DE102021105119B4

DE102021105119B4 - Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters und Wechselrichter

Info

Publication number: DE102021105119B4
Application number: DE102021105119.3A
Authority: DE
Inventors: Simon Scheurich; Alexander Unru
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: US20230412068A1; EP4302380A1; WO2022184819A1; JP2024507987A; CN116964888A; DE102021105119A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit einem AC-Anschluss (14), einem DC-Anschluss (18) und einer zwischen dem AC-Anschluss (14) und dem DC-Anschluss (18) angeordneten Wechselrichterbrücke (16), mit den SchrittenS1) Betreiben des Wechselrichters (10) in einem ersten Betriebsmodus, in dem am AC-Anschluss (14) ein AC-Netz (12) über den Wechselrichter (10) mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes (12) über eine Regelung des Wechselrichters (10) geregelt wird,S2) Falls ein Anstieg des Stromes (IINV) am AC-Anschluss (14) über einen vorgebbaren Stromgrenzwert erkannt wird: Wechseln in einen zweiten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters (10) in dem zweiten Betriebsmodus, wobei im zweiten Betriebsmodus die Regelung derart angepasst wird, dass sie mittels einer virtuellen Impedanz (ZVI(s)) den Strom (IINV) am AC-Anschluss (14) begrenzt,S3) Im zweiten Betriebsmodus:S3.1) Falls ein Anstieg der Spannung am AC-Anschluss (14) über einen vorgebbaren Schwellwert (SW) erkannt wird: Wechseln in den ersten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters im ersten Betriebsmodus,S4) Im ersten Betriebsmodus:S4.1) Falls ein Anstieg des Stromes (IINV) am AC-Anschluss (14) über den vorgebbaren Stromgrenzwert während eines Zeitraums erkannt wird, der eine vorgebbare erste Zeitdauer überschreitet: Wechseln in den zweiten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters (10) in dem zweiten Betriebsmodus, und Erhöhen des Schwellwerts (SW).

Description

Technisches Gebiet
Zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer Gleichstromquelle in ein öffentliches Energieversorgungsnetz, beispielsweise bei einer Photovoltaikanlage, kommen Wechselrichter zum Einsatz. In öffentlichen Energieversorgungsnetzen erfüllen Wechselrichter auch eine netzbildende oder netzstützende Funktion.
Stand der Technik
Zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer Gleichstromquelle in ein öffentliches Energieversorgungsnetz, beispielsweise bei einer Photovoltaikanlage, kommen überwiegend netzgeführte Wechselrichter zum Einsatz. Diese werden stromgeregelt betrieben. Spannungsgeregelte Wechselrichter kommen als netzbildende Wechselrichter in Inselnetzen zum Einsatz, zunehmend erfüllen spannungsgeregelte Wechselrichter aber auch eine netzbildende oder netzstützende Funktion in öffentlichen Energieversorgungsnetzen.
Im Falle eines Spannungseinbruchs infolge eines Netzfehlers muss der Wechselrichter weiter in das Netz einspeisen (FRT - Fault Ride Through), um die Spannung zu stützen. Durch die Spannungsregelung steigt im Fehlerfall zunächst der Strom bis eine im Wechselrichter vorgesehene Strombeschränkung aktiv wird. Die Spannungsregelung erfolgt daraufhin dann im FRT Modus mithilfe einer virtuellen Impedanz, um die maximalen Stromgrenzen nicht zu verletzen.
Der Wechsel zurück in den netzbildenden Modus erfolgt, sobald die Spannung wieder einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Hierfür wird ein fester optimierter Wert vorgegeben, der im Fall einer Änderung der Netzimpedanz neu eingestellt werden muss.
Insbesondere bei schwachen Netzen oder fernen Kurzschlüssen kann es passieren, dass ein ansonsten optimaler Wert des Schwellwertes zu früh überschritten wird, so dass der FRT Modus zu früh verlassen wird und man wiederholt in den Bereich gelangt, in dem die Strombeschränkung aktiv wird. Andererseits kann es bei schwachen Netzen oder fernen Kurzschlüssen auch passieren, dass der ansonsten optimale Wert des Schwellwertes nach dem Verschwinden des Netzfehlers nicht erreicht wird, was dann zu einem dauerhaften Verbleiben im FRT Modus führt.
Der Fachartikel vonA. Gkountaras, S. Dieckerhoff and T. Sezi, „Evaluation of current limiting methods for grid forming inverters in medium voltage microgrids,“ 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Montreal, QC, 2015, pp. 1223-1230, beschreibt verschiedene Formen einer Strombegrenzung bei netzbildenden Wechselrichtern und dabei als eine Form die Verwendung einer virtuellen Impedanz.
Die Druckschrift DE 10 2017 106 213 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters mit einem AC-Anschluss, einem DC-Anschluss und einer zwischen dem AC-Anschluss und dem DC-Anschluss angeordneten Wechselrichterbrücke. Dabei kann der Wechselrichter in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden, in dem am AC-Anschluss ein AC-Netz über den Wechselrichter mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes über eine Regelung des Wechselrichters geregelt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus, in dem die Regelung derart angepasst wird, dass sie mittels einer virtuellen Impedanz den Strom am AC-Anschluss beeinflusst.
Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung für Gleichstrom oder Gleichspannung und AC (engl. alternating current) für Wechselstrom oder Wechselspannung.
Aufgabe
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb des Wechselrichters, insbesondere bei Netzfehlern, weiter zu verbessern.
Lösung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters mit einem AC-Anschluss, einem DC-Anschluss und einer zwischen dem AC-Anschluss und dem DC-Anschluss angeordneten Wechselrichterbrücke beschrieben. Das Verfahren weist zumindest die Schritte S1), S2), S3), S4) auf:

S1) Betreiben des Wechselrichters in einem ersten Betriebsmodus, in dem am AC-Anschluss ein AC-Netz über den Wechselrichter mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes über eine Regelung des Wechselrichters geregelt wird.
S2) Falls ein Anstieg des Stromes am AC-Anschluss über einen vorgebbaren Stromgrenzwert erkannt wird: Wechseln in einen zweiten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters in dem zweiten Betriebsmodus, wobei im zweiten Betriebsmodus die Regelung derart angepasst wird, dass sie mittels einer virtuellen Impedanz den Strom an den AC-Anschlüssen begrenzt.
S3) Im zweiten Betriebsmodus:
- S3.1) Falls ein Anstieg der Spannung am AC-Anschluss über einen vorgebbaren Schwellwert erkannt wird: Wechseln in den ersten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters im ersten Betriebsmodus. Der Schritt 3.1) ist ein Bestandteil von Schritt 3).
S4) Im ersten Betriebsmodus:
- S4.1) Falls ein Anstieg des Stromes am AC-Anschluss über den vorgebbaren Stromgrenzwert während eines Zeitraums erkannt wird, der eine vorgebbare erste Zeitdauer überschreitet: Wechseln in den zweiten Betriebsmodus mit angepasster Regelung und Betreiben des Wechselrichters in dem zweiten Betriebsmodus, und Erhöhen des Schwellwerts. Der Schritt 4.1) ist ein Bestandteil von Schritt 4).

Das Verfahren betrifft insbesondere spannungsgeregelte Wechselrichter, die einerseits netzbildend für ein Inselnetz eingesetzt werden können und andererseits netzstützend und/oder netzbildend für an den AC-Anschlüssen angeschlossene AC-Netze, insbesondere öffentliche Versorgungsnetze, eingesetzt werden können. Im zweiten Betriebsmodus wird eine Netzregelung, insbesondere FRT (Fault Ride Through), im spannungsgeregelten Betrieb ermöglicht. Dies geschieht mit Hilfe einer virtuellen Impedanz. Es wird robustes Regelverhalten bei FRT ermöglicht, insbesondere im Fall von fernen Fehlern in starren oder schwachen AC-Netzen.
Wechselt der Wechselrichter, nachdem er einmal im zweiten Betriebsmodus war, wieder in den ersten Betriebsmodus, so wird bei erneuter Erkennung eines Netzfehlers durch Erkennen des Anstiegs des Stromes am AC-Anschluss über den vorgebbaren Stromgrenzwert, einerseits wieder in den zweiten Betriebsmodus gewechselt und andererseits der Schwellwert für die Spannung erhöht. Dies erlaubt es, in dieser Situation das Eskalationslevel zu erhöhen und den Wechselrichter gegenüber einer erneuten Änderung des Betriebsmodus robuster zu machen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird nach Schritt S4.1) wieder Schritt S3) ausgeführt. Wechselt der Wechselrichter dann vom zweiten Betriebsmodus erneut in den ersten Betriebsmodus und wird dann erneut erkannt, dass der Strom am AC-Anschluss den Stromgrenzwert überschreitet, so wird der Schwellwert für die Spannung erneut erhöht. So kann die Robustheit der Regelung weiter angepasst werden.
Bei einem Spannungseinbruch der Spannung am AC-Anschluss, bei Netzeinspeisung z. B. am Wechselrichterausgang oder am Netzanschlusspunkt, infolge eines Netzfehlers führt die Regelung des Wechselrichters zu einer Stromerhöhung, da die Regelung versucht, die Spannung zu halten. Die Stromerhöhung wird dann durch den Wechselrichter begrenzt, z. B. durch eine Hardware-Strombegrenzung. Durch Erkennen der Stromerhöhung über den vorgebbaren Stromgrenzwert wird hieraus auf das Vorliegen eines Netzfehlers geschlossen und der zweite Betriebsmodus des Wechselrichters, insbesondere der FRT Modus, aktiviert. Im zweiten Betriebsmodus, der insbesondere der FRT Modus sein kann, versucht der Wechselrichter weiterhin die Netzspannung aufrecht zu erhalten, wobei mithilfe der virtuellen Impedanz vermieden wird, dass der Strom Werte annimmt, die im Grenzbereich liegen, wo z. B. die Hardware-Strombegrenzung greifen würde. Vom zweiten Betriebsmodus wird wieder in den ersten Betriebsmodus, insbesondere den netzbildenden Modus, gewechselt, sobald die Spannung einen vorgebbaren Schwellwert der Spannung überschritten hat. Falls der Strom dann anschließend für mehr als eine bestimmte, vorgebbare erste Zeitdauer, beispielsweise zwischen 100 ms und 300 ms, bevorzugt 200 ms, wieder Werte oberhalb des Stromgrenzwertes annimmt, da der Netzfehler weiterhin vorliegt, wird der Schwellwert für die Spannung erhöht und wieder in den zweiten Betriebsmodus, insbesondere den FRT Modus gewechselt. Das Abwarten der ersten Zeitdauer ist vorteilhaft, um eine Einschwingzeit der Regelung abfangen zu können. Das Erhöhen des Schwellwertes entspricht dabei einer Erhöhung eines Eskalationslevels.
In einer Ausführungsform kann der Schwellwert eine vorgebbare Anzahl von vorgebbaren diskreten Werten annehmen und beim Start des Verfahrens einen Initialwert annehmen sowie in Schritt S4.1) auf den nächsthöheren der diskreten Werte erhöht werden. Der Initialwert ist ein Wert, den der Schwellwert zu Beginn des Verfahrens, z. B. beim Hochfahren des Wechselrichters und/oder beim Durchlaufen von Schritt S1, annimmt.
Das Eskalationslevel wird also schrittweise erhöht, in Abhängigkeit davon, wie oft der Wechselrichter bereits im zweiten Betriebsmodus betrieben wurde. Der Begriff Eskalationslevel kann z. B. als Zähler betrachtet werden, der hier hochgezählt wird.
In einer Ausführungsform liegt der Initialwert des Schwellwertes zwischen 80% und 100%, bevorzugt bei ca. 85%, der Nennspannung des Wechselrichters.
In einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen zumindest zwei benachbarten diskreten Werten zwischen 3% und 7%, bevorzugt ca. 5%, der Nennspannung des Wechselrichters.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten diskreten Werten unterschiedlich.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten diskreten Werten größer, wenn die Werte größer werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten diskreten Werten kleiner, wenn die Werte größer werden.
Die Erhöhung des Werts des Schwellwertes kann beispielsweise in Schritten von 5% der Nennspannung mit jeder Erhöhung des Eskalationslevels erfolgen. Der Abstand zwischen den Werten, d. h. die Schrittweite zwischen den Werten, kann auch veränderlich sein, d.h. ab einem bestimmten Eskalationslevel kleiner oder größer werden. In einer Ausführungsform kann eine Zuordnung von Schrittweiten zu Eskalationsleveln beispielsweis über eine Wertetabelle in Form einer Look-Up-Table erfolgen.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt S4.2) auf, in dem, falls der Wechselrichter über einen Zeitraum im ersten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare zweite Zeitdauer überschreitet, der Schwellwert auf den Initialwert herabgesetzt wird. Der Schritt 4.2) ist ein optionaler Bestandteil von Schritt 4).
Unter dem Eskalationslevel kann z. B. ein Zähler verstanden werden, der hoch- oder heruntergezählt wird. Abhängig vom Eskalationslevel ergibt sich ein gegenüber dem Initialwert erhöhter oder erniedrigter Schwellwert. Die Erhöhung des Eskalationslevels erfolgt solange und optional in mehreren Iterationsschritten bis der Schwellwert über der im Fehlerfall vorliegenden, durch den Spannungsabfall an der virtuellen Impedanz reduzierten Spannung liegt und das System damit stabil im zweiten Betriebsmodus verbleibt. Erst wenn der Netzfehler tatsächlich verschwunden ist, steigt die Spannung dann wieder über den mittels des Eskalationssystems erhöhten Schwellwert der Spannung. Bei einem daraus resultierenden Wechsel in den ersten Betriebsmodus, verbleibt das System stabil in diesem Modus, ohne dass der Strom wieder bis zur Hardware-Strombegrenzung ansteigt. Falls dieser Zustand für eine vorgebbare zweite Zeitdauer, z. B. 200 ms, vorliegt, wird das Eskalationslevel wieder zurückgesetzt, indem der Schwellwert auf seinen Initialwert zurückgesetzt wird.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt S3.2) auf, in dem, falls der Wechselrichter über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare dritte Zeitdauer überschreitet, der Schwellwert erniedrigt wird. Der Schritt 3.2) ist ein optionaler Bestandteil von Schritt 3).
Befindet sich das System im zweiten Betriebsmodus und verändert sich die Spannung positiv, dann kann also in dieser Ausführungsform nach der vorgebbaren dritten Zeitdauer das Eskalationslevel erniedrigt werden, um das Verlassen des zweiten Betriebsmodus zu begünstigen. Diese dritte Zeitdauer sollte ausreichend kurz gewählt sein, um ggf. auch während des Anstiegs der Spannung den Schwellwert sukzessive in mehreren Schritten erniedrigen zu können. Denkbar ist auch, dass ein Anstieg der Spannung das Reduzieren des Schwellwerts triggert und der Schwellwert dann sukzessive solange reduziert wird, bis er unterhalb der Spannung liegt und der zweite Betriebsmodus verlassen wird. Im Fall eines irrtümlichen Erniedrigens des Schwellwerts würde dieser dann in der Folge wieder durch die Verfahrensschritte S3) und S4) erhöht werden.
Neben der Erhöhung Schwellwertes kann auch die Erniedrigung des Schwellwertes beispielsweise in Schritten von 5% der Nennspannung mit jeder Erhöhung oder Erniedrigung des Eskalationslevels erfolgen. Der Abstand zwischen den Werten, d.h. die Schrittweite zwischen den Werten, kann auch bei der Erniedrigung des Schwellwertes veränderlich sein, d.h. ab einem bestimmten Eskalationslevel kleiner oder größer werden. In einer Ausführungsform kann auch eine Zuordnung von Schrittweiten zu Eskalationsleveln für das Herabsetzen beispielsweise über eine Wertetabelle in Form einer Look-Up-Table erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Wechselrichter zumindest über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben, der einer vorgebbaren vierten Zeitdauer entspricht. Dies erlaubt, die Regelung des Wechselrichters sicher einschwingen zu lassen, bevor wieder in den ersten Betriebsmodus gewechselt wird. Dies ist insbesondere für den FRT Modus von Vorteil, da durch die vierte Zeitdauer der FRT-Regelung genügend Zeit gegeben werden kann, bevor wieder in den netzbildenden Modus gewechselt wird.
Der Betrieb des Wechselrichters, insbesondere bei Netzfehlern, wird also dadurch weiter verbessert, dass das Verfahren den Schwellwert mittels eines Eskalationssystems adaptiert. Nach bestimmten Kriterien wird das Eskalationslevel erhöht oder gesenkt. Abhängig von dem Eskalationslevel wird dann der Schwellwert adaptiv angepasst.
Ein Wechselrichter weist einen AC-Anschluss, einen DC-Anschluss und eine zwischen dem AC-Anschluss und dem DC-Anschluss angeordnete Wechselrichterbrücke auf, wobei der Wechselrichter in einem ersten Betriebsmodus betreibbar ist, in dem am AC-Anschluss ein AC-Netz über den Wechselrichter mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes über eine Regelung des Wechselrichters geregelt wird, wobei eine Regeleinheit des Wechselrichters eingerichtet ist, die Regelung auszuführen. Die Regeleinheit ist eingerichtet, im ersten Betriebsmodus einen Anstieg des Stromes am AC-Anschluss über einen vorgebbaren Stromgrenzwert zu erkennen, und als Reaktion darauf in einen zweiten Betriebsmodus zu wechseln, wobei im zweiten Betriebsmodus die Regelung mittels einer virtuellen Impedanz den Strom an den AC-Anschlüssen begrenzt. Die Regeleinheit ist weiter eingerichtet, im zweiten Betriebsmodus einen Anstieg der Spannung am AC-Anschluss über einen vorgebbaren Schwellwert zu erkennen und als Reaktion darauf in den ersten Betriebsmodus zu wechseln. Ist der Wechselrichter wiederholt im ersten Betriebsmodus, so kann die Regeleinheit einen Anstieg des Stromes am AC-Anschluss über den vorgebbaren Stromgrenzwert während eines Zeitraumes zu erkennen, der eine vorgebbare erste Zeitdauer überschreitet, und als Reaktion darauf in den zweiten Betriebsmodus wechseln und den Schwellwert erhöhen.
Am DC-Anschluss kann eine DC-Einheit, z. B. eine Photovoltaik-Anlage, angeschlossen sein. Die Wechselrichterbrücke kann bidirektional ausgeführt sein und weist zur Wandlung elektrischer Leistung Schalteinheiten auf, die von der Regeleinheit des Wechselrichters angesteuert werden. Der Wechselrichter kann somit auch als Gleichrichter wirken und z. B. eine Batterie als DC-Einheit mit elektrischer Leistung aus z. B. einem AC-Netz versorgen.
In einer Ausführungsform des Wechselrichters ist in einer Speichereinheit des Wechselrichters eine vorgebbare Anzahl von vorgebbaren diskreten Werten gespeichert, die der Schwellwert annehmen kann, wobei der Schwellwert beim Erhöhen jeweils auf den nächsthöheren der diskreten Werte erhöht wird.
In einer Ausführungsform des Wechselrichters ist die Regelung eingerichtet, den Schwellwert zu erniedrigen, falls der Wechselrichter über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare dritte Zeitdauer überschreitet.
Figurenliste
Im Folgenden werden Beispiele mithilfe von Figuren näher erläutert.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit einem spannungsstellenden Wechselrichter;
2 zeigt schematisch als Ersatzschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters im FRT Modus;
3 zeigt beispielhaftes Verhalten von Spannung und Strom am AC-Anschluss nach dem Stand der Technik;
4 zeigt beispielhaftes Verhalten von Spannung und Strom am AC-Anschluss mit angepasstem Schwellwert;
5 zeigt beispielhaftes Verhalten von Spannung und Strom am AC-Anschluss nach dem Stand der Technik;
6 zeigt beispielhaftes Verhalten von Spannung und Strom am AC-Anschluss mit angepasstem Schwellwert;
7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines spannungsstellenden Wechselrichters.

Figurenbeschreibung
In 1 ist schematisch ein System mit einem spannungsstellenden Wechselrichter 10 gezeigt. Der Wechselrichter 10 weist einen DC-Anschluss 18 und einen AC-Anschluss 14 auf. Zwischen dem DC-Anschluss 18 und dem AC-Anschluss 14 ist eine Wechselrichterbrücke 16 angeordnet, die eingerichtet ist, Wechselstrom bzw. Wechselspannung in Gleichstrom bzw. Gleichspannung und umgekehrt zu wandeln. Hierfür weist die Wechselrichterbrücke 16 Schalteinheiten auf, die von einer Regelung, die in einer Regeleinheit 20 abläuft, geeignet angesteuert werden. Die Regelung der Regeleinheit 20 stellt zugleich die am AC-Anschluss bereitgestellte Spannung U ein. Der AC-Anschluss 14 entspricht im dargestellten Beispiel dem Netzanschlusspunkt, wobei ein AC-Netz 12 mit dem AC-Anschluss 14 verbunden ist. Am DC-Anschluss kann eine DC-Einheit, z. B. eine Photovoltaik-Anlage, angeschlossen sein. In den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der erste Betriebsmodus, in dem am AC-Anschluss ein AC-Netz über den Wechselrichter mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes über eine Regelung des Wechselrichters geregelt wird, z. B. ein netzbildender Modus und der zweite Betriebsmodus ein Betriebsmodus mit angepasster Regelung, z. B. ein FRT Modus.
2 zeigt schematisch als Ersatzschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters im FRT Modus. Der Wechselrichter10 wird durch seine Impedanz Z_INV(s) charakterisiert. Das AC-Netz 12 wird durch seine Impedanz Z_netz(s) charakterisiert. Im Folgenden soll anhand von 2 das Prinzip der virtuellen Impedanz Z_VI(_S) verdeutlicht werden. Die virtuelle Impedanz Z_VI(_S) wird virtuell in der -bevorzugt in der Regeleinheit 20 ablaufenden - Regelung im FRT Modus berücksichtigt und bewirkt einerseits eine Verringerung des Stroms I_INV und andererseits einen zusätzlichen Spannungsabfall, so dass die vom Wechselrichter 10 am Netzanschlusspunkt, hier im Beispiel dem AC-Anschluss 14, im FRT Modus gestellte Spannung U=V_pcc um diesen Spannungsabfall geringer ist als im netzbildenden Modus.
In 3 ist das Verhalten von Spannung U - obere Grafik - und Strom I_INV - mittlere Grafik - am AC-Anschluss 14 gezeigt, wie es sich ergibt, wenn der Schwellwert SW bei schwachen AC-Netzen oder fernen Kurzschlüssen zu niedrig ist und das System dadurch ständig zwischen FRT Modus - 1 in der unteren Grafik- und netzbildendem Modus - 0 in der unteren Grafik - wechselt. Zum Zeitpunkt t = 7 s tritt ein Netzfehler auf, die Spannung U bricht ein und aufgrund der Regelung steigt der Strom I_Inv bis zum Stromgrenzwert. Das System wechselt daraufhin in den FRT Modus und verbleibt darin für eine vorgegebene vierte Zeitdauer von im dargestellten Beispiel 100 ms. Im FRT Modus ist der Strom I_INV durch die virtuelle Impedanz Z_VI(s)begrenzt und die Spannung U ist um die an der virtuellen Impedanz Z_VI(_S) abfallende Spannung reduziert. Da die Spannung U aber immer noch über dem gewählten Schwellwert SW, dargestellt als strichpunktierte Linie in der oberen Grafik, liegt, wechselt das System wieder in den netzbildenden Modus, der Strom I_INV steigt infolgedessen, weil die virtuelle Impedanz Z_VI(_S) wegfällt, wieder bis zum Stromgrenzwert an. Nach Abwarten einer vorgebbaren ersten Zeitdauer - im dargestellten Beispiel 200 ms - wechselt der Wechselrichter wieder in den FRT Modus. Dies setzt sich so fort, bis der Netzfehler zum Zeitpunkt t = 9 s verschwunden ist und der Strom I_INV nach Abwarten der erforderlichen Einschwingzeit der Regelung wieder normale Werte annimmt.
In 4 ist das Verhalten von Spannung U und Strom I_INV am Netzanschlusspunkt 14 gezeigt, wenn der Schwellwert SW - strichpunktierte Linie in der oberen Grafik - mit einem in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren angepasst wird. Das System wechselt während des Vorliegens des Netzfehlers zweimal vom FRT Modus zurück in den netzbildenden Modus, wodurch zweimal der Schwellwert SW mittels des Eskalationssystems angepasst wird, bevor das System dann stabil im FRT Modus verbleibt, weil der Schwellwert SW über der um die an der virtuellen Impedanz Z_VI(_S) abfallende Spannung reduzierten Spannung am Netzanschlusspunkt 14 liegt. Erst wenn der Netzfehler zum Zeitpunkt t = 9 s verschwunden ist, steigt die Spannung wieder über den erhöhten Schwellwert SW und das System wechselt dann wieder in den netzbildenden Modus.
In 5 ist das ist das Verhalten von Spannung U und Strom I_INV am Netzanschlusspunkt gezeigt, wie es sich ergibt, wenn der Schwellwert SW bei schwachen Netzen oder fernen Kurzschlüssen zu hoch ist und das System dadurch ständig im FRT Modus verbleibt. Obwohl bei Verschwinden des Netzfehlers zum Zeitpunkt t = 9 s die Spannung U ansteigt, liegt sie in dem Fall aufgrund der Reduktion aufgrund der an der virtuellen Impedanz Z_VI(s) abfallenden Spannung immer noch unter dem Schwellwert SW, so dass der FRT Modus nicht verlassen wird.
In 6 ist das Verhalten von Spannung U und Strom I_INV am Netzanschlusspunkt gezeigt, wenn der Schwellwert SW - strichpunktierte Linie in der oberen Grafik - gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens angepasst wird. Zum Zeitpunkt t = 9 s verschwindet der Netzfehler und die Spannung steigt an. Daraufhin wird der Schwellwert SW sukzessive abgesenkt, bis die Spannung den Schwellwert SW überschreitet und der FRT Modus verlassen wird.
In 7 ist schematisch ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines spannungsstellenden Wechselrichters gezeigt.
In einem Schritt S1) wird der Wechselrichter 10 im ersten Betriebsmodus betrieben, in dem am AC-Anschluss 14 das AC-Netz 12, z. B. ein öffentliches Versorgungsnetz, über den Wechselrichter 10 mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes 12 über eine Regelung des Wechselrichters 10 geregelt wird.
In einem Schritt S2) wird, falls ein Anstieg des Stromes I_INV am AC-Anschluss 14 über einen vorgebbaren Stromgrenzwert erkannt wird, in den zweiten Betriebsmodus gewechselt und in der Folge der Wechselrichter 10 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Im zweiten Betriebsmodus wird die Regelung derart angepasst, dass sie mittels der virtuellen Impedanz Z_VI(_S) den Strom I_INV am AC-Anschluss 14 begrenzt.
Ein Schritt S3) wird ausgeführt, wenn der Wechselrichter 10 im zweiten Betriebsmodus ist. Falls ein Anstieg der Spannung am AC-Anschluss 14 über einen vorgebbaren Schwellwert SW erkannt wird, wird in den ersten Betriebsmodus gewechselt und der Wechselrichter in der Folge im ersten Betriebsmodus betrieben.
Ein Schritt S4) wird ausgeführt, wenn der Wechselrichter 10 von Schritt S3) aus in den ersten Betriebsmodus gewechselt ist. Falls ein Anstieg des Stromes I_INV am AC-Anschluss 14 über einen vorgebbaren Stromgrenzwert während eines Zeitraums erkannt wird, der eine vorgebbare erste Zeitdauer überschreitet, wird in den zweiten Betriebsmodus gewechselt, der Wechselrichter 10 in der Folge in dem zweiten Betriebsmodus betrieben und der Schwellwert SW erhöht. Nach Schritt S4 - bei Wechsel zurück in den zweiten Betriebsmodus - wird dann wieder Schritt S3) ausgeführt.
Falls der Wechselrichter 10 über einen Zeitraum im ersten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare zweite Zeitdauer überschreitet, wird der Schwellwert SW auf seinen Initialwert gesetzt.
Falls der Wechselrichter 10 über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare dritte Zeitdauer überschreitet, wird gegebenenfalls der Schwellwert SW erniedrigt.
Alternativ kann, wie beispielsweise in 6 dargestellt wurde, falls im zweiten Betriebsmodus ein Abfall des Stromes I_INV am AC-Anschluss 14 unter einen vorgebbaren weiteren Stromgrenzwert erkannt wird oder ein Anstieg, insbesondere ein starker Anstieg, der Spannung U, beispielsweise durch Auswertung eines Spannungsgradienten, erkannt wird, der Schwellwert SW für die Spannung U schrittweise verringert werden. Bei diesem Vorgehen kann der Schwellwert SW auch auf einen Wert verringert werden, der unter dem Initialwert liegt.
Bezugszeichenliste

S1, S2, S3, S4: Verfahrensschritte
10: Wechselrichter
12: AC-Netz
14: AC-Anschluss
16: Wechselrichterbrücke
18: DC-Anschluss
20: Regeleinheit
U: Spannung am AC-Anschluss
Vpcc: Spannung U im FRT Modus
IINV: Strom am AC-Anschluss
ZVI(S): Virtuelle Impedanz
SW: Schwellwert
Znetz(s): Impedanz des AC-Netzes
ZINV(s): Impedanz des Wechselrichters

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit einem AC-Anschluss (14), einem DC-Anschluss (18) und einer zwischen dem AC-Anschluss (14) und dem DC-Anschluss (18) angeordneten Wechselrichterbrücke (16), mit den Schritten S1) Betreiben des Wechselrichters (10) in einem ersten Betriebsmodus, in dem am AC-Anschluss (14) ein AC-Netz (12) über den Wechselrichter (10) mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes (12) über eine Regelung des Wechselrichters (10) geregelt wird, S2) Falls ein Anstieg des Stromes (I_INV) am AC-Anschluss (14) über einen vorgebbaren Stromgrenzwert erkannt wird: Wechseln in einen zweiten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters (10) in dem zweiten Betriebsmodus, wobei im zweiten Betriebsmodus die Regelung derart angepasst wird, dass sie mittels einer virtuellen Impedanz (Z_VI(s)) den Strom (I_INV) am AC-Anschluss (14) begrenzt, S3) Im zweiten Betriebsmodus: S3.1) Falls ein Anstieg der Spannung am AC-Anschluss (14) über einen vorgebbaren Schwellwert (SW) erkannt wird: Wechseln in den ersten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters im ersten Betriebsmodus, S4) Im ersten Betriebsmodus: S4.1) Falls ein Anstieg des Stromes (I_INV) am AC-Anschluss (14) über den vorgebbaren Stromgrenzwert während eines Zeitraums erkannt wird, der eine vorgebbare erste Zeitdauer überschreitet: Wechseln in den zweiten Betriebsmodus und Betreiben des Wechselrichters (10) in dem zweiten Betriebsmodus, und Erhöhen des Schwellwerts (SW).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt S4.1) wieder Schritt S3) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (SW) eine vorgebbare Anzahl von vorgebbaren diskreten Werten annehmen kann und beim Start des Verfahrens einen Initialwert annimmt sowie in Schritt S4.1) auf den nächsthöheren der diskreten Werte erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Initialwert zwischen 80% und 100%, bevorzugt bei ca. 85%, der Nennspannung des Wechselrichters liegt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zumindest zwei benachbarten diskreten Werten zwischen 3% und 7%, bevorzugt ca. 5%, der Nennspannung des Wechselrichters beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten diskreten Werten unterschiedlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten diskreten Werten größer wird, wenn die Werte größer werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten diskreten Werten kleiner wird, wenn die Werte größer werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch den Schritt S4.2) Falls der Wechselrichter (10) über einen Zeitraum im ersten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare zweite Zeitdauer überschreitet: Herabsetzen des Schwellwertes (SW) auf den Initialwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch den Schritt S3.2) Falls der Wechselrichter (10) über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare dritte Zeitdauer überschreitet: Erniedrigen des Schwellwertes (SW).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (10) zumindest über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, der einer vorgebbaren vierten Zeitdauer entspricht.
Wechselrichter (10) mit einem AC-Anschluss (14), einem DC-Anschluss (18) und einer zwischen dem AC-Anschluss (14) und dem DC-Anschluss (18) angeordneten Wechselrichterbrücke (16), wobei der Wechselrichter (10) in einem ersten Betriebsmodus betreibbar ist, in dem am AC-Anschluss (14) ein AC-Netz (12) über den Wechselrichter (10) mit elektrischer Leistung versorgt wird und die Spannung des AC-Netzes (12) über eine Regelung des Wechselrichters (10) geregelt wird, wobei eine Regeleinheit (20) des Wechselrichters (10) eingerichtet ist, die Regelung auszuführen und • Im ersten Betriebsmodus: einen Anstieg des Stromes (I_INV) am AC-Anschluss (14) über einen vorgebbaren Stromgrenzwert zu erkennen, und als Reaktion darauf in einen zweiten Betriebsmodus zu wechseln, wobei im zweiten Betriebsmodus die Regelung mittels einer virtuellen Impedanz (Z_VI(s)) den Strom (I_INV) am AC-Anschluss (14) begrenzt, • Im zweiten Betriebsmodus: einen Anstieg der Spannung am AC-Anschluss (14) über einen vorgebbaren Schwellwert (SW) zu erkennen und als Reaktion darauf in den ersten Betriebsmodus zu wechseln • Im ersten Betriebsmodus, sofern der Wechselrichter wiederholt im ersten Betriebsmodus ist: einen Anstieg des Stromes (I_INV) am AC-Anschluss (14) über den vorgebbaren Stromgrenzwert während eines Zeitraumes zu erkennen, der eine vorgebbare erste Zeitdauer überschreitet, und als Reaktion darauf in den zweiten Betriebsmodus zu wechseln und den Schwellwert (SW) zu erhöhen.
Wechselrichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinheit des Wechselrichters (10) eine vorgebbare Anzahl von vorgebbaren diskreten Werten gespeichert ist, die der Schwellwert (SW) annehmen kann, wobei der Schwellwert (SW) beim Erhöhen jeweils auf den nächsthöheren der diskreten Werte erhöht wird.
Wechselrichter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eingerichtet ist, den Schwellwert (SW) zu erniedrigen, falls der Wechselrichter (10) über einen Zeitraum im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, der eine vorgebbare dritte Zeitdauer überschreitet.