EP3815211A1 - Wechselrichter mit gleichspannungsquelle und steuereinheit - Google Patents

Wechselrichter mit gleichspannungsquelle und steuereinheit

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EP3815211A1
EP3815211A1 EP19735534.0A EP19735534A EP3815211A1 EP 3815211 A1 EP3815211 A1 EP 3815211A1 EP 19735534 A EP19735534 A EP 19735534A EP 3815211 A1 EP3815211 A1 EP 3815211A1
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EP
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inverter
voltage
electrical
partition
voltage source
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EP19735534.0A
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Eckard Quitmann
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Wobben Properties GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a device for feeding electrical energy and a feed unit comprising such a device, such as a wind energy plant, a charging station for electric cars or a photovoltaic system, a head-end station for high-voltage direct current transmission or a power electronic container, in particular for Connection of batteries or other storage media.
  • a device for feeding electrical energy such as a wind energy plant, a charging station for electric cars or a photovoltaic system, a head-end station for high-voltage direct current transmission or a power electronic container, in particular for Connection of batteries or other storage media.
  • electrical energy is often fed into the electrical supply network by means of electrical inverters, as is the case, for example, in the case of a wind energy installation.
  • inverters available for this have a number of disadvantages that do not yet meet the future requirements of the electrical supply network.
  • inverters are only able to provide the grid with certain grid faults to a limited extent, as is traditionally provided by synchronous generators, for example by conventional power plants.
  • the associated control unit must first recognize the network fault using measurement technology, and only then can support the network, ie with a certain time delay.
  • the inverter itself is not technically designed to provide the grid with the same support as a synchronous generator when a certain grid fault occurs, e.g. if the required power supply to the inverter is simply not sufficient to support the grid fault.
  • the infeed unit is then not suitable for supporting the electrical supply network accordingly and thus, from the point of view of the electrical supply network, it does not represent a full substitute for a synchronous generator in a conventional power plant.
  • the object of the present invention is therefore to address at least one of the above-mentioned problems, in particular to propose a solution which enables conventional power plants to be replaced as fully as possible by decentralized infeeders or infeed units such as, for example, wind energy plants.
  • decentralized infeeders or infeed units such as, for example, wind energy plants.
  • At least an alternative to previously known solutions and methods for or in inverters is to be proposed.
  • a device for feeding electrical energy into a three-phase electrical supply network having a line voltage and a line frequency and being characterized by a line voltage and a line frequency.
  • the device itself comprises at least one inverter, a DC voltage source and a control unit.
  • the device for feeding in electrical energy is part of a wind energy installation or a charging station for electric cars or a photovoltaic installation or an HVDC link, high-voltage direct current transmission (HVDC), or an infeed unit which is connected on one side to a whatever kind of energy storage is connected, and on the other hand with the electrical supply network, in order to supply the electrical supply network with power or to form the electrical supply network in the first place, i.e. to energize it or to support it in the event of network faults, for example by Active and reactive power position or around that Keep frequency and voltage of the electrical supply network within the desired limits.
  • HVDC high-voltage direct current transmission
  • the inverter of the device according to the invention which can also be an inverter module, is characterized by a nominal power and has an inverter input and an inverter output.
  • the inverter output is prepared to carry a predetermined maximum current and is also set up to be connected to the electrical supply network, for example a three-phase electrical supply network with a nominal network frequency of e.g. 50 Hz or 60 Hz.
  • the inverter output is also designed for this purpose in three phases and is connected to the electrical supply network, for example, via a transformer.
  • the inverter input is set up to be connected to an electrical DC voltage source. This in turn can be fed with power from various sources, e.g. Batteries, PV modules, fuel cells etc.
  • the inverter itself is therefore connected to a DC voltage source via the inverter input and to an AC voltage network via the inverter output.
  • the inverter is thus connected to the DC voltage source in such a way that electrical energy can be exchanged between the DC voltage source and the electrical supply network in at least one, preferably in both directions.
  • the DC voltage source of the device according to the invention is also designed as an electrical memory and is characterized by a maximum electrical power and an energy content.
  • the DC voltage source is preferably designed as an electrical battery, preferably with a plurality of modules.
  • the device according to the invention is part of a wind turbine.
  • the inverter is connected, for example, via a DC voltage intermediate circuit to a rectifier, which in turn is preferably connected to the electrical stator the generator of the wind turbine is connected.
  • the inverter is preferably designed in the so-called “back-to-back” form, an active rectifier in particular being provided and preferably the active rectifier, the intermediate circuit and the inverter being accommodated in one housing.
  • the DC voltage source is then arranged in the DC voltage intermediate circuit, for example, which is connected via the DC voltage intermediate circuit to the inverter input of the inverter in such a way that electrical energy can be exchanged between the DC voltage source and the inverter.
  • the inverter itself can thus be used in particular to extract electrical energy from the DC voltage source and to supply it to the electrical supply network in order to counter the fault.
  • the device is set up to take energy from the electrical supply network in the event of a network fault and to feed it back into the DC voltage source, in particular if this is useful for the network. It is thus proposed in particular that the device is set up to work in a 4-square mode, that is to give up and / or to emit active and / or reactive power.
  • control range of the inverter is selected as a function of an angle between the grid voltage and the inverter voltage. It is therefore also proposed that the active and / or reactive power consumption and output be set as a function of an angle between the grid voltage and the inverter voltage.
  • the device according to the invention also has a control unit which is set up to control at least the inverter, in particular the inverter output.
  • the control unit is connected for this purpose in a signal-conducting manner to the inverter and in a signal-conducting manner to the DC voltage source, in particular in order to take a predetermined electrical power from the DC voltage source and to supply it to the electrical supply network by means of the inverter.
  • the control unit is also set up to control at least the inverter so that it has at least one of the functions described below.
  • the inverter correspond is set up in such a way that it can also implement these functions, that is to say has the appropriate hardware, such as, for example, corresponding semiconductors which can also implement these functions, in particular can carry the appropriate currents.
  • the device in particular the control unit and the inverter, has several of the functions described below.
  • the inverter therefore also has at least one of the additional functions described below.
  • Function a a, in particular fast, power response to a frequency disturbance in the electrical supply network.
  • both the control unit and the inverter are set up to impress three sinusoidal voltages or currents with a fixed fundamental frequency.
  • This fixed fundamental frequency is typically the fundamental wave of the mains frequency, e.g. 50 Hz or 60 Hz.
  • the sinusoidal voltages impressed by the inverter are retained in such a way that only the disturbance of the grid voltages results in a changed vector difference between the grid voltages and the impressed voltages or currents in phase angle and amplitude.
  • This reaction takes place particularly quickly or without delay, that is to say within far less than one network period, for example within half a network period or a quarter of a network period.
  • Function a) is diametrically opposed to the function of RoCoF relays, since RoCoF relays separate the generator from the electrical supply network from a predetermined value.
  • the present invention provides for the generator, that is to say the device, to be operated continuously on the electrical supply network, in particular taking into account the corresponding network error.
  • Function b a, in particular fast, current response to a voltage disturbance in the electrical supply network.
  • a current response which acts on disturbances in the mains voltages as described under function a), without a measurement or control method having to intervene actively.
  • it is particularly a fast or undelayed reaction, ie within a Network period, for example within half a network period or a quarter network period.
  • the change in a current flow due to the vector difference between the mains voltages and the impressed voltages is limited only by the inductances on the path of the current and by any limits on the current change rate in the DC voltage source.
  • Function c a, in particular fast, current response to a network fault in which the maximum current is not exceeded.
  • the inverter has a current response that is adapted in the further course of time according to a suitable control method, in particular with the aid of measurement or control methods, in such a way that the maximum current of the inverter is never exceeded.
  • the control method is also selected so that the energy storage device of the inverter, that is to say the DC voltage source, is not completely discharged or overcharged. It is therefore proposed in particular not to limit the current response of the inverter by means of suitable components, but to select the control function on the basis of permissible loads on the inverter and the DC voltage source so that neither the inverter nor the DC voltage source are overloaded in the event of a fault in the electrical supply network.
  • the device is thus preferably set up to run through disturbances of the mains voltage in the electrical supply network without disconnection from the network and to instantaneously exchange a current with the network which is more useful to the network than in the previously conventional methods, because the method according to the invention is more similar to the behavior of a synchronous generator.
  • the intervention of the control method mentioned to limit the current response thus takes place at different speeds depending on the network error that has occurred. For example, in the event of a sharp voltage drop with a low residual amplitude of the grid voltage, the differential voltage between the impressed voltages of the inverter and the residual amplitude of the grid voltage increases very sharply.
  • Function d) a phase jump capability that allows a phase jump of the mains voltage to be passed through by at least 20 °.
  • the device in particular the inverter, is set up to continue on the electrical supply network to be operated or the device is designed so that it can continue to be operated, in particular without separating the device from the electrical supply network and feeding a grid-useful current, in particular despite a phase jump in the grid voltage.
  • the device is thus preferably set up to perform phase jumps in the mains voltage in the electrical supply network.
  • the function d) is diametrically opposed to the function of a vector step relay, since a vector step relay separates the generator from the electrical supply network from a predetermined value of the sudden change in the phase position of the mains voltage.
  • the present invention provides for the generator, that is to say the device, to be operated continuously on the electrical supply network, in particular taking into account the corresponding network error.
  • phase jump is to be understood in particular as angular jumps in the mains voltage in both directions, that is to say both in the positive and in the negative direction.
  • the device is at least set up to perform phase jumps of at least 30 °. In a particularly preferred embodiment of at least 170 °.
  • the device in particular the inverter, is set up to impress electrical voltages and / or to feed electrical currents in order to minimize harmonics of the voltages or currents found in the electrical supply network.
  • Harmonics are to be understood in particular as local phenomena which lead to the current or the voltage not having an ideal sine. Harmonics usually have a fundamental frequency that is above the nominal network frequency.
  • Function f an electrical power feed that is intended to minimize voltage asymmetries in the electrical supply network. It is therefore proposed in particular that the device, in particular the inverter, is set up to impress electrical voltages and / or feed electrical currents in order to minimize asymmetries in the voltages or currents found in the electrical supply network. A control function described below is preferably used for this.
  • Function g) feeding electrical power which is intended to dampen network vibrations, in particular power fluctuations, preferably low-frequency or subsynchronous power fluctuations, in the electrical supply network.
  • Network vibrations mean vibrations of the magnet wheels of different power plants with each other or vibrations of controls against each other, which lead to periodic changes in frequency and power flows. These are mostly large-scale, very rare phenomena with only weak damping. These vibrations can also be referred to as inter area oscillations.
  • the inverter is preferably characterized by a nominal current and is designed such that the physical load limit of the inverter is greater than or equal to 1.0 times, particularly preferably 1.5 times, the nominal current.
  • the device is oversized compared to normal operation in order to be able to drive through all network errors accordingly.
  • the device is thus designed in particular on the basis of the faults to be traversed and not on the basis of the nominal power.
  • the inverter and also or alternatively the DC voltage source and also or alternatively the control unit are set up in such a way that the device according to the invention is designed to influence the voltage.
  • a voltage-defining device for feeding electrical power into an electrical supply network is proposed. This means, in particular, that the device is set up to impress a symmetrical three-phase voltage system at its network connection point, in particular to specify it purely sinusoidally with only the desired fundamental oscillation, and preferably also to maintain it.
  • the DC voltage source is preferably dimensioned at least in such a way that the inverter can provide its nominal power for at least 0.5 seconds, preferably for at least 1 second, particularly preferably for at least 10 seconds, in particular using the DC voltage source exclusively.
  • the device is designed to be particularly useful for the network and, on the other hand, it is designed for network faults in such a way that the device can support the electrical supply network at least briefly and in particular autonomously.
  • the device it has been recognized that such a design can be carried out with a sufficiently large application of the present invention, for example by 100 wind energy plants, a grid support which is close to or equivalent to that of a conventional power plant. If the device according to the invention is used over a large area, stable network operation using only decentralized and, above all, inverter-based (renewable) energies can be implemented in a technically sensible and reliable manner.
  • the DC voltage source has at least one partition which is assigned to one of the properties a) to g).
  • the device has the functions a) and b). Then the DC voltage source has at least a first partition for the function a) with a predetermined energy content and a second partition for the function b) with a predetermined energy content.
  • the DC voltage source consists of several capacitors that are assigned to the specific functions.
  • the DC voltage source can have 5 battery modules, one of which is for the function a), one for the function b) and three more which are freely available. This ensures, in particular, that the device can carry out the functions at any time, in particular even if, in the case of a wind power installation, for example, no wind is blowing, that is to say the wind power installation itself cannot generate any electrical power.
  • the corresponding partitions are implemented using the hardware. It is particularly advantageous here that the corresponding batteries can be selected according to their corresponding function.
  • control unit be set up to reserve at least one property of the properties a) to g) a memory content of the DC voltage source.
  • the partitions that is to say the reservation of a predetermined amount of electrical energy, take place by means of the control unit, that is to say the partition is also or alternatively implemented by means of software. It is particularly advantageous here that the corresponding partitions can be changed in accordance with certain network situations while the device is in operation. For example. If a neighboring large power plant is under revision, in this case the partitions for the grid-supporting functions would be increased accordingly to compensate for this.
  • the DC voltage source preferably has at least one of the lists comprising: at least 10% of the energy content as a partition for the property a); at least 10% of the energy content as a partition for property b); at least 10% of the energy content as a partition for property c); at least 10% of the energy content as a partition for property d); at least 10% of the energy content as a partition for property e); at least 10% of the energy content as a partition for property f); at least 10% of the energy content as a partition for property g); at least 10% of the energy content as a partition for the property g).
  • the DC voltage source has at least one partition for at least one function of the inverter.
  • This partition comprises at least 10% of the energy content of the DC voltage source. At least 10% of the energy content of the DC voltage source is thus reserved for one of the functions a) to g).
  • the inverter - in addition to the conversion of the energy from the primary source (e.g. wind, solar radiation, etc.), which is always implemented as a basic function - has exactly one additional function and for this exactly one function, 10% of the energy content of the DC voltage source is reserved. Accordingly, the device can freely dispose of 90% of the energy content of the DC voltage source, for example in order to comply with setpoints specified by the network operator.
  • the reserved 10% of the DC voltage source is only used, for example, to minimize harmonics that occur in the network.
  • the device has at least two functions of functions a) to g) and the DC voltage source corresponding to at least two partitions, each comprising at least 10% of the energy content of the DC voltage source. In this case, twice 10% of the energy content, a total of 20% of the energy content, is reserved for the corresponding functions.
  • the partition for property a) is larger than the partition for property b).
  • the DC voltage source preferably has at least one, preferably at least two, of the following list, comprising: at least 50% of the energy content as a partition for the property a); at least 20% of the energy content as a partition for property b); in particular at least 10% of the energy content as a partition for the property e); at least 10% of the energy content as a partition for the property g).
  • At least half of the energy content of the DC voltage source is provided for the function a).
  • at least one partition for function b) and one partition for function g) and in particular one partition for function e) are provided. It is therefore proposed in particular to retain energy for the system-critical processes or to keep them available for these possible cases.
  • Function e) is regarded as system-critical, particularly in weak networks. If the device is used in strong networks, the device should preferably only have the functions a), b) and g) and its corresponding partitions.
  • the inverter or the control unit of the device also has the functions a), b), in particular e), and g) described above or below. It was namely recognized according to the invention that in particular a combination of these at least 4 functions can support the electrical supply network particularly well and the device according to the invention is therefore particularly well suited to be used in converter-dominated supply networks, in particular to replace conventional power plants.
  • the inverter is preferably operated using a voltage-shaping PWM method, in particular without the need to start one or more Simultaneous grid failure a) - g) as listed above, first measure the grid voltages before a current reaction begins.
  • the PWM method has voltage setpoints for this. Only in the further course of the network fault, when the intrinsic current response threatens to reach the limits of the components, or the amount of energy exchanged between the DC voltage source and the network reaches the limits of the DC voltage store, is a measurement of the network voltage necessary to determine the further behavior by means of the control unit to optimize the grid utility of the inverter.
  • the control unit further has at least one control function to control the inverter after one of the properties a) to g) has been triggered, the control function having a history of the list, comprising: an exponential history with an adjustable time constant; a linear course with an adjustable gradient; a setpoint with an adjustable period.
  • the control unit is thus set up to continuously control the inverter, the control unit actuating the inverter using a special control function after one of the functions described above or below, for example due to a network fault in the electrical supply network.
  • This control function can either be an exponential curve with an adjustable time constant, a linear curve with an adjustable gradient or a predetermined target value with an adjustable period.
  • the type of function is determined according to the type and severity of the error.
  • a look-up table can be provided in the control unit, which includes limit values, above or below which one of the control functions described above or below is selected.
  • the inverter preferably has at least the properties a) and b), the DC voltage source having at least 50% of the energy content as a partition for the property a) and at least 20% of the energy content as a partition for the property b), the control unit in each case having a control function for the properties a) and b), the control function having an exponential curve with an adjustable time constant and / or a linear curve with an adjustable gradient and / or a target value with an adjustable period.
  • the device have at least the functions a) and b) and that a predetermined energy content in the DC voltage source is reserved for at least these two functions by means of one partition each.
  • control function described above or below is also stored for each of the functions a) and b).
  • no more than 30% of the energy content of the DC voltage source is freely available to the device, in particular at least 70% of the energy content of the DC voltage source is intended for countering frequency and voltage disturbances in the electrical supply network.
  • a wind power installation comprising a device described above or below is also proposed.
  • the wind energy installation comprises, for example, a generator, at the output of which a rectifier is arranged.
  • the device according to the invention is connected to this rectifier and the electrical supply network in order to feed the electrical power generated by the generator into the electrical supply network.
  • a charging station for electric cars comprising a device described above or below.
  • the charging station is thus at least set up to use the device according to the invention to exchange electrical energy between the connected vehicles and the network (charging or discharging the vehicles) and also to support the network with network-supporting functions in the event of network errors.
  • a supply unit in particular a photovoltaic system or a head-end station of a high-voltage direct current transmission or a functional combination of a large number of power electronic modules, preferably concentrated in a container, is proposed for an electrical supply network comprising a device as described above or below.
  • the feed unit is thus prepared in particular for connecting batteries or other storage media or has them.
  • a container with power electronics which has a device described above or below, in order to, in addition to stationary operation with e.g. Reactive power exchange for voltage maintenance at its network connection point, in addition to supporting the electrical supply network with network-supporting functions in the event of network errors.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a wind turbine according to the invention in accordance with one embodiment.
  • Fig. 2 shows a schematic structure of a device according to the invention, in particular as part of a wind turbine.
  • 1 shows a schematic view of a wind power installation 100 according to the invention.
  • the wind energy installation 100 has a tower 102 and a nacelle 104.
  • An aerodynamic rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is arranged on the nacelle 104.
  • the rotor 106 is rotated by the wind and thereby drives a generator in the nacelle.
  • the generator itself is connected to a rectifier, which in turn is connected to a device described above or below in order to feed electrical energy into a three-phase electrical supply network.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a device according to the invention, in particular for use in a wind energy installation, as is preferably shown in FIG. 1.
  • the wind energy installation 100 has a generator 120 which, in particular on the stator side, is connected in three phases to a rectifier 130.
  • the rectifier 130 generates a DC voltage Udc from the three-phase AC voltage of the generator 120.
  • This DC voltage Udc is applied to a DC voltage intermediate circuit to which the device 200 according to the invention is also connected.
  • the inverter 210 is characterized by a nominal power and further comprises an inverter input 212 and an inverter output 214.
  • the inverter input 212 is set up to be connected to the DC voltage source 220, in particular via the DC voltage intermediate circuit 140.
  • the inverter input 212 is thus also connected to the rectifier 130 via the DC voltage intermediate circuit 140.
  • the inverter output 214 is configured to carry a predetermined maximum current and to be connected to the three-phase electrical supply network 300, for example via a transformer (not shown).
  • the DC electrical voltage source 220 is designed as an electrical store and is characterized by a capacity, an electrical power and an energy content.
  • the DC voltage source 220 preferably has a plurality of battery modules or partitions.
  • the DC voltage source 220 is connected to the inverter input 212 such that electrical energy can be exchanged between the DC voltage source 220 and the inverter 210.
  • a control unit 230 is provided which is set up to control at least the inverter 210 in such a way that the inverter has at least one of the properties a) to g) described above or below.
  • the inverter has the properties: a) a fast power response to a frequency disturbance in the electrical supply network and b) a fast current response to a voltage disturbance in the electrical supply network.
  • the DC voltage source 220 comprises at least two partitions 212, 214, each of which is assigned to one of the functions a) and b).
  • control unit 230 is set up to reserve at least the properties a) and b) a memory content of the DC voltage source.
  • the partitions 212, 214 are thus implemented via software in a preferred embodiment and are managed by the control unit 230.
  • 50% of the energy content is provided as partition 212 for property a) and 20% of the energy content as further partition 214 for property b).
  • the remaining 30% can, for example, be used as a buffer for supporting the DC voltage Udc of the DC voltage intermediate circuit 140.
  • the control unit In order to release the energy content of the DC voltage source 130 for the properties of the inverter 210, for example if a frequency disturbance occurs in the electrical supply network 300, the control unit has at least one control function 232 for the corresponding properties. Which control function is selected can be stored, for example, in a look-up table 234; this is, for example, an exponential curve with an adjustable time constant in the case of a frequency disturbance or a linear curve with an adjustable gradient in the case of a voltage disturbance.
  • the inverter 210 is preferably controlled by means of a PWM method 236, which is particularly preferred Has voltage setpoints.
  • a tolerance band method is also conceivable.
  • the device 200 according to the invention is thus designed to shape the voltage, i.e. it can be operated in the transient and subtransient time range, in particular independently of the measurement of the mains voltage, and nevertheless has the functions described above or below.
  • the device 200 according to the invention is thus set up to predefine a voltage at the grid connection point of the wind energy installation and, despite external disturbances to the grid voltage, to maintain it within the scope of the possibilities of the energy store according to the invention and the possible maximum currents.
  • the device thus enables a wind turbine to be designed as a so-called network generator.
  • the wind power installation is set up on the basis of the device according to the invention to pass through a large number of network faults without disconnecting from the electrical supply network in the event of a fault and to stabilize the network by means of suitable power supply.
  • this makes it possible for wind turbines to take on grid-supporting properties that are otherwise usually only provided by rotating synchronous generators.
  • the wind power installation is also set up by the device according to the invention to perform a grid-supporting function, even when there is no wind.
  • the partition in the DC voltage source is provided. The wind power installation can thus ensure the functions described above or below, which are particularly grid-supporting, regardless of the prevailing wind.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz, welches eine Netzspannung und eine Netzfrequenz aufweist und durch eine Netznennspannung und eine Netznennfrequenz gekennzeichnet ist, umfassend: einen Wechselrichter wenigstens aufweisend eine Eigenschaft der nachfolgenden Liste, umfassend: a) eine, insbesondere schnelle, Leistungsantwort auf eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz; b) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort auf eine Spannungsstörung im elektrischen Versorgungsnetz; c) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort, auf eine Netzstörung, insbesondere gemäß a), b), d), e), f) oder g), bei der der Maximalstrom nicht überschritten wird; d) eine Phasensprungfähigkeit, die ein Durchfahren eines Phasensprunges der Netzspannung um wenigstens 20° erlaubt; e) eine Einspeisung elektrischer Spannungen und/oder Ströme, die dazu vorgesehen ist, Vorgefundene Oberschwingungen der Spannung bzw. der Ströme im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren; f) eine Einspeisung elektrischer Ströme, insbesondere unsymmetrischer Ströme, die dazu vorgesehen ist, Spannungsunsymmetrien im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren; g) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, eine Dämpfung von Netzschwingungen, insbesondere von Leistungspendelungen, bevorzugt von niederfrequenten oder subsynchronen Leistungspendelungen, im elektrischen Versorgungsnetz vorzunehmen.

Description

WECHSELRICHTER MIT GLEICHSPANNUNGSGUELLE UND STEUEREINHEIT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie sowie eine Einspeiseeinheit umfassend eine solche Vorrichtung, wie bspw. eine Windenergieanlage, eine Ladestation für Elektroautos oder eine Photovoltaikanlage, eine Kopfstation einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung bzw. ein leistungselektronischer Con- tainer, insbesondere zur Anbindung von Batterien oder anderen Speichermedien.
Im Bereich der elektrischen Energieversorgung wird elektrische Energie häufig mittels elektrischer Wechselrichter in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist, wie es bspw. bei einer Windenergieanlage der Fall ist.
Die hierfür erhältlichen Wechselrichter weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die den zu- künftigen Anforderungen des elektrischen Versorgungsnetzes noch nicht gerecht werden.
So sind Wechselrichter bspw. nur bedingt fähig dem Netz bei bestimmten Netzfehlern die gleiche Stützung zu liefern, wie dies traditionell von Synchrongeneratoren bereitgestellt wird, bspw. von konventionelle Kraftwerken.
Dies kann bspw. daran liegen, dass die dazugehörige Steuereinheit den Netzfehler zu- nächst messtechnisch erkennen muss, und erst danach, d.h. mit einer gewissen Zeitverzögerung, netzstützend reagieren kann. Ferner kann es auch sein, dass der Wechselrichter selbst technisch nicht dazu ausgelegt ist, dem Netz bei Auftreten eines bestimmten Netzfehlers die gleiche Stützung zu gewähren, wie ein Synchrongenerator, z.B. wenn die benötigte Energiezufuhr zum Wechselrichter für die gewünschte Stützung des Netzfehlers schlicht nicht ausreicht. In solchen Fällen ist die Einspeiseeinheit dann nicht dazu geeignet, das elektrische Versorgungsnetz entsprechend zu stützen und somit stellt diese aus Sicht des elektrischen Versorgungsnetzes dann auch keinen vollwertigen Ersatz gegenüber einem Synchrongenerator in einem konventionellen Kraftwerk dar.
Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender PCT- Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: US 201 1 / 0 089 693 A1 , WO 2018/ 148 835 A1 , US 2012/0 205 981 A1 , US 6 946 750 B2, DE 10 2014 1 13 262 A1 und US 2013/0 166 081 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, zumindest eines der oben genannten Probleme zu adressieren, insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, konventionelle Kraftwerke durch dezentrale Einspeiser bzw. Einspeiseeinheiten, wie bspw. Windenergieanlagen, möglichst vollwertig zu ersetzen. Zumindest soll eine Alternative zu bisher bekannten Lösungen und Verfahren für bzw. in Wechselrichtern vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz vorgeschlagen, wobei das elektrische Versorgungsnetz eine Netzspannung und eine Netzfrequenz aufweist und durch eine Netznennspannung und eine Netznennfrequenz gekennzeichnet ist.
Die Vorrichtung selbst umfasst hierfür wenigstens einen Wechselrichter, eine Gleichspannungsquelle und eine Steuereinheit. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie Bestandteil einer Windenergieanlage oder einer Ladestation für Elektroautos oder einer Photovoltaikanlage oder einer HGÜ-Strecke, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertra- gung (HGÜ), oder einer Einspeiseeinheit, die auf der einen Seite mit einem wie auch immer gearteten Energiespeicher verbunden ist, und auf der anderen Seite mit dem elektrischen Versorgungsnetz, um das elektrische Versorgungsnetz mit Leistung zu versorgen bzw. das elektrische Versorgungsnetz überhaupt erst zu bilden, also es unter Spannung zu setzen oder in Netzfehlerfällen stützen, bspw. durch Wirk- und Blindleistungsstellung oder um die Frequenz und die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes in gewünschten Grenzen zu halten.
Der Wechselrichter der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der auch ein Wechselrichtermodul sein kann, ist durch eine Nennleistung gekennzeichnet und weist einen Wechselrich- tereingang sowie einen Wechselrichterausgang auf.
Der Wechselrichterausgang ist hierbei dazu vorbereitet einen vorbestimmten Maximalstrom zu führen und ferner dazu eingerichtet, mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden zu werden, bspw. einem dreiphasigen, elektrischen Versorgungsnetz mit einer Netznennfrequenz von z.B. 50 Hz oder 60 Hz. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wechselrichterausgang hierfür ebenfalls dreiphasig ausgebildet und bspw. über einen Transformator mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden.
Der Wechselrichtereingang ist hingegen dazu eingerichtet, mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Diese kann ihrerseits aus verschiedensten Quellen mit Leistung gespeist sein, z.B. Batterien, PV-Modulen, Brennstoffzellen etc. Der Wechselrichter selbst ist also über den Wechselrichtereingang mit einer Gleichspannungsquelle und über den Wechselrichterausgang mit einem Wechselspannungsnetz verbunden.
Der Wechselrichter ist somit so mit der Gleichspannungsquelle verbunden, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und dem elektrischen Versorgungsnetz mindestens in eine, bevorzugt in beide Richtungen, ausgetauscht werden kann.
Die Gleichspannungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zudem als elektrischer Speicher ausgebildet und durch eine maximale elektrische Leistung und einen Energieinhalt gekennzeichnet.
Bevorzugt ist die Gleichspannungsquelle hierfür als elektrische Batterie ausgebildet, vor- zugsweise mit mehreren Modulen.
Bspw. ist die erfindungsgemäße Vorrichtung Bestandteil einer Windenergieanlage.
In diesem Fall ist der Wechselrichter bspw. über einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Gleichrichter verbunden, der wiederum vorzugsweise mit dem elektrischen Stator des Generators der Windenergieanlage verbunden ist. Hierfür ist der Wechselrichter bevorzugt in der sogenannten„Back-to-Back“ Form ausgebildet, wobei insbesondere ein aktiver Gleichrichter vorgesehen ist und bevorzugt der aktive Gleichrichter, der Zwischenkreis und der Wechselrichter in einem Gehäuse untergebracht sind. Im Gleichspannungszwi- schenkreis ist dann bspw. die Gleichspannungsquelle angeordnet, die über den Gleich- spannungszwischenkreis mit dem Wechselrichtereingang des Wechselrichters so verbunden ist, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter ausgetauscht werden kann. Der Wechselrichter selbst kann somit insbesondere dazu verwendet werden im Falle eines Fehlers im elektrischen Versorgungsnetz elektri- sehe Energie aus der Gleichspannungsquelle zu entnehmen und diesen dem elektrischen Versorgungsnetz zuzuführen, um dem Fehler zu begegnen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet im Falle eines Netzfehlers Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz zu entnehmen und diese in die Gleichspannungsquelle zurück zu speisen, insbesondere dann, wenn dies netzdienlich ist. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass sie Vorrichtung dazu eingerichtet ist in einem 4-Quadraten-Betrieb zu arbeiten, also Wirk- und/oder Blindleistung auf- und/oder abzugeben.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird in Abhängigkeit eines Winkels zwischen Netzspannung und Wechselrichterspannung, der Stellbereich des Wechselrichters, also der entsprechende Quadrant der Einspeisung ausgewählt. Es wird somit auch vorgeschlagen, dass die Wirk- und/oder Blindleistungsaufnahme und oder -abgabe in Abhängigkeit eines Winkels zwischen Netzspannung und Wechselrichterspannung eingestellt wird.
Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter, insbesondere den Wechselrichterausgang anzusteuern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit hierfür sowohl signalleitend mit dem Wechselrichter als auch signalleitend mit der Gleichspannungsquelle verbunden, insbesondere um eine vorbestimmte elektrische Leistung aus der Gleichspannungsquelle zu entnehmen und diese dem elektrischen Versorgungsnetz mittels des Wechselrichters zuzuführen. Die Steuereinheit ist zudem ferner dazu eingerichtet, wenigstens den Wechselrichter so anzusteuern, dass dieser wenigstens eine der nachfolgend beschriebenen Funktion aufweist. Hierzu wird insbesondere auch vorgeschlagen, dass der Wechselrichter entspre- chend so eingerichtet ist, dass dieser diese Funktionen auch umsetzen kann, also die entsprechende Hardware aufweist, wie bspw. entsprechende Halbleiter, die diese Funktionen auch umsetzen können, insbesondere die entsprechenden Ströme führen können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung, also insbesondere die Steuereinheit und der Wechselrichter, mehrere dieser nachstehend beschriebenen Funktionen auf. Der Wechselrichter weist somit neben seiner eigentlichen Funktion eines Wechselrichters noch wenigstens eine der nachstehend beschriebenen zusätzlichen Funktionen auf.
Funktion a) eine, insbesondere schnelle, Leistungsantwort auf eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass sowohl die Steuereinheit als auch der Wechselrichter dazu eingerichtet sind, eine Einprägung dreier sinusförmiger Spannungen oder Ströme mit einer festen Grundfrequenz vorzunehmen. Diese feste Grundfrequenz ist typischerweise die Grundwelle der Netzfrequenz, also z.B. 50Hz oder 60 Hz. Es wird also insbesondere vorgeschlagen, dass im Falle einer Störung der bis dahin sinusförmigen Netzspannungen die vom Wechselrichter eingeprägten sinusförmigen Spannungen so unverändert beibehalten werden, dass sich allein durch die Störung der Netzspannungen eine veränderte Vektordifferenz zwischen den Netzspannungen und den eingeprägten Spannungen oder Strömen in Phasenwinkel und Amplitude ergibt. Diese Reaktion erfolgt insbe- sondere schnell bzw. unverzögert, also innerhalb weit weniger einer Netzperiode, bspw. innerhalb einer halben Netzperiode oder einer viertel Netzperiode. Die Funktion a) steht somit der Funktion von RoCoF-Relais diametral gegenüber, da RoCoF-Relais ab einem vorbestimmten Wert den Erzeuger vom elektrischen Versorgungsnetz trennen. Die vorliegende Erfindung hingegen sieht vor, den Erzeuger, also die Vorrichtung, durchgängig am elektrischen Versorgungsnetz zu betreiben, insbesondere unter Berücksichtigung des entsprechenden Netzfehlers.
Funktion b) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort auf eine Spannungsstörung im elektrischen Versorgungsnetz.
Es wird somit insbesondere eine Stromantwort vorgeschlagen, die auf wie unter Funktion a) beschriebene Störungen der Netzspannungen einwirkt, ohne dass ein Mess- oder Regelungsverfahren aktiv eingreifen muss. Auch hierbei handelt es sich insbesondere um eine schnelle bzw. unverzögerte Reaktion, also innerhalb einer Netzperiode, bspw. innerhalb einer halben Netzperiode oder einer viertel Netzperiode. Es wird somit ferner insbesondere vorgeschlagen, dass die Änderung eines Stromflusses aufgrund der Vektordifferenz zwischen den Netzspannungen und den eingeprägten Spannungen nur durch die Induktivitäten auf dem Weg des Stromes begrenzt wird, sowie durch eventuelle Grenzen der Stromänderungsgeschwindigkeit in der Gleichspannungsquelle.
Funktion c) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort, auf eine Netzstörung, bei der der Maximalstrom nicht überschritten wird.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass der Wechselrichter eine Stromant- wort aufweist, die im weiteren zeitlichen Verlauf nach einem geeigneten Steuerverfahren, insbesondere unter Zuhilfenahme von Mess- oder Regelungsverfahren, so angepasst wird, dass der Maximalstrom des Wechselrichters zu keinem Zeitpunkt überschritten wird. Auch ist das Steuerverfahren dabei so gewählt, dass der Energiespeicher des Wechselrichters, also die Gleichspannungsquelle, nicht vollständig entladen oder überladen wird. Es wird also insbesondere vorgeschlagen die Stromantwort des Wechselrichters nicht mittels geeigneter Bauteile zu begrenzen, sondern die Steuerfunktion anhand von zulässigen Belastungen des Wechselrichters und der Gleichspannungsquelle zu auszuwählen, dass weder der Wechselrichter noch die Gleichspannungsquelle im Fehlerfalls des elektrischen Versorgungsnetzes überlastet werden. Die Vorrichtung ist somit bevorzugt dazu eingerichtet, Störungen von Netzspannung im elektrischen Versorgungsnetz ohne Trennung vom Netz zu durchfahren und unverzögert einen Strom mit dem Netz auszutauschen, der netzdienlicher ist, als bei bisher üblichen Verfahren, weil das erfindungsgemäße Verfahren dem Verhalten eines Synchrongenerators ähnlicher ist. Der Eingriff des genannten Steuerverfahrens zur Begrenzung der Stromantwort erfolgt somit je nach aufgetretenem Netzfehler unterschiedlich schnell. Beispielsweise bei einem starken Spannungseinbruch mit einer geringen Rest-Amplitude der Netzspannung steigt die Differenzspannung zwischen den eingeprägten Spannungen des Wechselrichters und der Rest-Amplitude der Netzspannung sehr stark. Funktion d) eine Phasensprungfähigkeit, die ein Durchfahren eines Phasensprunges der Netzspannung um wenigstens 20° erlaubt.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung, also insbesondere der Wechselrichter, dazu eingerichtet ist, am elektrischen Versorgungsnetz weiter betrieben zu werden bzw. die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass sie weiter betrieben werden kann, insbesondere ohne eine Trennung der Vorrichtung vom elektrischen Versorgungsnetz und unter Einspeisung eines netzdienlichen Stromes, insbesondere trotz eines Phasensprunges der Netzspannung. Die Vorrichtung ist somit be- vorzugt dazu eingerichtet, Phasensprünge der Netzspannung im elektrischen Versorgungsnetz zu durchfahren. Die Funktion d) steht somit der Funktion eines Vektorsprung-Relais diametral gegenüber, da ein Vektorsprung-Relais ab einem vorbestimmten Wert der sprunghaften Änderung der Phasenlage der Netzspannung den Erzeuger vom elektrischen Versorgungsnetz trennt. Die vorliegende Erfindung hin- gegen sieht vor, den Erzeuger, also die Vorrichtung, durchgängig am elektrischen Versorgungsnetz zu betreiben, insbesondere unter Berücksichtigung des entsprechenden Netzfehlers.
Unter einem Phasensprung sind hierbei insbesondere Winkelsprünge der Netzspannung in beide Richtungen zu verstehen, also sowohl in positiver als auch in negativer Richtung.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung wenigstens dazu eingerichtet Phasensprünge von wenigstens 30° zu durchfahren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform von wenigstens 170°.
Funktion e) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, Ober- Schwingungen im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren;
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung, also insbesondere der Wechselrichter, dazu eingerichtet ist, eine Einprägung elektrischer Spannungen und/oder eine Einspeisung elektrischer Ströme vorzunehmen, um im elektrischen Versorgungsnetz Vorgefundene Oberschwingungen der Spannungen oder Ströme zu minimieren. Unter Oberschwingungen sind dabei insbesondere lokale Phänomene zu verstehen, die dazu führen, dass der Strom bzw. die Spannung keinen idealen Sinus aufweisen. Oberschwingung weisen hierbei meist eine Grundfrequenz auf, die oberhalb der Netznennfrequenz liegt.
Funktion f) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, Spannungs- unsymmetrien im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung, also insbesondere der Wechselrichter, dazu eingerichtet ist, eine Einprägung elektrischer Spannungen und/oder eine Einspeisung elektrischer Ströme vorzunehmen, um im elektrischen Versorgungsnetz Vorgefundene Unsymmetrien der Spannungen oder Ströme zu minimieren. Bevorzugt wird hierfür eine nachstehend beschriebene Steuerfunktion verwendet.
Funktion g) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, eine Dämpfung von Netzschwingungen, insbesondere von Leistungspendelungen, bevorzugt von niederfrequenten oder subsynchronen Leistungspendelungen, im elektrischen Versorgungsnetz vorzunehmen. Unter Netzschwingungen sind dabei Schwingungen der Polräder verschiedener Kraftwerke untereinander oder auch Schwingungen von Regelungen gegeneinander zu verstehen, die zu periodischen Änderungen der Frequenz und der Leistungsflüsse führen. Hierbei handelt es sich zumeist um großräumige, sehr seltene Phänomene mit nur schwacher Dämpfung. Diese Schwingungen können auch als inter area oscillations bezeichnet werden. Vorzugsweise ist der Wechselrichter durch einen Nennstrom gekennzeichnet und so ausgelegt ist, dass die physikalische Belastungsgrenze des Wechselrichters größer gleich dem 1 ,0-fachen, besonders bevorzugt dem 1 ,5-fachen, des Nennstromes ist.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung gegenüber dem Normalbetrieb überdimensioniert ist, um sämtlich Netzfehler entsprechend durchfahren zu kön- nen. Die Vorrichtung wird somit insbesondere anhand der zu durchfahrenden Fehlerfälle und nicht anhand der Nennleistung ausgelegt.
Vorzugsweise sind der Wechselrichter und außerdem oder alternativ die Gleichspannungsquelle und außerdem oder alternativ die Steuereinheit so eingerichtet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung spannungsprägend ausgeführt ist. Es wird somit insbesondere eine spannungsprägende Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz vorgeschlagen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, an ihrem Netzanschlusspunkt ein symmetrisches Drehspannungssystem einzuprägen, insbesondere rein sinusförmig mit ausschließlich der gewünschten Grundschwingung vorzugeben und diese bevorzugt auch zu halten. Vorzugsweise ist die Gleichspannungsquelle wenigstens so dimensioniert, dass der Wechselrichter für wenigstens 0,5 Sekunden, bevorzugt für wenigstens 1 Sekunde, besonders bevorzugt für wenigstens 10 Sekunden, seine Nennleistung bereitstellen kann, insbesondere unter ausschließlicher Verwendung der Gleichspannungsquelle. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen die physikalische Dimensionierung der Gleichspannungsquelle und des Wechselrichters ferner unter Berücksichtigung der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen a) bis g) so vorzunehmen, dass der Wechselrichter wenigstens kurzzeitig eine der Funktionen a) bis g) unter voller Nennleistung und unter ausschließlicher Verwendung der Gleichspannungsquelle sicherstellen kann. Die Vorrichtung ist somit zum einen besonders netzdienlich ausgeführt und zum anderen auf Netzfehler hin so ausgelegt, dass die Vorrichtung wenigstens kurzzeitig und insbesondere autonom das elektrische Versorgungsnetz stützten kann. Erfindungsgemäß wurde nämlich erkannt, dass eine solche Auslegung bei genügend großer Anwendung der vorliegenden Erfindung, bspw. durch 100 Windenergieanlagen, eine Netzstützung durchgeführt werden kann, die der eines konventionellen Kraftwerks nahe- bzw. gleichkommt. Sofern also die erfindungsgemäße Vorrichtung großflächig Anwendung findet, ist ein stabiler Netzbetrieb unter ausschließlicher Verwendung dezentraler und vor allem wechselrichterbasierter (erneuerbarer) Energien technisch sinnvoll und sicher realisierbar.
Vorzugsweise wird ferner vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle wenigstens eine Partition aufweist, die einer der Eigenschaften a) bis g) zugeordnet ist.
Es wird somit vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle elektrische Leistung für die obengenannten Funktionen zurückhält, die nur zur Anwendung dieser Funktionen freigegeben wird.
Bspw. weist die Vorrichtung die Funktionen a) und b) auf. Dann weist die Gleichspannungs- quelle wenigstens eine erste Partition für die Funktion a) mit einem vorbestimmten Energieinhalt auf und eine zweite Partition für die Funktion b) mit einem vorbestimmten Energieinhalt. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle aus mehreren Kapazitäten besteht, die den bestimmten Funktionen zugeordnet sind. So kann bspw. die Gleichspannungsquelle 5 Batteriemodule aufweisen, von denen eines für die Funktion a) ist, eines für die Funktion b) ist und drei weitere, die zur freien Verfügung stehen. Hierdurch wird insbesondere sichergestellt, dass das die Vorrichtung die Funktionen jederzeit ausführen kann, insbesondere auch dann, wenn im Falle einer Windenergieanlage bspw. kein Wind weht, also die Windenergieanlage selbst keine elektrische Leistung erzeugen kann. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die entsprechenden Partitionen mittels der Hardware implementiert sind. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass die entsprechenden Batterien ihrer entsprechenden Funktion nach gewählt werden können.
Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, wenigstens einer Eigenschaft der Eigenschaften a) bis g) einen Speicherinhalt der Gleichspannungsquelle zu reservieren.
Es wird somit ebenfalls vorgeschlagen, dass die Partitionen, also das reservieren von einer vorbestimmten Menge elektrischer Energie, mittels der Steuereinheit erfolgt, also die Partition außerdem oder alternativ mittels Software implementiert ist. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass die entsprechenden Partitionen im laufenden Betrieb der Vorrichtung entsprechend bestimmter Netzsituationen verändert werden können. Bspw. befindet sich ein benachbartes Großkraftwerk in Revision, in diesem Fall würden die Partitionen für die netzstützenden Funktionen entsprechend erhöht werden, um dies zu kompensieren.
Vorzugsweise weist die Gleichspannungsquelle wenigstens eines der Liste umfassend auf: wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft c); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft d); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft e); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft f); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g).
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle wenigstens eine Partition für wenigstens eine Funktion des Wechselrichters aufweist. Diese Partition umfasst wenigstens 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle. Es sind somit wenigstens 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle für eine der Funktionen a) bis g) reserviert. In einem Fall weist der Wechselrichter - neben der ohnehin immer als Grundfunktion implementierten Umwandlung der Energie aus der Primärquelle (z.B. Wind, Solarstrahlung etc.) - genau eine zusätzliche Funktion auf und für diese genau eine Funktion sind 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle reserviert. Dem- nach kann die Vorrichtung über 90% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle frei verfügen, bspw. um vom Netzbetreiber vorgegebene Sollwerte einzuhalten. Die reservierten 10% der Gleichspannungsquelle hingegen werden nur verwendet bspw. um im Netz- auftretende Oberschwingungen zu minimieren. In einerweiter Bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens zwei Funktionen der Funktionen a) bis g) auf und die Gleichspannungsquelle entsprechend wenigstens zwei Partitionen, die jeweils wenigstens 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle umfassen. In diesem Fall sind also zweimal 10% des Energieinhaltes, insge- samt 20% des Energieinhaltes, für die entsprechenden Funktionen reserviert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Partition für die Eigenschaft a) größer als die Partition für die Eigenschaft b).
Vorzugsweise weist die Gleichspannungsquelle wenigstens eines, bevorzugt wenigstens zweierlei, der folgenden Liste auf, umfassend: wenigstens 50% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a); wenigstens 20% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b); insbesondere wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft e); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g).
Es wird somit auch vorgeschlagen, dass wenigstens die Hälfte des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle für die Funktion a) vorgesehen ist. Darüber hinaus ist wenigstens eine Partition für Funktion b) sowie eine Partition für Funktion g) und insbesondere eine Partition für Funktion e) vorgesehen. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, Energie für die systemkritischen Vorgänge zurückzuhalten bzw. für diese etwaigen Fälle vorzuhalten. Die Funktion e) wird insbesondere in schwachen Netzen als systemkritisch angesehen. Sofern die Vorrichtung in starken Netzen verwendet wird, sollte die Vorrichtung be- vorzugt nur die Funktionen a), b) und g) und dessen entsprechenden Partitionen aufweisen.
Somit weist auch wenigstens der Wechselrichter bzw. die Steuereinheit der Vorrichtung die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen a), b), insbesondere e), und g) auf. Es wurde nämlich erfindungsgemäß erkannt, dass insbesondere eine Kombination dieser wenigstens 4 Funktionen das elektrische Versorgungsnetz besonders gut stützen kann und somit die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut dafür geeignet ist in umrichterdominierten Versorgungsnetzen verwendet zu werden, insbesondere konventionelle Kraftwerke zu ersetzen. Vorzugsweise wird der Wechselrichter hierfür mit einem spannungsprägenden PWM- Verfahren betrieben, insbesondere ohne die Notwendigkeit zu Beginn einer oder mehrerer simultaner Netzstörung a) - g) wie oben aufgeführt, zunächst die Netzspannungen messtechnisch zu erfassen, bevor eine Strom-Reaktion beginnt.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen den Wechselrichter zusätzlich mit einem PWM- Verfahren zu betreiben und zwar insbesondere so, dass der Wechselrichter dazu einge- richtet ist, im ersten Moment nach Eintreten einer Netzstörung unabhängig von einer gemessenen Netzspannung betrieben zu werden. Der Wechselrichter wird somit so betrieben, dass er eine Spannung ist das elektrische Versorgungsnetz eingeprägt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, weist das PWM-Verfahren hierfür Spannungs-Sollwerte auf. Erst im weiteren Verlauf der Netzstörung, wenn die intrinsische Stromantwort droht die Grenzen der Bauteile zu erreichen, oder die zwischen Gleichspannungsquelle und Netz ausgetauschte Energiemenge die Grenzen des Gleichspannungsspeichers erreicht, ist eine messtechnische Erfassung der Netzspannung erforderlich, um das weitere Verhalten mittels der Steuereinheit im Sinne der Netzdienlichkeit des Wechselrichters zu optimieren. Vorzugsweise weist die Steuereinheit ferner wenigstens eine Steuerfunktion auf, um den Wechselrichter anzusteuern, nachdem eine der Eigenschaften a) bis g) ausgelöst wurde, wobei die Steuerfunktion einen Verlauf der Liste aufweist, umfassend: einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten; einen linearen Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten; einen Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum. Die Steuereinheit ist somit dazu eingerichtet, den Wechselrichter durchgängig anzusteuern, wobei die Steuereinheit nachdem eine der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen ausgelöst wurde, bspw. durch einen Netzfehler im elektrischen Versorgungsnetz, den Wechselrichter durch eine spezielle Steuerfunktion ansteuert.
Diese Steuerfunktion kann entweder einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten, ein linearer Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten oder ein festvorgegebener Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum sein.
Die Art der Funktion wird nach der Art und der Schwere des Fehlers bestimmt. Hierfür kann bspw. ein Look-Up-Table in der Steuereinheit vorgesehen sein, der Grenzwerte umfasst, bei deren über- oder unterschreiten eine dieser vorstehend oder nachstehend beschriebe- nen Steuerfunktionen ausgewählt wird. Vorzugsweise weist der Wechselrichter wenigstens die Eigenschaften a) und b) auf, wobei die Gleichspannungsquelle wenigstens 50% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a) und wenigstens 20% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b) aufweist, wobei die Steuereinheit jeweils eine Steuerfunktion für die Eigenschaften a) und b) aufweist, wobei die Steuerfunktion einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten und/oder einen linearen Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten und/oder einen Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum aufweist.
Es wird somit vorgeschlagen, dass die Vorrichtung wenigstens die Funktionen a) und b) aufweist und für wenigstens diese beiden Funktionen ein vorbestimmter Energieinhalt in der Gleichspannungsquelle mittels jeweils einer Partition reserviert ist.
Ferner ist auch für jede der Funktionen a) und b) jeweils eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Steuerfunktion hinterlegt.
Gemäß dieser Ausführungsform sind nicht mehr als 30% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle zur freien Verfügung der Vorrichtung, insbesondere sind wenigstens 70% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle für das Begegnen von Frequenz- und Spannungsstörungen im elektrischen Versorgungsnetz vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Windenergieanlage umfassend eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Vorrichtung vorgeschlagen.
Die Windenergieanlage umfasst bspw. einen Generator an dessen Ausgang ein Gleich- richter angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit diesem Gleichrichter und dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden, um die vom Generator erzeugte elektrische Leistung in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Ladestation für Elektroautos, umfassend eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Vorrichtung, vorgeschlagen. Die Ladestation ist somit wenigstens dazu eingerichtet, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung elektrische Energie zwischen den angeschlossenen Fahrzeugen und dem Netz auszutauschen (Laden oder Entladen der Fahrzeuge) und darüber hinaus das Netz im Falle von Netzfehlern mit besonders netzstützenden Funktionen zu unterstützen. Erfindungsgemäß wird zudem eine Einspeiseeinheit, insbesondere eine Photovoltaikanlage oder eine Kopfstation einer Hochspannungs-Gleichstromübertragung oder ein funktionaler Zusammenschluss einer Vielzahl leistungselektronischer Module, bevorzugt in einem Container konzentriert, für ein elektrisches Versorgungsnetz umfassend eine vorste- hend oder nachstehend beschriebe Vorrichtung vorgeschlagen.
Die Einspeiseeinheit ist somit insbesondere dazu vorbereitet, zur Anbindung von Batterien oder anderen Speichermedien bzw. weist diese auf.
Neben den üblichen Erzeugern, wie Windenergieanlagen oder Kohlekraftwerken, und Verbrauchern, wie bspw. Motoren, gibt es auch noch leistungselektronische Vorrichtung die mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden sind, um zum Beispiel den Blindleistungshaushalt zu regulieren. Diese leistungselektronischen Vorrichtungen erzeugen selber keine Energie und verbrauchen auch keine, bis auf die üblichen Verluste - sie sind also weder Erzeuger noch Verbraucher im klassischen Sinne.
Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, einen Container mit Leistungselektronik zu verwenden, der eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Vorrichtung aufweist, um, neben dem stationären Betrieb mit z.B. Blindleistungsaustausch zur Spannungshaltung an seinem Netzanschlusspunkt, zusätzlich im Falle von Netzfehlern das elektrische Versorgungsnetz mit besonders netzstützenden Funktionen zu stützten.
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere als Bestandteil einer Windenergieanlage. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage 100.
Die Windenergieanlage 100 weist hierzu einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel an. Der Generator selbst ist dabei mit einem Gleichrichter verbunden, der wiederum mit einer vorstehend oder nachstehend beschriebenen Vorrichtung verbunden ist, um elektrische Energie in ein dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz einzuspeisen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbeson- dere zur Verwendung in einer Windenergieanlage, wie bevorzugt in Fig. 1 gezeigt.
Die Windenergieanlage 100 weist einen Generator 120 auf, der, insbesondere statorseitig, dreiphasig mit einem Gleichrichter 130 verbunden ist.
Der Gleichrichter 130 erzeugt aus der dreiphasigen Wechselspannung des Generators 120 eine Gleichspannung Udc. Diese Gleichspannung Udc liegt an einem Gleichspannungszwischenkreis an, an dem auch die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 zum Einspeisen elektrischer Energie in das dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz 300, umfasst hierfür wenigstens einen Wechselrichter 210, eine Gleichspannungsquelle 220 und eine Steuereinheit 230. Der Wechselrichter 210 ist durch eine Nennleistung gekennzeichnet und umfasst ferner einen Wechselrichtereingang 212 und einen Wechselrichterausgang 214.
Der Wechselrichtereingang 212 ist dazu eingerichtet, mit der Gleichspannungsquelle 220 verbunden zu werden, insbesondere über den Gleichspannungszwischenkreis 140. Der Wechselrichtereingang 212 ist somit auch mit dem Gleichrichter 130 über den Gleichspan- nungszwischenkreis 140 verbunden.
Der Wechselrichterausgang 214 ist dazu eingerichtet, einen vorbestimmten Maximalstrom zu führen und mit dem dreiphasigen, elektrischen Versorgungsnetz 300 verbunden zu werden, bspw. über einen Transformator (nicht gezeigt).
Die elektrische Gleichspannungsquelle 220 ist hierfür als elektrischer Speicher ausgebildet und durch eine Kapazität, eine elektrische Leistung und einen Energieinhalt gekennzeichnet. Hierzu weist die Gleichspannungsquelle 220 bevorzugt mehrere Batteriemodule oder Partitionen auf. Zudem ist die Gleichspannungsquelle 220 so mit dem Wechselrichtereingang 212 verbunden, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle 220 und dem Wechselrichter 210 ausgetauscht werden kann.
Um die Leistungsflüsse zwischen der Gleichspannungsquelle 220 und dem Wechselrichter zu steuern, ist eine Steuereinheit 230 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter 210 so anzusteuern, dass der Wechselrichter wenigstens eine der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Eigenschaften a) bis g) aufweist. Insbesondere weist der Wechselrichter die Eigenschaften auf: a) eine schnelle Leistungsantwort auf eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz und b) eine schnelle Stromantwort auf eine Spannungsstörung im elektrischen Versorgungsnetz.
Die Gleichspannungsquelle 220 umfasst hierfür wenigstens zwei Partition 212, 214, die jeweils einer der Funktionen a) und b) zugeordnet sind.
Außerdem oder alternativ ist die Steuereinheit 230 dazu eingerichtet ist, wenigstens den Eigenschaften a) und b) einen Speicherinhalt der Gleichspannungsquelle zu reservieren. Die Partitionen 212, 214 sind somit in einer bevorzugten Ausführungsform via Software implementiert und werden durch die Steuereinheit 230 verwaltet.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind 50% des Energieinhaltes als Partition 212 für die Eigenschaft a) und 20% des Energieinhaltes als weitere Partition 214 für die Eigenschaft b) vorgesehen. Die restlichen 30% können bspw. als Puffer zum Stützen der Gleich- Spannung Udc des Gleichspannungszwischenkreises 140 verwendet werden.
Um den Energieinhalt der Gleichspannungsquelle 130 für die Eigenschaften des Wechselrichters 210 freizugeben, wenn also bspw. eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz 300 auftritt, weist die Steuereinheit wenigstens jeweils eine Steuerfunktion 232 für die entsprechenden Eigenschaften auf. Welche Steuerfunktion ausgewählt wird, kann bspw. in einem Look-Up-Table 234 hinterlegt werden, dies ist bspw. bei einer Frequenzstörung ein exponentieller Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten oder bei einer Spannungsstörung ein linearer Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten.
Um die entsprechenden Steuerfunktionen 232 umzusetzen wird der Wechselrichter 210 bevorzugt mittels eines PWM-Verfahrens 236 angesteuert, welches besonders bevorzugt Spannungs-Sollwerte aufweist. Aber auch eine Ansteuerung mittels eines Toleranzbandverfahrens ist denkbar.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 somit spannungsprägend ausgeführt, d.h. sie kann im transienten und subtransienten Zeitbe- reich insbesondere mess-unabhängig von der Netzspannung betrieben werden und weist trotzdem die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen auf. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 somit dazu eingerichtet, am Netzanschlusspunkt der Windenergieanlage eine Spannung vorzugeben und trotz von außen einwirkender Störungen auf die Netzspannung im Rahmen der Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Energiespeichers, und der möglichen Maximalströme, auch zu halten. Die Vorrichtung ermöglicht somit eine Windenergieanlage als sogenannten Netzbildner auszuführen.
Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass die Windenergieanlage auf Grund der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von Netzfehlern zu durchfahren ohne sich im Fehlerfall vom elektrischen Versorgungsnetz zu trennen und das Netz durch geeignete Stromeinspeisung zu stabilisieren. Hierdurch wird insbesondere ermöglicht, dass Windenergieanlagen netzstützende Eigenschaften übernehmen können, die sonst üblicherweise nur durch rotierende Synchrongeneratoren bereitgestellt werden.
Darüber hinaus ist die Windenergieanlage durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu eingerichtet, netzstützende Funktion wahrzunehmen, auch wenn kein Wind vor- herrscht. Für solche Fälle ist die Partition in der Gleichspannungsquelle vorgesehen. Die Windenergieanlage kann somit unabhängig des vorherrschenden Windes die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen, die insbesondere netzstützend sind, gewährleisten.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz, welches eine Netzspannung und eine Netzfrequenz aufweist und durch eine Netznennspannung und eine Netznennfrequenz gekennzeichnet ist, umfassend:
einen durch eine Nennleistung gekennzeichneten Wechselrichter mit
einem Wechselrichterausgang, der einen vorbestimmten Maximalstrom führen kann und der dazu eingerichtet ist, mit einem dreiphasigen, elektrischen Versorgungsnetz verbunden zu werden, und
einem Wechselrichtereingang, der dazu eingerichtet ist, wenigstens mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden zu werden, eine elektrische Gleichspannungsquelle, die
als elektrischer Speicher ausgebildet und
durch eine maximale elektrische Leistung jeweils für das Be- und Entladen und einen Energieinhalt gekennzeichnet ist und so mit dem Wechselrichtereingang verbunden ist, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter ausgetauscht werden kann,
und
eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter so anzusteuern, dass der Wechselrichter wenigstens eine Eigenschaft der nachfolgenden Liste aufweist, umfassend:
a) eine, insbesondere schnelle, Leistungsantwort auf eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz;
b) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort auf eine Spannungsstörung im elektrischen Versorgungsnetz;
c) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort, auf eine Netzstörung, insbesondere gemäß a), b), d), e), f) oder g), bei der der Maximalstrom nicht überschritten wird;
d) eine Phasensprungfähigkeit, die ein Durchfahren eines Phasensprunges der Netzspannung um wenigstens 20° erlaubt;
e) eine Einspeisung elektrischer Spannungen und/oder Ströme, die dazu vorgesehen ist, Vorgefundene Oberschwingungen der Spannung bzw. der Ströme im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren;
f) eine Einspeisung elektrischer Ströme, insbesondere unsymmetrischer Ströme, die dazu vorgesehen ist, Spannungsunsymmetrien im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren; g) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, eine Dämpfung von Netzschwingungen, insbesondere von Leistungspendelungen, bevorzugt von niederfrequenten oder subsynchronen Leistungspendelungen, im elektrischen Versorgungsnetz vorzunehmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei
der Wechselrichter durch einen Nennstrom gekennzeichnet ist und so ausgelegt ist, dass die physikalische Belastungsgrenze des Wechselrichters größer gleich dem 1 ,5-fachen des Nennstromes ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei
- der Wechselrichter und außerdem oder alternativ die Gleichspannungsquelle und außerdem oder alternativ die Steuereinheit so eingerichtet sind, dass die Einspeisevorrichtung spannungsprägend ausgeführt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die Gleichspannungsquelle wenigstens so dimensioniert ist, dass der Wech- selrichter für wenigstens 0,5 Sekunden, bevorzugt für wenigstens 1 Sekunde, besonders bevorzugt für wenigstens 10 Sekunden, seine Nennleistung bereitstellen kann, insbesondere unter ausschließlicher Verwendung der Gleichspannungsquelle.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- die Gleichspannungsquelle wenigstens eine Partition aufweist, die einer der
Eigenschaften a) bis g) zugeordnet ist und außerdem oder alternativ die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, wenigstens einer Eigenschaft der Eigenschaften a) bis g) einen Speicherinhalt der Gleichspannungsquelle zu reservieren.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die Gleichspannungsquelle wenigstens eines der Liste umfassend aufweist: wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft c); - wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft d); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft e); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft f); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g).
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungsquelle wenigstens eines, bevorzugt wenigstens zwei, der Liste umfassend aufweist:
wenigstens 50% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a); - wenigstens 20% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft e).
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
der Wechselrichter mit einem spannungsprägenden PWM-Verfahren betrieben wird, insbesondere mess-unabhängig der Netzspannung, bevorzugt in einem Zeitfenster von 1000ms nach dem Netzfehler.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die Steuereinheit eine Steuerfunktion aufweist, um den Wechselrichter zusteuern, nachdem eine der Eigenschaften a) bis g) ausgelöst wurde, wobei die Steuerfunktion wenigstens einen Verlauf der Liste aufweist, umfassend: einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten; einen linearen Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten;
einen Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum.
10. Vorrichtung wenigstens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wech- selrichter wenigstens die Eigenschaften a) und b) aufweist, wobei die Gleichspannungsquelle wenigstens 50% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a) und wenigstens 20% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b) aufweist, wobei die Steuereinheit jeweils eine Steuerfunktion für die Eigenschaften a) und b) aufweist, wobei die Steuerfunktion einen exponentiellen Verlauf mit einer ein- stellbaren Zeitkonstanten und/oder einen linearen Verlauf mit einem einstellbaren
Gradienten und/oder einen Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum aufweist.
1 1. Windenergieanlage umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Ladestation für Elektroautos umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
13. Einspeiseeinheit, insbesondere eine Photovoltaikanlage oder eine Kopfstation einer Hochspannungs-Gleichstromübertragung oder ein funktionaler Zusammenschluss einer Vielzahl leistungselektronischer Module, bevorzugt in einem Container konzentriert, insbesondere zur Anbindung von Batterien oder anderen Speichermedien, für ein elektrisches Versorgungsnetz umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019128387A1 (de) * 2019-10-21 2021-04-22 Torqeedo Gmbh Generatorsatz zum Erzeugen eines Wechselstromes
EP3890136A1 (de) * 2020-03-30 2021-10-06 Wobben Properties GmbH Verfahren zum betreiben eines umrichters, insbesondere einer windenergieanlage

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6946750B2 (en) * 2000-08-14 2005-09-20 Aloys Wobben Wind power plant having a power generation redundancy system
AUPS143902A0 (en) * 2002-03-28 2002-05-09 Curtin University Of Technology Power conversion system and method of converting power
WO2011032265A1 (en) * 2009-09-15 2011-03-24 The University Of Western Ontario Utilization of distributed generator inverters as statcom
US8860236B2 (en) * 2009-10-19 2014-10-14 Uwm Research Foundation, Inc. Wind energy power conversion system reducing gearbox stress and improving power stability
US9063525B2 (en) * 2011-01-28 2015-06-23 Sunverge Energy, Inc. Distributed energy services management system
US9042141B2 (en) * 2013-02-07 2015-05-26 Caterpillar Inc. Control of energy storage system inverter system in a microgrid application
DE102014113262B4 (de) * 2014-09-15 2016-09-15 Sma Solar Technology Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines neben einem Netzbildner und mindestens einer Last an ein begrenztes Wechselstromnetz angeschlossenen Kraftwerks mit fluktuierender Leistungsfähigkeit
JP6349265B2 (ja) * 2015-01-28 2018-06-27 オムロン株式会社 双方向ｄｃ−ｄｃコンバータ、パワーコンディショナ及び分散型電源システム
CN105490383A (zh) * 2015-12-09 2016-04-13 武汉龙安集团有限责任公司 基于现场总线管理的分布式供配电系统
KR102546644B1 (ko) * 2016-03-29 2023-06-21 엘에스일렉트릭(주) 하이브리드 전력 저장 장치
US10483759B2 (en) * 2016-04-07 2019-11-19 Alencon Acquisition Co., Llc Integrated multi-mode large-scale electric power support system for an electrical grid
JP6097864B1 (ja) * 2016-05-27 2017-03-15 田淵電機株式会社 自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置、及びその起動制御方法
TWI614963B (zh) * 2016-09-21 2018-02-11 台達電子工業股份有限公司 電源轉換模組、發電系統及其控制方法
CN106451537B (zh) * 2016-10-08 2019-02-19 江苏通灵电器股份有限公司 基于卡尔曼滤波算法的微型逆变器同步并网方法
CA3147955A1 (en) * 2017-02-15 2018-08-23 Systemex Energies Inc. Power control device
US11005288B2 (en) * 2017-07-19 2021-05-11 Arizona Public Service Company Methods and apparatus for power generation and distribution
DE102018102220A1 (de) * 2018-02-01 2019-08-01 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz
DE102018102224A1 (de) * 2018-02-01 2019-08-01 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz

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