-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie sowie eine Einspeiseeinheit umfassend eine solche Vorrichtung, wie bspw. eine Windenergieanlage, eine Ladestation für Elektroautos oder eine Photovoltaikanlage, eine Kopfstation einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung bzw. ein leistungselektronischer Container, insbesondere zur Anbindung von Batterien oder anderen Speichermedien.
-
Im Bereich der elektrischen Energieversorgung wird elektrische Energie häufig mittels elektrischer Wechselrichter in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist, wie es bspw. bei einer Windenergieanlage der Fall ist.
-
Die hierfür erhältlichen Wechselrichter weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die den zukünftigen Anforderungen des elektrischen Versorgungsnetzes noch nicht gerecht werden.
-
So sind Wechselrichter bspw. nur bedingt fähig dem Netz bei bestimmten Netzfehlern die gleiche Stützung zu liefern, wie dies traditionell von Synchrongeneratoren bereitgestellt wird, bspw. von konventionelle Kraftwerken.
-
Dies kann bspw. daran liegen, dass die dazugehörige Steuereinheit den Netzfehler zunächst messtechnisch erkennen muss, und erst danach, d.h. mit einer gewissen Zeitverzögerung, netzstützend reagieren kann.
-
Ferner kann es auch sein, dass der Wechselrichter selbst technisch nicht dazu ausgelegt ist, dem Netz bei Auftreten eines bestimmten Netzfehlers die gleiche Stützung zu gewähren, wie ein Synchrongenerator, z.B. wenn die benötigte Energiezufuhr zum Wechselrichter für die gewünschte Stützung des Netzfehlers schlicht nicht ausreicht.
-
In solchen Fällen ist die Einspeiseeinheit dann nicht dazu geeignet, das elektrische Versorgungsnetz entsprechend zu stützen und somit stellt diese aus Sicht des elektrischen Versorgungsnetzes dann auch keinen vollwertigen Ersatz gegenüber einem Synchrongenerator in einem konventionellen Kraftwerk dar.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, zumindest eines der oben genannten Probleme zu adressieren, insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, konventionelle Kraftwerke durch dezentrale Einspeiser bzw. Einspeiseeinheiten, wie bspw. Windenergieanlagen, möglichst vollwertig zu ersetzen. Zumindest soll eine Alternative zu bisher bekannten Lösungen und Verfahren für bzw. in Wechselrichtern vorgeschlagen werden.
-
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie in ein dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz vorgeschlagen, wobei das elektrische Versorgungsnetz eine Netzspannung und eine Netzfrequenz aufweist und durch eine Netznennspannung und eine Netznennfrequenz gekennzeichnet ist.
-
Die Vorrichtung selbst umfasst hierfür wenigstens einen Wechselrichter, eine Gleichspannungsquelle und eine Steuereinheit.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Energie Bestandteil einer Windenergieanlage oder einer Ladestation für Elektroautos oder einer Photovoltaikanlage oder einer HGÜ-Strecke, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), oder einer Einspeiseeinheit, die auf der einen Seite mit einem wie auch immer gearteten Energiespeicher verbunden ist, und auf der anderen Seite mit dem elektrischen Versorgungsnetz, um das elektrische Versorgungsnetz mit Leistung zu versorgen bzw. das elektrische Versorgungsnetz überhaupt erst zu bilden, also es unter Spannung zu setzen oder in Netzfehlerfällen stützen, bspw. durch Wirk- und Blindleistungsstellung oder um die Frequenz und die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes in gewünschten Grenzen zu halten.
-
Der Wechselrichter der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der auch ein Wechselrichtermodul sein kann, ist durch eine Nennleistung gekennzeichnet und weist einen Wechselrichtereingang sowie einen Wechselrichterausgang auf.
-
Der Wechselrichterausgang ist hierbei dazu vorbereitet einen vorbestimmten Maximalstrom zu führen und ferner dazu eingerichtet, mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden zu werden, bspw. einem dreiphasigen, elektrischen Versorgungsnetz mit einer Netznennfrequenz von z.B. 50 Hz oder 60 Hz. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wechselrichterausgang hierfür ebenfalls dreiphasig ausgebildet und bspw. über einen Transformator mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden.
-
Der Wechselrichtereingang ist hingegen dazu eingerichtet, mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Diese kann ihrerseits aus verschiedensten Quellen mit Leistung gespeist sein, z.B. Batterien, PV-Modulen, Brennstoffzellen etc.
-
Der Wechselrichter selbst ist also über den Wechselrichtereingang mit einer Gleichspannungsquelle und über den Wechselrichterausgang mit einem Wechselspannungsnetz verbunden.
-
Der Wechselrichter ist somit so mit der Gleichspannungsquelle verbunden, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und dem elektrischen Versorgungsnetz mindestens in eine, bevorzugt in beide Richtungen, ausgetauscht werden kann.
-
Die Gleichspannungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zudem als elektrischer Speicher ausgebildet und durch eine maximale elektrische Leistung und einen Energieinhalt gekennzeichnet.
-
Bevorzugt ist die Gleichspannungsquelle hierfür als elektrische Batterie ausgebildet, vorzugsweise mit mehreren Modulen.
-
Bspw. ist die erfindungsgemäße Vorrichtung Bestandteil einer Windenergieanlage.
-
In diesem Fall ist der Wechselrichter bspw. über einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Gleichrichter verbunden, der wiederum vorzugsweise mit dem elektrischen Stator des Generators der Windenergieanlage verbunden ist. Hierfür ist der Wechselrichter bevorzugt in der sogenannten „Back-to-Back“ Form ausgebildet, wobei insbesondere ein aktiver Gleichrichter vorgesehen ist und bevorzugt der aktive Gleichrichter, der Zwischenkreis und der Wechselrichter in einem Gehäuse untergebracht sind. Im Gleichspannungszwischenkreis ist dann bspw. die Gleichspannungsquelle angeordnet, die über den Gleichspannungszwischenkreis mit dem Wechselrichtereingang des Wechselrichters so verbunden ist, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter ausgetauscht werden kann. Der Wechselrichter selbst kann somit insbesondere dazu verwendet werden im Falle eines Fehlers im elektrischen Versorgungsnetz elektrische Energie aus der Gleichspannungsquelle zu entnehmen und diesen dem elektrischen Versorgungsnetz zuzuführen, um dem Fehler zu begegnen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu eingerichtet im Falle eines Netzfehlers Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz zu entnehmen und diese in die Gleichspannungsquelle zurück zu speisen, insbesondere dann, wenn dies netzdienlich ist. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass sie Vorrichtung dazu eingerichtet ist in einem 4-Quadraten-Betrieb zu arbeiten, also Wirk- und/oder Blindleistung auf- und/oder abzugeben.
-
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird in Abhängigkeit eines Winkels zwischen Netzspannung und Wechselrichterspannung, der Stellbereich des Wechselrichters, also der entsprechende Quadrant der Einspeisung ausgewählt. Es wird somit auch vorgeschlagen, dass die Wirk- und/oder Blindleistungsaufnahme und oder -abgabe in Abhängigkeit eines Winkels zwischen Netzspannung und Wechselrichterspannung eingestellt wird.
-
Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter, insbesondere den Wechselrichterausgang anzusteuern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit hierfür sowohl signalleitend mit dem Wechselrichter als auch signalleitend mit der Gleichspannungsquelle verbunden, insbesondere um eine vorbestimmte elektrische Leistung aus der Gleichspannungsquelle zu entnehmen und diese dem elektrischen Versorgungsnetz mittels des Wechselrichters zuzuführen.
-
Die Steuereinheit ist zudem ferner dazu eingerichtet, wenigstens den Wechselrichter so anzusteuern, dass dieser wenigstens eine der nachfolgend beschriebenen Funktion aufweist. Hierzu wird insbesondere auch vorgeschlagen, dass der Wechselrichter entsprechend so eingerichtet ist, dass dieser diese Funktionen auch umsetzen kann, also die entsprechende Hardware aufweist, wie bspw. entsprechende Halbleiter, die diese Funktionen auch umsetzen können, insbesondere die entsprechenden Ströme führen können.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung, also insbesondere die Steuereinheit und der Wechselrichter, mehrere dieser nachstehend beschriebenen Funktionen auf. Der Wechselrichter weist somit neben seiner eigentlichen Funktion eines Wechselrichters noch wenigstens eine der nachstehend beschriebenen zusätzlichen Funktionen auf.
-
Funktion a) eine, insbesondere schnelle, Leistungsantwort auf eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass sowohl die Steuereinheit als auch der Wechselrichter dazu eingerichtet sind, eine Einprägung dreier sinusförmiger Spannungen oder Ströme mit einer festen Grundfrequenz vorzunehmen. Diese feste Grundfrequenz ist typischerweise die Grundwelle der Netzfrequenz, also z.B. 50Hz oder 60 Hz. Es wird also insbesondere vorgeschlagen, dass im Falle einer Störung der bis dahin sinusförmigen Netzspannungen die vom Wechselrichter eingeprägten sinusförmigen Spannungen so unverändert beibehalten werden, dass sich allein durch die Störung der Netzspannungen eine veränderte Vektordifferenz zwischen den Netzspannungen und den eingeprägten Spannungen oder Strömen in Phasenwinkel und Amplitude ergibt. Diese Reaktion erfolgt insbesondere schnell bzw. unverzögert, also innerhalb weit weniger einer Netzperiode, bspw. innerhalb einer halben Netzperiode oder einer viertel Netzperiode. Die Funktion a) steht somit der Funktion von RoCoF-Relais diametral gegenüber, da RoCoF-Relais ab einem vorbestimmten Wert den Erzeuger vom elektrischen Versorgungsnetz trennen. Die vorliegende Erfindung hingegen sieht vor, den Erzeuger, also die Vorrichtung, durchgängig am elektrischen Versorgungsnetz zu betreiben, insbesondere unter Berücksichtigung des entsprechenden Netzfehlers.
-
Funktion b) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort auf eine Spannungsstörung im elektrischen Versorgungsnetz.
-
Es wird somit insbesondere eine Stromantwort vorgeschlagen, die auf wie unter Funktion a) beschriebene Störungen der Netzspannungen einwirkt, ohne dass ein Mess- oder Regelungsverfahren aktiv eingreifen muss. Auch hierbei handelt es sich insbesondere um eine schnelle bzw. unverzögerte Reaktion, also innerhalb einer Netzperiode, bspw. innerhalb einer halben Netzperiode oder einer viertel Netzperiode. Es wird somit ferner insbesondere vorgeschlagen, dass die Änderung eines Stromflusses aufgrund der Vektordifferenz zwischen den Netzspannungen und den eingeprägten Spannungen nur durch die Induktivitäten auf dem Weg des Stromes begrenzt wird, sowie durch eventuelle Grenzen der Stromänderungsgeschwindigkeit in der Gleichspannungsquelle.
-
Funktion c) eine, insbesondere schnelle, Stromantwort, auf eine Netzstörung, bei der der Maximalstrom nicht überschritten wird.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass der Wechselrichter eine Stromantwort aufweist, die im weiteren zeitlichen Verlauf nach einem geeigneten Steuerverfahren, insbesondere unter Zuhilfenahme von Mess- oder Regelungsverfahren, so angepasst wird, dass der Maximalstrom des Wechselrichters zu keinem Zeitpunkt überschritten wird. Auch ist das Steuerverfahren dabei so gewählt, dass der Energiespeicher des Wechselrichters, also die Gleichspannungsquelle, nicht vollständig entladen oder überladen wird. Es wird also insbesondere vorgeschlagen die Stromantwort des Wechselrichters nicht mittels geeigneter Bauteile zu begrenzen, sondern die Steuerfunktion anhand von zulässigen Belastungen des Wechselrichters und der Gleichspannungsquelle zu auszuwählen, dass weder der Wechselrichter noch die Gleichspannungsquelle im Fehlerfalls des elektrischen Versorgungsnetzes überlastet werden. Die Vorrichtung ist somit bevorzugt dazu eingerichtet, Störungen von Netzspannung im elektrischen Versorgungsnetz ohne Trennung vom Netz zu durchfahren und unverzögert einen Strom mit dem Netz auszutauschen, der netzdienlicher ist, als bei bisher üblichen Verfahren, weil das erfindungsgemäße Verfahren dem Verhalten eines Synchrongenerators ähnlicher ist.
-
Der Eingriff des genannten Steuerverfahrens zur Begrenzung der Stromantwort erfolgt somit je nach aufgetretenem Netzfehler unterschiedlich schnell. Beispielsweise bei einem starken Spannungseinbruch mit einer geringen Rest-Amplitude der Netzspannung steigt die Differenzspannung zwischen den eingeprägten Spannungen des Wechselrichters und der Rest-Amplitude der Netzspannung sehr stark.
-
Funktion d) eine Phasensprungfähigkeit, die ein Durchfahren eines Phasensprunges der Netzspannung um wenigstens 20° erlaubt.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung, also insbesondere der Wechselrichter, dazu eingerichtet ist, am elektrischen Versorgungsnetz weiter betrieben zu werden bzw. die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass sie weiter betrieben werden kann, insbesondere ohne eine Trennung der Vorrichtung vom elektrischen Versorgungsnetz und unter Einspeisung eines netzdienlichen Stromes, insbesondere trotz eines Phasensprunges der Netzspannung. Die Vorrichtung ist somit bevorzugt dazu eingerichtet, Phasensprünge der Netzspannung im elektrischen Versorgungsnetz zu durchfahren. Die Funktion d) steht somit der Funktion eines Vektorsprung-Relais diametral gegenüber, da ein Vektorsprung-Relais ab einem vorbestimmten Wert der sprunghaften Änderung der Phasenlage der Netzspannung den Erzeuger vom elektrischen Versorgungsnetz trennt. Die vorliegende Erfindung hingegen sieht vor, den Erzeuger, also die Vorrichtung, durchgängig am elektrischen Versorgungsnetz zu betreiben, insbesondere unter Berücksichtigung des entsprechenden Netzfehlers.
-
Unter einem Phasensprung sind hierbei insbesondere Winkelsprünge der Netzspannung in beide Richtungen zu verstehen, also sowohl in positiver als auch in negativer Richtung.
-
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung wenigstens dazu eingerichtet Phasensprünge von wenigstens 30° zu durchfahren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform von wenigstens 170°.
-
Funktion e) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, Oberschwingungen im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren;
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung, also insbesondere der Wechselrichter, dazu eingerichtet ist, eine Einprägung elektrischer Spannungen und/oder eine Einspeisung elektrischer Ströme vorzunehmen, um im elektrischen Versorgungsnetz vorgefundene Oberschwingungen der Spannungen oder Ströme zu minimieren.
-
Unter Oberschwingungen sind dabei insbesondere lokale Phänomene zu verstehen, die dazu führen, dass der Strom bzw. die Spannung keinen idealen Sinus aufweisen. Oberschwingung weisen hierbei meist eine Grundfrequenz auf, die oberhalb der Netznennfrequenz liegt.
-
Funktion f) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, Spannungsunsymmetrien im elektrischen Versorgungsnetz zu minimieren.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung, also insbesondere der Wechselrichter, dazu eingerichtet ist, eine Einprägung elektrischer Spannungen und/oder eine Einspeisung elektrischer Ströme vorzunehmen, um im elektrischen Versorgungsnetz vorgefundene Unsymmetrien der Spannungen oder Ströme zu minimieren. Bevorzugt wird hierfür eine nachstehend beschriebene Steuerfunktion verwendet.
-
Funktion g) eine Einspeisung elektrischer Leistung, die dazu vorgesehen ist, eine Dämpfung von Netzschwingungen, insbesondere von Leistungspendelungen, bevorzugt von niederfrequenten oder subsynchronen Leistungspendelungen, im elektrischen Versorgungsnetz vorzunehmen.
-
Unter Netzschwingungen sind dabei Schwingungen der Polräder verschiedener Kraftwerke untereinander oder auch Schwingungen von Regelungen gegeneinander zu verstehen, die zu periodischen Änderungen der Frequenz und der Leistungsflüsse führen. Hierbei handelt es sich zumeist um großräumige, sehr seltene Phänomene mit nur schwacher Dämpfung. Diese Schwingungen können auch als inter area oscillations bezeichnet werden.
-
Vorzugsweise ist der Wechselrichter durch einen Nennstrom gekennzeichnet und so ausgelegt ist, dass die physikalische Belastungsgrenze des Wechselrichters größer gleich dem 1,0-fachen, besonders bevorzugt dem 1,5-fachen, des Nennstromes ist.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Vorrichtung gegenüber dem Normalbetrieb überdimensioniert ist, um sämtlich Netzfehler entsprechend durchfahren zu können. Die Vorrichtung wird somit insbesondere anhand der zu durchfahrenden Fehlerfälle und nicht anhand der Nennleistung ausgelegt.
-
Vorzugsweise sind der Wechselrichter und außerdem oder alternativ die Gleichspannungsquelle und außerdem oder alternativ die Steuereinheit so eingerichtet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung spannungsprägend ausgeführt ist.
-
Es wird somit insbesondere eine spannungsprägende Vorrichtung zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz vorgeschlagen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, an ihrem Netzanschlusspunkt ein symmetrisches Drehspannungssystem einzuprägen, insbesondere rein sinusförmig mit ausschließlich der gewünschten Grundschwingung vorzugeben und diese bevorzugt auch zu halten.
-
Vorzugsweise ist die Gleichspannungsquelle wenigstens so dimensioniert, dass der Wechselrichter für wenigstens 0,5 Sekunden, bevorzugt für wenigstens 1 Sekunde, besonders bevorzugt für wenigstens 10 Sekunden, seine Nennleistung bereitstellen kann, insbesondere unter ausschließlicher Verwendung der Gleichspannungsquelle.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen die physikalische Dimensionierung der Gleichspannungsquelle und des Wechselrichters ferner unter Berücksichtigung der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen a) bis g) so vorzunehmen, dass der Wechselrichter wenigstens kurzzeitig eine der Funktionen a) bis g) unter voller Nennleistung und unter ausschließlicher Verwendung der Gleichspannungsquelle sicherstellen kann. Die Vorrichtung ist somit zum einen besonders netzdienlich ausgeführt und zum anderen auf Netzfehler hin so ausgelegt, dass die Vorrichtung wenigstens kurzzeitig und insbesondere autonom das elektrische Versorgungsnetz stützten kann. Erfindungsgemäß wurde nämlich erkannt, dass eine solche Auslegung bei genügend großer Anwendung der vorliegenden Erfindung, bspw. durch 100 Windenergieanlagen, eine Netzstützung durchgeführt werden kann, die der eines konventionellen Kraftwerks nahe- bzw. gleichkommt. Sofern also die erfindungsgemäße Vorrichtung großflächig Anwendung findet, ist ein stabiler Netzbetrieb unter ausschließlicher Verwendung dezentraler und vor allem wechselrichterbasierter (erneuerbarer) Energien technisch sinnvoll und sicher realisierbar.
-
Vorzugsweise wird ferner vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle wenigstens eine Partition aufweist, die einer der Eigenschaften a) bis g) zugeordnet ist.
-
Es wird somit vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle elektrische Leistung für die obengenannten Funktionen zurückhält, die nur zur Anwendung dieser Funktionen freigegeben wird.
-
Bspw. weist die Vorrichtung die Funktionen a) und b) auf. Dann weist die Gleichspannungsquelle wenigstens eine erste Partition für die Funktion a) mit einem vorbestimmten Energieinhalt auf und eine zweite Partition für die Funktion b) mit einem vorbestimmten Energieinhalt. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle aus mehreren Kapazitäten besteht, die den bestimmten Funktionen zugeordnet sind. So kann bspw. die Gleichspannungsquelle 5 Batteriemodule aufweisen, von denen eines für die Funktion a) ist, eines für die Funktion b) ist und drei weitere, die zur freien Verfügung stehen. Hierdurch wird insbesondere sichergestellt, dass das die Vorrichtung die Funktionen jederzeit ausführen kann, insbesondere auch dann, wenn im Falle einer Windenergieanlage bspw. kein Wind weht, also die Windenergieanlage selbst keine elektrische Leistung erzeugen kann.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die entsprechenden Partitionen mittels der Hardware implementiert sind. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass die entsprechenden Batterien ihrer entsprechenden Funktion nach gewählt werden können.
-
Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, wenigstens einer Eigenschaft der Eigenschaften a) bis g) einen Speicherinhalt der Gleichspannungsquelle zu reservieren.
-
Es wird somit ebenfalls vorgeschlagen, dass die Partitionen, also das reservieren von einer vorbestimmten Menge elektrischer Energie, mittels der Steuereinheit erfolgt, also die Partition außerdem oder alternativ mittels Software implementiert ist. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass die entsprechenden Partitionen im laufenden Betrieb der Vorrichtung entsprechend bestimmter Netzsituationen verändert werden können. Bspw. befindet sich ein benachbartes Großkraftwerk in Revision, in diesem Fall würden die Partitionen für die netzstützenden Funktionen entsprechend erhöht werden, um dies zu kompensieren.
-
Vorzugsweise weist die Gleichspannungsquelle wenigstens eines der Liste umfassend auf: wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft c); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft d); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft e); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft f); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g).
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsquelle wenigstens eine Partition für wenigstens eine Funktion des Wechselrichters aufweist. Diese Partition umfasst wenigstens 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle.
-
Es sind somit wenigstens 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle für eine der Funktionen a) bis g) reserviert. In einem Fall weist der Wechselrichter - neben der ohnehin immer als Grundfunktion implementierten Umwandlung der Energie aus der Primärquelle (z.B. Wind, Solarstrahlung etc.) - genau eine zusätzliche Funktion auf und für diese genau eine Funktion sind 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle reserviert. Demnach kann die Vorrichtung über 90% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle frei verfügen, bspw. um vom Netzbetreiber vorgegebene Sollwerte einzuhalten. Die reservierten 10% der Gleichspannungsquelle hingegen werden nur verwendet bspw. um im Netzauftretende Oberschwingungen zu minimieren.
-
In einer weiter Bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens zwei Funktionen der Funktionen a) bis g) auf und die Gleichspannungsquelle entsprechend wenigstens zwei Partitionen, die jeweils wenigstens 10% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle umfassen. In diesem Fall sind also zweimal 10% des Energieinhaltes, insgesamt 20% des Energieinhaltes, für die entsprechenden Funktionen reserviert.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Partition für die Eigenschaft a) größer als die Partition für die Eigenschaft b).
-
Vorzugsweise weist die Gleichspannungsquelle wenigstens eines, bevorzugt wenigstens zweierlei, der folgenden Liste auf, umfassend: wenigstens 50% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a); wenigstens 20% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b); insbesondere wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft e); wenigstens 10% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft g).
-
Es wird somit auch vorgeschlagen, dass wenigstens die Hälfte des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle für die Funktion a) vorgesehen ist. Darüber hinaus ist wenigstens eine Partition für Funktion b) sowie eine Partition für Funktion g) und insbesondere eine Partition für Funktion e) vorgesehen. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, Energie für die systemkritischen Vorgänge zurückzuhalten bzw. für diese etwaigen Fälle vorzuhalten. Die Funktion e) wird insbesondere in schwachen Netzen als systemkritisch angesehen. Sofern die Vorrichtung in starken Netzen verwendet wird, sollte die Vorrichtung bevorzugt nur die Funktionen a), b) und g) und dessen entsprechenden Partitionen aufweisen.
-
Somit weist auch wenigstens der Wechselrichter bzw. die Steuereinheit der Vorrichtung die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen a), b), insbesondere e), und g) auf.
-
Es wurde nämlich erfindungsgemäß erkannt, dass insbesondere eine Kombination dieser wenigstens 4 Funktionen das elektrische Versorgungsnetz besonders gut stützen kann und somit die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut dafür geeignet ist in umrichterdominierten Versorgungsnetzen verwendet zu werden, insbesondere konventionelle Kraftwerke zu ersetzen.
-
Vorzugsweise wird der Wechselrichter hierfür mit einem spannungsprägenden PWM-Verfahren betrieben, insbesondere ohne die Notwendigkeit zu Beginn einer oder mehrerer simultaner Netzstörung a) - g) wie oben aufgeführt, zunächst die Netzspannungen messtechnisch zu erfassen, bevor eine Strom-Reaktion beginnt.
-
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen den Wechselrichter zusätzlich mit einem PWM-Verfahren zu betreiben und zwar insbesondere so, dass der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, im ersten Moment nach Eintreten einer Netzstörung unabhängig von einer gemessenen Netzspannung betrieben zu werden. Der Wechselrichter wird somit so betrieben, dass er eine Spannung ist das elektrische Versorgungsnetz eingeprägt.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, weist das PWM-Verfahren hierfür Spannungs-Sollwerte auf.
-
Erst im weiteren Verlauf der Netzstörung, wenn die intrinsische Stromantwort droht die Grenzen der Bauteile zu erreichen, oder die zwischen Gleichspannungsquelle und Netz ausgetauschte Energiemenge die Grenzen des Gleichspannungsspeichers erreicht, ist eine messtechnische Erfassung der Netzspannung erforderlich, um das weitere Verhalten mittels der Steuereinheit im Sinne der Netzdienlichkeit des Wechselrichters zu optimieren.
-
Vorzugsweise weist die Steuereinheit ferner wenigstens eine Steuerfunktion auf, um den Wechselrichter anzusteuern, nachdem eine der Eigenschaften a) bis g) ausgelöst wurde, wobei die Steuerfunktion einen Verlauf der Liste aufweist, umfassend: einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten; einen linearen Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten; einen Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum.
-
Die Steuereinheit ist somit dazu eingerichtet, den Wechselrichter durchgängig anzusteuern, wobei die Steuereinheit nachdem eine der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen ausgelöst wurde, bspw. durch einen Netzfehler im elektrischen Versorgungsnetz, den Wechselrichter durch eine spezielle Steuerfunktion ansteuert.
-
Diese Steuerfunktion kann entweder einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten, ein linearer Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten oder ein festvorgegebener Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum sein.
-
Die Art der Funktion wird nach der Art und der Schwere des Fehlers bestimmt. Hierfür kann bspw. ein Look-Up-Table in der Steuereinheit vorgesehen sein, der Grenzwerte umfasst, bei deren über- oder unterschreiten eine dieser vorstehend oder nachstehend beschriebenen Steuerfunktionen ausgewählt wird.
-
Vorzugsweise weist der Wechselrichter wenigstens die Eigenschaften a) und b) auf, wobei die Gleichspannungsquelle wenigstens 50% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft a) und wenigstens 20% des Energieinhaltes als Partition für die Eigenschaft b) aufweist, wobei die Steuereinheit jeweils eine Steuerfunktion für die Eigenschaften a) und b) aufweist, wobei die Steuerfunktion einen exponentiellen Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten und/oder einen linearen Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten und/oder einen Sollwert mit einem einstellbaren Zeitraum aufweist.
-
Es wird somit vorgeschlagen, dass die Vorrichtung wenigstens die Funktionen a) und b) aufweist und für wenigstens diese beiden Funktionen ein vorbestimmter Energieinhalt in der Gleichspannungsquelle mittels jeweils einer Partition reserviert ist.
-
Ferner ist auch für jede der Funktionen a) und b) jeweils eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Steuerfunktion hinterlegt.
-
Gemäß dieser Ausführungsform sind nicht mehr als 30% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle zur freien Verfügung der Vorrichtung, insbesondere sind wenigstens 70% des Energieinhaltes der Gleichspannungsquelle für das Begegnen von Frequenz- und Spannungsstörungen im elektrischen Versorgungsnetz vorgesehen.
-
Erfindungsgemäß wird ferner eine Windenergieanlage umfassend eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Vorrichtung vorgeschlagen.
-
Die Windenergieanlage umfasst bspw. einen Generator an dessen Ausgang ein Gleichrichter angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit diesem Gleichrichter und dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden, um die vom Generator erzeugte elektrische Leistung in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen.
-
Erfindungsgemäß wird ferner eine Ladestation für Elektroautos, umfassend eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Vorrichtung, vorgeschlagen.
-
Die Ladestation ist somit wenigstens dazu eingerichtet, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung elektrische Energie zwischen den angeschlossenen Fahrzeugen und dem Netz auszutauschen (Laden oder Entladen der Fahrzeuge) und darüber hinaus das Netz im Falle von Netzfehlern mit besonders netzstützenden Funktionen zu unterstützen.
-
Erfindungsgemäß wird zudem eine Einspeiseeinheit, insbesondere eine Photovoltaikanlage oder eine Kopfstation einer Hochspannungs-Gleichstromübertragung oder ein funktionaler Zusammenschluss einer Vielzahl leistungselektronischer Module, bevorzugt in einem Container konzentriert, für ein elektrisches Versorgungsnetz umfassend eine vorstehend oder nachstehend beschriebe Vorrichtung vorgeschlagen.
-
Die Einspeiseeinheit ist somit insbesondere dazu vorbereitet, zur Anbindung von Batterien oder anderen Speichermedien bzw. weist diese auf.
-
Neben den üblichen Erzeugern, wie Windenergieanlagen oder Kohlekraftwerken, und Verbrauchern, wie bspw. Motoren, gibt es auch noch leistungselektronische Vorrichtung die mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden sind, um zum Beispiel den Blindleistungshaushalt zu regulieren. Diese leistungselektronischen Vorrichtungen erzeugen selber keine Energie und verbrauchen auch keine, bis auf die üblichen Verluste - sie sind also weder Erzeuger noch Verbraucher im klassischen Sinne.
-
Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, einen Container mit Leistungselektronik zu verwenden, der eine vorstehend oder nachstehend beschriebene Vorrichtung aufweist, um, neben dem stationären Betrieb mit z.B. Blindleistungsaustausch zur Spannungshaltung an seinem Netzanschlusspunkt, zusätzlich im Falle von Netzfehlern das elektrische Versorgungsnetz mit besonders netzstützenden Funktionen zu stützten.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere als Bestandteil einer Windenergieanlage.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage 100.
-
Die Windenergieanlage 100 weist hierzu einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel an.
-
Der Generator selbst ist dabei mit einem Gleichrichter verbunden, der wiederum mit einer vorstehend oder nachstehend beschriebenen Vorrichtung verbunden ist, um elektrische Energie in ein dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz einzuspeisen.
-
2 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer Windenergieanlage, wie bevorzugt in 1 gezeigt.
-
Die Windenergieanlage 100 weist einen Generator 120 auf, der, insbesondere statorseitig, dreiphasig mit einem Gleichrichter 130 verbunden ist.
-
Der Gleichrichter 130 erzeugt aus der dreiphasigen Wechselspannung des Generators 120 eine Gleichspannung Udc.
-
Diese Gleichspannung Udc liegt an einem Gleichspannungszwischenkreis an, an dem auch die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 angeschlossen ist.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 zum Einspeisen elektrischer Energie in das dreiphasiges, elektrisches Versorgungsnetz 300, umfasst hierfür wenigstens einen Wechselrichter 210, eine Gleichspannungsquelle 220 und eine Steuereinheit 230.
-
Der Wechselrichter 210 ist durch eine Nennleistung gekennzeichnet und umfasst ferner einen Wechselrichtereingang 212 und einen Wechselrichterausgang 214.
-
Der Wechselrichtereingang 212 ist dazu eingerichtet, mit der Gleichspannungsquelle 220 verbunden zu werden, insbesondere über den Gleichspannungszwischenkreis 140. Der Wechselrichtereingang 212 ist somit auch mit dem Gleichrichter 130 über den Gleichspannungszwischenkreis 140 verbunden.
-
Der Wechselrichterausgang 214 ist dazu eingerichtet, einen vorbestimmten Maximalstrom zu führen und mit dem dreiphasigen, elektrischen Versorgungsnetz 300 verbunden zu werden, bspw. über einen Transformator (nicht gezeigt).
-
Die elektrische Gleichspannungsquelle 220 ist hierfür als elektrischer Speicher ausgebildet und durch eine Kapazität, eine elektrische Leistung und einen Energieinhalt gekennzeichnet. Hierzu weist die Gleichspannungsquelle 220 bevorzugt mehrere Batteriemodule oder Partitionen auf.
-
Zudem ist die Gleichspannungsquelle 220 so mit dem Wechselrichtereingang 212 verbunden, dass elektrische Energie zwischen der Gleichspannungsquelle 220 und dem Wechselrichter 210 ausgetauscht werden kann.
-
Um die Leistungsflüsse zwischen der Gleichspannungsquelle 220 und dem Wechselrichter zu steuern, ist eine Steuereinheit 230 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter 210 so anzusteuern, dass der Wechselrichter wenigstens eine der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Eigenschaften a) bis g) aufweist. Insbesondere weist der Wechselrichter die Eigenschaften auf: a) eine schnelle Leistungsantwort auf eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz und b) eine schnelle Stromantwort auf eine Spannungsstörung im elektrischen Versorgungsnetz.
-
Die Gleichspannungsquelle 220 umfasst hierfür wenigstens zwei Partition 212, 214, die jeweils einer der Funktionen a) und b) zugeordnet sind.
-
Außerdem oder alternativ ist die Steuereinheit 230 dazu eingerichtet ist, wenigstens den Eigenschaften a) und b) einen Speicherinhalt der Gleichspannungsquelle zu reservieren. Die Partitionen 212, 214 sind somit in einer bevorzugten Ausführungsform via Software implementiert und werden durch die Steuereinheit 230 verwaltet.
-
Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind 50% des Energieinhaltes als Partition 212 für die Eigenschaft a) und 20% des Energieinhaltes als weitere Partition 214 für die Eigenschaft b) vorgesehen. Die restlichen 30% können bspw. als Puffer zum Stützen der Gleichspannung Udc des Gleichspannungszwischenkreises 140 verwendet werden.
-
Um den Energieinhalt der Gleichspannungsquelle 130 für die Eigenschaften des Wechselrichters 210 freizugeben, wenn also bspw. eine Frequenzstörung im elektrischen Versorgungsnetz 300 auftritt, weist die Steuereinheit wenigstens jeweils eine Steuerfunktion 232 für die entsprechenden Eigenschaften auf.
-
Welche Steuerfunktion ausgewählt wird, kann bspw. in einem Look-Up-Table 234 hinterlegt werden, dies ist bspw. bei einer Frequenzstörung ein exponentieller Verlauf mit einer einstellbaren Zeitkonstanten oder bei einer Spannungsstörung ein linearer Verlauf mit einem einstellbaren Gradienten.
-
Um die entsprechenden Steuerfunktionen 232 umzusetzen wird der Wechselrichter 210 bevorzugt mittels eines PWM-Verfahrens 236 angesteuert, welches besonders bevorzugt Spannungs-Sollwerte aufweist. Aber auch eine Ansteuerung mittels eines Toleranzbandverfahrens ist denkbar.
-
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 somit spannungsprägend ausgeführt, d.h. sie kann im transienten und subtransienten Zeitbereich insbesondere mess-unabhängig von der Netzspannung betrieben werden und weist trotzdem die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen auf. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 somit dazu eingerichtet, am Netzanschlusspunkt der Windenergieanlage eine Spannung vorzugeben und trotz von außen einwirkender Störungen auf die Netzspannung im Rahmen der Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Energiespeichers, und der möglichen Maximalströme, auch zu halten. Die Vorrichtung ermöglicht somit eine Windenergieanlage als sogenannten Netzbildner auszuführen.
-
Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass die Windenergieanlage auf Grund der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von Netzfehlern zu durchfahren ohne sich im Fehlerfall vom elektrischen Versorgungsnetz zu trennen und das Netz durch geeignete Stromeinspeisung zu stabilisieren. Hierdurch wird insbesondere ermöglicht, dass Windenergieanlagen netzstützende Eigenschaften übernehmen können, die sonst üblicherweise nur durch rotierende Synchrongeneratoren bereitgestellt werden.
-
Darüber hinaus ist die Windenergieanlage durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu eingerichtet, netzstützende Funktion wahrzunehmen, auch wenn kein Wind vorherrscht. Für solche Fälle ist die Partition in der Gleichspannungsquelle vorgesehen. Die Windenergieanlage kann somit unabhängig des vorherrschenden Windes die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen, die insbesondere netzstützend sind, gewährleisten.
