DE102004059100A1 - Monitoring process for decentralized energy units with inverters feeding low voltage mains generates ideal sinusoidal current with fundamental outside mains value - Google Patents

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Abstract

A monitoring process for decentralized energy units each connected to an inverter and feeding a low voltage mains comprises preventing unwanted "island" effects by generating a sinusoidal ideal current (A) of fundamental outside permitted mains value (49.9-50.2 Hz) and with oscillation independent of mains voltage phase.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen von dezentralen Energieerzeugungsanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiges Verfahren ist allgemein bekannt.The The invention relates to a method for monitoring distributed power generation plants according to the generic term of the claim. Such a method is well known.

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.at decentralized power generation plants, powered by inverters in the low voltage grid of Supplying energy supply companies (RUs) needs to be maintained the security of unwanted island operation reliably prevented become. In the past, the RUs demanded a release point that was always accessible to them, by the maintenance or disturbances of the entitled persons Could disconnect the feed-in system from the grid.

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 passiveWith increasing number of decentralized power generation plants, in particular also combined heat and power plants (CHP) and photovoltaic systems, this is Unlockable but unprofitable. Imagine, each family house would have one Self-installation system installed, so the time required for unlocking All feeding power generation plants from the respective local network area associated with a high expenditure of time and personnel. Therefore demands the VDEW (Association of German Electricity Works) for automatic Solutions. For that was first applied the method of three-phase grid monitoring. It deals this is a purely 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.Method because the network sizes are not affected by the meter. It monitors the amplitude of the chained voltage of the three outer conductors and the frequency. For voltage deviations outside the tolerance range 0.85 U nominal <U <1.10 U nominal and frequency deviations of +/- 0.2 Hz from the nominal value (50 Hz in Europe), the power generation system must disconnect from the mains within 0.2 s. This method is quite simple to implement and suitable for all types of power generation systems (eg synchronous or asynchronous generators or inverters for photovoltaic systems). However, it has a crucial shortcoming. If there is a balance between the sum of the generated power and the power taken off by local loads, this will not change the parameters "Voltage" and "Frequency" to be monitored after activation of the local network, as a result of which the system will not switch off and intervene Avoid unwanted island operation, which represents a significant health hazard. For example, a fuel cell provides an electric power of 4 kW el , which is fed by an inverter in grid parallel operation in the low voltage grid of the RU. At the same time, a consumer, eg a heater, with a load of 4 kW is connected to the supply area. If the local grid switch-disconnector is now opened for maintenance purposes, the load will be consumed by the load from the inverter; Due to the power balance, there is no switch-off criterion for the inverter, so that voltage is applied even after opening the local network switch-disconnector in the local network. This condition is called unwanted island operation. Yet another drawback exists: This method is not intrinsically safe, ie if the grid monitoring is faulty, the decentralized power generation facility will not be shut down, which requires retesting for the function.

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.
In order to avoid these disadvantages, one has additionally introduced the measurement of the network impedance. It is an active method. The meter influences the grid sizes and derives the grid impedance from them. One way is the following:
In the area of the zero crossing of the mains AC voltage, the meter gives a constant current value as an impulse to the mains. The zero crossing now shifts in time until the network in turn compensates for this current to zero by building up the voltage of reverse polarity. This time shift is a measure of the network impedance and can be calculated. The draft standard of VDE 0126 provides the method of impedance measurement as the most reliable way of preventing unwanted island operation, both in single-phase systems and in three-phase systems. Compared to the three-phase voltage and frequency monitoring, the impedance measurement has the advantage that it reliably prevents unwanted island operation and is intrinsically safe, which is why retesting is not required. Nevertheless, the following problems arise:
  • 1. An active method for measuring network impedance is associated with increased harmonic distortion and leads to incorrect measurements in the case of a lack of synchronization of several inverters in the same local network (common transformer station). In addition, current pulses for the purpose of impedance measurement contradict the RU's requirement for low-sine.
  • 2. A fixed threshold for network impedance makes little sense from a technical and economic point of view. An inverter with 1kVA AC power does not need to be connected as low impedance as a SkVA inverter.

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.The The object of the invention is another possibility to prevent the unintentional island operation and in particular Three-phase inverter systems even in the small power range (<4.6 kVA) without accessible at any time To be able to operate the activation point.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The Invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. It shows:

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; 1 An electrical diagram of groups ("strings") of series-connected photovoltaic modules, each followed by a DC intermediate circuit ("string converter"), wherein the outputs of all string converters are connected in parallel and lead to a common inverter;

2 ein elektrisches Schaltbild eines mit den Stringkonvertern eingangsseitig verbundenen Wechselrichters, welcher in ein Energieversorgungsnetz einspeist; 2 an electrical circuit diagram of an input connected to the string converters inverter, which feeds into a power grid;

3 ein Blockschaltbild eines aus 256 Wechselrichtern bestehenden Grundgerätes; 3 a block diagram of a consisting of 256 inverters basic unit;

4 ein detailliertes Blockschaltbild eines Wechselrichters nach 2, und 4 a detailed block diagram of an inverter after 2 , and

5 Zeitdiagramme von Spannungen und Steuerimpulsen innerhalb des detaillierten Blockschaltbildes eines Wechselrichters nach 4. 5 Timing diagrams of voltages and control pulses within the detailed block diagram of an inverter after 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.In 1 Parallel groups ("strings") are each represented by a number of series-connected photovoltaic (PV) modules PVM1.1 to PVM1.x .... PVMn.1 to PVMn.y Each group of PV modules is a DC-DC converter or DC intermediate circuit (in the following "string converter") SK 1 ..... SK n downstream, which takes over the MPP tracking. MPP (= maximum power point) tracking is the operation of the solar modules in their individual maximum power point in order to achieve optimum power generation of the individual PV modules. For MPP tracking, each string converter SK 1 to SK n has an MPP computer MPP 1 to MPP n , which is provided with a power supply unit and a modem in order to communicate with the operation management computer BFR to be described via a separate line.

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 The outputs "ZK plus ", "PE", "Data" and "ZK minus " of the string converters SK 1 to SK n are connected in parallel and lead to a common, in 3 shown inverter device 100 , which takes over the function of the sinusoidal transformation of the DC link power into the network. At an in 3 schematically illustrated basic unit 100 A maximum of 256 inverters WR1 to WR256 with a capacity of 1.5 kVA or 5 kVA (also mixed) can be managed. This can be per basic unit 100 Services from 1.5 kVA to max. Cover 1280 kVA in 1.5 kVA steps. Further power increases are due to the master-slave combination of a maximum of sixteen basic units 100 possible. Inverters WR1 to WR256 of each basic unit 100 are controlled via an internal device bus IGB of a common operation management computer BFR and behave purely passive with respect to the feed-in, since the management computer BFR is superior to them as a master. The operation management computer BFR is responsible for the control, the measurements of all relevant measured variables, the communication with internal and external data terminals (modem, PC, data logger, fax alarm ...) as well as the feed-in authorization. The following variables are recorded for this: Network: Phase voltages of the chained 3 outer conductors R, S, T versus N Mains frequency rotating field Intermediate circuit (ZK): DC link voltage ZK plus to minus ZK DC link voltage ZK plus against PE (earth) ZK DC link voltage minus against PE (earth) data line D against ZK minus differential current measurement ZK plus / minus ZK Ground fault sensors: Cabinet temperature global radiation outdoor temperature

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.The structure described above with up to 256 inverter modules and a maximum of 30000 string converters SK is in principle out of the DE 101 36 147 A1 known.

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.For the task-specific prevention of unwanted island operation, the interaction of inverters WR and operation management computer BFR is to be considered below, which is why the function of the string converter SK will not be discussed in more detail. The basic circuit structure of a 3-phase inverter WR is in 2 shown. These are 6-pulse current-fed push-pull converters with all active and passive components necessary to achieve grid-compliant power quality. How further 3 shows, the inverters WR1 to WR256 are connected in parallel on the input side (of the string converters SK forth) and on the output side (towards the grid). Network connection, power control and data transmission takes place in the master-slave principle, whereby the operation management computer BFR is always master.

Für die Netzzugangsberechtigung ist eine Fülle von Voraussetzungen erforderlich, wobei im Folgenden nur auf die Voraussetzungen eingegangen werden soll, die den ungewollten Inselbetrieb verhindern.For the network access authorization is a wealth conditions are required, with the following referring only to the Prerequisites should be received, the unwanted island operation prevent.

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.As the 2 and 4 show, each inverter WR has its own WR control computer 10 passing through the internal device bus IGB ( 2 ) is connected to the (for all 256 inverters WR1 to WR256) common operation control computer BFR. As 4 shows in more detail generates the WR-internal control computer 10 for the three phases a normalized sine current setpoint phase-shifted by 120 °. This normalized sine current setpoint is in 5 indicated as curve A. As a result of this normalized sine current setpoint, the current quality is independent of the quality of the phase voltages. This fundamental wave of the standardized sinusoidal current setpoint has a frequency of 49.65 Hz and is thus outside the permissible value for the mains parallel operation of 49.8 ... 50.2 Hz for the mains frequency of 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.Would the Inverter WR working in island operation, in the case arises the power balance between generated and consumed Performance one for the operations management computer BFR assumed network frequency of 49.65 Hz (i.e., the frequency the normalized sine wave).

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.Now, in regular network operation, the inverter WR is supposed to work at mains frequency and to obtain a high active power component with cos = 1. For this reason, the operation control computer BFR sends to synchronize the sine fundamental wave of the inverter WR with the network to all WR internal control computer 10 a sync pulse in 5 is indicated as curve B and in turn depends on the mains frequency and the phase position of the mains voltage. This will be how 4 shows the management computer BFR from the entrance of the network 60 the values f (mains frequency), U (mains voltage), i (mains current) and cos phi (active power) are supplied. Once the WR internal control computer 10 receive this sync pulse, the output of the normalized sine current setpoints runs in phase with the power grid 60 , For power regulation, this normalized sinusoidal current setpoint is multiplied by a setpoint I soll provided by the operation control computer BFR ( 4 ), whereby the amplitude of the setpoint of the power to be fed is adjusted. Since the frequency of the synchronizing pulse coincides with the line frequency f and thus is higher than the natural frequency of the inverter WR, the synchronization takes place in the normalized sinusoidal current setpoint at the moment (curve A of FIG 5 ) at the output of the WR internal control computer 10 small amplitude jumps, which in the curve A of 5 for clarity greatly exaggerated. To avoid such current jumps, is how 4 shows, the WR control computer 10 a PI power regulator 20 connected downstream with a corresponding I-component whose reset time is at least as large that such current jumps are reliably compensated. At the output of the PI Stromgütereglers 20 results in a virtually clutter-free, with the power grid 60 in-phase Sine current setpoint with mains frequency (curve C in 5 ). This sinusoidal current setpoint is via a pulse-width modulation stage 30 to the power amplifier 40 inverter inverter WR. About a sine filter 50 feeds the power amplifier 40 of the inverter WR in the power grid 60 , In front of the output of the inverter WR is a power disconnect switch 70 arranged.

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.As long as the power grid 60 with its lower impedance compared to the inverter WR (Z grid <Z WR imposes the inverter WR its mains frequency, the management computer BFR recognizes this grid frequency and as long as this is in the allowable range (49.8 ... 50.2 Hz) receive the Inverter WR will disconnect from the grid, otherwise they will be disconnected from the grid within 0.2s The state of grid release is indicated by the curves A, B and C in the left half of 5 indicated. If the network impedance Z network exceeds the inverter impedance Z WR by a level at which the inverter WR is no longer forced to the mains frequency (Z network > Z WR) , the frequency of the inverter WR drops to its natural frequency of 49.65 Hz, which drops detects the operation control computer BFR as a fault and triggers a shutdown of the inverter WR through the power disconnect switch 70 out. The fall of the frequency of the inverter WR to its natural frequency of 49.65 Hz is represented by the curves A, B and C in the right half of FIG 5 indicated. As a result, the network impedance is indirectly monitored with the described method, wherein the impedance values, in contrast to the above-mentioned draft standard VDE 0126 are not static, but the network impedance must each be smaller than the source impedance of the inverter 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.For safety reasons, the frequency of the sync pulses (curve B in FIG 5 ) of each inverter WR separately measured to detect errors due to line break, other defects, deviations from the permissible frequency window (range 49.8 ... 50.2 Hz) ...) and optionally independent separation of the inverter WR from the power grid 60 through the power disconnector 70 perform; this condition is reported to the operation management computer BFR from the inverter WR. In this way, there is a security redundancy, since in case of failure, both the operation management computer BFR and the inverter WR independently cause a network separation.

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.
The method according to the invention explained above works very reliably and has the following advantages:
  • 1. The switch-off criterion "grid impedance" is not bound to any static threshold value As with the supply of power from the power grid, the AC line system as well as upstream fuses do not have to be oversized.
  • 2. The risk of false shutdowns due to inappropriate network impedance is significantly reduced.
  • 3. In contrast to the above-mentioned draft standard VDE 0126, in which impedance jumps of 0.5 V / A must inevitably lead to shutdown, provide such impedance jumps (which are not uncommon in the industry's energy supply networks) is not a necessary shutdown criterion.
  • 4. The secure operation of the process requires no further expensive hardware components.

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.It understands that the inventive method is not limited to 3-phase inverters, but just as well for all Single or multi-phase inverters in grid parallel operation on the low-voltage grid is applicable. The sine current setpoint of the inverter can also above the mains frequency or the permissible value range of 48.8 are up to 50.2 Hz.

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.It is further understood that the inventive method not on power generation plants with DC link limited is. Rather, you can any inverter, both single-phase or multi-phase for the inventive method be used. For example, so-called string inverters or central inverter without departing from the spirit be used. About that In addition, not only photovoltaic modules come but just as fuel cells, wind generators, hydropower plants or combined heat and power plants, if they are with downstream Inverters are operated.

Claims (5)

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.Method for monitoring decentralized power generation plants, which in network parallel operation in a low-voltage grid ( 60 ) of a power supply company, each power generation plant being connected to an inverter (WR), which in turn is connected to the low-voltage grid ( 60 ), characterized in that to prevent unwanted island operation each Wech Inverter (WR; 4 ) a sine current setpoint (curve A in 5 ), whose fundamental wave is not derived from the mains voltage, but outside the permissible frequency range for the feed-in operation (49.8 ... 50.2 Hz) of the mains frequency (50 Hz) and oscillates freely regardless of the phase of the mains voltage. 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.Method according to Claim 1, characterized by an operation management computer (BFR) which generates a synchronization pulse (curve B in FIG 5 ) with the mains frequency, which synchronizes the phase of the or the free-running sine current setpoint (s) of the inverter (s) to the phase position of the mains voltage. 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.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that each inverter (WR) has a PI current-output regulator ( 20 ) having an I component, which corrects the amplitude jumps occurring at the time of synchronization in the sinusoidal current setpoint of the inverter (WR) to a steady setpoint value. 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.Method according to claim 2 or 3, characterized that the frequency of the sine current setpoint of each inverter (WR) from the operations management computer Monitored (BFR) is, and that in case of deviation from a permissible for the feed frequency range (49.8 Hz ... 50.2 Hz) the inverter (WR) has the network access authorization is withdrawn. 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.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that within each inverter (WR), the frequency of the sync pulse is monitored, and that an inverter in case of failure independently from the power grid ( 60 ) separates.
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