DE102019116254B4 - Method for operating a power generation plant - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage (1), die mindestens zwei Wechselrichter (4) aufweist, bei dem mittels der Wechselrichter (4) elektrische Leistung zwischen Gleichstromquellen (5) und einem Wechselspannungsnetz (3) ausgetauscht wird, wobei die Wechselrichter (4) wahlweise stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden, wobei mindestens einer der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) mit einem Speicher als Gleichstromquelle (5) verbunden ist, wobei der mit dem Speicher verbundene Wechselrichter (4) im spannungseinprägenden Betrieb betrieben wird, wenn ein Ladezustand des Speichers einen ersten Grenzwert überschreitet, und zeitweise im stromeinprägenden Betrieb betrieben wird, um den Speicher zu laden, wenn der Ladezustand des Speichers einen zweiten Grenzwert unterschreitet, wobei mindestens einer der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) mit einem PV-Generator als Gleichstromquelle (5) verbunden ist, wobei die Energieerzeugungsanlage (1) eine elektrische Gesamtleistung (P_Netz) mit dem Wechselspannungsnetz (3) austauscht, wobei der mit dem PV-Generator verbundene Wechselrichter (4) im stromeinprägenden Betrieb betrieben wird und die ausgetauschte Gesamtleistung (P_Netz) eine maximal mögliche PV-Leistung (P_MPP) des PV-Generators umfasst und wobei die Wechselrichter (4) einzeln oder gruppenweise zwischen einem stromeinprägenden Betrieb und einem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, so dass die Energieerzeugungsanlage (1) insgesamt in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb, in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb oder in einem Mischbetrieb betrieben wird.Method for operating a power generation plant (1) which has at least two inverters (4), in which electrical power is exchanged between direct current sources (5) and an alternating voltage network (3) by means of the inverters (4), the inverters (4) optionally injecting current or operated with voltage impressing, wherein at least one of the inverters (4) of the energy generation system (1) is connected to a memory as a direct current source (5), the inverter (4) connected to the memory being operated in voltage impressing mode when a charge state of the memory exceeds a first limit value, and is operated temporarily in current-impressing mode in order to charge the storage unit when the state of charge of the storage unit falls below a second limit value, with at least one of the inverters (4) of the energy generation system (1) having a PV generator as a direct current source ( 5) is connected, with the energy generation plant ge (1) exchanges a total electrical power (P_Netz) with the AC voltage network (3), the inverter (4) connected to the PV generator being operated in current-impressing mode and the exchanged total power (P_Netz) a maximum possible PV power (P_MPP ) of the PV generator and wherein the inverters (4) are switched individually or in groups between a current-impressing operation and a voltage-impressing operation, so that the energy generation system (1) is operated as a whole in a current-impressing overall operation, in a voltage-impressing overall operation or in a mixed operation .
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum netzdienlichen Betrieb einer Energieerzeugungsanlage, bei dem elektrische Leistung mit einem Wechselspannungsnetz ausgetauscht wird, sowie eine Energieerzeugungsanlage, die zum Betrieb mit einem entsprechenden Verfahren eingerichtet ist.The invention relates to a method for network-beneficial operation of an energy generation plant, in which electrical power is exchanged with an alternating voltage network, as well as an energy generation plant which is set up for operation with a corresponding method.
Eine Energieerzeugungsanlage kann eine Energieerzeugungseinheit, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle umfassen, sowie einen elektrischen Speicher aufweisen. Energiequelle und Speicher können jeweils über einen Wechselrichter mit einem Wechselspannungsnetz verbunden sein und als Gleichstromquelle bzw. -senke für den jeweiligen Wechselrichter dienen. Die Wechselrichter können gleichstromseitig elektrische Leistung mit der jeweiligen Gleichstromquelle austauschen, in eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom umwandeln und wechselstromseitig mit einem Wechselspannungsnetz oder untereinander austauschen. Dabei kann eine Gleichstromquelle elektrische Leistung sowohl abgeben als auch aufnehmen, d.h. als Gleichstromsenke wirken, und das Wechselspannungsnetz kann elektrische Leistung ebenfalls sowohl aufnehmen als auch abgeben.An energy generation system can include an energy generation unit, in particular a renewable energy source, and an electrical storage device. The energy source and storage unit can each be connected to an AC voltage network via an inverter and serve as a direct current source or sink for the respective inverter. The inverters can exchange electrical power on the direct current side with the respective direct current source, convert it into an alternating voltage or an alternating current and exchange it on the alternating current side with an alternating voltage network or with one another. A direct current source can both output and absorb electrical power, i.e. act as a direct current sink, and the AC voltage network can also both absorb and output electrical power.
Eine übliche Energieerzeugungsanlage mit mehreren Gleichstromquellen und Wechselrichtern kann Leistungen zwischen einigen Kilowatt und einigen Megawatt verarbeiten und über einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt mit dem Wechselspannungsnetz austauschen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Energieerzeugungsanlage aus mehreren Gleichstromquellen und Wechselrichtern gebildet werden, die kommunikativ direkt oder indirekt über eine gemeinsame Steuerung miteinander verknüpft sind und über verschiedene Netzanschlusspunkte eine in Summe einstellbare elektrische Gesamtleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen.A normal power generation system with several direct current sources and inverters can process outputs between a few kilowatts and a few megawatts and exchange them with the alternating voltage network via a common network connection point. Alternatively or additionally, an energy generation system can be formed from several direct current sources and inverters, which are communicatively linked directly or indirectly via a common control and exchange a total adjustable total electrical power with the alternating voltage network via various network connection points.
Bezüglich der Regelung des Verhaltens einer Energieerzeugungsanlage am Wechselspannungsnetz, d.h. insbesondere bezüglich der einzustellenden Wirkleistung und Blindleistung am Netzanschlusspunkt der Energieerzeugungsanlage oder eines Teiles davon, kann grundsätzlich zwischen netzbildenden und netzstützenden Energieerzeugungsanlagen unterschieden werden. Konventionelle Synchrongeneratoren arbeiten in der Regel spannungseinprägend und dadurch netzbildend. Erneuerbare Energieerzeugungsanlagen arbeiten vorrangig stromeinprägend, wobei der eingeprägte Strom grundsätzlich durch die Energieerzeugungsanlage selbst vorgegeben ist und sich insbesondere an den Eigenschaften und dem aktuellen Zustand der verwendeten Energiequelle orientiert.With regard to the regulation of the behavior of a power generation plant on the AC voltage network, i.e. in particular with regard to the active power and reactive power to be set at the grid connection point of the power generation plant or a part thereof, a fundamental distinction can be made between grid-forming and grid-supporting power generation plants. Conventional synchronous generators usually work voltage-impressing and thus network-forming. Renewable energy generation systems work primarily in a manner that impresses the current, with the current being impressed in principle by the energy generation system itself and, in particular, based on the properties and the current state of the energy source used.
In einer stromeinprägenden Energieerzeugungsanlage kann ein Wechselrichter die gleichstrom- und wechselstromseitig ausgetauschte Leistung selbst vorgeben, wobei die Grenzen der Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Gleichstromquelle zu beachten sind. Insbesondere einem Photovoltaikgenerator als erneuerbare Energiequelle wird dabei möglichst die maximal verfügbare Leistung entnommen und von einem stromeinprägend betriebenen Wechselrichter als maximal möglicher Wechselstrom in ein bereits bestehendes Wechselspannungsnetz eingespeist (Netzparallelbetrieb).In a power generating system that impresses current, an inverter can itself specify the power exchanged on the DC and AC sides, whereby the limits of the performance of the connected DC source must be observed. In particular, the maximum available power is drawn from a photovoltaic generator as a renewable energy source and fed into an existing AC voltage network as the maximum possible alternating current by an inverter operated to inject current.
Ein stromeinprägender Wechselrichter synchronisiert sich dabei im Betrieb fortlaufend auf eine vorhandene Netzspannung. z.B. mittels einer Phasenregelschleife (PLL). Er ist dazu eingerichtet, der Netzspannung zu folgen sowie seine Stromabgabe an die Netzspannung anzupassen. Diese Anpassung erfordert eine endliche Anpassungszeit, um die verfügbare oder geforderte elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz auszutauschen.A current-collecting inverter is continuously synchronized to an existing grid voltage during operation. e.g. by means of a phase locked loop (PLL). It is set up to follow the mains voltage and to adapt its current output to the mains voltage. This adaptation requires a finite adaptation time in order to exchange the available or required electrical power with the AC voltage network.
Dabei kann die ausgetauschte Leistung eines stromeinprägenden Wechselrichters zusätzlich variiert werden, so dass beispielsweise einem Photovoltaik-Generator bewusst weniger als seine maximal mögliche Leistung entnommen und in das Wechselspannungsnetz eingespeist wird. Insofern kann die auszutauschende elektrische Leistung aufgrund übergeordneter Erwägungen gezielt eingestellt werden, z.B. um einen Eigenverbrauch zu optimieren, eine Einspeisevergütung zu maximieren, eine Reserveleistung bereitzuhalten und/oder zur Netzstützung in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetz beitragen zu können.The exchanged power of a current-injecting inverter can also be varied so that, for example, less than its maximum possible power is deliberately drawn from a photovoltaic generator and fed into the AC voltage network. In this respect, the electrical power to be exchanged can be set in a targeted manner on the basis of overriding considerations, e.g. to optimize self-consumption, to maximize feed-in tariffs, to keep reserve power available and / or to be able to contribute to network support depending on the electrical properties of the AC voltage network.
Eine stromeinprägende Energieerzeugungsanlage kann insofern zusätzlich netzstützende Funktionen erfüllen, indem die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte elektrische Leistung ggf. mittelbar von Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes, z.B. der Frequenz und/oder der Amplitude der Netzspannung abhängt. Die ausgetauschte Leistung kann dazu im Rahmen der verfügbaren Leistung der Energiequelle variiert werden, beispielsweise bei einer Abweichung der Netzfrequenz von einer Nennfrequenz oder der Netzspannung von der sinusförmigen Nennspannung des Wechselspannungsnetzes. Das Wechselspannungsnetz kann stabilisiert werden, indem die ausgetauschte Leistung so von den elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes abhängt, dass derartigen Abweichungen entgegengewirkt wird, beispielsweise anhand von Wirkleistungs-Frequenz-Kennlinien (P(f)) oder Blindleistung-Spannungs-Kennlinien (Q(U)). Ein Anpassung der ausgetauschten Leistung an einen sich ändernden Sollwert ist jedoch aufgrund der oben erwähnten endlichen Anpassungszeit gegenüber der die Anpassung induzierenden Abweichung im Wechselspannungsnetz inhärent verzögert.A current-injecting power generation system can also fulfill network-supporting functions in that the electrical power exchanged with the AC voltage network is indirectly dependent on properties of the AC voltage network, for example the frequency and / or the amplitude of the network voltage. For this purpose, the exchanged power can be varied within the scope of the available power of the energy source, for example in the event of a deviation of the network frequency from a nominal frequency or the network voltage from the sinusoidal nominal voltage of the AC voltage network. The AC voltage network can be stabilized in that the exchanged power depends on the electrical properties of the AC voltage network in such a way that such deviations are counteracted, for example using active power-frequency characteristics (P (f)) or reactive power-voltage characteristics (Q (U) ). An adaptation of the exchanged power to a changing target value is, however, due to the above-mentioned finite adaptation time compared to the Adaptation inducing deviation in the AC voltage network is inherently delayed.
Mit steigendem Anteil stromgeregelt betriebener Energieerzeugungsanlagen in einem Wechselspannungsnetz steigt deren Einfluss auf die elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes, insbesondere auf die Netzspannung und die Netzfrequenz. Dieser Einfluss kann sich negativ auf das Wechselspannungsnetz auswirken. Beispielsweise kann eine hohe, mittels stromeinprägender Wechselrichter eingespeiste Wirkleistung je nach Netzbeschaffenheit eine lokale Überhöhung der Netzspannung hervorrufen. In einem Netzabschnitt, der einerseits schwach an ein Wechselspannungsnetz angebundenen ist und andererseits eine Vielzahl stromeinprägender Energieerzeugungsanlagen aufweist, können Flickereffekte in der Netzspannung verursacht werden, wenn die Energieerzeugungsanlagen aktive oder eskalierende Verfahren zur normativ geforderte Inselnetzerkennung (Active Islanding Detection, AID) durchführen. Weiterhin können Oberschwingungen und Harmonische im Wechselspannungsnetz auftreten, denen durch stromeinprägende Wechselrichter nicht entgegengewirkt wird, sondern die durch stromeinprägende Wechselrichter unter ungünstigen Umständen sogar befördert werden, beispielsweise wenn einzelne Energieerzeugungsanlagen oder Wechselrichter einen hohen Anteil der Gesamtleistung im Wechselspannungsnetz liefern und die Netzspannung schon somit wesentlich beeinflussen.As the proportion of power-controlled power generation systems in an AC voltage network increases, their influence on the electrical properties of the AC voltage network, in particular on the network voltage and the network frequency, increases. This influence can have a negative effect on the AC voltage network. For example, depending on the nature of the network, a high active power fed in by means of current-impressing inverters can cause a local increase in the network voltage. In a network section that on the one hand is weakly connected to an AC voltage network and on the other hand has a large number of power-generating power generation plants, flicker effects can be caused in the grid voltage if the power generation plants carry out active or escalating processes for normatively required islanding detection (AID). Furthermore, harmonics and harmonics can occur in the AC voltage network, which are not counteracted by current-injecting inverters, but are even conveyed by current-injecting inverters under unfavorable circumstances, for example if individual power generation systems or inverters supply a high proportion of the total power in the AC voltage network and thus significantly influence the network voltage .
Im herkömmlichen Betrieb stromeinprägender Energieerzeugungsanlagen orientiert sich die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung an der optimalen Nutzung der Gleichstromquelle und ihrer aktuellen und/oder voraussichtlichen Leistung bzw. gespeicherten Energie. Daher sind stromeinprägend betriebene Energieerzeugungsanlagen regelmäßig nicht dazu eingerichtet, die gleichstrom- und wechselstromseitig ausgetauschte Leistung instantan als Reaktion auf schnelle Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetz anzupassen. Darüber hinaus können stromeinprägende Energieerzeugungsanlagen das Wechselspannungsnetz zusätzlich schwächen, indem sie einen einzuprägenden Sollstrom aufrecht zu erhalten versuchen, weitgehend unabhängig davon, ob dies für die Stabilität des Wechselspannungsnetz förderlich ist oder nicht. Eine stromeinprägend betriebene Energieerzeugungsanlage kann zusätzlich lediglich netzstützende Funktionen umfassen, indem die Energieerzeugungsanlage auf Abweichungen elektrischer Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes von Normwerten reagiert und den Sollstrom variiert. Die resultierende Änderung der ausgetauschten Leistung weist dabei aufgrund von Mess- und Auswertezeiträumen sowie endlicher Regelungsreaktionszeiten eine inhärente Verzögerung gegenüber dem Auftreten der Abweichungen auf.In the conventional operation of power-injecting power generation systems, the power exchanged with the AC voltage network is based on the optimal use of the direct current source and its current and / or anticipated power or stored energy. For this reason, power generation systems operated in a current-impressing manner are generally not set up to adapt the power exchanged on the DC and AC sides instantaneously in response to rapid changes in the electrical properties of the AC voltage network. In addition, power-injecting power generation systems can additionally weaken the AC voltage network by attempting to maintain a nominal current to be impressed, largely regardless of whether this is beneficial for the stability of the AC voltage network or not. A power generation plant operated with an injection of current can additionally only include network-supporting functions, in that the power generation plant reacts to deviations in electrical properties of the AC voltage network from standard values and varies the setpoint current. The resulting change in the exchanged power has an inherent delay compared to the occurrence of the deviations due to measurement and evaluation periods and finite control reaction times.
Eine Energieerzeugungsanlage kann auch spannungseinprägend betrieben werden. Spannungseinprägend betriebene Wechselrichter formen und stabilisieren die Netzspannung an ihren Anschlussklemmen durch Regelung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Netzspannung. Eine spannungseinprägende Energieerzeugungsanlage ist grundsätzlich selbst in der Lage, netzbildend zu arbeiten, d.h. insbesondere ein begrenztes Inselnetz aufzubauen und aufrecht zu erhalten. Dabei kann die zwischen einem spannungseinprägend betriebenen Wechselrichter und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung unmittelbar von den Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes abhängen, d.h. insbesondere eine Funktion der Frequenz und/oder der Spannung im Wechselspannungsnetz sein. Dadurch reagiert eine spannungseinprägend betriebene Energieerzeugungsanlage unmittelbar auf Änderungen des Leistungsgleichgewichts im Wechselspannungsnetz. Darüber hinaus kann eine spannungseinprägende Energieerzeugungsanlage zur Glättung des sinusförmigen Verlaufs der Netzspannung beitragen, indem unerwünschten Frequenzanteilen mit hoher Dynamik entgegengewirkt wird.A power generation system can also be operated with voltage impressing. Inverters operated with voltage impressions shape and stabilize the line voltage at their connection terminals by regulating the electrical power as a function of the line voltage. A voltage-impressing power generation plant is basically able to work in a grid-forming manner, i.e. in particular to set up and maintain a limited island grid. The power exchanged between a voltage-impressing inverter and the AC voltage network can depend directly on the properties of the AC voltage network, i.e. in particular it can be a function of the frequency and / or the voltage in the AC voltage network. As a result, a power generation system operated with a voltage impression reacts immediately to changes in the power balance in the AC voltage network. In addition, a voltage-impressing power generation system can contribute to smoothing the sinusoidal curve of the mains voltage by counteracting undesired frequency components with high dynamics.
Ein spannungseinprägend betriebener Wechselrichter kann beispielsweise eine sogenannte Droop-Regelung umfassen und/oder als sogenannte virtuelle Synchronmaschine betrieben werden. Mithilfe einer derartigen, dem Fachmann grundsätzlich bekannten Regelung kann ein Inselnetz aufgebaut werden, wobei ein solches Inselnetz synchron mit einem übergeordneten und ggf. räumlich deutlich ausgedehnten Wechselspannungsnetz betrieben werden kann. Über einen Netzanschlusspunkt kann dann zwischen dem Wechselspannungsnetz und dem Inselnetz mit der Energieerzeugungsanlage elektrische Leistung ausgetauscht werden. Alternativ können die Wechselrichter einer spannungseinprägenden Energieerzeugungsanlage auch direkt über einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen sein. Dadurch kann das Wechselspannungsnetz stabilisiert und die Netzspannungsqualität verbessert werden.An inverter operated in a voltage-impressing manner can, for example, include what is known as a droop control and / or be operated as a so-called virtual synchronous machine. With the aid of such a control system, which is basically known to the person skilled in the art, an island network can be set up, such an island network being able to be operated synchronously with a higher-level and possibly spatially significantly expanded AC voltage network. Electrical power can then be exchanged between the AC voltage network and the stand-alone network with the power generation system via a network connection point. Alternatively, the inverters of a voltage-impressing power generation system can also be connected directly to an AC voltage network via a common network connection point. As a result, the AC voltage network can be stabilized and the network voltage quality can be improved.
Der spannungseinprägende Betrieb einer Energieerzeugungsanlage als proaktiver Netzbildner fordert dabei eine deutlich höhere Dynamik der angeschlossenen Gleichstromquelle als der bloß stromeinprägende und optional bestenfalls netzstützende Betrieb. Ein Netzbildner muss auf ein Leistungsungleichgewicht im Wechselspannungsnetz, das in einer Netzfrequenzänderung resultiert, mit einer sofortigen, hochdynamischen Leistungsanpassung reagieren. Daher wird insbesondere eine sogenannte Momentanreserve, die unter anderem durch eine instantane Reaktion der Energieerzeugungsanlage auf einen Gradienten der Netzfrequenz gekennzeichnet ist, bevorzugt von spannungseinprägend betriebenen Energieerzeugungsanlagen bereitgestellt.The voltage-impressing operation of a power generation plant as a proactive network builder demands a significantly higher dynamic of the connected direct current source than the current-impressing and optionally, at best, network-supporting operation. A network builder must react to a power imbalance in the AC voltage network that results in a change in network frequency with an immediate, highly dynamic power adjustment. Therefore, in particular, a so-called instantaneous reserve, which, among other things, instantaneous reaction of the power generation system to a gradient of the network frequency is characterized, preferably provided by voltage-impressively operated power generation systems.
Spannungseinprägend betriebene Energieerzeugungsanlagen orientieren sich an der optimalen Stabilisierung der Netzspannung unter Verwendung der gleichstromseitig verfügbaren Ressourcen, d.h. der verfügbaren Leistung der Gleichstromquelle und ihrer aktuell und/oder voraussichtlich gespeicherten Energie. Dabei ergibt sich die wechselstromseitig ausgetauschte Leistung jedoch weitgehend aus den Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes. Insofern sind spannungseinprägend betriebene Energieerzeugungsanlagen regelmäßig nicht dazu eingerichtet, die gleichstromseitig verfügbaren Ressourcen aufgrund gleichstromseitig orientierter Vorgaben zu nutzen, beispielsweise um die verfügbare Leistung eines Photovoltaik-Generator als Gleichstromquelle abzurufen und kontinuierlich zu verwerten. Daher können spannungseinprägende Energieerzeugungsanlagen das Wechselspannungsnetz optimal stabilisieren, indem sie eine dazu notwendige elektrische Leistung auszutauschen bestrebt sind; dieses Verhalten ist jedoch weitgehend unabhängig davon, ob die notwendige elektrische Leistung gleichstromseitig gerade günstig verfügbar ist, beispielsweise aus einem Photovoltaik-Generator, oder mit einer Batterie ausgetauscht werden kann, sofern deren Ladezustand dies zulässt, oder womöglich gerade nicht verfügbar ist.Power generation systems operated with impressing voltage are based on the optimal stabilization of the network voltage using the resources available on the DC side, i.e. the available power of the DC source and its currently and / or likely stored energy. In this case, however, the power exchanged on the AC side results largely from the properties of the AC voltage network. In this respect, voltage-impressing power generation systems are usually not set up to use the resources available on the DC side due to specifications oriented on the DC side, for example to call up the available power of a photovoltaic generator as a DC source and to use it continuously. Therefore, voltage-impressing power generation systems can optimally stabilize the AC voltage network by attempting to exchange the electrical power required for this; However, this behavior is largely independent of whether the necessary electrical power is currently available cheaply on the DC side, for example from a photovoltaic generator, or can be exchanged with a battery if its state of charge allows this or is possibly not available at the moment.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Aus der US 2017 / 0 353 127 A1 ist eine Wechselrichtervorrichtung bekannt, bei der mehrere Wechselrichter ausgangsseitig parallelgeschaltet sind und autonom, d.h. ohne Verbindung mit einem Wechselspannungsnetz, eine Last mit einer vorgegebenen Wechselspannung versorgen, indem einer der Wechselrichter als Spannungsquelle und alle anderen Wechselrichter als Stromquelle betrieben werden.From US 2017/0 353 127 A1 an inverter device is known in which several inverters are connected in parallel on the output side and autonomously, ie without connection to an AC voltage network, supply a load with a predetermined AC voltage by using one of the inverters as a voltage source and all other inverters as Power source are operated.
Aus der
Ausführungsformen eines spannungseinprägenden Betriebs eines Wechselrichters sind beispielsweise aus der
Aus der
Die
Die WO 2017/ 097 354 A1 offenbart ein Mikronetz mit einer Vielzahl an verteilten Generatoren, das über einen Schalter an ein Energienetz anschließbar ist, wobei der Betrieb einzelner der verteilen Generatoren in Abhängigkeit des Schaltzustandes des Schalters zwischen einem netzfolgendem und einem netzformenden Modus umgeschaltet werden.WO 2017/097 354 A1 discloses a microgrid with a large number of distributed generators that can be connected to an energy grid via a switch, the operation of individual distributed generators being switched between a grid-following and a grid-shaping mode depending on the switching state of the switch.
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage mit mehreren Wechselrichtern aufzuzeigen, das einen effizienten und profitablen Betrieb der Energieerzeugungsanlage ermöglicht, indem die Gleichstromquellen energetisch optimal eingesetzt werden, und mit dem gleichzeitig die Spannungs- und Frequenzqualität sowie die Stabilität des Wechselspannungsnetzes verbessert wird.The invention is based on the object of showing a method for operating an energy generation system with several inverters, which enables efficient and profitable operation of the energy generation system by using the direct current sources in an energetically optimal manner, and with which, at the same time, the voltage and frequency quality and the stability of the alternating voltage network is improved.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie mit einer Energieerzeugungsanlage gemäß Anspruch 17 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object is achieved by a method with the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage, die mindestens zwei Wechselrichter aufweist, bei dem mittels der Wechselrichter elektrische Leistung zwischen Gleichstromquellen und einem Wechselspannungsnetz ausgetauscht wird, wobei die Wechselrichter wahlweise stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden. Die Wechselrichter werden einzeln oder gruppenweise zwischen einem stromeinprägenden Betrieb und einem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, so dass die Energieerzeugungsanlage insgesamt in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb, in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb oder in einem Mischbetrieb betrieben wird.The object is achieved by a method for operating a power generation plant which has at least two inverters, in which electrical power is exchanged between direct current sources and an alternating voltage network by means of the inverters, the inverters being operated either with current impressing or voltage impressing. The inverters are switched individually or in groups between a current-impressing operation and a voltage-impressing operation, so that the energy generation system as a whole is operated in a current-impressing overall operation, in a voltage-impressing overall operation or in a mixed operation.
Die Energieerzeugungsanlage kann somit komplett stromeinprägend oder komplett spannungseinprägend betrieben werden, je nachdem, ob ein netzstützender oder netzbildender Betrieb für die Stabilität bzw. den Aufbau das Wechselspannungsnetz vorteilhaft ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei insbesondere durch die Möglichkeit des wahlweise stromeinprägenden oder spannungseinprägenden Betriebs eines Teils der Energieerzeugungsanlage oder der Energieerzeugungsanlage insgesamt gegenüber herkömmlichen Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage aus. Damit kann das Verhalten der Energieerzeugungsanlage wahlweise und bedarfsgerecht auf die Belange des Wechselspannungsnetz ausgerichtet werden, insbesondere um zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes beizutragen, oder die verfügbaren gleichstromseitigen Ressourcen in den Vordergrund stellen, insbesondere um die verfügbare Leistung einer volatilen erneuerbaren Energiequelle und/oder die Speicherkapazität eines Energiespeichers maximal zu nutzen. Zudem kann die Gewichtung zwischen diesen an sich widerstrebenden Ziele durch das Umschalten einzelner Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage nach Bedarf geändert werden.The power generation plant can thus be operated completely with current impressing or completely with voltage impressing, depending on whether a network-supporting or network-forming operation is advantageous for the stability or the structure of the AC voltage network. The method according to the invention is characterized in particular by the possibility of operating part of the power generation plant or the power generation plant as a whole, with either current impressing or voltage impressing, compared to conventional methods for operating an energy generation plant. In this way, the behavior of the power generation system can be tailored to the needs of the AC voltage network as required, in particular to help stabilize the AC voltage network, or to focus on the resources available on the DC side, in particular around the available power of a volatile renewable energy source and / or the storage capacity of a To use energy storage to the maximum. In addition, the weighting between these conflicting goals can be changed as required by switching over individual inverters of the power generation system.
Je nach Netzqualität bzw. -zustand sowie Betriebszustand von Wechselrichtern einer Energieerzeugungsanlage kann autonom oder von extern oder intern gesteuert über den konkreten Betriebsmodus der einzelnen Wechselrichter oder Wechselrichter-Gruppen der Energieerzeugungsanlage entschieden werden. Dadurch wird festgelegt, ggf. unter Berücksichtigung aktueller interner Randbedingungen, ob und in welchem Maße ein spannungseinprägender Betrieb von Teilen der Energieerzeugungsanlage notwendig und möglich ist.Depending on the network quality or status as well as the operating status of inverters in a power generation plant, decisions can be made autonomously or externally or internally controlled via the specific operating mode of the individual inverters or inverter groups of the power generation plant. This determines, if necessary taking into account current internal boundary conditions, whether and to what extent a stress-absorbing operation of parts of the energy generation plant is necessary and possible.
Konkret können die Wechselrichter beispielsweise in einem Normalbetrieb im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt insbesondere bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes entspricht, überwiegend oder vollständig stromeinprägend betrieben werden. Je nach Bedarf, insbesondere abhängig von der Netzqualität, können einzelne Wechselrichter in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden. Je schlechter die Netzqualität, d.h. beispielsweise je größer Spannungs- oder Stromverzerrungen, Flicker oder ähnliches werden, desto mehr Wechselrichter können in den in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, um so die Netzspannung und Frequenz stabil und im normativen Bereich zu halten. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, möglichst unterbrechungsfrei und ohne nennenswerte Ausgleichvorgänge den Betriebsmodus zu wechseln.Specifically, the inverters can, for example, be operated predominantly or completely in a current-impressing manner in normal operation within the scope of the method according to the invention, that is to say in particular at a network frequency that corresponds to a nominal frequency of the AC voltage network. Depending on requirements, in particular depending on the network quality, individual inverters can be switched to voltage-impressing mode. The worse the network quality, i.e. for example the greater the voltage or current distortion, flicker or the like, the more inverters can be switched to voltage-impressing mode in order to keep the network voltage and frequency stable and within the normative range. It proves to be advantageous to change the operating mode with as little interruption as possible and without significant compensation processes.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können den Wechselrichtern Umschaltvorgaben übermittelt werden, wobei die Wechselrichter in Abhängigkeit von den Umschaltvorgaben zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb wechseln. Die Umschaltvorgaben können insbesondere von einer Steuereinheit der Energieerzeugungsanlage an die Wechselrichter übermittelt werden. Die Umschaltvorgaben können unmittelbar vorgeben, ob die Wechselrichter im stromeinprägenden oder im spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich können die Umschaltvorgaben Grenzwerte umfassen, wobei die Wechselrichter elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetz ermitteln und bei Überschreiten der Grenzwerte autonom zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und den spannungseinprägenden Betrieb umschalten. Durch die Umschaltvorgaben können einzelne Wechselrichter explizit aufgrund einer übergeordneten Entscheidung, beispielsweise der Steuereinheit, umgeschaltet werden, oder es können konkrete Bedingungen festgelegt werden, aufgrund derer die Wechselrichter autonom entscheiden, welcher Betriebsmodus aktuell einzustellen ist. Darüber hinaus ist eine Vorkonfiguration der Wechselrichter denkbar, so dass diese je nach Netzzustand oder Betriebsbedingungen der Energieerzeugungsanlage selbstständig automatisch den Betriebszustand wechseln. Solch eine Vorkonfiguration kann initial über eine zentrale Steuereinheit veranlasst werden und/oder gelegentlich oder regelmäßig aktualisiert werden.In the context of the method according to the invention, switching specifications can be transmitted to the inverters, the inverters changing between the current-impressing operation and the voltage-impressing operation as a function of the switching specifications. The switching specifications can in particular be transmitted to the inverters by a control unit of the power generation system. The switchover specifications can directly specify whether the inverters are operated in current-impressing or in voltage-impressing mode. As an alternative or in addition, the switching specifications can include limit values, the inverters determining electrical properties of the AC voltage network and, when the limit values are exceeded, autonomously switch between the current-impressing operation and the voltage-impressing operation. Through the switching specifications, individual inverters can be switched explicitly on the basis of a higher-level decision, for example by the control unit, or specific conditions can be established on the basis of which the inverters autonomously decide which operating mode is currently to be set. In addition, a preconfiguration of the inverters is conceivable, so that they automatically change the operating state independently depending on the grid status or the operating conditions of the power generation plant. Such a preconfiguration can be initiated initially via a central control unit and / or updated occasionally or regularly.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Energieerzeugungsanlage während des Umschaltens einzelner oder mehrerer Wechselrichter zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb mit dem Wechselspannungsnetz verbunden, d.h. etwaige Trenneinrichtungen zwischen Wechselrichter bzw. Energieerzeugungsanlage und Netz werden nicht betätigt. Dadurch ist ein kontinuierlicher Betrieb der Energieerzeugungsanlage gewährleistet. Zudem kann die die Energieerzeugungsanlage während des Umschaltens einzelner oder mehrerer Wechselrichter zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, insbesondere indem die einzelnen Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, wenn sie zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden. Eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb ist insbesondere in Teilnetzen mit einem knappen Verhältnis zwischen erzeugbarer und verbrauchter Leistung vorteilhaft, da im Falle einer Unterbrechung des Leistungsaustausches zwischen Energieerzeugungsanlage und Netz Lasten unterversorgt werden und die Frequenz im Netz sinken könnte, was wiederum einen Lawineneffekt zur Folge haben kann.In one embodiment of the method, the energy generation plant is during the Switching over one or more inverters between the current-impressing operation and the voltage-impressing operation connected to the AC voltage network, ie any separating devices between the inverter or power generation system and the network are not operated. This ensures continuous operation of the energy generation system. In addition, the power generation plant can exchange active power and / or reactive power with the AC voltage network without interruption during the switchover of one or more inverters between the current-impressing operation and the voltage-impressing operation, in particular by the individual inverters of the energy generation plant exchanging active power and / or reactive power with the AC voltage network without interruption, if they can be switched between current-impressing operation and voltage-impressing operation. An uninterrupted switchover between the current-impressing operation and the voltage-impressing operation is particularly advantageous in sub-networks with a tight ratio between the power that can be generated and the power consumed, since in the event of an interruption in the exchange of power between the power generation system and the network, loads would be undersupplied and the frequency in the network could drop, which in turn could can result in an avalanche effect.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Umschaltung der Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage zwischen dem stromeinprägenden und dem spannungseinprägenden Betrieb in Abhängigkeit von folgenden Parametern durchgeführt werden:
- - der Spannungsqualität, d.h. insbesondere der Amplitude der Netzspannung, dem Gradienten der Netzspannung, einem Maß für den Spannungsflicker und/oder für die harmonischen Verzerrungen der Netzspannung;
- - der Netzstabilität, d.h. insbesondere den Verzerrungen des zwischen Energieerzeugungsanlage und Wechselspannungsnetz ausgetauschten Wechselstroms;
- - der Frequenzstabilität, d.h. insbesondere der Abweichung der Netzfrequenz von einer Nennfrequenz und/oder dem Netzfrequenzgradienten, die einen jeweiligen Frequenzregelungs- bzw. Regelreservebedarf erzeugen;
- - der Netzimpedanz, wobei eine ggf. plötzliche Inselnetzbildung als Extremfall für die Netzimpedanz anzusehen ist.
- the voltage quality, ie in particular the amplitude of the network voltage, the gradient of the network voltage, a measure for the voltage flicker and / or for the harmonic distortions of the network voltage;
- the network stability, ie in particular the distortion of the alternating current exchanged between the energy generation plant and the alternating voltage network;
- the frequency stability, ie in particular the deviation of the network frequency from a nominal frequency and / or the network frequency gradient, which generate a respective frequency control or control reserve requirement;
- - the network impedance, whereby a possibly sudden island network formation is to be regarded as an extreme case for the network impedance.
Für diese Parameter können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Grenzwerte festgelegt werden, deren Überschreiten wiederum in den Umschaltvorgaben an die Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage abgebildet werden kann.Suitable limit values can be established for these parameters within the scope of the method according to the invention, the exceeding of which can in turn be mapped in the switchover specifications to the inverters of the energy generation system.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter eine elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, deren Wirkleistung und/oder Blindleistung abhängig von der Spannung und/oder der Frequenz des Wechselspannungsnetz eingestellt werden. Dadurch beteiligen sich die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter vorteilhaft an der Netzstützung, indem sie Primär- und/oder Sekundärregelleistung bereitstellen können.In a further embodiment of the method, the inverters operated in current-impressing mode can exchange electrical power with the AC voltage network, the active power and / or reactive power of which are set depending on the voltage and / or the frequency of the AC voltage network. As a result, the inverters operated in current-impressing mode advantageously participate in grid support by being able to provide primary and / or secondary control power.
Alternativ oder zusätzlich können die im spannungseinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter eine elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz derart austauschen, dass sie eine Momentanreserveleistung bereitstellen. Dies ist besonders vorteilhaft im spannungseinprägenden Betrieb möglich und kann entscheidend zur Verbesserung der Stabilität des Wechselspannungsnetzes beitragen. Dazu kann beispielsweise eine Regelungsstruktur verwendet werden, die das Verhalten einer Synchronmaschine bei Frequenzänderungen nachbildet, so dass die Netzfrequenz in vergleichbarer Weise wie durch herkömmliche Kraftwerke mit rotierenden Massen stabilisiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Droop-Mode-Regelung verwendet werden, die eine Frequenz-Leistungs-Kennlinie umfasst. Eine derartige Regelung ist ebenfalls in der Lage, die Netzfrequenz zu stabilisieren und kann zusätzlich eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie umfassen, mittels der zusätzlich zur Netzfrequenz auch die Netzspannung stabilisiert und ggf. ein Inselnetz aufgebaut werden kann.As an alternative or in addition, the inverters operated in voltage-impressing mode can exchange electrical power with the AC voltage network in such a way that they provide instantaneous reserve power. This is possible in a particularly advantageous manner in voltage-impressing operation and can make a decisive contribution to improving the stability of the AC voltage network. For this purpose, for example, a control structure can be used that simulates the behavior of a synchronous machine when the frequency changes, so that the network frequency is stabilized in a manner comparable to that of conventional power plants with rotating masses. Alternatively or additionally, a droop mode control can be used, which comprises a frequency-power characteristic. Such a control is also able to stabilize the network frequency and can additionally include a voltage-reactive power characteristic curve, by means of which, in addition to the network frequency, the network voltage can also be stabilized and, if necessary, an island network can be set up.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können einzelne oder alle Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage im Falle eines Netzfehlers in den stromeinprägenden Betrieb gebracht werden, d.h. ggf. ausgehend vom spannungseinprägenden Betrieb in den stromeinprägenden Betrieb umschalten. Im Falle eines Netzfehlers sind regelmäßig definierte Vorgaben zu erfüllen, die insbesondere in Netzrichtlinien festgelegt sein können und den definierten Austausch von Wirk- und/oder Blindleistung zum Durchfahren eines Netzfehlers fordern. Durch das Umschalten in den in den stromeinprägenden Betrieb im Falle eines Netzfehlers können diese Vorgaben optimal erfüllt werden. Optional können die Wechselrichter nach Fehlerklärung wieder zurück in den Betriebsmodus zurückkehren, den sie vor dem Fehlereintritt innehatten, d.h. ggf. in den spannungseinprägenden Betrieb zurück umschalten. Dabei können die Wechselrichter das Vorliegen des Netzfehlers selbst erkennen und im Falle eines Netzfehlers eigenständig in den stromeinprägenden Betrieb umschalten sowie optional ein Ende des Vorliegens des Netzfehlers selbst erkennen und eigenständig in die ggf. abweichende Betriebsweise vor dem Netzfehler zurück umschalten.In a further embodiment of the method, individual or all inverters of the power generation system can be brought into current-impressing mode in the event of a network fault, i.e., if necessary, switch from voltage-impressing operation to current-impressing mode. In the event of a network fault, regularly defined requirements must be met, which can be specified in network guidelines in particular and which require the defined exchange of active and / or reactive power in order to drive through a network fault. By switching over to current impressing operation in the event of a network fault, these requirements can be optimally met. Optionally, after the error has been cleared, the inverters can return to the operating mode they were in before the error occurred, i.e. switch back to voltage-impressing mode if necessary. The inverters can recognize the presence of the grid fault themselves and, in the event of a grid fault, switch over to current-impressing operation themselves and optionally recognize the end of the presence of the grid fault themselves and independently switch back to the possibly different operating mode before the grid fault.
In dem Verfahren, in dem mindestens einer der Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage mit einem Speicher als Gleichstromquelle verbunden ist, kann der mit dem Speicher verbundene Wechselrichter bevorzugt im spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden, wenn ein Ladezustand des Speichers einen ersten Grenzwert überschreitet. In diesem Fall steht ausreichend elektrische Energie zur Verfügung, um die zwischen diesem Wechselrichter und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung im Rahmen des spannungseinprägenden Betriebs zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes in beide Richtungen zu variieren, d.h. zu erhöhen oder zu verringern und ggf. sogar umzukehren. Der betreffende Wechselrichter kann zusätzlich zeitweise im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden, um den Speicher zu laden, wenn der Ladezustand des Speichers einen zweiten Grenzwert unterschreitet.In the method in which at least one of the inverters of the energy generation system is connected to a storage unit as a direct current source, the inverter connected to the storage unit can preferably be used in voltage-impressing operation are operated when a charge state of the memory exceeds a first limit value. In this case, sufficient electrical energy is available to vary the power exchanged between this inverter and the AC voltage network in both directions, i.e. to increase or decrease and possibly even to reverse it, as part of the voltage-impressing operation to stabilize the AC voltage network. The relevant inverter can also be operated temporarily in current-impressing mode in order to charge the storage unit when the charge state of the storage unit falls below a second limit value.
In dem Verfahren, in dem mindestens einer der Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage mit einem PV-Generator als Gleichstromquelle verbunden ist und die Energieerzeugungsanlage eine elektrische Gesamtleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauscht, kann der mit dem PV-Generator verbundene Wechselrichter bevorzugt im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden, wobei die ausgetauschte Gesamtleistung eine maximal mögliche PV-Leistung des PV-Generators umfasst. Dadurch wird erreicht, dass der PV-Generator energetisch und wirtschaftlich optimal eingesetzt.In the method in which at least one of the inverters of the energy generation system is connected to a PV generator as a direct current source and the energy generation system exchanges a total electrical power with the AC voltage network, the inverter connected to the PV generator can preferably be operated in current-injecting mode, whereby the exchanged total power includes a maximum possible PV power of the PV generator. This ensures that the PV generator is used optimally in terms of energy and economy.
Eine Energieerzeugungsanlage mit Gleichstromquellen, die unter anderem Speicher umfassen, kann mit einer Ausführungsform des Verfahren betrieben werden, in der bei einem Übergang vom stromeinprägenden Gesamtbetrieb zum Mischbetrieb der Energieerzeugungsanlage bevorzugt der mindestens eine mit dem Speicher verbundene Wechselrichter in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet wird. Sofern die Gleichstromquellen sowohl Speicher als auch PV-Generatoren umfassen, können im Mischbetrieb der Energieerzeugungsanlage alle Wechselrichter, die mit einem Speicher verbundenen sind, in dem spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden, sofern der jeweilige Ladezustand dies erlaubt und kein Netzfehler vorliegt, und alle Wechselrichter, die mit einem PV-Generator verbunden sind, im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden. Dadurch werden die Speicher einerseits optimal zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz eingesetzt, während die von den PV-Generatoren erzeugbare Energie vollständig abgerufen und genutzt wird.An energy generation system with direct current sources, which among other things include storage, can be operated with an embodiment of the method in which the at least one inverter connected to the storage is preferably switched to voltage impressing mode during a transition from the current-impressing overall operation to mixed operation of the energy-generating system. If the direct current sources include both storage systems and PV generators, all inverters connected to a storage system can be operated in the voltage-impressing mode in mixed operation of the energy generation system, provided that the respective state of charge allows this and there is no grid fault, and all inverters that are connected to a PV generator, operated in current-impressing mode. As a result, the storage systems are used optimally to stabilize the AC voltage network, while the energy that can be generated by the PV generators is fully retrieved and used.
In einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Wechselrichter eine Regelungsstruktur mit einer Stromregelung und Spannungsregelung umfasst, wobei die Stromregelung und die Spannungsregelung jeweils Steuersignale zur Ansteuerung von Leistungsschaltern der Wechselrichter ausgeben und mittels eines Umschalters im jeweiligen Wechselrichter ausgewählt wird, welche der ausgegebenen Steuersignale zur Ansteuerung der Leistungsschaltern des jeweiligen Wechselrichter verwendet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens sind die Stromregelung und die Spannungsregelung im Rahmen der Regelungsstruktur über gegenseitige Vorsteuerungen miteinander gekoppelt sind. Dadurch wird erreicht, dass ein Umschalten zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb sowohl unterbrechungsfrei als auch stetig, d.h. ohne Sprünge oder Verzerrungen im ausgetauschten Wechselstrom durchgeführt werden kann.In a specific embodiment of the method, the inverters comprise a control structure with a current control and voltage control, the current control and the voltage control each outputting control signals for controlling the power switches of the inverters and which of the output control signals for controlling the inverters is selected by means of a changeover switch in the respective inverter Circuit breakers of the respective inverter can be used. In a particularly advantageous embodiment of the method, the current regulation and the voltage regulation are coupled to one another within the framework of the regulation structure via mutual pilot controls. This means that switching between current-impressing operation and voltage-impressing operation can be carried out both without interruption and continuously, i.e. without jumps or distortions in the exchanged alternating current.
Eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage mit einer Steuerungseinheit und mehreren Wechselrichtern, die mit der Steuerungseinheit verbunden sind und elektrische Leistung mit einem Wechselspannungsnetz austauschen, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, dass beanspruchte Verfahren auszuführen. Insbesondere kann die Steuereinheit den einzelnen Wechselrichter Umschaltvorgaben übermitteln, so dass die Wechselrichter je nach Netzqualität einen konkreten Betriebsmodus einstellen, also entweder stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden.A power generation system according to the invention with a control unit and a plurality of inverters which are connected to the control unit and exchange electrical power with an AC voltage network is characterized in that it is set up to carry out the claimed method. In particular, the control unit can transmit switching specifications to the individual inverters, so that the inverters set a specific operating mode depending on the network quality, that is to say they are operated either with current impressing or voltage impressing.
FigurenlisteFigure list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
-
1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage mit mehreren Wechselrichtern in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb; -
2 zeigt eine Energieerzeugungsanlage mit mehreren Wechselrichtern in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb; -
3 zeigt eine Energieerzeugungsanlage in einem Mischbetrieb mit überwiegend stromeinprägenden Wechselrichtern; -
4 zeigt eine Energieerzeugungsanlage in einem Mischbetrieb mit überwiegend spannungseinprägenden Wechselrichtern; -
5 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Regelungsstruktur eines Wechselrichters einer Energieerzeugungsanlage; -
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Regelungsstruktur eines Wechselrichters einer Energieerzeugungsanlage; -
7 zeigt eine erste Ausführungsform eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage; -
8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage.
-
1 shows a power generation plant with several inverters in a current-impressing overall operation; -
2 shows a power generation plant with several inverters in a voltage-impressing overall operation; -
3rd shows a power generation system in mixed operation with predominantly current-injecting inverters; -
4th shows a power generation system in mixed operation with predominantly voltage-impressing inverters; -
5 shows schematically a first embodiment of a control structure of an inverter of a power generation plant; -
6th shows schematically a further embodiment of a control structure of an inverter of a power generation plant; -
7th shows a first embodiment of a flow chart of a method for operating an energy generation plant; -
8th shows a further embodiment of a flow chart of a method for operating an energy generation plant.
FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION
Das Wechselspannungsnetz
Die Energieerzeugungsanlage
In einer hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können die Wechselrichter
An die Wechselrichter
Die Energieerzeugungsanlage
Die Wechselrichter
Die Wechselrichter
Die Steuerungen
In dem stromeinprägenden I-Mode wird ein Wechselrichter
Zur Einstellung der Austauschleistung, im I-Mode, kann die betreffende Steuerung
In dem spannungseinprägenden V-Mode wird ein Wechselrichter
Alternativ oder zusätzlich zur Wechselspannung V kann die ausgetauschte Leistung, im V-Mode, auch von einer aus der erfassten Wechselspannung V hergeleiteten Größe abhängen, insbesondere von der Netzfrequenz, deren Abweichung von einer Nominalfrequenz und/oder deren Änderungsgradienten.As an alternative or in addition to AC voltage V, the exchanged power, in V mode, can also depend on a variable derived from the detected AC voltage V, in particular on the network frequency, its deviation from a nominal frequency and / or its change gradient.
In der
Eine übergeordnete Steuereinheit
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit
In der Ausführungsform gemäß
Ein Sollwert für die ausgetauschte elektrische Leistung beim Betrieb der Energieerzeugungsanlage
Zusätzlich oder alternativ kann ein Sollwert für die elektrische Leistung der Energieerzeugungsanlage
Da alle Wechselrichter
Die im spannungseinprägenden V-Mode betriebenen Wechselrichter
In einer Ausführungsform kann der spannungseinprägenden V-Mode derart realisiert sein, dass die Wechselrichter
Im Vergleich zum rein stromeinprägenden Betrieb gemäß
Die Energieerzeugungsanlage
Die Energieerzeugungsanlage
Die Regelungsstruktur
In der Stromregelung
Ziel der Stromregelung
Der Stromregler
In der Spannungsregelung
Die Spannungsregelung
Die Leistungsabweichung zwischen P_Soll bzw. Q_Soll und P_Netz bzw. Q_Netz wird in einem Droop-Regler
Das Ergebnis des Droop-Reglers
Der Spannungsregler
In der Ausführungsform gemäß
Der Modulator
Im Ergebnis arbeiten die Regelungen
In Schritt
Alternativ oder zusätzlich können die Wechselrichter
Alternativ oder zusätzlich kann der Wechselrichter
In Schritt
Die Energieerzeugungsanlage
In Schritt
Daraufhin werden in Schritt
In Schritt
Während des gesamten Verlaufs des Verfahrens gemäß
Eine derartige Energieerzeugungsanlage
Im Schritt
Alternativ oder zusätzlich können die Wechselrichter
In Schritt
Die Energieerzeugungsanlage
In Schritt
In Schritt
Die in Zusammenhang mit den beschriebenen Ausführungsformen genannten Umschalt-Kriterien können auf den verschiedenen elektrischen Eigenschaften basieren. Insbesondere kann die Qualität der Netzspannung anhand von Parametern quantifiziert werden, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind. Diese Qualitäts-Parameter umfassen insbesondere Messwerte von Netzspannungsamplitude und -gradienten, von Netzfrequenz und Frequenzgradient, des Spannungsflickers, und/oder der nichtlinearen Verzerrungen der Spannung (englisch: Total Harmonic Distortion, THD). Zumindest indirekt und insbesondere im stromeinprägenden Betrieb sind auch Messwerte des Stromflickers oder der Stromharmonischen als Qualitäts-Parameter geeignet.The switching criteria mentioned in connection with the described embodiments can be based on the various electrical properties. In particular, the quality of the mains voltage can be quantified on the basis of parameters that are fundamentally known to the person skilled in the art. These quality parameters include, in particular, measured values of the network voltage amplitude and gradient, of the network frequency and frequency gradient, of the voltage flicker, and / or the non-linear distortion of the voltage (English: Total Harmonic Distortion, THD). At least indirectly and in particular in current-impressing operation, measured values of the current flicker or the current harmonics are also suitable as quality parameters.
Für die beispielhaft genannten, als Qualitäts-Parameter geeigneten Messwerte können globale und/oder individuelle Grenzwerte festgelegt werden. Die Steuereinheit
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- EnergieerzeugungsanlagePower generation plant
- 22
- NetzanschlusspunktGrid connection point
- 33
- WechselspannungsnetzAC voltage network
- 44th
- WechselrichterInverter
- 4.1, 4.2, 4.34.1, 4.2, 4.3
- WechselrichterInverter
- 55
- GleichstromquelleDC power source
- 66th
- Steuerungcontrol
- 77th
- MesseinrichtungenMeasuring devices
- 88th
- Steuereinheit Control unit
- 50, 6050, 60
- RegelungsstrukturRegulatory structure
- 51, 6151, 61
- StromregelungCurrent regulation
- 52, 6252, 62
- SpannungsregelungVoltage regulation
- 7070
- StromreglerCurrent regulator
- 7171
- Droop-ReglerDroop control
- 7272
- SpannungsreglerVoltage regulator
- 8181
- UmschalterToggle switch
- 8282
- Modulator modulator
- S7.1 - S7.7S7.1 - S7.7
- Schrittesteps
- S8.1 - S8.7S8.1 - S8.7
- Schrittesteps
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