EP1654798A1 - Verfahren und wechselrichter zum einspeisen von wechselstrom in ein netz - Google Patents

Verfahren und wechselrichter zum einspeisen von wechselstrom in ein netz

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EP1654798A1 EP04737398A EP04737398A EP1654798A1 EP 1654798 A1 EP1654798 A1 EP 1654798A1 EP 04737398 A EP04737398 A EP 04737398A EP 04737398 A EP04737398 A EP 04737398A EP 1654798 A1 EP1654798 A1 EP 1654798A1
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inverter
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output
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Lorand Cesnak
Gerald Eckl
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a method for feeding alternating current into a grid, in which a DC voltage is converted into an AC voltage with grid frequency with the aid of an inverter and the output of the inverter is connected to the grid.
  • the invention also relates to an inverter for converting a DC input voltage from a DC voltage source into an output AC voltage with a mains frequency, the output of which is connected to terminals of an AC network in order to feed energy from the DC voltage source into the network.
  • the three-phase generators of the power plants which are usually the main energy suppliers of a network, show the behavior of voltage sources that feed a sinusoidal voltage at the network frequency into the network.
  • a network and its consumers - seen from the supply sources - does not show a purely ohmic behavior, rather there are capacitive and inductive components.
  • the network with its consumers is not a linear impedance.
  • the nonlinearities bring distorted voltages and currents and accordingly harmonics of the mains frequency.
  • generators that feed the grid and transformers also currents with multiple grid frequency, e.g. 150 Hz.
  • This is e.g. possible with three-phase generators with their low internal resistance, but this leads to additional losses in the generators and transformers that are necessary for the grid frequency, e.g. 50 Hz. It is therefore desirable to minimize these additional losses resulting from copper losses and iron losses in the generators at higher frequencies.
  • harmonics of the feed current are fed to the network, so that the power plants are less exposed to harmonics.
  • Such an inverter is particularly suitable for feeding alternative energy sources, such as solar or fuel cells, into the grid.
  • Fig. 1 schematically shows an equivalent circuit diagram of a network, its consumers and two electricity suppliers and
  • FIG. 2 shows a possibility of reacting the method according to the invention on the basis of a possible control circuit of an inverter.
  • FigJ consumers are to be supplied with electrical energy, these consumers overall representing a non-linear impedance X (t) at which the relationship between voltage and current, such as in the case of semiconductor band elements, is not linear.
  • the consumers are fed by a supply network NET, which is here is represented by an equivalent circuit diagram consisting of an AC voltage source G in series with an inductance L and an ohmic resistor R.
  • the AC voltage source G can, as usual, be a three-phase generator or generator block of a calorific power station or a hydroelectric power station.
  • a typical value for the line resistance R could be in the range of tenths of an ohm, that for the line inductance L in the range of one mH. Line capacities are not shown because they are of less importance.
  • the consumers VER are also to be supplied by alternative energy sources or small or very small power plants which feed energy in the watt to kilowatt range into the NET network. It can e.g. are voltaic solar systems or fuel cells whose DC voltage UDC is fed into the network to the consumers VER via an inverter WER.
  • an inverter WER is required in which the output current can be separated, which is easily possible with known inverters of electrical design.
  • the terminal voltage u (t) of the WER inverter is detected with the aid of a voltage sensor SPS, which supplies a signal k 2 .u (t).
  • the output signal sin ( ⁇ t) of an AC voltage source Q is multiplied with the aid of a multiplier Ml, which supplies a signal of the form sin 2 ( ⁇ t).
  • This signal is in a second multiplier M2 with a power setpoint P so ii multiplied and the signal obtained arrives at an input of an adding or subtracting DIF whose output signal ⁇ P (t) is fed to a control amplifier REV.
  • the output I (t) of the control amplifier REV reaches an input of a third multiplier M3, the arider input of which is supplied with the output signal of the AC voltage source Q.
  • the signal I (t) sin ( ⁇ t) ki i (t) as the output signal of the multiplier M3 is fed to the current input of the inverter WER.
  • this signal and the already mentioned voltage signal k 2 .u (t) reach the two inputs of a fourth multiplier M4, which determines the actual power Pist (t) and an input of the Addier perspective. Subtracted equal DIF supplied.

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Abstract

Ein Verfahren zum Einspeisen von Wechselstrom in ein Netz (NET), bei welchem eine Gleichspannung mit Hilfe eines Wechselrichters (WER) in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz gewandelt wird und der Ausgang des Wechselrichters an dem Netz liegt, wobei die Klemmenspannung (u(t)) gemessen wird und der Ausgangsstrom (i(t)) des Wechselrichters (WER) so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblickleistung Po.sin<2>(omegat) und der Klemmenspannung (u(t)) entspricht, somit i(t) = Po.sin<2>(omegat)/u(t).

Description

VERFAHREN UND WECHSELRICHTER ZUM EINSPEISEN VON WECHSELSTROM IN EIN NETZ
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspeisen von Wechselstrom in ein Netz, bei welchem eine Gleichspannung mit Hilfe eines Wechselrichters in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz gewandelt wird und der Ausgang des Wechselrichters an dem Netz liegt.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auf einen Wechselrichter zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung einer Gleichspannungsquelle in eine Ausgangswechselspannung mit Netzfrequenz, dessen Ausgang an Klemmen eines Wechselstromnetzes liegt, um Energie von der Gleichspannungsquelle in das Netz zu speisen.
Insbesondere bei sogenannten Alternativenergiequellen, wie Solar- oder Brennstoffzellen mit verhältnismäßig geringer Leistung im Kilowattbereich und darunter, werden elektronische Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Wegen der geringen Spitzenstromleis- tung zeigen solche Wechselrichter ein Stromquellenverhalten, d.h. es wird so geregelt, dass ein sinusförmiger Strom in das Netz gespeist wird.
Demgegenüber zeigen die Drehstromgeneratoren der Kraftwerke, die meist die Hauptenergielieferanten eines Netzes sind, das Verhalten von Spannungsquellen, die eine Sinusspannung mit Netzfrequenz in das Netz speisen.
Ein Netz samt seinen Verbrauchern zeigt - gesehen von den Einspeisungsquellen - kein rein ohm'sches Verhalten, vielmehr liegen kapazitive und induktive Komponenten vor. Darüber hinaus - und dies war Anlass für die vorliegende Erfindung- ist das Netz mit seinen Verbrauchern keine lineare Impedanz. Die Nichtlinearitäten bringen verzerrte Spannungen und Ströme und dementsprechend Harmonische der Netzfrequenz. Dies bedeutet, dass Generatoren, welche das Netz speisen, und ebenso Transformatoren auch Ströme mit mehrfacher Netzfrequenz, z.B. 150 Hz, liefern müssen. Dies ist z.B. bei Drehstromgeneratoren mit ihrem niedrigen Innenwiderstand möglich, doch führt dies zu zusätzlichen Verlusten in den Generatoren und Transformatoren, die für die Netzfrequenz, z.B. 50 Hz, dimensioniert sind. Es ist daher wünschenswert, diese zusätzlichen Verluste, die sich aus Kupferverlusten und aus Eisenverlusten in den Generatoren bei höheren Frequenzen ergeben, so gering wie möglich zu halten.
Die zusätzliche Energieeinspeisung aus einer großen Anzahl kleiner Wechselrichter von Solaranlagen oder Brennstoffzellen verstärkt jedoch das angesprochene Problem. Wie bereits erwähnt, speisen die Wechselrichter solcher Klein- oder Kleinst-Lieferanten einen sinusför- migen Strom mit Netzfrequenz in das Netz, sie decken daher den Bedarf des Netzes an Stromanteilen mit mehrfacher Netzfrequenz nicht ab. Dadurch werden aber die eigentlichen Kraftwerke mit ihren Drehstromgeneratoren im Bereich der Harmonischen noch mehr belastet, was den Wirkungsgrad der Generatoren weiter herabsetzt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den oben beschriebenen Problemen entgegenzuwirken, d.h. beim Einsatz kleiner Stromlieferanten mit Wechselspannungswandlern die Belastung der eigentlichen Kraftwerke mit Harmonischen zu verringern.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Klemmenspannung u(t) gemessen wird und der Ausgangsstrom des Wechselrichters so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadrat- förmiger Augenblickleistung Po.sin2(ωt) und der Klemmenspannung u(t) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(ωt)/u(t).
Dank der Erfindung werden dem Netz Oberwellen des Speisestroms zugeführt, sodass die Kraftwerke weniger mit Oberwellen belastet werden.
Die Aufgabe wird in gleicher Weise mit einem Wechselrichter der gegenständlichen Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß der Ausgangsstrom i(t) an den Klemmen in Abhängigkeit von der gemessenen Klemmenspannung u(t) so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblicksleistung Po.sin2(ωt) und der Klemmenspannung u(t) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(ωt)/u(t).
Ein solcher Wechselrichter eignet sich in besonderem Maß zur Netzeinspeisung von Alternativenergiequellen, wie Solar- oder Brennstoffzellen.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die auch in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
► Fig. 1 schematisch ein Ersatzschaltbild eines Netzes, seiner Verbraucher und zweier Stromlieferanten und
► Fig. 2 eine ReaHsierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer möglichen Ansteuerungsschaltung eines Wechselrichters.
Gemäß FigJ sollen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei diese Verbraucher insgesamt eine nicht lineare Impedanz X(t) darstellen, bei welchen der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom wie beispielsweise bei Halbleiterbandelementen nicht linear ist. Die Verbraucher werden von einem Versorgungsnetz NET gespeist, das hier durch ein Ersatzschaltbild, bestehend aus einer Wechselspannungsquelle G in Serie mit einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R dargestellt ist. Die Wechselspannungsquelle G kann wie üblich ein Drehstromgenerator oder Generatorenblock eines kalorischen Kraftwerkes oder eines Wasserkraftwerkes sein. Ein typischer Wert für den Leitungswiderstand R könnte im Bereich von Zehntel-Ohm liegen, jener für die Leitungsinduktivität L im Bereich von einem mH. Nicht eingezeichnet, da von geringerer Bedeutung, sind Leitungskapazitäten.
Die Verbraucher VER sollen weiters von Alternativenergiequellen oder Klein- bzw. Kleinstkraftwerken versorgt werden, welche Energie in Watt- bis Kilowattbereich in das Netz NET einspeisen. Dabei kann es sich z.B. um voltaische Solaranlagen oder Brennstoffzellen handeln, deren Gleichspannung UDC über einen Wechselrichter WER in das Netz zu den Verbrauchern VER gespeist wird.
Die Erfindung sieht nun eine besondere Art der Einspeisung durch die Wechselrichter vor, welche auch hier in bekannter Weise eine netzfrequente Wechselspannung u(t) und einen zugehörigen Wechselstrom i(t) Hefern. Genauer gesagt wird der Ausgangsstrom i(t) des Wechselrichters WER so geregelt, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus der Augenblicksleistung Po.sin2(ωt) und der Klemmenspannung u(t) entspricht. Es soll somit gelten i(t) = Po.sin2 (ωt)/u(t).
Wenn der Ausgangsstrom i(t) des Wechselrichters auf diese Weise geregelt wird, können derartige Stromlieferanten dem Netz bzw. den Verbrauchern auch Oberwellen der Netzfrequenz zuführen, was zu einer geringeren Belastung der Drehstromgeneratoren mit unerwünschten Oberwellen führt. Dazu ist anzumerken, dass übliche Wechselrichter von in fragestehenden Klein/ Kleinst-Stromversor ern de facto einen konstanten Strom in das Netz einspeisen.
Ausgehend von der erfindungsgemäß vorgesehenen Stromregelung stehen dem Fachmann viele Realisierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Eine beispielsweise Ausführung hierzu soll an Hand der Fig.2 erläutert werden.
Wie Fig.2 zeigt, wird ein Wechselrichter WER vorausgesetzt, bei welchem der Ausgangsstrom getrennt werden kann, was bei elektrischen Wechselrichtern bekannter Bauart problemlos möglich ist.
Die Klemmenspannung u(t) des Wechselrichters WER wird mit Hilfe eines Spannungssensors SPS erfasst, welcher ein Signal k2.u(t) liefert.
In der Ansteuerschaltung wird das Ausgangssignal sin(ωt) einer Wechselspannungsquelle Q mit Hilfe eines Multiplizierers Ml multipliziert, welcher ein Signal der Form sin2(ωt) liefert. Dieses Signal wird in einem zweiten Mutliplizierer M2 mit einem Leistungssollwert Psoii multipliziert und das erhaltene Signal gelangt an einen Eingang eines Addier- bzw. Subtrahiergleicher DIF, dessen Ausgangssignal ΔP(t) einem Regelverstärker REV zugeführt ist.
Der Ausgang I(t) des Regelverstärkers REV gelangt an einen Eingang eines dritten Multiplizierers M3, dessen ariderer Eingang das Ausgangssignal der Wechselspannungsquelle Q zugeführt ist. Das Signal I(t) sin(ωt) = ki i(t) als Ausgangssignal des Multiplizierers M3 wird dem Stromeingang des Wechselrichters WER zugeführt. Außerdem gelangt dieses Signal und das bereits erwähnte Spannungssignal k2.u(t) an die beiden Eingänge eines vierten Multiplizierers M4, welcher die Istleistung Pist(t) ermittelt und einem Eingang des Addierbzw. Subtrahiergleichers DIF zugeführt.
Das oben beschriebene Beispiel soll nun eine Realisierungsmöglichkeit beschreiben. Tatsächlich sind viele andere Lösungen möglich. Insbesondere kann die Regelung auch digital unter Verwendung eines Mikroprozessors erfolgen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Einspeisen von Wechselstrom in ein Netz (NET), bei welchem eine Gleichspannung mit Hilfe eines Wechselrichters (WER) in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz gewandelt wird und der Ausgang des Wechselrichters an dem Netz liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmenspannung (u(t)) gemessen wird und der Ausgangsstrom (i(t)) des Wechselrichters (WER) so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinus- quadratförmiger Augenblickleistung Po.sin2(ωt) und der Klemmenspannung (u(t)) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(ωt)/u(t).
2. Wechselrichter (WER) zur Umwandlung einer Eingangsgleichspannung (UDC) einer Gleichspannungsquelle in eine Ausgangswechselspannung (u(t)) mit Netzfrequenz, dessen Ausgang an Klemmen eines Wechselstromnetzes (NET) hegt, um Energie von der Gleichspannungsquelle in das Netz zu speisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom (i(t)) an den Klemmen in Abhängigkeit von der gemessenen Klemmenspannung (u(t)) so geregelt wird, dass er im wesentlichen dem Quotienten aus sinusquadratförmiger Augenblicksleistung Po.sin2(ωt) und der Klemmenspannung (u(t)) entspricht, somit i(t) = Po.sin2(ωt)/u(t).
3. Wechselrichter (WER) nach Anspruch 2 zur Netzeinspeisung von Alternativenergiequellen, . wie Solar- oder Brennstoffzellen.
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