EP3729591A1 - Einspeisen von elektrischer leistung einer photovoltaikanlage in ein wechselstromnetz geringer kurzschlussleistung - Google Patents

Einspeisen von elektrischer leistung einer photovoltaikanlage in ein wechselstromnetz geringer kurzschlussleistung

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EP3729591A1
EP3729591A1 EP18799528.7A EP18799528A EP3729591A1 EP 3729591 A1 EP3729591 A1 EP 3729591A1 EP 18799528 A EP18799528 A EP 18799528A EP 3729591 A1 EP3729591 A1 EP 3729591A1
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EP
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inverter
photovoltaic system
voltage
power
connection point
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EP18799528.7A
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English (en)
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Inventor
Daniel PREMM
Vitali Sakschewski
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SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for feeding electrical power of a photovoltaic system via a grid connection point in an AC network. More particularly, the present invention relates to a method having the features of the preamble of independent claim 1. Furthermore, the present invention relates to a photovoltaic system for carrying out such a method. In particular, the present invention relates to a photovoltaic system having the features of the preamble of independent patent claim 6.
  • WO 2013/041534 A2 discloses a method for controlling a photovoltaic system connected to an alternating current network with a photovoltaic generator and an inverter. It is done with the inverter depending on a received power control signal transfers electrical power between the photovoltaic generator and the AC network, which includes positive and negative dynamic control power.
  • the photovoltaic generator is connected via a DC / DC converter to an input side DC voltage intermediate circuit of the inverter, to which furthermore a battery is connected via a bidirectional DC / DC converter.
  • the inverter can provide positive control power for the AC grid independent of the supply of electrical power from the photovoltaic generator.
  • the battery is charged with electrical power from the photovoltaic generator or the AC mains and kept charged until positive control power is needed. Then, the cached in the battery electric power via the battery inverter and the inverter is fed into the AC mains.
  • a device for equal parallel operation of at least two inductively coupled inverters without additional synchronization and / or communication device is known.
  • Each inverter is provided with a control circuit intended for regulating its output voltage, to which a reference voltage is supplied as reference voltage whose frequency, taking into account a preselected frequency statics, is derived from the reactive power and its amplitude taking into account a preselected voltage statics from the reactive power. Active power oscillations between the inverters are avoided by phase precontrol.
  • the problem is the feeding of comparatively large electrical power of a photovoltaic system via a grid connection point in an AC network comparatively small short-circuit power, especially if the short-circuit power of the AC network at the grid connection point is not more than twice as large as the total short-circuit power of all inverters, with which the electrical power the photovoltaic system is fed to the grid connection point. Difficulties can occur even if this ratio is less than 3.
  • the invention is therefore based on the object to show a method for feeding electrical power of a photovoltaic system via a grid connection point in an AC network and a corresponding photovoltaic system, which work stably even at low short-circuit power of the AC network.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1 and a photovoltaic system with the features of independent patent claim 6.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention are defined in dependent claims 1 to 5 and preferred embodiments of the inventive photovoltaic system in the dependent claims 6 to 11.
  • the fact that the second inverter of the photovoltaic system connected to the mains connection is operated as a voltage source here means that it is operated as a so-called network generator.
  • the AC voltage registered by all the first inverters at their AC side terminals is defined together by the external AC low short-circuit power network and the second inverter.
  • the first inverters are therefore not affected in their operation by the weakness of the AC network low short-circuit power. Rather, they can be operated as if they were connected to a high-short-circuit AC power supply whose AC voltage can not shift the first inverters by the electrical power they feed to disrupt themselves or other first inverters in their operation.
  • the second inverter of the photovoltaic system can be operated as a voltage source on the basis of measured values of an alternating voltage measured in the area of the photovoltaic system and of predetermined characteristic curves, which are also referred to as so-called voltage statistics.
  • the measured alternating voltage may in particular be the alternating voltage at the alternating-voltage side terminals of the second inverter.
  • the second inverter can be self-sufficient all first inverters are operated, whereby no coordinated operation of multiple first inverter is necessary.
  • the control of an inverter operated as a voltage source or network generator on the basis of measured values of an alternating voltage and given characteristic curves or voltage statistics is basically known, for example to form an alternating current network with several inverters connected in parallel.
  • both active and reactive power can be fed in at the network connection point with the second inverter.
  • the second inverter must be designed for feeding also reactive power in a suitable manner.
  • the person skilled in the art, however, corresponding inverter designs are known.
  • the second inverter is also regularly bidirectional form to fully fulfill its function as the voltage applied to the first inverters AC stabilizing network generator by if necessary also outputs negative power to the grid connection point, d. H. positive performance from there.
  • all first inverters of the photovoltaic system according to the invention are typically unidirectional inverters.
  • the inventive method can be carried out so that a single second inverter of the photovoltaic system is operated as a voltage source or network generator, while a plurality of parallel-connected first inverters is operated in a conventional manner as a power source. That is, for the stabilization of the AC voltage applied to the first inverters with which they synchronize, a single second inverter is usually sufficient. With higher stabilization requirements, however, several second inverters can also be used. In practice, second inverters can be connected to the connection point as long as the AC voltage applied to the first inverters is sufficiently stabilized.
  • a total short-circuit power which includes the short-circuit performance of the AC mains at the grid connection point and all network-forming second inverter is at least twice as large as a total short-circuit power of all first inverters.
  • the ratio is at least 2.5: 1, more preferably at least 3: 1.
  • the respective short-circuit power is to be understood as the power which results as the product of the maximum short-circuit current from the AC mains or the respective inverter and the AC voltage at the mains connection.
  • a photovoltaic system for carrying out the method according to the invention for feeding electrical power of the photovoltaic system via a network connection point in an AC network low short-circuit power is at least one DC voltage side to a photovoltaic generator and AC voltage side connected to the mains connection first inverter of the photovoltaic system as a power source and connected to the network connection point second Inverters of the photovoltaic system designed as a voltage source or network generator.
  • the design as a current source or voltage source implies that the second inverter is in principle suitable from its electrical circuit as a current source or voltage source and that it is actually operated in the intended operation of the photovoltaic system according to the invention.
  • the first inverters are connected to the respective photovoltaic generator via a respective first DC voltage intermediate circuit with a first DC link capacitance on the DC voltage side.
  • the second inverter is connected to a second DC voltage intermediate circuit with a second DC link capacity.
  • the second intermediate circuit capacitance is increased by at least 100%, preferably by at least a factor of 3 or by at least a factor of 5 compared to the first intermediate circuit capacitance in order to provide the second inverter with the power to be fed by it to stabilize the AC network at the grid connection point in the shortest possible time to ensure that it raises the short-circuit power of the AC network at the grid connection point to the desired level.
  • a photovoltaic generator can also be connected to the second DC voltage intermediate circuit on the input side of the second inverter, so that the second inverter also feeds electrical power from one of the photovoltaic generators of the photovoltaic system into the AC grid at the grid connection point. Even then, the second DC link capacity is increased by at least 100% compared to each first DC link capacity.
  • To increase the second DC link capacity may, alternatively or in addition to a correspondingly large-sized capacitor z.
  • the photovoltaic system according to the invention is typically intended to feed electrical power into a three-phase AC grid. Accordingly, the second inverter is then preferably a three-phase inverter.
  • first inverters can be present as second inverters.
  • second inverter or inverters are provided for feeding electrical power from photovoltaic generators into the AC grid at the grid connection point, their number can be increased by corresponding modification or conversion from first to second inverters until the voltage applied to the grid connection point AC power is sufficiently stabilized, for example, by the total short-circuit power of the external AC mains at the grid connection point and operated as a voltage source second inverter together at least two, two and a half or three times the total short-circuit power of all first inverters.
  • Fig. 1 illustrates a photovoltaic system according to the invention in a schematic
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of a network generator
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the operated as a network generator
  • Fig. 4 shows a third embodiment of the operated as a network generator
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment of the operated as a network generator
  • the photovoltaic system 1 shown in Fig. 1 is used for feeding electrical power through a network connection point 2 in an external AC network 3, which has only a low short-circuit power at the network connection point 2, in particular due to a long connection line 4 and correspondingly high line impedances. Because of this low short-circuit power or the underlying line impedances, the electrical power fed in by the photovoltaic system 1 at the grid connection point 2 influences the AC voltage of the AC grid 3 present at the grid connection point 2 quite considerably. The AC voltage at the grid connection point 2 can thus far as compared to the rated voltage of the
  • the photovoltaic system 1 has a second inverter 6, which is operated as a voltage source, specifically as a network generator for the voltage applied to the first inverters 5 local AC network. Specifically, the operation of the second inverter 6 is parallel to the external AC network with respect to local AC network as in
  • the second inverter 6 thus stabilizes the alternating voltage applied to the first inverters 5, which thus can operate without interference despite the high line impedances of the connecting line 4 and fluctuating electrical power which is fed by the photovoltaic system 1.
  • a photovoltaic generator 8 of the photovoltaic system 1 is connected in each case to input-side DC voltage intermediate circuits 7 of the first inverters 5, so that each of the first inverters 5 feeds electrical power from one of the photovoltaic generators 8 to the grid connection point 2.
  • an energy storage device 10 is connected to an input side DC voltage intermediate circuit 9 of the second inverter 6.
  • This energy store 10 is designed such that it can briefly provide the second inverter 6 with a high electrical power in order to feed it to the grid connection point 2 in order to stabilize the AC voltage. It involves the injection of both active power and reactive power and both positive power and negative power. Accordingly, the second inverter 6 formed in contrast to the unidirectionally formed first inverters 5 bidirectional.
  • the first inverters 5 and the second inverter 6 are shown connected directly to the grid connection point 2.
  • at least one transformer stage will regularly be connected between the entirety of the inverters 5, 6 and the grid connection point. It is also possible to connect a plurality of transformer stages in parallel between in each case one or more of the inverters 5, 6 and the grid connection point 2. This does not change the basic mode of operation and function of the second inverter 6.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the first inverter 6 according to FIG. 1 and of the energy store 10 connected thereto.
  • the energy store 10 here is a capacitor 11 which provides the DC intermediate circuit 9 with a high DC link capacitance.
  • the DC link capacitance of the DC intermediate circuit 9 is at least twice as large as the DC link capacitance of each of the input DC voltage intermediate circuits 7 of the first inverters 5.
  • the energy storage 10 is a lithium-ion battery 12, which is connected directly to the DC voltage intermediate circuit 9 and thus increases its DC link capacity.
  • the lithium-ion battery 12 is suitable for a variety of charging and discharging cycles.
  • an electrochemical capacitor i. H. a so-called supercapacitor, find use, which has a higher power density than the lithium-ion battery 12, however, which is characterized by a higher energy density.
  • a further photovoltaic generator 13 is connected in addition to the large-sized capacitor 1 1 or a corresponding capacitor bank. Accordingly, with the second inverter 6 according to FIG. 4, electrical power is also supplied by the photovoltaic generator 13 at the grid connection point 2 according to FIG. 1.
  • the second inverter 6 still differs from the first inverters 5 according to FIG. 1 in that it is not operated as a power source but as a voltage source and network generator and that the DC link capacitance of its DC intermediate circuit 9 is significantly higher than the DC link capacitance of the DC voltage intermediate circuits 7 of the first inverter. 5
  • a lithium-ion battery 12 is connected in addition to the embodiment according to FIG. 4 via a battery converter 14 in the form of a bidirectional DC / DC converter 15.
  • the energy storage device 10 is formed here by the capacitor 1 1 and the battery 12.

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Abstract

Zum Einspeisen von elektrischer Leistung einer Photovoltaikanlage (1) über einen Netzanschlusspunkt (2) in ein Wechselstromnetz (3) geringer Kurzschlussleistung, wobei mindestens ein gleichspannungsseitig an einen Photovoltaikgenerator (8) und wechselspannungsseitig an den Netzanschlusspunkt (2) angeschlossener erster Wechselrichter (5) der Photovoltaikanlage (1) als Stromquelle betrieben wird, wird ein an den Netzanschlusspunkt (2) angeschlossener zweiter Wechselrichter (6) der Photovoltaikanlage (1) als Spannungsquelle betrieben.

Description

EINSPEISEN VON ELEKTRISCHER LEISTUNG EINER PHOTOVOLTAIKANLAGE IN EIN WECHSELSTROMNETZ GERINGER KURZSCHLUSSLEISTUNG
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Leistung einer Photovoltaikanlage über einen Netzanschlusspunkt in ein Wechselstromnetz. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Photovoltaikanlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 6.
STAND DER TECHNIK
Bei der dezentralen Einspeisung von regenerativ erzeugter elektrischer Leistung in Wechselstromnetze ergeben sich bekanntermaßen Probleme durch hohe Netzimpedanzen, wie sie bei langen Anschlussleitungen unvermeidlich sind. Die hohen Netzimpedanzen haben zur Folge, dass die eingespeiste elektrische Leistung zu einer signifikanten Erhöhung der an dem Netzanschlusspunkt anliegenden Wechselspannung führt. Zudem führen Schwankungen der eingespeisten elektrischen Leistung zu Schwankungen der an dem Netzanschlusspunkt anliegenden Wechselspannung. Hieraus resultieren Schwierigkeiten, Wechselrichter, die zum Einspeisen der elektrischen Leistung verwendet werden und die sich fortlaufend mit der Wechselspannung synchronisieren, stabil zu betreiben. Praktisch treten Notabschaltungen auf, obwohl das Wechselstromnetz grundsätzlich in der Lage wäre, die zur Verfügung stehende, regenerativ erzeugte elektrische Leistung aufzunehmen.
Bei einer Windkraftanlage ist es bekannt, sogenannte STATCOMs und Kondensatorbänke sowie synchrone Kondensatoren einzusetzen, um die Wechselspannung an einem Netzanschlusspunkt zu stabilisieren. Hierbei handelt es sich um vergleichsweise aufwändige Maßnahmen.
Aus der WO 2013/041534 A2 ist ein Verfahren zum Steuern einer an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Photovoltaikanlage mit einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter bekannt. Dabei wird mit dem Wechselrichter in Abhängigkeit von einem empfangenen Leistungsregelsignal elektrische Leistung zwischen dem Photovoltaikgenerator und dem Wechselstromnetz transferiert, die positive und negative dynamische Regelleistung umfasst. Der Photovoltaikgenerator ist über einen DC/DC-Wandler an einen eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen, an den weiterhin eine Batterie über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler angeschlossen ist. Mit Hilfe der Batterie kann über den Wechselrichter positive Regelleistung für das Wechselstromnetz unabhängig von der Einspeisung von elektrischer Leistung von dem Photovoltaikgenerator bereitgestellt werden. Die Batterie wird mit elektrischer Leistung aus dem Photovoltaikgenerator oder dem Wechselstromnetz aufgeladen und aufgeladen gehalten, bis positive Regelleistung benötigt wird. Dann wird die in der Batterie zwischengespeicherte elektrische Leistung über den Batterieinverter und den Wechselrichter in das Wechselstromnetz eingespeist.
Aus der DE 101 40 783 A1 ist eine Vorrichtung zum gleichberechtigten Parallelbetrieb von wenigstens zwei induktiv gekoppelten Wechselrichtern ohne zusätzliche Synchronisations- und/oder Kommunikationseinrichtung bekannt. Jeder Wechselrichter ist mit einem zur Regelung seiner Ausgangsspannung bestimmten Regelkreis versehen, dem als Sollspannung eine Referenzspannung zugeführt wird, deren Frequenz unter Berücksichtigung einer vorgewählten Frequenzstatik aus der Wirkleistung und deren Amplitude unter Berücksichtigung einer vorgewählten Spannungsstatik aus der Blindleistung abgeleitet ist. Wirkleistungspendelungen zwischen den Wechselrichtern werden durch eine Phasenvorsteuerung vermieden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Problematisch ist das Einspeisen von vergleichsweise großer elektrischer Leistung einer Photovoltaikanlage über einen Netzanschlusspunkt in ein Wechselstromnetz vergleichsweise kleiner Kurzschlussleistung, insbesondere dann, wenn die Kurzschlussleistung des Wechselstromnetzes an dem Netzanschlusspunkt nicht mehr als zweimal so groß ist wie die Gesamtkurzschlussleistung aller Wechselrichter, mit denen die elektrische Leistung der Photovoltaikanlage an dem Netzanschlusspunkt eingespeist wird. Schwierigkeiten können auch schon dann auftreten, wenn dieses Verhältnis kleiner als 3 wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Leistung einer Photovoltaikanlage über einen Netzanschlusspunkt in ein Wechselstromnetz sowie eine entsprechende Photovoltaikanlage aufzuzeigen, die auch bei geringer Kurzschlussleistung des Wechselstromnetzes stabil arbeiten. LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Photovoltaikanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Patent- anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 1 bis 5 und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungs- gemäßen Photovoltaikanlage in den abhängigen Patentansprüchen 6 bis 11 definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Leistung einer Photovoltaikanlage über einen Netzanschlusspunkt in ein Wechselstromnetz geringer Kurzschlussleistung, wobei mindestens ein gleichspannungsseitig an einen Photovoltaikgenerator und wechselspannungsseitig an den Netzanschluss angeschlossener erster Wechselrichter der Photovoltaikanlage in üblicher Weise als Stromquelle betrieben wird, wird ein an den Netzanschlusspunkt angeschlossener zweiter Wechselrichter der Photovoltaikanlage als Spannungsquelle betrieben.
Dass der an den Netzanschluss angeschlossene zweite Wechselrichter der Photovoltaikanlage als Spannungsquelle betrieben wird, bedeutet hier, dass er als sogenannter Netzbildner betrieben wird. Dadurch wird die von allen ersten Wechselrichtern an ihren wechselspannungsseitig Anschlüssen registrierte Wechselspannung zusammen von dem externen Wechselstromnetz geringer Kurzschlussleistung und dem zweiten Wechselrichter definiert. Die ersten Wechselrichter werden daher in ihrem Betrieb von der Schwäche des Wechselstromnetzes geringer Kurzschlussleistung nicht beeinträchtigt. Sie können vielmehr so betrieben werden, als wenn sie an ein Wechselstromnetz hoher Kurzschlussleistung angeschlossen wären, dessen Wechselspannung die ersten Wechselrichter durch die von ihnen eingespeiste elektrische Leistung nicht so verschieben können, dass sie selbst oder andere erste Wechselrichter in ihrem Betrieb gestört werden.
Konkret kann der zweite Wechselrichter der Photovoltaikanlage auf Basis von Messwerten einer im Bereich der Photovoltaikanlage gemessenen Wechselspannung und von vorgegebenen Kennlinien, die auch als sogenannte Spannungsstatiken bezeichnet werden, als Spannungsquelle betrieben werden. Bei der gemessenen Wechselspannung kann es sich insbesondere um die Wechselspannung an den wechselspannungsseitigen Anschlüssen des zweiten Wechselrichters handeln. Anders gesagt kann der zweite Wechselrichter autark von allen ersten Wechselrichtern betrieben werden, wobei auch kein koordinierter Betrieb mehrerer erster Wechselrichter notwendig ist. Die Steuerung eines als Spannungsquelle oder Netzbildner betriebenen Wechselrichters auf der Basis von Messwerten einer Wechselspannung und vorgegebenen Kennlinien oder Spannungsstatiken ist grundsätzlich bekannt, um beispielsweise ein Wechselstromnetz mit mehreren parallel geschalteten Wechselrichtern zu bilden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mit dem zweiten Wechselrichter sowohl Wirk- als auch Blindleistung an dem Netzanschlusspunkt eingespeist werden. Es versteht sich, dass der zweite Wechselrichter zur Einspeisung auch von Blindleistung in geeigneter Weise ausgebildet sein muss. Dem Fachmann sind jedoch entsprechende Wechselrichterkonstruktionen bekannt. Der zweite Wechselrichter ist zudem regelmäßig bidirektional auszubilden, um seine Funktion als die an den ersten Wechselrichtern anliegende Wechselspannung stabilisierender Netzbildner voll erfüllen zu können, indem er bedarfsweise auch negative Leistung an den Netzanschlusspunkt ausgibt, d. h. positive Leistung von dort aufnimmt. Alle ersten Wechselrichter der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage sind hingegen typischerweise unidirektionale Wechselrichter.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, dass ein einziger zweiter Wechselrichter der Photovoltaikanlage als Spannungsquelle oder Netzbildner betrieben wird, während eine Vielzahl von parallel geschalteten ersten Wechselrichtern in üblicher Weise als Stromquelle betrieben wird. Das heißt, für die Stabilisierung der an den ersten Wechselrichtern anliegenden Wechselspannung, mit der sie sich synchronisieren, reicht in der Regel ein einziger zweiter Wechselrichter aus. Bei höherem Stabilisierungsbedarf können jedoch auch mehrere zweite Wechselrichter zum Einsatz kommen. Praktisch können so lange zweite Wechselrichter an den Anschlusspunkt angeschlossen werden, bis die an den ersten Wechselrichtern anliegende Wechselspannung ausreichend stabilisiert ist.
Als Kriterium für eine ausreichende Stabilisierung der an den ersten Wechselrichtern anliegenden Wechselspannung kann gelten, dass eine Gesamtkurzschlussleistung, die die Kurzschlussleistungen des Wechselstromnetzes an dem Netzanschlusspunkt und aller netzbildenden zweiten Wechselrichter einschließt, mindestens zweimal so groß ist wie eine Gesamtkurzschlussleistung aller ersten Wechselrichter. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis mindestens 2,5:1 , noch mehr bevorzugt mindestens 3:1. Dabei ist unter der jeweiligen Kurzschlussleistung die Leistung zu verstehen, die sich als Produkt des maximalen Kurzschlussstroms von dem Wechselstromnetz oder dem jeweiligen Wechselrichter und der Wechselspannung an dem Netzanschluss ergibt. Bei einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einspeisen von elektrischer Leistung der Photovoltaikanlage über einen Netzanschlusspunkt in ein Wechselstromnetz geringer Kurzschlussleistung ist mindestens ein gleichspannungsseitig an einen Photovoltaikgenerator und wechselspannungsseitig an den Netzanschluss angeschlossener erster Wechselrichter der Photovoltaikanlage als Stromquelle und ein an den Netzanschlusspunkt angeschlossener zweiter Wechselrichter der Photovoltaikanlage als Spannungsquelle oder Netzbildner ausgebildet. Dabei impliziert die Ausbildung als Stromquelle bzw. Spannungsquelle, dass der zweite Wechselrichter von seiner elektrischen Schaltung her als Stromquelle bzw. Spannungsquelle grundsätzlich geeignet ist und dass er im vorgesehenen Betrieb der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage auch tatsächlich so betrieben wird.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage sind die ersten Wechselrichter gleichspannungsseitig über jeweils einen ersten Gleichspannungszwischenkreis mit einer ersten Zwischenkreiskapazität an den jeweiligen Photovoltaikgenerator angeschlossen. Der zweite Wechselrichter ist an einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis mit einer zweiten Zwischenkreiskapazität angeschlossen. Die zweite Zwischenkreiskapazität ist gegenüber der ersten Zwischenkreiskapazität um mindestens 100 %, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 3 oder um mindestens einen Faktor 5 erhöht, um dem zweiten Wechselrichter kurzfristig die von ihm zur Stabilisierung des Wechselstromnetzes an dem Netzanschlusspunkt einzuspeisende Leistung in so ausreichendem Maße zur Verfügung zu stellen, dass dieser die Kurzschlussleistung des Wechselstromnetzes an dem Netzanschlusspunkt auf das gewünschte Niveau anhebt.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage kann an den zweiten Gleichspannungszwischenkreis auf der Eingangsseite des zweiten Wechselrichters ebenfalls ein Photovoltaikgenerator angeschlossen sein, so dass auch der zweite Wechselrichter elektrische Leistung von einem der Photovoltaikgeneratoren der Photovoltaikanlage an dem Netzanschlusspunkt in das Wechselstromnetz einspeist. Auch dann ist die zweite Zwischenkreiskapazität gegenüber jeder ersten Zwischenkreiskapazität um mindestens 100 % erhöht.
Zur Erhöhung der zweiten Zwischenkreiskapazität kann alternativ oder zusätzlich zu einem entsprechend groß dimensionierten Kondensator z. B. ein Superkondensator und/oder eine Lithiumionenbatterie an den zweiten Zwischenkreis angeschlossen sein, der/die über die Kapazitätserhöhung hinaus als elektrochemischer Energiespeicher dient. Auch dann, wenn ein weiterer Photovoltaikgenerator angeschlossen ist, kann der zweite Gleichspannungszwischenkreis auf der Eingangsseite des zweiten Wechselrichters über den bidirektional ausgebildeten zweiten Wechselrichter aufgeladen werden.
Die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage ist typischerweise dazu vorgesehen, elektrische Leistung in ein dreiphasiges Wechselstromnetz einzuspeisen. Entsprechend ist der zweite Wechselrichter dann vorzugsweise ein dreiphasiger Wechselrichter.
Wie schon zu dem erfindungsgemäßen Verfahren angedeutet wurde, können viel mehr erste Wechselrichter als zweite Wechselrichter vorhanden sein. Insbesondere dann, wenn auch der oder die zweiten Wechselrichter zum Einspeisen von elektrischer Leistung von Photovoltaikgeneratoren in das Wechselstromnetz an dem Netzanschlusspunkt vorgesehen sind, kann ihre Zahl durch entsprechende Modifikation oder Umstellung von ersten zu zweiten Wechselrichtern so lange erhöht werden, bis das an dem Netzanschlusspunkt anliegende Wechselstromnetz ausreichend stabilisiert ist, indem beispielsweise die Gesamtkurzschlussleistung des externen Wechselstromnetzes an dem Netzanschlusspunkt und der als Spannungsquelle betriebenen zweiten Wechselrichter zusammen mindestens zwei, zweieinhalb oder dreimal so groß ist wie die Gesamtkurzschlussleistung aller ersten Wechselrichter.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Wechselrichter die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Wechselrichter, zwei Wechselrichter oder mehr Wechselrichter vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 illustriert eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage in einem schematischen
Einlinienschaubild.
Fig. 2 illustriert eine erste Ausführungsform eines als Netzbildner betriebenen
Wechselrichters der Photovoltaikanlage gemäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des als Netzbildner betriebenen
Wechselrichters.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des als Netzbildner betriebenen
Wechselrichters; und
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des als Netzbildner betriebenen
Wechselrichters der Photovoltaikanlage gemäß Fig. 1. FIGURENBESCHREIBUNG
Die in Fig. 1 dargestellte Photovoltaikanlage 1 dient zum Einspeisen von elektrischer Leistung über einen Netzanschlusspunkt 2 in ein externes Wechselstromnetz 3, das an dem Netzanschlusspunkt 2, insbesondere aufgrund einer langen Anschlussleitung 4 und entsprechend hoher Leitungsimpedanzen, nur eine geringe Kurzschlussleistung aufweist. Aufgrund dieser geringen Kurzschlussleistung bzw. den zugrundeliegenden Leitungsimpedanzen beeinflusst die von der Photovoltaikanlage 1 an dem Netzanschlusspunkt 2 eingespeiste elektrische Leistung die an dem Netzanschlusspunkt 2 anliegende Wechselspannung des Wechselstromnetzes 3 ganz erheblich. Die Wechselspannung an dem Netzanschlusspunkt 2 kann dadurch so weit gegenüber der Nennspannung des
Wechselstromnetzes 3 verschoben werden, dass ein stabiler Betrieb der Photovoltaikanlage 1 nicht mehr möglich ist. Insbesondere besteht die Gefahr, dass erste Wechselrichter 5 der Photovoltaikanlage 1 , die als Stromquellen betrieben werden und sich auf die Wechselspannung an ihren wechselspannungsseitigen Anschlüssen synchronisieren, notabgeschaltet werden, weil die von ihnen selbst verursachte Erhöhung der Wechselspannung an ihren wechselspannungsseitigen Anschlüssen über einen Spannungsbereich hinausgeht, in dem ein stabiler Betrieb der ersten Wechselrichter 5 möglich ist. Zum Ausgleich weist die Photovoltaikanlage 1 einen zweiten Wechselrichter 6 auf, der als Spannungsquelle, konkret als Netzbildner für das an den ersten Wechselrichtern 5 anliegende lokale Wechselstromnetz betrieben wird. Konkret erfolgt der Betrieb des zweiten Wechselrichters 6 parallel zu dem externen Wechselstromnetzes in Bezug auf lokale Wechselstromnetz so wie beim
Parallelbetrieb mehrerer Netzbildner beispielsweise in einem Inselnetz. Der zweite Wechselrichter 6 stabilisiert damit die an den ersten Wechselrichtern 5 anliegende Wechsel- spannung, die so trotz der hohen Leitungsimpedanzen der Anschlussleitung 4 und schwankender elektrischer Leistung, die von der Photovoltaikanlage 1 eingespeist wird, störungsfrei arbeiten können. An eingangsseitige Gleichspannungszwischenkreise 7 der ersten Wechselrichter 5 ist jeweils ein Photovoltaikgenerator 8 der Photovoltaikanlage 1 ange- schlossen, so dass jeder der ersten Wechselrichter 5 elektrische Leistung von einem der Photovoltaikgeneratoren 8 an dem Netzanschlusspunkt 2 einspeist. An einen eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 9 des zweiten Wechselrichters 6 ist ein Energiespeicher 10 angeschlossen. Dieser Energiespeicher 10 ist so ausgebildet, dass er dem zweiten Wechsel- richter 6 kurzfristig eine hohe elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann, um sie zur Stabilisierung der Wechselspannung an dem Netzanschlusspunkt 2 einzuspeisen. Dabei geht es um die Einspeisung sowohl von Wirkleistung als auch von Blindleistung und sowohl von positiver Leistung als auch von negativer Leistung. Entsprechend ist der zweite Wechselrichter 6 im Gegensatz zu den unidirektional ausgebildeten ersten Wechselrichtern 5 bidirektional ausgebildet.
In Fig. 1 sind die ersten Wechselrichter 5 und der zweite Wechselrichter 6 als direkt an den Netzanschlusspunkt 2 angeschlossen dargestellt. Gerade bei großen Photovoltaikanlagen wird aber regelmäßig mindestens eine Transformatorstufe zwischen die Gesamtheit der Wechselrichter 5, 6 und den Netzanschlusspunkt geschaltet sein. Es können auch mehrerer Transformatorstufen parallel zwischen jeweils einen oder mehrere der Wechselrichter 5, 6 und den Netzanschlusspunkt 2 geschaltet sein. Hierdurch ändert sich nichts an der grundsätzlichen Betriebsweise und Funktion des zweiten Wechselrichters 6.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des ersten Wechselrichters 6 gemäß Fig. 1 bzw. des daran angeschlossenen Energiespeichers 10. Konkret ist der Energiespeicher 10 hier ein Kondensator 1 1 , der den Gleichspannungszwischenkreis 9 mit einer hohen Zwischenkreiskapazität versieht. Insbesondere ist die Zwischenkreiskapazität des Gleichspannungszwischenkreises 9 mindestens doppelt so groß wie die Zwischenkreiskapazität jedes der eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreise 7 der ersten Wechselrichter 5.
Bei der Ausführungsform des zweiten Wechselrichters 6 bzw. dessen eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises 9 gemäß Fig. 3 ist der Energiespeicher 10 eine Lithiumionenbatterie 12, die direkt an den Gleichspannungszwischenkreis 9 angeschlossen ist und so auch dessen Zwischenkreiskapazität erhöht. Die Lithiumionenbatterie 12 ist für eine Vielzahl von Lade- und Entladezyklen geeignet. Statt der Lithiumionenbatterie könnte auch ein elektrochemischer Kondensator, d. h. ein sogenannter Superkondensator, Verwendung finden, der eine höhere Leistungsdichte aufweist als die Lithiumionenbatterie 12, die sich hingegen durch eine höhere Energiedichte auszeichnet.
Bei der Ausführungsform des zweiten Wechselrichters 6 gemäß Fig. 4 bzw. seines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises 9 ist neben dem groß dimensionierten Kondensator 1 1 oder einer entsprechenden Kondensatorbank ein weiterer Photovoltaikgenerator 13 angeschlossen. Entsprechend wird mit dem zweiten Wechselrichter 6 gemäß Fig. 4 auch elektrische Leistung von dem Photovoltaikgenerator 13 an dem Netzanschlusspunkt 2 gemäß Fig. 1 eingespeist. Der zweite Wechselrichter 6 unterscheidet sich aber weiterhin von den ersten Wechselrichtern 5 gemäß Fig. 1 dadurch, dass er nicht als Stromquelle sondern als Spannungsquelle und Netzbildner betrieben wird und dass die Zwischenkreiskapazität seines Gleichspannungszwischenkreises 9 deutlich höher ist als die Zwischenkreiskapazität der Gleichspannungszwischenkreise 7 der ersten Wechselrichter 5.
Bei der Ausführungsform des zweiten Wechselrichters 6 bzw. seines eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreises 9 gemäß Fig. 5 ist zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß Fig. 4 über einen Batteriewandler 14 in Form eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers 15 eine Lithiumionenbatterie 12 angeschlossen. Damit ist der Energiespeicher 10 hier durch den Kondensator 1 1 und die Batterie 12 ausgebildet.
BEZUGSZEICHENLISTE
Photovoltaikanlage
Netzanschlusspunkt
Wechselstromnetz
Anschlussleitung
erster Wechselrichter
zweiter Wechselrichter
(erster) Gleichspannungszwischenkreis
Photovoltaikgenerator
(zweiter) Gleichspannungszwischenkreis
Energiespeicher
Kondensator
Lithiumionenbatterie
(weiterer) Photovoltaikgenerator
Batteriewandler
bidirektionaler DC/DC-Wandler

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Einspeisen von elektrischer Leistung einer Photovoltaikanlage (1 ) über einen Netzanschlusspunkt (2) in ein Wechselstromnetz (3) geringer Kurzschlussleistung,
wobei mindestens ein gleichspannungsseitig an einen Photovoltaikgenerator (8) und wechselspannungsseitig an den Netzanschlusspunkt (2) angeschlossener erster Wechselrichter (5) der Photovoltaikanlage (1 ) als Stromquelle betrieben wird, und
dass ein an den Netzanschlusspunkt (2) angeschlossener zweiter Wechselrichter (6) der Photovoltaikanlage (1 ) als Spannungsquelle betrieben wird
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Wechselrichter (6) der Photovoltaikanlage (1 ) auf der Basis von Messwerten einer im Bereich der Photovoltaikanlage gemessenen Wechselspannung und einer vorgegebenen Kennlinie als Spannungsquelle betrieben wird,
wobei eine erste Gesamtkurzschlussleistung 1.GKL aller als Stromquelle betriebenen ersten Wechselrichter (5) und eine zweite Gesamtkurzschlussleistung 2.GKL des Wechselstromnetzes (3) und aller als Spannungsquelle betriebenen zweiten Wechselrichter (6) gilt, dass
2.GKL/1.GKL größer oder gleich 2 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Wechselrichter (6) Wirk- und Blindleistung an dem Netzanschlusspunkt (2) eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger zweiter Wechselrichter (6) der Photovoltaikanlage (1 ) als Spannungsquelle betrieben wird.
4. Photovoltaikanlage (1 ) zur Durchführung des Verfahrens zum Einspeisen von elektrischer Leistung der Photovoltaikanlage (1 ) über einen Netzanschlusspunkt (2) in ein Wechselstromnetz (3) geringer Kurzschlussleistung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mindestens ein gleichspannungsseitig an einen Photovoltaikgenerator (8) und wechselspannungsseitig an den Netzanschlusspunkt (2) angeschlossener erster Wechselrichter (5) der Photovoltaikanlage (1 ) als Stromquelle ausgebildet ist und ein an den Netzanschlusspunkt (2) angeschlossener zweiter Wechselrichter (6) der Photovoltaikanlage (1 ) als Spannungsquelle ausgebildet ist
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Wechselrichter (5) gleichspannungsseitig über einen ersten Gleichspannungszwischenkreis (7) mit einer ersten Zwischenkreiskapazität an den Photovoltaikgenerator (1 ) angeschlossen ist und dass der zweite Wechselrichter (6) gleichspannungsseitig an einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis (9) mit einer gegenüber der ersten Zwischenkreiskapazität um mindestens 100 % erhöhten zweiten Zwischenkreiskapazität angeschlossen ist.
5. Photovoltaikanlage (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wechselrichter (6) ein bidirektionaler Wechselrichter ist.
6. Photovoltaikanlage (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Gleichspannungszwischenkreis (9) eine Lithiumionenbatterie (12) und/oder ein Superkondensator angeschlossen ist.
7. Photovoltaikanlage (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Gleichspannungszwischenkreis (9) ein weiterer Photovoltaikgenerator (13) angeschlossen ist.
8. Photovoltaikanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselstromnetz (3) dreiphasig ist und dass der zweite Wechselrichter (6) ein dreiphasiger Wechselrichter ist.
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