DE19522496C1 - Verfahren zur Messung der Netz-Impedanz bei netzgekoppelten Wechselrichtern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Netzimpedanz bei netzgekoppelten Wechselrichtern bzw. Umrich­ tern, welche von einem Mikrorechner gesteuert sind.

Aus der DE-AS 10 35 760 ist ein Gerät zur Bestimmung der Kurzschluß-Stromstärke in elektrischen Leitungsnetzen be­ kannt, bei dem ein Netzbelastungswiderstand für eine kurzzei­ tige Netzspannungsabsenkung dient und bei dem die Differenz­ spannung aus der Netzspannung bei Ein- und Abschaltung des Widerstandes ein Kriterium für die gesuchte Größe ist. Ein Synchronschalter schaltet den Widerstand mit einer von den Netzperioden abhängigen Häufigkeit abwechselnd zu und ab. Der Ein- und Abschaltpunkt wird jeweils in einen Nulldurchgang der Spannung gelegt. Die Differenz der Spannungen bei ein- und abgeschaltetem Widerstand gelangt zur Anzeige. Der Bela­ stungswiderstand kann wahlweise ein ohmscher oder ein Blind­ widerstand sein.

Wechselrichter wandeln eingangsseitig verfügbare Gleichstrom­ leistung in ausgangsseitige Wechselstromleistung um. Netzge­ koppelte Wechselrichter arbeiten dabei wechselstromseitig phasensynchron zum öffentlichen Netz des Energieversorgungs­ unternehmens und speisen die gleichstromseitig verfügbare Lei­ stung in dieses Netz ein. Um bei einer Netzabschaltung eine Erhaltung des Netzes, d. h. einen Selbstlauf oder eine Insel­ bildung durch den speisenden Wechselrichter zu verhindern, ist vorschriftsmäßig eine parallele Einrichtung zur Netzüber­ wachung mit jeweils zugeordnetem Schaltorgan, abgekürzt ge­ schrieben ENS, vorgesehen. Diese Netzüberwachung, bestehend aus Netzfrequenz-, Netzspannungs- und Netzimpedanz-Messung hat die Aufgabe, bei unzulässigen Meßwerten den Wechselrich­ ter vom Netz zu trennen. Damit wird erreicht, daß personenge­ fährdende Netzzustände vermieden werden.

In der DE 35 13 247 A1 oder in der DE 24 49 016 C2 ist ein Verfahren beschrieben, welches den Schleifenwiderstand des Netzes durch eine kurzzeitige, gezielte Belastung des Netzes durch einen Lastwiderstand und einer eng gekoppelten Messung der Leerlaufnetzspannung mißt. Aus dem Belastungsstrom und der Netzspannung zum Belastungszeitpunkt wird die Netzimpe­ danz berechnet.

Ein anderes Verfahren erzeugt durch Parallelschaltung einer Kapazität zum Wechselstromnetz an den Nulldurchgängen einen Blindstrom. Daraus resultiert ein Spannungsabfall an der Netzimpedanz, wodurch der Nulldurchgang, bezogen auf das un­ belastete Netz zeitverschoben stattfindet. Aus dieser Zeit­ verschiebung wird dann die Netzimpedanz bestimmt.

Diese Verfahren benötigen als eigenständiges System eigene und somit zusätzliche Bauelemente. Dies hat den Nachteil, daß derartige Verfahren bei Verwendung mit netzgekoppelten Wech­ selrichtern zusätzliche Kosten verursachen.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Ausnutzung des Wechsel­ richterprinzips und ohne zusätzliche Hardware-Komponenten ein Verfahren für eine Netzimpedanzmessung anzugeben, ohne dabei das Netz zu belasten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem eingangs genann­ ten Verfahren dadurch gelöst, daß mit der Energieeinspeisung in das Netz des Energieversorgungsunternehmens eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung am Ein­ speisepunkt erfolgt und daß aus der Messung der verursachten Spannungsüberhöhung gegenüber der Netzleerlaufspannung und dem dabei erzielten Stromfluß ins Netz die Netzimpedanz gemäß folgender Beziehung:

|Z| = (ΔU/Ierh) - |Zoffs|,
mit ΔU = Uerh - Uo
und |Zoffs| = Impedanzoffset als konstante Größe,

berechnet wird.

Erfindungsgemäß wird für das Meßverfahren das Wechselrichter­ prinzip genutzt. Die Einspeisung von Wechselstromleistung in das Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU-Netz) wird durch Überhöhung der Netzspannung am Koppelpunkt (Einspeisepunkt) durch den Wechselrichter erzielt. Dabei ist es zunächst unerheblich, auf welche Weise diese Überhöhung vom Wechselrichter erzeugt wird. Um einen bestimmten Wech­ selstrom in das Netz einzuprägen, ist abhängig von der Netzimpedanz eine bestimmte Wechselspannungsüberhöhung not­ wendig. Die zu überwachende Netzimpedanz ergibt sich aus der bereits oben angegebenen Beziehung. Der Impedanzoffset |Zoffs| repräsentiert eventuelle im Wechselrichter vorhandene Impedanzen, wie Netzfilter, Sicherungsautomaten, Zuleitungs- und Übergangswiderstände. Dieser Offsetwert kann als konstan­ te Größe bei der Impedanzberechnung im Mikrorechner direkt berücksichtigt werden. Aus Gründen der Fertigungstoleranz und bei vorhandener Einstellschnittstelle sollte eine Veränderung dieses Offsets möglich sein.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren hat den Vorteil, daß die Netzimpedanzmessung kostengünstig ist, weil keine zusätzli­ chen Bauteile erforderlich sind. Darüber hinaus wird das EVU- Netz nicht belastet, da die zur Messung benötigte Energie gleichstromseitig entnommen wird. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren kommt dabei ohne externe Schnittstellen als reine Firmware unmittelbar in der Wechselrichtersteuerung, d. h. mit dem dort verwendeten Mikrorechner, aus. Ferner ist das erfin­ dungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise vollkommen un­ empfindlich gegen Netzstörungen am Sinusnulldurchgang (mehrfach Nulldurchgänge) hervorgerufen etwa durch Thyristor­ steller oder andere getakte einspeisende Wechselrichter in der Nähe des Einspeisepunktes.

Das eigentliche Problem besteht in der Bestimmung der effek­ tiven Wechselspannungs- und Wechselstromwerte. Da sich die Netzleerlaufspannung permanent entsprechend der Netzlast ver­ ändert, kann diese nicht vor Beginn des Einspeisebetriebes des Wechselrichters einmalig gemessen werden, sondern muß laufend neu ermittelt werden. Dazu ist in vorteilhafter Weise das erfindungsgemäße Verfahren derartig weitergebildet, daß in der Ablaufsteuerung des Wechselrichters ein wiederkehren­ der Impedanzmeßzyklus implementiert ist, der die Erkennung von unzulässigen Netzimpedanzwerten innerhalb von einer vor­ gegebenen bzw. vorgeschriebenen Zeit (max. 5s) sicherstellt. Dieser Zyklus wird vor und während des laufenden Einspeisebe­ triebs des Wechselrichters ausgeführt und setzt sich aus den Teilen Netzbeeinflussung und gleichzeitiger Netzmessung zu­ sammen.

Die Netzbeeinflussung besteht aus einer überhöhten Spannungs- Vollwelle und einer nicht überhöhten Netzspannungs-Vollwelle, das ist die Netzleerlaufspannung. Die überhöhte Vollwelle wird vom Wechselrichter wie im normalen Einspeisebetrieb er­ zeugt. Die nicht überhöhte Vollwelle entsteht durch einfaches Unterbinden der Einspeisung, so daß nur die Netzleerlauf­ spannung ansteht.

Bei der Netzmessung wird die überhöhte Wechselspannung in der ersten überhöhten Netzhalbwelle gemessen. Gleichzeitig wird der Wechselstrom gemessen. Die nicht überhöhte Netzleerlauf­ spannung wird in der ersten nicht überhöhten Netzhalbwelle gemessen. Eine Erfassung des Stroms kann entfallen, da durch die fehlende Überhöhung kein Speisestrom erzeugt wird. Bei allen Messungen wird durch eine hohe Signal-Abtastrate ein echter Effektiv-Wert ermittelt, um möglichst viele Oberwellenan­ teile der Signale einzubinden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird, während der Zyklus abläuft, an einem Triggerausgang des Haupt-Mikro­ rechners ein Signal abgegeben, welches dazu verwendet wird, in einem zweiten, parallel vorgesehenen Überwachungsrechner ebenfalls eine Netzmessung auszulösen. In diesem Überwa­ chungsrechner ist ein Watchdogmechanismus realisiert, der bei Ausbleiben des Triggersignals für eine bestimmte Mindestzeit (Timeout) von sich aus eine Netztrennung über das nur ihm zu­ geordnete Netztrennrelais vornimmt.

Um eine Spannungsüberhöhung in dem vom Wechselrichter gespei­ sten Netz vornehmen zu können, muß gleichstromseitig eine bestimmte Leistung zur Verfügung stehen, damit eine ausrei­ chende Wechselspannungsüberhöhung und somit auch ein ausrei­ chendes Nutzsignal erzeugt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die gleich­ stromseitig in jedem Wechselrichter ohnehin vorhandenen Puf­ fer-Kondensatoren verwendet werden. Diese haben die Aufgabe, im normalen Wechselrichterbetrieb eine möglichst konstante Leistung aus der Gleichstromquelle (z. B. Batterie, Generator usw.) zu entnehmen. Diesen Puffer-Kondensatoren wird kurzzei­ tig Energie entnommen, um leistungsabhängig eine zusätzliche einmalige Wechselspannungsüberhöhung zu ermöglichen. Die für eine Vollwelle aus den Kondensatoren entnommene Energie wird in der anschließenden "Ruhephase" von der Gleichstromquelle nachgeliefert.

Die Anzahl der Impedanzzyklen innerhalb der Zeitspanne von maximal 5s, sowie die Anzahl der überhöhten und nicht über­ höhten Vollwellen kann je nach verfügbarer Gleichstromlei­ stung und Puffer-Kondensator-Kapazität variiert werden. Zu beachten ist jedoch, daß der Wechselrichter-Wirkungsgrad bei Erhöhung der Meßzyklenzahl oder Verlängerung der Einspeise­ pause abnimmt. Die Reihenfolge Netz-Überhöhung und anschlie­ ßende Absenkung im Verfahrensteil Netzbeeinflussung hat sich als zweckmäßig erwiesen. Sie kann auch umgekehrt werden, wo­ bei jedoch eventuelle auftretende Magnetisierungseinflüsse des Wechselrichter-Transformators zu beachten sind.

Da der Netz-Impedanzwert direkt im Mikrorechner bereitsteht, kann dieser zu Netzanalysezwecken weiterverwendet werden. Be­ reits vorhandene Ausgabeschnittstellen (Display, parallele oder serielle Schnittstellen, Analogausgabe usw.) können ver­ wendet werden. Bei bereits vorhandenen Schnittstellen ist hierfür ebenfalls kein zusätzlicher Hardware-Aufwand nötig.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Impedanzmeßzyklus während der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter und

Fig. 2 einen Impedanzmeßzyklus vor Beginn der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter oder bei wenig ver­ fügbarer Gleichstromleistung.

In Fig. 1 ist ein Impedanzmeßzyklus während der laufenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter dargestellt. Über der Zeitachse t sind oben der Verlauf der Netzspannung Ueff am Einspeisepunkt des Wechselrichters und unten der Verlauf des effektiven Stroms I vom Wechselrichter ins Netz aufgetra­ gen. In der ersten und allen davorliegenden Netzvollwellen befindet sich der Wechselrichter durch eine geringfügige An­ hebung der Spannung Uein im Speisebetrieb, was einen ent­ sprechenden Stromfluß Iein zur Folge hat. In der zweiten Netzvollwelle hebt der Wechselrichter sprungartig das bishe­ rige Spannungsniveau nochmals an, wobei die dafür nötige Energie aus den gleichstromseitig ohnehin vorhandenen Puffer­ kondensatoren entnommen wird. Die Messung der Effektivwerte der erhöhten Netzspannung Uerh und dem ebenfalls nochmals ge­ stiegenen Speisestrom Ierh folgt in der ersten Halbwelle die­ ser Vollwelle, da abhängig von der Pufferkondensator- Kapazität die Überhöhung hier am größten ist.

In der dritten Netzvollwelle unterbleibt die Spannungsüberhö­ hung sprungartig, d. h. daß lediglich die Netzleerlaufspannung Uo vorhanden ist, was auch am fehlenden Speisestrom I ins Netz (I=0) erkennbar ist. In der ersten Halbwelle dieser Vollwelle wird der Effektivwert der Leerlaufnetzspannung Uo gemessen. In der vierten Netzvollwelle befindet sich der Wechselrichter wieder im Speisebetrieb, Ueff = Uein. Dieser Zustand bleibt bestehen, bis durch die Ablaufsteuerung sei­ tens des Mikrorechners ein neuer Meßzyklus angestoßen wird.

In der Fig. 2 ist ein Impedanzmeßzyklus vor Beginn der lau­ fenden Netzeinspeisung durch den Wechselrichter oder bei sehr wenig verfügbarer Gleichstromleistung dargestellt. Über der Zeitachse t sind oben der Verlauf der Netzspannung Ueff am Einspeisepunkt des Wechselrichters und unten der Verlauf des Stroms Ieff vom Wechselrichter ins Netz aufgetragen. In der ersten und allen davorliegenden Netzvollwellen befindet sich der Wechselrichter nicht im Speisebetrieb. In der zweiten Netzvollwelle hebt der Wechselrichter sprunghaft das Leer­ lauf-Netzspannungsniveau Uo auf Uerh an, wobei die dafür be­ nötigte Energie aus den gleichstromseitig ohnehin vorhandenen Pufferkondensatoren entnommen wird. Die Messung der Effek­ tivwerte der erhöhten Netzspannung Uerh und dem erzielten Speisestrom Ierh erfolgt in der ersten Halbwelle dieser Voll­ welle, da abhängig von der Pufferkondensator-Kapazität die Überhöhung hier am größten ist.

In der dritten Netzvollwelle unterbleibt die Spannungsüberhö­ hung wieder sprungartig, was auch am fehlenden Speisestrom ins Netz erkennbar ist. In der ersten Halbwelle dieser Voll­ welle wird der Effektivwert der Leerlaufnetzspannung Uo ge­ messen. Ab der vierten Netzvollwelle verbleibt der Wech­ selrichtung im nichtspeisenden Betrieb, bis durch die Ablauf­ steuerung seitens des Mikrorechners ein neuer Meßzyklus ange­ stoßen wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung der Netzimpedanz bei netzgekoppelten Wechselrichtern bzw. Umrichtern, welche von einem Mikrorech­ ner gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Energieeinspeisung in das Netz eines Energieversorgungsunternehmens eine kurzzeitige Span­ nungsüberhöhung (ΔU) am Einspeisepunkt erfolgt und daß aus der Messung der verursachten Spannungsüberhöhung (ΔU) gegen­ über der Netz-Leerlaufspannung (Uo) und dem dabei erzielten Stromfluß (Ierh) ins Netz die Netzimpedanz (|Z|) gemäß fol­ gender Beziehung: |Z| = (ΔU/Ierh) - |Zoffs|,
mit ΔU = Uerh - Uo
und |Zoffs| = Impedanzoffset als konstante Größe,berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein in der Ablaufsteuerung (Mikrorechner) des Wechselrichters im­ plementierten, in Abständen wiederkehrenden Impedanzmeßvor­ gang die von der Netzbelastung abhängige, sich permanent än­ dernde Netzleerlaufspannung (Uo) ermittelt wird, wobei für eine Netzvollwelle eine Netz-Spannungserhöhung (AU) durch ei­ ne gezielte Einspeisung ins Netz erfolgt und wobei innerhalb dieser Überhöhungszeit durch eine ausreichend hohe Meßwertab­ tastung echte Effektiv-Werte für die erhöhte Spannung (Uerh) und den Netzstrom (Ierh) bestimmt werden, wobei ferner für eine dar­ auffolgende Netzvollwelle keine Netz-Spannungsüberhöhung durch Unterbindung des Einspeisebetriebs erfolgt und inner­ halb dieser Vollwelle durch hohe Meßwertabtastung ein echter Effektiv- Wert für die Netz-Leerlaufspannung (Uo) bestimmt wird, um die Netzimpedanz zu berechnen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während dieser beiden Netzvollwellen ein Triggersignal zu einem vor­ gesehenen Überwachungsrechner bereitgestellt wird, der sei­ nerseits redundant eine Netzimpedanzmessung ausführt und aus der Wiederkehr dieses Triggersignals eine Watchdogfunktion realisiert, die bei Ausbleiben des Meßzyklus (Timeout) eine Netztrennung vornimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleich­ stromseitig in jedem Wechselrichter ohnehin vorhandene Puf­ ferkondensatoren als kurzzeitige Energiequelle verwendet wer­ den, wobei durch eine ausreichend große Meßpause, die zur Aufladung der Kondensatoren vorgesehen ist, auch bei geringer gleichstromseitig verfügbarer Energie eine ausreichende Netz- Spannungsüberhöhung erzielt wird.