umfang abzuweichen. Z.B. kann die Reihenfolge, in der Informationen gewonnen und gespeichert werden, oder der Zeitpunkt, zu dem die Hilfsspannung an der Sekundärwicklung des Hilfstransformators während der betrieblichen Vorlade- und Vormagnetisierungsroutine gemessen wird, beliebig gewählt werden. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte kann, wenn ausführbar, ebenfalls verändert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren 66 beginnt mit dem optionalen Schritt Sl, in dem ein Stromrichtersystem, z.B. das Stromrichtersystem 3 nach 1 oder 2, mit dem Netz, z.B. dem MS-Netz 2, verkabelt wird, sofern dies nicht bereits zuvor geschehen ist.
Sobald ein Befehl zum Starten des Stromrichtersystems 3 gegeben worden ist (Schritt S2), wird überprüft, ob bereits gespeicherte Daten verfügbar sind, die für eine Vormagnetisierungsprozedur relevant sind (Schritt S3). Zu diesen relevanten Informationen gehören insbesondere das Amplitudenverhältnis und der Phasenwinkel zwischen der Referenzspannung U_ref , bspw. der einphasigen Hilfsspannung am Ausgang der externen Hilfsspannungversorgung 17 in 1 oder des Hilfstransformators 46 in 2, und der dreiphasigen Netzspannung U_grid sowie die Phasenreihenfolge des Drehstromsystems des Netzes 2 und ggfs. auch das Amplitudenverhältnis zwischen der Referenzspannung und der dreiphasigen Primärspannung des Netztransformators 9.
Falls derartige Daten nicht zur Verfügung stehen (NEIN im Schritt S3) kann im Schritt S4 bedarfsweise eine Warnung an den Betreiber des Systems ausgegeben werden. Es kann auch ein Zähler inkrementiert werden, der die Anzahl aller Vorladeereignisse ohne Vormagnetisierung zählt. Dies gibt dem Betreiber die Möglichkeit, einen Fehler im System zu erkennen und ggfs. den Start abzubrechen. Die Ausgabe einer Warnung ist optional. Alternativ könnte das System automatisch die nachfolgende Inbetriebnahme- bzw. Testroutine ablaufen lassen, bei der die für die Vormagnetisierung erforderlichen Informationen gewonnen und in einem Speicher, z.B. 58, abgespeichert werden.
Hierzu wird im Schritt S5 zunächst der Gleichspannungszwischenkreis, z.B. 16, auf die Nennbetriebsspannung vorgeladen und daraufhin der Leistungsschutzschalter, z.B. 8, ohne vorherige Vormagnetisierung des Netztransformators, z.B. 9, geschlossen (Schritt S6).
Im Schritt S7 erfasst die Steuereinrichtung 26 anschließend den Drehrichtungssinn bzw. die Phasenreihenfolge des Drehstromsystems auf der AC-Seite des Stromrichters 11 z.B. über die Messeinrichtung 59 und speichert zugehörige Daten z.B. in dem Speicher 58 im Schritt S8 ab.
Ferner erfasst die Steuereinrichtung 26 den Phasenwinkel und das Amplitudenverhältnis zwischen der Referenzspannung U_ref und der Netzspannung auf der Wechselspannungsseite des Stromrichters 11 im Schritt S9 und speichert zugehörige Daten im Schritt S10 ab.
Danach kann der normale Betrieb des Stromrichters 11 aufgenommen werden, wie im Schritt S11 dargestellt.
Falls die relevanten Informationen, also die elektrischen Bezugsgrößen, die für eine Vormagnetisierungsprozedur benötigt werden, wie vorstehend erwähnt, bereits in dem Speicher 58 der Steuereinrichtung zur Verfügung stehen (JA im Schritt S3), wird eine normale betriebliche Vorlade- und Vormagnetisierungssequenz gestartet. Hierzu wird zunächst, sofern erforderlich, der Gleichspannungszwischenkreis, z.B. 16, des Stromrichters, z.B. 11, auf die Nennbetriebsspannung vorgeladen (Schritt S12), und es wird die Spannung U_ref , z.B. die Sekundärspannung des Hilfstransformators 46, als eine Referenz zur Bestimmung die Netzspannungsamplitude und -phase gemessen (Schritt S13).
Basierend darauf wird dann der Netztransformator 9 geeignet vormagnetisiert, indem die Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters 11 gesteuert getaktet werden, um eine Spannung an den AC-Anschlüssen des Stromrichters 11 zu modulieren, die unter Berücksichtigung der Transformation durch den Netztransformator 9 hinsichtlich der Amplitude und Phase zu der Netzspannung passt (Schritt S14). Für die Vormagnetisierungsprozedur werden die bei der Inbetriebnahme- oder sonstigen Testprozedur vorab gewonnenen und gespeicherten Daten (Schritte S7-S10) gemeinsam mit der gemessenen Referenzspannung U_ref herangezogen, um die synchrone Wechselspannung auf der Primär- bzw. Netzseite des Netzstransformators 9 zu modulieren (Schritt S15) .
Sobald der Netztransformator 9 ausreichend vormagnetisiert ist, seine Primärspannung also hinsichtlich der Frequenz, Amplitude, Phasenlage und Phasenreihung, mit der berechneten bzw. geschätzten Netzspannung im Wesentlichen gleich ist, wird der Leistungsschutzschalter 8 im Schritt S16 geschlossen und ein normaler Betrieb des Stromrichters 11 im Schritt S11 aufgenommen.
Auch für den Fall, dass die relevanten Informationen bereits in dem Speicher 58 der Steuereinrichtung zur Verfügung stehen (JA im Schritt S3), kann in der Routine sinnvollerweise die Möglichkeit einer manuellen Übersteuerung implementiert sein, so dass auch in diesem Fall die Schritte S5 bis S10 gezielt einmalig erneut durchlaufen werden. Dies ist insbesondere nach größeren Servicearbeiten sinnvoll, bei denen relevante Parameter hinsichtlich der Vorladeprozedur, z.B. die Phasenlage zwischen der Referenzspannung (U_ref ) und der Netzspannung (U_grid ), verändert worden sein könnten.
Die Erfindung ermöglicht eine Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises eines Stromrichtersystems und insbesondere eine Vormagnetisierung eines Netztransformators des Stromrichtersystems mit einfachen, kostengünstigen Mitteln, bei geringem Aufwand, ohne die Notwendigkeit großer und kostspieliger dreiphasiger MS-Hilfstransformatoren. Ein einphasiger Hilfstransformator 46 reicht aus. Es müssen auch keine Messeinrichtungen auf der MS-Netzseite vorgesehen werden, um erforderliche Phaseninformationen für die Phasensynchronisation bei der Vormagnetisierungsprozedur zu erhalten. Stattdessen werden diese Informationen im Vorfeld einmal gewonnen, abgespeichert und für künftige Vormagnetisierungsprozeduren herangezogen. Sofern die Vorladevorrichtung bereits schaltungsmäßig in dem Stromrichtersystem 3 implementiert ist, ist zur Ergänzung um die Vormagnetisierungsfunktionalität kein wesentlicher zusätzlicher Aufwand erforderlich. Dieser beschränkt sich auf die Implementierung von Steuerungsroutinen für die Vormagnetisierungsprozedur, die in Software realisiert und in dem Speicher der Steuereinrichtungen 26 gespeichert werden können.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw. ist das erfindungsgemäße Stromrichtersystem 3 für unterschiedliche Anwendungen, auch zur Ankopplung an andere Netze außer MS-Netzen, und in Verbindung mit anderen Einrichtungen 4, wie z.B. unterschiedlichen Anlagen zur Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung verwendbar. Die Anwendung für PV-Anlagen oder Windkraftanlagen oder mit Antriebseinrichtungen ist besonders vorteilhaft, weil hier das Stromrichtersystem 3 häufig ein- und abgeschaltet wird. Die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18 ist weitgehend von der Typologie des Stromrichters 11 unabhängig. Wichtig ist nur, dass durch gezielte Ansteuerung des Stromrichters 11 eine zu der Netzspannung passende Ausgangswechselspannung des Stromrichters 11 erzeugt werden kann.
Der Zweigabschnitt 52 in dem Vorladezweig 19 der Ausführungsform nach 2 kann weggelassen werden, insbesondere wenn der Hilfstransformator 46 eine hinreichend hohe Impedanz aufweist, um den Vorladestrom auf zulässige Werte zu begrenzen. Ansonsten können auch weitere Zweigabschnitte mit unterschiedlichen Vorladewiderständen vorgesehen werden, um den Vorladestrom je nach Bedarf und Anforderung zu kontrollieren.
Die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung 18 nach 2 weist sowohl den Hilfstransformator 46 als auch den Vorladetransformator 21 auf, um für unterschiedliche Systeme und Nennwerte geeignet zu sein. Je nach Anwendung und Anforderung kann jedoch einer der Transformatoren 46, 21 auch weggelassen werden. Bspw. kann der Vorladetransformator 21 weggelassen werden, wenn die Sekundärspannung des Hilfstransformators 46 für die hier vorgesehenen Funktionalitäten, insbesondere die Vorlade- und Vormagnetisierungsprozedur, ausreicht. Umgekehrt könnte der Hilfstransformator 46 auch weggelassen werden, wenn die Hilfseinrichtungen 47-49 und die Steuereinrichtung 26 anderweitig mit Hilfsenergie versorgt werden und eine Niedervolt-Referenzspannung in einer anderen geeigneten Form für die erfindungsgemäße Vormagnetisierungsprozedur und -vorrichtung 18 zur Verfügung steht. Für eine evtl. benötigte Spannungstransformation für die Vorladung kann dann der Vorladetransformator 21 sorgen.
Alternativ könnte der Gleichspannungszwischenkreis 16 auch durch eine andere Energiequelle, bspw. durch die angeschlossene PV-Anlage 41, eine Windkraftanlage über einen Gleichrichter, durch eine Batterie oder dgl., vorgeladen werden. Der Vorladezweig 19 würde dann entfallen. Die Vorrichtung 18 würde somit nur als Vormagnetisierungsvorrichtung dienen, um die Vormagnetisierungsprozedur vor dem Schließen des Leistungsschutzschalters 8 basierend auf der gemessenen Referenzspannung U_ref und den bekannten festen Beziehungen zwischen dieser und der Netzspannung durchzuführen.
Offenbart ist eine Vormagnetisierungsvorrichtung für ein an ein dreiphasiges elektrisches Netz 2 anschließbares Stromrichtersystem 3, das einen dreiphasigen Netztransformator 9, einen mit dem Netztransformator 9 verbundenen Stromrichter 11 und einen Leistungsschutzschalter 8 auf der Netzseite des Netztransformators 9 aufweist. Die Vormagnetisierungsvorrichtung 18 ist eingerichtet, um den Netztransformator 9 in einem von dem Netz 2 getrennten Zustand geeignet vorzumagnetisieren. Die Vormagnetisierungsvorrichtung 18 verwendet eine einphasige Referenzspannung U_ref , die zu der Netzspannung U_grid in einer festen Beziehung hinsichtlich der Spannungsparameter steht, um auf der Basis der gemessenen momentanen Referenzspannung U_ref und der bekannten festen Parameterbeziehungen durch Ansteuerung des Stromrichters 11 eine zu der Netzspannung U_grid synchrone dreiphasige Wechselspannung auf der Netzseite des Netztransformators 9 zu generieren. Ein Stromrichtersystem 3 und ein Verfahren zum Vormagnetisieren eines dreiphasigen Netztransformators 9 eines Stromrichtersystems 3 sind ebenfalls offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9337762 B1 [0010]
US 2016/0126858 A1 [0011]
US 7092262 B2 [0012]

Claims

Vormagnetisierungsvorrichtung für ein an ein dreiphasiges elektrisches Netz (2) anschließbares Stromrichtersystem (3), das einen dreiphasigen Netztransformator (9) mit einer mit dem Netz (2) verbindbaren Primärseite (12) und einer Sekundärseite (13) und einen mit der Sekundärseite (13) des Netztransformators (9) verbundenen Stromrichter (11) aufweist, wobei die Vormagnetisierungsvorrichtung (18) eingerichtet ist, um bei vom Netz (2) getrennter Primärseite (12) den Netztransformator (9) über den Stromrichter (11) derart vorzumagnetisieren, dass eine Spannung auf der Primärseite (13) des Netztransformators (9) im Wesentlichen synchron zu einer Netzspannung (U_grid)des Netzes (2) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormagnetisierungsvorrichtung (18) einen Anschluss an eine einphasige Referenzspannung (U_ref), die zu der Netzspannung (U_grid) hinsichtlich der Frequenz, Amplitude und Phase in einer festen Beziehung steht, und Mittel (64) zur Erfassung der Referenzspannung (U_ref) aufweist und die Vormagnetisierungsvorrichtung (18) dazu eingerichtet ist, den Netztransformator (9) über den Stromrichter (11) auf der Basis der momentanen erfassten Referenzspannung (U_ref) und der bekannten Beziehungen zwischen der Referenzspannung (U_ref) und der Netzspannung (U_grid) vorzumagnetisieren.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Referenzspannung (U_ref) eine von der Netzspannung (U_grid) abgeleitete Spannung ist.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die einen einphasigen Hilfstransformator (46) aufweist, der eine Primärwicklung (47) zur elektrischen Verbindung mit einer einphasigen Hilfsspannungsversorgung (17), vorzugsweise einer Phasenspannung oder einer verketteten Spannung des Netzes (2), aufweist, und wobei die Erfassungsmittel eine Messeinrichtung (64) zur Erfassung der Spannung an einer Sekundärwicklung (48) des Hilfstransformators (46) als Referenz zur Vormagnetisierung des Netztransformators (9) aufweisen.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine Logik (27) zur Steuerung der Vormagnetisierungsprozedur aus einem Gleichspannungszwischenkreis (16) des Stromrichters (11) durch Ansteuerung ansteuerbarer Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters (11) unter Verwendung der einphasigen Referenzspannung (U_ref) aufweist, wobei die Steuerlogik (27) vorzugsweise in einer Steuereinrichtung (26) des Stromrichtersystems (3) integriert oder integrierbar ist.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die Logikmittel zur Bestimmung für die Vormagnetisierung relevanter Informationen über Beziehungen zwischen Parametern der Netzspannung (U_grid) und derjenigen der einphasigen Referenzspannung (U_ref) in einer Messroutine und Speichermittel (58) zur Abspeicherung dieser ermittelten relevanten Informationen zur Verwendung für nachfolgende betriebliche Vormagnetisierungsprozeduren aufweist.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Speichermittel (58) die ermittelten relevanten Informationen, die die festen Beziehungen zwischen den Amplituden und den Phasenwinkeln der einphasigen Referenzspannung (U_ref) und der dreiphasigen Netzspannung (U_grid) und die Phasenreihenfolge des Drehstromsystems des Netzes (2) kennzeichnen, und ferner gemessene oder vorgegebene Daten speichern, zu denen eines oder mehrere von einem Windungsverhältnis zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Netztransformators (9), einem Amplitudenverhältnis und/oder einer Phasenverschiebung zwischen der Primär- und der Sekundärspannung des Netztransformators (9), wenn die Primärwicklung des Hilfstransformators (46) im Leerlauf ist, gehören, und eine Steuerlogik (27) für die Vormagnetisierungsprozedur eingerichtet ist, Istwerte der Netzspannung (U_grid) und der Primärspannung des Netztransformators (9) während einer Vormagnetisierungsprozedur auf der Basis der gespeicherten relevanten Informationen bzw. der gemessenen oder vorgegebenen Daten zu berechnen.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Messeinrichtung (59) zur Erfassung einer Sekundärspannung des Netztransformators (9) zur Verwendung bei der Bestimmung der Primärspannung des Netztransformators (9) bei der Vormagnetisierungsprozedur aufweist, wobei die Vormagnetisierungsvorrichtung (18) frei von Messeinrichtungen zur Erfassung elektrischer Größen auf der Netzseite des Netztransformators (9), einschließlich der Netzseite eines Leistungsschutzschalters (8) zwischen dem Netz (2) und dem Netztransformator (9), ist.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Teil einer Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung (18) ist, die ferner eingerichtet ist, um einen Gleichspannungszwischenkreis (16) des Stromrichters (11) bei vom Netz (2) getrenntem Stromrichtersystem (3) vorzuladen, wobei die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung (18) ferner Logikmittel zur Durchführung und Steuerung einer Vorladeprozedur vor der Durchführung der Vormagnetisierungsprozedur aufweist.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorlade- und Vormagnetisierungsvorrichtung (18) einen mit dem Netz (2) verbundenen einphasigen Hilfstransformator (46), der die Referenzspannung (U_ref) für die Vormagnetisierungsprozedur und ferner Energie zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises (16) des Stromrichters (11) bereitstellt, und einen Vorladezweig (19) aufweist, der den Hilfstransformator (46) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (16) verbindet und eine darin eingefügte Gleichrichtereinrichtung (22), vorzugsweise eine ungesteuerte Zweipol-Brückengleichrichterschaltung, aufweist.
Vormagnetisierungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei in dem Vorladezweig (19) zwischen dem Hilfstransformator (46) und der Gleichrichterschaltung (22) ein Vorladetransformator (21) zur Transformation der Sekundärspannung des Hilfstransformators (46) auf ein zum Betreiben des Stromrichters (11) geeignetes Niveau geschaltet ist.
Stromrichtersystem für ein elektrisches Energieerzeugungs-, Energieübertragungs- und/oder Energieverteilungssystem (1), insbesondere für eine Photovoltaik- oder Windkraftanlage, wobei das Stromrichtersystem (3) aufweist: einen dreiphasigen Netztransformator (9), der eine Primärseite (12) und einer Sekundärseite (13) aufweist; einen mit der Sekundärseite (13) des Netztransformators (9) verbundenen Stromrichter (11) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (16), der wenigstens einen Gleichspannungszwischenkreiskondensator (32) aufweist; einen Leistungsschutzschalter (8), der auf der Primärseite des Netztransformators (9) angeordnet und eingerichtet ist, um wahlweise geschlossen oder geöffnet zu werden, um die Primärseite (12) des Netztransformators (9) und den Stromrichter (11) mit dem elektrischen Netz (2) elektrisch zu verbinden bzw. von diesem galvanisch zu trennen; und eine Vormagnetisierungsvorrichtung (18) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche.
Stromrichtersystem nach Anspruch 11, wobei ein Hilfstransformator (46) der Vormagnetisierungsvorrichtung (18), der die Referenzspannung (U_ref) für die Vormagnetisierungsprozedur liefert, unmittelbar an eine einzelne Phase des Netzes (2) angeschlossen ist.
Verfahren zum Vormagnetisieren eines dreiphasigen Netztransformators (9) eines Stromrichtersystems (3), das einen Stromrichter (11) aufweist, der mit der Sekundärseite (13) des Netztransformators (9) verbunden ist, dessen Primärseite (12) mit einem elektrischen Netz (2) verbindbar ist, wobei das Verfahren aufweist: Vorsehen einer einphasigen Referenzspannung (U_ref), die zu der Netzspannung (U_grid) hinsichtlich der Frequenz, Amplitude und Phase in einer festen Beziehung steht; Bestimmen von Bezugsgrößen für eine erforderliche Primärspannung des Netztransformators (9) in Abhängigkeit von der Referenzspannung in einer Messroutine, vorzugsweise bei der Inbetriebnahme des Stromrichtersystems (3), und Abspeichern der bestimmten elektrischen Bezugsgrößen in einem Speicher (58); und Vormagnetisieren des Netztransformators (9) bei vom Netz getrennter Primärseite (12) des Netztransformators (9) unter Verwendung der momentan gemessenen Referenzspannung (U_ref) und der abgespeicherten elektrischen Bezugsgrößen durch Ansteuerung des Stromrichters (11) bei nachfolgenden Startprozeduren, bevor das Stromrichtersystem (3) an das Netz (2) angeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner vor der Durchführung der Vormagnetisierungsroutine ein Vorladen eines Gleichspannungszwischenkreises (16) aus der Referenzspannung (U_ref) unter Verwendung einer Gleichrichtereinrichtung (22) und bedarfsweise eines Vorladetransformators (21) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Messroutine unter im Wesentlichen gleichen, reduzierten Lastbedingungen wie die Vorlade- und/oder Vormagnetisierungsprozedur durchgeführt wird.