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Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für ein Energiesystem und ein Energiesystem, das mittels des Regelungsverfahren geregelt wird.
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Problemstellung
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In den letzten Jahrzehnten gab es einen Trend der Abkehr von Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern. Vielmehr ist es bevorzugt, Energie, insbesondere elektrische Energie, aus erneuerbaren Energiequellen zu erzeugen. Hierbei gibt es kommerzielle Energieerzeugungsanlagen mittels Photovoltaik oder auch mittels chemischer Anlagen, wie beispielsweise durch Brennstoffzellen. Diese Brennstoffzellen fungieren dabei als Gleichstromquelle, wobei dieser Gleichstrom vor einer Einspeisung durch Wechselrichter in ein Energieversorgungsnetz in Wechselstrom entsprechender Spannung umgewandelt werden muss. Je nach Leistung der Gleichstromquelle werden hierfür mehrere Wechselrichter verwendet. Im Allgemeinen sind solche Energieerzeugungsanlagen in einem Teilnetz angeordnet, in dem gleichzeitig auch Verbraucher vorhanden sind. Das Teilnetz ist dabei durch eine Trenneinrichtung, wie einen Schalter, mit dem Energieversorgungsnetz verbunden, so dass das Teilnetz im Falle eines Ausfalls oder einer anderen Fehlfunktion des Energieversorgungsnetzes vom Energieversorgungsnetz getrennt werden kann.
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Ist das Teilnetz durch die Trenneinrichtung von dem Energieversorgungsnetz getrennt, entsteht ein sogenanntes Inselnetz und die Verbraucher werden im Teilnetz durch die Gleichstromquelle über die Wechselrichter versorgt. Hierbei kann es dazu kommen, dass die Wechselrichter, nach einer Inselnetzerkennungszeit (auch IDT bzw. Islanding detection time), so schnell ihre eingespeiste Spannung erhöhen, dass der zugehörige Strom durch ein Überschwingverhalten über einen zulässigen Strom des Wechselrichters steigt. Im schlimmsten Fall kann es so dazu kommen, dass der zulässige Strom eines Wechselrichters so weit überschritten wird, dass der Wechselrichter aus Sicherheitsgründen durch eine Notausschaltung ausgeschaltet wird. Dies tritt insbesondere auf, wenn die am Teilnetz angeschlossenen Wechselrichter nicht miteinander kommunizieren oder über ein Master-Slave-Verhältnis verbunden sind. Jedoch sind sowohl Kommunikationsmittel als auch der Betrieb im Master-Slave-Verhältnis teuer und fehleranfällig.
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Ein Beispiel für eine solche Regelung aus dem Stand der Technik in einem Teilnetz mit mehreren Wechselrichtern und einer Gleichstromquelle ist in 1 dargestellt. 1 zeigt zwei Diagramme, wobei das obere Diagramm eine durch einen Wechselrichter im Inselnetz gestellte Spannung (Y-Achse) über die Zeit (X-Achse) darstellt. Das untere Diagramm stellt einen durch einen Wechselrichter im Inselnetz gestellten Strom (Y-Achse) über die Zeit (X-Achse) dar.
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Bis zum Zeitpunkt t1 wird ein Teilnetz noch von einem Energieversorgungsnetz versorgt. Ab dem Zeitpunkt t1 ist das Teilnetz vom Energieversorgungsnetz getrennt, wobei ein Abfall der Spannung von der Nennspannung des Energieversorgungsnetzes Unom auf eine erste Spannung U0 und ein kurzzeitiger Anstieg eines Stroms vom Strom des Energieversorgungsnetzes I0 oberhalb eines ersten Stroms Inom stattfinden. Nachdem die Verbindung zum Energieversorgungsnetz zwischen t1 und t2 nicht wiederhergestellt ist, wird festgestellt, dass das Teilnetz nun ein Inselnetz vorliegt. Die Wechselrichter im Teilnetz im Stand der Technik sind daher ab Zeitpunkt t2 bestrebt, so schnell wie möglich eine zweite Spannung Uend im Teilnetz zu erzeugen, damit der Betrieb von Verbrauchern im Teilnetz gewährleistet ist. Da alle Wechselrichter im Teilnetz dies gleichzeitig versuchen, wird die Spannung Uend überschritten. Ein Überschwingverhalten mit übermäßig großem Überschwinger findet statt. Gleichzeitig steigt der Strom über den zulässigen Strom Inom. Da festgestellt wird, dass ein zulässiger Strom überschritten ist, wird sofort die Spannung gesenkt, wodurch der Strom sinkt.
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Obwohl es so dargestellt ist, dass der Betrieb nach dem Überschwingen fortgesetzt wird, kann ein solches Überschwingen über den maximal zulässigen Strom zu einer Notabschaltung eines Wechselrichters führen. Dies zieht nach sich, dass andere im Teilnetz befindliche Wechselrichter die durch den abgeschalteten Wechselrichter fehlende Leistung bereitstellen wollen. Da der hierfür benötigte Strom auch oberhalb des zulässigen Stroms liegt, sind auch diese von der Notabschaltung betroffen, wodurch ein Dominoeffekt ausgelöst wird. Alle Wechselrichter werden sukzessive ausgeschaltet und das Teilnetz ist nicht versorgt.
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Technische Aufgabe
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Vor dem Hintergrund der obigen Probleme ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Überstromausschaltung von Wechselrichtern eines Energiesystems zu vermeiden und dieses Ziel insbesondere ohne zusätzliche Mittel wie eine Kommunikationsverbindung zwischen den Wechselrichtern kostengünstig und zuverlässig zu erreichen.
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Dieses Problem wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Aspekte und erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Neben- bzw. Unteransprüche.
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Der Hauptanspruch zeigt ein Regelungsverfahren für den Aufbau eines Inselnetzes durch ein Energiesystem mit zumindest einem Wechselrichter nach der Trennung von einem Energieversorgungssystem, das aufweist:
- -Erfassen eines Trennens eines Energieversorgungsnetzes und, nachdem eine Inselnetzerkennungszeit vergangen ist, Feststellen der Entstehung eines Inselnetzes, wobei bei dem Wechsel eine Netzspannung von einer Nennspannung auf eine erste Spannung fällt,
- -Erfassen der ersten Spannung, die sich nach dem Trennen eines Versorgungsnetzes in dem Inselnetz einstellt,
- -Bestimmen einer zweiten Spannung und Einstellen der zweiten Spannung als Soll-Spannung des zumindest einen Wechselrichters in dem Wechselrichtersystem, und
- -Sukzessives Erhöhen der Soll-Spannung auf eine Inselnetzsollspannung.
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Nach dem Hauptanspruch wird, mit anderen Worten, beim Erfassen einer Trennung vom Energieversorgungsnetz, zunächst eine im Vorhinein normativ oder herstellerseitig festgelegte Inselnetzerkennungszeit abgewartet. In diesem Zeitraum wird geprüft, ob die Versorgung durch das Energieversorgungsnetz wiederhergestellt ist oder nicht. Im Falle, dass die Versorgung durch das Energieversorgungsnetz nicht wiederhergestellt ist, wird festgestellt, dass das Teilnetz nun ein Inselnetz ist. Eine Trenneinrichtung des Teilnetzes wird geöffnet, sodass das Teilnetz vom Energieversorgungsnetz getrennt ist. Nachfolgend wird die Spannung erfasst, die sich nach einer Erfassungszeit im Teilnetz einstellt. Diese hängt unter anderem von den im Teilnetz vorhandenen Verbrauchern ab.
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Nachfolgend wird eine zweite Spannung bestimmt, die bevorzugt von der ersten Spannung verschieden ist, noch bevorzugter kleiner als die erste Spannung ist. Die zweite Spannung kann 0, 5, 10, 20, 25, 30, 40 oder auch 50 Prozent kleiner als die erste Spannung sein.
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Nachfolgend wird die zweite Spannung auf eine Inselnetzsollspannung erhöht, die voreingestellt sein kann. Ferner kann die Inselnetzsollspannung auch von anderen Faktoren abhängig sein, beispielsweise von der benötigten Spannung der Verbraucher.
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In einer Ausführungsform ist das Regelungsverfahren so ausgestaltet, dass die zweite Spannung kleiner als die erste Spannung ist. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise sichergestellt ist, dass gilt: zweite Spannung<erste Spannung<Inselnetzsollspannung. Mit anderen Worten ist die zweite Spannung die kleinste Spannung. Wird nun die zweite Spannung an die Inselnetzsollspannung angenähert, wird ein Überschwingverhalten der Regelung vermieden, sodass eine Notabschaltung nicht stattfindet.
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In einer Ausführungsform ist das Regelungsverfahren so ausgestaltet, dass die zweite Spannung kleiner als die Nennspannung ist.
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In einer Ausführungsform ist das Regelungsverfahren so ausgestaltet, dass die Inselnetzsollspannung gleich der Nennspannung ist. Dies ist vorteilhaft, da Verbraucher, die sich in dem Inselnetz befinden, mit der gleichen Spannung versorgt werden, die auch durch das Energieversorgungsnetz bereitgestellt würde. Folglich ist die Funktion der Verbraucher sichergestellt.
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In einer Ausführungsform ist das Regelungsverfahren so ausgestaltet, die Inselnetzsollspannung kleiner als die Nennspannung ist. Dies ist vorteilhaft, da sich durch die geringere Spannung üblicherweise bei den Verbrauchern ein geringerer Strom einstellt, wodurch eine Notabschaltung aufgrund einer Überschreitung des zulässigen Stroms vermieden wird.
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In einer Ausführungsform wird das sukzessive Erhöhen der Soll-Spannung auf eine Inselnetzsollspannung mit einer vorgegebenen Erhöhungsrate vorgenommen. Es ist in einer weiteren Ausführungsform auch denkbar, die Erhöhungsrate in Abhängigkeit des durch den Wechselrichter bereitgestellten Strom zu wählen, und insbesondere die Erhöhungsrate auf einen Wert nahe oder gleich Null zu reduzieren, wenn der Strom einen Wert erreicht, bei dem ein Abschalten des Wechselrichters droht.
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Durch eine vorgegebene Erhöhungsrate der Spannung auf eine Inselnetzspannung kann sichergestellt werden, dass ein Überschwingverhalten gering bleibt. Hierfür ist die vorgegebene Erhöhungsrate gering gewählt. Alternativ, im Falle, dass die Erhöhungsrate in Abhängigkeit des durch den Wechselrichter bereitgestellten Stroms gewählt wird, kann die Erhöhung der Soll-Spannung auf eine Inselnetzspannung dynamisch sein. Sollte der durch den Wechselrichter bereitgestellte Strom gering sein, kann die Erhöhungsrate so lange erhöht werden, bis der maximal zulässige Strom erreicht wird. Erreicht der Strom hierbei einen Wert, bei dem ein Abschalten des Wechselrichters droht, kann in einer Weiterbildung der vorstehenden Ausführungsform die Erhöhungsrate auf einen Wert nahe oder gleich Null reduziert wird, wodurch ein Abschalten des Wechselrichters vermieden wird.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Energiesystem mit Verbrauchern und zumindest zwei Wechselrichtern, wobei die zumindest zwei Wechselrichter dazu eingerichtet sind, unabhängig voneinander das Regelungsverfahren einer der vorstehenden Ausführungsformen durchzuführen.
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Das Energiesystem weist alle Vorteile des vorstehend beschriebenen Regelungsverfahrens auf. Es ist außerdem insbesondere ein Vorteil, dass ein Übergang von der Versorgung des Energiesystems über ein Energieversorgungsnetz zu der Versorgung des Energiesystems durch eine Gleichstromquelle problemlos stattfinden kann. Insbesondere eine Notabschaltung aufgrund einer Überschreitung des zulässigen Stroms eines der wenigstens zwei Wechselrichtern wird vermieden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt, von denen
- 1 einen Übergang von der Versorgung durch ein Energieversorgungsnetz zu einem Inselnetz nach dem Stand der Technik zeigt,
- 2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, und
- 3 einen Übergang von der Versorgung durch ein Energieversorgungsnetz zu einem Inselnetz nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Im Folgenden werden die Figuren detailliert erläutert.
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In 2 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Verfahren startet in Schritt S100 und schreitet zu Schritt S110 fort.
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In Schritt S110 wird erfasst, dass ein Teilnetz nun vom Energieversorgungsnetz getrennt ist. Nachdem eine Inselnetzerkennungszeit (IDT btw. Islanding detection time) vergangen ist, kann festgestellt werden, ob das Teilnetz ein Inselnetz ist oder nicht. Wenn das Teilnetz kein Inselnetz ist, startet das Verfahren erneut von Schritt S100.
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Wenn das Teilnetz ein Inselnetz ist, fährt das Verfahren zu Schritt S120 fort.
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In Schritt S120 wird eine erste Spannung Uo erfasst, die sich nach dem Übergang zum Inselnetz im Teilnetz einstellt. Das Verfahren fährt mit S130 fort.
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In Schritt S130 wird eine zweite Spannung UStart als Sollspannung Usoll des Wechselrichters, in dem die Steuerungseinheit das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, eingestellt. Das Verfahren fährt mit Schritt S140 fort.
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In Schritt S140 wird die Sollspannung Usoll des Wechselrichters auf sichere Weise auf eine Inselnetzsollspannung UInsel erhöht. Auf sichere Weise bedeutet dabei, dass die Spannung nicht schlagartig erhöht wird, sondern kontinuierlich. Ein Überschwingen in einen unzulässigen Bereich kann somit vermieden werden.
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Das Verfahren endet anschließend im Schritt 150.
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In 3 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Regelung in einem Teilnetz mit mehreren Wechselrichtern und einer Gleichstromquelle dargestellt. 3 zeigt zwei Diagramme, wobei das obere Diagramm eine durch einen Wechselrichter im Teilnetz gestellte Spannung (Y-Achse) über die Zeit (X-Achse) darstellt. Das untere Diagramm stellt einen durch einen Wechselrichter im Teilnetz gestellten Strom (Y-Achse) über die Zeit (X-Achse) dar.
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Bis zum Zeitpunkt t1 wird ein Teilnetz noch von einem Energieversorgungsnetz versorgt. Die vom Wechselrichter gestellte Spannung orientiert sich an der vom Energieversorgungsnetz vorgegebenen Spannung. Der vom Wechselrichter gestellte Strom stellt sich automatisch in Übereinstimmung mit normativen Vorgaben ein.
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Ab dem Zeitpunkt t1 ist das Teilnetz vom Energieversorgungsnetz getrennt, wobei ein Abfall der Spannung von der Nennspannung des Energieversorgungsnetzes Unom auf eine erste Spannung U0 und ein kurzzeitiger Anstieg eines Stroms vom Strom des Energieversorgungsnetzes (lo) oberhalb eines ersten Stroms Inom stattfinden.
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Nachdem die Verbindung zum Energieversorgungsnetz zwischen t1 und t2, also innerhalb der Inselnetzerkennungszeit (IDT bzw. Islanding detection time) nicht wiederhergestellt ist, ist festgestellt, dass nun ein Inselnetz vorliegt. Die Wechselrichter im Teilnetz, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, bestimmen zum Zeitpunkt t2 die erste Spannung Uo, die sich nach dem Wechsel von der Versorgung durch ein Energieversorgungsnetz zu einem Inselnetz im Teilnetz einstellt. Nachfolgend wird eine zweite Spannung UStart bestimmt. Diese zweite Spannung UStart wird als Sollspannung Usoll des Wechselrichters eingestellt.
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Wenn die Sollspannung Usoll erreicht ist, wird die Sollspannung Usoll auf die Inselnetzsollspannung Uend erhöht. Wie im oberen Diagramm von 3 zu sehen ist, ist ein Überschwingverhalten im Verhältnis zum Verfahren im Stand der Technik deutlich verbessert.
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Gleiches ist beim Strom, im unteren Diagramm von 3, erkennbar. Nach einem kurzzeitigen Anstieg des Stroms bei t1, sinkt er bis zum Zeitpunkt t2 ab. Wenn die zweite Spannung UStart als Sollspannung Usoll des Wechselrichters eingestellt ist, verringert sich der Strom nahezu auf einen Ausgangsstrom I0. Nachfolgend erhöht sich der Strom analog zur Spannung sukzessive bis zur ausreichenden Stromhöhe ILoad, bei der die Verbraucher im Teilnetz funktionsfähig sind. Ferner ist deutlich erkennbar, dass ein Überschwingverhalten beim Erreichen von ILoad gegenüber dem Verfahren des Stands der Technik deutlich verbessert ist.
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Bezugszeichenliste
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- S100-S150
- Schritt
