DE102007018683A1

DE102007018683A1 - Autonomes Regelkonzept zur Unterstützung des Energieversorgungsnetzes durch Anlagen mit Wechselrichtern (PV-Anlagen)

Info

Publication number: DE102007018683A1
Application number: DE102007018683A
Authority: DE
Inventors: Georg Kerber
Original assignee: Kerber Georg Dipl-Ing
Current assignee: Kaco New Energy GmbH
Priority date: 2006-09-23
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-04-24
Also published as: EP1906505A1; EP1906505B1

Abstract

Ein Umrichter für den Austausch von Energie zwischen einem Versorgernetz und einer Endstelle weist zwischen netzseitigen Anschlüssen und endstellenseitigen Anschlüssen eine Wandlereinheit auf, durch die Wirkleistung oder Blindleistung in das Versorgernetz abgebbar oder beziehbar ist. Die Wandlereinheit ist von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von der Netzspannung gesteuert. Insbesondere ist durch die Steuereinheit ein Sollzusammenhang zwischen Netzspannung und Wirkleistung oder Blindleistung in Abhängigkeit von einer Netzimpedanz des Versorgernetzes einstellbar.

Description

Beschreibung der Erfindung:
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Konzept zur autonomen Leistungsregelung von verteilten wechselrichterbetriebenen Einspeiseanlagen in das elektrische Energieversorgungsnetz.
Die häufigste Anwendung von verteilten Einspeiseanlagen mit Wechselrichtern in das elektrische Energieversorgungsnetz sind derzeit Photovoltaikanlagen. Aus diesem Grund erfolgt die weitere Argumentation anhand von Photovoltaikwechselrichtern (PV-Wechselrichter). Die Erfindung ist aber grundsätzlich auch auf alle anderen Einspeiseanlagen mit Wechselrichtern anwendbar (z.B. BrennstoffzellenBHKW etc.).
Problematik:
Bei der Einspeisung von elektrischer Energie in das elektrische Energieversorgungsnetz (kurz Netz), kommt es abhängig von der Einspeiseleistung und der Netzkapazität irgendwann zu einer Überlastung des Netzes. Diese Überlastung erfolgt zum einen durch eine Überlastung der Betriebsmittel (Kabel, Trafos etc.) durch zu große Ströme. Ein anderer Punkt sind Überschreitungen der höchstzulässigen Netzspannung [1] bzw. Spannungsschwankungen im Netz.
Schematisch kann dieser Zusammenhang anhand einer Leitung zwischen Niederspannungssammelschiene (NS) und dem Hausanschluss (HAS) nach 1 dargestellt werden.
Die maximale Amplitude dieser Spannungsschwankungen (unter Vernachlässigung der Last) ist abhängig von der vom PV-Wechselrichter eingespeisten Wirk- und Blindleistung sowie von der Impedanz der Leitung (2).
Hier ist anzumerken, dass aktuelle PV-Wechselrichter nur Wirkleistung in das Netz einspeisen (cos(φ) = 1), da nur diese vergütet wird [3], [6].
Eine Reduktion der Spannung kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden.

1. Reduktion der Netzimpedanz. Dies geschieht meist durch eine Neuverlegung von Kabeln oder Leitungen und ist sehr aufwändig und teuer. Diese Maßnahme sollte daher erst zuletzt getroffen werden.
2. Reduktion der eingespeisten Wirkleistung. Die Einspeiseleistung des PV-Wechselrichters kann bei Erreichen der maximalen Spannung gedrosselt werden. Dies ist jedoch nicht erwünscht, da diese elektrische Energie dann verloren geht. Da die Spannungsspitzen durch PV-Einspeisung oft nur kurzzeitig sind, und daher zu Beginn nur wenig Energie verloren geht, kann auch diese Maßnahme ernsthaft in Erwägung gezogen werden.
3. Verbrauch induktiver Blindleistung Während der Wechselrichter Wirkleistung in das Netz einspeist, kann er dennoch induktive Blindleistung beziehen. Dies führt zu einem Spannungsfall, der dem der Einspeisung der Wirkleistung entgegenwirkt und die Spannungsanhebung somit verringert [10]. Diese Möglichkeit ist aufgrund der aktuellen Dimensionierung der Wechselrichter nur bei Einspeiseleistungen kleiner der Wechselrichternennleistung möglich, da die Halbleiterbauelemente auf den maximalen Strom, d. h. die Scheinleistung, dimensioniert sind und sich diese durch den Blindleistungsverbrauch erhöht. Durch Verwendung von leistungsstärkeren Wechselrichtern kann dieses Problem behoben werden. Dieses Konzept ist bekannt und wird bereits in Einzelfällen angewandt [5].

Zur Implementierung einer Blindleistungsregelung in aktuelle PV-Umrichter ist nur eine Veränderung der Programmierung von Wechselrichtern nötig. Es sind keine Veränderungen an der Hardware erforderlich, da es sich um selbstgeführte Vierquadrantenumrichter handelt, die diese Möglichkeit inhärent haben [3], [6].
Die Schwierigkeit bei einem Einsatz einer solchen Regelung im Stromversorgungsnetz ist jedoch das Zusammenspiel einer Vielzahl dieser Umrichter. Es muss verhindert werden, dass diese unnötig regeln bzw. interferieren. Dazu kann keine einfache Spannungsregelung verwendet werden, da bei mehreren Einspeiseanlagen an einer Leitung die Einspeiseanlage am Leitungsende immer die höchste Spannung sieht und daher so lange regelt, bis sie keine Leistung mehr einspeist (bzw. den lokalen Verbrauch deckt). Dann erst beginnt die zweite Anlage, sich an der Spannungsregelung zu beteiligen (3). Diese einseitige Belastung ist nicht akzeptabel.
Als Lösung für dieses Problem wird meist eine Kommunikation zwischen den Anlagen vorausgesetzt. Beispiele dazu sind Untersuchungen zu sog. „Virtuellen Kraftwerken" oder Untersuchung zu Inselnetzen mit einem hohen Anteil regenerativer Erzeuger [8], [9].
Diese Kommunikation ist jedoch mit einem erhöhten Aufwand verbunden und steigert die Komplexität.
Ein Eingreifen von übergeordneter Stelle (Netzleitwarte), wie sie z. B. für ähnliche Zwecke bei neuen, vom Netzbetreiber beeinflussbaren Windenergieanlagen eingesetzt wird, erfordert ebenfalls eine Kommunikation und ist daher für die Vielzahl der kleinen PV-Einheiten zu teuer. Zudem will sich der Netzbetreiber nicht leittechnisch um eine solche Vielzahl von kleinen Einheiten kümmern.
Daher muss eine solche Regelung, egal ob Wirk- oder Blind leistungsregelung, autonom, stabil und zuverlässig reagieren.
Das Konzept für diese Regelung ist der Kern der Erfindung.
Das Regelkonzept
Die Regelung greift auf die Wirkleistung bzw. Blindleistung des Umrichters ein, um primär die maximale Netzspannung zu begrenzen.
Anhand von Kennlinien wird schon vor dem Erreichen der maximalen Spannung ein Beitrag zur Spannungsbegrenzung geleistet. So wird vermieden, dass sich nur der letzte Umrichter einer Leitung an der Regelung beteiligt. Das Konzept für eine solche Regelung ähnelt der Frequenzleistungsregelung von Kraftwerken (Primärregelung) und ist daher erprobt und stabil [7].
Um die Beteiligung der Umrichter gleichmäßig aufzuteilen, müssen die Kennlinien wie bei Kraftwerken an das vorhandene Netz sowie die Leistungsfähigkeit des Umrichters angepasst werden, da diese Größen maßgebend für den Einfluss des Umrichters sind.
Die Nennleistung des Umrichters ist immer bekannt und kann daher dem Umrichter mit der Programmierung übermittelt werden. Der Einfluss, den diese Leistung auf die Netzspannung hat, kann durch eine Messung der Netzimpedanz (Z_N) ermittelt werden. Diese Messung ist bei vielen handelsüblichen Umrichtern aus Gründen des Kurzschlussschutzes (ENS) schon integriert und kann daher für diesen Zweck direkt verwendet werden [3], [4].
Somit kann diese Anpassung vollautomatisch vom Wechselrichter selbst vorgenommen werden und passt sich auch auf veränderte Netzzustände (z. B. durch Schalthandlungen) selbständig an. Schutzfunktionen und ähnliches werden nicht beeinträchtigt.
Das Verfahren kann für Wirk- und Blindleistungsregelung gleichermaßen verwendet werden. Ebenso ist eine Kombination der beiden möglich. Durch die Netzimpedanzmessung kann das Optimum von beiden Komponenten im Zusammenspiel miteinander bestimmt werden. Das Verfahren ist ebenso für Verbraucher oder Konzepte zur Spannungsanhebung verwendbar und daher sehr vielseitig einsetzbar.
Grundsätzlich neu an dem Verfahren ist:

– Die Verwendung von Umrichteranlagen zur Netzunterstützung.
– Die Verwendung von Regelkennlinien für Umrichteranlagen zur Netzunterstützung durch Anpassung der Wirk- und Blindleistung.
– Anwendbarkeit der Kennlinienregelung auf eine Vielzahl unabhängiger Kleinanlagen (PV-Anlagen) im Energieversorgungsnetz.
– Regelung einer Vielzahl von Kleinanlagen (PV-Anlagen) ohne gesonderte Kommunikation.
– Die automatische Anpassung der Regelkennlinie.
– Verwendung der in PV-Umrichtern integrierten Netzimpedanzmessung zur Anpassung der Regelkennlinien.

Die Vorteile des Verfahrens sind:

– Autonome Anpassung an das Netz.
– Stabilisiert die Netzspannung.
– Verteilt die Regelbelastung auf alle Anlagen im Netzstrang.
– Mit handelsüblichen (selbstgeführten) Umrichtern realisierbar.
– Für Wirk- u. Blindleistung einsetzbar.
– Kein zusätzlicher Hardwareaufwand nötig.
– Keine Kommunikation nötig.
– Durch „Softwareupdate" nachrüstbar.
– Kostengünstig.
– Auch zur Spannungsanhebung verwendbar.
– Führt zu einer Reduktion von Netzausbaukosten.

Claims

Umrichter für den Austausch von Energie zwischen einem Versorgernetz und einer Endstelle mit: – netzseitigen Anschlüssen und endstellenseitigen Anschlüssen; – einer zwischen den netzseitigen Anschlüssen und den endstellenseitigen Anschlüssen geschalteten Wandlereinheit, durch die Wirkleistung oder Blindleistung in das Versorgernetz abgebbar oder beziehbar ist; und – einer die Wandlereinheit in Abhängigkeit von der Netzspannung steuernden Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit ein Sollzusammenhang zwischen Netzspannung und Wirkleistung oder Blindleistung in Abhängigkeit von einer Netzimpedanz des Versorgernetzes einstellbar ist.
Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter für die Übertragung von Energie von einem Energieerzeuger in ein Versorgernetz eingerichtet ist.
Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der Wandlereinheit Wirkleistung in das Versorgernetz abgebbar und Blindleistung aus dem Versorgernetz beziehbar oder abgebbar ist.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit zur Übertragung von Energie aus einer Gleichstromquelle in das Versorgernetz eingerichtet ist.
Umrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit für die Übertragung von Energie aus einer photovoltaischen Vorrichtung in das Versorgungsnetz eingerichtet ist.
Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit für die Übertragung von Energie aus einem Versorgernetz an einen Energieverbraucher eingerichtet ist.
Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wandlereinheit Wirkleistung aus dem Versorgernetz beziehbar ist und Blindleistung aus dem Versorgernetz beziehbar oder in das Versorgernetz abgebbar ist.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit die Impedanz des Versorgernetzes messbar ist.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollzusammenhang zwischen Netzspannung und Wirkleistung oder Blindleistung in Abhängigkeit der Betrag der Netzimpedanz einstellbar ist.
Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit ein Vierquadrant-Wechselrichter ist.
Steuerverfahren für einen zwischen einem Versorgungsnetz und einer Endstelle geschalteten Umrichter, bei dem der Bezug oder die Abgabe von Wirkleistung oder Blindleistung in Abhängigkeit von der Netzspannung durch eine Steuereinheit gesteuert wird, von der eine zwischen Versorgernetz und Endstelle geschaltete Wandlereinheit mit Steuersignalen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit ein Sollzusammenhang zwischen Netzspannung und Wirkleistung oder Blindleistung in Abhängigkeit von einer Netzimpedanz des Versorgernetzes eingestellt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit eine Wandlereinheit gesteuert wird, durch die Energie von einem Energieerzeuger in das Versorgernetz übertragen wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit eine Wandlereinheit gesteuert wird, durch die Energie von dem Versorgernetz an einen Energieverbraucher übertragen wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Wirkleistung entsprechend der erforderlichen Übertragungsrichtung für die Übertragung von Energie übertragen wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Blindleistung aus dem Versorgernetz bezogen wird, wenn die Netzspannung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Blindleistung in das Versorgernetz abgegeben wird, wenn die Netzspannung einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit die Impedanz des Versorgernetzes gemessen wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollzusammenhang zwischen Netzspannung und Wirkleistung oder Blindleistung in Abhängigkeit vom Betrag der Netzimpedanz bestimmt wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vierquadrant-Wechselrichter von der Steuereinheit mit Steuersignalen beaufschlagt wird.