DE102004059100A1 - Verfahren zum Überwachen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen mit Wechselrichtern zur Verhinderung ungewollten Inselbetriebs - Google Patents

Verfahren zum Überwachen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen mit Wechselrichtern zur Verhinderung ungewollten Inselbetriebs Download PDF

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Abstract

Zur Verhinderung ungewollten Inselbetriebs wird ein Verfahren zum Überwachen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen mit Wechselrichtern vorgeschlagen, bei dem jeder Welcheselrichter einen Sinus-Stromsollwert generiert. Die Grundwelle des Sinus-Stromsollwertes wird nicht von der Netzspannung abgeleitet, sondern liegt außerhalb des für den Einspeisebetrieb zulässigen Frequenzbereichs der Netzfrequenz. Damit schwingt der generierte Sinus-Stromsollwert frei und unabhängig von der Phase der Netzspannung. Im Ergebnis wird mit dem erläuterten Verfahren die Netzimpedanz indirekt überwacht, wobei die Impedanzwerte im Gegensatz zu dem Normentwurf VDE 0126 nicht statisch sind, sondern die Netzimpedanz jeweils kleiner sein muss als die Quellimpedanz des Wechselrichters WR. Eine jederzeit zugängliche Freischaltstelle wird bei diesem Verfahren nicht mehr benötigt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiges Verfahren ist allgemein bekannt.
  • Bei dezentralen Energieerzeugungsanlagen, die über Wechselrichter in das Niederspannungsnetz von Energieversorgungsunternehmen (EVU's) einspeisen, muss zur Aufrechterhaltung der Sicherheit der ungewollte Inselbetrieb zuverlässig verhindert werden. In der Vergangenheit verlangten die EVU's hierfür eine für sie jederzeit zugängige Freischaltstelle, durch die bei Wartungsarbeiten oder Störungen der Schaltberechtigte die Einspeiseanlage vom Netz trennen konnte.
  • Mit zunehmender Anzahl von dezentralen Energieerzeugungsanlagen, insbesondere auch Blockheizkraftwerken (BHKW) und Photovoltaikanlagen, wird diese Freischaltstelle jedoch unrentabel. Stelle man sich vor, jedes Einfamilienhaus hätte eine Eigenerzeugungsanlage installiert, so wäre der Zeitaufwand für das Freischalten aller einspeisenden Energieerzeugungsanlagen vom jeweiligen Ortsnetzbereich mit hohem zeitlichen und personellen Aufwand verbunden. Deshalb verlangt der VDEW (Verband Deutscher Elektrizitäts Werke) nach automatischen Lösungen. Dafür wurde zunächst die Methode der dreiphasigen Netzüberwachung angewandt. Es handelt sich hierbei um eine rein passive
  • Methode, da die Netzgrößen vom Messgerät nicht beeinflusst werden. Es wird die Amplitude der verketteten Spannung der drei Außenleiter sowie die Frequenz überwacht. Bei Spannungsabweichungen außerhalb des Toleranzbereiches 0,85 Unenn < U < 1,10 Unenn und Frequenzabweichungen von +/- 0,2 Hz vom Sollwert (50 Hz in Europa) muss sich die Energieerzeugungsanlage innerhalb von 0,2 s vom Netz trennen. Diese Methode ist recht einfach zu realisieren und für jede Art von Energieerzeugungsanlagen (beispielsweise Synchron- oder Asynchrongeneratoren oder Wechselrichter für Photovoltaikanlagen) geeignet. Sie hat jedoch einen entscheidenden Mangel. Bildet sich zwischen der Summe der erzeugten Leistung und der durch lokale Lasten abgenommenen Leistung ein Gleichgewicht, führt das nach Freischaltung des Ortsnetzes nicht zur Änderung der zu überwachenden Parameter „Spannung" und „Frequenz", wodurch die Anlage nicht abschaltet und sich ein – unter allen Umständen zu vermeidender – ungewollter Inselbetrieb bildet, der eine erhebliche gesundheitliche Gefahr darstellt. Beispielsweise liefert eine Brennstoffzelle eine elektrische Leistung von 4 kWel, die von einem Wechselrichter im Netzparallelbetrieb ins Niederspannungsnetz des EVU eingespeist wird. Gleichzeitig ist am Versorgungsbereich ein Verbraucher, z.B. ein Heizgerät, mit einer Last von 4 kW angeschlossen. Wird nun für Wartungsarbeiten der Ortsnetz-Lasttrennschalter geöffnet, nimmt der Verbraucher die erzeugte Leistung vom Wechselrichter auf; durch das Leistungsgleichgewicht existiert für den Wechselrichter kein Abschaltkriterium, so dass auch nach Öffnung des Ortsnetz-Lasttrennschalters im Ortsnetz Spannung ansteht; diesen Zustand bezeichnet man als ungewollten Inselbetrieb. Noch ein weiterer Nachteil existiert: Diese Methode ist nicht eigensicher, d.h. ist die Netzüberwachung defekt, wird die dezentrale Energieerzeugungsarilage nicht abgeschaltet, weshalb für die Funktion Wiederholungsprüfungen erforderlich sind.
  • Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man zusätzlich die Messung der Netzimpedanz eingeführt. Es handelt sich hierbei um eine aktive Methode. Das Messgerät beeinflusst die Netzgrößen und leitet daraus die Netzimpedanz ab. Eine Möglichkeit ist folgende:
    Im Bereich des Nulldurchgangs der Netzwechselspannung gibt das Messgerät einen konstanten Stromwert als Impuls auf das Netz. Der Nulldurchgang verschiebt sich nun zeitlich soweit, bis das Netz seinerseits durch Aufbau der Spannung umgekehrter Polarität diesen Strom zu Null kompensiert. Diese zeitliche Verschiebung ist ein Maß für die Netzimpedanz und lässt sich berechnen. Der Normentwurf der VDE 0126 sieht die Methode der Impedanzmessung als zuverlässigste Möglichkeit der Verhinderung des ungewollten Inselbetriebes vor, und zwar sowohl bei einphasigen Anlagen als auch bei dreiphasigen. Gegenüber der dreiphasigen Spannungs- und Frequenzüberwachung hat die Impedanzmessung den Vorteil, dass sie ungewollten Inselbetrieb sicher verhindert und eigensicher ist, weshalb Wiederholungsprüfungen nicht erforderlich sind. Dennoch ergeben sich die folgenden Probleme:
    • 1. Ein aktives Verfahren zur Netzimpedanzmessung ist mit erhöhtem Klirrfaktor verbunden und führt bei mangelnder Synchronisation von mehreren Wechselrichtern am gleichen Ortsnetz (gemeinsame Trafostation) zu Fehlmessungen. Zudem widersprechen Stromimpulse zum Zwecke der Impedanzmessung der Forderung der EVU's nach klirrarmem Sinus.
    • 2. Eine feste Schwelle für die Netzimpedanz ist vom technischen und wirtschaftlichen Standpunkt aus wenig sinnvoll. Ein Wechselrichter mit 1kVA Wechselstrom-Leistung braucht nicht genauso niederimpedant angeschlossen werden wie ein SkVA-Wechselrichter.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine andere Möglichkeit anzugeben, um den ungewollten Inselbetrieb zu verhindern und insbesondere dreiphasige Wechselrichtersysteme auch im kleinen Leistungsbereich (< 4,6 kVA) ohne jederzeit zugängige Freischaltstelle betreiben zu können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 Ein elektrisches Schaltbild von Gruppen („Strings") seriengeschalteter Photovoltaikmodule, den jeweils ein Gleichstrom-Zwischenkreis („Stringkonverter") nachgeschaltet ist, wobei die Ausgänge sämtlicher Stringkonverter parallel geschaltet sind und zu einem gemeinsamen Wechselrichter führen;
  • 2 ein elektrisches Schaltbild eines mit den Stringkonvertern eingangsseitig verbundenen Wechselrichters, welcher in ein Energieversorgungsnetz einspeist;
  • 3 ein Blockschaltbild eines aus 256 Wechselrichtern bestehenden Grundgerätes;
  • 4 ein detailliertes Blockschaltbild eines Wechselrichters nach 2, und
  • 5 Zeitdiagramme von Spannungen und Steuerimpulsen innerhalb des detaillierten Blockschaltbildes eines Wechselrichters nach 4.
  • In 1 sind parallele Gruppen („Strings") aus jeweils einer Anzahl seriengeschalteter Photovoltaik- (PV) -Module PVM1.1 bis PVM1.x .... PVMn.1 bis PVMn.y dargestellt. Jeder Gruppe von PV-Modulen ist ein Gleichspannungswandler oder Gleichspannungs-Zwischenkreis (im folgenden „Stringkonverter") SK1 ..... SKn nachgeschaltet, welcher das MPP-Tracking übernimmt. Unter MPP (= Maximum-Power-Point) – Tracking versteht man das Betreiben der Solarmodule in ihrem individuellen maximalen Leistungspunkt, um eine optimale Leistungserzeugung der einzelnen PV-Module zu erzielen. Für das MPP-Tracking weist jeder Stringkonverter SK1 bis SKn einen MPP-Rechner MPP1 bis MPPn auf, welcher mit einem Netzteil und einem Modem versehen ist, um mit dem nach zu beschreibenden Betriebsführungsrechner BFR über eine gesonderte Leitung zu kommunizieren.
  • Die Ausgänge „ZKplus", „PE", „Daten" und „ZKminus" der Stringkonverter SK1 bis SKn sind parallel geschaltet und führen zu einem gemeinsamen, in 3 dargestellten Wechselrichtergerät 100, welcher die Funktion der Sinustransformation der Gleich-Zwischenkreisleistung ins Netz übernimmt. Bei einem in 3 schematisch dargestellten Grundgerät 100 können maximal 256 Wechselrichter WR1 bis WR256 mit einer Leistung zu je 1,5 kVA bzw. 5 kVA (auch gemischt) verwaltet werden. Damit lassen sich pro Grundgerät 100 Leistungen von 1,5 kVA bis max. 1280 kVA in 1,5 kVA-Schritten abdecken. Weitere Leistungserhöhungen sind durch Master-Slave-Kombination von maximal sechzehn Grundgeräten 100 möglich. Die Wechselrichter WR1 bis WR256 jedes Grundgerätes 100 werden über einen internen Gerätebus IGB von einem gemeinsamen Betriebsführungsrechner BFR gesteuert und verhalten sich bezüglich der Einspeiseberechtigung rein passiv, da ihnen der Betriebsführungsrechner BFR als Master übergeordnet ist. Der Betriebsführungsrechner BFR ist für die Regelung, die Messungen aller relevanten Messgrößen, die Kommunikation mit internen und externen Datenendgeräten (Modem, PC, Datenlogger, Faxalarm...) sowie die Einspeiseberechtigung zuständig. Dazu werden folgende Größen erfasst:
    Netz: Phasenspannungen der verketteten 3 Außenleiter R,S,T gegen N Netzfrequenz Drehfeld
    Zwischenkreis(ZK): Zwischenkreisspannung ZKplus gegen ZKminus Zwischenkreisspannung ZKplus gegen PE(Erde) Zwischenkreisspannung ZKminus gegen PE(Erde) Datenleitung D gegen ZKminus Differenzstrommessung ZKplus/ZKminus Erdschlussüberwachung
    Sensoren: Schranktemperatur Globalstrahlung Außentemperatur
  • Der vorstehend dargelegte Aufbau mit bis zu 256 Wechselrichter-Baugruppen und maximal 30000 Stringkonvertern SK ist vom Prinzip her aus der DE 101 36 147 A1 bekannt.
  • Für die aufgabengemäße Verhinderung ungewollten Inselbetriebs ist im Weiteren das Zusammenspiel von Wechselrichtern WR und Betriebsführungsrechner BFR zu betrachten, weshalb auf die Funktion der Stringkonverter SK nicht näher eingegangen werden soll. Der grundsätzliche Schaltungsaufbau eines 3-phasigen Wechselrichters WR ist in 2 dargestellt. Es handelt sich hierbei um stromgespeiste 6-pulsige Push-Pull-Wandler mit allen aktiven und passiven Bauelementen, die für die Erlangung netzkonformer Stromgüte erforderlich sind. Wie ferner 3 zeigt, sind eingangsseitig (von den Stringkonvertern SK her) und ausgangsseitig (zum Netz hin) alle Wechselrichter WR1 bis WR256 parallelgeschaltet. Netzaufschaltung, Leistungsregelung und Datenübertragung erfolgt im Master-Slave-Prinzip, wobei der Betriebsführungsrechner BFR immer Master ist.
  • Für die Netzzugangsberechtigung ist eine Fülle von Voraussetzungen erforderlich, wobei im Folgenden nur auf die Voraussetzungen eingegangen werden soll, die den ungewollten Inselbetrieb verhindern.
  • Wie die 2 und 4 zeigen, verfügt jeder Wechselrichter WR über einen eigenen WR-Steuerrechner 10, der über den internen Geräte-Bus IGB (2) mit dem (für alle 256 Wechselrichter WR1 bis WR256) gemeinsamen Betriebsführungsrechner BFR verbunden ist. Wie 4 näher zeigt, generiert der WR-interne Steuerrechner 10 für die drei Phasen einen um 120° phasenverschobenen normierten Sinus-Stromsollwert. Dieser normierte Sinus-Stromsollwert ist in 5 als Kurve A angedeutet. Infolge dieses normierten Sinus-Stromsollwertes wird die Stromgüte unabhängig von der Güte der Phasenspannungen. Diese Grundwelle des normierten Sinus-Stromsollwertes hat eine Frequenz von 49,65 Hz und liegt somit außerhalb des für den Netzparallelbetrieb von 49,8 ... 50,2 Hz zulässigen Werts für die Netzfrequenz von 50 Hz.
  • Würde der Wechselrichter WR im Inselbetrieb arbeiten, stellt sich im Falle des Leistungsgleichgewichtes zwischen erzeugter und verbrauchter Leistung eine für den Betriebsführungsrechner BFR vermeintliche Netzfrequenz von 49,65 Hz (d.h., die Frequenz der normierte Sinus-Grundwelle) ein.
  • Nun soll im regulären Netzbetrieb der Wechselrichter WR aber mit Netzfrequenz und zur Erlangung eines hohen Wirkleistungsanteils mit cos = 1 arbeiten. Aus diesem Grund sendet der Betriebsführungsrechner BFR zur Synchronisation der Sinus-Grundwelle des Wechselrichters WR mit dem Netz an alle WR-internen Steuerrechner 10 einen Synchronimpuls, der in 5 als Kurve B angedeutet ist und wiederum von der Netzfrequenz und der Phasenlage der Netzspannung abhängt. Hierzu werden, wie 4 zeigt, dem Betriebsführungsrechner BFR vom Eingang des Netzes 60 die Werte f (Netzfrequenz), U (Netzspannung), i (Netzstrom) und cos phi (Wirkleistung) zugeführt. Sobald die WR-internen Steuerrechner 10 diesen Synchronimpuls empfangen, läuft die Ausgabe der normierten Sinus-Stromsollwerte phasengleich mit dem Energieversorgungsnetz 60. Zur Leistungsregelung wird dieser normierte Sinus-Stromsollwert mit einem vom Betriebsführungsrechner BFR bereit gestellten Sollwert Isoll multipliziert (4), wodurch die Amplitude des Sollwertes der einzuspeisenden Leistung angepasst wird. Da die Frequenz des Synchronimpulses mit der Netzfrequenz f übereinstimmt und damit höher ist als die Eigenfrequenz des Wechselrichters WR, treten im Moment der Synchronisation im normierten Sinus-Stromsollwert (Kurve A von 5) am Ausgang des WR-internen Steuerrechners 10 geringe Amplitudensprünge auf, die in der Kurve A von 5 zur Verdeutlichung stark übertrieben eingezeichnet sind. Um derartige Stromsprünge zu vermeiden, ist, wie 4 zeigt, dem WR-Steuerrechner 10 ein PI-Stromgüteregler 20 mit einem entsprechenden I-Anteil nachgeschaltet, dessen Nachstellzeit mindestens so groß gewählt wird, das solche Stromsprünge zuverlässig ausgeregelt werden. Am Ausgang des PI-Stromgütereglers 20 ergibt sich ein nahezu klirrfreier, mit dem Energieversorgungsnetz 60 phasengleicher Sinus-Stromsollwert mit Netzfrequenz (Kurve C in 5). Dieser Sinus-Stromsollwert wird über eine Puls-Weiten-Modulationsstufe 30 an die Endstufe 40 des Wechselrichters WR geleitet. Über ein Sinusfilter 50 speist die Endstufe 40 des Wechselrichters WR in das Energieversorgungsnetz 60. Vor dem Ausgang des Wechsehichters WR ist ein Netztrennschalter 70 angeordnet.
  • Solange das Energieversorgungsnetz 60 mit seiner geringeren Impedanz im Vergleich zum Wechselrichter WR (ZNetz < ZWR dem Wechselrichter WR seine Netzfrequenz aufzwingt, erkennt der Betriebsführungsrechner BFR diese Netzfrequenz und solange diese im zulässigen Bereich (49,8 ... 50,2 Hz) liegt, erhalten die Wechselrichter WR ihre Netzfreigabe, andernfalls werden sie innerhalb von 0,2s vom Netz getrennt. Der Zustand der Netzfreigabe ist durch die Kurven A, B und C in der linken Hälfte von 5 angedeutet. Übersteigt die Netzimpedanz ZNetz die Wechsehichterimpedanz ZWR um ein Maß, bei der der Wechselrichter WR nicht mehr auf die Netzfrequenz gezwungen wird (ZNetz > ZWR, so sinkt die Frequenz des Wechselrichters WR auf seine Eigenfrequenz von 49,65 Hz; dieses Absinken detektiert der Betriebsführungsrechner BFR als Fehler und löst eine Abschaltung des Wechselrichters WR durch den Netztrennschalter 70 aus. Das Absinken der Frequenz des Wechselrichters WR auf seine Eigenfrequenz von 49,65 Hz ist durch die Kurven A, B und C in der rechten Hälfte von 5 angedeutet. Im Ergebnis wird mit dem erläuterten Verfahren die Netzimpedanz indirekt überwacht, wobei die Impedanzwerte im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Normentwurf VDE 0126 nicht statisch sind, sondern die Netzimpedanz jeweils kleiner sein muss als die Quellimpedanz des Wechselrichters WR.
  • Aus Sicherheitsgründen wird die Frequenz der Synchronimpulse (Kurve B in 5) von jedem Wechselrichter WR gesondert gemessen, um Fehler infolge von Leitungsbruch, sonstigen Defekten, Abweichungen vom zulässigen Frequenzfenster (Bereich 49,8 ... 50,2 Hz)...) zu erkennen und gegebenenfalls eine selbständige Trennung des Wechselrichters WR vom Energieversorgungsnetz 60 durch den Netztrennschalter 70 durchzuführen; dieser Zustand wird dem Betriebsführungsrechner BFR vom Wechselrichter WR gemeldet. Auf diese Weise ergibt sich eine Sicherheits-Redundanz, da im Fehlerfalle sowohl der Betriebsführungsrechner BFR als auch der Wechselrichter WR unabhängig voneinander eine Netztrennung veranlassen.
  • Das vorstehend erläuterte Verfahren nach der Erfindung arbeitet sehr zuverlässig und besitzt folgende Vorteile:
    • 1. Das Abschaltkriterium „Netzimpedanz" ist an keinen statischen Schwellwert gebunden. Wie auch beim Bezug von Leistung aus dem Energieversorgungsnetz müssen die Wechselstrom-Leitungsanlage sowie vorgelagerte Sicherungen nicht überdimensioniert werden.
    • 2. Die Gefahr von Fehlabschaltungen wegen unpassender Netzimpedanz wird erheblich reduziert.
    • 3. Im Gegensatz zum eingangs erwähnten Normentwurf VDE 0126, in dem Impedanzsprünge von 0.5 V/A zwangsläufig zur Abschaltung führen müssen, stellen derartige Impedanzsprünge (die in den von der Industrie genutzten Energieversorgungsnetzen keine Seltenheit sind) kein erforderliches Abschaltkriterium dar.
    • 4. Für die sichere Funktion des Verfahrens sind keine weiteren kostenintensiven Hardwarekomponenten erforderlich.
  • Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf 3-phasige Wechselrichter beschränkt ist, sondern ebensogut für alle ein- oder mehrphasige Wechselrichter im Netzparallelbetrieb am Niederspannungsnetz anwendbar ist. Der Sinus-Stromsollwert des Wechselrichters kann auch oberhalb der Netzfrequenz bzw. des zulässigen Wertebereiches von 48,8 bis 50,2 Hz liegen.
  • Es versteht sich ferner, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Energieerzeugungsanlagen mit Gleichstrom-Zwischenkreis beschränkt ist. Vielmehr können beliebige Wechselrichter, sowohl ein- oder mehrphasig für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise können sogenannten String-Wechselrichter oder Zentral-Wechselrichter ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken verwendet werden. Darüber hinaus kommen als Energieerzeugungsanlagen nicht nur Photovoltaik-Module, sondern ebensogut Brennstoffzellen, Windgeneratoren, Wasserkraftanlagen oder Blockheizkraftwerke in Betracht, sofern sie mit nachgeschaltetem Wechselrichter betrieben werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Überwachen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen, welche im Netzparallelbetrieb in ein Niederspannungsnetz (60) eines Energieversorgungsunternehmens einspeisen, wobei jede Energieerzeugungsanlage mit einem Wechselrichter (WR) verbunden ist, welcher seinerseits in das Niederspannungsnetz (60) einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung ungewollten Inselbetriebs jeder Wechselrichter (WR; 4) einen Sinus-Stromsollwert (Kurve A in 5) generiert, dessen Grundwelle nicht aus der Netzspannung abgeleitet wird, sondern außerhalb des für den Einspeisebetrieb zulässigen Frequenzbereichs (49,8 ... 50,2 Hz) der Netzfrequenz (50 Hz) liegt und unabhängig von der Phase der Netzspannung frei schwingt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Betriebsführungsrechner (BFR), welcher einen Synchronimpuls (Kurve B in 5) mit der Netzfrequenz generiert, der die Phase der bzw. des freischwingenden Sinus-Stromsollwerte(s) der bzw. des Wechselrichter(s) auf die Phasenlage der Netzspannung synchronisiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wechselrichter (WR) einen PI-Stromgüteregler (20) mit einem I-Anteil aufweist, welcher die zum Zeitpunkt der Synchronisation auftretende Amplitudensprünge im Sinus-Stromsollwert des Wechselrichters (WR) zu einem stetigen Sollwert ausregelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Sinus-Stromsollwertes jedes Wechselrichters (WR) von dem Betriebsführungsrechner (BFR) überwacht wird, und dass bei Abweichung vom einem für die Einspeisung zulässigen Netzfrequenzbereich (49,8 Hz ... 50,2 Hz) dem Wechselrichter (WR) die Netzzugangsberechtigung entzogen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jedes Wechselrichters (WR) die Frequenz des Synchronimpulses überwacht wird, und dass sich ein Wechselrichter im Fehlerfall selbständig vom Energieversorgungsnetz (60) trennt.
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