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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung und Betriebsführung eines Leistungswandlers, insbesondere eines Wechselrichters oder einer leistungselektronisch dominierten Anlage zur Erzeugung und/oder zur Speicherung und/oder zum Verbrauch elektrischer Leistung und Energie, wobei der Leistungswandler bzw. die Anlage an ein schwaches Stromnetz angeschlossen ist und wobei das Verfahren zur Erhöhung der Netzaufnahmekapazität beim Leistungsaustausch zwischen dem Leistungswandler bzw. der Anlage und einem schwachen Wechselstromnetz geeignet ist.
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STAND DER TECHNIK
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In schwachen Energienetzen kann es mit zunehmender Netzauslastung eine Herausforderung darstellen, leistungselektronisch dominierten elektrische Anlagen, insbesondere Energieerzeugungsanlagen mit einer relativ hohen elektrischen Leistung zu betreiben, ohne die Stabilität, insbesondere die Spannungsstabilität des Netzes zu gefährden. Die Stärke eines Netzes kann durch das sogenannte Kurzschlussverhältnis (englisch Short Circuit Ratio, kurz SCR) am Ort eines Netzanschlusspunktes angegeben werden, wobei ein Netz umso schwächer ist, je kleiner der SCR-Wert ist. Ein Netzausbau zur Steigerung des SCR-Wertes, d.h. beispielsweise eine Verlegung weiterer oder leistungsfähigerer Leitungen und/oder eine Optimierung weiterer Betriebsmittel wie Transformatoren kann aus technischer und/oder wirtschaftlicher Sicht nur begrenzt möglich sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Energietechnik ist daher bestrebt, Lösungen für die mit der Netzauslastung zunehmenden Herausforderungen aufgrund der beschränkter Transportkapazität zu finden, um eine Energieerzeugungsanlage sicher und ggf. mit Nominalleistung am Netz betreiben zu können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, großen Anlagen zur Erzeugung (z.B. durch Photovoltaik) und/oder zur Zwischenspeicherung (z.B. mit Batterien) und/oder zum Verbrauch elektrischer Leistung (z.B. durch Elektrolyse) einen stabilen, sicheren und leistungsfähigen Verbundnetzbetrieb in Energienetzen mit SCR≈1 und insbesondere kleiner SCR<1 zu ermöglichen. Derartige Anlagen werden häufig insbesondere dort gebaut und in ein Netz integriert, wo entsprechend günstige Bedingungen zur regenerativen Energieerzeugung aus PV oder Wind gegeben und/oder entsprechende Flächen und günstige Marktbedingungen vorhanden sind. Eine derart verbundnetzgekoppelte Anlage kann Erzeuger, Verbraucher und/oder Energiespeicher umfassen, die untereinander sowie über ihren Netzanschlusspunkt auch mit dem öffentlichen Verbundnetz elektrische Leistung und Energie austauschen.
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Oftmals ist in den für den Anlagenzweck günstigen Gebieten die Netzinfrastruktur nicht so gut ausgebaut wie an Standorten großer konventioneller Kraftwerke. Dies führt unter Umständen dazu, dass das Leistungspotenzial von leistungselektronisch dominierten Anlagen dem Verbundnetz gegenüber nur eingeschränkt zur Verfügung steht und nur unter enormen Kosten für den Ausbau der Netzinfrastruktur und den damit verbundenen großen Zeitverzögerungen gehoben werden kann. Aus wirtschaftlicher Sicht kann es aber auch im Falle einer sehr schwachen Netzanbindung im Vergleich zur Anlagenleistungsfähigkeit wirtschaftlich lukrativ und sinnvoll sein die Anlage verbundnetzgekoppelt zu betreiben und mit dem Energienetz eine (wenn auch begrenzte) Leistung und Energie auszutauschen, denn gerade in lokal sehr schwachen Netzabschnitten können solche Anlagen durch Bereitstellung von Leistung und Energie zur Lastversorgung bzw. für Netzdienstleistungen Zusatzeinnahmen erwirtschaften. Dabei können die Aufgaben solcher Anlagen die Vorhaltung und bedarfsmäßiger Erbringung stationärer oder transienter Austauschleistung und -energie mit dem Energienetz, z.B. in Form von Regelleistung, Momentanreserve oder Blindleistung, umfassen. Dafür muss allerdings stets die Synchronität mit dem öffentlichen Netz vorhanden sein.
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Eine Alternative stellen Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (Parallel-USV) von kritischen Verbrauchern dar, bei denen bewusst und dauerhaft eine große Entkopplungsinduktivität zwischen Verbrauchern und dem öffentlichen Stromnetz geschaltet wird, um auch im Netzkurzschlussfall die Spannung nahe dem Nennwert zu halten. Neben ihrer eigentlichen USV-Funktion ist es für solche parallel zum Stromnetz arbeitenden Anlagen sehr lukrativ sich zusätzlich an der Vorhaltung und Bereitstellung von z.B. oben genannten Netzsystemdienstleistungen zu beteiligen und dadurch Zusatzeinnahmen zu erwirtschaften.
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Im Verbundnetzbetrieb in einem schwachen Netz mit Kurzschlussverhältnissen SCR≈1 bzw. SCR<1 am Netzanschlusspunkt kann der Einfluss der Anlage auf die lokalen Netzgrößen die Stabilisierungsmechanismen des Verbundnetzes überstiegen. Die Realisierung leistungsfähiger Anlagen mit lokal hohem Anteil erneuerbarer Energien, die imstande sind unter solch schwachen Netzbedingungen zu arbeiten, ist mit großen Herausforderungen verbunden, um die Netzstabilität aufrecht zu erhalten und Netzbetriebsmittel vor Überlastung zu schützen. Sowohl Anlagenbetreiber, die solch große Anlagen in schwachen Netzen umsetzen wollen, als auch Netzbetreiber sind auf der Suche nach Lösungen, um bei der Realisierung ihrer Vorhaben unabhängiger von Einschränkungen der Netzanschlussbedingungen zu sein.
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Die im Folgenden beschriebene Erfindung leistet einen Beitrag zur Lösung dieser Herausforderungen. Im Vergleich zum Stand der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung darin, stabile Spannungsverhältnisse bei größtmöglichem Leistungsaustausch zwischen einer großen leistungselektronisch dominierten Anlage und einem schwachen Netz mit SCR≤1 zu gewährleisten, so dass insbesondere eine größtmögliche Energieausbeute aus erneuerbaren Energiequellen bei schwacher Netzanbindung und eine bessere Ausnutzung der Netztransportkapazität nahe den physikalischen Grenzen des Stromnetzes erreicht wird.
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Konkret ist die Netzstabilität in sehr schwachen Netzen stark abhängig von der Stabilität der Amplitude und Phase der Spannung am Netzanschlusspunkt einer Anlage sowie am Anschlusspunkt der Anlagenbetriebsmittel, insbesondere der leistungselektronischen Stromrichter der Anlage. Im Verbundnetzbetrieb wird die Amplitude, Phase und Frequenz der Netzspannung am NAP durch eine große Anzahl von netzbildenden Generatoren im Zusammenspiel mit geeigneten Netzbetriebsmitteln, z.B. regelbaren Transformatoren, Statcoms, Phasenschieber und Ähnlichem geregelt. Die lokale Beeinflussbarkeit der Netzgrößen an einem Netzanschlusspunkt hängt dabei zum einen von den lokalen physikalischen Netzeigenschaften ab, welche die Empfindlichkeit des Spannungsraumzeigers auf Netzereignisse definieren. Dazu gehören insbesondere die elektrische Impedanz des Netzes, samt der Impedanz lokaler Netzbetriebsmittel, sowie die lokale Trägheit von Quellen und Lasten, die heutzutage noch häufig von rotierender Schwungmassen elektrischer Generatoren und Motoren dominiert wird. Darüber hinaus hängt die Netzstabilität von der Leistungsfähigkeit der aktiven Netzteilnehmer (Erzeuger, Speicher oder Last) im Verhältnis zur Leistungsfähigkeit der netzstabilisierenden Wirkmechanismen am betroffenen Netzanschlusspunkt ab.
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Der Grad der Beeinflussbarkeit der Amplitude und Phase der lokalen Spannung am Netzanschlusspunkt durch eine leistungselektronisch dominierte Anlage lässt sich abschätzen mit Hilfe des Verhältnisses zwischen der (netzbildenden) Netzkurzschlussleistung und der (netzfolgenden) Anlagenkurzschlussleistung, dem sog. Kurzschlussverhältnis oder Short Circuit Ratio, kurz SCR. Die resultierende Änderung der lokalen Netzspannung U_NAP am Netzanschlusspunkt NAP ist anhängig von der resultierenden komplexen Ersatzimpedanz Z_NETZ des Stromnetzes am Netzanschlusspunkt NAP, die mit dem Kurzschlussverhältnis SCR in Beziehung steht, sowie vom Wirk- und Blindstrom bzw. Wirk- und Blindleistungsaustausch zwischen Anlage und Energienetz (vgl. 1).
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Mit abnehmendem Kurzschlussverhältnis SCR bzw. zunehmender Impedanz Z_NETZ hat eine leistungselektronisch dominierte Anlage aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten einen zunehmenden Einfluss auf die Amplitude und Phasenlage der lokalen Netzspannung am Netzanschlusspunkt NAP, wenn ein Leistungsaustausch mit dem Stromnetz stattfindet. Wenn kein Leistungsaustausch mit dem Stromnetz stattfinden, wird die Netzspannung U_NETZ durch das Stromnetz und insbesondere die daran anderswo angeschlossenen netzbildenden Spannungsquellen, beispielsweise durch konventionelle Generatoren bestimmt. Für große Kurzschlussverhältnisse SCR bzw. kleine Impedanzen Z_NETZ ist der Einfluss einer Anlage auf lokale Größen eher gering, während für kleine Kurzschlussverhältnisse SCR bzw. große Impedanzen Z_NETZ, insbesondere für SCR<3 und X/R<5, die Einflussnahme einer leistungselektronisch dominierten Anlage auf die elektrischen Größen im Netz erheblich zunimmt. Für Kurzschlussverhältnisse SCR<1 übersteigt der Einfluss einer Anlage den Einfluss des übrigen Netzes auf die Netzspannung U_NAP am Netzanschlusspunkt NAP, so dass ein Austausch der gesamten Leistung der Anlage mit dem Netz unter Umständen nicht mehr dauerhaft möglich ist.
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Die Realisierung von Anlagen mit hoher Leistungsfähigkeit, die ein derart „weiches“ Netzspannungsverhalten an ihrem Netzanschlusspunkt hervorrufen, stellt in vielerlei Hinsicht eine Herausforderung dar. Je nach Höhe und Charakteristik der Netzimpedanz Z_NETZ (repräsentiert durch Reaktanz X und Serienwiderstand R) steigt oder sinkt die Spannungsamplitude am Netzanschlusspunkt NAP bei einem Austausch elektrischer Wirkleistung P und/oder Blindleistung Q mit dem Stromnetz, und es ändert sich der Spannungsphasenwinkel am Netzanschlusspunkt NAP im Vergleich zum unbelasteten Fall ohne Leistungsaustausch zwischen Anlage und Netz. Eine starke Beeinflussbarkeit der Spannungsamplitude und des Spannungsphasenwinkels am Netzanschlusspunkt NAP infolge einer stationären oder transienten Netzaustauschleistung kann im ungünstigsten Fall zu Stabilitätsproblemen führen. In der Folge sind gewünschte Arbeitspunkte der Netzaustauschleitung nicht erreichbar und können nicht angefahren werden, was zu nachteiligen Einschränkungen der Anlagenleistungsfähigkeit und zu wirtschaftlichen Einbußen führen kann, indem anlagenseitig an sich mögliche und gewünschte elektrische Leistungen nicht mit dem Netz ausgetauscht werden können, ohne die Netzstabilität zu gefährden.
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Spannungsstabilitätsphänomene können insbesondere aufgrund physikalischer Grenzen des Leistungstransports in einem Stromnetzes auftreten. Stabilitätsphänomene mit negativen Folgen für den Netz- und Anlagenbetrieb können auftreten, wenn die Spannungsamplitude der Netzspannung am Netzanschlusspunkt ein zulässiges Toleranzband (z.B. ±10%) um einen Spannungsnennwert verlässt, wenn bei einer Erhöhung der Netzaustauschleistung kritische Wirk- und Blindleistungspunkte überschritten werden, bei denen die Spannungsamplitude einbricht und eine Grenzzyklusschwingung einsetzt, welche durch eine Rücknahme der Netzaustauschleistung nicht mehr aufgehalten werden kann, und/oder wenn die maximal erlaubte Scheinleistungsgrenze der Netzaustauschleistung überschritten wird.
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Je schwächer ein Netz an einem Netzanschlusspunkt NAP einer Anlage ist, desto eher lässt sich die lokale Netzspannung bereits bei geringem Wirkleistungsaustausch derart beeinflussen, dass zulässige Spannungswerte über- oder unterschritten werden. Im Falle einer dauerhaften Über- oder Unterschreitung der zulässigen Spannungsgrenzen kann es zu einer Abschaltung von Erzeugern und Lasten kommen. Darüber hinaus kann es im Grenzbereich zulässiger Spannung zum Auslösen netzstützender Funktionen wie vollständiger oder eingeschränkter dynamischer Netzstützung (engl. Fault Ride Through, FRT) kommen, was zu einem unerwünschten Systemverhalten führen kann. Zur Vermeidung solcher unerwünschten Zustände und zur Vermeidung von Über- oder Unterschreitungen der zulässigen Spannungsgrenzen muss der zulässige Wirkleistungsaustausch mit dem Energienetz auf Werte unterhalb der Netztransportkapazität limitiert werden, obwohl das Stromnetz von seiner Leistungsfähigkeit eine größere Leistung aufnehmen könnte.
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Unabhängig von der Höhe der lokalen Netzspannung stellen sogenannte kritische Kipppunkte (engl. Tipping points) eine Grenze für die zulässige Netzaustauschleistung einer leistungselektronisch dominierten Anlage dar. Solch ein Kipppunkt stellt eine Stabilitätsgrenze dar, die durch physikalische Gesetzmäßigkeiten gegeben ist, und analytisch berechnet werden kann. Dabei kann zwischen einem Wirkleistungskipppunkt in Einspeiserichtung und einem Wirkleistungskipppunkt in Entnahmerichtung unterschieden werden. Diese Kippunkte werden erreich, wenn die Spannung am Netzanschlusspunkt U_NAP einen Grenzwert unterschreitet und/oder wenn der Betrag der Wirkleistung einen Grenzwert überschreitet. Insbesondere eine Erhöhung einer von einer Anlage eingespeisten Wirkleistung über einen kritischen Kipppunkt-Grenzwert bei näherungsweise konstanter Blindleistung führt zu einer rapide einsetzenden Instabilität durch Einbrechen der Netzspannung sowie der ausgetauschten Leistung.
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Die Lage der kritischen Kipppunkte und der damit verbundene stationäre Stabilitätsbereich lässt sich jedoch grundsätzlich durch Austausch einer geeigneten Blindleistung Q mit dem Energienetz oder durch Anheben der netzseitigen Spannungsamplitude U_NETZ beeinflussen bzw. erweitern. Insbesondere kann für eine gewünschte Wirkleistungseinspeisung bei einer gleichzeitigen Haltung der gewünschten Spannung am Netzanschlusspunkt eine notwendige Blindleistung bestimmt werden, die zusätzlich zur Wirkleistung aufgebracht werden muss, um das Netz stabil zu halten. Allerdings können die Grenzen der Wirkleistungseinspeisung bzw. die Kippunkte nicht beliebig durch Blindleistungseinspeisung verschoben werden. Eine zusätzliche Blindleistung erlaubt einen größeren Wirkleistungsaustausch mit dem Energienetz im zulässigen Spannungsband, d.h. eine höhere Netzauslastung, nur solange weitere kritische Punkte einer Blindleistungs-Spannungs-Kurve Q(U) nicht verletzt werden.
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Durch Verschiebung des Spannungsarbeitspunkts mittels Blindleistungsbereitstellung kann somit der zulässige Wirkleistungsaustausch mit dem Stromnetz in Grenzen erhöht werden.
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An einem im Vergleich zum Leistungspotential einer leistungselektronisch dominierten Anlage schwach ausgebauten Netzanschluss oder Netzabschnitt kann es bei geeigneten Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei hoher Einstrahlung auf einen Photovoltaik-Generator oder entsprechenden Windbedingungen oder bei hohen Lastspitzen zu Situationen kommen, bei denen die Austauschleistung zwischen Anlage und Netz an die Netzaufnahmegrenzen stößt oder diese Grenzen im äußersten Fall sogar übersteigt. Umgekehrt kann es sogar wünschenswert oder vorteilhaft sein, leistungselektronisch dominierte Anlagen so auszulegen und aufzubauen, dass sie selbst unter eingeschränkten Netzanschlussbedingungen zeitweise oder dauerhaft lokal große Energiemengen zu produzieren und diese ggfs. zu lokal zu verbrauchen oder zwischenzuspeichern, und zwar mit einer zeitweise größeren Leistung als über das Netz transportiert werden kann. Um mit einer solch leistungsfähigen Anlage die Netzstabilität nicht zu gefährden und Netzbetriebsmittel nicht zu beschädigen, ist es zwingend erforderlich, die mit dem Stromnetz ausgetauschte Leistung auf zulässige Maximalwerte der Scheinleistung zu begrenzen, z.B. durch Zwischenspeicherung innerhalb der Erzeugungsanlage oder durch Abregelung der Erzeugung bzw. Last. Zu bedenken ist dabei, dass sich die zulässigen Maximalwerte für die Austauschleistung je nach Situation im Netz mit der Zeit ändern können. Ursache für solche Änderungen der Maximalwerte, insbesondere der oben erwähnten Kipppunkte können z.B. Änderungen des Lastflusses im Netz, Änderungen der Umgebungstemperatur von Netzbetriebsmitteln oder ein störungsbedingter Ausfall bzw. ein geplantes Abschalten von Netzleitungen sein. Die maximal erlaubte, praktische Scheinleistungsgrenze der Netzaustauschleistung ist demnach ein weiterer kritischer Betriebspunkt, bei deren dauerhafter Überschreitung Netzbetriebsmittel beschädigt werden können.
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Zusammengefasst ist ein stabiler Betrieb eines Stromnetzes somit gefährdet, wenn die Istwerte der Spannung an einem Netzanschlusspunkt und des Leistungsaustauschs einer Anlage mit dem Stromnetz die oben genannten Bedingungen verletzen. Dies gilt sowohl im stationären Betrieb mit näherungsweise konstanter Anlagenleistung als auch im transienten Fall eines Netzfehlers sowie unabhängig davon, ob die Anlage das Verhalten einer Stromquelle oder einer Spannungsquelle aufweist. Dabei kann insbesondere die Netzspannung bei Überschreitung eines der kritischen Betriebspunkte auch durch Reduzierung der Austauschleistung zwischen Anlage und Netz nicht mehr ohne weiteres stabilisiert werden.
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Darüber hinaus ist auch die Stabilität der Ausgangsleistung von Leistungswandlern und entsprechenden leistungselektronisch dominierten Anlagen mit der Stabilität der Spannungsamplitude und Phasenlage am Netzanschlusspunkt verknüpft. Insbesondere können transiente Ereignisse einerseits von der Regelung des Leistungswandlers ausgeregelt werden, so dass der Leistungswandler nach einer endlichen Einschwingzeit in einen stabilen Zustand zurückkehrt; andererseits können aufgrund der Dynamik der Anlage und ihrer Wechselwirkung mit dem Stromnetz im geschlossenen Regelkreis bei signifikanten Reaktionsverzögerungen der Regelung insbesondere in schwachen Netzen starke Wechselwirkungen der Leistungseinspeisung mit der lokalen Spannung an den Anschlussklemmen des Leistungswandlers auftreten. Dies betrifft sowohl synchrone, subsynchrone als auch supersynchrone Dynamiken (Eigenbewegungen) des Gesamtsystems, bestehend aus der Anlage und Stromnetz.
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Konkret haben die Höhe und Charakteristik der resultierenden Netzimpedanz Z_NETZ bzw. das Kurzschlussverhältnis an den Anschlussklemmen eines einzelnen netzfolgenden Leistungswandlers mit zunehmendem Leistungsaustausch mit dem Energienetz eine zunehmende Amplituden- und Phasenempfindlichkeit. Dies hat zur Folge, dass in Arbeitspunkten mit hoher Austauschleistung zwischen Leistungswandler bzw. Anlage und Netz bereits geringe transiente Leistungsänderungen, z.B. aufgrund von Schalthandlungen oder Änderungen der Leistungsbilanz in der Anlage oder im Stromnetz, signifikante Amplituden und Phasenänderungen der Klemmenspannung des Leistungswandlers hervorrufen können. Eine herkömmliche Regelung eines Leistungswandlers ist nicht dazu eingerichtet, sich dieser Amplituden- und Phasenänderung genügend schnell anzupassen, sondern kann dies nur mit einer großen Verzögerung. Dadurch kommt es üblicherweise zu permanenten Wechselwirkungen zwischen der Leistungseinspeisung und der Amplituden- und Phasenänderung der Spannung an den Anschlussklemmen. Das führt im ungünstigsten Fall zu persistenten sub- oder supersynchronen Schwingungen oder sogar zu einer Verstärkung dieser Schwingungen, also zu einer Instabilität.
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Dabei ist insbesondere bei einer netzfolgenden Regelung eines Leistungswandlers zu beachten, dass die Bandbreite und die Dämpfung eines geschlossenen Stromregelkreises des Leistungswandlers sich mit abnehmendem Kurzschlussverhältnis verringert, so dass bei Änderungen der Amplitude oder der Phase der Netzspannung die mit dem Netz ausgetauschten Ströme bzw. Leistungen entsprechend langsamer auf die vorgegebenen Sollwerte geregelt werden können. Wenn darüber hinaus der Einfluss des Leistungswandlers bzw. der Anlage auf die elektrischen Parameter am Netzanschlusspunkt wesentlich größer als der Einfluss des übrigen Stromnetzes, insbesondere wenn die weiteren Erzeuger und Lasten im Stromnetz eine geringe Trägheit und Dämpfung aufweisen, wird die lokale Phase und Frequenz zunehmend durch den Strom bzw. die Leistung der Anlage selbst bestimmt. Dadurch kann eine Phasenregelschleife (PLL) eines netzfolgend geregelten Leistungswandlers ihre Synchronisierungsfähigkeit (PLL-Stabilität) verlieren.
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Die Stabilitätsgrenze einer netzfolgenden Regelung eines Leistungswandlers wird in der Praxis häufig angegeben mit der Bedingung SCR ≥ SCR_min. Wird diese Bedingung im Netznormalbetrieb oder bei Störungen wie z.B. einem Netzkurzschluss oder dem Abtrennen einer oder mehrerer Netzleitungen verletzt, so dass das Kurzschlussverhältnis SCR eine Untergrenze SCR_min unterschreitet, so kann es infolge von Netzereignissen zu lokalen Instabilitäten kommen, die einen Erzeugungs- oder Lastabwurf zur Folge haben können, im äußersten Fall mit Konsequenzen für die Stabilität im gesamten Verbundnetz.
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Die Bedingung SCR ≥ SCR_min repräsentiert allerdings nur eine grobe Schätzung der tatsächlichen Stabilitätsgrenze, da die tatsächliche Netzimpedanz sowie das Kurzschlussverhältnis SCR frequenzanhängige und nichtlineare Größen sind und Eigenmoden im gesamten Frequenzspektrum der Regelungsbandbreite des geschlossenen Regelkreises eine schwache Dämpfung bis hin zur Verstärkung aufweisen können. Eine genauere Abschätzung der Stabilität einer an ein schwaches Netz gekoppelten Anlage kann z.B. mit Hilfe von realitätsnahen Simulationen oder mittels eines Impedanz-basierten Stabilitätskriteriums, jeweils entweder analytisch oder aus gemessenen oder bekannten Frequenzgangdaten ermittelt werden. Dieses Kriterium basiert auf dem Nyquist-Stabilitätskriterium aus der Regelungstheorie und besagt, dass die Stabilität einer netzgekoppelten Anlage mit einem Ersatzschaltbild gemäß 1 genau dann gewährleistet ist, wenn gemäß der resultierenden Übertragungsfunktion das Verhältnis Z_NETZ/Z_ANLAGE aus komplexer Netzersatzimpedanz Z_NETZ und komplexer Anlagenersatzimpedanz Z_ANLAGE dem Nyquist-Kriterium genügt, so dass die Verstärkung von Z_NETZ/Z_ANLAGE bei Phasenverschiebungen von kleiner -180 Grad kleiner als 1 ist. Damit die Stabilität für einen großen Wertebereich von Z_NETZ gewährleistet ist, sollte die Anlage folglich eine größtmögliche Ausgangsimpedanz Z_ANLAGE aufweisen, was in der Realität nicht immer realisierbar ist.
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Leistungswandler, die mit einer spannungsfolgenden Regelung betrieben werden, synchronisieren ihren Leistungsaustausch permanent mit der Spannung an ihren Anschlussklemmen und sind mit ihrer Leistungseinspeisung nur dann imstande, der Spannung robust zu folgen und einen stabilen Leistungsaustausch zu gewährleisten, wenn die Amplitude und Phasenlage der Spannung am Netzanschlusspunkt eine ausreichende Steifigkeit oder Trägheit in Bezug auf Leistungsänderungen des Leistungswandlers aufweist, oder wenn die Regelung des Leistungswandlers bei Spannungsänderungen imstande ist, den mit dem Netz ausgetauschten Strom und/oder die direkt die Spannung am Netzanschlusspunkt ausreichend schnell zu stabilisieren. Die Steifigkeit bzw. Trägheit am Netzanschlusspunkt ist bei starren Netzen mit niedriger Netzimpedanz regelmäßig ausreichend, in schwachen Netzen mit hoher Netzimpedanz jedoch nur in Arbeitspunkten bei niedriger Austauschleistung des Leistungswandlers. Die Stromregelung des Leistungswandlers kann mit speziellen Verfahren entweder sehr schnelle oder sehr robust ausgelegt werden, was sich in der Regel widerspricht. Eine schnelle Spannungsregelung ist ebenfalls grundsätzlich erzielbar, entweder der Leistungswandler selbst eine entsprechende Regelung aufweist oder indem zusätzliche spannungseinprägende Einheiten, z.B. netzbildende Stromrichter oder Phasenschieber das Beharrungsvermögen der Phase und Amplitude der Spannung am Netzanschlusspunkt erhöhen. In sehr schwachen Netzen kann der Einsatz von Phasenschiebern oder netzbildenden Leistungswandlern zwar zur Stabilisierung stromeinprägender Anlagen geeignet sein, sich jedoch negativ auf die Spannungsstabilität infolge physikalischer Grenzen des Leistungsaustauschs mit dem Stromnetz auswirken. Springt der Phasenwinkel oder der Frequenzgradient im Netz infolge von Netzereignissen, so führt das Beharrungsvermögen des Phasenwinkels und der Amplitude eines spannungseinprägenden Leistungswandlers zu einem unmittelbaren Leistungsaustausch mit dem Stromnetz. Insbesondere beim Betrieb einer leistungselektronisch dominierten Anlage in der Nähe der kritischen Kipppunkte kann solch ein Verhalten zur Überschreitung der Kipppunkte und somit schnell zu einer Instabilität führen. In dieser Hinsicht scheint der Einsatz von Phasenschiebern basierend auf einer mechanischen Trägheit einer rotierenden Schwungmasse zur Stabilisierung in sehr schwachen Netzen eher nachteilig gegenüber Leistungswandlern mit verstellbarer Trägheit bzw. geeigneter Begrenzung der Ströme und Leistungen zu sein.
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Da in schwachen Netzen sowohl die Wirkleistung als auch die Blindleistung eines Leistungswandlers oder einer leistungselektronisch dominierten Anlage einen Einfluss auf den Phasenwinkel sowie auf die Amplitude der Spannung an deren Netzanschlusspunkt haben, werden zur Verbesserung der Stabilität der Regelung eines Leistungswandlers in schwachen Netzen verschiedene Lösungen im Stand der Technik bekannt. Diese bekannten Lösungen können eine Begrenzung der mit dem Stromnetz ausgetauschten Wirkleistung P umfassen, was jedoch mit Ertragseinbußen verbunden ist, oder eine Spannungsstabilisierung durch eine schnelle Bereitstellung von Blindleistung insbesondere über eine Q(U)-Statik aufweisen, was jedoch insbesondere bei höher Einspeisung die Gefahr eines Überschreitens eines Kipppunktes beinhaltet. Eine ebenfalls bekannte Spannungsstabilisierung durch zusätzliche Betriebsmittel wie z.B. Phasenschieber und regelbare Transformatoren oder schnell schaltbare Kondensatoren und Induktivitäten ist mit Zusatzaufwand Kosten verbunden und birgt ebenfalls das Risiko einer Überschreitung von Kipppunkten.
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Als Lösungen zur Erhöhung der Netzaustauschleistung unter Einhaltung der Spannungsstabilität in schwachen Netzen sind im Stand der Technik Verfahren bekannt, welche auf einer netzspannungsstützenden Blindleistungsbereitstellung zusätzlich zur Wirkleistungseinspeisung beruhen. Die Blindleistung wird dabei erbracht z.B. durch Betriebsmittel zur Spannungsstabilisierung durch Blindleistung, wie z.B. Phasenschieber und regelbare Transformatoren, schaltbare Kondensatoren und Induktivitäten, die in der Regel erhebliche Kosten verursachen. Eine Blindleistungsbereitstellung durch den Leistungswandler selbst zur Stabilisierung der Spannung und der Netzeinspeisung mittels einer Q(U)-Kennlinie mit schneller Dynamik in einer netzfolgenden Erzeugungsanlage ist in 2 dargestellt.
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Die Stabilität in einem sehr schwachen Netz kann jedoch mit einem Proportional-Regler (R-Regler) oder einem Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) für die Q(U)-Statik nicht garantiert werden, da insbesondere das transiente Verhalten dieser Regelungen dazu führen kann, dass beim einem transienten Vorgang infolge einer Änderung des Sollwertes für die Austauschleistung oder infolge eines netzseitigen Ereignisses der Abstand zu den kritischen Kipppunkten kleiner wird und Instabilitäten auftreten können. Es sind Verfahren notwendig, die imstande sind die Stabilität durch entsprechende Leistungsanpassung zu gewährleisten.
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Aus der
EP 2 662 944 B1 ist eine Überwachung des Verhältnisses einer Spannungsänderung zu einer Leistungsänderung bekannt, wobei bei Unterschreitung einer Steigungsgrenze die Spannung am Leistungswandler durch eine Änderung eines Übersetzungsverhältnisses eines Transformators zwischen Leistungswandler und Netz angehoben wird.
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Aus der
WO 2017 174 085 A1 ist ein Verfahren bekannt, das eine Ermittlung der Netzimpedanz, eine Berechnung der benötigten Blindleistung anhand der Netzimpedanz und eines Wirkleistungssollwerts sowie ein Einregeln der Ausgangsleistung einer Windkraftanlage in Abhängigkeit von der berechneten Blindleistung umfasst, wobei bei mehreren parallel betriebenen Windkraftanlagen eine Kommunikation zwischen diesen Anlagen bzw. zwischen deren Leistungswandlern notwendig ist.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben ausführlich erläuterten Probleme im Stand der Technik zu lösen und insbesondere die Stabilität des Betriebs eines Leistungswandlers oder einer leistungselektronisch dominierten Anlage an einem schwachen Netz sowie die Stabilität des Netzes selbst bei gleichzeitiger Maximierung des Leistungsaustauschs zu gewährleisten.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie eine Leistungswandler mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Verfahren betrifft die Regelung eines Leistungsaustauschs einer Anlage, die Erzeuger und/oder Speicher und/oder Verbraucher und/oder andere Betriebsmittel umfassen kann, mit einem Stromnetz, welches aus einer Summe von Stromkabeln, Verbrauchern und/oder Erzeugern und/oder Speichern und/oder anderen Betriebsmitteln bestehen kann, über einen Leistungswandler und einen Netzanschlusspunkt zwischen der Anlage und dem Stromnetz. Das Verfahren umfasst eine Regelung eines Leistungswandlers der elektrischen Anlage, die an einem in Relation zur Anlagengesamtleistung schwachen Netzanschluss angeschlossen ist. Dabei wird der Leistungswandler in der Nähe und bevorzugt bei einer Stabilitätsgrenze betrieben, so dass die Netzleistungsaustausch maximiert ist. Dies stellt die optimale Betriebsweise der Anlage im Hinblick auf die physikalisch zulässigen Grenzen für den Leistungsaustausch mit dem Stromnetz dar.
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In dem Verfahren stellt die Anlage eine Wirkleistung P und eine Blindleistung Q derart bereit, dass eine zulässige, maximal mögliche Wirkleistung stabil und sicher mit einem vergleichsweise schwachen Stromnetz ausgetauscht werden kann und dabei die lokale Netzspannung insbesondere am Netzanschlusspunkt innerhalb zulässiger Toleranzgrenzen stabil verbleibt. Als kleinste Einheit einer Anlage, welche die erfindungsgemäße Lösung umsetzt, kann z.B. ein einzelner Wechselrichter betrachtet werden, der im Erzeugungs- oder Lastbetrieb arbeitet.
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Die entsprechenden Maximalwerte für die Austauschleistung zwischen Anlage und Netz lassen sich grundsätzlich berechnen, sofern die äquivalenten Parameter des Stromnetzes wie Spannung und komplexe Impedanz am Netzanschlusspunkt bekannt sind. Die Realisierung einer solchen optimalen Anlagenbetriebsweise stellt insbesondere dann eine große Herausforderung dar, wenn die Netzparameter nicht konstant sind und einer zeitlichen Änderung unterliegen, z.B. aufgrund von Last- und Erzeugungsänderungen im Netznormalbetrieb oder bei Leitungsauftrennungen infolge von Schalthandlungen oder Fehlern im Netz.
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Da sich die Netzimpedanz und damit die Stabilitätsgrenzen in der Realität permanent ändern, muss auch die zwischen Anlage und Netz ausgetauschte Leistung ggf. angepasst werden, um die zulässigen Grenzen für den Leistungsaustausch einzuhalten und den stabilen und sicheren Stromnetzbetrieb zu gewährleisten. Die hier offenbarte Erfindung ermöglicht es, den zulässigen Maximalwert der Netzaustauschleistung im Voraus zu berechnen, Stabilitätsprobleme vorherzusehen und die Netzaustauschleistung automatisch derart anzupassen, dass nur so viel Leistung mit dem Netz ausgetauscht wird, wie der stabile Betrieb es zulässt, d.h. unter maximal möglicher Auslastung des Stromnetzes.
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Das Verfahren kann sowohl in einem Leistungswandler der Anlage als auch in einem Anlagenregler umgesetzt werden kann und ist gleichermaßen auf netzfolgende, d.h. stromeinprägende, als auch auf netzbildende, d.h. spannungseinprägende Leistungswandler anwendbar.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- - Schätzen von Netzparametern an einem Verknüpfungspunkt in der Anlage aus einer gemessenen Wirkleistung P, einer gemessenen Blindleistung Q und einer Spannungsamplitude U am gleichen Verknüpfungspunkt, wobei die Netzparameter eine Reaktanz X, eine Serienimpedanz R und eine Netzspannung U_Netz umfassen.
- - Überprüfen der Netzstärke, indem berechnet wird, ob die Spannung U_NAP am Netzanschlusspunkt (NAP) bei einer Anlagenleistung P und einer Blindleistung Q = 0 innerhalb definierter Spannungsgrenzen resultiert
- - Falls die Überprüfung ergibt, dass das Netz starr ist, wird der aktuell geforderte Arbeitspunkt eingestellt, ohne zusätzliche Blindleistung auszutauschen
- - Falls die Überprüfung ergibt, dass das Netz zu schwach für eine Einstellung des den geforderten Arbeitspunkts ist, wird die zum Einstellen der Sollleistung P_soll am geforderten Arbeitspunkt unter Einhaltung der Sollspannung U_NAP_soll am Netzanschlusspunkt notwendige Blindleistung Q_FF unter Berücksichtigung der geschätzten Netzparameter berechnet
- - Dann wird zunächst die Erreichbarkeit des gewünschten Arbeitspunktes seitens der Anlage überprüft, d.h. ob die Scheinleistung S aus Sollleistung P_soll und Blindleistung Q_FF unterhalb der maximal zulässigen Scheinleistung der Anlage liegt; falls dieser Arbeitspunkt nicht erreichbar ist, wird der Wirkleistungssollwert P_soll derart angepasst, dass die Scheinleistung S einen zulässigen Wert aufweist
- - Falls der gewünschte Arbeitspunkt erreichbar ist wird überprüft, ob dieser Arbeitspunkt eine stationäre Stabilität aufweist, d.h. weder unzulässige Spannungen U_NAP am Netzanschlusspunkt noch unzulässig hohe Blindleistungen Q_NAP am Netzanschlusspunkt auftreten
- - Wenn die stationäre Stabilität des Arbeitspunktes nicht gegeben ist, wird der Spannungssollwert U_NAP_soll erhöht, wobei der erhöhte Spannungssollwert einen maximalen Spannungswert U_NAP_max nicht überschreitet; falls eine Erhöhung nicht möglich ist, wird der Wirkleistungssollwert P_soll reduziert
- - Wenn die stationäre Stabilität des Arbeitspunkts gewährleistet ist, wird der Arbeitspunkt umfassend den Wirkleistungssollwert P_soll, den Spannungssollwert U_NAP_soll und die berechnete Blindleistung Q_FF angefahren
- - Während der Arbeitspunkt transient angefahren wird, wird die transiente Stabilität überwacht, indem die Momentanwerte der Spannung U_NAP am Netzanschlusspunkt, der Wirkleistung P und der Blindleistung Q auf Überschreitung kritischer Punkte überprüft
- - Wenn die transiente Stabilität gefährdet ist, wird (wie bei der Prüfung auf stationäre Stabilität) der Spannungssollwert U_NAP_soll erhöht, unter der Voraussetzung, dass eine Erhöhung einen maximalen Spannungswert U_NAP_max nicht überschreitet; andernfalls wird der Wirkleistungssollwert P_soll reduziert
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In Ausführungsformen des Verfahrens kann die Erhöhung der Spannung U_NAP durch Blindleistungsbereitstellung oder alternativ durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Transformators zwischen Leistungswandler und Netz durchgeführt werden.
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Die zur Stabilisierung vorgeschlagene Blindleistung kann durch einen Leistungswandler der Anlage selbst, durch einen anderen Stromrichter oder durch andere Betriebsmittel wie Kapazitäten oder Induktivitäten, Phasenschieber etc. innerhalb der Anlage bereitgestellt werden.
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Das anmeldungsgemäße Verfahren reduziert Aufwand und Kosten bei leistungselektronisch dominierten Anlagen, die an ein schwaches Netz angeschlossen sind, und ermöglicht den Austausch einer deutlich höheren elektrischen Leistung mit dem Netz als herkömmliche Verfahren. Dabei ermöglicht das Verfahren einen stabilen und wesentlich größeren Leistungsaustausch von Leistungswandlern bzw. leistungselektronisch dominierten Anlagen mit einem sehr schwachen Stromnetz sowie die höhere Auslastung des Stromnetzes. Daraus resultieren unter anderem größere Erträge aus Leistungseinspeisung, insbesondere aus regenerativen Energiequellen, ein optimierter Leistungsbezug aus dem Netz, sowie die Möglichkeit zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen für den Betreiber einer Energieerzeugungsanlagen an einem schwachen Netz.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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- 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Anlage ANLAGE, die über einen Netzanschlusspunkt NAP eine elektrische Leistung mit einem Stromnetz NETZ austauscht. Die Anlage ANLAGE wird hier modelliert durch ein Norton-Ersatzschaltbild als Wechselstromquelle mit einer Innenimpedanz Z_ANLAGE, welche die gesamte Anlagendynamik samt deren Regelung enthält. Das Netz wird hier modelliert durch ein Thevenin-Ersatzschaltbild als Wechselspannungsquelle mit einer Innenimpedanz Z_NETZ, einer Frequenz ω_NETZ und einer Trägheit J_NETZ.
- 2 zeigt eine beispielhafte Umsetzung einer Q(U)-Statik mittels eines Proportional-Reglers.
- 3 zeigt ein Blockschaltbild einer anmeldungsgemäßen Regelungsstruktur beispielhaft für einen netzfolgenden, stromeinprägenden Wechselrichter, der an einem schwachen Netz durch einen netzbildenden Stromrichter gestützt wird. Die Regelungsstruktur umfasst eine Blindleistungs-Vorsteuerung und eine Proportional-Regelung (P-Regler) der Q(U)-Statik, welche die Ausgangsspannung der Anlage bzw. des Leistungswandlers (und nicht explizit die Spannung m Netzanschlusspunkt) auf einen errechneten Sollwert regelt, sowie eine Wirkleistungsbeeinflussung.
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Dadurch schwingt die Spannung am Netzanschlusspunkt NAP bei einer Erhöhung des Wirkleistungssollwertes transient nach oben, anstatt wie gewohnt nach unten, wodurch sich der Abstand zum kritischen Kipppunkt vergrößert und nicht verkleinert.
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4 zeigt beispielhafte Zeitverläufe der Wirkleistung P, der Blindleistung Q, der Spannung U_NAP am Netzanschlusspunkt NAP sowie der geschätzten und der tatsächlichen Netzparameter R_Netz, X_Netz und U_Netz. Zusätzlich stellt der unterste Zeitverlauf einen Schätzungsqualitäts-Indikator dar.
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Im Zeitbereich 0 < t < t1 weist das Kurzschlussverhältnis SCR den Wert SCR=3 auf, und die anmeldungsgemäße Anlage tauscht eine Wirkleistung entsprechend ihrer Nennleistung mit dem (starken) Netz aus.
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Zum Zeitpunkt t = t1 springt das Kurzschlussverhältnis SCR auf den Wert SCR=1, beispielsweise aufgrund einer Netzstörung. Der Schätzungsqualität-Indikator wechselt seinen Wert von 1 auf 0 und zeigt dadurch an, dass die geschätzten Parameter R_Netz, X_Netz und U_Netz nicht mehr zuverlässig sind und neu berechnet werden müssen.
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Im Zeitbereich t1 < t < t2 erkennt die Anlage den geänderten Netzzustand und halbiert die Wirkleistung P.
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Zum Zeitpunkt t = t2 liefert die Netzimpedanzschätzung wieder zuverlässige Werte für den neuen (schwachen) Netzzustand, und der Sollwert für die Wirkleistung wird auf den neuen maximal zulässigen Wert von P = 0.8 pu eingestellt, wobei gleichzeitig eine berechnete Blindleistung Q_FF angefordert wird, um die Stabilität der Spannung U_NAP nicht zu gefährden.
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Im weiteren Verlauf mit t > t2 nähern sich die Wirkleistung P und die Blindleistung Q asymptotisch an die entsprechenden Sollwerte an. Der Schätzungsqualitäts-Indikator zeigt an, dass die Netzimpedanzschätzung zuverlässig ist, und die Spannung U_Netz im Netz ist stabil bei ihrem Nennwert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2662944 B1 [0028]
- WO 2017174085 A1 [0029]
