EP4150753A1 - 3-phasen pv wechselrichter mit 2-phasigem inselbetrieb bei netzstörung - Google Patents

3-phasen pv wechselrichter mit 2-phasigem inselbetrieb bei netzstörung

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Publication number
EP4150753A1
EP4150753A1 EP21725131.3A EP21725131A EP4150753A1 EP 4150753 A1 EP4150753 A1 EP 4150753A1 EP 21725131 A EP21725131 A EP 21725131A EP 4150753 A1 EP4150753 A1 EP 4150753A1
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EP
European Patent Office
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phase
network
inverter
conductor
bridge
Prior art date
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Pending
Application number
EP21725131.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander UNRU
Burkard Mueller
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SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
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    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin

Definitions

  • the invention relates to an inverter with three bridge arms, each with a phase output, the three phase outputs each being connectable to a phase conductor of a three-phase network.
  • the invention also relates to a method for operating such an inverter.
  • Such inverters are often used to convert direct voltage, e.g. from a photovoltaic (PV) system, into a grid-compliant alternating current for feeding into a three-phase alternating current network.
  • Energy supply networks are generally designed to be three-phase at all voltage levels, with the voltage profile on the various phases being shifted by 120 ° in relation to a voltage profile on one of the other phases.
  • a three-phase inverter is known from the publication DE 102014 104216 B3, which can be operated in a single-phase emergency mode in the event of a failure of the power supply network.
  • two of the three bridge branches are operated in such a way that a single-phase bridge current for emergency power supply, for example for a residential building, can be carried out on at least one phase conductor between these two bridge branches.
  • the third branch of the bridge remains unused.
  • a direct current intermediate circuit which is connected upstream of the bridge arms, can therefore have a relatively small capacitance of its intermediate circuit capacitors in a three-phase inverter in relation to the power transmitted by the inverter. If only single-phase alternating current is provided via two of the bridge branches, this loads the intermediate circuit capacitors significantly more, which leads to pronounced periodic voltage fluctuations at twice the network frequency, also known as “low frequency ripple”. These place a heavy load on the intermediate circuit capacitors and lead to faster aging of the capacitors.
  • two of three bridge branches of an inverter are used to convert a direct current into a single-phase alternating current and the third bridge branch is used to exchange power between the direct current source and an energy store, for example a battery store.
  • the changing load on the direct current intermediate circuit can be compensated for by periodically exchanging energy between the direct current intermediate circuit and the energy store, which leads to a voltage smoothing in the intermediate circuit.
  • An inventive inverter of the type mentioned is set up to connect the phase outputs to the respective phase conductor in normal operation of the three-phase energy distribution network and / or of a higher-level energy supply network connected to the energy distribution network.
  • the inverter is also set up to disconnect the three-phase energy distribution network from the higher-level energy supply network by means of a network separation device, to separate the first phase output from the first phase conductor using a switching unit and to connect a To connect the neutral conductor of the three-phase power distribution network, to set a neutral potential for the neutral conductor via the first bridge branch, and to control the second bridge branch and the third bridge branch after the network disconnection in such a way that voltages between the second and third phase output and the neutral conductor in each case have a different phase position to one another.
  • the bridge branches can for example a 2-level B6 or a multi-level (e.g. 3-level) NPC (Neutral Point Clamped), BSNPC (Bipolar Switch NPC), ANPC (Active NPC) or FLC (Flying Capacitor) topology .
  • NPC Neutral Point Clamped
  • BSNPC Bipolar Switch NPC
  • ANPC Active NPC
  • FLC Fluor Capacitor
  • phase outputs are connected to the respective phase conductor
  • the three-phase energy distribution network is separated from the higher-level energy supply network, the first phase output is separated from the first phase conductor and is connected to a neutral conductor of the three-phase energy distribution network that via the A neutral potential for the neutral conductor is set in the first bridge branch, and that after the mains disconnection, the second bridge branch and the third bridge branch are controlled in such a way that voltages between the second and third phase output and the neutral conductor (N) have a different phase position to one another.
  • the energy distribution network is switchably connected to the superordinate energy supply network via the network separation unit.
  • the three-phase power distribution network usually has the three phase conductors and a neutral conductor.
  • the higher-level energy supply network can also have four conductors, namely three phase conductors and one neutral conductor, in the area of the network separation unit.
  • the neutral conductor of the higher-level power supply network can be connected to a grounding conductor (PE) in the area of the network separation unit, for example on a local network transformer.
  • PE grounding conductor
  • the higher-level power supply network does not necessarily have to have four conductors throughout. For example, it can also be designed as a three-wire network in some areas, which has the three phase conductors in the relevant areas, but not the neutral conductor.
  • the case that usually occurs in the event of a fault is such that a fault occurs primarily in the higher-level energy supply network, which, due to the galvanic connection of the higher-level energy supply network with the energy distribution network, spreads into the energy distribution network via the network separation unit.
  • a disorder that is primary in that Energy supply network is present, due to the galvanic connection of the two networks due to the initially closed network separation unit also present in the energy distribution network.
  • the disturbance present in the higher-level energy supply network can be prevented from spreading to the energy distribution network.
  • the energy distribution network can continue to be operated in island mode and its local loads can continue to be supplied despite a fault in the higher-level energy supply network.
  • network separation denotes the separation of the energy distribution network from the higher-level energy supply network by means of the separation unit.
  • the three phase conductors of the energy distribution network are separated from the phase conductors of the higher-level energy supply network assigned to them.
  • the neutral conductor of the power distribution network is also separated from the neutral conductor of the power supply network assigned to it.
  • This type of separation is referred to below as "all-pole separation”.
  • an island grid can continue to be supplied with an output of up to 2/3 of the nominal output of the inverter.
  • Single-phase loads within a network installation are usually connected to the various phase conductors. Because two out of three phase conductors are operated in local island operation (emergency operation), more consumers in the island network remain operational than, for example, with the solution according to DE 10 2017 131 042 A1, in which only a single-phase island network is set up.
  • the voltage fluctuations in the intermediate circuit of the inverter are minimized and, in particular, are lower than when the voltages are in the same phase position.
  • the first bridge branch is controlled in such a way that a center potential of a voltage of a DC voltage intermediate circuit is established at the first phase output. This is an easy-to-implement way of creating the neutral potential for the neutral conductor.
  • the inverter or the method in the event of a fault in the three-phase energy distribution network and / or the associated higher-level energy supply network, to disconnect the three-phase energy distribution network on all poles from the higher-level energy supply network by means of a network disconnection device.
  • a network disconnection device With all-pole disconnection, there is also a disconnection of the neutral conductors of the energy distribution network and the higher-level energy supply network.
  • the mains disconnection device which is usually arranged externally from the inverter, is controlled accordingly by the inverter.
  • connection of the neutral conductor of the power distribution network to the local earth potential (PE) can also be made by means of a suitable switching device, which is controlled by the inverter, for example.
  • the inverter is set up to control the second and third bridge branches after the mains disconnection in such a way that a phase shift of voltages between the second and third phase output and the neutral conductor deviates from one another by 120 °.
  • a transitional mode is preferably provided in which the second and third bridge branches are controlled in such a way that, after the system is disconnected, a voltage with a phase shift of 120 ° is initially output at the second and third phase output and then the phase shift between the second and third phase output the value deviating from 120 ° is changed.
  • the transitional operation preferably only lasts for a few network periods, in particular less than 5 network periods, in order to keep the load on the intermediate circuit capacitors as low as possible.
  • a phase shift between the voltages provided between the neutral conductor and the second and third phase output is set as a function of the topology of the bridge branches.
  • the phase shift that is set after the grid is disconnected is advantageous about 180 °.
  • the exact value of the phase shift can preferably be regulated via a control loop in such a way that a magnitude of voltage ripples is minimized at twice the network frequency in a DC voltage intermediate circuit of the inverter.
  • a phase shift of at least 90 ° and less than 120 ° is set after disconnection from the grid.
  • the phase shift is preferably 90 °, since minimal voltage ripples are observed in this case.
  • the current at the first phase output increases when the phase shift is reduced from 120 ° towards 90 °.
  • a maximum current is measured at the first phase output and the phase shift is reduced to 90 ° if the maximum current is below a predetermined threshold value and increased in the direction of 120 ° if the maximum current is above or at the predetermined threshold value.
  • the best possible value of the phase shift is selected dynamically depending on the current load situation in the island network, which is still associated with an acceptable current load for the first phase output.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a
  • Inverter connected to a local power distribution network
  • FIG. 2 shows a flow diagram of an operating method for a
  • FIG 3 shows a schematic exemplary embodiment of an inverter in a second exemplary embodiment, connected to a local energy supply network.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of an arrangement with an inverter 10 in an exemplary embodiment.
  • the inverter is coupled to a local energy distribution network 3, hereinafter also referred to as network 3, in a manner to be explained in more detail, which is connected to a superordinate energy distribution network via a network disconnection device 2
  • Power supply network 1 is connectable.
  • Consumers 4 shown as resistors by way of example, are connected to the local network 3.
  • the local network 3 like the superordinate energy supply network 1, is a three-phase network comprising phase conductors L1, L2 and L3 and a neutral conductor N. A phase shift between the individual phase conductors L1, L2 or L3 is 120 °. In normal operation, the local network 3 is coupled to the higher-level energy supply network 1.
  • the inverter 10 comprises an inverter bridge with three bridge branches 11, 12, 13, which are basically designed in the same way and are referred to as first, second and third bridge branches 11, 12, 13 only for the sake of differentiation.
  • Each of the bridge branches 11, 12, 13 comprises a series circuit of two semiconductor switching elements 111, 112 or 121, 122 or 131, 132 Intermediate circuit capacitor 141 is shown. It goes without saying that the intermediate circuit capacitor 141 in one implementation of the circuit shown can consist of a plurality of individual capacitors connected in parallel and / or in series.
  • connections of the DC voltage intermediate circuit 14 also form the input connections of the inverter 10, to which a DC voltage source 5 is connected here.
  • the DC voltage source 5 is exemplified by the circuit symbol of a battery.
  • it can be an interconnection of one or more rechargeable batteries and / or a photovoltaic (PV) generator, which in turn has a plurality of PV cells, arranged in a plurality of PV May include modules.
  • the PV modules can be connected in a series and / or parallel connection in order to form the PV generator.
  • the direct current source 5 is connected directly to the direct voltage intermediate circuit 14. It is also conceivable to interpose a DC voltage converter in order to keep the DC voltage intermediate circuit 14 and the direct current source 5 at different voltage levels.
  • the individual semiconductor switching elements 111, 112, 121, 122, 131 and 132 are switched from one not shown here Control unit controlled, preferably in a pulse width modulation method (PWM method) in order to convert the supplied direct current.
  • PWM method pulse width modulation method
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • bipolar transistors or MOSFETs Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistors
  • suitable current and / or voltage measured values are required at the bridge branches 11, 12, 13.
  • Current measurements can be made, for example, with the help of shunts or Hall sensors that determine a current based on a measured magnetic field.
  • Voltage measurements can be made with the help of voltage dividers. The measured current and / or voltage values are evaluated in the control unit. For the sake of clarity, it has been dispensed with in FIG. 1 to draw corresponding current and / or voltage measuring means.
  • the center taps of the bridge branches 11, 12, 13 are each led out of the inverter 10 as outputs via an output filter 113, 123, 133. These outputs represent phase outputs 114, 124 and 134 of the inverter 10.
  • the output filters 113, 123, 133 are used to smooth the output voltage or the output current, so that they have a time curve that is as sinusoidal as possible.
  • topologies can also be implemented in the inverter 10 than the so-called 2-level B6 topology shown, each with three bridge branches, each with two semiconductor switching elements and a center tap.
  • An inverter can also be used in a three or multi-level topology such as "Neutral Point Clamped” (NPC), "Bipolar Switch Neutral Point Clamped” (BSNPC), "Active Neutral Point Clamped” (ANPC) or “Flying Capacitor” (FLC ) be constructed.
  • NPC Neutral Point Clamped
  • BSNPC Bipolar Switch Neutral Point Clamped
  • ANPC Active Neutral Point Clamped
  • FLC Felying Capacitor
  • phase outputs 114, 124, 134 can be connected to the corresponding conductors L1, L2 and L3 of the network 3.
  • a special feature is the connection between the first Phase output 114 and the phase conductor L1 are also guided via a changeover switch 15, the function of which will be explained in more detail below.
  • a connection of the three phase outputs 114, 124, 134 with the three phase conductors L1, L2, L3 represents normal operation for the inverter 10, in which the power provided by the direct current source 5 is fed into the local network 3 in three phases and the consumer 4 is supplied or for feeding into the power supply network 1.
  • FIG. 2 a flowchart is used to describe an operating method according to the application, which can be carried out, for example, with the inverter 10 shown in FIG. 1 in the connection shown with the network 3. The method is explained below by way of example with reference to FIG. 1.
  • the method starts in a step S1, in which the inverter 10 feeds into the three-phase network 3 in the aforementioned normal mode in a flow or voltage-controlled manner.
  • the network disconnection device 2 is closed and a connection to the energy supply network 1 is established.
  • the switching element 15 is in a switching position in which the first phase output 114 is connected to the phase conductor L1.
  • a fault in the local network 3 or the superordinate energy supply network 1 is detected, for example by a network monitoring device not shown in FIG. 1.
  • the local network 3 is disconnected from the superordinate energy supply network 1 by opening the network disconnection device 2.
  • the separation can, but does not necessarily have to be, all-pole.
  • the inverter 10 is used as a stand-alone inverter for the network 3.
  • the switching device 15 is switched by the control device of the inverter 10 or a superordinate control device in such a way that the first phase output 114 is connected to the neutral conductor N of the network 3.
  • a connection of the neutral conductor N of the local network 3 to a local ground potential PE, for example a local ground anchor is made.
  • the first bridge branch 11 is controlled in such a way that the potential on the neutral conductor N represents a neutral potential for the consumers 4, which are connected to the phase conductors L2 and L3, whereby these consumers 4 can continue to be operated.
  • a neutral potential represents, for example, a center potential in the DC voltage intermediate circuit 14, the use of the center potential as a neutral potential presupposing a sufficiently high intermediate circuit voltage.
  • a voltage in the intermediate circuit 14 is required for this, which corresponds to twice the amplitude of the phase voltage to be provided. If such a high intermediate circuit voltage is not present in normal operation, it can be provided to increase it accordingly after the mains disconnection, which is possible if a DC voltage converter is arranged between the direct current source 5 and the DC voltage intermediate circuit 14.
  • the network 3 continues to be supplied as an island network with an output of up to 2/3 of the nominal output of the inverter 10.
  • the inverter 10 is no longer operated in a flow- or voltage-controlled manner, but rather in a voltage-setting manner, so that it functions as a network generator.
  • phase position of the phase conductors L2 and L3 that are still operated is initially adopted or retained when switching to island operation, so it has a phase difference of 120 °.
  • this phase position leads to large voltage ripples at twice the network frequency in the DC voltage intermediate circuit 14 and represents a load for the DC voltage intermediate circuit 14 that fluctuates greatly over a period of the AC voltage.
  • a next step S3 the phase shift between the phase conductors L2 and L3 with respect to the neutral conductor N is changed from 120 ° to a value at which the DC voltage intermediate circuit 14 is loaded more evenly over the network period.
  • a load that is as uniform as possible is achieved with a phase shift of 90 °.
  • the phase conductors L2 and L3, which are further supplied in the island network are operated with respect to the neutral conductor in the manner of a so-called single-phase three-wire network, also known as a "split phase" network.
  • the optimal phase shift is not exactly 180 °, but deviates from it to smaller or larger values.
  • it can be provided to determine the size of the voltage ripple at twice the network frequency in the DC voltage intermediate circuit 14 and to regulate the angle of the phase shift in a control loop so that the size of the voltage ripple is minimized.
  • the “split phase” mode is retained until it is recognized in a next step S4 that the network fault in the energy supply network 1 has been eliminated.
  • phase conductors L2 and L3 are synchronized with the corresponding phase positions in the power supply network 1 with regard to their phase position by appropriate control of the second and third bridge branches 12, 13.
  • a next step S6 the network 3 is reconnected to the power supply network 1 by switching the network disconnection device 2 on again. Furthermore, the first phase output 114 is separated from the neutral conductor N by opening the switching element 115.
  • step S7 the first phase output 114 is then synchronized to the phase position of the phase conductor L1 of the energy supply network 1.
  • step S8 the switching element 15 is then switched over again in such a way that the first phase output 114, after the switching element 115 is subsequently switched on again, with the phase conductor L1 connected is.
  • the arrangement is thus again in normal operation, which was also present in step S1.
  • FIG. 3 shows, in a manner comparable to FIG. 1, a further exemplary embodiment of an arrangement comprising an inverter 10 which is connected to a local network 3 which is coupled to an energy supply network 1 via a network isolating device 2.
  • the same reference symbols denote elements that are the same or have the same effect as in FIG. 1.
  • the arrangement in FIG. 3 differs only in the topology of the inverter 10 from the arrangement in accordance with FIG. 1, the description of which is hereby explicitly referred to.
  • 132 ‘) are formed by diodes in the example shown.
  • the DC voltage intermediate circuit 14 is constructed as a divided intermediate circuit with two intermediate circuit capacitors 141, 142 connected in series. A center tap between the two intermediate circuit capacitors 141, 142 forms the neutral potential.
  • the operating method described in connection with FIG. 2 can advantageously be carried out, in which, after the occurrence of a network fault, voltage is applied to the two phase conductors L2 and L3 by the inverter 10 with respect to the neutral conductor N, the neutral conductor N through the first Bridge branch 11 is held at a neutral potential.
  • the advantage of a 3-level inverter is that a center potential can be generated as a neutral potential simply by switching on the inner ones of the switching elements 111 and 112 of the first bridge arm 11 on the neutral conductor N.
  • the subsequent setting of a phase position of approximately 180 ° leads to lower voltage ripples at twice the network frequency and thus to a lower load on the intermediate circuit capacitor 141, 142. Due to the divided design of the intermediate circuit 14, the inverter has dynamic and stable control behavior.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter (10), umfassend - einen ersten Brückenzweig (11) mit einem ersten Phasenausgang (114), - einen zweiten Brückenzweig (12) mit einem zweiten Phasenausgang (124), - einen dritten Brückenzweig (13) mit einem dritten Phasenausgang (134), wobei die Phasenausgänge (114, 124, 134) der Brückenzweige (11, 12, 13) mit jeweils einem Phasenleiter (L1, L2, L3) eines dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) verbindbar sind. Der Wechselrichter (10) ist dazu eingerichtet, - in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) und/oder eines damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes (1) die Phasenausgänge (114, 124, 134) mit dem jeweiligen Phasenleiter (L1, L2, L3) zu verbinden, und - bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) und/oder dem damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) das dreiphasige Energieverteilungsnetz (3) mittels einer Netztrenneinrichtung (2) von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) zu trennen, den ersten Phasenausgang (114) mittels einer Umschalteinheit (15) von dem ersten Phasenleiter (L1) zu trennen und mit einem Neutralleiter (N) des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) zu verbinden, und über den ersten Brückenzweig (11) ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter (N) einzustellen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters (10).

Description

3-PHASEN PV WECHSELRICHTER MIT 2-PHASIGEM INSELBETRIEB BEI
NETZSTÖRUNG
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit drei Brückenzweigen mit jeweils einem Phasenausgang, wobei die drei Phasenausgänge mit jeweils einem Phasenleiter eines dreiphasigen Netzes verbindbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters.
Solche Wechselrichter werden häufig eingesetzt, um Gleichspannung, z.B. aus einer Photovoltaik (PV-) Anlage, in einen netzkonformen Wechselstrom zum Einspeisen in ein dreiphasiges Wechselstromnetz umzuformen. Energieversorgungsnetze sind in der Regel auf allen Spannungsebenen dreiphasig ausgelegt, wobei der Spannungsverlauf auf den verschiedenen Phasen jeweils um 120° gegenüber einem Spannungsverlauf auf einer der anderen Phasen verschoben ist.
Aus der Druckschrift DE 102014 104216 B3 ist ein dreiphasiger Wechselrichter bekannt, der bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes in einem einphasigen Notbetrieb betreibbar ist. In diesem Notbetrieb werden zwei der drei Brückenzweige so betrieben, dass zwischen diesen beiden Brückenzweigen ein einphasiger Brückenstrom zur Notstromversorgung beispielsweise eines Wohnhauses auf zumindest einem Phasenleiter erfolgen kann. Der dritte Brückenzweig bleibt ungenutzt.
Bei einer Umwandlung von Gleichstrom wird im Normalbetrieb eines dreiphasigen Wechselrichters aufgrund der symmetrischen Phasenverschiebung von je 120° der Phasen zueinander aus der Gleichstromquelle sehr gleichmäßig Energie entnommen. Ein Gleichstromzwischenkreis, der den Brückenzweigen vorgeschaltet ist, kann daher in einem dreiphasigen Wechselrichter bezogen auf die vom Wechselrichter übertragene Leistung eine relativ kleine Kapazität seiner Zwischenkreiskondensatoren aufweisen. Wird über zwei der Brückenzweige ein nur einphasiger Wechselstrom bereitgestellt, belastet dieser die Zwischenkreiskondensatoren deutlich stärker, was zu ausgeprägten periodischen Spannungsschwankungen bei der doppelten Netzfrequenz, auch als „Niederfrequenzrippei“ bezeichnet, führt. Diese belasten die Zwischenkreiskondensatoren stark und führen zu einer schnelleren Alterung der Kondensatoren. Gemäß der Druckschrift DE 102017 131 042 A1 werden zwei von drei Brückenzweigen eines Wechselrichters zur Umsetzung eines Gleichstroms ein einen einphasigen Wechselstrom eingesetzt und der dritte Brückenzweig wird genutzt, um Leistung zwischen der Gleichstromquelle und einem Energiespeicher, beispielsweise einem Batteriespeicher, auszutauschen. Durch geeignete Ansteuerung des dritten Brückenzweiges kann durch einen periodisch erfolgenden Energieaustausch zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Energiespeicher die wechselnde Belastung des Gleichstromzwischenkreises kompensiert werden, was zu einer Spannungsglättung im Zwischenkreis führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen im Normalbetrieb dreiphasigen Wechselrichter so zu gestalten, dass in einem Notstrom betrieb eine Notstromversorgung von zumindest Teilen des dreiphasigen Netzes mit möglichst geringen Spannungsschwankungen im Zwischenkreis ermöglicht ist, ohne einen zusätzlichen Energiespeicher zum Ausgleich der Belastung des Zwischenkreises einzusetzen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wechselrichter und ein Betriebsverfahren für einen solchen Wechselrichter mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter der eingangs genannten Art ist dazu eingerichtet, in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes und/oder eines mit dem Energieverteilungsnetz verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes die Phasenausgänge mit dem jeweiligen Phasenleiter zu verbinden. Der Wechselrichter ist weiterhin dazu eingerichtet, bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz und/oder dem damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetz das dreiphasige Energieverteilungsnetz mittels einer Netztrenneinrichtung von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz zu trennen, den ersten Phasenausgang mittels einer Umschalteinheit von dem ersten Phasenleiter zu trennen und mit einem Neutralleiter des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes zu verbinden, über den ersten Brückenzweig ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter einzustellen, und nach der Netztrennung den zweiten Brückenzweig und den dritten Brückenzweig so anzusteuern, dass Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang und jeweils dem Neutralleiter zueinander eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen. Die Brückenzweige können beispielsweise eine 2-Level-B6- oder eine Mehrlevel- (z.B. 3-Level-) NPC (Neutral Point Clamped)-, BSNPC (Bipolar Switch NPC)-, ANPC (Active NPC)- oder FLC (Flying Capacitor)-Topologie aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wechselrichters zeichnet sich durch die Schritte aus:
- dass in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes und/oder eines damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes die Phasenausgänge mit dem jeweiligen Phasenleiter verbunden werden, und
- dass bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz und/oder in dem damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetz das dreiphasige Energieverteilungsnetz von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz getrennt wird, der erste Phasenausgang von dem ersten Phasenleiter getrennt wird und mit einem Neutralleiter des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes verbunden wird, dass über den ersten Brückenzweig ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter eingestellt wird, und dass nach der Netztrennung der zweite Brückenzweig und der dritte Brückenzweig so angesteuert werden, dass Spannungen zwischen dem zweiten und dem dritten Phasenausgang und jeweils dem Neutralleiter (N) zueinander eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen.
Das Energieverteilungsnetz ist mit dem übergeordneten Energieversorgungsnetz über die Netztrenneinheit schaltbar verbunden. Das dreiphasige Energieverteilungsnetz weist üblicherweise die drei Phasenleiter und einen Neutralleiter auf. Auch das übergeordnete Energieversorgungsnetz kann im Bereich der Netztrenneinheit vier Leiter, nämlich drei Phasenleiter und einen Neutralleiter aufweisen. Dabei kann der Neutralleiter des übergeordneten Energieversorgungsnetzes im Bereich der Netztrenneinheit, beispielsweise an einem Ortsnetztransformator, mit einem Erdungsleiter (PE) verbunden sein. Das übergeordnete Energieversorgungsnetz muss jedoch nicht zwingend durchgängig vier Leiter aufweisen. Beispielsweise kann es bereichsweise auch als Drei-Leiter- Netz ausgebildet sein, das in den betreffenden Bereichen die drei Phasenleiter, nicht aber den Neutralleiter aufweist.
Der üblicherweise bei einer Störung auftretende Fall ist derart, dass eine Störung primär in dem übergeordneten Energieversorgungsnetz auftritt, die sich aufgrund der galvanischen Verbindung des übergeordneten Energieversorgungsnetzes mit dem Energieverteilungsnetz über die Netztrenneinheit in das Energieverteilungsnetz ausbreitet. Daher ist eine Störung, die primär in dem Energieversorgungsnetz vorliegt, infolge der galvanischen Verbindung beider Netze aufgrund der zunächst geschlossenen Netztrenneinheit auch in dem Energieverteilungsnetz vorhanden. Durch eine Trennung des Energieverteilungsnetzes von dem Energieversorgungsnetz mittels der Netztrenneinheit durch ein Öffnen der Netztrenneinheit hingegen kann eine Ausbreitung der in dem übergeordneten Energieversorgungsnetz vorliegenden Störung auf das Energieverteilungsnetz verhindert werden. In einem getrennten Zustand beider Netze voneinander kann das Energieverteilungsnetz in einem Inselbetrieb weiterbetrieben und dessen lokale Lasten trotz einer Störung in dem übergeordneten Energieversorgungsnetz weiter versorgt werden.
Der Begriff „Netztrennung“ bezeichnet das Trennen des Energieverteilungsnetzes von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz mittels der Trenneinheit. Bei dem Trennen werden die drei Phasenleiter des Energieverteilungsnetzes von den ihnen jeweils zugeordneten Phasenleitern des übergeordneten Energieversorgungsnetzes getrennt. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass zusätzlich zu den Phasenleitern auch der Neutralleiter des Energieverteilungsnetzes von dem ihm zugeordneten Neutralleiter des Energieversorgungsnetzes getrennt wird. Dennoch ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, und im Einzelfall auch vorteilhaft, dass neben den drei Phasenleitern auch der Neutralleiter des Energieverteilungsnetzes von den jeweils zugeordneten Leitern des übergeordneten Energieversorgungsnetzes getrennt werden. Diese Art der Trennung wird im Folgenden als „allpolige Trennung“ bezeichnet.
Durch die Bereitstellung von zwei Phasenleitern gegenüber einem Neutralleiter kann ein Inselnetz mit einer Leistung von bis zu 2/3 der Nennleistung des Wechselrichters weiter versorgt werden. Einphasige Verbraucher innerhalb einer Netz-installation sind in der Regel auf die verschiedenen Phasenleiter verteilt angeschlossen. Dadurch, dass zwei von drei Phasenleitern im lokalen Inselbetrieb (Notbetrieb) bedient werden, bleiben mehr der Verbraucher im Inselnetz betriebsbereit als z.B. bei der Lösung gemäß der Druckschrift DE 10 2017 131 042 A1, bei der nur ein einphasiges Inselnetz aufgebaut wird. Dadurch, dass die Spannungen zwischen dem zweiten Phasenausgang und dem Neutralleiter einerseits und zwischen dem dritten Phasenausgang und dem Neutralleiter andererseits eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen, werden die Spannungsschwankungen im Zwischenkreis des Wechselrichters minimiert, und sind insbesondere geringer, als dies bei gleicher Phasenlage der Spannungen zueinander - wie beispielsweise in der Druckschrift DE 102017 131 042 A1 beschrieben - der Fall wäre. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters bzw. des Verfahrens wird der erste Brückenzweig so angesteuert, dass sich an dem ersten Phasenausgang ein Mittenpotential einer Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises einstellt. Dieses stellt eine einfach umzusetzende Möglichkeit dar, das Neutralpotenzial für den Neutralleiter zu bilden. Dieses gilt insbesondere bei einem Einsatz einer 3-Level Brückentopologie, bei der dann lediglich die inneren Schalter des ersten Brückenzweigs eingeschaltet werden müssen, um den ersten Phasenausgang mit dem Mittenpotenzial zu beaufschlagen. Die Einstellung eines (zeitlich zumindest über eine Netzperiode konstanten) Mittenpotentials setzt jedoch eine Zwischenkreisspannung voraus, die größer als die doppelte Amplitude der vom Wechselrichter bereitgestellten Spannungen auf den beiden Phasenleitern ist. Wenn das nicht gegeben ist, kann alternativ nach der Trennung von dem ersten Phasenleiter der erste Brückenzweig so angesteuert werden, dass an dem ersten Phasenausgang ein periodisch modulierter Spannungsverlauf als Neutralpotenzial einstellt wird.
Bei der Trennung des Energieverteilungsnetzes von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz werden die Verbindungen der drei Phasenleiter beider Netze miteinander aufgetrennt. Eine Trennung des Neutralleiters des Energieverteilungsnetzes von dem entsprechenden Neutralleiter des Energieversorgungsnetzes ist dabei nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann im Rahmen der Erfindung ein Inselbetrieb des Energieverteilungsnetzes auch dann erfolgen, wenn die Neutralleiter miteinander verbunden sind bzw. verbunden bleiben. Daher ist es möglich, dass eine entsprechende Netztrenneinheit in diesem Fall lediglich drei Schaltkontakte aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters bzw. des Verfahrens ist jedoch vorgesehen, bei einer Störung des dreiphasigen Energieverteilungsnetz und/oder des damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes mittels einer Netztrenneinrichtung das dreiphasige Energieverteilungsnetz allpolig von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz zu trennen. Bei der allpoligen Trennung erfolgt auch eine Trennung der Neutralleiter des Energieverteilungsnetzes und des übergeordneten Energieversorgungsnetzes. Die in der Regel extern vom Wechselrichter angeordnete Netztrenneinrichtung wird dabei vom Wechselrichter entsprechend angesteuert. Bei allpoliger Trennung kann es aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, den Neutralleiter des Energieverteilungsnetzes mit einem lokalen Erdpotential (PE), beispielsweise einem lokalen Erdanker, zu verbinden, da nun eine im Bereich des übergeordneten Energieversorgungsnetzes bestehende Verbindung von Neutralleiter zu Erdpotential (PE) aufgrund der galvanischen Trennung beider Netze für das Energieverteilungsnetz wirkungslos ist. Auch die Verbindung des Neutralleiters des Energieverteilungsnetzes mit dem lokalen Erdpotential (PE) kann mittels einer geeigneten Schalteinrichtung, die beispielsweise von dem Wechselrichter angesteuert wird, erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, nach der Netztrennung den zweiten und dritten Brückenzweig so anzusteuern, dass eine Phasenverschiebung von Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang und jeweils dem Neutralleiter zueinander von 120° abweicht.
Bei einer Phasenlage von 120° wird der Gleichspannungszwischenkreis über den Verlauf einer Netzperiode betrachtet ungleichmäßig belastet. Dieses führt zu großen Spannungsrippein bei der doppelten Netzfrequenz im Gleichspannungszwischenkreis und belastet Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises. Diese Belastung wird vorteilhaft dadurch verringert, dass die Phasenverschiebung zwischen den Phasenleitern und jeweils dem Neutralleiter von 120° auf einen Wert verändert wird, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis über die Netzperiode gleichmäßiger belastet wird.
Dabei ist bevorzugt ein Übergangsbetrieb vorgesehen, in dem der zweiten und dritten Brückenzweig so angesteuert werden, dass nach der Netztrennung an dem zweiten und dritten Phasenausgang zunächst eine Spannung mit einer Phasenverschiebung von 120° ausgegeben wird und anschließend die Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang auf den von 120° abweichenden Wert verändert wird. Bevorzugt dauert der Übergangsbetrieb nur wenige Netzperioden an, insbesondere weniger als 5 Netzperioden, um die Belastung der Zwischenkreiskondensatoren so klein wie möglich zu halten.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens wird eine Phasenverschiebung zwischen den jeweils zwischen dem Neutralleiter und dem zweiten und dritten Phasenausgang bereitgestellten Spannungen abhängig von der Topologie der Brückenzweige eingestellt.
Bei einem Wechselrichter mit einer 3-Level Topologie der Brückenzweige beträgt die Phasenverschiebung, die nach der Netztrennung eingestellt wird, vorteilhaft etwa 180°. Bevorzugt kann dabei der genaue Wert der Phasenverschiebung über einen Regelkreis eingeregelt werden, derart, dass eine Größe von Spannungsrippein bei der doppelten Netzfrequenz in einem Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters minimiert wird.
Bei einem Wechselrichter mit einer 2-Level Topologie der Brückenzweige wird nach der Netztrennung eine Phasenverschiebung von mindestens 90° und weniger als 120°eingestellt. Bevorzugt beträgt die Phasenverschiebung 90°, da in dem Fall minimale Spannungsrippel beobachtet werden. Jedoch steigt der Strom am ersten Phasenausgang an, wenn die Phasenverschiebung von 120° in Richtung 90° verringert wird. In einer möglichen Weiterbildung wird ein Maximalstrom an dem ersten Phasenausgang gemessen und die Phasenverschiebung auf 90° hin verkleinert, wenn der Maximalstrom unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und in Richtung 120° vergrößert, wenn der Maximalstrom über oder bei dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. So wird ein im Hinblick auf die Belastung des Zwischenkreises bestmöglicher Wert der Phasenverschiebung dynamisch abhängig von der aktuellen Lastsituation im Inselnetz gewählt, der noch mit einer vertretbaren Strombelastung für den ersten Phasenausgang einhergeht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines anmeldungsgemäßen
Wechselrichters, angeschlossen an ein lokales Energieverteilungsnetz;
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für einen
Wechselrichter; und
Fig. 3 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters in einem zweiten Ausführungsbeispiel, angeschlossen an ein lokales Energieversorgungsnetz.
In Fig. 1 ist ein einem schematischen Schaltbild eine Anordnung mit einem Wechselrichter 10 in einem Ausführungsbeispiel wiedergegeben. Der Wechselrichter ist auf noch näher zu erläuternder Weise mit einem lokalen Energieverteilungsnetz 3, nachfolgend auch als Netz 3 bezeichnet, gekoppelt, das über eine Netztrenneinrichtung 2 mit einem übergeordneten Energieversorgungsnetz 1 verbindbar ist. An das lokale Netz 3 sind beispielhaft als Widerstände dargestellte Verbraucher 4 angeschlossen.
Das lokale Netz 3 ist ebenso wie das übergeordnete Energieversorgungsnetz 1 ein dreiphasiges Netz, das Phasenleiter L1, L2 und L3 sowie einen Neutralleiter N umfasst. Eine Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasenleitern L1, L2 bzw. L3 beträgt 120°. In einem Normalbetrieb ist das lokale Netz 3 mit dem übergeordneten Energieversorgungsnetz 1 gekoppelt.
Der Wechselrichter 10 umfasst eine Wechselrichterbrücke mit drei Brückenzweigen 11, 12, 13, die grundsätzlich gleichartig ausgebildet sind und lediglich der Unterscheidbarkeit halber als erster, zweiter und dritter Brückenzweig 11, 12, 13 bezeichnet werden. Jeder der Brückenzweige 11, 12, 13 umfasst eine Reihenschaltung von zwei Halbleiterschaltorganen 111, 112 bzw. 121, 122 bzw. 131, 132. Diese Reihenschaltungen sind mit ihren äußeren Anschlüssen an einen Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen, der beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 durch einen Zwischenkreiskondensator 141 dargestellt ist. Es versteht sich, dass der Zwischenkreiskondensator 141 in einer Realisierung der dargestellten Schaltung aus einer Mehrzahl von parallel und/oder in Serie geschalteten einzelnen Kondensator bestehen kann.
Die Anschlüsse des Gleichspannungszwischenkreises 14 bilden im dargestellten Beispiel auch die Eingangsanschlüsse des Wechselrichters 10, an denen hier eine Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen ist.
Die Gleichspannungsquelle 5 ist beispielhaft durch das Schaltzeichen einer Batterie dargestellt. In einer Umsetzung der in Fig. 1 gezeigten Anlage kann es sich um eine Zusammenschaltung einer oder mehrerer wiederaufladbarer Batterien und/oder einen Photovoltaik- (PV-) Generator handeln, der seinerseits eine Vielzahl von PV-Zellen, angeordnet in einer Mehrzahl von PV- Modulen umfassen kann. Auch dabei können die PV-Module in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung verschaltet sein, um den PV-Generator zu bilden. Ebenfalls beispielhaft ist bei dem Wechselrichter 10 die Gleichstromquelle 5 unmittelbar an den Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen. Es ist auch denkbar, einen Gleichspannungswandler zwischenzuschalten, um den Gleichspannungszwischenkreis 14 und die Gleichstromquelle 5 auf verschiedenen Spannungsniveaus zu halten.
Im Betrieb des Wechselrichters 10 werden die einzelnen Halbleiterschaltorgane 111, 112, 121, 122, 131 und 132 von einer hier nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert, bevorzugt in einem Pulsweiten- Modulationsverfahren (PWM-Verfahren), um den zugeführten Gleichstrom zu wandeln. Im gezeigten Beispiel sind als Halbleiterschaltorgane 111, 112, 121, 122, 131 und 132 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) eingesetzt. In alternativen Ausgestaltungen können auch Bipolartransistoren oder MOSFETs (Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistors) verwendet werden.
Zur korrekten Festlegung der Schaltzeitpunkten beim PWM-Verfahren werden geeignete Strom- und/oder Spannungsmesswerte an den Brückenzweigen 11, 12, 13 benötigt. Strommessungen können zum Beispiel mit Hilfe von Shunts erfolgen oder auch durch Hall-Sensoren, die einen Strom anhand eines gemessenen Magnetfelds ermitteln. Spannungsmessungen können mit Hilfe von Spannungsteilern durchgeführt werden. Die gemessenen Strom- und/oder Spannungswerte werden in der Steuereinheit ausgewertet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist bei der Fig. 1 darauf verzichtet worden, entsprechende Strom- und/oder Spannungsmessmittel einzuzeichnen.
Die Mittelabgriffe der Brückenzweige 11, 12, 13 sind über jeweils einen Ausgangsfilter 113, 123, 133 als Ausgänge aus dem Wechselrichter 10 herausgeführt. Diese Ausgänge stellen Phasenausgänge 114, 124 und 134 des Wechselrichters 10 dar. Die Ausgangsfilter 113, 123, 133 dienen einer Glättung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms, so dass diese möglichst sinusförmigen Zeitverlauf haben.
Prinzipiell können auch andere Topologien in dem Wechselrichter 10 umgesetzt sein als die gezeigte sogenannte 2-Level-B6-Topologie mit je drei Brückenzweigen mit je zwei Halbleiterschaltorganen und Mittelabgriff. So kann ein Wechselrichter auch in einer Drei- oder Mehrlevel-Topologie wie „Neutral Point Clamped“ (NPC), „Bipolar Switch Neutral Point Clamped“ (BSNPC), „Active Neutral Point Clamped“ (ANPC) oder „Flying Capacitor“ (FLC) aufgebaut sein. Diese Topologien benötigen in der Regel mehr Halbleiterschaltorange pro Brückenzweig als die B6-Topologie, können aber Vorteile bezüglich ihrer Effizienz bieten. Ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 10 mit einer 3-Level-NPC-Topologie ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wiedergegeben.
Zwischen den Phasenausgängen 114, 124 und 134 sind Schaltorgane 115,
125 und 135 angeordnet, über die die Phasenausgänge 114, 124, 134 mit den entsprechenden Leitern L1 , L2 bzw. L3 des Netzes 3 verbunden werden können. Als Besonderheit ist dabei die Verbindung zwischen dem ersten Phasenausgang 114 und dem Phasenleiter L1 zusätzlich über einen Umschalter 15 geführt, dessen Funktion nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.
Eine Verbindung der drei Phasenausgänge 114, 124, 134 mit den drei Phasenleitern L1 , L2, L3 stellt einen Normalbetrieb für den Wechselrichter 10 dar, bei dem von der Gleichstromquelle 5 bereitgestellte Leistung in das lokale Netz 3 dreiphasig eingespeist wird und der Versorgung der Verbraucher 4 bzw. zu einer Einspeisung in das Energieversorgungsnetz 1 dient.
Im Zusammenhang mit Fig. 2 wird anhand eines Flussdiagramms ein anmeldungsgemäßes Betriebsverfahren beschrieben, das beispielsweise mit dem in Fig. 1 gezeigten Wechselrichter 10 in der dargestellten Verbindung mit dem Netz 3 ausgeführt werden kann. Das Verfahren wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf Fig. 1 erläutert.
Das Verfahren startet in einem Schritt S1 , in dem der Wechselrichter 10 in dem genannten Normalbetrieb ström- oder spannungsgeregelt in das dreiphasige Netz 3 einspeist. Die Netztrenneinrichtung 2 ist dabei geschlossen und eine Verbindung zum Energieversorgungsnetz 1 ist hergestellt. Das Umschaltorgan 15 befindet sich in einer Schaltstellung, in der der erste Phasenausgang 114 mit dem Phasenleiter L1 verbunden ist.
In einem nächsten Schritt S2 wird eine Störung des lokalen Netzes 3 bzw. des übergeordneten Energieversorgungsnetzes 1 detektiert, beispielsweise von einer in Fig. 1 nicht gezeigten Netzüberwachungseinrichtung. Als Reaktion auf die Netzstörung wird das lokale Netz 3 vom übergeordneten Energieversorgungsnetz 1 durch Öffnen der Netztrenneinrichtung 2 getrennt. Die Trennung kann, muss jedoch nicht zwingenderweise allpolig erfolgen.
Um im Falle der Netztrennung möglichst viele der Verbraucher 4 weiter mit Energie versorgen zu können, wird der Wechselrichter 10 als Inselwechselrichter für das Netz 3 eingesetzt. Dazu wird von der Steuereinrichtung des Wechselrichters 10 oder einer übergeordneten Steuereinrichtung das Umschaltorgan 15 so geschaltet, dass der erste Phasenausgang 114 mit dem Neutralleiter N des Netzes 3 verbunden ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass über das Umschaltorgan 15 oder über eine separate Schalteinheit, die von dem Wechselrichter oder der übergeordneten Steuereinrichtung ansteuerbar ist, auch eine Verbindung des Neutralleiters N des lokalen Netzes 3 mit einem lokalen Erdpotential PE, beispielsweise einem lokalen Erdanker hergestellt wird. Der erste Brückenzweig 11 wird dabei so angesteuert, dass das Potenzial auf dem Neutralleiter N für die Verbraucher 4, die an den Phasenleitern L2 und L3 angeschlossen sind, ein Neutralpotenzial darstellt, wodurch diese Verbraucher 4 weiter betrieben werden können. Ein Neutralpotenzial stellt beispielsweise ein Mittenpotenzial im Gleichspannungszwischenkreis 14 dar, wobei die Nutzung des Mittenpotenzials als Neutralpotenzial eine ausreichend hohe Zwischenkreisspannung voraussetzt. Konkret ist dazu eine Spannung im Zwischenkreis 14 erforderlich, die der doppelten Amplitude der bereitzustellenden Phasenspannung entspricht. Falls eine derartig hohe Zwischenkreisspannung im Normalbetrieb nicht vorliegt, kann vorgesehen sein, sie nach der Netztrennung entsprechend hochzusetzen, was möglich ist, wenn ein Gleichspannungswandler zwischen der Gleichstromquelle 5 und dem Gleichspannungszwischenkreis 14 angeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, eine Hilfsspannung mit einem ihrerseits modulierten Verlauf, d.h. einem zeitlich nicht konstanten Wert, an dem ersten Phasenausgang 114 als Neutralpotenzial bereitzustellen.
Durch die Bereitstellung von zwei Phasenleitern gegenüber einem Neutralleiter wird das Netz 3 als Inselnetz mit einer Leistung von bis zu 2/3 der Nennleistung des Wechselrichters 10 weiter versorgt. Um das Inselnetz bedienen zu können, wird der Wechselrichter 10 dabei nicht mehr ström- oder spannungsgeregelt betrieben, sondern spannungsstellend, so dass er als Netzbildner fungiert.
Die Phasenlage der weiterbetriebenen Phasenleiter L2 und L3 wird bei dem Umschalten in den Inselbetrieb zunächst übernommen bzw. beibehalten, sie weist also eine Phasendifferenz von 120° auf. Diese Phasenlage führt jedoch zu großen Spannungsrippein bei der doppelten Netzfrequenz im Gleichspannungszwischenkreis 14 und stellt eine über eine Periode der Wechselspannung stark schwankende Belastung für den Gleichspannungszwischenkreis 14 dar.
Um diese Belastung zu verringern, wird in einem nächsten Schritt S3 die Phasenverschiebung zwischen den Phasenleitern L2 und L3 gegenüber dem Neutralleiter N von 120° auf einen Wert verändert, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis 14 über die Netzperiode gleichmäßiger belastet wird. Bei einem Wechselrichter mit Brückenzweigen in einer 2-Level Topologie (vgl. Fig. 1) wird eine möglichst gleichmäßige Belastung bei einer Phasenverschiebung von 90° erzielt. Bei einem Wechselrichter mit Brückenzweigen in 3-Level Topologies (vgl. Fig. 3) und insbesondere bei gleicher Belastung der Phasenleiter L2 und L3 ist dieses in der Regel eine Phasenverschiebung von 180°. Damit werden die im Inselnetz weiterversorgten Phasenleiter L2 und L3 bezüglich des Neutralleiters in Art eines sogenannten Einphasen-Dreileiter-Netzes, auch „Split Phase“- Netz genannt, betrieben.
Falls die beiden Phasenleiter L2 und L3 nicht gleichmäßig belastet sind - was in der Praxis üblicherweise der Fall ist - liegt die optimale Phasenverschiebung nicht bei genau 180°, sondern weicht zu kleineren oder größeren Werten davon ab. In einer Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, die Größe der Spannungsrippel bei der doppelten Netzfrequenz im Gleichspannungszwischenkreis 14 zu bestimmen und den Winkel der Phasenverschiebung in einem Regelkreis so einzuregeln, dass die Größe der Spannungsrippel minimiert wird.
Um die Auswirkungen, z.B. eine Alterung des Zwischenkreiskondensators 141, der Belastung des Gleichspannungszwischenkreises 14 bei der ursprünglichen Phasenbeziehung von 120° möglichst gering zu halten, erfolgt die Umstellung in den „Split Phase“- Betrieb möglichst schnell nach der Detektion der Netzstörung, beispielsweise innerhalb von einigen Netzperioden.
Der „Split Phase“- Modus wird beibehalten, bis in einem nächsten Schritt S4 erkannt wird, dass die Netzstörung des Energieversorgungsnetzes 1 behoben ist.
In einem nächsten Schritt S5 werden durch entsprechende Ansteuerung des zweiten und dritten Brückenzweiges 12, 13 die Phasenleiter L2 und L3 im Hinblick auf ihre Phasenlage mit den entsprechenden Phasenlagen im Energieversorgungsnetz 1 synchronisiert.
In einem nächsten Schritt S6 wird das Netz 3 durch Wiedereinschalten der Netztrenneinrichtung 2 wieder mit dem Energieversorgungsnetz 1 verbunden. Weiter wird durch Öffnen des Schaltorgans 115 der erste Phasenausgang 114 vom Neutralleiter N getrennt.
In einem sich anschließenden Schritt S7 wird der erste Phasenausgang 114 dann auf die Phasenlage des Phasenleiters L1 des Energieversorgungsnetzes 1 synchronisiert.
In einem abschließenden Schritt S8 wird das Umschaltorgan 15 dann wieder so umgeschaltet, dass der erste Phasenausgang 114 nach einem anschließend erfolgenden Wiedereinschalten des Schaltorgans 115 mit dem Phasenleiter L1 verbunden ist. Die Anordnung befindet sich damit wieder in dem Normalbetrieb, der auch im Schritt S1 vorlag.
Fig. 3 zeigt in vergleichbarer Weise wie Fig. 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einem Wechselrichter 10, der an ein lokales Netz 3 angeschlossen ist, das über eine Netztrenneinrichtung 2 mit einem Energieversorgungsnetz 1 gekoppelt ist. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in Fig. 1. Die Anordnung der Fig. 3 unterscheidet sich nur in der Topologie des Wechselrichters 10 von der Anordnung gemäß Fig. 1, auf deren Beschreibung hiermit explizit verwiesen wird.
Bei dem Wechselrichter 10 gemäß Fig. 3 sind die drei Brückenzweige 11, 12,
13 als 3-Level NPC- (Neutral Point Clamped-) Brückenzweige aufgebaut. An Stelle einer Serienschaltung der beiden Flalbleiterschaltorgane 111, 112 (bzw. 121, 122 und 131, 132) sind vorliegend jeweils zwei Flalbleiterschaltorgane 111 (bzw. 121, 131) und zwei Flalbleiterschaltorgane 112 (bzw. 122, 132) in Reihe verschaltet, wobei ein Mittelabgriff zwischen diesen beiden Flalbleiterschaltorganen jeweils über einen weiteres Flalbleiterschaltorgan 11 T, 112' (bzw. 12T, 122' und 13T, 132‘) auf ein Neutralpotenzial geklemmt wird. Diese weiteren Flalbleiterschaltorgane 111‘, 112' (bzw. 12T, 122' und 13T,
132‘) sind im gezeigten Beispiel durch Dioden gebildet.
Als weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Gleichspannungszwischenkreis 14 als geteilter Zwischenkreis mit zwei in Reihe geschalteten Zwischenkreiskondensatoren 141, 142 aufgebaut. Ein Mittelabgriff zwischen den beiden Zwischenkreiskondensatoren 141, 142 bildet das Neutralpotenzial.
Auch bei dieser Anordnung kann vorteilhaft das im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Betriebsverfahren ausgeführt werden, bei dem nach Eintreten einer Netzstörung die beiden Phasenleiter L2 und L3 durch den Wechselrichter 10 gegenüber dem Neutralleiter N mit Spannung beaufschlagt werden, wobei der Neutralleiter N durch den ersten Brückenzweig 11 auf einem Neutralpotenzial gehalten wird. Vorteilhaft bei einem 3-Level Wechselrichter ist, dass ein Mittenpotential als Neutralpotential einfach durch Einschalten der inneren der Schaltorgane 111 und 112 des ersten Brückenzweigs 11 auf dem Neutralleiter N generiert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt das anschließende Einstellen einer Phasenlage von etwa 180° zu geringeren Spannungsrippein bei der doppelten Netzfrequenz und damit zu einer geringeren Belastung der Zwischenkreiskondensator 141, 142. Durch die geteilte Ausführung des Zwischenkreises 14 weist der Wechselrichter dynamisches und stabiles Regelverhalten auf.
Bezugszeichen
1 übergeordnetes Energieversorgungsnetz
Netztrenneinrichtung
(lokales) Netz
Verbraucher
Gleichstromquelle
10 Wechselrichter
11 erster Brückenzweig
111, 112 Halbleiterschaltorgan 111‘, 112' weiteres Halbleiterschaltorgan
113 Filteranordnung
114 erster Phasenausgang
115 Schaltorgan 12 zweiter Brückenzweig
121, 122 Halbleiterschaltorgan 121‘, 122' weiteres Halbleiterschaltorgan
123 Filteranordnung
124 zweiter Phasenausgang
125 Schaltorgan
13 dritter Brückenzweig
131, 132 Halbleiterschaltorgan 131‘, 132' weiteres Halbleiterschaltorgan
133 Filteranordnung
134 dritter Phasenausgang
135 Schaltorgan
14 Gleichspannungszwischenkreis
141, 142 Zwischenkreiskondensator
15 Umschaltorgan
L1, L2, L3 Phasenleiter N Neutralleiter

Claims

Ansprüche
1. Wechselrichter (10), umfassend
- einen ersten Brückenzweig (11 ) mit einem ersten Phasenausgang (114),
- einen zweiten Brückenzweig (12) mit einem zweiten Phasenausgang (124),
- einen dritten Brückenzweig (13) mit einem dritten Phasenausgang (134), wobei die Phasenausgänge (114, 124, 134) der Brückenzweige (11, 12, 13) mit jeweils einem Phasenleiter (L1 , L2, L3) eines dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (10) dazu eingerichtet ist,
- in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) und/oder eines damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes (1) die Phasenausgänge (114, 124, 134) mit dem jeweiligen Phasenleiter (L1, L2, L3) zu verbinden, und
- bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) und/oder dem damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) das dreiphasige Energieverteilungsnetz (3) mittels einer Netztrenneinrichtung (2) von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) zu trennen, den ersten Phasenausgang (114) mittels einer Umschalteinheit (15) von dem ersten Phasenleiter (L1) zu trennen und mit einem Neutralleiter (N) des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) zu verbinden, über den ersten Brückenzweig (11) ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter (N) einzustellen, und nach der Netztrennung den zweiten Brückenzweig (12) und den dritten Brückenzweig (13) so anzusteuern, dass Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) und jeweils dem Neutralleiter (N) zueinander eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen.
2. Wechselrichter (10) nach Anspruch 1 , der weiter dazu eingerichtet ist, den ersten Brückenzweig (11) derart anzusteuern, dass sich an dem ersten Phasenausgang (114) ein Mittenpotential einer Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises (14) einstellt.
3. Wechselrichter (10) nach Anspruch 1 oder 2, der weiter dazu eingerichtet ist, bei der Störung des dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) und/oder des damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes (1) mittels der Netztrenneinrichtung (2) das dreiphasige Energieverteilungsnetz (3) allpolig von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) zu trennen.
4. Wechselrichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiter dazu eingerichtet ist, nach der Netztrennung den zweiten und dritten Brückenzweig (12, 13) so anzusteuern, dass eine Phasenverschiebung von Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) und jeweils dem Neutralleiter (N) zueinander von 120° abweicht.
5. Wechselrichter (10) nach Anspruch 4, der weiter dazu eingerichtet ist, in einem Übergangsbetrieb den zweiten und dritten Brückenzweig (12, 13) so anzusteuern, dass nach der Netztrennung an dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) zunächst Spannungen mit einer Phasenverschiebung von 120° zueinander ausgegeben werden und anschließend die Phasenverschiebung der Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) und jeweils dem Neutralleiter auf den von 120° abweichenden Wert verändert wird.
6. Wechselrichter (10) nach Anspruch 5, wobei der Übergangsbetrieb nur wenige Netzperioden andauert, insbesondere weniger als 5 Netzperioden andauert.
7. Wechselrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brückenzweige (11, 12, 13) eine 2-Level-B6- oder eine 3-Level- NPC-, BSNPC-, ANPC- oder FLC-Topologie aufweisen.
8. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit drei Brückenzweigen (11, 12, 13) und drei Phasenausgängen (114, 124, 134), die mit jeweils einem Phasenleiter (L1 , L2, L3) eines dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) verbindbar sind, gekennzeichnet durch die Schritte:
- in einem Normalbetrieb des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) und/oder eines damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes (1) die Phasenausgänge (114, 124, 134) mit dem jeweiligen Phasenleiter (L1, L2, L3) zu verbinden, und
- bei einer Störung in dem dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) und/oder in dem damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) das dreiphasige Energieverteilungsnetz (3) von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1) zu trennen, den ersten Phasenausgang (114) von dem ersten Phasenleiter (L1) zu trennen und mit einem Neutralleiter (N) des dreiphasigen Energieverteilungsnetzes (3) zu verbinden, über den ersten Brückenzweig (11) ein Neutralpotenzial für den Neutralleiter (N) einzustellen, und nach der Netztrennung den zweiten Brückenzweig (12) und den dritten Brückenzweig (13) so anzusteuern, dass Spannungen zwischen dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) und jeweils dem Neutralleiter (N) zueinander eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste Brückenzweig (11 ) nach der Trennung von dem ersten Phasenleiter (L1 ) so angesteuert wird, dass sich an dem ersten Phasenausgang (114) ein Mittenpotential einer Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises (14) als Neutralpotenzial einstellt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste Brückenzweig (11 ) nach der Trennung von dem ersten Phasenleiter (L1 ) so angesteuert wird, dass an dem ersten Phasenausgang (114) ein periodisch modulierter Spannungsverlauf als Neutralpotenzial eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem nach einem Erkennen der Störung des dreiphasigen Energieverteilungsnetz (3) und/oder des damit verbundenen übergeordneten Energieversorgungsnetzes (1) das Energieverteilungsnetz (3) allpolig von dem übergeordneten Energieversorgungsnetz (1 ) getrennt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei dem bei einem Wechselrichter mit einer 3-Level Topologie der Brückenzweige (11 , 12, 13) nach der Netztrennung der zweite und der dritte Brückenzweig (12, 13) so angesteuert werden, dass zwischen jeweils dem Neutralleiter (N) und dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) Spannungen bereitgestellt werden, die zueinander um etwa 180° phasenverschoben sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Wert der Phasenverschiebung über einen Regelkreis eingeregelt wird, derart, dass eine Größe von Spannungsrippein bei der doppelten Netzfrequenz in einem Gleichspannungszwischenkreis (14) des Wechselrichters (10) minimiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei dem bei einem Wechselrichter mit einer 2-Level Topologie der Brückenzweige (11 , 12, 13) nach der Netztrennung der zweite und der dritte Brückenzweig (12, 13) so angesteuert werden, dass zwischen jeweils dem Neutralleiter (N) und dem zweiten und dritten Phasenausgang (124, 134) Spannungen bereitgestellt werden, die mindestens 90° und weniger als 120° phasenverschoben sind.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Phasenverschiebung 90° beträgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Maximalstrom an dem ersten Phasenausgang (114) gemessen wird und die Phasenverschiebung auf 90° hin verkleinert wird, wenn der Maximalstrom unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und in Richtung 120° vergrößert wird, wenn der Maximalstrom über oder bei dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
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