DE19638880C1 - Vorrichtung zur Stromeinspeisung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromeinspeisung in ein Wechselstromnetz nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Regenerative Energiequellen, wie Windkraft und Photovoltaik, werden in der zukünftigen Energieversorgung eine zunehmend bedeutendere Rolle spielen.

Auch bisher schon existieren z. B. Photovoltaikanlagen, bei welchen für einen Netzparallelbetrieb mit einem (z. B. öffentlichen) Wechselstromnetz die vom Solargenerator erzeugte Gleichstromenergie mit Hilfe einer geeigneten Stromrichterschaltung - eines Wechselrichters - in Wechselstromenergie, z. B. einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 230 Volt, umgewandelt werden muß.

Bisher auf dem Markt angebotene Wechselrichter sind allerdings für eine Netzeinspeisung nur bedingt geeignet. Insbesondere ist nämlich die Mehrzahl derartiger, bekannter Wechseleinrichter-Einrichtungen im Hinblick auf eine erwünschte netzkonforme, sinusförmige Einspeisung - be­ dingt durch Netzrückwirkung und/oder vorhandene Blindstromverhältnisse - nur mangelhaft.

Darüber hinaus stellt sich bei Einspeisungssystemen aus dem Stand der Technik das Problem, daß insbesondere eine gezielte Abgabe von Blindleistung in das Wechselstromnetz nicht möglich gewesen ist; auf diese Weise mußte insbesondere bei Betrieb einer herkömmlichen Photovoltaikanlage im Zusammenhang mit Industrieanlagen mit Blindleistungsverbrauch zwangsläufig die Ausnutzung der Gesamtanlage nicht optimal und damit unwirtschaftlich bleiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Stromeinspeisung in ein Wechselstromnetz dahingehend zu verbessern, daß die Flexibilität des Einsatzes, insbesondere auch an Versorgungsnetzen mit unkompensiertem Blindstromanteil, erhöht und zu erreichende Wirkungsgrade optimiert werden können.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Stromeinspeisung in ein Wechselstromnetz mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhaft ermöglicht nämlich die getrennt und unabhängig voneinander regelbaren Wirk- und Blindanteile des Steuerstroms eine Anpassung an jeweils vorhandene Netzbedingungen, und insbesondere auch einen Phasenschieberbetrieb.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist so eine optimierte Netzeinspeisung bei geringem Herstellungs- und Materialaufwand gewährleistet. Zudem kann durch die Phasenschiebereigenschaften beträchtlich zur Güte der öffentlichen Elektrizitätsversorgung beigetragen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So werden besonders bevorzugt die Sollwerte für den Wirk- und/oder Blindanteil des eingespeisten Stroms (des Steuerstroms) durch Multiplikation eines jeweiligen, netzsynchronen bzw. phasenversetzten Referenzsignals mit einer jeweils entsprechenden Amplituden-Steuergröße gewonnen.

Weiter bevorzugt kann im Hinblick auf den Wirkstrom-Sollwert eine mittels der als MPP-Steuervorrichtung realisierten Einrichtung zur Vorgabe des Arbeitspunktes maximaler Leistung stets das Leistungsoptimum des Solargenerators in der Strom-/Spannungskennlinie erfassen und halten, so daß diesbezüglich eine Wirkleistungsoptimierung der Stromeinspeisung erfolgt.

Diesbezüglich ist es auch besonders vorteilhaft, daß dem bevorzugt als Zweipunktregler ausgebildeten Stromregler, der unmittelbar auf den Wechselrichter bzw. dessen Ventile wirkt, ein sinusförmiger Sollwert, bezüglich des Wirkstroms phasensynchron zur Netzspannung, vorgegeben wird.

Somit kann dann über die (Wirkstrom-)Schleife auch jede beliebige Gegenspannung für den Solargenerator und somit jeder beliebige gewünschte Arbeitspunkt dadurch eingestellt werden, daß der Ausgang des auf den Wechselrichter wirkenden Spannungsreglers über diesen Wirkstromregelkreis die Höhe der in das Netz eingespeisten Leistung bestimmt.

Darüber hinaus ist zusätzlich ein unabhängiger Blindstromregelkreis vorgesehen, mit welchem durch geeignete Steuerung des Blindstrom-Amplituden-Sollwerts eine Blindleistungsabgabe bzw. -aufnahme der Anlage eingestellt bzw. an entsprechende Blindstrombedingungen im Netz angepaßt werden kann.

Besonders vorteilhaft wird auch bezüglich des Blindstroms ein - allerdings gegenüber der Netzphase um 90° phasenversetzter - sinusförmiger Sollwertanteil genutzt, um ein im Hinblick auf die Signalform optimiertes Steuersignal zu erzeugen.

Während erfindungsgemäß die beschriebene Vorrichtung zur Stromeinspeisung für ein einphasiges System geeignet ist, bietet es sich insbesondere auch an, das erfinderische Prinzip auf ein Mehrphasensystem - etwa ein Dreiphasensystem - zu übertragen.

Insgesamt ist durch die Erfindung ermöglicht, daß Wechselrichtersysteme für den Einsatz in Photovoltaik- und auch Windkraftanlagen im Netzparallelbetrieb neben der Wirkleistung mit Hilfe einer äußerst einfachen Steuer- und Regeleinrichtung auch Blindleistung in ein öffentliches Netz abgeben können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Stromeinspeisung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei­ spiele sowie anhand der Zeichnungen.

Diese zeigen in

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Stromeinspei­ sevorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform mit dem prinzipiellen Zusammenwirken der wesentlichen Funktionsblöcke und

Fig. 2 ein detailliertes Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Darstellung der Wirk- und Blindlei­ stungsregelkreise im einzelnen.

Zur Realisierung der vorliegenden Erfindung zur Einspeisung mittels eines Solargenerators 10 od. dgl. erzeugter, regene­ rativer Energie in das öffentliche Versorgungsnetz 12 wird der in das Netz eingeprägte bzw. einzuprägende Strom i in Abhängigkeit von unabhängig voneinander regelbaren Wirk- und Blindanteilen erzeugt.

Hierzu ist zum einen eine Wirkstromregeleinheit 30 vorgese­ hen, welche aus einem Wirkstrom-Amplituden-Sollwert î_WSOLL und einem aus dem Versorgungsnetz 12 gewonnenen, netzsyn­ chronen Phasensignal einen (durch geeignete Steuerung bzw. Vorgabe von î_WSOLL) steuerbaren, sinusförmigen Sollwert für den Wirkstrom i_WSOLL erzeugt, und zum anderen wird mittels einer Blindstromregeleinheit 40 aus einem vorgegebenen Blindstrom-Amplitudenwert î_BSOLL, verknüpft mit dem netzsyn­ chronen Phasensignal, ein entsprechend steuerbarer, sinus­ förmiger Blindstrom i_BSOLL erzeugt.

Beide Sollwerte - Wirkstrom-Sollwert i_WSOLL und Blindstrom-Soll­ wert i_BSOLL - werden dann in einer Verknüpfungseinheit 50 verknüpft und einer Stromregelanordnung 60 zugeführt, die mit Hilfe eines darin enthaltenen Wechselrichters bzw. zugehörigen Stromreglers den einzuprägenden Strom i er­ zeugt.

Vorteilhaft wird zudem die Wirkstromamplitude î_WSOLL, wie durch die gestrichelte Linie im linken Bereich der Fig. 1 gezeigt, in Abhängigkeit von einem aktuellen bzw. vorzuge­ benen Gleichspannungs- und Gleichstromarbeitspunkt des So­ largenerators 10, abgegriffen zwischen diesem Generator und einem für die Arbeitspunkteinstellung vorgesehenen, kapazi­ tiven Zwischenspeicher 20 abgegriffen, und bevorzugt wird das Blindstrom-Amplitudensignal î_BSOLL in Abhängigkeit von einem aktuellen Netzsignal gebildet.

Auf diese Weise ist erfindungsgemäß erreicht, daß nicht nur ein Wirkanteil in das Netz 12 eingeprägt werden kann; darüber hinaus ist - unabhängig davon - ein Blindstroman­ teil steuerbar und beeinflußt in entsprechender Weise den eingeprägten Strom i, so daß die erfindungsgemäße Stromein­ speisevorrichtung die Wirkungsweise eines vorbestimmbaren, einstellbaren Phasenschiebers erhält und somit geeignet an jeweilige Blindstrombedingungen anpaßbar ist.

Unter Bezug auf das detaillierte Blockschaltbild der Fig. 2 werden im weiteren Aufbau und Wirkungsweise dieser erfin­ dungsgemäßen Stromeinspeisevorrichtung konkreter erläutert.

Der Solargenerator 10 ist über den kapazitiven Zwischen­ speicher 20 mit einem selbstgeführten Wechselrichter 62 verbunden. Dieser ist bevorzugt unter Verwendung verlustar­ mer, schneller Ventile (IGBT) ausgeführt und wirkt über eine Einprägedrossel 64, die bevorzugt eine vorbestimmte Filterwirkung aufweist, auf das Netz 12.

Zwischen Solargenerator 10 und kapazitivem Zwischenspeicher 20 wird zum einen der aktuell vom Solargenerator 10 abgege­ bene Ist-Gleichstrom i_DIST ausgekoppelt, und zum anderen wird die aktuelle Ist-Gleichspannung u_DIST abgegriffen.

Beide Größen werden einer MPP-Sucheinheit 32 zugeführt, die den Punkt maximaler Leistung des Solargenerators 10 be­ stimmt (MPP = Maximum Power Point), bezogen auf das Strom-Spannungs-Diagramm des Solargenerators. Eine optimale Nutzung der Gesamtvorrichtung setzt nämlich voraus, daß der Solargenerator 10 in diesem Arbeitspunkt maximaler Leistung betrieben wird.

Im vorliegenden Fall wird insbesondere dieser Arbeitspunkt maximaler Leistung des Generators durch eine entsprechend vorgegebene (veränderliche) Gegenspannung mit Hilfe des kapazitiven Zwischenspeichers 20 eingestellt.

Die MPP-Sucheinheit 32 gibt den Sollwert für diese Gegen­ spannung u_DSOLL vor, und am Vergleicher V1 wird dieser Soll­ wert mit dem aktuellen, abgegriffenen Gleichspannungs-Ist­ wert u_DIST verglichen und die Differenz einem PI-Regler 34 zugeführt.

Der Regler 34 bestimmt im beschriebenen Ausführungsbeispiel die vorstehend bereits erläuterte Amplitude des in das Netz einzuspeisenden Wirkstroms î_WSOLL.

Der vorzugebene Wirkstrom i_WSOLL wird nunmehr generiert, in­ dem die mit Hilfe von MPP-Sucheinheit 32 und PI-Regler 34 generierte Amplitude î_WSOLL in einer Multipliziereinheit 36 mit einem netzsynchronen, sinusförmigen Phasensignal multi­ pliziert wird, welches aus dem Netz 12 mittels eines Diffe­ renzverstärkers 14 und einem nachgeschalteten, selektiven Filter 16 oberschwingungsfrei gewonnen wird.

Durch die vorbeschriebenen Elemente ist der Wirkstromregel­ kreis im Rahmen der vorliegenden Erfindung, verkörpert durch die Einheit 30 in Fig. 1, realisiert.

Der Blindstromregelkreis im Rahmen der vorliegenden Ausfüh­ rungsform ist mittels einer Integriereinheit 42, die das netzsynchrone Phasensignal von Verstärker 14 und Filter 16 um 90° in der Phase verschiebt, sowie über eine zweite Mul­ tipliziereinheit 44 realisiert, wodurch eine Verknüpfung zwischen dem Amplitudensignal î_BSOLL und der um 90° verscho­ benen Netzphase erfolgt.

Der Amplituden-Sollwert î_BSOLL ist gewünscht bzw. geeignet vorzugeben, wobei ein positiver Sollwert für den Blindstrom einer induktiven Blindleistungsabgabe der Gesamtanordnung entspricht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zudem das Steuersignal für die Amplitude des Blindstroms î_BSOLL aus einer überlagerten, cos ϕ₁-Regeleinrichtung - vgl. die gestrichelte Linie rechts in Fig. 1 - gewonnen.

Der auf diese Weise durch die zweite Multipliziereinheit 44 generierte Blindstrom-Sollwert i_BSOLL wird in einer zweiten Vergleichereinheit V2 mit dem Soll-Wirkstrom i_WSOLL sowie dem am Ausgang des selbstgeführten Wechselrichters 62 abgegrif­ fenen Ist-Strom i_IST verglichen. Insbesondere wird die Summe der Sollwerte i_WSOLL und i_BSOLL mit diesem Strom-Istwert i_IST verglichen und davon die Differenz einem als Zweipunktreg­ ler realisierten Stromregler 52 zugeführt. Dieser erzeugt an seinem Ausgang entsprechende Steuersignale für die Ven­ tile des Wechselrichters 62.

Durch Zusammenwirken des auf diese Weise angesteuerten Wechselrichters mit der Einprägedrossel 64 entsteht der einzuprägende Strom i, der von der durch das Netz selbst vorgegebenen Sinusform nur geringe, durch die Hysterese des Zweipunktreglers 52 bedingte Abweichungen besitzt.

Insbesondere ist auf die beschriebene Weise durch die Wir­ kung der Gesamtanordnung eine Stromeinspeisung in das Netz 12 ermöglicht, deren Wirkleistung aus einer regenerativen Energiequelle in Form des Solargenerators 10 stammt, und deren Blindleistungsabgabe unabhängig und in Abhängigkeit von jeweiligen (kompensierenden) Blindleistungs-Netzbedin­ gungen eingestellt und geregelt werden kann.

Insbesondere gestattet nämlich der durch die getrennt re­ gelbare Blindstromeinspeisung realisierte Phasenschieberbe­ trieb eine besonders wirtschaftliche und gute Ausnutzung der erzeugten regenerativen Energie, ohne z. B. das öffent­ liche Versorgungsnetz mit unerwünschten (bzw. unkompensier­ ten) Blindstromkomponenten zu belasten.

Vorteilhaft gestattet zudem die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte MPP-Sucheinrichtung 32 das Optimieren des Solargenerator-Arbeitspunktes durch eine entsprechend eingestellte Gegenspannung des kapazitiven Zwischenspeichers 20.

Auch gestattet vorteilhaft die Verwendung des durch die Filtereinheit 16 erzeugten, netzsynchronen und oberschwin­ gungsfreien Signals - das insoweit rein sinusförmig ist - die phasengetreue Zuordnung der jeweiligen Sollspannungen zur Netzspannung.

Während im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine einpha­ sige Anordnung beschrieben worden ist, liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, eine mehrphasige - insbesondere eine dreiphasige - Anordnung vorzusehen, die dann in ge­ eigneter Weise phasenversetzt bzw. sternförmig oder auf an­ dere Weise verschaltet ist.

Da zudem erfindungsgemäß die gesteuerte Blindleistungsab­ gabe in ein Netz - z. B. das öffentliche Netz - ermöglicht ist, ist mit einer solchen, bevorzugt für einen Kleinlei­ stungsbetrieb ausgerichteten Anlage die Voraussetzung geschaffen, eine aktive Kompensation von unerwünschten Blindleistungskomponenten vorzunehmen und so insbesondere bei Betrieb mit Anlagen mit Blindleistungsverbrauch eine im Hinblick auf Ausnutzung und Wirtschaftlichkeit optimierte Gesamtanlage schaffen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Stromeinspeisung in ein Wechselstrom­ netz (12) mit einer einen Gleichstrom erzeugenden, re­ generativen Energiequelle (10) , bevorzugt einem Solar­ generator, und einer den Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz in einen dort einzuprägenden Wechselstrom (i) umwandelnden Stromregeleinheit (60; 62, 64) gekennzeichnet durch eine zum Einstellen eines Wirk-Steuerstroms (i_WSOLL) aus­ gebildeten Wirkstrom-Steuereinheit (30; 32, 34, 36) und eine zum hiervon unabhängigen Einstellen eines Blind-Steuer­ stroms (i_BSOLL) ausgebildeten Blindstrom-Steuerein­ heit (40; 42, 44), wobei die Stromregeleinheit (60; 62, 64) den einzuprägenden Wechselstrom (i) in Abhängigkeit von Werten des Wirk- und des Blind-Steuerstroms er­ zeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkstrom-Steuereinheit eine Einrichtung (32, 34) zur Vorgabe eines Arbeitspunktes maximaler Leistung der regenerativen Energiequelle (10) aufweist und diese Einrichtung zum Erzeugen eines Wirkleistungs-Amplitu­ densignals (î_WSOLL) für das Einstellen des Wirk-Steuer­ stroms (i_WSOLL) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wirkstrom-Steuereinheit mit einer ersten Signalerzeugungseinheit (14, 16) zum Erzeugen eines i.w. sinusförmigen, netzsynchronen ersten Wech­ selstromsignals verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindstrom-Steuereinheit mit einer zweiten Signalerzeugungseinheit (14, 16, 42) zum Erzeugen eines i.w. sinusförmigen, gegenüber einer Netzphase um 90° phasenverschobenen, zweiten Wechsel­ stromsignals verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindstrom-Steuereinheit so ausgebildet ist, daß ein Steuersignal für die Amplitude (î_BSOLL) des Blind-Steuerstroms (i_BSOLL) mit einer über­ lagerten cos ϕ₁-Regeleinrichtung erzeugt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregeleinheit (60) einen selbstgeführten, elektronischen Wechselrichter (62), eine diesem in Richtung auf das Wechselstromnetz (12) nachgeschaltete, induktiv wirkende Einprägeeinheit (64) sowie einen Ventile des Wechselrichters (62) ansteuern­ den Stromregler (52) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zum Empfangen und Summieren des Wirk- und des Blind-Steuer­ stroms (i_BSOLL, i_WSOLL) und zum Erzeugen einer Diffe­ renz zwischen dieser Summe und einem Wechselstrom-Aus­ gangssignal des Wechselrichters (62) ausgebildeten Ver­ gleichereinheit (V2), wobei ein der Differenz entspre­ chendes Steuersignal der Vergleichereinheit (V2) zur Ansteuerung des Stromreglers (52) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Stromeinspei­ sung in ein Wechselstromnetz einphasig ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Stromeinspei­ sung mehrphasig für ein mehrphasiges Wechselstromnetz ausgebildet ist, wobei eine Wechselstromeinprägung durch die Stromregeleinheit getrennt für jede Phase er­ folgt.