EP4690447A1 - Verfahren zur inbetriebnahme einer anlage zur elektrischen leistungswandlung und anlage zur elektrischen leistungswandlung - Google Patents

Verfahren zur inbetriebnahme einer anlage zur elektrischen leistungswandlung und anlage zur elektrischen leistungswandlung

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EP4690447A1
EP4690447A1 EP24715115.2A EP24715115A EP4690447A1 EP 4690447 A1 EP4690447 A1 EP 4690447A1 EP 24715115 A EP24715115 A EP 24715115A EP 4690447 A1 EP4690447 A1 EP 4690447A1
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EP
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power
network
phase
power converter
switch
Prior art date
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Application number
EP24715115.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus ERBERT
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SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Publication date
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    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters

Definitions

  • the application relates to a method for commissioning a system for electrical power conversion, in particular a large electrical system, e.g. from approx. 1 MW.
  • the application further relates to a system for electrical power conversion, in particular a large electrical system, e.g. from approx. 1 MW.
  • the commissioning of a system for electrical power conversion with a power converter that includes at least one power electronic bridge circuit can, for example, involve switching the system on in normal mode. Switching on in normal mode can in particular cause the system to be operated at its rated power, if available.
  • the system can be set up in normal mode to maximize the power of the PV generator.
  • a load for example an electrolyzer as a DC unit on the power converter, the system can be set up in normal mode to supply the electrolyzer with a rated power.
  • the application is based on the task of providing a method and a system with improved commissioning so that damage to a power converter of the system is prevented during subsequent normal operation.
  • a procedure for commissioning such a system comprises:
  • Phases A), B), C) of the process can also be referred to as commissioning phases or test phases, in which different states of the system are specifically created in order to be able to prepare and/or test the functioning of components of the system separately as part of the commissioning. This can ensure that the system functions in the normal mode following commissioning or can also support troubleshooting.
  • the phases of the commissioning process are at least partially automated and serve to slowly start up the system in order to avoid or limit serious and/or costly damage to the system, in particular to the system's power converter.
  • the phases of the process are selected so that if a fault occurs, only as little damage as possible is caused.
  • bridge circuits of the power converter which include, for example, power modules with semiconductor power switches, in particular IGBT modules, are slowly started up by the process so that early failures in the bridge circuit can be avoided or detected immediately. If faults occur in the system's power path, the slow start-up keeps costly secondary damage to a minimum or avoids it as far as possible.
  • step-by-step commissioning procedure makes it possible to better localize any errors in time and/or space, since the activities and resulting effects of the individual steps carried out during commissioning are known. This makes it possible to understand what was checked and what happened.
  • the system for electrical power conversion has a control unit which is designed and configured to carry out the steps of the individual phases of the described method.
  • the control unit can, for example, be arranged in the power converter of the system and at the same time take on the task of controlling power switches of the bridge circuit of the power converter.
  • the power converter of the system can be put into a commissioning mode at the end of production, so that the power converter starts directly and exclusively in commissioning mode when it is switched on for the first time.
  • This can be done, for example, mean that the power converter control unit automatically executes the described commissioning procedure when the power converter is first started up.
  • the step-by-step commissioning described can also reduce secondary damage to the system.
  • the controlled step-by-step start-up of at least one power converter makes it possible to detect early on if a power component, e.g. a power semiconductor switch in the bridge circuit, is damaged. This can prevent any short-circuit currents that may arise as a result, for example on the DC side of the power converter with DC units connected to it, such as batteries, from subsequently triggering DC fuses, which would then have to be replaced, for example. It can also prevent a fault in, for example, one of several bridges in the bridge circuit connected in parallel from spreading to the neighboring bridges and causing subsequent damage there, for example through unwanted circulating currents.
  • the commissioning procedure can therefore protect the hardware components of at least one power converter in the system and reduce or prevent secondary errors. This could reduce the costs caused by secondary errors.
  • the procedure can run automatically or at least partially automatically.
  • a person responsible for commissioning e.g. an operator of the system, can be supported during commissioning by the automatic or partially automatic process. By aborting the procedure in the event of an error, guided troubleshooting can be made possible for the operator in the event of an error.
  • phase A comprises:
  • auxiliary network for supplying power to components of the system from the AC network via a rectifier of the system, in particular for supplying the operation of the AC switch, the DC switches and a sine filter capacitor contactor
  • phase A) can optionally be acknowledged by the system operator by means of an input.
  • the limits of the voltage supply via the auxiliary network can be, for example, permissible limits within which the system can be operated safely.
  • the limits can be specified, for example, via the system's control unit, e.g. by the system operator.
  • the components that are supplied with electrical energy by the auxiliary network e.g. the system's switching elements, can be checked step by step.
  • the stability of the auxiliary network during pre-charging processes such as pre-charging a sine filter capacitor, can be checked.
  • phase B comprises:
  • phase B) comprises, when the AC network is connected: clocking the bridge circuit of the at least one power converter for exchanging electrical reactive power, in particular inductive reactive power, between the intermediate circuit and the AC network.
  • the temperature of at least one power converter can be controlled.
  • the system and in particular the at least one power converter can be brought into the temperature range for which it is designed for later operation. This allows semiconductor components of the at least one power converter to be brought into a temperature range that corresponds to an operating temperature in normal operation of the power converter and in which the semiconductor switches work efficiently and with a good service life.
  • a temperature in the power converter in particular in a bridge circuit of the power converter, is detected and adjusted by adjusting the reactive power exchange and/or controlling a fan of the System is increased until the temperature in the power converter exceeds a predeterminable lower threshold and/or reaches a predeterminable upper threshold.
  • the temperature is increased until the temperature in the power converter is within a predeterminable range, which can be between the lower threshold and the upper threshold, for example.
  • the lower and upper thresholds have a temperature difference of at least 40 Kelvin, preferably at least 60 Kelvin.
  • the temperature in the power converter, in particular in a bridge circuit of the power converter, is changed by controlling the reactive power exchange and/or by controlling the fan so that the lower and upper thresholds are reached alternately several times in succession.
  • phase C) comprises: with a connected AC grid and with at least one connected DC unit:
  • the power exchange can take place in particular at low power, in particular at a power between 5% and 20% of the nominal power of the at least one power converter.
  • phase C) comprises: in the case of a connected AC network and in the case of several DC units connected in parallel on the DC side:
  • Recording currents of the DC units of the parallel connection and checking the symmetry of the recorded currents In particular, the individual currents of the individual DC units of the parallel connection can be recorded and the symmetry of the recorded currents can be checked.
  • voltages can also be recorded. Using the recorded voltages and currents, it can be determined by comparing them with predefined comparison values whether the DC units connected to the system, e.g. photovoltaic generators, batteries or loads such as electrolyzers, are functioning as intended.
  • the predefined comparison values can, for example, be stored in a control unit of the system and/or entered by an operator via an interface.
  • the individual currents can be recorded particularly when the DC units have a low output, e.g. when an electrolyzer is at a minimum output. Even or especially when the output is low, it is possible to detect a malfunction in the system by recording the currents and/or voltages.
  • phase C) further comprises:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Anlage (10) zur elektrischen Leistungswandlung und ein Verfahren zur Inbetriebnahme der Anlage (10) zur elektrischen Leistungswandlung. Die Anlage (10) weist zumindest einen Leistungswandler (16) mit einem Zwischenkreis und einer Brückenschaltung auf, wobei die Anlage (10) auf einer DC-Seite (32) an zumindest eine DC-Einheit, insbesondere an einen DC-Generator (12), und auf einer AC-Seite (34) an ein AC-Netz (14) angeschlossen ist, wobei der zumindest eine Leistungswandler (16) DC-seitig mittels zumindest eines DC-Schalters (18) mit der DC-Seite (32) und AC-seitig mittels zumindest eines AC-Schalters (20) mit der AC-Seite (34) verbindbar ist. Das Verfahren weist auf: eine erste Phase (A), welche das Herstellen eines Hilfsnetzes (36) zur Spannungsversorgung von Komponenten der Anlage (10) umfasst, eine zweite Phase (B) mit zeitweise verbundenem AC-Netz (14) ohne Verbindung zu der zumindest einen DC-Einheit, eine dritte Phase (C) mit verbundenem AC-Netz (14) und zumindest einer verbundenen DC- Einheit. Die Anlage ist zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet.

Description

VERFAHREN ZUR INBETRIEBNAHME EINER ANLAGE ZUR ELEKTRISCHEN LEISTUNGSWANDLUNG UND ANLAGE ZUR ELEKTRISCHEN LEISTUNGSWANDLUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer Anlage zur elektrischen Leistungswandlung, insbesondere einer elektrischen Großanlage, z. B. ab ca. 1 MW. Die Anmeldung betrifft weiter eine Anlage zur elektrischen Leistungswandlung insbesondere eine elektrische Großanlage, z. B. ab ca. 1 MW.
STAND DER TECHNIK
Die Inbetriebnahme einer Anlage zur elektrischen Leistungswandlung mit einem Leistungswandler, der mindestens eine leistungselektronische Brückenschaltung umfasst, kann z. B. das Einschalten der Anlage im Normalmodus beinhalten. Das Einschalten im Normalmodus kann insbesondere bewirken, dass die Anlage ggf. mit ihrer Nennleistung betrieben wird, sofern diese verfügbar ist. Im Falle eines Photovoltaik-Generators (PV-Generator) als Energiequelle der Anlage kann die Anlage im Normalmodus dazu eingerichtet sein, die Leistung des PV-Generators zu maximieren. Im Falle einer Last, beispielsweise eines Elektrolyseurs als DC-Einheit am Leistungswandler kann die Anlage im Normalmodus dazu eingerichtet sein, den Elektrolyseur mit einer Nennleistung zu versorgen.
Beim Betrieb des Leistungswandlers der Anlage können Fehler auftreten, die einen Ausfall des Leistungswandlers bewirken und/oder einzelne Bauteile des Leistungswandlers zerstören. Bei Leistungswandlern von Anlage der Größenordnung von ca. 1 MW oder größer können durch den Ausfall von Leistungswandlern und/oder Bauteilen des Leistungswandlers Kosten von z. B. einigen Zehntausend Euro pro Fehlerfall entstehen.
Fehleranalysen an ausgefallenen Bauteilen zeigen, dass es Fehler an Bauteilen des Leistungswandlers gibt, die während der Inbetriebnahme oder kurz danach entstanden sind. Dabei können Leistungswandler grundsätzlich repariert werden, wobei jedoch eine Reparatur eines schwerwiegenden Fehlers beispielsweise an einer leistungselektronischen Brückenschaltung des Leistungswandlers ggf. nicht am Installationsort des Leistungswandlers möglich ist. So entstehen höhere Kosten und ein höherer Aufwand durch einen Transport des Leistungswandlers und/oder anderen Teilen der Anlage. Insbesondere bei Großanlagen sind bedingt durch die physische Größe des Leistungswandlers die entsprechenden Aufwände für eine Reparatur besonders hoch. AUFGABE
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage mit verbesserter Inbetriebnahme bereitzustellen, so dass Beschädigungen eines Leistungswandlers der Anlage im späteren Normalbetrieb verhindert werden.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
BESCHREIBUNG
Eine Anlage zur elektrischen Leistungswandlung weist zumindest einen Leistungswandler mit einem Zwischenkreis und einer Brückenschaltung auf. Bei dem Leistungswandler kann es sich insbesondere um einen Wechselrichter handeln, der elektrische Leistung von AC (AC, engl. Alternating Current, Wechselstrom/Wechselspannung) nach DC (DC, engl. Direct Current, Gleichstrom/Gleichspannung) und/oder umgekehrt wandeln kann. Die Anlage ist auf einer DC- Seite an zumindest eine DC-Einheit, insbesondere an einen DC-Generator, und auf einer AC- Seite an ein AC-Netz angeschlossen, wobei der zumindest eine Leistungswandler DC-seitig mittels zumindest eines DC-Schalters mit der DC-Seite und AC-seitig mittels zumindest eines AC-Schalters mit der AC-Seite verbindbar ist.
Ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer solchen Anlage weist auf:
A) eine erste Phase, welche das Herstellen eines Hilfsnetzes zur Spannungsversorgung von Komponenten der Anlage umfasst,
B) eine zweite Phase mit zeitweise verbundenem AC-Netz ohne Verbindung zu der zumindest einen DC-Einheit,
C) eine dritte Phase mit verbundenem AC-Netz und zumindest einer verbundenen DC-Einheit.
Die Phase A) des Verfahrens kann z. B. auch den Empfang einer Eingabe durch einen Bediener der Anlage aufweisen. Eine solche Eingabe kann z. B. den Start des Verfahrens auslösen. Alternativ kann das Verfahren auch automatisch starten. Die Eingabe des Bedieners kann z. B. auch ein Ende der Phase A) bestätigen und damit den Beginn der Phase B) auslösen.
Die DC-Einheiten können z. B. Photovoltaik-Generatoren, Batterien und/oder Elektrolyseure und ähnliches umfassen. Bei dem Hilfsnetz kann es sich insbesondere um ein DC-Hilfsnetz mit einer Spannung von z. B. 12 Volt, 15 Volt oder 24 Volt handeln. Das DC-Hilfsnetz kann z. B. aus dem AC-Netz über einen Gleichrichter der Anlage versorgt werden. Das DC-Hilfsnetz kann alternativ oder zusätzlich aus einer externen Quelle mit elektrischer Leistung versorgt werden.
Die Phasen A), B), C) des Verfahrens können auch als Inbetriebnahme-Phasen oder als Testphasen bezeichnet werden, in denen gezielt verschiedene Zustände der Anlage hergestellt werden, um das Funktionieren von Komponenten der Anlage als Teil der Inbetriebnahme getrennt voneinander vorbereiten und/oder testen zu können. Hierdurch kann das Funktionieren der Anlage im an die Inbetriebnahme anschließenden Normalmodus gewährleistet oder auch die Fehlersuche unterstützt werden.
Die Phasen des Inbetriebnahme-Verfahrens werden zumindest teilweise automatisiert durchlaufen und dienen dem langsamen Hochfahren der Anlage, um schwerwiegende und/oder kostspielige Schäden an der Anlage, insbesondere am Leistungswandler der Anlage, zu vermeiden oder zu begrenzen. Die Phasen des Verfahrens sind dabei so gewählt, dass bei einem etwaigen Fehler nur ein möglichst geringer Schaden verursacht wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass Brückenschaltungen des Leistungswandlers, die beispielsweise Leistungs-Module mit Halbleiter-Leistungsschaltern, insbesondere IGBT-Module umfassen, durch das Verfahren langsam hochgefahren werden, so dass Frühausfälle an der Brückenschaltung vermieden bzw. sofort erkannt werden können. Wenn Fehler im Leistungspfad der Anlage auftreten, werden durch das langsame Hochfahren kostspielige Sekundärschäden geringgehalten oder möglichst vermieden.
Außerdem besteht durch die schrittweise Inbetriebnahme-Prozedur die Möglichkeit, einen etwaigen Fehler zeitlich und/oder räumlich besser zu lokalisieren, da die Tätigkeiten und daraus folgenden Effekte der im Rahmen der Inbetriebnahme durchgeführten einzelnen Schritte bekannt sind. Hierdurch kann nachvollzogen werden, was geprüft wurde und was passiert ist.
Die Anlage zur elektrischen Leistungswandlung weist eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet und eingerichtet ist, die Schritte der einzelnen Phasen des beschriebenen Verfahrens auszuführen. Die Steuereinheit kann beispielsweise im Leistungswandler der Anlage angeordnet sein und zugleich die Aufgabe der Ansteuerung von Leistungsschaltern der Brückenschaltung des Leistungswandlers übernehmen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Leistungswandler der Anlage am Ende der Produktion in einen Inbetriebnahme-Modus versetzt werden, so dass der Leistungswandler beim ersten Einschalten direkt und exklusiv im Inbetriebnahme-Modus startet. Dies kann z. B. bedeuten, dass die Steuereinheit des Leistungswandlers beim ersten Hochfahren des Leistungswandlers automatisch das beschriebene Verfahren zur Inbetriebnahme ausführt.
Durch die beschriebene stufenweise Inbetriebnahme können insbesondere auch Sekundärschäden an der Anlage reduziert werden. Durch das kontrollierte schrittweise Hochfahren des zumindest einen Leistungswandlers kann früh erkannt werden, falls ein Leistungsbauteil, z. B. ein Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung, beschädigt ist. Es kann verhindert werden, dass durch daraus möglicherweise entstehende Kurzschlussströme, beispielsweise auf der DC-Seite des Leistungswandlers mit daran angeschlossenen DC-Einheiten, wie z. B. Batterien, in der Folge DC-Sicherungen auslösen, welche dann z. B. ersetzt werden müssten. Zudem kann verhindert werden, dass ein Fehler in z. B. einer von mehreren parallel geschalteten Brücken der Brückenschaltung auf die benachbarten Brücken übergreifen kann und dort Folgeschäden auslösen kann, beispielsweise durch ungewünschte Kreisströme.
Durch das Verfahren zur Inbetriebnahme können also insbesondere die Hardwarekomponenten des zumindest einen Leistungswandlers der Anlage geschützt werden und Sekundärfehler verringert oder verhindert werden. Hierdurch könnten die Kosten durch Sekundärfehler reduziert werden. Das Verfahren kann automatisch oder zumindest teilweise automatisch ablaufen. Eine für die Inbetriebnahme verantwortliche Person, z. B. ein Bediener der Anlage, kann durch den automatischen oder teilautomatischen Ablauf bei der Inbetriebnahme unterstützt werden. Durch einen Abbruch des Verfahrens im Fehlerfall kann eine geführte Fehlersuche im Fehlerfall für den Bediener ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase A):
- Herstellen des Hilfsnetzes zur Spannungsversorgung von Komponenten der Anlage aus dem AC-Netz über einen Gleichrichter der Anlage, insbesondere zur Versorgung der Betätigung des AC-Schalters, der DC-Schalter sowie eines Sinusfilterkondensator-Schütz,
- Schließen des AC-Schalters,
- Verbinden einer Kapazität eines AC-seitigen Sinusfilters mit dem AC-Netz, insbesondere über das Sinusfilterkondensator-Schütz,
- Überprüfen der Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz und anschließendes Öffnen des AC-Schalters, und
- Fortsetzung des Verfahrens, wenn die Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt, oder Abbruch des Verfahrens, wenn die Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz außerhalb der vorgebbaren Grenzen liegt.
Zusätzlich können optional einzelne oder alle Schritte der Phase A) durch den Bediener der Anlage durch eine Eingabe quittiert werden. Die vorgebbaren Grenzen der Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz können z. B. zulässige Grenzen sein, innerhalb derer die Anlage sicher betrieben werden kann. Die Vorgabe der Grenzen kann z. B. über die Steuereinheit der Anlage z. B. durch den Bediener der Anlage erfolgen.
Durch das Herstellen des Hilfsnetzes können in Phase A) zunächst diejenigen Komponenten schrittweise überprüft werden, welche durch das Hilfsnetz mit elektrischer Energie versorgt werden, z. B. Schaltorgane der Anlage. Außerdem kann beispielsweise die Stabilität des Hilfsnetzes bei Vorladevorgängen, wie z. B. dem Vorladen von einem Sinusfilterkondensator geprüft werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase B):
- Vorladen des DC-Zwischenkreises über eine Vorladeschaltung,
- Durchführen eines Selbsttests der Brückenschaltung des Leistungswandlers,
- bei erfolgreichem Selbsttest: Zuschalten des AC-Netzes durch Schließen des zumindest einen AC-Schalters.
Hierdurch können Fehler in der Leistungselektronik der Brückenschaltung frühzeitig entdeckt werden und Folgefehler verhindert werden. Insbesondere können die Schalter der Brückenschaltung hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Schaltfunktion und ihrer Spannungsfestigkeit im Wesentlichen stromfrei geprüft werden. Erst danach erfolgt das Zuschalten des AC-Netzes. Das AC-Netz ist also während der Phase B) nur zeitweise mit der Brückenschaltung verbunden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase B): bei verbundenem AC-Netz: Takten der Brückenschaltung des zumindest einen Leistungswandlers zum Austausch von elektrischer Blindleistung, insbesondere induktiver Blindleistung, zwischen dem Zwischenkreis und dem AC-Netz.
Durch den Austausch von Blindleistung kann insbesondere der zumindest eine Leistungswandler temperiert werden. Die Anlage und insbesondere der zumindest eine Leistungswandler kann in dieser Phase in den Temperaturbereich gebracht werden, für den sie für den späteren Betrieb ausgelegt ist. Hierdurch können insbesondere Halbleiterbauelemente des zumindest einen Leistungswandlers in einen Temperaturbereich gebracht werden, der einer Betriebstemperatur im Normalbetrieb des Leistungswandlers entspricht und in dem die Halbleiterschalter effizient und mit guter Lebensdauer arbeiten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Temperatur im Leistungswandler, insbesondere in einer Brückenschaltung des Leistungswandlers, erfasst und durch eine Anpassung des Blindleistungsaustausches und/oder eine Ansteuerung eines Lüfters der Anlage gesteigert, bis die Temperatur im Leistungswandler eine vorgebbare untere Schwelle überschreitet und/oder eine vorgebbare obere Schwelle erreicht. Insbesondere wird die Steigerung der Temperatur so durchgeführt, bis die Temperatur im Leistungswandler sich innerhalb eines vorgebbaren Bereiches befindet, welcher z. B. zwischen unterer Schwelle und oberer Schwelle liegen kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die untere und die obere Schwelle eine Temperaturdifferenz von mindestens 40 Kelvin, bevorzugt mindestens 60 Kelvin auf. Die Temperatur im Leistungswandler, insbesondere in einer Brückenschaltung des Leistungswandlers, wird dabei durch eine Steuerung des Blindleistungsaustausches und/oder durch eine Ansteuerung des Lüfters so verändert, dass die untere und die obere Schwelle mehrfach hintereinander abwechselnd erreicht werden.
Durch diese vorgesehenen Temperaturhübe können Temperatureffekte des wiederholten Aufwärmen und Abkühlen zur Vorbereitung auf den späteren Betrieb genutzt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase C): bei verbundenem AC-Netz und bei zumindest einer verbundenen DC-Einheit:
Austausch von Leistung zwischen der AC-Seite und der DC-Seite, Erfassen einer ausgetauschten AC-Leistung und einer ausgetauschten DC-Leistung des zumindest einen Leistungswandlers und Überprüfen der Plausibilität der erfassten Leistungen. Der Leistungsaustausch kann dabei insbesondere bei geringer Leistung, insbesondere bei einer Leistung zwischen 5% und 20% der Nennleistung des zumindest einen Leistungswandlers, erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase C): bei verbundenem AC-Netz und bei mehreren in Parallelschaltung an der DC-Seite angeschlossenen DC-Einheiten:
Erfassung von Strömen der DC-Einheiten der Parallelschaltung und Überprüfung der Symmetrie der erfassten Ströme. Es können dabei insbesondere die einzelnen Ströme der einzelnen DC-Einheiten der Parallelschaltung erfasst werden und die Symmetrie der erfassten Ströme überprüft werden.
Optional können zusätzlich Spannungen erfasst werden. Unter Verwendung der erfassten Spannungen und Strömen kann durch Vergleich mit vorgebbaren Vergleichswerten ermittelt werden, ob die an die Anlage angeschlossenen DC-Einheiten, z. B. Photovoltaik-Generatoren, Batterien oder Lasten wie Elektrolyseure so funktionieren, wie es vorgesehen ist. Die vorgebbaren Vergleichswerte können z. B. in einer Steuereinheit der Anlage hinterlegt sein und/oder über eine Schnittstelle durch einen Bediener eingegeben werden. Die Erfassung der einzelnen Ströme kann dabei insbesondere bei einer geringen Leistung der DC-Einheiten, z. B. bei einer Mindestleistung eines Elektrolyseurs durchgeführt werden. Auch oder gerade bei einer geringen Leistung ist es durch Erfassung der Ströme und/oder Spannungen möglich, eine Fehlfunktion der Anlage zu erkennen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase C) weiter:
Überprüfen des Lüfters und/oder von weiteren Sensoren der Anlage.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase C) weiter: bei verbundenem AC-Netz und bei zumindest einer verbundenen DC-Einheit:
Austausch von Leistung zwischen der AC-Seite und der DC-Seite, wobei der Leistungsaustausch in mehreren Stufen gesteigert wird.
Hierdurch kann der zumindest eine Leistungswandler schrittweise hochgefahren und schrittweise stärker belastet werden. Bei einem etwaigen Fehler kann das Verfahren abgebrochen werden und der Grad der Belastung, bei dem der Fehler auftrat, kann möglicherweise einen Hinweis auf die Fehlerursache geben.
Dabei kann der Leistungsaustausch zwischen der AC-Seite und der DC-Seite insbesondere in mehreren Stufen zwischen ca. 10% der Nennleistung der Anlage und ca. 60% der Nennleistung der Anlage gesteigert werden. Die Nennleistung der Anlage kann dabei - bei genau einem Leistungswandler in der Anlage - der Nennleistung des Leistungswandlers entsprechen. Umfasst die Anlage mehrere Leistungswandler so kann die Nennleistung der Anlage der Summer der Nennleistungen der mehreren Leistungswandlern entsprechen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Phase C) weiter:
Bei Erreichen von zumindest einer vorgebbaren Temperatur des zumindest einen Leistungswandlers für eine vorgebbare Zeitdauer: Beenden des Verfahrens zur Inbetriebnahme und Starten des Normalbetriebs der Anlage.
In einer Ausführungsform weist die Anlage das Sinusfilterkondensator-Schütz zum Zuschalten oder Verbinden des Sinusfilterkondensators mit dem AC-Netz auf. Das Sinusfilterkondensator- Schütz weist beispielsweise eine elektrische Ansteuerung auf, die durch das Hilfsnetz mit Energie gespeist wird. Damit kann das Funktionieren des Schützes in der Phase A) des Verfahrens geprüft und beurteilt werden.
In einer Ausführungsform weist die Anlage das Hilfsnetz mit einem Hilfsnetz-Trennschalter zur Verbindung des Hilfsnetzes mit dem AC-Netz auf, wobei das Sinusfilterkondensator-Schütz funktional mit dem Hilfsnetz-Trennschalter gekoppelt sein kann. Dies kann insbesondere dazu dienen, beim Herstellen einer Verbindung des Sinusfilterkondensators mit dem AC-Netz etwaige Rückwirkungen auf das Hilfsnetz zu verringern und insbesondere Überspannungen im Hilfsnetz zu verhindern. Dies ermöglicht eine sichere Energieversorgung der Komponenten der Anlage über das Hilfsnetz, auch falls zeitweise große Ströme zwischen Sinusfilterkondensator und AC-Netz fließen sollten.
In einer Ausführungsform der Anlage weist das Hilfsnetz einen Gleichrichter auf, welcher eine DC-Hilfsspannung zur Verfügung stellt, wobei die funktionale Kopplung zwischen Sinusfilter- kondensator-Schütz und Hilfsnetz-Trennschalter dazu eingerichtet ist, die DC-Hilfsspannung bei der Betätigung des Sinusfilterkondensator-Schütz in vorgebbarer Qualität aufrecht zu erhalten. Dies kann z. B. das Halten der Spannung des Hilfsnetzes in einem Toleranzbereich um eine Nennspannung von z. B. 24 V bedeuten. Hierdurch können die durch das Hilfsnetz mit elektrischer Leistung versorgten Komponenten vor Schwankungen der Spannung im Hilfsnetz geschützt werden.
Die Wirkung auf das Hilfsnetz einer Verbindung mit Leistungsaustausch des Sinusfilterkondensators mit dem AC-Netz kann ebenfalls in der Phase A) des Verfahrens geprüft und beurteilt werden. Hierbei kann dann in Phase A) das Funktionieren der funktionalen Kopplung zwischen Sinusfilterkondensator-Schütz und Hilfsnetz-Trennschalter überprüft werden. Dies ist insbesondere bei einem Vorgang der elektrischen Vorladung des Sinusfilterkondensators über das AC-Netz relevant.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Anmeldung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anlage zur elektrischen Leistungswandlung.
Fig. 3 zeigt schematisch in einem Diagramm die Beeinflussung der Temperatur in einer Anlage zur elektrischen Leistungswandlung.
FIGURENBESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens mit den Phasen A), B) und C). In den Phasen A), B), C), auch Stufen genannt, werden gezielt Zustände einer Anlage 10 hergestellt, durch die sich das Funktionieren von einzelnen Komponenten der Anlage überprüfen und/oder vorbereiten lässt. Die Reihenfolge der Zustände und die beteiligten Komponenten sind dabei so gewählt, dass ein etwaiger auftretender Fehler möglichst geringe Folgewirkungen hat und insbesondere möglichst geringe oder keine Folgefehler nach sich zieht.
In der ersten Phase A) wird ein Hilfsnetz 36, insbesondere ein DC-Hilfsnetz, zur Spannungsversorgung von Komponenten der Anlage 10 hergestellt. Weitere Schritte der Phase A) werden mit hergestelltem Hilfsnetz 36 durchgeführt.
Über das Hilfsnetz 36 können insbesondere elektrisch ansteuerbare Schaltorgane, wie Schalter und Schütze, mit Energie versorgt werden. In der Phase A) kann somit insbesondere das Funktionieren der Schalter, insbesondere von einem AC-Schalter 20, DC-Schaltern 18 sowie eines Sinusfilterkondensator-Schützes 30 getestet werden.
Die Schritte der zweiten Phase B) werden durchgeführt, indem die Anlage 10 zeitweise mit einem AC-Netz 14 verbunden ist. Während der Schritte von Phase B) ist die Verbindung zu DC-Einheiten der Anlage 10 getrennt.
In Phase B) können die DC-Zwischenkreise der Leistungswandler 16 der Anlage 10 zunächst über eine Vorladeschaltung 22 vorgeladen werden. Daran kann sich ein Selbsttest der Leistungswandler 16 bei getrenntem AC-Netz 14 anschließen. Danach können nach erfolgreichem Selbsttest Halbleiterschalter der jeweiligen Brückenschaltungen der Leistungswandler 16 durch den Austausch von Blindleistung mit dem AC-Netz vorgewärmt werden, d. h. ihre Temperatur kann auf einen vorgebbaren Bereich gebracht werden, wobei der Bereich bevorzugt ein Temperaturbereich ist, der üblichen Betriebstemperaturen im Normalbetrieb entspricht und/oder in dem die Halbleiterschalter gute Effizienz und/oder lange Haltbarkeit zeigen.
Die Schritte der Phase C) werden mit verbundenem AC-Netz 14 und zumindest einer verbundenen DC-Einheit, z. B. mit einem verbundenen DC-Generator 12 durchgeführt.
In Phase C) können die Anlage 10 und insbesondere die Leistungswandler 16 während eines Leistungsaustauschs zwischen ihrer jeweiligen AC-Seite und ihrer jeweiligen DC-Seite getestet werden. Insbesondere können Ströme und/oder Spannungen erfasst werden und durch Vergleich mit vorgebbaren Werten auf Plausibilität geprüft werden.
Die Phase D) dient der Inbetriebnahme der Anlage 10 mit AC- und DC-Leistung, in der die Leistung stufenweise hochgefahren wird. Hierfür sind Zyklen und Leistungshübe vorgesehen.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Anlage 10 zur elektrischen Leistungswandlung dargestellt. Die Anlage 10 umfasst dabei die Leistungswandler 16, welche über die DC- Schalter 18 an einen DC-Bus angeschlossen sind. Über den DC-Bus besteht eine DC-seitige Verbindung der Leistungswandler 16 mit der DC-Seite 32 der Anlage 10. An der DC-Seite 32 der Anlage 10 können DC-Einheiten, z. B. DC-Generatoren 12 als Energiequelle und/oder Batterien (nicht dargestellt) als Energiespeicher und/oder Lasten (nicht dargestellt) wie z. B. Elektrolyseure angeschlossen werden. AC-seitig sind die Leistungswandler 16 über den AC- Schalter 20 mit der AC-Seite 34 der Anlage 10 verbunden. Auf einer AC-Seite 34 kann die Anlage 10 über einen ersten Transformator T1 mit dem AC-Netz 14 verbunden werden.
Das Hilfsnetz 36 kann über eine Hilfsnetz-Trennschalter 38 und einen zweiten Transformator T2 mit der AC-Seite der Anlage 10 verbunden werden und damit elektrische Leistung aus dem AC-Netz 14 beziehen. Über das Hilfsnetz 36 können Komponenten der Anlage 10, z. B. Lüfter 24, Heizung und/oder Schaltorgane der Anlage 10 mit elektrischer Energie versorgt werden.
Anhand von Fig. 2 wird ein möglicher Ablauf des Verfahrens zur Inbetriebnahme der Anlage 10 näher erläutert.
Die Phase A) dient insbesondere der Inbetriebnahme und dem Test der Eigenversorgung der Anlage 10 mit elektrischer Energie über das Hilfsnetz 36. Das Hilfsnetz 36 kann dabei auch als Bordnetz bezeichnet werden und umfasst insbesondere ein DC-Netz, z. B. ein 24V DC- Netz.
Das Hilfsnetz 36 der Anlage 10 kann dabei aus dem AC-Netz 14 versorgt werden, mit dem der Leistungsteil der jeweiligen Leistungswandler 16 AC-seitig verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Hilfsnetz 36 durch eine externe elektrische Quelle versorgt werden, die unabhängig vom diesem AC-Netz 14 ist, beispielsweise aus einem separaten Niederspannungsnetz, das unabhängig vom AC-Netz 14 aufgebaut ist. In beiden Fällen wird eine Wechselspannung mittels eines Gleichrichters 40 in eine Gleichspannung zur Versorgung des Hilfsnetzes 36 umgewandelt.
Bei Phase A) soll sichergestellt sein, dass sowohl die externen DC-Einheiten als auch das externe AC-Netz 14 von den Leistungswandlern 16 getrennt sind. Dies kann z. B. durch eine kundige Person, z. B. ein Bediener der Anlage 10 oder ein Servicetechniker, geschehen.
In nächsten Schritten von Phase A) können die Schaltorgane der Anlage 10, z. B. die DC- Schalter 18, der AC-Schalter 20 und/oder das Sinusfilterkondensator-Schütz 30 schrittweise in Betrieb genommen und getestet werden.
Hierfür werden zunächst die DC-Schalter 18 mehrfach ein- und ausgeschaltet. Jeder DC- Schalter 18 wird dabei einzeln geschaltet. Nachdem alle DC-Schalter 18 einmal geschaltet wurden, wird der Schaltvorgang jedes DC-Schalters18 noch zweimal wiederholt. Zwischen jedem Schaltvorgang sollte ca. 2 Minuten gewartet werden. Diese Schaltvorgänge können automatisch durch das Verfahren oder manuell geschaltet werden.
Da die DC-Schalter 18 einzeln geschaltet werden, kann, z. B. durch einen Bediener, erkannt werden, falls bestimmte Schalter nicht schalten. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein DC-Schalter 18 eine Eigendiagnose umfassen und automatisiert eine entsprechende Meldung ausgeben. Wird in dieser Phase ein Fehler festgestellt, wird das Verfahren abgebrochen, um Folgeschäden an der Anlage 10 zu vermeiden.
In einem nächsten Schritt der Phase A) wird der AC-Schalter 20 zweimal ein- und ausgeschaltet. Zwischen jedem Schaltvorgang sollte ca. 2 Minuten gewartet werden. Diese Schaltvorgänge können automatisch durch das Verfahren oder manuell geschaltet werden.
In einem nächsten Schritt der Phase A) wird das Sinusfilterkondensator-Schütz 30 zweimal ein- und ausgeschaltet. Diese Schaltvorgänge können automatisch durch das Verfahren oder manuell geschaltet werden. Optional kann zuvor der Sinusfilterkondensator 26 über eine geeignete Vorladeschaltung vorgeladen wurden.
Wenn das Sinusfilterkondensator-Schütz 30 bei geschlossenem AC-Schalter 20, d.h. bei bestehender Verbindung mit dem AC-Netz 14 eingeschaltet wird, können aufgrund etwaiger Spannungsdifferenzen zwischen dem Sinusfilterkondensator 26 und Netzspannung erhebliche Ausgleichsströme zum Angleichen der Spannung zwischen dem Sinusfilterkondensator 26 und dem AC-Netz 14 entstehen. Dabei kann es zu einer erheblichen Schwankung der Eingangsspannung des Hilfsnetzes 36 kommen, die zu einem Ausfall des Hilfsnetzes 36, insbesondere zu einem Abschalten des Gleichrichters 40 führen kann. Daher sind das Sinusfilterkondensator-Schütz 30 und der Hilfsnetz-Trennschalter 38 derart gekoppelt, dass ein Einschalten der Spannung des Sinusfilterkondensator-Schützes 30 zu einem kurzzeitigen Ausschalten des Hilfsnetz-Trennschalters 38 führt. Das bedeutet, dass das Hilfsnetz 36 beim Betätigen des Sinusfilterkondensator-Schütz 30 durch Öffnen des Hilfsnetz- Trennschalters 38 kurzzeitig von der AC-Seite 34 der Anlage 10 getrennt wird. Dadurch wird eine mögliche Spannungsschwankung aufgrund der Ausgleichströme zu dem Sinusfilterkondensator 26 vom Hilfsnetz 36 ferngehalten. Das Hilfsnetz 36 selbst kann eine derartige Unterbrechung für einen kurzen Zeitraum, ungefähr wenige Sekunden, insbesondere ca. eine Sekunde, überbrücken, wobei insbesondere ein 24 V DC-Netz mittels eines Pufferkondensators aufrechterhalten werden kann. Das 24 V DC-Netz kann insbesondere zum Ansteuern der Schaltorgane der Anlage 10, wie z. B. DC-Schaltern 18, AC-Schalter 20 und/oder Sinusfilterkondensator-Schütz 30 dienen. Insofern kann durch das testweise Schalten des Sinusfilterkondensator-Schützes 30 geprüft werden, ob die Spannungsversorgung des Hilfsnetzes, z. B. dessen 24 V DC-Spannungs- versorgung, sicher gewährleistet ist, d.h. durch die Schalthandlungen unbeeinflusst bleibt. Die Aufrechterhaltung eine Sollspannung, z. B. der 24 V, kann dabei als Akzeptanzkriterium verwendet werden.
Nach dieser Überprüfung der Eigenversorgung kann die Anlage 10 automatisch in die Phase B) wechseln oder - im Fehlerfall - abschalten und in einen sicheren Zustand gehen.
In Phase A) ist es möglich, dass eine Person, z. B. ein Servicetechniker, vor Ort ist. Die Phase A) kann durch die Person unterstützend beobachtet werden und/oder die Schaltorgane können teilweise manuell geschaltet werden. Die Phase A) kann z. B. durch eine Eingabe der Person quittiert werden. Falls der Test abbricht, kann z. B. erkennbar gemacht werden, an welcher Stelle der Abbruch erfolgte. Nach einer entsprechenden Reparatur kann das Verfahren dann mit der Phase A) wieder von vorne gestartet werden.
Die Phase B) dient der Inbetriebnahme der Anlage 10 mit zumindest teilweiser Versorgung mit AC-Leistung aus dem AC-Netz 14.
Zunächst wird dabei in Phase B) ein Selbsttest der jeweiligen Brückenschaltung, dem sogenannten Stack, der Leistungswandler 16 durchgeführt. Die AC-Vorladeschaltung 22 lädt den jeweiligen DC-Zwischenkreis der Leistungswandler 16 vor. Nachdem die Vorladung erfolgt ist, kann ein Selbsttest der jeweiligen Brückenschaltung der Leistungswandler 16 ohne AC- Netz 14 und ohne DC-Einheit durchgeführt werden.
Der Selbsttest kann z. B. einmal durchgeführt werden. Wenn der Selbsttest bestanden ist, dann kann das AC-Netz 14 durch Schließen des AC-Schalters 20 zugeschaltet werden.
Im nächsten Schritt von Phase B) können die Leistungswandler 16 der Anlage im sogenannten Q@night Modus betrieben werden, in dem ein Blindleistungsaustausch, insbesondere ein reiner Blindleistungsaustausch, mit dem AC-Netz 14 bei offenen DC-Schaltern 18 stattfindet.
Die Leistungswandler 16 fahren im sogenannten Q@night Modus hoch. Dabei tauscht der jeweilige Leistungswandler 16 durch geeignete Taktung seiner Brückenschaltung Blindleistung zwischen dem AC-Netz 14 und seiner Zwischenkreiskapazität aus, um die Halbleiterleistungsschalter, die z. B. als IGBT-Module ausgeführt sind, zu erwärmen. Dabei kann die DC-Spannung niedrig gehalten werden, insbesondere um etwaige Restfeuchtigkeit gefahrlos aus den IGBT-Modulen zu entfernen. Beispielsweise kann die DC-Spannung etwas über dem Gleichrichtwert der AC-Spannung eingestellt werden, so dass die IGBT-Module während des Trocknungsvorganges hinsichtlich etwaiger Fehlerströme minimal belastet werden. Weiterhin können durch die Erwärmung, insbesondere durch eine zyklische Erwärmung Setzungsmechanismen ausgelöst und mechanische Spannungen abgebaut werden, die durch Lagerung und Transport der Anlage 10 entstanden sein können.
Zudem kann durch die Phase B) der Prozess der Wärmeleitpasten-Verteilung innerhalb der Leistungswandler 16, insbesondere zwischen den IGBT-Modulen in der Brückenschaltung und einem jeweils zugeordneten Kühlkörper unterstützt werden. Die Wärmeleitpasten-Verteilung kann möglicherweise bei der Inbetriebnahme noch nicht abgeschlossen sein. Ist dies der Fall, so sind die IGBT-Module noch nicht komplett leistungsfähig. Beispielsweise können IGBT- Module an der Bodenplatte Undefinierte Hohlräume aufweisen, die mit der Wärmeleitpaste gefüllt werden sollten. Hierfür sind thermische Hübe förderlich, die das jeweilige IGBT-Modul wie in einem Pumpvorgang in Bewegung bringen, so dass die Wärmeleitpaste an die richtigen Stellen gelangt. Da die Leistungswandler 16 thermisch auf eine Nennleistung und die Abfuhr der dabei anfallenden maximalen Verlustleistung ausgelegt sind, indem eine definierte Wärmeabfuhr im Betrieb vorausgesetzt wird, ist dieser Prozess vorteilhaft, um eine optimale Verteilung der Wärmeleitpaste und damit die erwartete Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
Vorteilhaft werden mindestens 5 Zyklen mit Temperaturhüben durchfahren, um die Paste an den Kühlkörpern z. B. der IGBT-Module optimal zu verteilen. Nach diesem Prozess ist ein besserer thermischer Übergang erreicht. Diese Verbesserung des thermischen Übergangs lässt sich durch das thermisch stufenweise Hochfahren der Leistungswandler 16 erreichen.
Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der über die Brückenschaltung der jeweiligen Leistungswandler 16 ausgetauschten Blindleistung Q. Im oberen Diagramm ist die Blindleistung Q in Bruchteilen der Nenn-Scheinleistung S_Nenn des jeweiligen Leistungswandlers 16 dargestellt. Das untere Diagramm zeigt den Verlauf der resultierenden Temperaturen, gemessen an der Brückenschaltung im IGBT-Modul, Temperatur TM (größerer Wert) und an der Bodenplatte, Temperatur TB (kleinerer Wert). Die Energiezufuhr und die thermischen Zyklen steigen dabei stetig an, wobei mehrere Temperaturzyklen mit Temperaturdifferenzen zwischen anfangs etwa 30 Kelvin bis über 60 Kelvin im letzten Zyklus erreicht werden. Besonders vorteilhaft sind Temperaturzyklen mit Temperaturdifferenzen von etwa 60-70 Kelvin, die erreicht werden können, indem die einzelnen Zyklen entsprechend verlängert werden und/oder indem die Blindleistung in der Aufheizphase und/oder die Kühlleistung, z. B. durch den Lüfter 14, in der Abkühlphase erhöht werden.
Die Blindleistungsvorgabe und die Regelung des Lüfters 24 können insofern „temperaturgeregelt“ gesteuert werden. Es kann vorteilhaft sein, induktive Blindleistung Q zu bevorzugen, wenn der jeweilige Leistungswandler über entsprechende Mittelspannungs-Kabel an ein AC- Netz 14 angeschlossen ist, welches als Mittelspannungsnetz ausgebildet ist. Die Phase B) kann länger dauern als die Phase A). Sie kann z. B. selbsttätig in der Nacht durchlaufen. Es ist möglich, dass die Phase B) ohne Personen vor Ort an der Anlage 10 durchläuft. Sobald die Phase B) abgeschlossen ist, kann das Verfahren automatisiert in die Phase C) übergeben.
Falls der Test abbricht, kann z. B. erkennbar gemacht werden, an welcher Stelle der Abbruch erfolgte. Nach einer gegebenenfalls erforderlichen entsprechenden Reparatur kann das Verfahren dann mit der Phase A) oder mit der Phase B) wieder von vorne gestartet werden. Bevorzugt wird das Verfahren beginnend mit Phase A) wieder von vorne durchlaufen.
Die Phase C) dient der Inbetriebnahme der Anlage 10 mit AC- und DC-Leistung, d. h. mit angeschlossenem AC-Netz 14 und angeschlossenen DC-Einheiten.
Im ersten Schritt von Phase C) erfolgen dabei Plausibilitätsprüfungen in Bezug auf verschiedene Aspekte der Anlage 10. Die Plausibilitätsprüfungen können dabei insbesondere durch die Ermittlung von Messwerten, z. B. Strömen und Spannungen, und deren Vergleich mit vorgebbaren Prüfwerten durchgeführt werden. Die Prüfwerte können dabei in der Steuereinheit der Anlage 10 abgelegt sein und/oder durch den Bediener eingegeben werden.
Zunächst wird der Wirkungsgrad der jeweiligen Leistungswandler 16 auf Plausibilität geprüft. Dabei wird bei geringer Leistung das Verhältnis aus gemessener AC-Leistung zu gemessener DC-Leistung ermittelt und geprüft. Die Prüfung umfasst dabei einen Vergleich mit einem vorgebbaren Prüfwert mit einer Toleranzbandbreite. Liegt die gemessene Relation von AC- Leistung zu DC-Leistung außerhalb der Toleranzbreite, dann liegt ein Fehlerfall vor. Es könnten Parameter des jeweiligen Leistungswandlers nicht richtig eingestellt oder die Messmittel, z. B. Messsensoren defekt sein. Das Ziel dieses Tests kann dabei insbesondere sein zu prüfen, ob die Parameter richtig eingestellt sind und/oder die Messmittel funktionieren. Die Überprüfung des Wirkungsgrads als solches muss in diesem Schritt nicht erfolgen.
In einem nächsten Schritt von Phase C) kann die DC-Stromsymmetrie zwischen mehreren parallelen DC-Eingängen, an denen die DC-Einheiten, insbesondere die DC-Generatoren angeschlossen sind, überprüft werden.
Für den Fall von parallel angeschlossenen und an sich gleichartigen DC-Generatoren 12, z. B. Photovoltaik-Generatoren (PV-Generatoren) können die DC-Ströme an den parallelen DC- Eingängen für den Fall, dass die DC-Generatoren 12 DC-Leistung produzieren, automatisiert über die Messmittel ermittelt werden. Liegt z.B. bei einem Leistungswandler 16, der ein PV- Wechselrichter mit mehreren parallel geschalteten, als PV-Strings ausgebildeten DC- Generatoren 12 ist, eine Asymmetrie der Eingangsströme, z. B. der Stringströme, von mehr als 4% vor, dann kann ein Defekt in der Anschlussverteilung, z. B. im Aufbau der PV-Strings vorliegen. Dieser kann dann korrigiert werden. Dieser Schritt des Verfahrens kann z. B. mit einer Mindestleistung von zwischen 10% und 30% der Nennleistung des jeweiligen Leistungswandlers 16, z. B. ca. 20 %, durchgeführt werden. In Bereichen kleinerer Leistung können Messungenauigkeiten den Vergleich der Messwerte verfälschen.
In einem weiteren Schritt kann ein thermisches Management der Anlage 10 auf Plausibilität geprüft werden. Dabei kann z. B. überprüft werden, ob die Lüfter nach Sollwertvorgaben laufen und/oder ob alle Temperatur- und Feuchtigkeits-Sensoren einen plausiblen Wert anzeigen.
Hieran kann sich optional ein Selbsttest der jeweiligen DC-Einheiten, z. B. PV, Batterie, Elektrolyseur anschließen.
Die Phase C) kann z. B. selbsttätig durchlaufen werden. Es ist möglich, dass die Phase C) ohne Personen vor Ort an der Anlage 10 durchläuft. Sobald die Phase C) abgeschlossen ist, kann das Verfahren automatisiert in die Phase D) übergehen.
Falls der Test abbricht, kann z. B. erkennbar gemacht werden, an welcher Stelle der Abbruch erfolgte. Nach einer ggf. erforderlichen entsprechenden Reparatur kann das Verfahren dann mit der Phase A) oder mit der Phase B) oder mit der Phase C) wieder von vorne gestartet werden. Bevorzugt wird das Verfahren beginnend mit Phase A) wieder von vorne durchlaufen.
Die Phase D) dient der Inbetriebnahme der Anlage 10 mit AC- und DC-Leistung, in der die Leistung stufenweise hochgefahren wird. Hierfür sind Zyklen und Leistungshübe vorgesehen.
Zunächst wird in einem ersten Schritt von Phase D) der Leistungswandler 16 leistungslimitiert gestartet und dessen Leistung stufenweise hochgefahren. Alternativ oder zusätzlich zur Erwärmung mit Blindleistung in Phase B) kann die Phase D) genutzt werden, den Leistungswandler 16 durch ausgetauschte Wirkleistung zu erwärmen.
Im Falle von z. B. PV-Generatoren als DC-Einheiten ist die Leistung naturgemäß durch die Einstrahlung begrenzt und insofern nicht gesichert, dass ausreichend hohe Leistungen zum Erwärmen in dieser Phase D) verfügbar ist; daher kann in diesem Fall die Erwärmung mittels Blindleistung wie in Phase B) bevorzugt werden.
Im Falle von z. B. Batterien oder Elektrolyseuren als DC-Einheiten ist es jedoch grundsätzlich möglich, die Erwärmung gezielt mittels einstellbarer Wirkleistung zwischen 0 und Nennleistung des jeweiligen Leistungswandlers 16 in dieser Phase D) zu bewirken, so dass auf die Erwärmung mittels Blindleistung wie in Phase B) verzichtet werden könnte.
Konkret können für die Erwärmung in Phase D) insbesondere für Batterien als DC-Einheiten etwa z. B. folgende Zeiten angesetzt werden: Die ersten 8 Stunden: 10 - 60% der Nennleistung des jeweiligen Leistungswandlers 16.
Die zweiten 8 Stunden: 10 - 80% der Nennleistung des jeweiligen Leistungswandlers 16, wobei in diesem Ablauf nach ca. 4 Stunden ein Stopp erzwungen werden kann, um einen zusätzlichen Wärme-Kälte Zyklus zu erhalten.
Nach den 16 Stunden kann der Test abgeschlossen werden; ggf. können die Zeiten reduziert werden, z.B. um an einem Tag / innerhalb einer Tageslichtperiode fertig zu sein.
Die Phase D) kann z. B. selbsttätig durchlaufen werden. Es ist möglich, dass die Phase D) ohne Personen vor Ort an der Anlage 10 durchläuft. Sobald die Phase D) abgeschlossen ist, kann das Verfahren beendet werden und die Anlage 10 z. B. automatisch in den Normalbetrieb übergehen.
Falls der Test abbricht, kann z. B. erkennbar gemacht werden, an welcher Stelle der Abbruch erfolgte. Nach einer ggf. erforderlichen entsprechenden Reparatur kann das Verfahren dann mit der Phase A) oder mit der Phase B) oder mit der Phase C) oder mit der Phase D) wieder von vorne gestartet werden. Bevorzugt wird das Verfahren beginnend mit Phase A) wieder von vorne durchlaufen.
Bei diesem Schritt werden zusätzlich Parameter der Betriebsführung derart gesetzt, dass bei einem folgenden Neustart der Anlage ein Betrieb im Normalmodus erfolgt.
Alle vier Phasen des Verfahrens können in einer Protokolldatei oder mehreren Protokolldateien dokumentiert werden und als einzelne Phasen zu erkennen sein. Sobald das Verfahren abbricht, kann erkennbar gemacht werden, an welcher Stelle der Abbruch erfolgt. Dies kann auch in der Protokolldatei in den Protokolldateien kenntlich gemacht werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Anlage
12 DC-Generator
14 AC-Netz
16 Leistungswandler
18 DC-Schalter
20 AC-Schalter
22 Vorladeschaltung
24 Lüfter
26 Sinusfilterkondensator
30 Sinusfilterkondensator-Schütz
32 DC-Seite
34 AC-Seite
36 AC-Hilfsnetz
38 Hilfsnetz-T rennschalter
40 Gleichrichter
A), B), C) Phasen des Verfahrens
T1, T2 T ransformator

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Inbetriebnahme einer Anlage (10) zur elektrischen Leistungswandlung, welche zumindest einen Leistungswandler (16) mit einem Zwischenkreis und einer Brückenschaltung aufweist, wobei die Anlage (10) auf einer DC-Seite (32) an zumindest eine DC-Einheit, insbesondere an einen DC-Generator (12), und auf einer AC-Seite (34) an ein AC-Netz (14) angeschlossen ist, wobei der zumindest eine Leistungswandler (16) DC-seitig mittels zumindest eines DC-Schalters (18) mit der DC-Seite (32) und AC-seitig mittels zumindest eines AC-Schalters (20) mit der AC-Seite (34) verbindbar ist, wobei das Verfahren aufweist: eine erste Phase (A), welche das Herstellen eines Hilfsnetzes (36) zur Spannungsversorgung von Komponenten der Anlage (10) umfasst, eine zweite Phase (B) mit zeitweise verbundenem AC-Netz (14) ohne Verbindung zu der zumindest einen DC-Einheit, eine dritte Phase (C) mit verbundenem AC-Netz (14) und zumindest einer verbundenen DC-Einheit.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die erste Phase (A) umfasst:
- Herstellen eines Hilfsnetzes (36) zur Spannungsversorgung von Komponenten der Anlage (10) aus dem AC-Netz (14) über einen Gleichrichter (40) der Anlage (10), insbesondere zur Versorgung der Betätigung des AC-Schalters (20), des zumindest einen DC-Schalters (18) sowie eines Sinusfilterkondensator-Schütz (30),
- Schließen des AC-Schalters (20),
- Verbinden einer Kapazität (26) eines AC-seitigen Sinusfilters mit dem AC-Netz (14),
- Überprüfen der Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz (36) und anschließendes Öffnen des AC-Schalters (20), und
- Fortsetzung des Verfahrens, wenn die Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz (36) innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt, oder Abbruch des Verfahrens, wenn die Spannungsversorgung durch das Hilfsnetz (36) außerhalb der vorgebbaren Grenzen liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Phase (B) umfasst:
- Vorladen des DC-Zwischenkreises über eine Vorladeschaltung (22),
- Durchführen eines Selbsttests der Brückenschaltung des zumindest einen Leistungswandlers (16),
- bei erfolgreichem Selbsttest: Zuschalten des AC-Netzes (14) durch Schließen des zumindest einen AC-Schalters (20).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Phase (B) umfasst: bei verbundenem AC-Netz (14): Takten der Brückenschaltung des zumindest einen Leistungswandlers (16) zum Austausch von elektrischer Blindleistung, insbesondere induktiver Blindleistung zwischen dem Zwischenkreis und dem AC-Netz (14).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Temperatur im Leistungswandler (16), insbesondere in einer Brückenschaltung des Leistungswandlers (16) erfasst wird und durch eine Anpassung des Blindleistungsaustausches und/oder eine Ansteuerung eines Lüfters (24) der Anlage (10) gesteigert wird, bis die Temperatur im Leistungswandler eine vorgebbare untere Schwelle überschreitet und/oder eine vorgebbare obere Schwelle erreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die untere und die obere Schwelle eine Temperaturdifferenz von mindestens 40 Kelvin, bevorzugt mindestens 60 Kelvin aufweisen und mittels einer Steuerung des Blindleistungsaustausches mehrfach hintereinander abwechselnd erreicht werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Phase (C) umfasst: bei verbundenem AC-Netz (14) und bei zumindest einer verbundenen DC-Einheit: Austausch von Leistung zwischen der AC-Seite (34) und der DC-Seite (32), Erfassen einer ausgetauschten AC-Leistung und einer ausgetauschten DC-Leistung des zumindest einen Leistungswandlers (16) und Überprüfen der Plausibilität der erfassten Leistungen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Leistungsaustausch bei geringer Leistung, insbesondere bei zwischen 5% und 20% der Nennleistung des zumindest einen Leistungswandlers (16), erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Phase (C) umfasst: bei verbundenem AC-Netz (14) und bei mehreren in Parallelschaltung an der DC-Seite (32) angeschlossenen DC-Einheiten:
Erfassung von Strömen der DC-Einheiten der Parallelschaltung und Überprüfung der Symmetrie der erfassten Ströme.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Erfassung der Ströme bei einer geringen Leistung, insbesondere bei einer Mindestleistung, der DC-Einheiten durchgeführt wird.
11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Phase (C) umfasst: Überprüfen des Lüfters (24) und/oder von weiteren Sensoren der Anlage (10).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Phase (C) umfasst: bei verbundenem AC-Netz (14) und bei zumindest einer verbundenen DC-Einheit: Austausch von Leistung zwischen der AC-Seite (32) und der DC-Seite (34), wobei die Leistungsaustausch in mehreren Stufen gesteigert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Leistungsaustausch in mehreren Stufen zwischen ca. 10% der Nennleistung und ca. 60% der Nennleistung gesteigert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Leistungsaustausch in mehreren Stufen zwischen ca. 10% der Nennleistung und ca. 80% der Nennleistung gesteigert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend:
Bei Erreichen von zumindest einer vorgebbaren Temperatur des zumindest einen Leistungswandlers (16) für eine vorgebbare Zeitdauer: Beenden des Verfahrens zur Inbetriebnahme und Starten des Normalbetriebs der Anlage (10).
16. Anlage (10) zur elektrischen Leistungswandlung, welche zumindest einen Leistungswandler (16) mit einem Zwischenkreis und einer Brückenschaltung aufweist, wobei die Anlage (10) auf einer DC-Seite (32) an zumindest einen DC-Generator (12) und auf einer AC-Seite (34) an ein AC-Netz (14) anschließbar ist, wobei der zumindest eine Leistungswandler (16) DC-seitig mittels des zumindest einen DC-Schalters (18) mit der DC-Seite (32) und AC-seitig mittels zumindest eines AC-Schalters (20) mit der AC-Seite (34) verbindbar ist, wobei die Anlage (10) eine Steuereinheit aufweist, welche ausgebildet und eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
17. Anlage (10) nach Anspruch 16, wobei die Anlage (10) ein Sinusfilterkondensator-Schütz (30) und ein Hilfsnetz mit einem Hilfsnetz-Trennschalter (38) zur Verbindung des Hilfsnetzes (36) mit dem AC-Netz (14) aufweist, wobei das Sinusfilterkondensator-Schütz (30) funktional mit dem Hilfsnetz-Trennschalter (38) gekoppelt ist.
18. Anlage (10) nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Hilfsnetz (36) einen Gleichrichter (40) aufweist, welcher eine DC-Hilfsspannung zur Verfügung stellt, wobei die funktionale Kopplung zwischen Sinusfilterkondensator-Schütz (30) und Hilfsnetz-Trennschalter (38) dazu eingerichtet ist, die DC-Hilfsspannung bei der Betätigung des Sinusfilterkondensator- Schütz (30) in vorgebbarer Qualität aufrecht zu erhalten.
EP24715115.2A 2023-03-27 2024-03-22 Verfahren zur inbetriebnahme einer anlage zur elektrischen leistungswandlung und anlage zur elektrischen leistungswandlung Pending EP4690447A1 (de)

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