EP3146606A1 - Vorrichtung und verfahren zur regelung von dezentralen energieerzeugungsanlagen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur regelung von dezentralen energieerzeugungsanlagen

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EP3146606A1
EP3146606A1 EP15724256.1A EP15724256A EP3146606A1 EP 3146606 A1 EP3146606 A1 EP 3146606A1 EP 15724256 A EP15724256 A EP 15724256A EP 3146606 A1 EP3146606 A1 EP 3146606A1
Authority
EP
European Patent Office
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inverter
module
control
power generation
decentralized
Prior art date
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Pending
Application number
EP15724256.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Oesselke
Björn SAUER
Hans-Peter PIRCHER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3146606A1 publication Critical patent/EP3146606A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y04S40/124—Systems for electrical power generation, transmission, distribution or end-user application management characterised by the use of communication or information technologies, or communication or information technology specific aspects supporting them characterised by data transport means between the monitoring, controlling or managing units and monitored, controlled or operated electrical equipment using wired telecommunication networks or data transmission busses

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a power generation plant, a control unit and a
  • Telecontrol which is used to transmit the setpoint specification for active and reactive power as well as for the feedback of the
  • the notifying party Phoenix Contact has developed an EZA controller function that integrates system integrators in complex power generation plants such as
  • photovoltaic generators for example, photovoltaic generators, wind turbines, combined heat and power (CHP) or diesel generators or a combination thereof, supported.
  • CHP combined heat and power
  • Another aspect of the task is the EZA controller
  • Another aspect of the invention relates to a method for controlling one or more decentralized
  • the invention also provides a power plant with an EZA controller. Further tasks emerge from the following
  • the invention describes a control device for
  • decentralized EZA a procedure for the regulation of decentralized EZA and a procedure for the commissioning for decentralized EZA, in particular for photovoltaic plants.
  • the electrical voltage Before being fed into the grid, the electrical voltage must generally be provided by the inverter and, if necessary,
  • Transformers to be adapted to the grid. To maintain the network stability, it can be at a high proportion of
  • Power generation plants are required to regulate the amount of reactive power and / or active power fed by the decentralized power generation unit into the electrical supply network, for example, depending on the current grid voltage, grid frequency and active power at the grid connection point of the decentralized generating unit. This can be done via a controlling access via a communication protocol and / or via binary control signals to the inverters used. In other words, by means of the control of one or more inverters (s) of a decentralized Energy generation unit the aforementioned characteristics and thus ultimately the power output of the decentralized
  • a database is created from which the control statements can be generated.
  • control commands can be received, which are kept or transmitted by the grid operator in particular as a telecontrol signal.
  • a telecontrol signal for example, a telecontrol signal.
  • Utility grid parameters are, for example, utility grid voltage,
  • Mains supply frequency It can also alternatively or additionally electric
  • Parameters of the decentralized power generation unit are measured and fed to the processing. Examples of these parameters are the injected reactive power or the active power.
  • the supply network parameters and / or the electrical parameters of the decentralized EZA are measured at a network connection point of the decentralized EZA.
  • Utility grid parameters are processed in a further step.
  • the control module can be used for processing.
  • control signals for controlling a first inverter are created in a further step.
  • control commands in change statements for the
  • Power generation plant control is stored in a memory for further use.
  • inverter is important because different inverters not only
  • inverter may have different interfaces, but also various communication protocols can be used.
  • various communication protocols can be used.
  • the type of inverter is already in the generation of the control signals
  • the inverter can be selected from a predefined list.
  • the predefined list is modifiable, so that new
  • inverters and communication protocols can be considered.
  • Today's decentralized DC it is typical that one or more inverters are inserted between the generators of the plant and the supply network. The inverter thus establishes the electrical connection and adaptation to the specifications of the supply network. This is also because of the way of working with a
  • Inverter such an adaptation to the Utility parameters is ever possible.
  • decentralized DC should also be able to be regulated with the present system and the regulatory procedure, which do not have an inverter.
  • the created control signals are in another
  • Inverter interface is preferably already selected so that it can be connected to the inverter of the decentralized EZA to be used.
  • system parameters of the decentralized DCA are adjusted so that the specifications of the
  • the power output of the decentralized EZA is typically adjusted, ie throttled.
  • the adaptation of the decentralized EZA is done by means of the first inverter in
  • Inverter interface received control signals performed.
  • the presented method and the proposed power generation plant control can control more than one inverter at the same time.
  • the first and the second inverter can be different from each other. So can the first and the second Inverters can be used in the same decentralized EZA, the first inverter can also be used in the first decentralized EZA and the second
  • Inverter and the second inverter to a decentralized EZA is preferably stored in advance for further use.
  • the second inverter is representative of one or more additional inverters. Thus, preferably, 3, 4 or more to each other
  • Power generation system control are controlled simultaneously.
  • control commands are used to control the second one different from the first inverter
  • Inverter preferably forms second control signals.
  • the generated control signals are then transmitted in a further step to a second inverter interface for outputting the control signals to the second inverter.
  • Inverter interface be connected. Typically, however, an inverter interface is assigned to exactly one inverter or one inverter type, so that for each inverter another
  • Inverter interface is used.
  • the plant parameters of the decentralized power generation plant are received by means of the first and the second inverter in response to the respectively received from the inverter interface
  • the system parameter is in particular the output of the decentralized EZA.
  • the second inverter is arranged in a second decentralized power generation plant.
  • Partial energy generating systems be formed, each part energy generating plant is assigned a controllable inverter.
  • the inverters define the allocation of the EZA, whereas the network connection points determine the affiliation to an EZA.
  • Several EZA therefore have several network connection points.
  • a modular power generation plant control system (DCS) for regulating decentralized power generation plants comprises a programmable control module for the generation of
  • the modular ECR also includes a program memory of the control program control module. In other words, the control program can be stored in the program memory.
  • the control program preferably comprises software modules which can be stored individually, that is to say modularly, in the program memory, so that the program memory can be stored in the program memory
  • a software component includes the code for translating the
  • Software modules can be controlled in a simple manner, for example, various types of inverters, if the appropriate software modules in the
  • the control module further preferably has a processor for processing as well as input and / or output of
  • control module provides all
  • Inverter interfaces, telecontrol signal interface or also the measuring device interface give the
  • the EZR includes a modular expansion system
  • expansion modules can be added.
  • a simple expansion system is realized by pluggable
  • Bus connectors connect the modules directly to each other and allow the exchange of data between the modules.
  • a highly modular EZR allows the required
  • the ECC has a programmable one
  • Control module includes couplable first expansion module.
  • the first expansion module has at least one inverter interface, it is also called
  • Inverter interface module establishes the connection with the at least one inverter.
  • the signal connection line of the inverter is connected directly to the inverter on the one hand and directly to the inverter interface of the ECR on the other hand.
  • the ECC also includes a second one
  • the second expansion module is included for one or more additional expansion modules. It can be a second and possibly more
  • Inverter interface modules are used. It may alternatively or cumulatively, for example
  • Telecontrol signal module a measuring module or a
  • the second extension module as second
  • Inverter interface module has at least one inverter interface for establishing the connection to a second inverter.
  • Inverter is preferably different from the first inverter.
  • the second expansion module may include a telecontrol signal module with a telecontrol interface, with which control commands can be received and forwarded to the control module.
  • the telecontrol signal is generated individually by the respective grid operator and made available to the plant operator of the EZA via paths defined by the grid operator.
  • the telecontrol signal may also already include a general system control characteristic and / or an inverter control characteristic.
  • the second extension module can be a measuring module for Detecting plant and / or utility network parameters include.
  • Supply network parameters are, for example, the reactive power fed in by the decentralized DC, or the active power, depending on the current one
  • the second expansion module may include a communication module for reading out plant measuring devices.
  • control module and the first expansion module are preferably arranged in a common control box. Further preferred are the control module, the first
  • Extension module and / or the second expansion module arranged in a common control box and adjacent to each other so that they are adjacent to each other. Then the control module and the
  • control module and the expansion modules can be coupled with each other.
  • control module and the expansion modules can be mounted on a common top hat rail. In other words, it is an integrated one
  • common control box are arranged and preferably act from the outside on the power generation plant.
  • Control module with expansion modules an integrated control center dar.
  • control module and the at least one expansion module in a central control or terminal box of
  • Control box can be the functions of a
  • Combined generator box and system control In particular, it is an integrated power distribution and control center.
  • the second inverter interface module is with the second
  • Inverter an inverter of the decentralized
  • the second inverter interface module may be connected to the inverter of the further decentralized power generation plant.
  • Supply network parameters are regulated.
  • the at least second expansion module can be arranged in a second control box. This means that the first expansion module in the control box and the second extension module, in particular the second
  • Control box is arranged. This may be useful if two (or more) EZA are to be controlled by the control module, which are constructed, for example, spaced from each other.
  • the distance between the control box and the second control box can by means of a
  • the expansion system may thus comprise the data connection line for exchanging data between the control module and the second expansion module.
  • the control module exchanges data with the second expansion module via the data connection line.
  • Predefined software components can preferably be stored in the program memory of the control module.
  • Predefined software modules are preferably designed to communicate with the respective expansion module and / or the further expansion module.
  • a decentralized power generation plant comprises generators providing electrical power.
  • the generators generate the energy of the EZA.
  • Biomass plants and / or combined heat and power plants are Biomass plants and / or combined heat and power plants.
  • a small system may comprise a combination of a plurality of solar modules and a smaller wind turbine and represents the decentralized EZA as a whole.
  • the solar modules feed the first inverter and the smaller wind turbine the second
  • Solar modules are therefore part of a first subgenerator of the decentralized EZA, the second inverter and wind turbine are part of a second subgenerator of the decentralized EZA.
  • Parameters of the decentralized power generation plant i. the "system parameters" are adapted to that of the supply network and / or to the specification.
  • the electrical parameters of the second sub-generator can be adjusted.
  • Control module controls the first and the second
  • Inverter such that overall the setpoint of the network operator or the measured values are maintained.
  • the decentralized EZA therefore includes one as before
  • Fig. 1 is an overview of a typical
  • Fig. 2 shows another power generation plant with several
  • FIG. 4 Structure of a power generation plant control
  • FIG. 5 shows the interaction of the modular
  • Fig. 1 shows a typical power generation plant 10, to a power distribution network 100 via a
  • Network link point 102 is connected.
  • the power generation plant controller 20 receives from the grid operator 110 by means of the telecontrol signal 104 specifications for target values, for example, for the reactive power Q or the active power output P.
  • the setpoints can be
  • the characteristic curve can also be transmitted, for example, in the context of remote maintenance, in order to store the characteristic curve in the EZR 20.
  • different Actual values of the system parameters are measured at the network connection point 102.
  • the actual values of the system parameters are processed by the EZR 20 and can be used, for example, with the
  • Control signals for the power generation units 12 that is to say in particular for the inverters 40, are generated from the telecontrol signal 104 and / or the system parameters and sent to the inverters 40a, 40b, 40c.
  • the three inverters 40a, 40b, 40c are adjusted by means of the control signals in such a way that the corresponding electrical characteristic values are adapted to the specifications.
  • the inverters 40a, 40b, 40c, a transformer 42 is connected downstream of the
  • Voltage level of the supply network 100 adapts.
  • the supply network 100 is a medium-voltage network 100, whereas the
  • Inverter 40a, 40b, 40c for example, provide low voltage, that is, for example, about 400V (esp.
  • Plant actual values of EZA 10 can also be carried out by EZR 20.
  • FIG. 2 shows a further schematic overview of a decentralized power generation plant 10 in the form of a
  • Photovoltaic generator 10a The decentralized EZA 10 points a plurality of partial generators 12a, 12b, 12c. everybody
  • Subgenerator 12a, 12b, 12c has an associated one
  • a generator junction box 14 is shown in the first EZE 12a.
  • the network operator 110 provides specifications to the ECR 20 for regulating the decentralized ECA 10.
  • the ECR 20 implements the specifications by generating the control signal 108 from the specifications, which is transmitted via the
  • Inverter interface module 24 is output to the inverters 40a, 40b, 40c.
  • the inverters 40a, 40b, 40c are thus in response to the specifications of
  • the ECR 20 also provides feedback 106 to the network operator 110 in the illustrated embodiment.
  • Embodiment of Figure 2 is a network monitor 114 which monitors the system parameters of the decentralized EZE 10.
  • the measurement signal 112 obtained from the network monitor 114 is output to the ECR 20 and processed by the ECR 20.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a
  • decentralized EZA 10 with various types of power generators 12a, 12b, 12c, 12d, 12e.
  • 12a is a photovoltaic generator 12a
  • a cogeneration unit 12b is a further subgenerator of the decentralized ECA 10.
  • Each subgenerator 12a, 12b, 12c, 12d, 12e represents a power generation unit EZE, which can be adapted with corresponding control signals with regard to the system parameters.
  • FIG. 4 shows a power generation plant control 20 (ECR) in a control box 21.
  • the shown ECR 20 comprises a control module 22 with a processor (CPU) 34.
  • Control module 22 are connected.
  • the control module 22 forms the "heart" of the
  • control module 22 further includes an additional one
  • Communication interface 31 This is, for example, an Ethernet interface 31 for the maintenance of the control module 22, so in particular to
  • the expansion system 36 also includes an internal data connection.
  • the data connection executed here as a plug-in bus system is thus an integrated expansion system 36.
  • a first inverter interface module 24 is now connected to the Control module 22 connected.
  • Inverter interface module 24 has a
  • Control values are output to the inverter 40.
  • the inverter interface 24a becomes such
  • Inverter interface module 24 to an output module, since the control values are transmitted to the inverter 40.
  • Adjacent to the control module 22 is a
  • Telecontrol signal module 25 is arranged.
  • the telecontrol signal module 25 comprises a telecontrol signal interface 25a, at which the telecontrol signal 104 enters with the desired values.
  • Telecontrol signal module 25 forwards the telecontrol signal to the control module 22 for further processing.
  • the telecontrol signal module 25 is a
  • Telecontrol signal 104 receives.
  • the EZR 20 further includes a measuring module 26 with a
  • Plant parameters are suitably connected to the
  • Measuring module 26 for further processing in the
  • the ECR 20 includes a communication module 27 having a communication interface 27a.
  • Network operator 110 sent, so for example, the actual values of the system parameters.
  • the EZR 20 with the as in the embodiment
  • the integrated power generation plant control 20 all essential control and interface components are arranged in a common control box 21.
  • the integrated EZR 20 has the advantage that all components are accessible in one place, in a maintenance or service environment
  • Modification case a technician can therefore make any settings or changes in a central location.
  • the components can be optimally matched to each other, so that losses that may possibly occur due to incorrect conversion of the control signals by external components, for example directly on the inverter, can be reduced or avoided.
  • the short communication paths between the modules 22, 25, 26, 27 ensure extremely short transmission times of the corresponding signals, so that it is possible to respond quickly to any change in the ambient conditions. This is particularly interesting in regenerative power generation 12 such as wind power 12e, solar power or electricity from a biomass power plant 12b, since here
  • Interface modules with the control module 22 couple to the functionality desired by the user
  • the expansion module 28 is an input / output module, since both data can be received and transmitted.
  • the complete EZR 20 is mounted in Fig. 4 on a common top hat rail 32, so snapped.
  • FIG. 5 shows the interaction of the program modules 60 with the respective expansion modules 24, 25, 26, 27, 28.
  • program modules 60 which are assigned to exactly one expansion module 24, 25, 26, 27, 28 in order to carry out the correspondingly desired function
  • Other program blocks may include the main program 61 which, similar to an operating system, communicates with the system architecture (CPU 34, memory 38, external
  • the main program 61 can be used to ensure a software-implemented modularity of the
  • Main program 61 with program blocks 60a, 60b, 60c,
  • the main program 61 can work with the prefabricated standard replacement structures
  • control module 22 may be preinstalled standardized in the control module 22 and depending on the addition of further expansion modules 24, 25, 26, 27, 28, the program modules 60a, 60b, 60c, 60d, 60e are loaded into the control module 22.
  • program modules 60a, 60b, 60c, 60d, 60e are loaded into the control module 22.
  • control module 22 which is alternatively or cumulatively processed by the control module 22.
  • Telecontrol signal module 25 is a program or
  • Measurement module 26 is associated with a program module 60b, by means of which the measured value signals 112 are processed.
  • An interaction with the main program 61 makes it possible, for example, to access predefined data stored in the program memory 38.
  • predefined data include, for example, the distribution system operator specification in the form of a characteristic curve or the limits of the system parameters to be observed.
  • Telecontrol signal program module 60a and / or the
  • Inverter interface program module 60c passed.
  • the inverter interface program module 60c translates the control signal to correspond to the type of the
  • Inverter 40 fits, so for example, with the correct communication protocol. This corrected
  • Telecontrol signal program module 60a and / or the
  • the processing result of the measured value signal program module 60b can also be transferred to the feedback program module 60d, which generates a feedback signal 106 for the distribution network operator 110.
  • the feedback signal 106 can then by means of the communication module 27 and the associated communication interface 27 a to the
  • Distribution system operators 110 are transmitted.
  • Expansion modules 28 are assigned to perform corresponding functions.
  • the further program module 60e may be a second
  • Inverter interface program block 60e responsive to a second inverter interface module 28 for controlling a second inverter 40, 40a, 40b, 40c, 40d, 40e.
  • FIG. 6 shows a further possibility of
  • Distribution network operator 110 for transmitting the telecontrol signal 104.
  • the distribution network operator side the setpoints via a serial telecontrol protocol in this case to a
  • Telecontrol box 118 is transmitted via cable or wireless, the ACTUAL values can also be transmitted via the telecontrol protocol.
  • the default values are forwarded to the ECR 20 in another signal form.
  • telecontrol box 118 translates the signals from the telecontrol protocol into an equipment log.
  • the default values can be sent to the input or output as a proportional analog signal
  • a proportional analog signal can also be from the
  • Communication module 27 are transmitted to the telecontrol box 118.
  • the default values can also be transmitted as bit-coded digital signal in definable stages to a suitable multi-channel digital telecontrol signal module 25.
  • the transmission form is of the
  • Distribution system operator 110 announced so that the appropriate extension module to be used can be selected and used in the EZR 20.
  • FIG. 7 shows a further variant of the communication with the distribution network operator 110.
  • the network operator 110 exchanges the data via a serial
  • Telecontrol protocol with the telecontrol box 118 off.
  • a local communication protocol for example also a serial
  • the expansion module used namely the
  • Telecontrol signal module 25 of the EZR 20 is prepared in this variant to forward both input and output data, so can not only receive the telecontrol signal 104, but also transmit the actual system values 106 to the telecontrol box 118.
  • decentralized EZA 10 to the supply network 100 can thereby from the grid operator 110, to the grid 100, the decentralized power generation plant 10 is connected, are set in its connection conditions.
  • Figure 8 communicate
  • Distribution network operators 110 and EZR 20 finally directly with each other.
  • the EZR 20 is therefore prepared in this example, directly into the used
  • Telecontrol protocol to receive and send translated data.
  • FIG. 9 shows a variant of the EZR 20 in which no telecontrol signal 104 is transmitted by the distribution system operator 110. Rather, at the network connection point 102 the
  • Parameters of the distribution network 100 and the system parameters such as current, voltage, phase measured and transmit the measured values to the measured value module 26.
  • the measurement module forwards the data to the control module 22, where it is sent by means of the CPU 34 and the
  • Program blocks 60 are processed by the relevant variables such as power P, frequency f,
  • FIG. 10 shows yet another form of the EZR 20 in which no telecontrol signal 104 is used.
  • Network link point 102 the relevant quantities are measured, but by means of the decentralized network monitoring 114, wherein the EZR 20 already processed
  • FIG. 10 shows an embodiment with partial generators, such that a plurality of inverters 40, 40 a, 40 b, 40 c receive their control signals from the first and, if applicable, the second inverter interface modules 24, about the system parameters
  • FIG. 11 shows an embodiment of the EZR 20 in which the inverters 40, 40a, 40b, 40c, 40d are arranged distributed and as each "coupling module"
  • Inverter interface module 24 ' is assigned.
  • the coupling modules are inverter interface modules 24 'which are not
  • control module 22 are arranged directly adjacent to the control module 22, but communicate with the control module 22 via a data link 30.
  • This can be a serial as in this example
  • Inverters 40 in particular spatially assigned second inverter interface modules 24 'to the
  • Inverters 40, 40a, 40b, 40c, 40d transmitted.
  • the second inverter interface modules 24 ' may optionally the manipulated variables via a serial
  • discrete manipulated variables e.g. an analog standard signal
  • one provides the communication protocol to the
  • Inverter interface module 24 adapted software or program block 60 for data transfer via the
  • the coupling modules can provide a return channel to receive data from the inverter about the EZR 20 for diagnostic or diagnostic purposes
  • the present EZA controller 20 can therefore be summarized by interfaces and functions to
  • HW hardware
  • SW software
  • a trained user can be based on a
  • the described interfaces can be designed as analog input and output interfaces.
  • a further optimization of the system is a superimposed overall control of different self-regulated units 12a, 12b, 12c, 12d, 12e. If the acquisition of the target, detection of the actual value and the transmission of the control values 108 via other than analog interfaces, the basic function of the controller 20 is maintained and there is only an adaptation of the HW modules 24, 25, 26, 27, 28 and the interface blocks 60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e instead.
  • the modular expandability allows the ECR controller 20 to be individually adapted to the respective application
  • Power generation equipment e.g., wind, solar, diesel
  • 12a, 12b, 12c, 12d, 12e and also the combination with
  • the basic controller function can be used in particular
  • SPS 22 Programmable Logic Controller - English: PLC Programmable Logic Controller
  • Inverter eg RS485 communication protocol
  • the measurement technology to be read eg power meter with S0 output
  • the higher-level control level to be coupled for setpoint specification eg telecontrol protocol
  • the user selects the necessary HW interface modules and supplements the PLC 22 with these modules 24, 25 , 26, 27, 28, respectively, releases these interfaces in the PLC 22.
  • SW modules 60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e associated with the selected HW blocks 24, 25, 26, 27, 28 become the programming environment of the PLC 22
  • control module 22 which can be programmed according to IEC 61131.
  • Kompakt vomerungen is provided with the present invention, a comprehensive portfolio of expansion modules 24, 25, 26, 27, 28, for example, to capture input / output data (I / O data) and over
  • the user can adapt the solution optimally to the requirements of the respective project, for example with regard to the connection to inverters 40 of different manufacturers, network analysis systems or telecontrol interfaces 25a. Should have new requirements over time
  • the existing applications can be supplemented later with additional modules or replace existing ones with new components.
  • the modularity and flexibility of the hardware has also been transferred to the software.
  • the applicant Phoenix Contact has developed extensive IEC 61131-based function block libraries 60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, especially for solar applications, which significantly increase the engineering effort of the system integrator
  • the developed function block library SolarWorx allows on the one hand the simple integration of almost all leading inverters 40 in the respective photovoltaic system 10, 12a.
  • communication modules 60 are available for coupling power meters for grid monitoring at the feed-in point.
  • network analyzers from the
  • the EMpro product family can also support third-party components.
  • a main focus is on the integration of Modbus-based
  • the fine parameterization for example, with regard to the control parameters can then be done in the system via web-based user interfaces, which can be specially adapted to the control modules.
  • the optimally structured portfolio of hardware and software components can thus reduce the engineering effort for the system integrator. Nevertheless, he gets far - reaching flexibility with regard to
  • EZE EZE
  • wind and photovoltaic are combined.
  • energy storage systems can also be integrated into such solutions if necessary.
  • the responsible grid operator typically provides the data for each DCA
  • Power generation plant controller meet the requirements in large photovoltaic systems 10 on the medium-voltage network. They record the voltage and reactive power present at the grid connection point via appropriate measuring technology. Subsequently, the EZA controllers 20 determine the necessary control values for the inverters on the basis of the deviation from the specifications of the grid operator 110, which are either present as a characteristic curve or made by external reference specification. The closed-loop control compensates for internal park impedances.
  • EZA controllers therefore record the present voltage and reactive power at the grid connection points and then determine the respective control values for the inverters.
  • a hardware and software-based solution from Phoenix Contact ensures that the engineering effort remains low.
  • ECR power generation plant controller

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Regeln von dezentralen Energieerzeugungsanlagen vorgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte Empfangen von Steuerbefehlen und/oder Messen von Versorgungsnetzparametern, Verarbeiten der empfangenen Steuerbefehle und/oder der gemessenen Versorgungsnetzparameter, Erstellen von Steuersignalen in Ansprechen auf die empfangenen Steuerbefehle und/oder der gemessenen Versorgungsnetzparameter zum Steuern eines ersten Wechselrichters, Übertragen der erstellten Steuersignale an eine Wechselrichterschnittstelle zur Ausgabe an einen ersten Wechselrichter, Anpassen von Anlagenparametern, insbesondere der Leistungsabgabe, der dezentralen Energieerzeugungsanlage mittels des ersten Wechselrichters in Ansprechen auf die von der Wechselrichterschnittstelle empfangenen Steuersignale. Es wird ferner eine Energieerzeugungsanlagenregelung und eine Energieerzeugungsanlage mit einer Energieerzeugungsanlagenregelung zur Ausführung des Verfahrens vorgestellt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Regelung von dezentralen Energieerzeugungsanlagen
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Energieerzeugungsanlage, eine Regeleinheit sowie eine
Energieerzeugungsanlage mit einer Regeleinheit. Hintergrund der Erfindung
Der Anteil der Stromerzeugung aus dezentralen
Energieerzeugungsanlagen (EZA) ist in den vergangenen
Jahren international erheblich gewachsen. Die weltweit installierte Photovoltaik-Leistung hat sich im Zeitraum von 2000 bis 2012 von einem Gigawatt auf über 100 Gigawatt erhöht. Aufgrund des dezentralen Charakters dieser Art der Energieerzeugung sowie der damit einhergehenden zeitweisen Lastumkehr ergeben sich neue Herausforderungen für die Netzbetreiber. So führt ein Überangebot von Wirkleistung im Netz zu einem Anstieg von Netzspannung und Frequenz. Um die Netzstabilität sicherstellen zu können, wurden in den letzten Jahren entsprechende Gesetze und Richtlinien auf nationaler Ebene in Kraft gesetzt, welche die technischen Bedingungen für den Netzanschluss dezentraler
Energieerzeugungsanlagen regeln. Auch dezentrale EZA müssen somit nun ihren Beitrag zu einer hohen Netzstabilität leisten .
In Deutschland verlangt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) seit 2012 die Beteiligung regenerativer
Energieerzeugungsanlagen am Einspeise-Management , damit die Wirkleistung begrenzt wird. Dies gilt unabhängig von der Spannungsebene, in der die Netzankopplung der Anlage erfolgt. Die Anforderungen an die Scheinleistungs-Regelung sind für die Niederspannungsebene in der VDE-AR 4105 und für die Mittelspannungsebene in der technischen Richtlinie für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz des BDEW
(Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft)
aufgeführt. International gibt es technisch vergleichbare Rahmenbedingungen, beispielsweise die CEI 16
(Mittelspannung) respektive CEI 21 (Niederspannung) in Italien. Auch wenn die Anschlussregeln auf nationaler Ebene im Detail voneinander abweichen, stellt sich in der Regel stets die gleiche grundlegende Aufgabe: Ziel ist es dabei, die Netzfrequenz und -Spannung in einem Bereich zu halten, der die Stabilität des Netzes garantiert.
Eine wesentliche technische Herausforderung resultiert aus der fehlenden Standardisierung der Protokolle, über die die Wechselrichter Daten austauschen. Aus diesem Grund handelt es sich bei den verfügbaren Lösungen typischerweise um einen proprietären Ansatz des jeweiligen Wechselrichter- Herstellers oder eines Drittanbieters. Lösungen von
Drittanbietern sind in der Regel jedoch auf ein
Wechselrichterfabrikat beschränkt, also ebenso wie die wechselrichterspezifischen Lösungen der
Wechselrichterhersteller nicht universell einsetzbar. Dies ist aber auch beispielsweise dann ein Nachteil, wenn
Energieerzeugungsanlagen mit Wechselrichtern
unterschiedlicher Hersteller aufgebaut sind oder wenn in dem gleichen Versorgungsnetz Energieerzeugungsanlagen unterschiedlichen Typs miteinander kombiniert werden. Ein weiteres Problem des Netzbetreibers ergibt sich aus der fehlenden Standardisierung hinsichtlich der
Fernwirktechnik, die zur Übermittlung der Sollwert-Vorgabe für Wirk- und Blindleistung sowie zur Rückmeldung der
Istwerte der Anlage an den Netzbetreiber eingesetzt wird. In der Praxis bedeutet das, dass zusätzliche
Kommunikations-Gateways zwischen dem EZA-Regler und der Fernwirktechnik des Netzbetreibers zu installieren sind. Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund hat die Anmelderin Phoenix Contact eine EZA-Reglerfunktion entwickelt, die Systemintegratoren in komplexen Energieerzeugungsanlagen (EZA) wie
beispielsweise Photovoltaikgeneratoren, Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerken (BHKW) oder Dieselgeneratoren oder einer Kombination daraus, unterstützt.
Es ergibt sich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen EZA-Regler bereit zu stellen, welcher eine hohe
Flexibilität und/oder Modularität aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist, den EZA-Regler
kostengünstig zu gestalten. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer oder mehrerer dezentraler
Energieerzeugungsanlagen .
Die Erfindung stellt auch eine Energieerzeugungsanlage mit einem EZA-Regler bereit. Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bzw. den besonderen Vorteilen die mit
bestimmten Ausführungsformen erzielt werden. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beschreibt eine Regelvorrichtung für
dezentrale EZA, ein Verfahren zur Regelung von dezentralen EZA und ein Verfahren zur Inbetriebnahme für dezentrale EZA, insbesondere für Photovoltaikanlagen .
In netzgekoppelten, dezentralen Energieerzeugungsanlagen wird durch Generatoren elektrische Energie
erzeugt. Vor Einspeisung in das Netz muss die elektrische Spannung in der Regel durch Umrichter und ggf.
Transformatoren an das Netz angepasst werden. Zur Wahrung der Netzstabilität kann es bei einem hohen Anteil von
Energieeinspeisung aus dezentralen
Energieerzeugungsanlagen erforderlich werden, die Höhe der von der dezentralen Energieerzeugungseinheit in das elektrische Versorgungsnetz eingespeisten Blindleistung und/oder Wirkleistung beispielsweise in Abhängigkeit von der aktuellen Netzspannung, Netzfrequenz und Wirkleistung am Netzverknüpfungspunkt der dezentralen Erzeugungseinheit zu regeln. Dies kann über einen steuernden Zugriff über ein Kommunikationsprotokoll und/oder über binäre Steuersignale auf die eingesetzten Wechselrichter erfolgen. Mit anderen Worten können mittels der Steuerung eines oder mehrerer Wechselrichter ( s ) einer dezentralen Energieerzeugungseinheit die vorgenannten Kennwerte und somit letztlich die Leistungsabgabe der dezentralen
Energieerzeugungseinheit in das elektrische Versorgungsnetz geregelt werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln von
dezentralen Energieerzeugungsanlagen werden die folgenden Schritte durchgeführt. Zunächst wird eine Datenbasis geschaffen, aus der heraus die Regelungsanweisungen erzeugt werden können. Hierfür können zum Beispiel Steuerbefehle empfangen werden, welche vom Versorgungsnetzbetreiber insbesondere als Fernwirksignal vorgehalten bzw. übertragen werden. Alternativ oder kumulativ können
Versorgungsnetzparameter gemessen werden, mit denen
beispielsweise ein Steuerungsmodul selbsttätig die nötigen Berechnungen durchführen kann. Versorgungsnetzparameter sind beispielsweise Versorgungsnetzspannung,
Versorgungsnetzfrequenz . Es können auch alternativ oder zusätzlich elektrische
Parameter der dezentralen Energieerzeugungseinheit gemessen und der Verarbeitung zugeführt werden. Beispiele dieser Parameter sind die eingespeiste Blindleistung oder die Wirkleistung. Bevorzugt werden die Versorgungsnetzparameter und/oder die elektrischen Parameter der dezentralen EZA an einem Netzverknüpfungspunkt der dezentralen EZA gemessen.
Die empfangenen Steuerbefehle und/oder die gemessenen
Versorgungsnetzparameter werden in einem weiteren Schritt verarbeitet. Für die Verarbeitung kann das Steuerungsmodul herangezogen werden. In Ansprechen auf die empfangenen Steuerbefehle und/oder die gemessenen Versorgungsnetzparameter werden in einem weiteren Schritt Steuersignale zum Steuern eines ersten Wechselrichters erstellt. Mit anderen Worten werden die Steuerbefehle in Änderungsanweisungen für den
Wechselrichter übersetzt. Hierbei wird der Typ des
Wechselrichters berücksichtigt, der bevorzugt bereits bei Inbetriebnahme der modularen
Energieerzeugungsanlagenregelung in einem Speicher zur weiteren Verwendung abgelegt wird.
Der Typ des Wechselrichters ist dabei von Bedeutung, da verschiedenartige Wechselrichter nicht nur
verschiedenartige Schnittstellen aufweisen können, sondern auch verschiedenartige Kommunikationsprotokolle eingesetzt werden können. Somit ist bereits bei der Erzeugung der Steuersignale der Typ des Wechselrichters zu
berücksichtigen. Beispielsweise kann der Wechselrichter aus einer vordefinierten Liste auswählbar sein. Bevorzugt ist die vordefinierte Liste modifizierbar, so dass neu
entwickelte Wechselrichter und Kommunikationsprotokolle Berücksichtigung finden können. Bei heutigen dezentralen EZA ist es typisch, dass ein oder mehrere Wechselrichter zwischen den Generatoren der Anlage und dem Versorgungsnetz eingesetzt sind. Der Wechselrichter stellt somit die elektrische Verbindung und Anpassung an die Spezifikationen des Versorgungsnetzes her. Dies liegt auch daran, da bei der Arbeitsweise mit einem
Wechselrichter eine solche Anpassung an die Versorgungsnetzparameter überhaupt ermöglicht ist. Jedoch sollen auch solche dezentralen EZA mit der vorliegenden Regelung und dem Regelungsverfahren regelbar sein, die über keinen Wechselrichter verfügen. Beispielsweise ist es denkbar, eine Windkraftanlage, die direkt Wechselstrom erzeugt, direkt zu drosseln, um die elektrischen Parameter an die Versorgungsnetzparameter anzupassen.
Die erstellten Steuersignale werden in einem weiteren
Schritt an eine Wechselrichterschnittstelle zur Ausgabe an den ersten Wechselrichter übertragen. Die
Wechselrichterschnittstelle ist dabei bevorzugt bereits so ausgewählt, dass sie zu dem einzusetzenden Wechselrichter der dezentralen EZA verbindbar ist.
In noch einem weiteren Schritt werden Anlagenparameter der dezentralen EZA so angepasst, dass die Vorgaben des
Versorgungsnetzbetreibers und/oder Grenzwerte des
Versorgungsnetzes eingehalten werden. Mit anderen Worten wird typischerweise die Leistungsabgabe der dezentralen EZA angepasst, also gedrosselt. Die Anpassung der dezentralen EZA wird dabei mittels des ersten Wechselrichters in
Ansprechen auf die von dem Wechselrichter von der
Wechselrichterschnittstelle empfangenen Steuersignale durchgeführt.
Besonders bevorzugt vermag das vorgestellte Verfahren und die vorgestellte Energieerzeugungsanlagenregelung mehr als einen Wechselrichter gleichzeitig zu steuern. Der erste und der zweite Wechselrichter können dabei verschiedenartig zueinander sein. So können der erste und der zweite Wechselrichter in der gleichen dezentralen EZA eingesetzt sein, der erste Wechselrichter kann aber auch in der ersten dezentralen EZA eingesetzt sein und der zweite
Wechselrichter in einer zweiten dezentralen EZA. Der Aufbau der dezentralen EZA und die Zuordnung des ersten
Wechselrichters und des zweiten Wechselrichters zu einer dezentralen EZA ist dabei bevorzugt vorab zur weiteren Verwendung gespeichert. Der zweite Wechselrichter steht dabei stellvertretend für einen oder mehrere weitere Wechselrichter. So können bevorzugt auch 3, 4 oder mehr zueinander jeweils
verschiedenartige Wechselrichter von der
Energieerzeugungsanlagenregelung gleichzeitig gesteuert werden.
Aus den Steuerbefehlen werden zum Steuern des von dem ersten Wechselrichter verschiedenartigen zweiten
Wechselrichters bevorzugt zweite Steuersignale gebildet. Die erstellten Steuersignale werden dann in einem weiteren Schritt an eine zweite Wechselrichterschnittstelle zur Ausgabe der Steuersignale an den zweiten Wechselrichter übertragen. Mit anderen Worten sind mehrere, bevorzugt verschiedenartige, Wechselrichterschnittstellen vorhanden, wobei jeder Wechselrichterschnittstelle ein vordefinierter Typ von Wechselrichter zugeordnet ist. Es können ggf.
mehrere gleichartige Wechselrichter mit einer
Wechselrichterschnittstelle verbunden sein. Typischerweise wird jedoch eine Wechselrichterschnittstelle zu genau einem Wechselrichter oder einem Wechselrichtertyp zugeordnet, so dass für jeden Wechselrichter eine weitere
Wechselrichterschnittstelle eingesetzt wird.
In einem weiteren Schritt werden die Anlagenparameter der dezentralen Energieerzeugungsanlage mittels des ersten und des zweiten Wechselrichters in Ansprechen auf die jeweils von der Wechselrichterschnittstelle empfangenen
Steuersignale angepasst. Anlagenparameter ist dabei insbesondere die Leistungsabgabe der dezentralen EZA.
Bevorzugt ist der zweite Wechselrichter in einer zweiten dezentralen Energieerzeugungsanlage angeordnet.
Hierarchisch betrachtet wird davon ausgegangen, dass der an einem Netzverknüpfungspunkt hängende Gesamtverbund einer Energieerzeugungsanlage eine zusammengehörige EZA
darstellt. Innerhalb einer EZA, die an einem
Netzverknüpfungspunkt verbunden ist, können
Teilenergieerzeugungsanlagen gebildet sein, wobei jeder Teilenergieerzeugungsanlage ein steuerbarer Wechselrichter zugeordnet ist. Somit definieren die Wechselrichter die Aufteilung der EZA, wohingegen die Netzverknüpfungspunkte die Zugehörigkeit zu einer EZA bestimmen. Mehrere EZA weisen daher mehrere Netzverknüpfungspunkte auf.
Eine modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (EZR) zur Regelung dezentraler Energieerzeugungsanlagen umfasst ein programmierbares Steuerungsmodul zur Erzeugung von
wechselrichterspezifischen Steuersignalen zum Steuern des ersten Wechselrichters. Der erste Wechselrichter ist dabei der dezentralen Energieerzeugungsanlage zugeordnet. Die modulare EZR umfasst ferner einen Programmspeicher des Steuerungsmoduls für ein Steuerungsprogramm. Mit anderen Worten kann das Steuerungsprogramm in dem Programmspeicher abgelegt sein.
Das Steuerungsprogramm umfasst bevorzugt Softwarebausteine, die einzeln, also modular, in dem Programmspeicher ablegbar sind, so dass der Programmspeicher den jeweiligen
Softwarebaustein, der zur Ausführung der benötigten
Funktionen geeignet ist, enthält. Beispielsweise umfasst ein Softwarebaustein den Code zum Übersetzen der
Steuerbefehle in Steuersignale eines bestimmten
Wechselrichtertyps. Durch Implementation mehrerer
Softwarebausteine können so auf einfache Weise mehrere beispielsweise verschiedenartige Wechselrichter gesteuert werden, wenn die passenden Softwarebausteine in dem
Programmspeicher abgelegt sind. Das Steuerungsmodul weist ferner bevorzugt einen Prozessor auf zur Verarbeitung sowie Ein- und/oder Ausgabe von
Signalen bzw. Befehlen.
Mit anderen Worten stellt das Steuerungsmodul alle
verarbeitenden Funktionen zur Verfügung und die
Wechselrichterschnittstellen, Fernwirksignalschnittstelle oder auch die Messgeräteschnittstelle geben die
verarbeiteten Daten in Form von Signalen aus. Die EZR umfasst ein Erweiterungssystem zum modularen
Ergänzen von Erweiterungsmodulen an das programmierbare Steuerungsmodul. Das Erweiterungssystem ist derart
ausgeführt, dass eines oder mehrere Erweiterungsmodule ergänzt werden können. Beispielsweise ist ein einfaches Erweiterungssystem dadurch realisiert, dass steckbare
Busverbinder die Module direkt miteinander koppeln und den Datenaustausch zwischen den Modulen ermöglichen. Eine hochgradig modulare EZR erlaubt es, die benötigten
Funktionen insbesondere der Ansteuerung verschiedenartiger Wechselrichter zu realisieren. Ferner ist es ermöglicht, dies mit einer kostengünstigen und integrierten Plattform darzustellen .
Ferner ist von dem EZR ein mit dem programmierbaren
Steuerungsmodul koppelbares erstes Erweiterungsmodul umfasst. Das erste Erweiterungsmodul weist zumindest eine Wechselrichterschnittstelle auf, es wird auch als
Wechselrichterschnittstellenmodul bezeichnet. Das
Wechselrichterschnittstellenmodul stellt die Verbindung mit dem zumindest einen Wechselrichter her. Mit anderen Worten ist die Signalverbindungsleitung des Wechselrichters unmittelbar am Wechselrichter einerseits und unmittelbar an der Wechselrichterschnittstelle der EZR andererseits angeschlossen . Mittels des Wechselrichterschnittstellenmoduls werden wechselrichterspezifische Steuersignale an den
Wechselrichter über die Wechselrichterschnittstelle
ausgegeben . Bevorzugt umfasst die EZR ferner ein zweites
Erweiterungsmodul. Das zweite Erweiterungsmodul steht dabei für ein oder mehrere weitere Erweiterungsmodule. Es können ein zweites und ggf. weitere
Wechselrichterschnittstellenmodule eingesetzt werden. Es können alternativ oder kumulativ beispielsweise ein
Fernwirksignalmodul, ein Messmodul oder ein
Kommunikationsmodul eingesetzt sein.
Das zweite Erweiterungsmodul als zweites
Wechselrichterschnittstellenmodul weist zumindest eine Wechselrichterschnittstelle zur Herstellung der Verbindung mit einem zweiten Wechselrichter auf. Der zweite
Wechselrichter ist bevorzugt verschiedenartig von dem ersten Wechselrichter. Mittels der
Wechselrichterschnittstelle werden die
wechselrichterspezifischen Steuersignale an den zweiten
Wechselrichter des zweiten
Wechselrichterschnittstellenmoduls ausgegeben . das zweite Erweiterungsmodul kann ein Fernwirksignalmodul mit einer Fernwirksignalschnittstelle umfassen, womit Steuerbefehle empfangen und an das Steuerungsmodul weitergeleitet werden können. Das Fernwirksignal wird von dem jeweiligen Netzbetreiber individuell erzeugt und über von diesem definierte Wege dem Anlagenbetreiber der EZA bereitgestellt. In dem Fernwirksignal kann auch bereits eine allgemeine Anlagenregelcharakteristik und/oder eine Wechselrichtersteuercharakteristik umfasst sein.
Ggf. wird ein solche Fernwirksignal nicht bereitgestellt. In diesem Fall, oder wenn es anderweitig interessant ist, kann das zweite Erweiterungsmodul ein Messmodul zum Erfassen von Anlagen- und/oder Versorgungsnetzparameter umfassen. Versorgungsnetzparameter sind beispielsweise die von der dezentralen EZA eingespeiste Blindleistung oder die Wirkleistung ggf. in Abhängigkeit der aktuellen
Netzspannung, aber auch die Spannung und die eingespeiste Stromstärke. Diese Messgrößen können dem EZR direkt bereitgestellt werden.
Es ist aber auch eine Möglichkeit, mittels der EZR die Daten externer Messgeräte auszulesen. In diesem Fall kann das zweite Erweiterungsmodul ein Kommunikationsmodul zum Auslesen von Anlagenmessgeräten umfassen.
Das Steuerungsmodul und das erste Erweiterungsmodul sind bevorzugt in einem gemeinsamen Steuerkasten angeordnet. Ferner bevorzugt sind das Steuerungsmodul, das erste
Erweiterungsmodul und/oder das zweite Erweiterungsmodul in einem gemeinsamen Steuerkasten angeordnet und zwar so benachbart nebeneinander, dass sie benachbart zueinander liegen. Dann können das Steuerungsmodul und die
Erweiterungsmodule mittels einer Steckbusverbindung
miteinander gekoppelt sein. Beispielsweise können das Steuerungsmodul und die Erweiterungsmodule auf einer gemeinsamen Hutschiene angebracht sein. Mit anderen Worten handelt es sich um eine integrierte
Energieerzeugungsanlagenregelung, wobei die Komponenten Steuerungsmodul und Erweiterungsmodul bzw.
Erweiterungsmodule an demselben Ort bzw. in einem
gemeinsamen Steuerkasten angeordnet sind und bevorzugt von außen auf die Energieerzeugungsanlage einwirken.
Insbesondere stellt die gemeinsame Anordnung von Steuerungsmodul mit Erweiterungsmodulen eine integrierte Regelungszentrale dar.
In einer anderen Ausführungsform sind das Steuerungsmodul und das zumindest eine Erweiterungsmodul in einem zentralen Steuerungs- oder Anschlusskasten der
Energieerzeugungsanlage angeordnet. Der zentrale
Steuerungskasten kann dabei die Funktionen eines dem
Fachmann bekannten Generatoranschlusskastens übernehmen. Die Unterbringung der EZR in dem zentralen Steuerungskasten hat den Vorzug, dass kein weiterer getrennter Kasten für die EZR benötigt wird. Aufgrund der geringen Baugrößen bzw. des geringen Platzbedarfs der hier vorgestellten EZR ist eine Anbringung im zentralen Steuerungskasten überhaupt erst prinzipiell möglich. Mit anderen Worten sind im zentralen Steuerungskasten die wesentlichen Funktionen der Strangzusammenführung bzw. Energieverteilung
(Generatoranschlusskasten) und Anlagenregelung (EZR) kombiniert. Es handelt sich damit insbesondere um eine integrierte Energieverteilungs- und Regelungszentrale.
Das erste Wechselrichterschnittstellenmodul ist in dieser Ausführungsform mit dem ersten Wechselrichter der
dezentralen Energieerzeugungsanlage verbunden. Das zweite Wechselrichterschnittstellenmodul ist mit dem zweiten
Wechselrichter verbunden. Hierbei kann der zweite
Wechselrichter ein Wechselrichter der dezentralen
Energieerzeugungsanlage oder ein Wechselrichter der
weiteren dezentralen Energieerzeugungsanlage sein. Falls daher eine weitere dezentrale Energieerzeugungsanlage von dem einen Steuerungsmodul gemeinsam mit der dezentralen Energieerzeugungsanlage geregelt wird, kann das zweite Wechselrichterschnittstellenmodul mit dem Wechselrichter der weiteren dezentralen Energieerzeugungsanlage verbunden sein. Mit anderen Worten können gleichzeitig mehrere dezentrale Energieerzeugungsanlagen besonders auch mit verschiedenartigen Wechselrichtern von einem
Steuerungsmodul hinsichtlich der einzuhaltenden
Versorgungsnetzparameter geregelt werden.
Das zumindest zweite Erweiterungsmodul kann in einem zweiten Steuerkasten angeordnet sein. Das bedeutet, dass das erste Erweiterungsmodul im Steuerkasten und das zweite Erweiterungsmodul, insbesondere das zweite
Wechselrichterschnittstellenmodul, entfernt von dem ersten Erweiterungsmodul und dem Steuerungsmodul im zweiten
Steuerkasten angeordnet ist. Dies kann dann sinnvoll sein, wenn zwei (oder mehr) EZA von dem Steuerungsmodul zu steuern sind, die beispielsweise voneinander beabstandet aufgebaut sind. Der Abstand zwischen dem Steuerkasten und dem zweiten Steuerkasten kann mittels einer
Datenverbindungsleitung hinsichtlich des Datenaustausches überbrückt werden. Hierfür sind ggf. auch gewöhnliche
Ethernet-Verbindungen geeignet. Mit anderen Worten kann das Erweiterungssystem somit die Datenverbindungsleitung zum Austausch von Daten zwischen dem Steuerungsmodul und dem zweiten Erweiterungsmodul umfassen. Hierbei tauscht das Steuerungsmodul über die Datenverbindungsleitung Daten mit dem zweiten Erweiterungsmodul aus. In dem Programmspeicher des Steuerungsmoduls sind bevorzugt vordefinierte Softwarebausteine ablegbar. Die
vordefinierten Softwarebausteine sind bevorzugt dazu ausgelegt, mit dem jeweiligen Erweiterungsmodul und/oder dem weiteren Erweiterungsmodul zu kommunizieren.
Eine erfindungsgemäße dezentrale Energieerzeugungsanlage umfasst elektrische Leistung bereitstellende Generatoren. Die Generatoren erzeugen die Energie der EZA. Bei den
Generatoren handelt es sich insbesondere um
Photovoltaikmodule, um Windkraftgeneratoren,
Biomasseanlagen und/oder Blockheizkraftwerke. Die
vorbezeichneten verschiedenartigen Generatoren können getrennten EZA zugehörig sein, eine EZA (Definition über den Netzverbindungspunkt) kann auch verschiedenartige
Generatoren umfassen. Beispielsweise kann eine Kleinanlage eine Kombination aus einer Vielzahl von Solarmodulen und eine kleinere Windkraftanlage umfassen und stellt insgesamt die dezentrale EZA dar. In diesem Beispiel ist es eine Möglichkeit, dass die Solarmodule den ersten Wechselrichter speisen und die kleinere Windkraftanlage den zweiten
Wechselrichter speist. Erster Wechselrichter und
Solarmodule sind daher Teil eines ersten Teilgenerators der dezentralen EZA, zweiter Wechselrichter und Windkraftanlage sind Teil eines zweiten Teilgenerators der dezentralen EZA.
Mittels des Wechselrichters können die elektrischen
Parameter der dezentralen Energieerzeugungsanlage, d.h. die "Anlagenparameter", an dasjenige des Versorgungsnetzes und/oder an die Vorgabe angepasst werden. Im zuvor
ausgeführten Beispiel können mittels des ersten Wechselrichters die elektrischen Parameter des ersten
Teilgenerators angepasst werden. Mittels des zweiten
Wechselrichters können die elektrischen Parameter des zweiten Teilgenerators angepasst werden. Das
Steuerungsmodul steuert den ersten und den zweiten
Wechselrichter derart, dass insgesamt die Sollvorgabe des Netzbetreibers oder der Messwerte eingehalten werden.
Die dezentrale EZA umfasst daher eine wie zuvor
beschriebene modulare Energieerzeugungsanlagenregelung zum Regeln von Parametern, insbesondere der Abgabeleistung, der dezentralen Energieerzeugungsanlage
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 eine Übersicht einer typischen
Energieerzeugungsanläge ,
Fig. 2 eine weitere Energieerzeugungsanlage mit mehreren
Teilgeneratoren,
Fig. 3 wie Fig. 2, mit verschiedenartigen
Teilgeneratoren,
Fig. 4 Aufbau einer Energieerzeugungsanlagenregelung
(EZR) in einem Schaltkasten, Fig. 5 zeigt das Zusammenwirken der modularen
Programmbausteine mit den modularen
Erweiterungsmodulen,
Fig. 6 Übersicht der Kommunikationsverbindung mit dem
Verteilnetzbetreiber,
Fig. 7 Eine weitere Möglichkeit der
Kommunikationsverbindung mit dem
Verteilnetzbetreiber,
Fig. 8 wie Fig. 7 als weitere Alternative,
Fig. 9 Energieerzeugungsanlagenregelung ohne
Fernwirksignal ,
Fig. 10 bla,
Fig. 11 Ausführungsform mit dezentralen
Wechselrichterschnittstellenmodulen .
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine typische Energieerzeugungsanlage 10, an ein Energieverteilnetz 100 über einen
Netzverknüpfungspunkt 102 verbunden ist.
Die Energieerzeugungsanlagenregelung 20 (EZR) erhält vom Netzbetreiber 110 mittels des Fernwirksignals 104 Vorgaben für Sollwerte beispielsweise für die Blindleistung Q oder die Wirkleistungsabgabe P. Die Sollwerte können
beispielsweise als direkte Wertübermittlung übermittelt werden oder in Form einer Kennlinie lokal, insbesondere in der EZR 20, gespeichert sein. Die Kennlinie kann auch beispielsweise im Rahmen einer Fernwartung übermittelt werden, um die Kennlinie in der EZR 20 abzulegen. In der gezeigten Ausführungsform werden außerdem verschiedene Istwerte der Anlagenparameter am Netzverknüpfungspunkt 102 gemessen. Die Istwerte der Anlagenparameter werden von der EZR 20 verarbeitet und können beispielsweise mit den
Sollwerten des Fernwirksignals 104 abgeglichen werden.
Aus dem Fernwirksignal 104 und/oder den Anlagenparameter werden Steuersignale für die Energieerzeugungseinheiten 12 (EZE) , also im Besonderen für die Wechselrichter 40, erzeugt und an die Wechselrichter 40a, 40b, 40c gesendet. Die drei Wechselrichter 40a, 40b, 40c werden mittels der Steuersignale so eingestellt, dass die entsprechenden elektrischen Kennwerte an die Vorgaben angepasst werden.
In der Ausführungsform ist den Wechselrichtern 40a, 40b, 40c ein Transformator 42 nachgeschaltet, der die
Ausgangsspannung der Wechselrichter 40a, 40b, 40c an das
Spannungsniveau des Versorgungsnetzes 100 anpasst.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Versorgungsnetz 100 um ein Mittelspannungsnetz 100 wohingegen die
Wechselrichter 40a, 40b, 40c beispielsweise Niederspannung bereitstellen, das heißt beispielsweise etwa 400V (insb.
Europa) oder 480V (insb. Nordamerika) je nach den Vorgaben national gültiger Normen. Eine Rückmeldung 106 an den Netzbetreiber 110 zu den
Anlagen-Istwerten der EZA 10 kann ebenfalls von der EZR 20 durchgeführt werden.
Figur 2 zeigt eine weitere schematische Übersicht einer dezentralen Energieerzeugungsanlage 10 in Form eines
Photovoltaikgenerators 10a. Die dezentrale EZA 10 weist mehrere Teilgeneratoren 12a, 12b, 12c auf. Jeder
Teilgenerator 12a, 12b, 12c weist einen zugeordneten
Wechselrichter 40a, 40b, 40c auf. Somit sind in Figur 2 drei Energieerzeugungseinheiten (EZE) gezeigt, die
gemeinsam die dezentrale EZA 10 bilden. Bei der ersten EZE 12a ist ferner ein Generatoranschlusskasten 14 gezeigt.
Der Netzbetreiber 110 gibt mittels des Fernwirksignals 104 Vorgaben an die EZR 20 zum Regeln der dezentralen EZA 10. Die EZR 20 setzt die Vorgaben um, indem aus den Vorgaben das Stellsignal 108 erzeugt wird, welches über das
Wechselrichterschnittstellenmodul 24 an die Wechselrichter 40a, 40b, 40c ausgegeben wird. Die Wechselrichter 40a, 40b, 40c werden somit in Ansprechen auf die Vorgaben des
Fernwirksignals 104 gesteuert. Die EZR 20 gibt in der gezeigten Ausführungsform auch eine Rückmeldung 106 an den Netzbetreiber 110.
An dem Netzverknüpfungspunkt 102 befindet sich in der
Ausführungsform der Figur 2 eine Netzüberwachung 114, die die Anlagenparameter der dezentralen EZE 10 überwacht. Das von der Netzüberwachung 114 erhaltene Messsignal 112 wird an die EZR 20 abgegeben und von der EZR 20 verarbeitet. Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer
dezentralen EZA 10 mit verschiedenartigen Stromgeneratoren 12a, 12b, 12c, 12d, 12e. Bei 12a handelt es sich um einen Photovoltaikgenerator 12a, ein Blockheizkraftwerk 12b ist ein weiterer Teilgenerator der dezentralen EZA 10. Ferner kann ein Dieselgenerator 12c, ein Pufferspeicher 12d und/oder eine Windkraftanlage 12e Teilgenerator der dezentralen EZA 10 sein. Somit können auch hochkomplexe Mischbetriebsanlagen von einer EZR 20 geregelt werden.
Jeder Teilgenerator 12a, 12b, 12c, 12d, 12e stellt eine Energieerzeugungseinheit EZE dar, die mit entsprechenden Steuersignalen hinsichtlich der Anlagenparameter angepasst werden kann.
Figur 4 zeigt eine Energieerzeugungsanlagenregelung 20 (EZR) in einem Schaltkasten 21. Die gezeigte EZR 20 umfasst ein Steuerungsmodul 22 mit einem Prozessor (CPU) 34.
Mittels eines Erweiterungssystems 36 können
Erweiterungsmodule 24, 25, 26, 27, 28 an das
Steuerungsmodul 22 angeschlossen werden. Das Steuerungsmodul 22 bildet quasi das "Herz" der
modularen EZR 20 mit dem Prozessor 34, sowie einem
Programmspeicher 38. In dieser Ausführungsform umfasst das Steuerungsmodul 22 ferner eine zusätzliche
Kommunikationsschnittstelle 31. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Ethernetschnittstelle 31 zum Warten des Steuerungsmoduls 22, also insbesondere um
Softwarebausteine in den Programmspeicher 38 zu laden und/oder neue Programmversionen aufzuspielen. Das Erweiterungssystem 36 umfasst vorliegend auch eine interne Datenverbindung. Die hier als Steckbussystem ausgeführte Datenverbindung ist somit ein integriertes Erweiterungssystem 36. Mittels des Erweiterungssystems 36 ist nun ein erstes Wechselrichterschnittstellenmodul 24 mit dem Steuerungsmodul 22 verbunden. Das
Wechselrichterschnittstellenmodul 24 weist eine
Wechselrichterschnittstelle 24a auf, mittels welcher
Stellwerte an den Wechselrichter 40 ausgegeben werden. Die Wechselrichterschnittstelle 24a wird dabei derart
ausgewählt, dass sie zu dem anzusprechenden Wechselrichter 40 passt. Es handelt sich somit um eine
wechselrichterspezifische Schnittstelle 24a. In der
gezeigten Form handelt es sich bei dem
Wechselrichterschnittstellenmodul 24 um ein Ausgabemodul, da die Stellwerte an den Wechselrichter 40 übertragen werden .
Benachbart zum Steuerungsmodul 22 ist ein
Fernwirksignalmodul 25 angeordnet. Das Fernwirksignalmodul 25 umfasst eine Fernwirksignalschnittstelle 25a, an der das Fernwirksignal 104 mit den Sollwerten eingeht. Das
Fernwirksignalmodul 25 leitet das Fernwirksignal zur weiteren Verarbeitung an das Steuerungsmodul 22 weiter. Bei dem Fernwirksignalmodul 25 handelt es sich um ein
Eingabemodul, da das Fernwirksignalmodul 25 das
Fernwirksignal 104 empfängt.
Die EZR 20 umfasst ferner ein Messmodul 26 mit einer
Messwertschnittstelle 26a. Die IST-Werte der
Anlagenparameter werden auf geeignete Weise an das
Messmodul 26 zur weiteren Verarbeitung in dem
Steuerungsmodul 22 übertragen. Noch ferner umfasst die EZR 20 ein Kommunikationsmodul 27 mit einer Kommunikationsschnittstelle 27a. In der gezeigten Ausführungsform werden Rückmeldedaten 106 an den
Netzbetreiber 110 gesendet, also beispielsweise die IST- Werte der Anlagenparameter. Die EZR 20 mit den wie in dem Ausführungsbeispiel
dargestellten Modulen 22, 25, 26, 27 ist somit eine
integrierte Energieerzeugungsanlagenregelung 20, wobei alle wesentlichen Regelungs- und Schnittstellenkomponenten in einem gemeinsamen Schaltkasten 21 angeordnet sind. Die integrierte EZR 20 hat den Vorteil, dass alle Komponenten an einem Ort zugänglich sind, in einem Wartungs- oder
Modifikationsfall ein Techniker daher an einem zentralen Ort alle Einstellungen oder Änderungen vornehmen kann.
Darüber hinaus können die Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden, so dass Verluste, die evtl. durch eine fehlerhafte Umsetzung der Regelungssignale durch externe Komponenten, bspw. direkt am Wechselrichter, auftreten können, gesenkt oder vermieden werden können. Schließlich gewährleisten die kurzen Kommunikationswege zwischen den Modulen 22, 25, 26, 27 äußerst kurze Übermittlungszeiten der entsprechenden Signale, so dass zügig auf jede Änderung der Umgebungsbedingungen reagiert werden kann. Dies ist besonders interessant bei regenerativer Energieerzeugung 12 wie beispielsweise Windstrom 12e, Sonnenstrom oder auch Strom aus einem Biomassekraftwerk 12b, da hier die
Stromerzeugung empfindlich von den Umgebungsbedingungen abhängt und die optimalen Kennwerte der Stromerzeugung ständig angepasst, d.h. geregelt werden können. Ein weiteres Erweiterungsmodul 28 symbolisiert die
Flexibilität der vorgestellten EZR 20. Nahezu beliebige Funktionsmodule lassen sich vorwiegend als
Schnittstellenmodule mit dem Steuerungsmodul 22 koppeln um den vom Anwender gewünschten Funktionsumfang zu
realisieren. In der gezeigten Form handelt es sich bei dem Erweiterungsmodul 28 um ein Ein-/Ausgabemodul, da sowohl Daten empfangen als auch gesendet werden können.
Die komplette EZR 20 ist in Fig. 4 auf einer gemeinsamen Hutschiene 32 montiert, also aufgerastet.
Figur 5 zeigt die Wechselwirkung der Programmbausteine 60 mit den jeweiligen Erweiterungsmodulen 24, 25, 26, 27, 28. So gibt es Programmbausteine 60 die jeweils genau einem Erweiterungsmodul 24, 25, 26, 27, 28 zugeordnet sind, um die entsprechend gewünschte Funktion auszuführen. Weitere Programmbausteine können das Hauptprogramm 61 umfassen, welches ähnlich eines Betriebssystems die Kommunikation mit der Systemarchitektur (CPU 34, Speicher 38, externe
Kommunikationsschnittstelle 31, etc.) gewährleistet.
Das Hauptprogramm 61 kann zur Gewährleistung einer auch softwareseitig implementierten Modularität des
Gesamtsystems Standardaustauschstrukturen aufweisen zur internen Kommunikation bzw. zum Datenaustausch des
Hauptprogramms 61 mit Programmbausteinen 60a, 60b, 60c,
60d, 60e. Mit anderen Worten kann das Hauptprogramm 61 mit den vorgefertigten Standardaustauschstrukturen
standardisiert im Steuerungsmodul 22 vorinstalliert sein und je nach Zufügung weiterer Erweiterungsmodule 24, 25, 26, 27, 28 die Programmbausteine 60a, 60b, 60c, 60d, 60e in das Steuerungsmodul 22 geladen werden. Bei einem beispielhaften Signalverlauf kann von dem
Fernwirksignal 104 und/oder dem Messwertsignal 112
ausgegangen, welches alternativ oder kumulativ zueinander von dem Steuerungsmodul 22 verarbeitet wird. Dem
Fernwirksignalmodul 25 ist dabei ein Programm- oder
Softwarebaustein 60a zugeordnet, mittels welchem das erhaltene Fernwirksignal 104 verarbeitet wird. Dem
Messwertmodul 26 ist ein Programmbaustein 60b zugeordnet, mittels welchem die Messwertsignale 112 verarbeitet werden.
Eine Wechselwirkung mit dem Hauptprogramm 61 ermöglicht beispielsweise das Zugreifen auf in dem Programmspeicher 38 abgelegte vordefinierte Daten. Solche vordefinierte Daten umfassen beispielsweise die Verteilnetzbetreibervorgabe in Form einer Kennlinie oder die einzuhaltenden Grenzwerte der Anlagenparameter .
Aus dem Verarbeitungsergebnis des
Fernwirksignalprogrammbausteins 60a und/oder dem
Verarbeitungsergebnis des Messwertsignalprogrammbausteins 60b wird ein Steuersignal erzeugt und an den
Wechselrichterschnittstellenprogrammbaustein 60c übergeben.
Der Wechselrichterschnittstellenprogrammbaustein 60c übersetzt das Steuersignal, so dass es zu dem Typ des
Wechselrichters 40 passt, also beispielsweise mit dem korrekten Kommunikationsprotokoll. Dieses korrigierte
Steuersignal wird an das Wechselrichterschnittstellenmodul
24 übertragen und schließlich mittels der
Wechselrichterschnittstelle 24a an den Wechselrichter 40 übertragen . Das Verarbeitungsergebnis des
Fernwirksignalprogrammbausteins 60a und/oder das
Verarbeitungsergebnis des Messwertsignalprogrammbausteins 60b kann ferner an den Rückmeldeprogrammbaustein 60d übergeben werden, welcher ein Rückmeldesignal 106 für den Verteilnetzbetreiber 110 erzeugt. Das Rückmeldesignal 106 kann dann mittels des Kommununikationsmoduls 27 und der zugehörigen Kommunikationsschnittstelle 27a an den
Verteilnetzbetreiber 110 übertragen werden.
Weitere Programmbausteine 60e können übrigen
Erweiterungsmodulen 28 zugeordnet werden, um entsprechende Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann der weitere Programmbaustein 60e ein zweiter
Wechselrichterschnittstellenprogrammbaustein 60e sein, der ein zweites Wechselrichterschnittstellenmodul 28 anspricht zum Steuern eines zweiten Wechselrichters 40, 40a, 40b, 40c, 40d, 40e.
Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit der
Kommunikationsverbindung der EZR 20 mit dem
Verteilnetzbetreiber 110 zum Übertragen des Fernwirksignals 104. Verteilnetzbetreiberseitig werden die Sollwerte über ein in diesem Fall serielles Fernwirkprotokoll an eine
Fernwirkbox 118 kabelgebunden oder drahtlos übermittelt, die IST-Werte können ebenfalls über das Fernwirkprotokoll übertragen werden. Anlagenseitig werden die Vorgabewerte an die EZR 20 in einer anderen Signalform weitergegeben. Mit anderen Worten übersetzt die Fernwirkbox 118 die Signale vom Fernwirkprotokoll in ein Anlagenprotokoll. Anlagenseitig können die Vorgabewerte beispielsweise als proportionales analoges Signal an das ein- oder
mehrkanalige Fernwirksignalmodul 25 übertragen werden. Ein proportionales analoges Signal kann auch von dem
Kommunikationsmodul 27 an die Fernwirkbox 118 übertragen werden .
Anlagenseitig können die Vorgabewerte auch als bitcodiertes digitales Signal in definierbaren Stufen an ein geeignetes mehrkanaliges digitales Fernwirksignalmodul 25 übertragen werden. Die Übertragungsform ist von dem
Verteilnetzbetreiber 110 bekannt gegeben, so dass das entsprechend einzusetzende Erweiterungsmodul ausgewählt und in der EZR 20 eingesetzt werden kann.
Figur 7 zeigt eine weitere Variante der Kommunikation mit dem Verteilnetzbetreiber 110. Der Netzbetreiber 110 tauscht in diesem Fall die Daten über ein serielles
Fernwirkprotokoll mit der Fernwirkbox 118 aus.
Anlagenseitig wird ein lokales Kommunikationsprotokoll, beispielsweise ebenfalls ein serielles, eingesetzt. Das eingesetzte Erweiterungsmodul, nämlich das
Fernwirksignalmodul 25 der EZR 20, ist in dieser Variante dazu hergerichtet, sowohl Eingabe- als auch Ausgabedaten weiterzuleiten, kann also nicht nur das Fernwirksignal 104 empfangen, sondern auch die IST-Anlagenwerte 106 an die Fernwirkbox 118 übertragen. Die Regel/Steuercharakteristik zur Anpassung der
dezentralen EZA 10 an das Versorgungsnetz 100 kann dabei vom Versorgungsnetzbetreiber 110, an dessen Versorgungsnetz 100 die dezentrale Energieerzeugungsanlage 10 angeschlossen ist, in seinen Anschlussbedingungen festgelegt werden. Im in Figur 8 gezeigten Beispiel kommunizieren
Verteilnetzbetreiber 110 und EZR 20 schließlich unmittelbar miteinander. Die EZR 20 ist in diesem Beispiel daher dazu hergerichtet, unmittelbar in das eingesetzte
Fernwirkprotokoll übersetzte Daten zu empfangen und zu senden. In der hier gezeigten Form ist es sogar denkbar, das Fernwirksignalmodul 25 gänzlich einzusparen und die Fernwirksignalschnittstelle 25a an dem Steuerungsmodul 22 anzuordnen. Dies erscheint möglich und sinnvoll, sofern sich die verschiedenen Verteilnetzbetreiber 110 auf einen Kommunikationsstandard einigen könnten und keine
verschiedenen Fernwirksignalmodule 25 mehr benötigt würden.
Figur 9 zeigt eine Variante der EZR 20, bei welcher kein Fernwirksignal 104 vom Verteilnetzbetreiber 110 übertragen wird. Vielmehr werden am Netzverknüpfungspunkt 102 die
Parameter des Verteilnetzes 100 sowie die Anlagenparameter, beispielsweise Strom, Spannung, Phase gemessen und die Messwerte an das Messwertmodul 26 übertragen. Das
Messwertmodul gibt die Daten an das Steuerungsmodul 22 weiter, wo diese mittels der CPU 34 und den
Programmbausteinen 60 verarbeitet werden um die relevanten Größen wie beispielsweise Leistung P, Frequenz f,
Blindleistung Q, Phase etc. zu erhalten. Mit Hilfe der relevanten Größen kann ein Steuersignal erzeugt werden, an das Wechselrichterschnittstellenmodul 24 übertragen und schließlich dem Wechselrichter 40 zugeführt werden. Figur 10 zeigt noch eine weitere Form des EZR 20, bei welchem kein Fernwirksignal 104 eingesetzt wird. Am
Netzverknüpfungspunkt 102 werden die relevanten Größen gemessen, jedoch mittels der dezentralen Netzüberwachung 114, wobei an die EZR 20 die bereits verarbeiteten
Messergebnisse übermittelt und von dem Messmodul 26
empfangen werden. Im Unterschied zu Fig. 9 zeigt Fig. 10 eine Ausführungsform mit Teilgeneratoren, so dass mehrere Wechselrichter 40, 40a, 40b, 40c von dem ersten und ggf. den zweiten Wechselrichterschnittstellenmodulen 24 ihre Steuersignale erhalten, um die Anlagenparameter
entsprechend den Vorgaben anzupassen. Figur 11 zeigt schließlich eine Ausführungsform des EZR 20, bei welchem die Wechselrichter 40, 40a, 40b, 40c, 40d verteilt angeordnet sind und als "Koppelmodul" jedem
Wechselrichter ein dezentrales zweites
Wechselrichterschnittstellenmodul 24' zugeordnet ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Koppelmodulen um Wechselrichterschnittstellenmodule 24', die nicht
unmittelbar benachbart zu dem Steuerungsmodul 22 angeordnet sind, sondern über eine Datenverbindungsleitung 30 mit dem Steuerungsmodul 22 kommunizieren. Hierbei kann es sich wie in diesem Beispiel um ein serielles
Kommunikationsprotokolls zum Ansprechen der Koppelmodule 24' handeln. Die Stellwerte werden also über den
Wechselrichtern 40 insbesondere örtlich zugeordnete zweite Wechselrichterschnittstellenmodule 24' an die
Wechselrichter 40, 40a, 40b, 40c, 40d übermittelt. Die zweiten Wechselrichterschnittstellenmodule 24' können ggf. die Stellgrößen über ein serielles
Kommunikationsprotokoll empfangen und lokal in diskrete Stellgrößen übersetzen, z.B. ein analoges Normsignal, welches auf Analogeingänge an den Wechselrichtern 40, 40a, 40b, 40c, 40d aufgelegt wird. In dieser Ausführungsform sorgt ein an das Kommunikationsprotokoll, an den
Parametersatz des Wechselrichters sowie das
Wechselrichterschnittstellenmodul 24 angepasster Software- oder Programmbaustein 60 für die Datenübergabe über die
Standarddatenaustauschstruktur an das Hauptprogramm. Ggf. können die Koppelmodule einen Rückkanal bieten, um vom Wechselrichter Daten zum EZR 20 für Diagnose- oder
Einstellzwecke zu übertragen.
Der vorliegende EZA-Regler 20 kann also zusammenfassend um Schnittstellen und Funktionen ergänzt werden, um
entsprechend der jeweiligen Applikationsanforderungen angepasst werden zu können. Durch Bereitstellung einer Basisfunktion in Hardware (HW) und Software (SW) kann dies insofern realisiert werden, die kritischen und ggf.
zulassungsrelevanten Reglerfunktionen bereitzustellen. Ein geschulter Anwender kann basierend auf einem
Baukastensystem von HW und SW Modulen die Grundfunktion des Reglers modular um Schnittstellen ergänzen und anpassen, ohne dass die grundlegende Funktion des Reglers verändert werden muss.
Die Erweiterungen der Grundfunktion betreffen insbesondere die HW Schnittstellen 24, 25, 26, 27, 28 und die SW
Schnittstellen60 , 60a, 60b, 60c, 60d, 60e zum Einlesen von IST-Werten der Regelgröße, zum Einlesen externer
Vorgabewerte für diese Regelgröße sowie zur Ausgabe der Stellwerte in die Regelstrecke. So können z.B. in einer Grundausführung die beschriebenen Schnittstellen als analoge Eingabe und Ausgabeschnittstellen ausgeführt sein.
Eine weitere Optimierung des Systems ist eine überlagerte Gesamtregelung von unterschiedlichen für sich geregelten Teilanlagen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e. Soll die Erfassung der SOLL, Erfassung der IST und die Übermittlung der Stellwerte 108 über andere als analoge Schnittstellen erfolgen, so wird die Grundfunktion des Reglers 20 beibehalten und es findet lediglich eine Anpassung der HW-Module 24, 25, 26, 27, 28 und der Schnittstellen Bausteine 60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e statt.
Durch die modulare Erweiterbarkeit kann der EZR-Regler 20 individuell an die jeweilige Applikation angepasst
werden. Auch ein Mischbetrieb verschiedener
Energieerzeugungsanlagentypen (z.B. Wind, Solar, Diesel) 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und auch die Kombination mit
Energiespeichern (Batteriesystemen) ist so möglich.
Die grundlegende Reglerfunktion kann in besonders
vorteilhafter Ausführung über eine anmelderseitig
herstellbare SPS 22 ( SpeicherProgrammierbare Steuerung - Englisch: PLC Programmable Logic Controller) bereitgestellt werden, für die eine Grundprogrammierung
ebenfalls bereitgestellt wird. Abhängig von den benötigten Hardwareschnittstellen für seine Gesamtanwendung, z.B. abhängig von den Schnittstellen der anzusteuernden
Wechselrichter (z.B. RS485 Kommunikationsprotokoll), der auszulesenden Messtechnik (z.B. Leistungsmesser mit S0- Ausgang) und der anzukoppelnden übergeordneten Leitebene für die Sollwertvorgabe (z.B. Fernwirkprokoll ) wählt der Anwender die notwendigen HW-Schnittstellenmodule aus und ergänzt die SPS 22 um diese Module 24, 25, 26, 27, 28, bzw. schaltet diese Schnittstellen in der SPS 22 frei.
Mit den ausgewählten HW-Bausteinen 24, 25, 26, 27, 28 zugeordnete SW-Bausteine 60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e wird in der Programmierumgebung der SPS 22 die
Basisprogrammierung der Regelfunktion um die benötigten Schnittstellen ergänzt.
In einer beispielhaften, konkreten Ausführung können beispielsweise Inline Controller der 100er oder 300er
Leistungsklasse das Steuerungsmodul 22 bilden, die gemäß IEC 61131 programmiert werden können. Für die
Kompaktsteuerungen wird mit der vorliegenden Erfindung ein umfangreiches Portfolio an Erweiterungsmodulen 24, 25, 26, 27, 28 zur Verfügung gestellt, um beispielsweise Eingabe- /Ausgabe-Daten (E/A-Daten) zu erfassen und über
unterschiedliche Hardware-Schnittstellen (bspw. 24a, 25a, 26a, 27a) weiterzuleiten.
Aufgrund der Flexibilität auf der Hardware-Seite kann der Anwender die Lösung optimal an die Anforderungen des jeweiligen Projekts anpassen, zum Beispiel hinsichtlich der Ankopplung an Wechselrichter 40 verschiedener Hersteller, Netzanalyse-Systeme oder Fernwirk-Schnittstellen 25a. Sollten im Laufe der Zeit neue Anforderungen auf der
Schnittstellenseite entstehen, lassen sich die vorhandenen Anwendungen nachträglich um weitere Module ergänzen oder bestehende gegen neue Komponenten auswechseln.
Die Modularität und Flexibilität der Hardware ist auch auf die Software übertragen worden. Die Anmelderin Phoenix Contact hat hier umfangreiche auf der IEC 61131 basierende Funktionsbaustein-Bibliotheken 60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e insbesondere für Solar-Applikationen entwickelt, die den Engineering-Aufwand des Systemintegrators erheblich
reduzieren. Wesentlicher Bestandteil der Lösung ist
ebenfalls die Reglerfunktion. Die Bausteine 60 zur Istwert- Erfassung und Sollwert-Übermittlung an die
unterschiedlichen Wechselrichter sowie zur Fernwirktechnik des Netzbetreibers koppeln über spezielle definierte
Schnittstellen an diese Reglerfunktion an.
Die entwickelte Funktionsbaustein-Bibliothek SolarWorx ermöglicht zum einen die einfache Einbindung fast aller führenden Wechselrichter 40 in die jeweilige Photovoltaik- Anlage 10, 12a. Darüber hinaus sind Kommunikations- Bausteine 60 zur Ankopplung von Leistungsmessgeräten für die Netzüberwachung am Einspeisepunkt erhältlich. Neben den anmelderseitig angebotenen Netzanalysegeräten aus der
Produktfamilie EMpro können auch entsprechende Komponenten von Drittanbietern unterstützt werden. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Integration Modbus-basierter
Kommunikationsprotokolle, die im Solarumfeld große
Verbreitung finden. Die Arbeit des Programmierers
beschränkt sich also weitgehend auf die Verknüpfung vorgetesteter Software-Bausteine 60. Die Feinparametrierung beispielsweise hinsichtlich der Regelparameter kann dann in der Anlage über Web-basierte Bedienoberflächen erfolgen, die besonders auf die Regelbausteine abgestimmt werden können.
Das optimal aufeinander aufbauende Portfolio an Hard- und Software-Komponenten kann somit den Engineering-Aufwand für den Systemintegrator senken. Trotzdem erhält er eine weitreichende Flexibilität im Hinblick auf die zu
unterstützenden Schnittstellen. Auf diese Weise lässt sich der Einsatz zusätzlicher Kommunikations-Gateways - beispielsweise zur Anpassung an das Fernwirkprotokoll des jeweiligen Netzbetreibers - in vielen Fällen vermeiden. Denn diese Funktion kann die Regler-Steuerung selbst übernehmen. Zudem eröffnet die Nutzung SPS-basierter EZA- Regler 20 die Möglichkeit, auch hybride dezentrale
Energieerzeugungs-Anlagen 10 zu regeln, in denen
verschiedene EZE-Technologien (EZE - Energieerzeugungseinrichtung) wie Wind und Photovoltaik miteinander kombiniert sind. Bei Bedarf können ggf. auch Energiespeichersysteme in derartige Lösungen integriert werden . In seinen Netzanschlussbedingungen gibt der zuständige Netzbetreiber typischerweise für jede EZA die
einzuhaltenden Bereiche für Netzfrequenz und -Spannung sowie die Blindleistungsfahrweise vor. Diese Richtwerte beziehen sich zumeist auf den Netzverknüpfungspunkt 102 und nicht auf die Wechselspannungs-Anschlussseite der in der Anlage verbauten Energieerzeugungs-Einheiten (EZE) , also beispielsweise der Wechselrichter 40. EZA-Regler
(Energieerzeugungsanlagen-Regler) setzen die Anforderungen in großen Photovoltaik-Anlagen 10 am Mittelspannungsnetz um. Sie erfassen die am Netzverknüpfungspunkt vorliegende Spannung und Blindleistung über entsprechende Messtechnik. Anschließend ermitteln die EZA-Regler 20 auf Basis der Abweichung zu den Vorgaben des Netzbetreibers 110, die entweder als Kennlinie vorhanden sind oder per externe Sollvorgabe erfolgen, die notwendigen Regelwerte für die Wechselrichter. Durch den geschlossenen Regelkreis werden parkinterne Impedanzen kompensiert.
Bezogen auf den Netzverknüpfungspunkt der
Energieerzeugungs-Anlage müssen bestimmte Bedingungen für die eingespeiste Wirk- und Blindleistung eingehalten werden, die von externen Vorgaben oder der in der Anlage hinterlegten Kennlinie abhängig sind. EZA-Regler erfassen deshalb an den Netzverknüpfungspunkten die vorliegende Spannung sowie Blindleistung und ermitteln dann die jeweiligen Regelwerte für die Wechselrichter. Eine Hard- und Software-basierte Lösung von Phoenix Contact sorgt dafür, dass der Engineering-Aufwand gering bleibt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder
anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugs zeichenliste :
10 Energieerzeugungsanlage (EZA)
12 Teilgenerator
12a Teilgenerator, Photovoltaikgenerator
12b Teilgenerator, Blockheizkraftwerk
12c Teilgenerator, Dieselgenerator
12d Teilgenerator, Pufferspeicher (Batteriesystem)
12e Teilgenerator, Windkraftanlage
14 Generatoranschlusskasten
20 Energieerzeugungsanlagenregler (EZR)
21 Schaltkasten
22 Steuerungsmodul
24 Wechselrichterschnittstellenmodul
24 ' zweites Wechselrichterschnittstellenmodul
24a Wechselrichterschnittstelle
24 'a Wechselrichterschnittstelle
25 Fernwirksignalmodul
25a Fernwirksignalschnittstelle
26 Messmodul
26a Messwertschnittstelle
27 Kommunikationsmodul
27a Kommunikationsschnittstelle
28 weiteres Erweiterungsmodul, zweites
Wechselrichterschnittstellenmodul ,
28a zweite Wechselrichterschnittstelle
31 Kommunikationsschnittstelle, Ethernetschnittstelle
32 Hutschiene
34 Prozessor (CPU)
36 Erweiterungssystem
38 Programmspeicher
40 Wechselrichter 0b, 40c Erster, zweiter bzw. dritter Wechselrichter
Transformator
Programmbausteine, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e
Hauptprogramm
Versorgungsnetz
Netz erknüpfungspunkt
Fernwirksignal
Rückmeldung
Stellsignal, Steuersignal
Netzbetreiber
Messsignal
Netzüberwachung

Claims

Verfahren zum Regeln von dezentralen
Energieerzeugungsanlagen (10) mit den Schritten:
- Empfangen von Steuerbefehlen (104) und/oder Messen von Versorgungsnetzparametern (112),
- Verarbeiten der empfangenen Steuerbefehle (104) und/oder der gemessenen Versorgungsnetzparameter (112),
- Erstellen von Steuersignalen (108) in Ansprechen auf die empfangenen Steuerbefehle (104) und/oder der gemessenen Versorgungsnetzparameter (112) zum Steuern eines ersten Wechselrichters (40),
- Übertragen der erstellten Steuersignale (108) an eine Wechselrichterschnittstelle (24a) zur Ausgabe an einen ersten Wechselrichter (40),
- Anpassen von Anlagenparametern, insbesondere der Leistungsabgabe, der dezentralen
Energieerzeugungsanlage (10) mittels des ersten
Wechselrichters (40) in Ansprechen auf die von der Wechselrichterschnittstelle (24a) empfangenen
Steuersignale (108).
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch,
ferner mit den Schritten
Erstellen von zweiten Steuersignalen (108) zum Steuern zumindest eines von dem ersten Wechselrichter (40) verschiedenartigen zweiten Wechselrichters (40a, 40b, 40c, 40d),
Übertragen der erstellten Steuersignale (108) an eine zweite Wechselrichterschnittstelle (24 'a) zur Ausgabe der Steuersignale (108) an den zweiten Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) ,
Anpassen der Anlagenparameter, insbesondere der
Leistungsabgabe, der dezentralen
Energieerzeugungsanlage (10) mittels des ersten und des zweiten Wechselrichters (40, 40a, 40b, 40c, 40d) in Ansprechen auf die jeweils von der
Wechselrichterschnittstelle (24a, 24 'a) empfangenen Steuersignale .
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei der zweite Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) von dem ersten Wechselrichter (40) verschiedenartig ist und/oder
wobei der zweite Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) in einer zweiten dezentralen Energieerzeugungsanlage (10') angeordnet ist und
wobei der erste (40) und der zweite Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) gleichzeitig gesteuert werden zur Anpassung der Anlagenparameter des oder der dezentralen Energieerzeugungsanlage (n) (10, 10') an die
Versorgungsnetzparameter (112).
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) zur Regelung dezentraler Energieerzeugungsanlagen (10), wobei die dezentrale Energieerzeugungsanlage (10) einen ersten Wechselrichter (40) umfasst, mit
- einem programmierbaren Steuerungsmodul (22) zur
Erzeugung von wechselrichterspezifischen Steuersignalen (108) zum Steuern des ersten Wechselrichters (40),
- einen Programmspeicher (38) des Steuerungsmoduls (22) für ein Steuerungsprogramm (60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 61),
- ein Erweiterungssystem (36) zum modularen Ergänzen von Erweiterungsmodulen (24, 24', 25, 26, 27, 28) an das programmierbare Steuerungsmodul (22),
- ein mit dem programmierbaren Steuerungsmodul (22) koppelbares erstes Erweiterungsmodul (24) mit zumindest einer Wechselrichterschnittstelle (24a) als
Wechselrichterschnittstellenmodul zur Herstellung der Verbindung mit dem zumindest einen Wechselrichter (40) und zur Ausgabe der wechselrichterspezifischen
Steuersignale (108) an den Wechselrichter (40) über die Wechselrichterschnittstelle (24a) .
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach dem vorstehenden Anspruch,
ferner mit einem zweiten Erweiterungsmodul (24', 28), wobei das zweite Erweiterungsmodul (24', 28) ein zweites Wechselrichterschnittstellenmodul mit zumindest einer Wechselrichterschnittstelle (24 'a) zur
Herstellung der Verbindung mit einem zweiten
Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) , der insbesondere verschiedenartig von dem ersten Wechselrichter (40) ist, und zur Ausgabe der wechselrichterspezifischen Steuersignale (108) an den zweiten Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) über die Wechselrichterschnittstelle
(24 'a) des zweiten Wechselrichterschnittstellenmoduls
(24', 28) umfasst.
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei das zweite Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28)
- ein Fernwirksignalmodul (25) mit einer
Fernwirksignalschnittselle (25a) zum Empfangen von Steuerbefehlen (104) und zum Weiterleiten der
Steuerbefehle (104) an das Steuerungsmodul (22) und/oder
- ein Messmodul (26) zum Erfassen von Anlagen- und/oder Verteilnetzparameter (112) und/oder
- ein Kommunikationsmodul (27) zum Auslesen von
Anlagenmessgeräten (114)
umfasst .
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das Erweiterungssystem (26) eine
Datenverbindungsleitung zum Austausch von Daten zwischen dem Steuerungsmodul (22) und dem ersten (24) und/oder dem zweiten Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28) umfasst.
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Steuerungsmodul (22) und das erste Erweiterungsmodul (24) in einem gemeinsamen Steuerkasten (21) angeordnet sind .
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das Steuerungsmodul (22), das erste
Erweiterungsmodul (24) und/oder das zweite
Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28) in einem gemeinsamen Steuerkasten (21) benachbart nebeneinander angeordnet sind und mittels einer Steckbusverbindung miteinander gekoppelt sind und insbesondere auf einer gemeinsamen Hutschiene (32) angebracht sind.
10. Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach
einem der Ansprüche 4 bis 7,
wobei das Steuerungsmodul (22) und das zumindest eine Erweiterungsmodul (24) in einem zentralen Schaltschrank (21 und 14) der Energieerzeugungsanlage (10) angeordnet sind .
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das erste Wechselrichterschnittstellenmodul (24) mit dem ersten Wechselrichter (40) der dezentralen Energieerzeugungsanlage (10) verbunden ist und
wobei das zweite Wechselrichterschnittstellenmodul (24', 28) mit einem zweiten von dem ersten
Wechselrichter (40) verschiedenartigen Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) der dezentralen
Energieerzeugungsanlage (10) verbunden ist und/oder wobei zumindest eine weitere dezentrale
Energieerzeugungsanlage (10') von dem einen
Steuerungsmodul (22) gemeinsam mit der dezentralen Energieerzeugungsanlage (10) geregelt wird, wobei das zweite Wechselrichterschnittstellenmodul (24', 28) mit dem Wechselrichter (40a, 40b, 40c, 40d) der weiteren dezentralen Energieerzeugungsanlage (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f) verbunden ist.
12. Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
wobei das zumindest eine weitere Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28) in einem zweiten Steuerkasten (31) angeordnet ist,
wobei das Erweiterungssystem (26) eine
Datenverbindungsleitung zum Austausch von Daten
zwischen dem Steuerungsmodul (22) und dem zweiten
Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28) umfasst und wobei das Steuerungsmodul (22) über die
Datenverbindungsleitung mit dem zweiten
Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28) Daten
austauscht . 13. Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach
einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das Steuerungsprogramm (60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 61) ein Hauptprogramm (61) umfasst und
wobei das Hauptprogramm (61)
Standardaustauschstrukturen zur internen Kommunikation mit modular einsetzbaren Programmbausteinen (60a, 60b, 60c, 60d, 60e) aufweist.
Modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei in dem Programmspeicher (38) des Steuerungsmoduls (22) vordefinierte Softwarebausteine (60, 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 61) abgelegt sind und
wobei die vordefinierten Softwarebausteine dazu
ausgelegt sind, mit dem ersten Erweiterungsmodul (24) und/oder dem weiteren Erweiterungsmodul (24', 25, 26, 27, 28) zu kommunizieren.
15. Dezentrale Energieerzeugungsanlage (10), umfassend: elektrische Leistung bereitstellende Generatoren, insbesondere Photovoltaikmodule, Windkraftgeneratoren,
Biomasseanlagen und/oder Blockheizkraftwerke,
einen ersten Wechselrichter (40) zum Anpassen von elektrischen Parametern des elektrischen Netzes der dezentralen Energieerzeugungsanlage (10) an dasjenige des Versorgungsnetzes (100),
eine modulare Energieerzeugungsanlagenregelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Regeln von Parametern, insbesondere der Abgabeleistung, der dezentralen Energieerzeugungsanlage (10).
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