DE102020101372A1 - Betriebsverfahren für einen wechselrichter, wechselrichter und energieerzeugungsanlage mit einem derartigen wechselrichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für einen AC-seitig an ein AC-Stromversorgungsnetz (15) angeschlossenen Wechselrichter (2), bei dem vom Wechselrichter (2) in seinem Inneren erfasste Messgrößen überwacht und geregelt werden zur Einhaltung von einen Verschleiß (40) des Wechselrichters (2) begrenzenden Grenzwerten (42) dieser Messgrößen.Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ermöglicht eine besonders flexible Betriebsweise des Wechselrichters.Hierzu regelt eine Steuerung (22) des Wechselrichters (2) die Grenzwerte (42) in Abhängigkeit von einem eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameter (32).

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für einen AC-seitig an ein AC-Stromversorgungsnetz angeschlossenen Wechselrichter, bei dem vom Wechselrichter in seinem Inneren erfasste Messgrößen überwacht und geregelt werden zur Einhaltung von einen Verschleiß des Wechselrichters begrenzenden Grenzwerten dieser Messgrößen.
• Die Erfindung betrifft auch einen Wechselrichter, der zur Durchführung dieses Betriebsverfahrens geeignet ist. Der Wechselrichter umfasst einen an ein AC-Stromversorgungsnetz anschließbaren AC-seitigen Leistungsanschluss und mindestens einen an eine DC-Energiequelle anschließbaren DC-seitigen Leistungsanschluss. Zur Steuerung und Regelung des Betriebs des Wechselrichters umfasst der Wechselrichter eine Steuerung. Der Wechselrichter umfasst auch mindestens eine Sensoreinrichtung zur Messung von Messgrößen, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Messgrößen zu empfangen und diese zur Einhaltung von einen Verschleiß des Wechselrichters begrenzenden Grenzwerten zu regeln.
• Wechselrichter dienen der Umwandlung von DC-Spannung in AC-Spannung und/oder umgekehrt. Ein derartiger Wechselrichter kann bidirektional ausgebildet sein, so dass dieser die beiden Spannungsformen in beide Richtungen ineinander umwandeln kann. Mittels eines derartigen bidirektionalen Wechselrichters kann nicht nur elektrische Energie der mindestens einen DC-Energiequelle in das AC-seitig angeschlossene Stromversorgungsnetz eingespeist werden, sondern auch elektrische Energie des Stromversorgungsnetzes zu einer beispielsweise sowohl als DC-Energiequelle als auch als DC-Energiesenke fungierenden Batterievorrichtung geleitet werden. Zur Umwandlung der DC-Spannung in AC-Spannung umfasst der Wechselrichter beispielsweise eine Wechselrichterbrücke, wobei die Wechselrichterbrücke ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter umfasst. Die Wechselrichterbrücke kann beispielsweise drei Halbbrücken für einen 3-phasigen Betrieb umfassen. Auch kann die Wechselrichterbrücke beispielsweise eine Zwei- oder Multi-Level-Topologie, insbesondere eine 3-Level-Topologie aufweisen. Beispielsweise kann die Wechselrichterbrücke eine BSNPC Topologie (Bidirectional Switch Neutral Point Clamped) oder eine ANPC Topologie (Active Neutral Point Clamped) aufweisen.
• Die Erfindung betrifft auch eine Energieversorgungsanlage mit einem Wechselrichter und mindestens einer DC-seitig an den Wechselrichter angeschlossenen DC-Energiequelle. Der Wechselrichter ist AC-seitig an ein AC-Stromversorgungsnetz anschließbar und ist dazu ausgebildet, die von der mindestens einen DC-Energiequelle bereitgestellte DC-Spannung zur Einspeisung von elektrischer Energie in das AC-Stromversorgungsnetz in AC-Spannung umzuwandeln.
• Der Wechselrichter der Energieversorgungsanlage kann gemäß dem Wechselrichter der eingangs genannten Art ausgebildet sein, so dass bezüglich des Wechselrichters auch auf die weiter oben angegebenen Ausführungen verwiesen wird. Zur Anbindung der Energieversorgungsanlage an das AC-Stromversorgungsnetz kann der Wechselrichter der Energieversorgungsanlage transformatorlos oder über einen Transformator an das AC-Stromversorgungsnetz angeschlossen sein. Die mindestens eine DC-Energiequelle der Energieversorgungsanlage kann beispielsweise ein Photovoltaik-Generator oder eine mit Windkraft betriebene DC-Energiequelle oder eine Batterievorrichtung sein. Im Falle des Photovoltaik-Generators kann dieser eine Mehrzahl an Solarmodulen umfassen, die elektrische Energie aus Sonnenlicht erzeugen. Die Solarmodule des Photovoltaik-Generators können zu mehreren jeweils eine Reihenschaltung von Solarmodulen umfassenden Strings zusammengeschaltet sein. Diese Strings können parallel zusammengeschaltet sein und gemeinsam zwischen zwei Ausgangspolen des Photovoltaik-Generators eine DC-Gesamtspannung an einem DC-seitigen Leistungsanschluss des Wechselrichters bereitstellen. Alternativ könnte jeder der Strings aber auch als separate DC-Energiequelle mit seinen zwei String-Ausgangspolen an einen separaten DC-seitigen Leistungsanschluss des Wechselrichters angeschlossen sein.
• Im Betrieb eines Wechselrichters entsteht in seinem Inneren eine nicht unerhebliche Wärmemenge, die aus dem Wechselrichtergehäuse abgeführt werden muss, um ein Überhitzen und eine vorschnelle Alterung von Bauteilen zu verhindern. Zudem können auch hohe elektrische Ströme und Spannungen Bauteile des Wechselrichters schädigen bzw. altern lassen, so dass für eine Gewährleistung einer garantierten Lebensdauer eines Wechselrichters für derartige Messgrößen Grenzwerte in einer Steuerung des Wechselrichters hinterlegt sein können, die im Betrieb des Wechselrichters eingehalten werden, um einen Verschleiß des Wechselrichters zu begrenzen, so dass die Lebensdauer des Wechselrichters beispielsweise einer beim Verkauf garantierten Lebensdauer des Produktes voraussichtlich entspricht. Es ist somit üblich, bei der Auslegung eines Wechselrichters Messgrößen zu bestimmen, welche im Zusammenhang mit einem Verschleiß des Wechselrichters überwacht werden sollen und zu diesen in Betracht gezogenen Messgrößen in der Steuerung Grenzwerte zu hinterlegen entsprechend einer angestrebten Lebensdauer des Produktes. Bei den Messgrößen kann es sich beispielsweise um eine Temperatur im Inneren des Wechselrichters handeln sowie um Strom- und Spannungsmesswerte im Leistungspfad des Wechselrichters. Für einen Betreiber einer eingangs genannten Energieversorgungsanlage ist es attraktiv, beim Kauf eines Wechselrichters ein Produkt zu wählen, welches ein günstiges Verhältnis zwischen den Anschaffungskosten und der garantierten Lebensdauer aufweist und dessen Ausfallrate gering ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter und ein Betriebsverfahren für einen derartigen Wechselrichter und eine Energieerzeugungsanlage mit einem derartigen Wechselrichter anzugeben, mit welchem/welcher eine besonders flexible Betriebsweise des Wechselrichters ermöglicht wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Steuerung des Wechselrichters die Grenzwerte in Abhängigkeit eines eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameters regelt.
• Die Erfindung geht somit von einem neuen Paradigma aus, gemäß dem eine garantierte Lebensdauer eines Wechselrichters kein Selbstzweck ist, sondern vorrangig dazu dient, für eine Energieversorgungsanlage planbare Kosten im Verhältnis zu einem voraussichtlichen Ertrag aufzustellen. Dieses Ziel lässt sich auch mit der erfindungsgemäßen flexibleren Betriebsweise erreichen, indem beispielsweise in Zeiten, in denen eine höhere Einspeisevergütung vorliegt, ein höherer Verschleiß und damit ein die Lebensdauer verkürzender Betrieb des Wechselrichters in Kauf genommen wird. Zusätzlich ermöglicht die flexiblere Betriebsweise des Wechselrichters beispielsweise eine besonders schonende Betriebsweise in Zeiten, in denen eine niedrigere Einspeisevergütung vorliegt, so dass ein niedrigerer Verschleiß und damit eine Verlängerung der Lebensdauer ermöglicht wird, wenn eine niedrigere Einspeisevergütung vorliegt. Durch diese flexiblere Betriebsweise des Wechselrichters kann dieser auf Änderungen im Einspeisevergütungssystem reagieren und sich diesem in sinnvoller Weise anpassen im Gegensatz zu der bisher bekannten starren Vorgehensweise, bei der der Verschleiß des Wechselrichters auf einen vorgegebenen immer gleichen Wert begrenzt wird. Selbst wenn bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise des Wechselrichters beispielsweise die garantierte Lebensdauer des Wechselrichters nicht erreicht werden sollte, ist es dennoch ermöglicht, in diesem Fall mindestens das gleiche Kosten/Nutzen-Verhältnis zu erreichen, wie mit dem herkömmlichen Betriebsverfahren.
• Zur technischen Umsetzung dieses Ansatzes regelt die Steuerung des Wechselrichters die Grenzwerte der zur Begrenzung des Verschleißes herangezogenen Messgrößen in Abhängigkeit eines eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameters. Bei diesem Parameter kann es sich beispielsweise um einen Messwert einer im AC-Stromversorgungsnetz aktuell herrschenden Netzfrequenz handeln. Da anhand der Netzfrequenz auf einen Energiebedarf im Netz geschlossen werden kann, kann die Steuerung mittels des Messwertes und eines in der Steuerung hinterlegten Modells zwischen der Netzfrequenz und der Einspeisevergütung des Netzbetreibers einen Näherungswert für die aktuelle Einspeisevergütung ermitteln. Bei dem Parameter kann es sich beispielsweise aber auch um ein von einer Leitstelle des AC-Stromversorgungsnetzes an den Wechselrichter übermittelten Datensatz handeln, der eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentiert. Unabhängig von der übermittelnden Quelle des Parameters kann der Wechselrichter den eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameter beispielsweise in zeitlichen Abständen empfangen, wobei der Parameter beispielsweise zum Zeitpunkt des Empfangs aktuell ist und von der Steuerung unmittelbar zur Regelung der Grenzwerte verwendet wird. Der Wechselrichter könnte die Parameter aber auch beispielsweise in zeitlichen Abständen clusterweise erhalten, so dass die Parameter gemeinsam eine Zeitspanne abdecken und einzeln jeweils für einen dem jeweiligen Parameter zugeordneten zukünftigen Zeitraum der Zeitspanne eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentieren. Die Steuerung kann bei diesem Ausführungsbeispiel die clusterweise empfangenen Parameter zunächst zwischenspeichern und am Beginn des jeweiligen Zeitraums den in diesem Zeitraum eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameter zur Regelung der Grenzwerte heranziehen. Der Parameter kann auch eine aktuelle Einspeisevergütung in Abhängigkeit von einer Einspeiseleistung repräsentieren. Beispielsweise wenn die aktuelle Einspeisevergütung bis zu einem Einspeiseleistungswert einen ersten Vergütungsbetrag gewährt und darüber hinaus für den Differenzbetrag oberhalb dieses Einspeiseleistungswertes einen Vergütungsbetrag von null Cent. Der Parameter könnte sich auch auf eine garantierte Dauer der Einspeisevergütung beziehen, so dass die Steuerung die Grenzwerte in Abhängigkeit des Parameters so regelt, dass die Lebensdauer des Wechselrichters der garantierten Dauer der Einspeisevergütung entspricht.
• Erfindungsgemäß regelt die Steuerung des Wechselrichters die Grenzwerte der Messgrößen in Abhängigkeit von diesem eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameter. Hierfür kann die Steuerung beispielsweise die Grenzwerte zunächst auf Standard-Grenzwerte einstellen, die den Verschleiß auf einen Standard-Verschleiß begrenzen, und die empfangenen Parameter jeweils mit einem ersten und zweiten Parameterbereich vergleichen, wobei der erste Parameterbereich Parameter umfasst, die mit Abstand zu einer Standard-Einspeisevergütung eine niedrigere Einspeisevergütung repräsentieren als die Standard-Einspeisevergütung, so dass bei einem Wechsel des Parameters in diesen ersten Parameterbereich die Steuerung die Grenzwerte anpasst, so dass diese einen niedrigeren Verschleiß begrenzen als der Standard-Verschleiß. Der zweite Parameterbereich kann beispielsweise Parameter umfassen, die eine Einspeisevergütung unterhalb eines wirtschaftlichen Vergütungs-Grenzwertes repräsentieren, so dass bei einem Wechsel des Parameters in diesen zweiten Parameterbereich die Steuerung den Einspeisebetrieb einstellt, bis der Parameter wieder eine Einspeisevergütung oberhalb des wirtschaftlichen Vergütungs-Grenzwertes repräsentiert. Der wirtschaftliche Vergütungs-Grenzwert kann hierbei einer Einspeisevergütung entsprechen, bei der ein Betrieb des Wechselrichters unwirtschaftlich erscheint, beispielsweise 2 Cent. Der erste und zweite Parameterbereich kann beispielsweise bei der Auslegung des Wechselrichters in der Steuerung hinterlegt werden oder beispielsweise bei der Installation des Wechselrichters über eine Schnittstelle des Gerätes eingegeben werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in der Steuerung zur Regelung der Grenzwerte für die Messgrößen in Abhängigkeit des Parameters eine Matrix abgespeichert sein, welche einen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Parameter und dem jeweiligen Grenzwert einer Messgröße vorgibt. Der von den Grenzwerten begrenzte Verschleiß des Wechselrichters kann durch die Matrix beispielsweise so begrenzt werden, dass bei durch die Grenzwerte ermöglichter maximaler Einspeiseleistung mindestens über die bei diesem Verschleiß voraussichtliche Lebensdauer des Wechselrichters hinweg mindestens ein angestrebter Betrag erwirtschaftet wird oder, wenn dies bei einer zu niedrigen Einspeisevergütung nicht möglich oder sinnvoll ist, der Wechselrichter seinen Einspeisebetrieb einstellt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
• Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass bei mindestens einem Parameterbereich, der gegenüber einem Standard-Parameter eine höhere oder niedrigere Einspeisevergütung repräsentiert, die Steuerung die Grenzwerte in Abhängigkeit des eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameters, der in diesem Parameterbereich liegt, derart anpasst, dass diese gegenüber einem Standard-Verschleiß einen höheren oder einen niedrigeren Verschleiß begrenzen, je nachdem, ob der Parameterbereich gegenüber dem Standard-Parameter eine höhere oder eine niedrigere Einspeisevergütung repräsentiert.
• Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Regelung der Grenzwerte auf der Basis eines sehr einfachen, stufenweisen Zusammenhangs zwischen den Parameterbereichen und dem von den Grenzwerten begrenzten Verschleiß. Bei dem Standard-Verschleiß kann es sich um einen zeitlichen Mittelwert eines Verschleißes handeln, der sich einstellt, wenn der Wechselrichter bei einer Begrenzung der Messwertgrößen durch Standard-Grenzwerte bei durch die Grenzwerte gedrosselter maximal möglicher Leistung betrieben wird. Der Standard-Verschleiß führt zu einer voraussichtlichen Standard-Lebensdauer des Wechselrichters. Bei der Standard-Lebensdauer kann es sich je nach Auslegung und bei hochwertigen Wechselrichtern um eine Zeitspanne von beispielsweise 20 Jahren handeln.
• Die Standard-Grenzwerte können einer üblichen Auslegung dieser Grenzwerte der Messgrößen entsprechen, die der Fachmann bei der Auslegung auswählen würde, um im Mittel eine bestimmte garantierte Standard-Lebensdauer des Produktes gewährleisten zu können. Um bei dieser Auslegung ein attraktives Kosten/Nutzen Verhältnis zwischen Herstellungskosten und voraussichtlichem Ertrag anbieten zu können, wird er bei einem variablen Einspeisevergütungssystem von einem zeitlichen Mittelwert oder einer zeitlich dominierenden Einspeisevergütung während üblicher Betriebszeiten des Wechselrichters ausgehen, wobei diese dann mit Standard-Einspeisevergütung bezeichnet werden kann. Ein Parameter, der eine derartige Standard-Einspeisevergütung repräsentiert, kann somit als Standard-Parameter bezeichnet werden. Die im Rahmen dieser Ausgestaltung verwendeten Bezeichnungen mit der Voranstellung „Standard“ entsprechen somit Größen und Annahmen, die im Stand der Technik bei der bisher üblichen Betriebsweise, bei der die Grenzwerte ungeregelt bleiben und bei der Auslegung festgelegt werden, sich sinnvoll verwenden lassen. Wie der Fachmann derart sinnvolle Werte für die Standard-Größen je nach Produkt auswählen kann, ist dem Fachmann bekannt.
• In der Steuerung sind gemäß der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung zu den einzelnen Parameterbereichen zugehörige Grenzwerte der betrachteten Messgrößen gespeichert, die im einfachsten Fall je Parameterbereich konstant sind. Beispielsweise können die Grenzwerte für einen Parameterbereich, der Parameter umfasst, die eine höhere Einspeisevergütung repräsentieren als eine Standard-Einspeisevergütung, derart gewählt sein, dass die Grenzwerte eine höhere maximale Leistung, einen höheren Verschleiß und eine kürzere voraussichtliche Lebensdauer begrenzen, als dies bei den Standard-Grenzwerten der Fall ist, wobei das Produkt aus maximaler Leistung und voraussichtlicher Lebensdauer annähernd gleich gewählt sein kann wie das Produkt aus maximaler Leistung bei Standard-Grenzwerten und der Standard-Lebensdauer. Wenn der Standard-Parameter in dem variablen Einspeisevergütungssystem zeitlich dominiert, ist es von Vorteil, bei den seltener auftretenden höheren Einspeisevergütungen das Gewicht auf eine Erhöhung der maximalen Leistung zu legen und dafür eine Verkürzung der Lebenszeit in Kauf zu nehmen, da in der dann fehlenden Restzeit statistisch nur eine geringere Einspeisevergütung angefallen wäre. Die flexiblere Betriebsweise des Wechselrichters gemäß der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht somit bei einer geeigneter Wahl der Grenzwerte die Erwirtschaftung eines höheren Ertrags. Dies gilt in analoger Weise auch für einen Parameterbereich, der Parameter umfasst, die eine geringere Einspeisevergütung repräsentieren.
• Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass bei einem untersten Parameterbereich, welcher eine Einspeisevergütung unterhalb eines Vergütungs-Grenzwertes repräsentierende Parameter umfasst, die Steuerung bei einem Wechsel des Parameters in diesen untersten Parameterbereich einen Einspeisebetrieb des Wechselrichters einstellt.
• Beispielsweise kann es sich bei dem untersten Parameterbereich um Parameter handeln, die eine Einspeisevergütung unter 2 Cent repräsentieren. Bei einer Einspeisevergütung unterhalb von 2 Cent kann es vorteilhafter sein, den Wechselrichter in dieser Zeit zu schonen.
• Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Steuerung mindestens innerhalb eines Parameterbereichs des mindestens einen Parameterbereichs die Grenzwerte dynamisch und abhängig vom Parameter anpasst, so dass diese einen Verschleiß begrenzen, der entsprechend der durch den Parameter charakterisierten Einspeisevergütung höher oder niedriger ist im Vergleich zu den anderen Parametern des Parameterbereichs.
• Dies ermöglicht eine feinere Abstimmung innerhalb der Parameterbereiche. Die Steuerung passt somit bei einem Wechsel des Parameters in den Parameterbereich die Grenzwerte an und zusätzlich auch bei einer Änderung des Parameters innerhalb des Parameterbereichs.
• Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass der Parameter vom Wechselrichter über eine Kommunikationsverbindung von einer Leitstelle des AC-Stromversorgungsnetzes oder einem Informationsdienst oder von einer eine Netzfrequenz überwachenden Sensoreinrichtung empfangen wird.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wechselrichter der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine besonders flexible Betriebsweise des Wechselrichters ermöglicht wird.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Grenzwerte in Abhängigkeit von einem eine aktuelle Einspeisevergütung repräsentierenden Parameter zu regeln.
• Der erfindungsgemäße Wechselrichter eignet sich zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach Anspruch 1. Die Steuerung kann einen oder mehrere Microcontroller umfassen, in dem/denen ein oder mehrere Softwareprogrammprodukte abgespeichert sind zur Durchführung der Programme im Betrieb des Wechselrichters, wobei mindestens ein Softwareprogrammprodukt die Einhaltung der Grenzwerte durch die Messgrößen überwacht und bei einer drohenden Überschreitung der Grenzwerte geeignete Maßnahmen einleitet zur Wahrung des entsprechenden Grenzwertes und mindestens ein Softwareprogrammprodukt die Grenzwerte in Abhängigkeit der Parameter regelt. Die Steuerung weist entsprechende Schnittstellen auf zum Empfang der Parameter und der Messgrößen.
• Bezüglich der Bedeutung von Begriffen, Definitionen und möglicher Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele des Wechselrichters und seiner Merkmale sei auch auf die obigen Ausführungen in den mit den Verfahrensansprüchen korrespondierenden Abschnitten verwiesen sowie auf die Ausführungen in der Einleitung.
• Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Wechselrichter zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5 ausgebildet und eingerichtet ist.
• Bezüglich der Bedeutung von Begriffen, Definitionen und möglicher Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele des Wechselrichters und seiner Merkmale sei auch auf die obigen Ausführungen in den mit den entsprechenden Verfahrensansprüchen korrespondierenden Abschnitten verwiesen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energieversorgungsanlage der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher eine besonders flexible Betriebsweise des Wechselrichters ermöglicht wird.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer Energieversorgungsanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Wechselrichter nach einem der Ansprüche 6 oder 7 ausgebildet ist.
• Bezüglich der Bedeutung von Begriffen, Definitionen und möglicher Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele der Energieversorgungsanlage und ihrer Merkmale sei auch auf die obigen Ausführungen in den mit den Verfahrensansprüchen und mit dem Anspruch 6 korrespondierenden Abschnitten verwiesen sowie auf die Ausführungen in der Einleitung.
• Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
• Dabei zeigt die
• 1 schematisch eine Energieversorgungsanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 2 schematisch ein Diagramm, welches eine lineare Abhängigkeit eines Parameters von einer variablen Einspeisevergütung darstellt, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
• 3 schematisch ein Diagramm, welches eine Abhängigkeit eines Verschleißes des Wechselrichters von einem Grenzwert einer Temperatur in seinem Inneren darstellt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 4 schematisch ein Diagramm, das eine Abhängigkeit einer maximalen Leistung des Wechselrichters von einem Grenzwert einer Temperatur in seinem Inneren darstellt gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
• 5 schematisch ein Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen der voraussichtlichen Lebensdauer des Wechselrichters und einer maximalen Leistung des Wechselrichters darstellt gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Die 1 zeigt schematisch eine Energieversorgungsanlage 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Energieversorgungsanlage 1 weist einen Wechselrichter 2 auf, der DC-seitig mit einem DC-seitigen Leistungsanschluss 8 an eine DC-Energiequelle 3 der Energieversorgungsanlage 1 angeschlossen ist. Die DC-Energiequelle 3 ist als Photovoltaik-Generator 3a ausgebildet und umfasst Solarmodule 4, die in Reihe geschaltet sind und einen sogenannten String 5 ausbilden. Der String 5 ist mit seinem Pluspol an eine Anschlussklemme 6 und mit seinem Minuspol an eine Anschlussklemme 7 des DC-seitigen Leistungsanschluss 8 des Wechselrichters 2 angeschlossen. Der DC-seitige Leistungsanschluss 8 des Wechselrichters 2 ist im Inneren des Wechselrichters 2 über einen Zwischenkreis 9 und eine drei Halbbrücken 10 umfassende Wechselrichterbrücke 11 des Wechselrichters 2 mit einem AC-seitigen Leistungsanschluss 12 des Wechselrichters 2 verbunden. Mit diesem AC-seitigen Leistungsanschluss 12 ist der Wechselrichter 2 über einen von der Energieversorgungsanlage 1 umfassten Transformator 14 an ein externes öffentliches AC-Stromversorgungsnetz 15 angeschlossen. Die Energieversorgungsanlage 1 weist noch eine zweite DC-Energiequelle auf in Form einer Batterievorrichtung 18, die über einen weiteren DC-seitigen Leistungsanschluss 19 des Wechselrichters an den Zwischenkreis 9 angeschlossen ist. Die Wechselrichterbrücke 11 ist bidirektional ausgebildet, so dass die Batterievorrichtung 18 aus dem AC-Stromversorgungsnetz 15 und aus dem Photovoltaik-Generator 3a elektrische Energie aufnehmen kann und im Bedarfsfall zurück in den Zwischenkreis 9 einspeisen kann. Als Komponente der Batterievorrichtung 18 ist ein Batteriemanagementsystem 20 dargestellt. Zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie umfasst die Batterievorrichtung 18 eine Vielzahl an Batteriezellen, die der Übersichtshalber nicht explizit dargestellt sind. Eine Steuerung 22 des Wechselrichters 2 zur Steuerung und Regelung des Wechselrichterbetriebs ist ebenfalls dargestellt. Zwischen der Steuerung 22 und zahlreichen Komponenten des Wechselrichters 2 bestehen Kommunikationsverbindungen und/oder Steuerleitungen. Der Übersichtshalber wurden diese Verbindungen bis auf Ausnahmen ebenfalls nicht explizit dargestellt. Eine Sensoreinrichtung 24 zur Messung von Messgrößen im Inneren des Wechselrichter 2 ist über eine Kommunikationsverbindung 25 zur Übermittlung der von der Sensoreinrichtung gemessenen Messwertgrößen mit der Steuerung 22 verbunden. Die Messgrößen werden von der Steuerung 22 derart geregelt, dass diese einen Verschleiß begrenzende Grenzwerte einhalten, wobei die Grenzwerte in der Steuerung hinterlegt sind. Davon unabhängig kann die Sensoreinrichtung 24 zur Messung weiterer Messgrößen ausgebildet sein und/oder mehrere räumlich getrennt angeordneten Komponenten umfassen. Die im Rahmen dieser Erfindung betrachteten Messgrößen und Grenzwerte dieser Messgrößen sind derart ausgewählt, dass diese sich zur Begrenzung eines Verschleißes des Wechselrichters 2 eignen. Beispielsweise kann es sich bei einer Messgröße um einen Temperaturwert im Inneren des Wechselrichtergehäuses 27 handeln und bei weiteren im Rahmen dieser Erfindung betrachteten Messgrößen um Strom- und Spannungswerte, anhand derer eine aktuelle elektrische Einspeiseleistung des Wechselrichters 2 ermittelt werden kann.
• Zwischen einer externen Leitstelle 29 des AC-Stromversorgungsnetzes 15 und der Steuerung 22 besteht eine Kommunikationsverbindung 30, über welche in zeitlichen Abständen von der Leitstelle 29 an die Steuerung 22 ein Parameter (siehe 2 Pos. 32), der eine aktuelle Einspeisevergütung (siehe 2 Pos. 33) repräsentiert, übermittelt wird. Bei der Kommunikationsverbindung 30 kann es sich mindestens abschnittsweise um eine nicht leitungsgebundene Verbindung handeln. Die Steuerung 22 regelt die Grenzwerte der Messgrößen in Abhängigkeit von dem Parameter (siehe 2 Pos. 32), so dass mittels dieser flexibleren Betriebsweise der Wechselrichter 2 bei einer zeitlich variablen Einspeisevergütung (siehe 2 Pos. 33) auf die Schwankungen in der Einspeisevergütung reagieren kann. Beispielsweise, indem die Steuerung 22 bei einer steigenden Einspeisevergütung den Verschleiß anhebt und bei sinkender Einspeisevergütung den Verschleiß senkt.
• Die 2 zeigt ein Diagramm, welches einen möglichen linearen Zusammenhang 31 zwischen dem Parameter 32 und einer durch den Parameter 32 repräsentierten Einspeisevergütung 33 darstellt. Auf einer Achse 34 ist der Parameter 32 in Einheiten von 1 als Zahl aufgetragen. Auf einer Achse 35 ist eine Einspeisevergütung 33 in Cent aufgetragen. Somit repräsentiert beispielsweise ein Parameter von 3 eine Einspeisevergütung von 3 Cent. Bei 2 Cent ist ein Vergütungs-Grenzwert 36 eingezeichnet. Unterhalb dieses Vergütungs-Grenzwertes 36 kann es sinnvoll sein, einen Verschleiß des Wechselrichters (siehe 1 Pos. 2) durch Einstellen des Einspeisebetriebs auf null zu reduzieren und diesen erst wieder nach Überschreiten des Vergütungs-Grenzwertes 36 erneut aufzunehmen. Ein Standard-Parameter 37 ist bei dem dargestellten Beispiel bei einer Einspeisevergütung von 10 Cent eingetragen und ein erster Parameterbereich 38 im Bereich von 3 bis 6, wobei der Wechselrichter (siehe 1 Pos. 2) bei Empfangen eines Parameters 32 innerhalb dieses ersten Parameterbereiches 38 die Grenzwerte derart anpassen kann, das diese einen geringeren Verschleiß des Wechselrichters (siehe 1 Pos. 2) begrenzen, als bei dem Standard-Parameter 37. Es ist auch ein unterster Parameterbereich 39 von 0 bis 2 eingezeichnet, der Parameter umfasst, die eine Einspeisevergütung unterhalb des Vergütungs-Grenzwertes 36 von 2 Cent repräsentieren. Bei Empfang eines in diesen untersten Parameterbereich 39 fallenden Parameters 32 kann die Steuerung des Wechselrichters den Einspeisebetrieb einstellen, um den Wechselrichter zu schonen, solange die aktuell empfangenen Parameter 32 in diesen untersten Parameterbereich 39 fallen.
• Die 3 zeigt schematisch ein Diagramm gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Verschleiß 40 ist in [%/Jahr] auf einer Achse 41 aufgetragen. Ein Grenzwert 42 für eine Temperatur in [°C], die im Inneren des Wechselrichtergehäuses gemessen wird, ist auf einer Achse 43 aufgetragen. Die die Temperatur messende Sensoreinrichtung kann hierfür im Bereich funktionswesentlicher Bauteile angeordnet sein, deren Alterung temperaturabhängig ist. Der Verschleiß 40 des Wechselrichters verhält sich gemäß dem eingezeichneten Zusammenhang 44 im Wesentlichen exponentiell zum Grenzwert 42 der Temperatur. Beispielsweise entspricht ein Verschleiß von 5%/Jahr einer Lebensdauer des Wechselrichters von 20 Jahren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei diesem Verschleiß 40 der Grenzwert 42 der Temperatur auf 75°C eingestellt.
• Die 4 zeigt schematisch anhand eines vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Zusammenhang 50 zwischen einer auf einer Achse 47 aufgetragenen maximalen Leistung 46 in [MW] des Wechselrichters und einem auf einer Achse 48 aufgetragenen Grenzwert 42 einer im Inneren des Wechselrichtergehäuses gemessenen Temperatur in [°C]. Die Temperatur kann hierbei entsprechend der Ausführungen zu 3 gemessen werden. Für die Grenzwerte 42 der Temperatur bei 60 °C, 75 °C und 90 °C sind jeweils die zugehörigen aufgrund der Temperaturbegrenzung gedrosselten maximalen Leistungen 46 des Wechselrichters gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingezeichnet. Es ergibt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein annähernd linearer Zusammenhang 50 zwischen den beiden Größen. Selbstverständlich könnte der Zusammenhang gemäß anderer Ausführungsbeispiele auch nichtlineare Verläufe aufweisen, wenn beispielsweise eine Kühlung des Wechselrichters entsprechend angesteuert wird.
• Die 5 zeigt schematisch ein Diagramm gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Diagramm einen Zusammenhang zwischen einer maximalen Leistung 46 des Wechselrichters (aufgetragen auf einer Achse 53 des Diagramms in der Einheit [MW]) und einer voraussichtlichen Lebensdauer 51 des Wechselrichters (aufgetragen auf einer Achse 52 des Diagramms in Jahren) darstellt. Das Diagramm zeigt zu drei Parameterbereichen drei unterschiedliche Einstellungen 54a, 54b, 54c, die die Steuerung des Wechselrichters gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel durch entsprechende Anpassung der Grenzwerte (siehe 3, 4 Pos. 42) einstellt. Bei der Einstellung 54b ist ein Grenzwert der Temperatur von 75°C eingestellt, der bei dem angegebenen Beispiel zu einer maximalen Einspeiseleistung von 2,5 MW führt. Ein durch den Grenzwert begrenzter Standard-Verschleiß würde zu einer voraussichtlichen Standard-Lebenszeit von 20 Jahren führen. Den Einstellungen 54a, 54b, 54c liegt ein Zusammenhang zwischen Temperatur und Lebensdauer zugrunde, der bei einer Erhöhung von 10°C von einer Halbierung der Lebensdauer ausgeht. Die gezeigte Einstellung 54b entspricht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer Standard-Einstellung, wobei von einer Standard-Einspeisevergütung von 8 Cent ausgegangen wird. Die eingezeichnete Einstellung 54a ermöglicht es der Steuerung, bei einem Absinken der Einspeisevergütung von 8 Cent auf 6 Cent durch Absenken des Temperatur-Grenzwertes auf 70 °C bei einer maximalen Einspeiseleistung von 2,43 MW und einer theoretischen Verlängerung der voraussichtlichen Lebensdauer auf 28,28 Jahre den Verlust gegenüber einer Einspeisevergütung von 8 Cent mindestens auszugleichen. Bei einem Ansteigen der Einspeisevergütung von 8 Cent bis annähernd 10 Cent, behält gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Steuerung die Einstellung 54b bei. Für Einspeisevergütungen ab 10 Cent und darüber, wählt die Steuerung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Einstellung 54c aus. Diese liegt bei einem Grenzwert der Temperatur von 77 °C, einer maximalen Einspeiseleistung von 2,57 MW und einer voraussichtlichen Lebensdauer von 17,48 Jahren. Die angegebenen Werte zu den drei Einstellungen 54a, 54b und 54c wurden gerundet und sind somit ca. Angaben.
• Bezugszeichenliste

1

Energieversorgungsanlage

2

Wechselrichter

3

DC-Energiequelle

3a

Photovoltaik-Generator

4

Solarmodul

5

String

6

Anschlussklemme

7

Anschlussklemme

8

Leistungsanschluss

9

Zwischenkreis

10

Halbbrücke

11

Wechselrichterbrücke

12

Leistungsanschluss

14

Transformator

15

AC-Stromversorgungsnetz

18

Batterievorrichtung

19

Leistungsanschluss

20

Batteriemanagementsystem

22

Steuerung

24

Sensoreinrichtung

25

Kommunikationsverbindung

27

Wechselrichtergehäuse

29

Leitstelle

30

Kommunikationsverbindung

31,44,50,

Zusammenhang

32

Parameter

33

Einspeisevergütung

34, 35

Achse

36

Vergütungs-Grenzwert

37

Standard-Parameter

38

Parameterbereich

39

Parameterbereich

40

Verschleiß

41, 43, 47, 48

Achse

42

Grenzwert

44

Kurve

46

Maximale Leistung

51

Lebensdauer

52, 53

Achse

54a, 54b, 54c

Einstellung

Claims (8)

1. Betriebsverfahren für einen AC-seitig an ein AC-Stromversorgungsnetz (15) angeschlossenen Wechselrichter (2), bei dem vom Wechselrichter (2) in seinem Inneren erfasste Messgrößen überwacht und geregelt werden zur Einhaltung von einen Verschleiß (40) des Wechselrichters (2) begrenzenden Grenzwerten (42) dieser Messgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (22) des Wechselrichters (2) die Grenzwerte (42) in Abhängigkeit eines eine aktuelle Einspeisevergütung (33) repräsentierenden Parameters (32) regelt.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei bei mindestens einem Parameterbereich (38), der gegenüber einem Standard-Parameter (37) eine höhere oder niedrigere Einspeisevergütung (33) repräsentiert, die Steuerung (22) die Grenzwerte (42) in Abhängigkeit des eine aktuelle Einspeisevergütung (33) repräsentierenden Parameters (32), der in diesem Parameterbereich (38) liegt, derart anpasst, dass diese gegenüber einem Standard-Verschleiß einen höheren oder einen niedrigeren Verschleiß (40) begrenzen, je nachdem, ob der Parameterbereich (38) gegenüber dem Standard-Parameter (37) eine höhere oder eine niedrigere Einspeisevergütung (33) repräsentiert.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 2, wobei bei einem untersten Parameterbereich (39), welcher eine Einspeisevergütung (33) unterhalb eines Vergütungs-Grenzwertes (36) repräsentierende Parameter (32) umfasst, die Steuerung (22) bei einem Wechsel des Parameters (32) in diesen untersten Parameterbereich (39) einen Einspeisebetrieb des Wechselrichters (2) einstellt.
4. Betriebsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (22) mindestens innerhalb eines Parameterbereiches (38) des mindestens einen Parameterbereichs (38) die Grenzwerte (42) dynamisch und abhängig vom Parameter (32) anpasst, so dass diese einen Verschleiß (40) begrenzen, der entsprechend der durch den Parameter (32) charakterisierten Einspeisevergütung höher oder niedriger ist im Vergleich zu den anderen Parametern (32) des Parameterbereichs (38).
5. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Parameter (32) vom Wechselrichter (2) über eine Kommunikationsverbindung (30) von einer Leitstelle (29) des AC-Stromversorgungsnetzes (15) oder einem Informationsdienst oder von einer eine Netzfrequenz überwachenden Sensoreinrichtung empfangen wird.
6. Wechselrichter (2) mit -einem an ein AC-Stromversorgungsnetz (15) anschließbaren AC-seitigen Leistungsanschluss (12) und mindestens einem an eine DC-Energiequelle (3) anschließbaren DC-seitigen Leistungsanschluss (8, 19), -einer Steuerung (22) zur Steuerung und Regelung des Betriebs des Wechselrichters (2) und mindestens einer Sensoreinrichtung (24) zur Messung von Messgrößen, wobei die Steuerung (22) dazu ausgebildet ist, die Messgrößen zu empfangen und diese zur Einhaltung von einen Verschleiß (40) des Wechselrichters (2) begrenzenden Grenzwerten (42) zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass -die Steuerung.(22) dazu eingerichtet ist, die Grenzwerte (42) in Abhängigkeit von einem eine aktuelle Einspeisevergütung (33) repräsentierenden Parameter (32) zu regeln.
7. Wechselrichter (2) nach Anspruch 6, wobei der Wechselrichter (2) zur Durchführung des Betriebsverfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5 ausgebildet und eingerichtet ist.
8. Energieversorgungsanlage (1) mit einem Wechselrichter (2) und mindestens einer DC-seitig an den Wechselrichter (2) angeschlossenen DC-Energiequelle (3), wobei der Wechselrichter (2) AC-seitig an ein AC-Stromversorgungsnetz (15) anschließbar ist und dazu ausgebildet ist, die von der mindestens einen DC-Energiequelle (3) bereitgestellte DC-Spannung zur Einspeisung von elektrischer Energie in das AC-Stromversorgungsnetz (15) in AC-Spannung umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 ausgebildet und eingerichtet ist.

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