DE102018105683A1

DE102018105683A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Leistungsschalters eines Umrichters

Info

Publication number: DE102018105683A1
Application number: DE102018105683.4A
Authority: DE
Inventors: Pawel Szymula; Stephan Engelhardt; Hans-Georg Nowak
Original assignee: Woodward Kempen GmbH
Current assignee: Wind Solutions Dk AS KK
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines elektronischen Leistungsschalters (4, 5) mindestens eines Leistungsmoduls (3) eines Umrichters (1) in einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N), wobei der mindestens eine Leistungsschalter (4, 5) über Ansteuerungsmittel (9) angesteuert wird und das mindestens eine Leistungsmodul (3) des Umrichters (1) zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das elektrische Netz verwendet wird. Die Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben von mindestens einem Leistungsschalter eines Leistungsmoduls eines Umrichters einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz zur Verfügung zu stellen, welches bei Bereitstellung eines besonders schnellen Regelverhaltens gleichzeitig die Leistungskapazität der elektronischen Leistungsschalter besser ausschöpft, wird dadurch gelöst, dass externe Betriebsfehler der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz (N) unter Verwendung von Fehlererkennungsmittel (2, 2') ermittelt werden und abhängig von ermittelten externen Betriebsfehlern ein spezifischer maximaler Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter (4, 5) vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines elektronischen Leistungsschalter eines Leistungsmoduls eines Umrichters in einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz, wobei der mindestens eine Leistungsschalter über Ansteuerungsmittel angesteuert wird und das mindestens eine Leistungsmodul des Umrichters zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das elektrische Netz verwendet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz, insbesondere eine Windenergieanlage mit mindestens einem Umrichter mit Leistungsmodulen, wobei die Leistungsmodule elektronische Leistungsschalter aufweisen und die Vorrichtung Ansteuerungsmittel zur Ansteuerung der Leistungsschalter der Leistungsmodule des Umrichters zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das elektrische Netz aufweist.
Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz, welche Umrichter zur Einspeisung der elektrischen Leistung verwenden, werden bevorzugt im Bereich der regenerativen Energieerzeugung eingesetzt. Sie finden insbesondere in Windenergieanlagen Anwendung. Windenergieanlagen mit permanent erregten Synchrongeneratoren speisen dabei die gesamte mechanische Windleistung über einen Umrichter in ein elektrisches Netz ein. Windenergieanlagen, welche über eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine verfügen, speisen die mechanische Energie der Windrotoren zu einem großen Teil unmittelbar über den Stator der Asynchronmaschine in das Netz. Der übrige Teil der Antriebsleistung der Windrotoren wird über den mit dem Rotor der Asynchronmaschine verbundenen Umrichter in das elektrische Netz eingespeist. Der Umrichter wandelt hierzu die Netzspannung in Rotorspannungen bzw. -ströme der Asynchronmaschine um. Die Umrichter von Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz verwenden zur Spannungsumwandlung elektronische Leistungsschalter, beispielsweise Insulated-Gate-Bipolar-Transitoren(IGBTs), welche beispielsweise über eine Pulsweitenmodulation angesteuert werden. IGBTs sind in der Lage sehr hohe Ströme in sehr kurzer Zeit zu schalten. Die Leistungsschalter sind üblicherweise in Leistungsmodulen angeordnet, welche beispielsweise einer Phase des 3-phasigen Stroms zugeordnet sind. Aufgrund der sehr hohen Ströme, die über diese elektronischen Leistungsschalter geführt werden, ist es bekannt, die Leistungsschalter zu überwachen und bei Überlastung, also z.B. beim Schalten zu großer Ströme, abzuschalten.
Aus dem „Applikationshandbuch Leistungshalbleiter“, Semikron International GmbH, 2. überarbeitete Auflage sind intelligente Leistungsmodule bekannt, welche diverse Sensoren zur Überwachung der Leistungsschalter aufweisen. Bei diesen Leistungsmodulen sind am AC-Ausgang des IGBTs Stromsensoren vorgesehen, welche bei einer Überschreitung eines maximalen Stroms den Leistungsschalter sperren. Dieser Strom wird im Weiteren als maximaler Abschaltstrom bezeichnet. Über Temperatursensoren, Sensoren zur Messung der Kollektor-Emitter-Spannung am Leistungsschalter sowie der Versorgungsspannung der Treiberschaltung sind weitere Möglichkeiten zur Überwachung der Leistungsschalter auf Betriebsfehler vorgesehen, um die elektronischen Leistungsschalter des Leistungsmoduls vor Beschädigungen zu schützen und gegebenenfalls abzuschalten oder zu sperren. Der Überstromschutz wird, wie bereits ausgeführt, durch Stromsensoren am AC-Ausgang der IGBTs bereitgestellt. Beim Überschreiten eines durch das Leistungsmodul vorgegebenen maximalen Abschaltstroms des IGBTs, werden die Ansteuersignale für den Leistungsschalter unterdrückt und der Leistungsschalter oder der gesamte Brückenzweig gesperrt. Das Abschalten einzelner elektronischer Leistungsschalter führt zum sogenannten „Tripping“ und in der Regel zum Trennen der gesamten Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung vom Netz.
Die Größe der durch die Leistungsmodule vorgesehenen maximalen Abschaltströme der Leistungsschalter soll der thermischen Zerstörung der elektronischen Leistungsschalter im Dauerbetrieb vorbeugen, d.h. diese Ströme dürfen maximal im Pulsbetrieb dauerhaft am Leistungsschalter anliegen ohne dass dieser Schaden nimmt. Diese maximalen Abschaltströme sind daher in der Regel relativ niedrig bemessen. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Leistungsschalter im ordnungsgemäßen Pulsbetrieb keinen Schaden leidet und eine hohe Lebensdauer aufweist. Die Höhe der maximalen Abschaltströme richtet sich nach der Leistungsauslegung der Leistungsschalter und ist abhängig vom ganz spezifischen Aufbau der Leistungsschalter bzw. des Leistungsmoduls. Dieser relativ niedrige maximale Abschaltstrom ist üblicherweise fest durch die Leistungsmodule vorgegeben. Wie bereits ausgeführt, führt eine Überschreitung dieses Abschaltstroms zum Sperren oder Abschalten des mindestens einen Leistungsschalters.
Aktuelle Anschlussregeln für Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz fordern, dass die Vorrichtungen ebenfalls zur Unterstützung der Spannung im elektrischen Netz beitragen sollen. Im Falle von Abweichungen der Netzspannung, beispielsweise bei Kurzschlüssen im Netz, soll dieser Abweichung schnell entgegen gewirkt werden. Die Anschlussregeln fordern hier beispielsweise, dass die Vorrichtung mit einer Sprungantwort des Blindstroms auf den Spannungsabfall reagieren kann. Die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz soll sich so lange wie möglich aktiv an der Stützung der Netzspannung beteiligen und einen Fault-Ride-Through(FRT)-Betrieb ermöglichen. FRT-Betrieb wird dann ermöglicht, wenn die Vorrichtung während einer sprunghaften Netzspannungsänderung sich nicht vom Netz trennen muss und der externe Betriebsfehler „Durchfahren“ werden kann.
Ein Entgegenwirken gegen eine sprunghafte Netzspannungsänderung erfolgt durch eine Sprungantwort des Umrichters, z.B. einen Sollwertsprung des Blindstroms. Dieser Sollwertsprung muss mit kurzer Einschwingzeit ausgeregelt werden, so dass es hier zu Überschwingungen kommt. Wird also der Blindstrom auf den Nennblindstrom mit einem Sollwertsprung geändert, kann es auch zu einem Überschreiten der maximalen Abschaltströme des Leistungsmoduls kommen. Der Leistungsschalter wird abgeschaltet, es kommt zum sogenannten „Tripping“. Die Vorrichtung muss in diesem Fall vom Netz getrennt werden. Soll die Vorrichtung aber einen FRT-Betrieb beispielsweise mit Nennblindstrom gewährleisten, müssen die elektronischen Leistungsschalter leistungsstärker dimensioniert werden, um die Sprungantwort ohne Trennen der Vorrichtung vom Netz zu gewährleisten. Damit steigen die Kosten für die Leistungsschalter. Es besteht aber ein ständiges Bedürfnis bei der Erzeugung von regenerativem Strom, die Kosten für Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz mit Umrichtern, wie beispielsweise Windenergieanlagen, weiter zu verringern.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2014/154221 A2 ist beispielsweise eine intelligente Treiberschaltung für Leistungsmodule bekannt, welche eine Echtzeitmessung beispielsweise des Kollektorstroms des IGBTs durchführt, um die Kapazität der Leistungsmodule voll auszuschöpfen. Wird der maximale Abschaltstrom überschritten, erfolgt die Abschaltung des Leistungsschalters also unmittelbar. Der Leistungsschalter wird daher auch bei einem Überschwingen und Überschreiten des maximalen Abschaltstroms in Folge der Ausregelung der Sprungantwort unmittelbar abgeschaltet. Die Leistungsschalter müssen auch bei dieser Treiberschaltung leistungsstärker dimensioniert werden.
Die Patentschrift US 7,274,223 B2 offenbart ein Leistungsmodul mit einer Mehrzahl an vorgebbaren maximalen Abschaltströmen, hier „Trip-Level“ genannt, die beispielsweise durch die Bestimmung der Temperatur des Leistungsschalters vorgegeben werden können. Dass eine hohe Temperatur des Leistungsschalters die maximal zulässigen Abschaltströme weiter reduzieren kann, ist möglicherweise Folge eines internen Betriebsfehlers, beispielsweise Folge eines Ausfalls eines Kühlungselements des Leistungsmoduls. Externe Betriebsfehler, wie beispielsweise ein Netzspannungsabfall werden nicht berücksichtigt.
Als externe Betriebsfehler werden alle denkbaren Störungszustände des elektrischen Netzes, an welchem die Vorrichtung angeschlossen ist, angesehen. Im Weiteren werden zumindest die folgenden Abweichungen von dem Sollwert der Netzspannung als externer Betriebsfehler verstanden: Abweichung in der Höhe der Spannung, also Unter- oder Überspannung, Abweichungen in der Frequenz und/oder Phasensprünge der Netzspannung. Bei externen Betriebsfehlern sind die Umrichter und die Leistungsmodule der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz selbst nicht von einem Betriebsfehler betroffen. Externe Betriebsfehler können aber in den Leistungsschaltern unerwartet hohe Ströme, beispielsweise auch durch ein Überschwingen beim Ausregeln der Betriebsfehler verursachen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben von mindestens einem Leistungsschalter eines Leistungsmoduls eines Umrichters einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz zur Verfügung zu stellen, welches bei Bereitstellung eines besonders schnellen Regelverhaltens gleichzeitig bei Erfüllung der Anschlussregeln die Leistungskapazität der elektronischen Leistungsschalter besser ausschöpft. Daneben liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe für ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass externe Betriebsfehler der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz unter Verwendung von Fehlererkennungsmitteln ermittelt werden und abhängig vom ermittelten, externen Betriebsfehler ein spezifischer, maximaler Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter vorgegeben wird.
Durch Anpassung der spezifischen maximalen Abschaltströme für den mindestens einen Leistungsschalter an das Auftreten eines externen Betriebsfehlers, insbesondere an eine ungewollte Abweichung der Netzspannung, besteht die Möglichkeit, das Regelverhalten der Leistungsmodule des Umrichters einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz an das geforderte Regelverhalten moderner Anschlussregeln anzupassen, ohne Leistungsmodule mit einer höheren Leistung zu verwenden. Die Leistungsreserven der Leistungsmodule können so noch besser ausgeschöpft werden und Kosten reduziert werden.
Bisher war bekannt, die maximalen Abschaltströme der Leistungsschalter lediglich in Bezug auf interne Betriebsfehler, d.h. Fehler im Leistungsmodul oder den Umrichter selbst festzulegen. Als interne Betriebsfehler werden interne Kurzschlüsse, eine Spannungsabweichung der Spannung V_CE, der DC-Linkspannung, der Versorgungsspannung der Treiberschaltung oder eine Übertemperatur der Leistungsschalter berücksichtigt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, die Leistungsschalter auch während des Auftretens von externen Betriebsfehlern in Bezug auf deren Leistungsabgabevermögen gezielt anzupassen. Bei der Anpassung der maximalen Abschaltströme kann beispielsweise berücksichtigt werden, dass höhere Ströme bei externen Betriebsfehlern nur für sehr kurze Zeitspannen auftreten und damit die für den Dauerbetrieb vorgesehenen maximalen Abschaltströme durchaus übersteigen können.
Ist gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der für einen externen Betriebsfehler vorgegebene maximale Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter größer als der Abschaltstrom für einen internen Betriebsfehlern, so kann der Leistungsschalter des Umrichters im Falle eines externen Betriebsfehlers an eine vergrößerte Leistungsabgabe angepasst werden.
Bevorzugt wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Verfahrens der maximale Abschaltstrom für externe Betriebsfehler nur für eine vorbestimmte Zeitspanne vorgegeben, sodass nach Ablauf der Zeitspanne beispielsweise der maximale Abschaltstrom für interne Betriebsfehler wieder verwendet werden kann oder wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass nach dem Abklingen oder Ausregeln des externen Betriebsfehlers die Leistungsschalter in Bezug auf die maximalen Abschaltströme wieder an den „normalen“ Dauerbetrieb angepasst werden können.
Gibt gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Treiberschaltung für den mindestens einen Leistungsschalter einen maximalen Abschaltstrom für interne Betriebsfehler für den Leistungsschalter vor, kann die Vorgabe des Abschaltstroms für interne Betriebsfehler bereits auf der Ebene der Leistungsmodule erfolgen und die Vorgabe der Abschaltströme für externe Betriebsfehler kann dann über die Steuerungsmittel der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz durchgeführt werden. Hier liegen in der Regel bereits die zur Ermittlung externer Betriebsfehler notwendigen Messsignale bzw. -daten vor.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Vorliegen eines internen Betriebsfehlers der mindestens eine Leistungsschalter nicht abgeschaltet, wenn bei Vorliegen eines externen Betriebsfehlers und der Vorgabe eines vergrößerten maximalen Abschaltstroms als interner Betriebsfehler nur die Überschreitung des für interne Betriebsfehler vorgesehenen maximalen Abschaltstroms ermittelt wird. Damit kann eine Zerstörung eines Leistungsschalters auch verhindert werden, wenn der vorgegebene maximale Abschaltstroms des Leistungsschalters im Falle des gleichzeitigen Vorliegens eines externen Betriebsfehlers noch nicht erreicht ist, aber ein interner Betriebsfehler aufgetreten ist.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werten die Fehlererkennungsmittel zumindest Netzspannungsmesswerte, vorzugsweise gemessen am Netzanschlusspunkt der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz zur Fehlererkennung aus. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz unter Einhaltung von Netzanschlussregeln betrieben werden kann, die ein schnelles Entgegenwirken gegen Netzspannungsschwankungen unmittelbar am Netzanschlusspunkt fordern.
Darüber hinaus ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, dass die Fehlererkennungsmittel weitere Betriebsparameter der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz zur Fehlererkennung auswerten, wobei als weitere Betriebsparameter zumindest die Netzströme am Netzanschlusspunkt ausgewertet werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit über die Fehlererkennungsmittel die Leistungsabgabe bei der Vorgabe der maximalen Abschaltströme zu berücksichtigen. Die Fehlererkennungsmittel können auch weitere Betriebsparameter wie die Betriebstemperatur des Leistungsschalters für die Vorgabe des maximalen Abschaltstroms im Falle eines externen Betriebsfehlers berücksichtigen. Werden neben den Netzspannungsmesswerten auch die Netzströme am Netzanschlusspunkt von den Fehlererkennungsmitteln berücksichtigt, kann über die Stromrichtung auch zwischen einem internen und einem externen Betriebsfehler unterschieden werden. Damit können die Fehlererkennungsmittel zusätzlich auch interne Betriebsfehler ermitteln.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine Netzüberspannung, eine Netzunterspannung oder ein Phasenwinkelsprung der Netzspannung im Betrieb durch die Fehlererkennungsmittel als externe Betriebsfehler erkannt und für jeden spezifischen Betriebsfehler jeweils ein maximaler Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter vorgegeben. Aufgrund des für die verschiedenen spezifischen externen Betriebsfehler bekannten, insbesondere auch durch Anschlussregeln wie VDE-AR-N 4110 vorgegebenen Regelverhaltens des Umrichters besteht die Möglichkeit für die verschiedenen spezifischen externen Betriebsfehler eine höhere Betriebssicherheit des Leistungsschalters dadurch bereitzustellen, dass die maximalen Abschaltströme an den spezifischen externen Betriebsfehler angepasst sind und damit unnötig große maximale Abschaltströme der Leistungsschalter vermieden werden.
Um möglichst schnell aufgetretenen externen Betriebsfehlern entgegenzuwirken, werden gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Verfahrens die vorgegebene Zeitspanne für die Vorgabe des maximalen Abschaltstroms und die Höhe des maximalen Abschaltstroms des mindestens einen Leistungsschalter bei einem externen Betriebsfehler durch die Fehlererkennungsmittel so vorgegeben, dass der Umrichter mit einem Sollwertsprung in einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente der eingespeisten elektrischen Leistung auf den externen Betriebsfehler reagieren kann. Bei einem Sollwertsprung in einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente der elektrischen Leistung finden Einschwingvorgänge statt, denen die Zeitspanne und der vorgegebene maximale Abschaltstrom Rechnung tragen, so dass es trotz eventuell auftretender Überschwingungen nicht zu einem Abschalten des Leistungsschalters kommt. Beispielsweise kann der bei einem Sollwertsprung vorgegebene maximale Abschaltstrom der Leistungsschalter die Überschwingweite bei bekanntem Regelverhalten des Umrichters berücksichtigen. Die Zeitdauer der Vorgabe des maximalen Abschaltstroms soll dann den möglichen Zeitraum für Überschwingungen abdecken.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist es daher vorteilhaft, dass die Zeitspanne für die Vorgabe des maximalen Abschaltstroms maximal der Einschwingzeit T_{ein_Δx} der Sprungantwort des Umrichters in einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente entspricht. Nach der Einschwingzeit T_{ein_Δx} befindet sich die Regelgröße, beispielsweise der Blindstrom in einem Toleranzband mit einer Breite Δx um die Regelgröße. Bevorzugt beträgt die Zeitspanne der Vorgabe maximal 60 ms.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Vorliegen eines externen Betriebsfehlers ein Fault-Ride-Through (FRT)-Betrieb der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz durchgeführt, wobei zumindest zeitweise während des FRT-Betriebs über Fehlererkennungsmittel spezifische Abschaltströme den Leistungsschaltern vorgegeben werden. Bei einem FRT-Betrieb wird die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz trotz des bestehenden externen Betriebsfehlers, beispielsweise bei einer Netzunterspannung, weiter am Netz betrieben, um der Unterspannung beispielsweise entgegenzuwirken. Dies erfolgt beispielsweise durch einen Sollwertsprung in der Blindstromeinspeisung. Hier kommen die für den externen Betriebsfehler vorgesehenen spezifischen maximalen Abschaltströme zur Geltung, welche ein „Tripping“ der Leistungsschalter verhindern sollen und gleichzeitig auch eine Beschädigung des Leistungsschalters vermeiden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht es, den FRT-Betrieb der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz zu erlauben, ohne die Leistungsmodule für größere Ausgangsleistungen, wie sie während des FRT-Betriebs nur in kurzzeitigen Spitzen auftreten, auslegen zu müssen. Die Leistungskapazität der Leistungsschalter und damit der Leistungsmodule kann damit besser ausgenutzt werden.
Bevorzugt wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens jede Überschreitung des für interne Betriebsfehler vorgesehenen maximalen Abschaltstroms der Leistungsschalter, beispielsweise bei einem FRT-Ereignis aufgrund eines externen Betriebsfehlers, gezählt. Die Anzahl der FRT-Ereignisse mit Überschreitung der für interne Betriebsfehler vorgesehenen maximalen Abschaltströme kann dann beispielswiese zur vorbeugenden Wartung der Leistungsmodule ausgewertet werden.
Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe für eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz, insbesondere für eine Windenergieanlage mit mindestens einem Umrichter mit Leistungsmodulen, wobei die Leistungsmodule elektronische Leistungsschalter aufweisen und die Vorrichtung Ansteuerungsmittel zur Ansteuerung der Leistungsschalter der Leistungsmodule des Umrichters zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das elektrische Netz aufweist dadurch gelöst, dass Fehlererkennungsmittel vorgesehen sind, welche externe Betriebsfehler der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz ermitteln und welche abhängig vom ermittelten, externen Betriebsfehler einen spezifischen maximalen Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter vorgeben können.
Wie bereits zuvor ausgeführt, können über die Fehlererkennungsmittel externe Betriebsfehler zur Vorgabe maximaler Abschaltströme des mindestens einen Leistungsschalters herangezogen werden. Die bei externen Betriebsfehlern geforderten kurzzeitig größeren Abschaltströme für mindestens einen Leistungsschalter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bereitstellen ohne die Leistungsschalter bzw. die Leistungsmodule an das Einspeisen der Leistungsspitzen bei externen Betriebsfehlern auszulegen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nämlich kurzzeitige Leistungsspitzen, wie sie zur schnellen Ausregelung eines Sollwertsprungs benötigt werden, durch Erhöhung der maximalen Abschaltströme bereitstellen, ohne die Leistungsschalter für eine höhere Leistung auslegen zu müssen. Das Regelverhalten der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz kann an die Netzanschlussregeln angepasst werden ohne dass die Leistungsschalter in Bezug auf ihre Dauerleistungsabgabe geändert werden müssen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Fehlererkennungsmittel durch mindestens eine separat vorgesehene elektronische Schaltung oder software-basiert durch die Steuerungsmittel der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz bereitgestellt. Eine separate elektronische Schaltung, beispielsweise ein ASIC, ermöglicht, die Fehlererkennungsmittel in den Leistungsmodulen zu integrieren. Andererseits können durch eine software-basierte Bereitstellung die ohnehin vorhandenen Steuerungsmittel der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz für die Fehlererkennungsmittel genutzt werden.
Vorzugsweise sind gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur Bestimmung von Betriebsparametern der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz vorgesehen, welche als Betriebsparameter zumindest die Netzspannung des elektrischen Netzes bestimmen können, sodass die ermittelten Betriebsparameter von den Fehlererkennungsmitteln ausgewertet werden können. Hierdurch stehen den Fehlererkennungsmitteln die grundlegenden Betriebsparameter zur Verfügung, um externe Betriebsfehler erkennen zu können und entsprechende Abschaltströme für die Leistungsschalter der Leistungsmodule in den Umrichtern vorzugeben. Optional können zusätzlich die von dem mindestens einen Umrichter abgegebenen Wechselströme als Betriebsparameter bestimmt werden, so dass grundsätzlich auch die Möglichkeit besteht zwischen internen und externen Betriebsfehlern zu unterscheiden.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

1 und 2 zwei typische Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz in Form von Windenergieanlagen,
3 eine Schaltskizze eines beispielhaften Leistungsmoduls für eine Phase der Netzspannung,
4 ein schematisches Blockschaltbild eines Leistungsmoduls eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz,
5 und 6 zwei Ablaufdiagramme eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben von Leistungsschaltern,
7 Beispiele für Netzunterspannungs- und Netzüberspannungsverläufe abhängig von der Zeit für einen FRT-Betrieb und
8 ein typisches Einschwingverhalten eines schnellen Reglers bei einem Sollwertsprung.

In den 1 und 2 sind zwei typische Ausführungen von Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz N dargestellt, bei welchen die Rotornabe M einen Generator in Form eines Synchrongenerators SG oder einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine G mechanisch antreibt. Der in 1 dargestellte Synchrongenerator ist permanent erregt und erzeugt durch seine Drehung eine dreiphasige Wechselspannung im Stator, die im Umrichter 1 mit Gleichspannungszwischenkreis zunächst in eine Gleichspannung und anschließend in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Hierzu sind im Umrichter in 1 im Einzelnen nicht dargestellte Leistungsschalter vorgesehen. Am netzseitigen Wechselrichter des Umrichters 1 ermitteln erfindungsgemäße Fehlererkennungsmittel 2, ob ein externer Betriebsfehler vorliegt. Als externe Betriebsfehler werden erfindungsgemäß alle Abweichungen der Netzspannung vom Sollzustand angesehen. Das bedeutet insbesondere Netzunterspannungen, Netzüberspannungen, Abweichungen von der Netzfrequenz und Phasenwinkelsprünge der Netzspannung. Die Fehlererkennungsmittel 2 weisen in 1 nicht dargestellte Mittel zur Bestimmung von Betriebsparametern auf, welche die netzseitig am Umrichter 1 anliegende Netzspannung des elektrischen Netzes ermitteln können. Bevorzugt ermitteln die Mittel zur Bestimmung von Betriebsparametern der Vorrichtung die Netzspannung am Netzanschlusspunkt der Vorrichtung.
Stellen die Fehlererkennungsmittel 2 einen externen Betriebsfehler fest, geben die Fehlererkennungsmittel einen spezifischen maximalen Abschaltstrom für mindestens einen Leistungsschalter des Umrichters 1 vor, um das Regelverhalten des Umrichters im Falle eines externen Betriebsfehlers zu optimieren. Dies erfolgt beispielsweise durch kurzeitiges Vorgeben eines erhöhten maximalen Abschaltstroms für mindestens einen Leistungsschalter. Der Leistungsschalter kann dann kurzzeitig mit diesem erhöhten maximalen Abschaltstrom betrieben werden, ohne dass der Leistungsschalter abgeschaltet werden muss. Externe Betriebsfehler können so besonders gut ausgeregelt werden.
In 2 ist der Umrichter 1' maschinenseitig mit dem Rotor der doppeltgespeisten Asynchronmaschine G verbunden. Der Stator der doppeltgespeisten Asynchronmaschine ist direkt mit dem elektrischen Netz N verbunden. Der Umrichter 1' wandelt die Netzspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis in eine Rotorspannung um und gibt damit die Rotorströme vor. Diese gewährleisten, dass der Stator mit der Netzspannung in einer festen Phasenbeziehung steht und die mechanische Leistung der Rotornabe M phasenwinkelgenau in elektrische Leistung umgesetzt wird. Bei einem externen Betriebsfehler, beispielsweise einer Netzunterspannung, kann es sowohl rotorseitig als auch netzseitig im Umrichter 1` zu vergrößerten Strömen in den Leistungsschaltern kommen, um dem externen Betriebsfehler, beispielsweise durch einen Sollwertsprung, entgegenzuwirken. Um kurzzeitig spezifische, insbesondere höhere maximale Abschaltströme, bei deren Überschreiten es zum Abschalten des Leistungsschalters kommt, für den mindestens einen Leistungsschalter vorzusehen, sind in 2 sowohl für die rotorseitigen Leistungsschalter, als auch für die netzseitigen Leistungsschalter Fehlererkennungsmittel 2' vorgesehen.
Die von den Fehlererkennungsmitteln 2, 2' vorgegebenen Abschaltströme im Falle eines externen Betriebsfehlers sind gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel größer als bei einem internen Betriebsfehler des Umrichters 1, 1'. Als interne Betriebsfehler werden alle Störungen angesehen, welche durch den Umrichter selbst bedingt sind. Hierzu zählen beispielsweise eine Spannungsabweichung bei der Kollektor-Emitter-Spannung am als IGBT ausgeführten Leistungsschalter, eine zu große Temperatur des Leistungsschalters, eine Abweichung in der Spannungsversorgung der Treiberschaltung des Leistungsschalters usw.. Der einen internen Betriebsfehler berücksichtigende maximale Abschaltstrom gewährleistet, dass der mindestens eine Leistungsschalter bis zum maximalen Abschaltstrom im ordnungsgemäßen Betrieb belastet werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Dieser ist entsprechend relativ niedrig und entspricht nicht dem Strom, den der Leistungsschalter kurzeitig leisten kann. Für externe Betriebsfehler, welche in der Regel singuläre Ereignisse sind und nur ein äußerst kurzzeitiges Überschreiten der maximalen Abschaltströme für interne Betriebsfehler erfordern, kann daher der maximale Abschaltstrom durch die Fehlererkennungsmittel 2, 2' beispielsweise kurzzeitig vergrößert werden, ohne dass die Leistungsschalter Schaden nehmen. Die Leistungsreserven der Leistungsmodule können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren daher besser ausgeschöpft werden.
Ein typisches Leistungsmodul 3 für eine Phase zeigt in einer Schaltskizze 3. Das Leistungsmodul 3 weist zwei Leistungsschalter 4, 5 auf, welche hier als IGBTs ausgeführt sind. Parallel zum Leistungsschalter 4, 5 sind Freilaufdioden 6, 7 vorgesehen. Am AC-Ausgang kann ein Wechselstrom I_out gemessen werden, der durch Schalten der Leistungsschalter 4, 5 generiert wird. Die Leistungsschalter 4, 5 werden hierzu mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert, um einen vorgegebenen Strom- bzw. Spannungsverlauf am AC-Ausgang 8 des Leistungsmoduls zu erzeugen.
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Leistungsmoduls 3 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz. Das Leistungsmodul 3 weist eine PWM-Ansteuerung 9 auf, welche beide Leistungsschalter 4, 5 ansteuert. Sensoren des Leistungsmoduls übermitteln an die PWM-Ansteuerung 9 Fehlersignale betreffend Messwerte zu internen Betriebsfehlern. Hierzu weist das Leistungsmodul 3 Temperatursensoren der Leistungsschalter 10, 11, Mittel 12, 13 zur Messung der Kollektor-Emitterspannung V_CE der Leistungsschalter 4, 5, Mittel 14 zur Messung der Gleichspannung des Zwischenkreises, Mittel 15 zur Überwachung der Spannungsversorgung der Treiberschaltung der Leistungsschalter 4, 5. Der Stromsensor 16a ermittelt den Strom am AC-Ausgang und gibt seinen Messwert an den Überstromschutzmittel 16 weiter. Die Überstromschutzmittel 16 prüfen, ob der gemessene Strom einen vorgegebenen maximalen Abschaltstrom übersteigt. Ist der gemessene Strom größer als der vorgegebene maximale Abschaltstrom, so übermitteln die Überstromschutzmittel 16 ein Fehlersignal an die PWM-Ansteuerung 9, was eine Sperrung des jeweiligen Leistungsschalters 4, 5 verursacht. Es kommt zum „Tripping“ des Leistungsmoduls 3.
Erfindungsgemäß sind nun Fehlererkennungsmittel 2 vorgesehen, welche beispielsweise durch Messen und Auswerten der Netzspannung, bevorzugt am Netzanschlusspunkt, einen externen Betriebsfehler erkennen können und über die hier beispielsweise vorgesehenen Überstromschutzmittel 16 einen größeren maximalen Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter 4, 5 vorgeben können. Der Leistungsschalter 4,5 bzw. das Leistungsmodul 3 kann dann einen erhöhten Strom schalten, ohne dass die Leistungsschalter 4,5 abgeschaltet werden.
Bevorzugt wird der erhöhte maximale Abschaltstrom durch die Fehlererkennungsmittel 2 nur für eine vorbestimmte Zeitspanne vorgegeben, beispielsweise einer Zeitspanne, in welcher der vorgegebene maximale Abschaltstrom während des spezifischen externen Betriebsfehlers erwartet wird.
Wie 4 zeigt, gibt die Treiberschaltung des mindestens einen Leistungsschalters 4, 5 einen maximalen Abschaltstrom für mindestens einen Leistungsschalter 4, 5 im Falle eines internen Betriebsfehlers vor, der den Regelbetrieb der Leistungsschalter gewährleisten soll. Der maximale Abschaltstrom für den Regelbetrieb ist niedrig angesetzt, um die Leistungsschalter 4, 5 bei internen Betriebsfehlern vor Zerstörung zu schützen und den dauerhaften Betrieb (Regelbetrieb) der Leistungsschalter bis zum maximalen Abschaltstrom hin zu gewährleisten.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel in 4 wird der von den Leistungsmodulen 3 bereits bekannte Überstromschutz mit der erfindungsgemäßen Vorgabe von maximalen Abschaltströmen bei externen Betriebsfehlern kombiniert. Die Fehlererkennungsmittel 2 sind in 4 beispielsweise software-basiert in den Steuerungsmitteln der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz realisiert und geben über die Überstromschutzmitteln 16 des Leistungsmoduls 3 die maximalen Abschaltströme bei externen Betriebsfehlern vor. Die Fehlererkennungsmittel 2 können aber auch grundsätzlich durch eine separate elektronische Schaltung, beispielsweise in Form eines ASICs im Leistungsmodul realisiert werden.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei Vorliegen eines internen Betriebsfehlers, beispielsweise bei Überschreiten der maximalen Temperatur des Leistungsschalters, zumindest der betreffende Leistungsschalter 4, 5 immer durch ein entsprechendes Signal an die PWM-Ansteuerung 9 abgeschaltet. Dies erfolgt auch bei Vorgabe eines höheren maximalen Abschaltstroms aufgrund eines externen Betriebsfehlers, so dass eine Beschädigung der Leistungsschalter in jedem Fall verhindert wird.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben mindestens eines Leistungsschalters 4, 5 eines Leistungsmoduls eines Umrichters in einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, bei welchem im Regelbetrieb 17 ein erster maximaler Abschaltstrom, als „OCP Level 1“ bezeichnet, vorgegeben ist. Dieser maximale Abschaltstrom für den Regelbetrieb „OCP Level 1“ ist niedrig bemessen und soll den maximalen Strom vorgeben, welcher im regulären Betrieb dauerhaft durch den mindestens einen Leistungsschalter geschaltet werden kann, ohne dass ein Schaden am Leistungsschalter oder eine gravierende Verringerung seiner Lebensdauer verursacht wird. In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der maximale Abschaltstrom „OCP Level 1“ als der niedrigste maximale Abschaltstrom ausgestaltet.
Während des Regelbetriebs wird über Fehlererkennungsmittel 2 überwacht, ob ein externer Betriebsfehler vorliegt. Wird durch die Fehlererkennungsmittel 2 beispielsweise eine Netzunterspannung festgestellt (Schritt 18), wird gemäß Schritt 18a ein spezifischer maximaler Abschaltstrom, hier als „OCP Level 4“ bezeichnet, für den mindestens einen Leistungsschalter vorgegeben. Die Vorgabe des maximalen Abschaltstroms bei einem externen Betriebsfehler kann gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel über Überstromschutzmittel 16 erfolgen.
Wie in 5 dargestellt, wird im Netzunterspannungsfall beispielsweise der höchste maximale Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter vorgegeben. Der besonders hohe maximale Abschaltstrom ist im Unterspannungsfall vorteilhaft, um mit einem Sollwertsprung auf eine maximale Blindstromeinspeisung eine maximale Spannungsstütze gegen den Spannungsabfall zu erzielen. Die Zeitspanne des vorgegebenen maximalen Abschaltstroms „OCP Level 4“ kann in diesem Fall besonders kurz, beispielsweise maximal für 60 ms gewählt werden, um nur während der Einschwingzeit zur Ausregelung des Sollwertsprungs den maximalen Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter auf den „OCP Level 4“ zu vergrößern. Hierdurch kann beispielsweise ein Low-Voltage-Ride-Thorugh (LVRT)-Betrieb des Umrichters gewährleistet werden.
Wird kein LVRT-Ereignis als externer Betriebsfehler festgestellt, sondern ein Phasensprung der Netzspannung (Schritt 19) oder eine Netzüberspannung (Schritt 20) wird der maximale Abschaltstrom „OCP Level 3“ bzw. „OCP Level 2“ des mindestens einen Leistungsschalters abhängig vom festgestellten externen Betriebsfehler gemäß Schritt 19a bzw. 20a vorgegeben. Bevorzugt ist der maximale Abschaltstrom „OCP Level 3“ für einen Netzphasensprung größer als der maximale Abschaltstrom „OCP Level 2“ bei einer Netzüberspannung. Beide vorgegebenen maximalen Abschaltströme erlauben es einen Fault-Ride-Through(FRT)-Betrieb, beispielswiese einen sogenannten High-Voltage-Ride-Through(HVRT)-Betrieb durchzuführen und dem Fehler durch die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz entgegenzuwirken.
Werden die gegenüber dem „OCP Level 1“ erhöhten maximalen Abschaltströme „OCP Level 2“, „OCP Level 3“, „OCP Level“ 4 gemäß Schritt 18a, 19a oder 20a vorgegeben, wird gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ein FRT-Timer um einen spezifischen Wert t_s , welcher beispielsweise der Rechenzykluszeit zur Bestimmung des vorliegenden Fehlers entspricht, in Schritt 21 erhöht und anschließend in Schritt 22 mit der maximalen Zeitspanne tmax für die Vorgabe der erhöhten maximalen Abschaltströme verglichen. Wird die Zeitspanne tmax für den FRT-Betrieb überschritten, wird der „OCP Level 1“ wieder vorgegeben und der Regelbetrieb wieder aufgenommen. Wird der dann vorgegebene maximale Abschaltstrom weiter überschritten, wird der Leistungsschalter abgeschaltet (siehe 6). Ist die Zeitspanne, welche prinzipiell auch für jeden einzelnen maximalen Abschaltstrom „OCP Level 2“, „OCP Level 3“, „OCP Level 4“ spezifisch definiert werden kann, noch nicht überschritten, wird bei Vorliegen eines entsprechenden externen Betriebsfehlers ein spezifischer maximaler Abschaltstrom „OCP Level 2“, „OCP Level 3“, „OCP Level 4“ für mindestens einen Leistungsschalter vorgegeben und der FRT-Timer um die Zeit t_s vergrößert. Sobald die Zeitspanne tmax überschritten wird, wird bei Aufnahme des Regelbetriebs gemäß Schritt 17 auch der FRT-Timer auf Null zurückgesetzt.
In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die maximalen Abschaltströme „OCP Level 2“, „OCP Level 3“, „OCP Level 4“ so bemessen, dass auf den entsprechenden externen Betriebsfehler durch einen Sollwertsprung einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente der eingespeisten elektrischen Leistung reagiert werden kann. Die Zeitspanne tmax der Vorgabe der maximalen Abschaltströme „OCP Level 2“, „OCP Level 3“, „OCP Level 4“ berücksichtigt bevorzugt das Einschwingverhalten der Regelung des Umrichters und beträgt beispielsweise maximal 60 ms. Die Höhe der maximalen Abschaltströme „OCP Level 2“, „OCP Level 3“, „OCP Level 4“ sind bevorzugt an die Überschwingweite des Stroms beim Einschwingvorgang zur Ausregelung des Sollwertsprungs gegen die externen Betriebsfehler angepasst, um das „Tripping“ zu vermeiden und gleichzeitig nicht zu große maximale Abschaltströme zu erlauben.
6 zeigt nun das Zusammenspiel der Regelung der maximalen Abschaltströme gemäß 5 mit internen Betriebsfehlern, wie beispielsweise einer zu großen Treiberspannung V_driver oder einer zu großen IGBT-Temperatur T_IGBT . Werden im Regebetrieb 17 Überschreitungen des vorgesehenen maximalen Abschaltstroms für den Regelbetrieb 17 „OCP Level 1“ festgestellt (Schritt 23), wird der Zähler für ein „OCP Ereignis“ in Schritt 24 um 1 erhöht. Anschließend wird gemäß Schritt 25 geprüft, ob ein FRT-Timer in Schritt 18, 19 oder 20 (5) gestartet wurde. Ist dies nicht der Fall, liegt ein interner Betriebsfehler vor und der mindestens eine Leistungsschalter 4, 5 und damit der Umrichter werden abgeschaltet (Schritt 26). Ist ein FRT-Timer in den Schritten 18, 19 oder 20 gestartet und ein externer Betriebsfehler erkannt, wird in Schritt 27 geprüft, ob die maximale Anzahl an „OCP Ereignissen“ überschritten worden ist. Auch im Falle des Überschreiten der maximalen Anzahl an OCP Ereignissen kann der mindestens eine Leistungsschalter und damit der Umrichter abgeschaltet werden. Bei einer zu großen Anzahl an OCP Ereignissen kann die Lebensdauer der Leistungsschalter eingeschränkt werden, so dass die Leistungsschalter vorbeugend bei diesen Ereignissen abgeschaltet werden. Wird im Schritt 23 keine Überschreitung des OCP Levels 1 festgestellt wird der Regelbetrieb 17 fortgesetzt.
Dies gilt auch sofern, wie in den Schritten 28 und 29 dargestellt, ein interner Betriebsparameter eine unzulässige Abweichung aufweist. Wird beispielsweise die Treiberspannung Vdriver (Schritt 28) unterschritten oder die Temperatur des IGBTs TIGBT (Schritt 29) überschritten, erfolgt auch in diesen Fällen ein Abschalten des mindestens einen Leistungsschalters und damit des Umrichters gemäß Schritt 26. Damit wird in diesem Ausführungsbeispiel bei Vorliegen eines internen Betriebsfehlers der Umrichter in jedem Fall abgeschaltet, auch wenn der vorgegebene maximale Abschaltstrom noch nicht erreicht wurde, aber ein interner Betriebsfehler vorliegt.
In 7 ist der zeitliche Verlauf des Verhältnisses der am Netzanschlusspunkt gemessenen Netzspannung U_NAP zur vorgegebenen Sollnetzspannung U_N für ein zwei-poligen Spannungseinbruch 32 oder drei-poligen Spannungseinbruch 31 sowie für eine Netzüberspannung 30 dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Vorgabe des maximalen Abschaltstroms „OCP Level 4“ durch die Fehlererkennungsmittel 2 auf den drei-poligen Spannungseinbruch 31 reagiert. Aus dem zwei-poligen Spannungseinbruch 32 ergibt sich einerseits ein Netzphasensprung und andererseits aber auch eine Netzunterspannung, die die Vorgabe des maximalen Abschaltstroms „OCP Level 3“ durch die Fehlererkennungsmittel in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hervorruft. Die genannten maximalen Abschaltströme erlauben es dem Umrichter, durch einen Sollwertsprung einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente dem jeweiligen externen Betriebsfehler entgegenzuwirken und einen FRT-Betrieb, also ein Durchlaufen des Fehlers beispielsweise gemäß vorgesehener Netz-Anschlussregeln zu erlauben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einspeisung von elektrischer Leistung verbleibt also während des Durchlaufens des externen Betriebsfehlers am Netz. An den jeweiligen Sprüngen der Netzspannung U_NAP 30a, 30b, 30c, 31a, 31b, 32a, 32b wird ein Sollwertsprung in einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente der eingespeisten elektrischen Leistung ausgeführt, die ein spezifisches Einschwingverhalten der Ausregelung der Leistungsschalter und damit der benötigten Ströme im Leistungsschalter nach sich zieht. Ein Beispiel für ein Einschwingverhalten einer Regelgröße bei der Ausregelung eines Sollwertsprungs ist in 8 dargestellt.
In 8 ist als Y-Achse die Regelgröße, beispielsweise der Blindstrom x(t) in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Mit unterbrochenen Linien ist die Sollwertvorgabe, beispielsweise die Blindstromabgabe der Vorrichtung dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 erfolgt als Antwort beispielsweise auf einen plötzlichen Spannungseinbruch ein Sollwertsprung des Blindstroms von 0 % auf 100 %. Um möglichst schnell dem Spannungseinbruch entgegenzuwirken, wird eine Einregelung des Blindstroms x(t) mit einem Überschwingverhalten erlaubt, da andernfalls dem Spannungseinbruch nicht ausreichend schnell entgegengewirkt werden kann. Die Überschwingweite Δx_max führt bei der Sprungantwort x(t) des Blindstroms bei bisher bekannten Verfahren zum Betreiben von Leistungsschaltern zu einem „Tripping“ des Leistungsschalters, da beim Überschwingen die maximalen Abschaltströme „OCP Level 1“ überschritten werden.
Liegt ein externer Betriebsfehler, wie ein plötzlicher Spannungsabfall vor, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Fehlererkennungsmittel 2 ein externer Betriebsfehler erkannt und der maximale Abschaltstrom, beispielweise bei einem Netzspannungseinbruch der Abschaltstrom „OCP Level 4“ vorgegeben, welcher die Überschwingweite Δx_max erlaubt und bevorzugt für die Einschwingzeit T_{ein_Δx} für den mindestens einen Leistungsschalter vorgegeben wird. Aufgrund der kurzen Zeitspanne der Vorgabe des erhöhten maximalen Abschaltstroms kann der Leistungsschalter kurzzeitig einen vergrößerten Abschaltstrom zur Ausreglung der Einschwingzeit schalten, ohne Schaden zu nehmen. Der Leistungsschalter muss daher nicht an die auftretenden Leistungsspitzen beim Durchlaufen von LVRT- oder HVRT- oder Phasensprung-Ereignissen der Netzspannungen angepasst werden und abgeschaltet werden, wenn die Vorrichtung sich im FRT-Betrieb befindet. Die Auslegung der Leistungsschalter der Umrichter von Vorrichtungen zur Einspeisung elektrischer Leistungen in ein Netz kann insofern noch weiter optimiert werden.
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

WO 2014/154221 A2 [0007]
US 7274223 B2 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben mindestens eines elektronischen Leistungsschalters (4, 5) mindestens eines Leistungsmoduls (3) eines Umrichters (1) in einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N), wobei der mindestens eine Leistungsschalter (4, 5) über Ansteuerungsmittel (9) angesteuert wird und das mindestens eine Leistungsmodul (3) des Umrichters (1) zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das elektrische Netz verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass externe Betriebsfehler der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz (N) unter Verwendung von Fehlererkennungsmittel (2, 2') ermittelt werden und abhängig von ermittelten externen Betriebsfehlern ein spezifischer maximaler Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter (4, 5) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für einen externen Betriebsfehler vorgegebene maximale Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter (4, 5) größer ist als der Abschaltstrom für interne Betriebsfehler.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Abschaltstrom für externe Betriebsfehler nur für eine vorbestimmte Zeitspanne vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Treiberschaltung für den mindestens einen Leistungsschalter (4, 5) einen maximalen Abschaltstrom für interne Betriebsfehler vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines internen Betriebsfehlers der mindestens eine Leistungsschalter (4,5) nur dann nicht abgeschaltet wird, wenn bei Vorliegen eines externen Betriebsfehlers und der Vorgabe eines vergrößerten maximalen Abschaltstroms als interner Betriebsfehler nur die Überschreitung des für interne Betriebsfehler vorgesehenen maximalen Abschaltstroms ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungsmittel (2, 2') zumindest Netzspannungsmesswerte, vorzugsweise gemessen am Netzanschlusspunkt der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N) zur Fehlererkennung auswerten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungsmittel (2, 2') weitere Betriebsparameter der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N) zur Fehlererkennung auswerten, wobei als weitere Betriebsparameter zumindest die vom Umrichter (1) erzeugten Wechselströme ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Netzüberspannung, eine Netzunterspannung oder ein Phasenwinkelsprung der Netzspannung im Betrieb als externe Betriebsfehler durch die Fehlererkennungsmittel (2, 2') erkannt werden und für jeden spezifischen Betriebsfehler jeweils ein maximaler Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter (4, 5) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitspanne und die Höhe des maximalen Abschaltstroms des mindestens einen Leistungsschalters (4, 5) bei einem externen Betriebsfehler durch die Fehlererkennungsmittel (2, 2') derart vorgegeben werden, dass der Umrichter (1) mit einem Sollwertsprung einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente der eingespeisten elektrischen Leistung auf den externen Betriebsfehler reagieren kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne der Vorgabe des maximalen Abschaltstroms maximal der Einschwingzeit T_{ein_Δx} eines Sollwertsprungs des Umrichters (1) in einer Blindstrom- oder Wirkstromkomponente entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines externen Betriebsfehlers ein Fault-Ride-Through(FRT)-Betrieb der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N) durchgeführt wird, wobei zumindest zeitweise während des FRT-Betriebs über Fehlererkennungsmittel (2, 2') betriebsfehlerspezifische Abschaltströme den Leistungsschaltern (4, 5) vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Überschreitung des für interne Betriebsfehler vorgesehenen maximalen Abschaltstroms der Leistungsschalter (4, 5) gezählt wird.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N), insbesondere Windenergieanlage, mit mindestens einem Umrichter (1) mit Leistungsmodulen (3), wobei die Leistungsmodule (3) elektronische Leistungsschalter (4, 5) aufweisen und die Vorrichtung Ansteuerungsmittel (9) zur Ansteuerung der Leistungsschalter (4, 5) der Leistungsmodule (3) des Umrichters (1) zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das elektrische Netz aufweist und die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 12 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Fehlererkennungsmittel (2, 2') vorgesehen sind, welche externe Betriebsfehler der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz (N) ermitteln und abhängig vom ermittelten externen Betriebsfehler einen spezifischen, maximalen Abschaltstrom für den mindestens einen Leistungsschalter (4, 5) vorgeben können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungsmittel (2, 2') durch mindestens eine separat vorgesehene elektronische Schaltung oder software-basiert in den Steuerungsmitteln der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein elektrisches Netz (N) bereitgestellt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung von Betriebsparametern der Vorrichtung vorgesehen sind, welche als Betriebsparameter zumindest die Netzspannung des elektrischen Netzes (N) bestimmen können, so dass die ermittelten Betriebsparameter von den Fehlererkennungsmitteln (2, 2') ausgewertet werden können.