DE102019116254B4 - Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage (1), die mindestens zwei Wechselrichter (4) aufweist, bei dem mittels der Wechselrichter (4) elektrische Leistung zwischen Gleichstromquellen (5) und einem Wechselspannungsnetz (3) ausgetauscht wird, wobei die Wechselrichter (4) wahlweise stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden, wobei mindestens einer der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) mit einem Speicher als Gleichstromquelle (5) verbunden ist, wobei der mit dem Speicher verbundene Wechselrichter (4) im spannungseinprägenden Betrieb betrieben wird, wenn ein Ladezustand des Speichers einen ersten Grenzwert überschreitet, und zeitweise im stromeinprägenden Betrieb betrieben wird, um den Speicher zu laden, wenn der Ladezustand des Speichers einen zweiten Grenzwert unterschreitet, wobei mindestens einer der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) mit einem PV-Generator als Gleichstromquelle (5) verbunden ist, wobei die Energieerzeugungsanlage (1) eine elektrische Gesamtleistung (P_Netz) mit dem Wechselspannungsnetz (3) austauscht, wobei der mit dem PV-Generator verbundene Wechselrichter (4) im stromeinprägenden Betrieb betrieben wird und die ausgetauschte Gesamtleistung (P_Netz) eine maximal mögliche PV-Leistung (P_MPP) des PV-Generators umfasst und wobei die Wechselrichter (4) einzeln oder gruppenweise zwischen einem stromeinprägenden Betrieb und einem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, so dass die Energieerzeugungsanlage (1) insgesamt in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb, in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb oder in einem Mischbetrieb betrieben wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum netzdienlichen Betrieb einer Energieerzeugungsanlage, bei dem elektrische Leistung mit einem Wechselspannungsnetz ausgetauscht wird, sowie eine Energieerzeugungsanlage, die zum Betrieb mit einem entsprechenden Verfahren eingerichtet ist.
• Eine Energieerzeugungsanlage kann eine Energieerzeugungseinheit, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle umfassen, sowie einen elektrischen Speicher aufweisen. Energiequelle und Speicher können jeweils über einen Wechselrichter mit einem Wechselspannungsnetz verbunden sein und als Gleichstromquelle bzw. -senke für den jeweiligen Wechselrichter dienen. Die Wechselrichter können gleichstromseitig elektrische Leistung mit der jeweiligen Gleichstromquelle austauschen, in eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom umwandeln und wechselstromseitig mit einem Wechselspannungsnetz oder untereinander austauschen. Dabei kann eine Gleichstromquelle elektrische Leistung sowohl abgeben als auch aufnehmen, d.h. als Gleichstromsenke wirken, und das Wechselspannungsnetz kann elektrische Leistung ebenfalls sowohl aufnehmen als auch abgeben.
• Eine übliche Energieerzeugungsanlage mit mehreren Gleichstromquellen und Wechselrichtern kann Leistungen zwischen einigen Kilowatt und einigen Megawatt verarbeiten und über einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt mit dem Wechselspannungsnetz austauschen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Energieerzeugungsanlage aus mehreren Gleichstromquellen und Wechselrichtern gebildet werden, die kommunikativ direkt oder indirekt über eine gemeinsame Steuerung miteinander verknüpft sind und über verschiedene Netzanschlusspunkte eine in Summe einstellbare elektrische Gesamtleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen.
• Bezüglich der Regelung des Verhaltens einer Energieerzeugungsanlage am Wechselspannungsnetz, d.h. insbesondere bezüglich der einzustellenden Wirkleistung und Blindleistung am Netzanschlusspunkt der Energieerzeugungsanlage oder eines Teiles davon, kann grundsätzlich zwischen netzbildenden und netzstützenden Energieerzeugungsanlagen unterschieden werden. Konventionelle Synchrongeneratoren arbeiten in der Regel spannungseinprägend und dadurch netzbildend. Erneuerbare Energieerzeugungsanlagen arbeiten vorrangig stromeinprägend, wobei der eingeprägte Strom grundsätzlich durch die Energieerzeugungsanlage selbst vorgegeben ist und sich insbesondere an den Eigenschaften und dem aktuellen Zustand der verwendeten Energiequelle orientiert.
• In einer stromeinprägenden Energieerzeugungsanlage kann ein Wechselrichter die gleichstrom- und wechselstromseitig ausgetauschte Leistung selbst vorgeben, wobei die Grenzen der Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Gleichstromquelle zu beachten sind. Insbesondere einem Photovoltaikgenerator als erneuerbare Energiequelle wird dabei möglichst die maximal verfügbare Leistung entnommen und von einem stromeinprägend betriebenen Wechselrichter als maximal möglicher Wechselstrom in ein bereits bestehendes Wechselspannungsnetz eingespeist (Netzparallelbetrieb).
• Ein stromeinprägender Wechselrichter synchronisiert sich dabei im Betrieb fortlaufend auf eine vorhandene Netzspannung. z.B. mittels einer Phasenregelschleife (PLL). Er ist dazu eingerichtet, der Netzspannung zu folgen sowie seine Stromabgabe an die Netzspannung anzupassen. Diese Anpassung erfordert eine endliche Anpassungszeit, um die verfügbare oder geforderte elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz auszutauschen.
• Dabei kann die ausgetauschte Leistung eines stromeinprägenden Wechselrichters zusätzlich variiert werden, so dass beispielsweise einem Photovoltaik-Generator bewusst weniger als seine maximal mögliche Leistung entnommen und in das Wechselspannungsnetz eingespeist wird. Insofern kann die auszutauschende elektrische Leistung aufgrund übergeordneter Erwägungen gezielt eingestellt werden, z.B. um einen Eigenverbrauch zu optimieren, eine Einspeisevergütung zu maximieren, eine Reserveleistung bereitzuhalten und/oder zur Netzstützung in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetz beitragen zu können.
• Eine stromeinprägende Energieerzeugungsanlage kann insofern zusätzlich netzstützende Funktionen erfüllen, indem die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte elektrische Leistung ggf. mittelbar von Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes, z.B. der Frequenz und/oder der Amplitude der Netzspannung abhängt. Die ausgetauschte Leistung kann dazu im Rahmen der verfügbaren Leistung der Energiequelle variiert werden, beispielsweise bei einer Abweichung der Netzfrequenz von einer Nennfrequenz oder der Netzspannung von der sinusförmigen Nennspannung des Wechselspannungsnetzes. Das Wechselspannungsnetz kann stabilisiert werden, indem die ausgetauschte Leistung so von den elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes abhängt, dass derartigen Abweichungen entgegengewirkt wird, beispielsweise anhand von Wirkleistungs-Frequenz-Kennlinien (P(f)) oder Blindleistung-Spannungs-Kennlinien (Q(U)). Ein Anpassung der ausgetauschten Leistung an einen sich ändernden Sollwert ist jedoch aufgrund der oben erwähnten endlichen Anpassungszeit gegenüber der die Anpassung induzierenden Abweichung im Wechselspannungsnetz inhärent verzögert.
• Mit steigendem Anteil stromgeregelt betriebener Energieerzeugungsanlagen in einem Wechselspannungsnetz steigt deren Einfluss auf die elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes, insbesondere auf die Netzspannung und die Netzfrequenz. Dieser Einfluss kann sich negativ auf das Wechselspannungsnetz auswirken. Beispielsweise kann eine hohe, mittels stromeinprägender Wechselrichter eingespeiste Wirkleistung je nach Netzbeschaffenheit eine lokale Überhöhung der Netzspannung hervorrufen. In einem Netzabschnitt, der einerseits schwach an ein Wechselspannungsnetz angebundenen ist und andererseits eine Vielzahl stromeinprägender Energieerzeugungsanlagen aufweist, können Flickereffekte in der Netzspannung verursacht werden, wenn die Energieerzeugungsanlagen aktive oder eskalierende Verfahren zur normativ geforderte Inselnetzerkennung (Active Islanding Detection, AID) durchführen. Weiterhin können Oberschwingungen und Harmonische im Wechselspannungsnetz auftreten, denen durch stromeinprägende Wechselrichter nicht entgegengewirkt wird, sondern die durch stromeinprägende Wechselrichter unter ungünstigen Umständen sogar befördert werden, beispielsweise wenn einzelne Energieerzeugungsanlagen oder Wechselrichter einen hohen Anteil der Gesamtleistung im Wechselspannungsnetz liefern und die Netzspannung schon somit wesentlich beeinflussen.
• Im herkömmlichen Betrieb stromeinprägender Energieerzeugungsanlagen orientiert sich die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung an der optimalen Nutzung der Gleichstromquelle und ihrer aktuellen und/oder voraussichtlichen Leistung bzw. gespeicherten Energie. Daher sind stromeinprägend betriebene Energieerzeugungsanlagen regelmäßig nicht dazu eingerichtet, die gleichstrom- und wechselstromseitig ausgetauschte Leistung instantan als Reaktion auf schnelle Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetz anzupassen. Darüber hinaus können stromeinprägende Energieerzeugungsanlagen das Wechselspannungsnetz zusätzlich schwächen, indem sie einen einzuprägenden Sollstrom aufrecht zu erhalten versuchen, weitgehend unabhängig davon, ob dies für die Stabilität des Wechselspannungsnetz förderlich ist oder nicht. Eine stromeinprägend betriebene Energieerzeugungsanlage kann zusätzlich lediglich netzstützende Funktionen umfassen, indem die Energieerzeugungsanlage auf Abweichungen elektrischer Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes von Normwerten reagiert und den Sollstrom variiert. Die resultierende Änderung der ausgetauschten Leistung weist dabei aufgrund von Mess- und Auswertezeiträumen sowie endlicher Regelungsreaktionszeiten eine inhärente Verzögerung gegenüber dem Auftreten der Abweichungen auf.
• Eine Energieerzeugungsanlage kann auch spannungseinprägend betrieben werden. Spannungseinprägend betriebene Wechselrichter formen und stabilisieren die Netzspannung an ihren Anschlussklemmen durch Regelung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Netzspannung. Eine spannungseinprägende Energieerzeugungsanlage ist grundsätzlich selbst in der Lage, netzbildend zu arbeiten, d.h. insbesondere ein begrenztes Inselnetz aufzubauen und aufrecht zu erhalten. Dabei kann die zwischen einem spannungseinprägend betriebenen Wechselrichter und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung unmittelbar von den Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes abhängen, d.h. insbesondere eine Funktion der Frequenz und/oder der Spannung im Wechselspannungsnetz sein. Dadurch reagiert eine spannungseinprägend betriebene Energieerzeugungsanlage unmittelbar auf Änderungen des Leistungsgleichgewichts im Wechselspannungsnetz. Darüber hinaus kann eine spannungseinprägende Energieerzeugungsanlage zur Glättung des sinusförmigen Verlaufs der Netzspannung beitragen, indem unerwünschten Frequenzanteilen mit hoher Dynamik entgegengewirkt wird.
• Ein spannungseinprägend betriebener Wechselrichter kann beispielsweise eine sogenannte Droop-Regelung umfassen und/oder als sogenannte virtuelle Synchronmaschine betrieben werden. Mithilfe einer derartigen, dem Fachmann grundsätzlich bekannten Regelung kann ein Inselnetz aufgebaut werden, wobei ein solches Inselnetz synchron mit einem übergeordneten und ggf. räumlich deutlich ausgedehnten Wechselspannungsnetz betrieben werden kann. Über einen Netzanschlusspunkt kann dann zwischen dem Wechselspannungsnetz und dem Inselnetz mit der Energieerzeugungsanlage elektrische Leistung ausgetauscht werden. Alternativ können die Wechselrichter einer spannungseinprägenden Energieerzeugungsanlage auch direkt über einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen sein. Dadurch kann das Wechselspannungsnetz stabilisiert und die Netzspannungsqualität verbessert werden.
• Der spannungseinprägende Betrieb einer Energieerzeugungsanlage als proaktiver Netzbildner fordert dabei eine deutlich höhere Dynamik der angeschlossenen Gleichstromquelle als der bloß stromeinprägende und optional bestenfalls netzstützende Betrieb. Ein Netzbildner muss auf ein Leistungsungleichgewicht im Wechselspannungsnetz, das in einer Netzfrequenzänderung resultiert, mit einer sofortigen, hochdynamischen Leistungsanpassung reagieren. Daher wird insbesondere eine sogenannte Momentanreserve, die unter anderem durch eine instantane Reaktion der Energieerzeugungsanlage auf einen Gradienten der Netzfrequenz gekennzeichnet ist, bevorzugt von spannungseinprägend betriebenen Energieerzeugungsanlagen bereitgestellt.
• Spannungseinprägend betriebene Energieerzeugungsanlagen orientieren sich an der optimalen Stabilisierung der Netzspannung unter Verwendung der gleichstromseitig verfügbaren Ressourcen, d.h. der verfügbaren Leistung der Gleichstromquelle und ihrer aktuell und/oder voraussichtlich gespeicherten Energie. Dabei ergibt sich die wechselstromseitig ausgetauschte Leistung jedoch weitgehend aus den Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes. Insofern sind spannungseinprägend betriebene Energieerzeugungsanlagen regelmäßig nicht dazu eingerichtet, die gleichstromseitig verfügbaren Ressourcen aufgrund gleichstromseitig orientierter Vorgaben zu nutzen, beispielsweise um die verfügbare Leistung eines Photovoltaik-Generator als Gleichstromquelle abzurufen und kontinuierlich zu verwerten. Daher können spannungseinprägende Energieerzeugungsanlagen das Wechselspannungsnetz optimal stabilisieren, indem sie eine dazu notwendige elektrische Leistung auszutauschen bestrebt sind; dieses Verhalten ist jedoch weitgehend unabhängig davon, ob die notwendige elektrische Leistung gleichstromseitig gerade günstig verfügbar ist, beispielsweise aus einem Photovoltaik-Generator, oder mit einer Batterie ausgetauscht werden kann, sofern deren Ladezustand dies zulässt, oder womöglich gerade nicht verfügbar ist.
• STAND DER TECHNIK
• Aus der US 2017 / 0 353 127 A1 ist eine Wechselrichtervorrichtung bekannt, bei der mehrere Wechselrichter ausgangsseitig parallelgeschaltet sind und autonom, d.h. ohne Verbindung mit einem Wechselspannungsnetz, eine Last mit einer vorgegebenen Wechselspannung versorgen, indem einer der Wechselrichter als Spannungsquelle und alle anderen Wechselrichter als Stromquelle betrieben werden.
• Aus der EP 2 182 626 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters bekannt, in der Halbleiterschalter wahlweise oder kombiniert mittels einer spannungseinprägenden und/oder einer stromeinprägenden Modulation angesteuert werden. Dadurch sollen die in dieser EP 2 182 626 A1 ausführlich beschriebenen Eigenschaften der verschiedenen Modulationsarten, die ein spannungseinprägendes bzw. stromeinprägendes Verhalten des Stromrichters ergeben, vorteilhaft in einem Stromrichter kombiniert werden.
• Ausführungsformen eines spannungseinprägenden Betriebs eines Wechselrichters sind beispielsweise aus der DE 10 2006 047 792 A1 bekannt, in der eine sogenannte Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) zur Netzstützung verwendet wird, wobei das Verhalten einer Synchronmaschine durch ständige Lösung von Differentialgleichungen angenähert wird. In der EP 3 376 627 A1 ist ein spannungseinprägender Wechselrichter (Voltage Source Inverter, VSI) beschrieben ist, dessen Regelung eine Struktur zur Erzeugung einer virtuellen Trägheit umfasst, so dass der Umrichter das Verhalten eines Synchrongenerators nachahmt.
• Aus der EP 1 286 444 B1 ist eine sogenannte Droop-Regelung für einen spannungseinprägenden Wechselrichter bekannt, wobei der Wechselrichter anhand einer Frequenzstatik f(P) und einer Spannungsstatik U(Q) betrieben wird, so dass der Wechselrichter unmittelbar auf Frequenzänderungen im Wechselspannungsnetz mit einer Änderung der Wirkleistung reagiert und insofern zum Parallelbetrieb mit weiteren Wechselrichtern und insbesondere zum Aufbau eines Inselnetzes geeignet ist.
• Die DE 10 2017 112 944 A1 und die DE 10 2017 112 936 A1 offenbaren Windparks mit einer Vielzahl an Windenergieanlagen, deren Betriebsmodus aus einem stromprägenden Betriebsmodus und einem spannungsprägenden Betriebsmodus gewählt werden kann, wobei an einem jeweiligen Netzanschlusspunkt ein Mischbetriebsmodus resultieren kann, der stromprägende und spannungsprägende Eigenschaften hat bzw. kombiniert.
• Die WO 2017/ 097 354 A1 offenbart ein Mikronetz mit einer Vielzahl an verteilten Generatoren, das über einen Schalter an ein Energienetz anschließbar ist, wobei der Betrieb einzelner der verteilen Generatoren in Abhängigkeit des Schaltzustandes des Schalters zwischen einem netzfolgendem und einem netzformenden Modus umgeschaltet werden.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage mit mehreren Wechselrichtern aufzuzeigen, das einen effizienten und profitablen Betrieb der Energieerzeugungsanlage ermöglicht, indem die Gleichstromquellen energetisch optimal eingesetzt werden, und mit dem gleichzeitig die Spannungs- und Frequenzqualität sowie die Stabilität des Wechselspannungsnetzes verbessert wird.
• LÖSUNG
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie mit einer Energieerzeugungsanlage gemäß Anspruch 17 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage, die mindestens zwei Wechselrichter aufweist, bei dem mittels der Wechselrichter elektrische Leistung zwischen Gleichstromquellen und einem Wechselspannungsnetz ausgetauscht wird, wobei die Wechselrichter wahlweise stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden. Die Wechselrichter werden einzeln oder gruppenweise zwischen einem stromeinprägenden Betrieb und einem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, so dass die Energieerzeugungsanlage insgesamt in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb, in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb oder in einem Mischbetrieb betrieben wird.
• Die Energieerzeugungsanlage kann somit komplett stromeinprägend oder komplett spannungseinprägend betrieben werden, je nachdem, ob ein netzstützender oder netzbildender Betrieb für die Stabilität bzw. den Aufbau das Wechselspannungsnetz vorteilhaft ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei insbesondere durch die Möglichkeit des wahlweise stromeinprägenden oder spannungseinprägenden Betriebs eines Teils der Energieerzeugungsanlage oder der Energieerzeugungsanlage insgesamt gegenüber herkömmlichen Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage aus. Damit kann das Verhalten der Energieerzeugungsanlage wahlweise und bedarfsgerecht auf die Belange des Wechselspannungsnetz ausgerichtet werden, insbesondere um zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes beizutragen, oder die verfügbaren gleichstromseitigen Ressourcen in den Vordergrund stellen, insbesondere um die verfügbare Leistung einer volatilen erneuerbaren Energiequelle und/oder die Speicherkapazität eines Energiespeichers maximal zu nutzen. Zudem kann die Gewichtung zwischen diesen an sich widerstrebenden Ziele durch das Umschalten einzelner Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage nach Bedarf geändert werden.
• Je nach Netzqualität bzw. -zustand sowie Betriebszustand von Wechselrichtern einer Energieerzeugungsanlage kann autonom oder von extern oder intern gesteuert über den konkreten Betriebsmodus der einzelnen Wechselrichter oder Wechselrichter-Gruppen der Energieerzeugungsanlage entschieden werden. Dadurch wird festgelegt, ggf. unter Berücksichtigung aktueller interner Randbedingungen, ob und in welchem Maße ein spannungseinprägender Betrieb von Teilen der Energieerzeugungsanlage notwendig und möglich ist.
• Konkret können die Wechselrichter beispielsweise in einem Normalbetrieb im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt insbesondere bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes entspricht, überwiegend oder vollständig stromeinprägend betrieben werden. Je nach Bedarf, insbesondere abhängig von der Netzqualität, können einzelne Wechselrichter in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden. Je schlechter die Netzqualität, d.h. beispielsweise je größer Spannungs- oder Stromverzerrungen, Flicker oder ähnliches werden, desto mehr Wechselrichter können in den in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, um so die Netzspannung und Frequenz stabil und im normativen Bereich zu halten. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, möglichst unterbrechungsfrei und ohne nennenswerte Ausgleichvorgänge den Betriebsmodus zu wechseln.
• Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können den Wechselrichtern Umschaltvorgaben übermittelt werden, wobei die Wechselrichter in Abhängigkeit von den Umschaltvorgaben zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb wechseln. Die Umschaltvorgaben können insbesondere von einer Steuereinheit der Energieerzeugungsanlage an die Wechselrichter übermittelt werden. Die Umschaltvorgaben können unmittelbar vorgeben, ob die Wechselrichter im stromeinprägenden oder im spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich können die Umschaltvorgaben Grenzwerte umfassen, wobei die Wechselrichter elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetz ermitteln und bei Überschreiten der Grenzwerte autonom zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und den spannungseinprägenden Betrieb umschalten. Durch die Umschaltvorgaben können einzelne Wechselrichter explizit aufgrund einer übergeordneten Entscheidung, beispielsweise der Steuereinheit, umgeschaltet werden, oder es können konkrete Bedingungen festgelegt werden, aufgrund derer die Wechselrichter autonom entscheiden, welcher Betriebsmodus aktuell einzustellen ist. Darüber hinaus ist eine Vorkonfiguration der Wechselrichter denkbar, so dass diese je nach Netzzustand oder Betriebsbedingungen der Energieerzeugungsanlage selbstständig automatisch den Betriebszustand wechseln. Solch eine Vorkonfiguration kann initial über eine zentrale Steuereinheit veranlasst werden und/oder gelegentlich oder regelmäßig aktualisiert werden.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Energieerzeugungsanlage während des Umschaltens einzelner oder mehrerer Wechselrichter zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb mit dem Wechselspannungsnetz verbunden, d.h. etwaige Trenneinrichtungen zwischen Wechselrichter bzw. Energieerzeugungsanlage und Netz werden nicht betätigt. Dadurch ist ein kontinuierlicher Betrieb der Energieerzeugungsanlage gewährleistet. Zudem kann die die Energieerzeugungsanlage während des Umschaltens einzelner oder mehrerer Wechselrichter zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, insbesondere indem die einzelnen Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, wenn sie zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden. Eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb ist insbesondere in Teilnetzen mit einem knappen Verhältnis zwischen erzeugbarer und verbrauchter Leistung vorteilhaft, da im Falle einer Unterbrechung des Leistungsaustausches zwischen Energieerzeugungsanlage und Netz Lasten unterversorgt werden und die Frequenz im Netz sinken könnte, was wiederum einen Lawineneffekt zur Folge haben kann.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Umschaltung der Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage zwischen dem stromeinprägenden und dem spannungseinprägenden Betrieb in Abhängigkeit von folgenden Parametern durchgeführt werden:
• - der Spannungsqualität, d.h. insbesondere der Amplitude der Netzspannung, dem Gradienten der Netzspannung, einem Maß für den Spannungsflicker und/oder für die harmonischen Verzerrungen der Netzspannung;
• - der Netzstabilität, d.h. insbesondere den Verzerrungen des zwischen Energieerzeugungsanlage und Wechselspannungsnetz ausgetauschten Wechselstroms;
• - der Frequenzstabilität, d.h. insbesondere der Abweichung der Netzfrequenz von einer Nennfrequenz und/oder dem Netzfrequenzgradienten, die einen jeweiligen Frequenzregelungs- bzw. Regelreservebedarf erzeugen;
• - der Netzimpedanz, wobei eine ggf. plötzliche Inselnetzbildung als Extremfall für die Netzimpedanz anzusehen ist.
• Für diese Parameter können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Grenzwerte festgelegt werden, deren Überschreiten wiederum in den Umschaltvorgaben an die Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage abgebildet werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter eine elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, deren Wirkleistung und/oder Blindleistung abhängig von der Spannung und/oder der Frequenz des Wechselspannungsnetz eingestellt werden. Dadurch beteiligen sich die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter vorteilhaft an der Netzstützung, indem sie Primär- und/oder Sekundärregelleistung bereitstellen können.
• Alternativ oder zusätzlich können die im spannungseinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter eine elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz derart austauschen, dass sie eine Momentanreserveleistung bereitstellen. Dies ist besonders vorteilhaft im spannungseinprägenden Betrieb möglich und kann entscheidend zur Verbesserung der Stabilität des Wechselspannungsnetzes beitragen. Dazu kann beispielsweise eine Regelungsstruktur verwendet werden, die das Verhalten einer Synchronmaschine bei Frequenzänderungen nachbildet, so dass die Netzfrequenz in vergleichbarer Weise wie durch herkömmliche Kraftwerke mit rotierenden Massen stabilisiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Droop-Mode-Regelung verwendet werden, die eine Frequenz-Leistungs-Kennlinie umfasst. Eine derartige Regelung ist ebenfalls in der Lage, die Netzfrequenz zu stabilisieren und kann zusätzlich eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie umfassen, mittels der zusätzlich zur Netzfrequenz auch die Netzspannung stabilisiert und ggf. ein Inselnetz aufgebaut werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können einzelne oder alle Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage im Falle eines Netzfehlers in den stromeinprägenden Betrieb gebracht werden, d.h. ggf. ausgehend vom spannungseinprägenden Betrieb in den stromeinprägenden Betrieb umschalten. Im Falle eines Netzfehlers sind regelmäßig definierte Vorgaben zu erfüllen, die insbesondere in Netzrichtlinien festgelegt sein können und den definierten Austausch von Wirk- und/oder Blindleistung zum Durchfahren eines Netzfehlers fordern. Durch das Umschalten in den in den stromeinprägenden Betrieb im Falle eines Netzfehlers können diese Vorgaben optimal erfüllt werden. Optional können die Wechselrichter nach Fehlerklärung wieder zurück in den Betriebsmodus zurückkehren, den sie vor dem Fehlereintritt innehatten, d.h. ggf. in den spannungseinprägenden Betrieb zurück umschalten. Dabei können die Wechselrichter das Vorliegen des Netzfehlers selbst erkennen und im Falle eines Netzfehlers eigenständig in den stromeinprägenden Betrieb umschalten sowie optional ein Ende des Vorliegens des Netzfehlers selbst erkennen und eigenständig in die ggf. abweichende Betriebsweise vor dem Netzfehler zurück umschalten.
• In dem Verfahren, in dem mindestens einer der Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage mit einem Speicher als Gleichstromquelle verbunden ist, kann der mit dem Speicher verbundene Wechselrichter bevorzugt im spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden, wenn ein Ladezustand des Speichers einen ersten Grenzwert überschreitet. In diesem Fall steht ausreichend elektrische Energie zur Verfügung, um die zwischen diesem Wechselrichter und dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung im Rahmen des spannungseinprägenden Betriebs zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes in beide Richtungen zu variieren, d.h. zu erhöhen oder zu verringern und ggf. sogar umzukehren. Der betreffende Wechselrichter kann zusätzlich zeitweise im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden, um den Speicher zu laden, wenn der Ladezustand des Speichers einen zweiten Grenzwert unterschreitet.
• In dem Verfahren, in dem mindestens einer der Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage mit einem PV-Generator als Gleichstromquelle verbunden ist und die Energieerzeugungsanlage eine elektrische Gesamtleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauscht, kann der mit dem PV-Generator verbundene Wechselrichter bevorzugt im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden, wobei die ausgetauschte Gesamtleistung eine maximal mögliche PV-Leistung des PV-Generators umfasst. Dadurch wird erreicht, dass der PV-Generator energetisch und wirtschaftlich optimal eingesetzt.
• Eine Energieerzeugungsanlage mit Gleichstromquellen, die unter anderem Speicher umfassen, kann mit einer Ausführungsform des Verfahren betrieben werden, in der bei einem Übergang vom stromeinprägenden Gesamtbetrieb zum Mischbetrieb der Energieerzeugungsanlage bevorzugt der mindestens eine mit dem Speicher verbundene Wechselrichter in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet wird. Sofern die Gleichstromquellen sowohl Speicher als auch PV-Generatoren umfassen, können im Mischbetrieb der Energieerzeugungsanlage alle Wechselrichter, die mit einem Speicher verbundenen sind, in dem spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden, sofern der jeweilige Ladezustand dies erlaubt und kein Netzfehler vorliegt, und alle Wechselrichter, die mit einem PV-Generator verbunden sind, im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden. Dadurch werden die Speicher einerseits optimal zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz eingesetzt, während die von den PV-Generatoren erzeugbare Energie vollständig abgerufen und genutzt wird.
• In einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Wechselrichter eine Regelungsstruktur mit einer Stromregelung und Spannungsregelung umfasst, wobei die Stromregelung und die Spannungsregelung jeweils Steuersignale zur Ansteuerung von Leistungsschaltern der Wechselrichter ausgeben und mittels eines Umschalters im jeweiligen Wechselrichter ausgewählt wird, welche der ausgegebenen Steuersignale zur Ansteuerung der Leistungsschaltern des jeweiligen Wechselrichter verwendet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens sind die Stromregelung und die Spannungsregelung im Rahmen der Regelungsstruktur über gegenseitige Vorsteuerungen miteinander gekoppelt sind. Dadurch wird erreicht, dass ein Umschalten zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb sowohl unterbrechungsfrei als auch stetig, d.h. ohne Sprünge oder Verzerrungen im ausgetauschten Wechselstrom durchgeführt werden kann.
• Eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage mit einer Steuerungseinheit und mehreren Wechselrichtern, die mit der Steuerungseinheit verbunden sind und elektrische Leistung mit einem Wechselspannungsnetz austauschen, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, dass beanspruchte Verfahren auszuführen. Insbesondere kann die Steuereinheit den einzelnen Wechselrichter Umschaltvorgaben übermitteln, so dass die Wechselrichter je nach Netzqualität einen konkreten Betriebsmodus einstellen, also entweder stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden.
• Figurenliste
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
• 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage mit mehreren Wechselrichtern in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb;
• 2 zeigt eine Energieerzeugungsanlage mit mehreren Wechselrichtern in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb;
• 3 zeigt eine Energieerzeugungsanlage in einem Mischbetrieb mit überwiegend stromeinprägenden Wechselrichtern;
• 4 zeigt eine Energieerzeugungsanlage in einem Mischbetrieb mit überwiegend spannungseinprägenden Wechselrichtern;
• 5 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Regelungsstruktur eines Wechselrichters einer Energieerzeugungsanlage;
• 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Regelungsstruktur eines Wechselrichters einer Energieerzeugungsanlage;
• 7 zeigt eine erste Ausführungsform eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage;
• 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage.
• FIGURENBESCHREIBUNG
• 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 1, die über einen Netzanschlusspunkt 2 mit einem Wechselspannungsnetz 3 verbunden ist. Die Energieerzeugungsanlage 1 tauscht über den Netzanschlusspunkt 2 elektrische Leistung in Form eines Wechselstroms mit dem Wechselspannungsnetz 3 aus. Die ausgetauschte elektrische Leistung kann Wirkleistung und/oder Blindleistung umfassen.
• Das Wechselspannungsnetz 3 kann ein überregionales Verbundnetz sein, wobei die Energieerzeugungsanlage 1 auf einer der Spannungsebenen des Verbundnetzes elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz 3 austauscht. Der Netzabschnitt, an dem die Energieerzeugungsanlage 1 mit dem Wechselspannungsnetz 3 verbunden ist, kann die unterste Spannungsebene des Wechselspannungsnetzes 3 bilden und ein räumlich begrenztes Gebiet, beispielsweise ein Verteilnetz einer Liegenschaft umfassen, oder selbst weitere unterlagerte Spannungsebenen aufweisen, die eine größere Region umfassen, beispielsweise eine Mittelspannungsebene mit mehreren angeschlossenen Ortsnetzen.
• Die Energieerzeugungsanlage 1 weist mehrere Wechselrichter 4 auf. Die Wechselrichter 4 sind jeweils direkt oder mittelbar über nicht dargestellte Anschlussanlagen, beispielsweise über Transformatoren und Trenneinrichtungen mit dem Netzanschlusspunkt 2 verbunden.
• In einer hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können die Wechselrichter 4 auch räumlich verteilt angeordnet und über mehrere Netzanschlusspunkte 2 mit dem Wechselspannungsnetz 3 verbunden sein.
• An die Wechselrichter 4 sind jeweils Gleichstromquellen 5 angeschlossen. Die Gleichstromquellen 5 können Generatoren, insbesondere Photovoltaik-Generatoren, und/oder Energiespeicher, insbesondere Batterien umfassen.
• Die Energieerzeugungsanlage 1 kann weitere, nicht dargestellte elektrische Komponenten umfassen, beispielsweise weitere leistungselektronische Umrichter sowie Wechselstrom- und/oder Gleichstromlasten.
• Die Wechselrichter 4 sind dazu eingerichtet, den Gleichstromquellen 5 elektrische Leistung zu entnehmen und als Wechselstrom über den Netzanschlusspunkt 2 in das Wechselspannungsnetz 3 einzuspeisen und/oder Wechselstrom aus dem Wechselspannungsnetz 3 zu entnehmen und als Gleichstrom in die Gleichstromquellen 5 einzuspeisen. Dazu können die Wechselrichter 4 eine Mehrzahl an Leistungsschaltern, insbesondere Halbleiterschalter aufweisen, die in einer an sich bekannten Brückenkonfiguration angeordnet sein können, so dass die Wechselrichter 4 durch eine geeignete Taktung der Leistungsschalter elektrische Leistung bidirektional zwischen ihrer jeweiligen Gleichspannungs- und Wechselspannungsseite transferieren können.
• Die Wechselrichter 4 umfassen jeweils eine Steuerung 6, die zur Ansteuerung der Leistungsschalter des jeweiligen Wechselrichter 4 eingerichtet ist. Die Steuerungen 6 sind mit Messeinrichtungen 7 verbunden, die an Ausgangsleitungen der Wechselrichter 4 angeordnet sind. Die Messeinrichtungen 7 erfassen elektrische Eigenschaften, die zumindest mittelbar den elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 entsprechen. Insbesondere können die Messeinrichtungen 7 die vom jeweiligen Wechselrichter 4 ausgegebenen Wechselströme I bzw. Wechselspannungen V und/oder die Spannungen V des Wechselspannungsnetzes 3 mittels Stromsensoren bzw. Spannungsmessmitteln erfassen.
• Die Steuerungen 6 der Wechselrichter 4 sind dazu eingerichtet, die Wechselrichter 4 individuell wahlweise in einem stromeinprägenden Betriebsmodus, im Folgenden kurz I-Mode genannt, oder in einem spannungseinprägenden Betriebsmodus, im Folgenden kurz V-Mode zu betreiben.
• In dem stromeinprägenden I-Mode wird ein Wechselrichter 4 derart gesteuert, dass ein Wechselstrom I mit einer vorgebbaren Amplitude und somit einer entsprechenden Leistung ausgegeben wird, die sich beispielsweise an einer gewünschten oder verfügbaren Leistung der angeschlossenen Gleichstromquelle 5 orientiert. Insbesondere kann es sich dabei um eine maximal verfügbare Leistung eines Photovoltaik-Generators als Gleichstromquelle 5 oder eine Lade- oder Entladeleistung zum Auf- bzw. Entladen einer Batterie als Gleichstromquelle 5 handeln.
• Zur Einstellung der Austauschleistung, im I-Mode, kann die betreffende Steuerung 6 beispielsweise den von den Messeinrichtungen 7 erfassten Istwert des Wechselstroms I mit einem Sollwert vergleichen und die Ansteuerung der Leistungsschalter derart takten, dass der Wechselstroms I weitgehend dem Sollwert entspricht. Dazu geeignete Taktverfahren, z.B. Pulsweitenmodulations-Verfahren (PWM), sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
• In dem spannungseinprägenden V-Mode wird ein Wechselrichter 4 derart angesteuert, dass die Wechselspannung V des Wechselspannungsnetzes 3 durch den Austausch elektrischer Leistung über den Wechselrichter 4 in Richtung eines vorgebbaren Nominalwertes beeinflusst wird. Konkret kann die betreffende Steuerung 6 den von den Messeinrichtungen 7 erfassten Istwert der Wechselspannung V mit einem Nominalwert vergleichen, der beispielsweise einen idealen Verlauf der Wechselspannung V im Wechselspannungsnetz 3 abbildet. Die Ansteuerung der Leistungsschalter kann dann derart getaktet werden, dass ein Wechselstrom I erzeugt wird, der einer Abweichung der Wechselspannung V vom Nominalwert entgegenwirkt. Dazu geeignete Regelverfahren, beispielsweise Droop-Regelungen oder Virtuelle Synchronmaschinen bzw. Synchronmaschinen-Emulationen, sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
• Alternativ oder zusätzlich zur Wechselspannung V kann die ausgetauschte Leistung, im V-Mode, auch von einer aus der erfassten Wechselspannung V hergeleiteten Größe abhängen, insbesondere von der Netzfrequenz, deren Abweichung von einer Nominalfrequenz und/oder deren Änderungsgradienten.
• In der 1 und in den folgenden Figuren mit Darstellungen der jeweiligen Energieerzeugungsanlage 1 sind die Betriebsmodi der Steuerungen 6 durch Kästen mit den Aufschriften „I“ für den stromeinprägenden I-Mode bzw. „V“ für den spannungseinprägenden V-Mode angedeutet. Dabei symbolisiert der jeweils mit durchgezogenen Linien und fett dargestellte Kasten den jeweils aktuell verwendeten Betriebsmodus. Details der Steuerungen 6 und der Betriebsmodi werden in den 5 und 6 näher erläutert.
• Eine übergeordnete Steuereinheit 8 kann mit den Steuerungen 6 der Wechselrichter 4 kommunikativ verbunden sein. Die Steuereinheit 8 kann Bestandteil der Energieerzeugungsanlage 1 sein oder außerhalb der Energieerzeugungsanlage 1 angeordnet sein. Insbesondere wenn die Wechselrichter 4 nicht über einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt 2 mit dem Wechselspannungsnetz 3 verbunden sind, sondern räumlich verteilt im Wechselspannungsnetz 3 angeordnet sind, kann die Steuereinheit 8 als Teil einer übergeordneten Steuerung ausgeführt sein. Die Wechselrichter 4 bilden die Energieerzeugungsanlage 3 dann aufgrund einer logischen Zuordnung über die Steuereinheit 8.
• Die Steuereinheit 8 wertet elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 aus, insbesondere die Wechselspannung V und den Wechselstrom I, die sie beispielsweise von geeigneten am Netzanschlusspunkt 2 angeordneten Messmitteln empfängt.
• Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, anhand der erfassten Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 zu entscheiden, in welchen Betriebsmodi die einzelnen Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 betrieben werden sollen, und übermittelt diese Entscheidungen als individuelle Umschaltvorgaben an die Steuerungen 6 der Wechselrichter 4. Dabei können die Umschaltvorgaben einen Umschalten des Betriebsmodus eines angesprochenen Wechselrichter 4 unmittelbar bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 8 Umschaltvorgaben vorgeben, die definieren, unter welchen konkreten Bedingungen ein Wechselrichter 4 den Betriebsmodus umschalten soll, wobei die Bedingungen von den Wechselrichtern 4 selbst überprüft werden. Weiterhin zusätzlich können einzelne Wechselrichter 4 unter bestimmten Umständen eigenständig entscheiden, in welchem Betriebsmodus sie betrieben werden, beispielsweise im Falle eines Netzfehlers, der von den Wechselrichter 4 selbst detektiert werden kann.
• In der Ausführungsform gemäß 1 werden alle Wechselrichter 4 im stromeinprägenden I-Mode betrieben, d.h. die Energieerzeugungsanlage 1 arbeitet im stromeinprägenden Gesamtbetrieb. Die Energieerzeugungsanlage 1 verhält sich insgesamt stromeinprägend, d.h. die zwischen Energieerzeugungsanlage 1 und Wechselspannungsnetz 3 ausgetauschte elektrische Leistung wird von der Energieerzeugungsanlage 1 selbst vorgegeben und hängt gegebenenfalls lediglich mittelbar von Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 ab.
• Ein Sollwert für die ausgetauschte elektrische Leistung beim Betrieb der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 1 kann dabei von verschiedenen internen und externen Parameter abhängen. Insbesondere kann grundsätzlich die maximal verfügbare Leistung der als Gleichstromquellen verwendeten erneuerbaren Energiequellen oder ein vorgegebener Anteil davon in das Wechselspannungsnetz 3 eingespeist werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Betreiber der Energieerzeugungsanlage 1 vorgeben, wie sich die Energieerzeugungsanlage 1 im Falle von Abweichungen der elektrischen Parameter des Wechselspannungsnetzes 3 von Normwerten verhalten soll. Insbesondere können Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinien P(f) oder Spannungs-Blindleistungs-Kennlinien Q(U) in an sich bekannter Weise in den stromeinprägenden I-Mode integriert sein.
• Zusätzlich oder alternativ kann ein Sollwert für die elektrische Leistung der Energieerzeugungsanlage 1 von der Steuereinheit 8 oder einer anderen übergeordneten Steuerung fest und/oder beispielsweise im Rahmen einer Primär- oder Sekundärregelung variabel vorgegeben werden. Darüber hinaus können die Wechselrichter 4 im stromeinprägenden I-Mode dazu eingerichtet sein, im Falle eines Netzfehlers geeignete Blind- und/oder Wirkströme zur dynamischen Netzstützung einspeisen.
• 2 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 1, die weitgehend baugleich mit der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 1 ist. In der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 2 werden die Wechselrichter 4 im spannungseinprägenden V-Mode betrieben. Diese Betriebsart kann insbesondere dadurch zu Stande kommen, dass in der Steuereinheit 8 entschieden wurde, die Energieerzeugungsanlage 1 insgesamt spannungseinprägend zu betreiben, und die Steuereinheit 8 daraufhin die entsprechenden identischen individuellen Vorgaben an die Steuerungen 6 der Wechselrichter 4 übermittelt hat. Alternativ können die Wechselrichter 4 autonom in den spannungseinprägenden V-Mode umgeschaltet haben, nachdem die Wechselrichter 4 festgestellt haben, dass durch die Umschaltvorgaben definierte Bedingungen zum Umschalten eingetreten sind.
• Da alle Wechselrichter 4 im spannungseinprägenden V-Mode betrieben werden, arbeitet die Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 2 im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb und verhält sich insgesamt spannungseinprägend. Dabei stellt sich die zwischen Energieerzeugungsanlage 1 und Wechselspannungsnetz 3 ausgetauschte elektrische Leistung unmittelbar in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 ein.
• Die im spannungseinprägenden V-Mode betriebenen Wechselrichter 4 können sich beispielsweise analog zu Synchronmaschinen bzw. Synchrongeneratoren verhalten, indem die jeweils eingespeiste Leistung unmittelbar von einer Abweichung eines Istwertes einer elektrischen Eigenschaft des Wechselspannungsnetzes 3 von einem zugehörigen Nennwert und/oder von einer Änderungsrate eines Istwertes einer elektrischen Eigenschaft des Wechselspannungsnetzes 3 abhängt. Insbesondere kann die elektrische Leistung der Energieerzeugungsanlage 1 im reinen V-Mode-Betrieb von der Abweichung der aktuellen Frequenz und/oder der aktuellen Spannung von einer Nennfrequenz bzw. einer Nennspannung des Wechselspannungsnetzes 3 sowie von der Änderungsrate der Frequenz und/oder der Spannung des Wechselspannungsnetzes 3 abhängen.
• In einer Ausführungsform kann der spannungseinprägenden V-Mode derart realisiert sein, dass die Wechselrichter 4 jeweils eine wechselspannungsseitig angeordnete Entkopplungsdrossel aufweisen. Der Spannungsabfall über die Entkopplungsdrossel kann im Rahmen des spannungseinprägenden V-Modes als Regelgröße verwendet werden, so dass der Wechselrichter 4 unmittelbar auf Gradienten der Frequenz des Wechselspannungsnetzes 3 reagiert.
• Im Vergleich zum rein stromeinprägenden Betrieb gemäß 1 werden im spannungseinprägenden Betrieb der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 2 erhöhte Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Gleichstromquellen 5 gestellt. Insbesondere muss die Energieerzeugungsanlage 1 in der Lage sein, die mit dem Wechselspannungsnetz 3 ausgetauschte Leistung in beide Richtungen zu ändern, d.h. sowohl zu erhöhen als auch zu verringern, je nachdem, in welche Richtung sich die elektrischen Parameter des Wechselspannungsnetz relativ zu den jeweiligen Sollwerten verändern. Sofern sichergestellt ist, dass die Energieerzeugungsanlage 1 diese Anforderungen erfüllt, kann die Energieerzeugungsanlage 1 insbesondere im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb als sogenannte Momentanreserve verwendet werden. Die Energieerzeugungsanlage 1 kann auch ein Inselnetz bilden und aufrechterhalten, indem die im Inselnetz benötigte elektrische Leistung ausschließlich von der Energieerzeugungsanlage 1 im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb bereitgestellt wird. Grundsätzlich kann ein solches Inselnetz durch die Energieerzeugungsanlage 1 übergangsweise versorgt werden, wenn ein an sich vorhandenes übergeordnetes Wechselspannungsnetz 3 nicht in Anspruch genommen werden soll oder kann, beispielsweise im Falle eines Netzausfalls.
• 3 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 1, die weitgehend baugleich mit der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 1 oder 2 ist. In der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 3 werden die Wechselrichter 4.1 und 4.2 im stromeinprägenden I-Mode betrieben, beispielsweise indem die Steuereinheit 8 entsprechende Vorgaben an die Steuerungen 6 der Wechselrichter 4.1 und 4.2 übermittelt hat. Der Wechselrichter 4.3 wird im spannungseinprägenden V-Mode betrieben. Diese Betriebsart kann insbesondere aus der Ausführungsform gemäß 1 dadurch entstehen, dass in der Steuereinheit 8 entschieden wurde, die Energieerzeugungsanlage 1 in einem Mischbetrieb zu betreiben, und die Steuereinheit 8 eine explizite Umschaltvorgabe zum Betrieb im spannungseinprägenden V-Mode an den Wechselrichter 4.3 übermittelt hat, oder indem der Wechselrichter 4.3 festgestellt hat, dass Bedingungen eingetreten sind, die aufgrund der für ihn geltenden Umschaltvorgaben ein Umschalten in den spannungseinprägenden V-Mode veranlassen.
• Die Energieerzeugungsanlage 1 kann insbesondere aus dem stromeinprägenden Gesamtbetrieb gemäß 1 in den Mischbetrieb gemäß 3 übergehen, wenn eine Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 3 indiziert ist. Dies kann insbesondere von der Steuereinheit 8 anhand einer Auswertung der elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 festgestellt werden, insbesondere hinsichtlich der Spannungsqualität und der Stabilität der Netzfrequenz bzw. des Wechselspannungsnetz insgesamt, oder indem ein Netzausfall detektiert wurde und ein verbleibendes Inselnetz durch die Energieerzeugungsanlage 1 mit elektrischer Leistung versorgt werden soll.
• 4 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 1, die weitgehend baugleich mit der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 1 ist. In der Energieerzeugungsanlage 1 gemäß 4 werden die Wechselrichter 4.1 und 4.2 im spannungseinprägenden V-Mode betrieben, insbesondere indem die Steuereinheit 8 entsprechende Vorgaben an die Steuerungen 6 der Wechselrichter 4.1 und 4.2 übermittelt hat. Der Wechselrichter 4.3 wird im stromeinprägenden I-Mode betrieben. Diese Betriebsart kann insbesondere aus der Ausführungsform gemäß 2 dadurch entstehen, dass in der Steuereinheit 8 entschieden wurde, die Energieerzeugungsanlage 1 in einem Mischbetrieb zu betreiben, und die Steuereinheit 8 eine Umschaltvorgabe zum Betrieb im stromeinprägenden I-Mode an den Wechselrichter 4.3 übermittelt hat, oder indem der Wechselrichter 4.3 festgestellt hat, dass Bedingungen eingetreten sind, die aufgrund der für ihn geltenden Umschaltvorgaben ein Umschalten in den stromeinprägenden I-Mode vorgeben.
• Die Energieerzeugungsanlage 1 kann insbesondere aus dem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb gemäß 1 in den Mischbetrieb gemäß 4 übergehen, wenn das Wechselspannungsnetz 3 durch die Energieerzeugungsanlage 1 im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb ausreichend stabilisiert wurde und/oder für einzelne Wechselrichter 4 ein spezifischer Wirkleistungsaustausch gewünscht oder priorisiert wird. Beispielsweise kann ein Sollwert für die Leistung der Gleichstromquelle 5 am Wechselrichter 4.3 vorgegeben werden, der zur Entnahme der maximal möglichen Leistung eines Photovoltaik-Generators als Gleichstromquelle 5 führt, oder der eine Ladeleistung für eine Batterie als Gleichstromquelle 5 mit niedrigem Ladestand entspricht, oder der sich anderweitig direkt oder mittelbar durch äußere Vorgaben ergibt.
• 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Regelungsstruktur 50 eines Wechselrichters 4. Die Messeinrichtungen 7 des Wechselrichters 4 erfassen den Strom I_Netz und die Spannung U_Netz am Ausgang des Wechselrichters 4. Daraus werden auf an sich bekannte Weise die zwischen dem Wechselrichter 4 und dem Wechselspannungsnetz 3 ausgetauschte Wirkleistung P_Netz und die ausgetauschte Blindleistung Q_Netz ermittelt.
• Die Regelungsstruktur 50 umfasst eine Stromregelung 51 und eine Spannungsregelung 52. Sowohl die Stromregelung 51 als auch die Spannungsregelung 52 gemäß 5 sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt.
• In der Stromregelung 51 wird der erfasste Strom I_Netz mit einem vorgegebenen Sollstrom I_Soll verglichen. Der Sollstrom I_Soll kann von einer übergeordneten Regelung oder Steuerung vorgegeben sein, beispielsweise von einem Algorithmus zur Bestimmung der maximal möglichen Leistung eines Photovoltaik-Generators als Gleichstromquelle 5 (sogenanntes MPP-Tracking) oder von einem Speichermanagement einer Batterie als Gleichstromquelle 5 zum Wiederaufladen oder gezielten Entladen.
• Ziel der Stromregelung 51 ist es, den erfassten Strom I_Netz möglichst mit dem Sollstrom I_Soll in Einklang zu bringen. Dazu wird eine Abweichung zwischen dem erfassten Strom I_Netz und dem Sollstrom I_Soll in einem Stromregler 70 verarbeitet. Der Stromregler 70 kann insbesondere als P-Regler, Pl-Regler oder PID-Regler ausgeführt sein, d.h. einen Proportional-Anteil, einen Integral-Anteil sowie ggf. einen Differential-Anteil umfassen.
• Der Stromregler 70 berechnet eine Ausgangsspannung, die voraussichtlich am Ausgang des Wechselrichters 4 eingestellt werden muss, um einen Strom I_Netz zu erzeugen, der dem Sollstrom I_Soll entspricht oder sich diesem zumindest annähert.
• In der Spannungsregelung 52 wird die mittels der Messeinrichtung 7 des betreffenden Wechselrichters 4 erfasste Netzspannung U_Netz mit einer Wechselrichterspannung U_WR verglichen. Die Wechselrichterspannung U_WR kann beispielsweise am Ausgang einer Brückenschaltung des Wechselrichters 4 erfasst werden. Zwischen der Messeinrichtung 7 und der Brückenschaltung ist in der Regel ein Netzfilter angeordnet, das insbesondere eine Induktivität aufweist. Diese Induktivität des Netzfilters kann insbesondere im spannungseinprägenden Betrieb des Wechselrichters 4 als eine sogenannte Entkoppelungsdrossel genutzt werden. Die Spannungsregelung 52 regelt dann eine Spannungsabweichung zwischen der netzseitig der Entkopplungsdrossel erfassten Netzspannung U_Netz und der wechselrichterseitig der Entkopplungsdrossel erfassten Wechselrichterspannung U_WR auf einen vorgegebenen Wert, insbesondere auf null.
• Die Spannungsregelung 52 ermittelt zusätzlich eine Leistungsabweichung zwischen einem Wirkleistungs- und/oder Blindleistungssollwert P_Soll bzw. Q_Soll und der tatsächlich mit dem Wechselspannungsnetz 3 ausgetauschten Wirkleistung P_Netz bzw. Blindleistung Q_Netz. Die Leistungssollwerte P_Soll bzw. Q_Soll sind dabei über die Netzspannung U_Netz direkt mit dem Stromsollwert I_Soll verknüpft, wobei der Wirkleistungssollwert dem Produkt aus Stromsollwert I_Soll und Netzspannung U_Netz entsprechen kann. Die tatsächlichen Werte der Wirkleistung P_Netz und der Blindleistung Q_Netz ergeben sich analog dazu aus den von der Messeinrichtung 7 des Wechselrichters 4 erfassten Werten der Netzspannung U_Netz und des Stroms I_Netz.
• Die Leistungsabweichung zwischen P_Soll bzw. Q_Soll und P_Netz bzw. Q_Netz wird in einem Droop-Regler 71 verarbeitet. Der Droop-Regler 71 kann insbesondere Kennlinien aufweisen, die die Leistungsabweichung auf eine durch den Wechselrichter 4 einzustellende Spannung und/oder eine einzustellende Frequenz abbilden; im Stand der Technik sind diese Abbildungen als U(P)- bzw. f(Q)-Statiken bekannt.
• Das Ergebnis des Droop-Reglers 71 wird in der Spannungsregelung 52 zur Differenz aus Netzspannung U_Netz und Wechselrichterspannung U_WR addiert. Die resultierende Summe wird in einem Spannungsregler 72 verarbeitet. Der Spannungsregler 72 kann insbesondere als P-Regler, Pl-Regler oder PID-Regler ausgeführt sein und entsprechend einen Proportional-Anteil, einen Integral-Anteil sowie ggf. einen Differential-Anteil umfassen.
• Der Spannungsregler 72 berechnet eine Ausgangsspannung, die voraussichtlich am Ausgang des Wechselrichters 4 eingestellt werden muss, um einen Strom I_Netz zu erzeugen, der die elektrischen Parameter des Wechselspannungsnetzes 3 derart beeinflusst, dass Abweichungen von Normwerten entgegengewirkt wird.
• In der Ausführungsform gemäß 5 arbeiten die Regelungen 51, 52 parallel und weitgehend unabhängig voneinander. Mittels eines Umschalters 81 wird einer der beiden insofern unabhängig in den Regelungen 51, 52 berechneten Sollwerte für die vom Wechselrichter 4 einzustellende Ausgangsspannung ausgewählt und einem nachgelagerten Modulator 82 zugeführt. Der Umschalter 81 erhält dabei eine Vorgabe, ob die vom Stromregelung 51 berechneten Sollwerte verwendet und der Wechselrichter 4 damit im stromeinprägenden I-Mode betrieben werden soll, oder ob alternativ die vom Spannungsregelung 52 berechneten Sollwerte verwendet und der Wechselrichter 4 damit im spannungseinprägenden V-Mode betrieben werden soll.
• Der Modulator 82 berechnet abschließend eine geeignete Ansteuerung der Schalter der Brückenschaltung des Wechselrichters 4 zur Erzeugung der von der Regelungsstruktur 50 ermittelten Sollspannung des Wechselrichters 4, beispielsweise auf Basis eines an sich bekannten Pulsweitenmodulations-Verfahrens.
• 6 zeigt eine gegenüber 5 weiterentwickelte Regelungsstruktur 60. Die Regelungsstruktur 60 umfasst eine Stromregelung 61 und eine Spannungsregelung 62. Im Unterschied zur Regelungsstruktur 50 gemäß 5 sind die Regelungen 61, 62 miteinander über Vorsteuerungen gekoppelt. Dazu wird die vom Stromregler 70 berechnete Ausgangsspannung für den stromeinprägenden Betrieb an die Spannungsregelung 62 übergeben und dort im Spannungsregler 72 zur Berechnung der Ausgangsspannung für den spannungseinprägenden Betrieb weiterverarbeitet. Im Gegenzug wird die vom Spannungsreglers 72 berechnete Ausgangsspannung für den spannungseinprägenden Betrieb an die Stromregelung 61 übergeben und dort zu der vom Stromregler 70 berechneten Ausgangsspannung für den stromeinprägenden Betrieb addiert.
• Im Ergebnis arbeiten die Regelungen 61, 62 zwar weiterhin parallel, sie sind jedoch durch die Querverknüpfung nach Art einer bidirektionalen Vorsteuerungen synchronisiert. Dadurch werden etwaige Sprünge des Momentanwerts bzw. der Phasenlange des ausgetauschten Wechselstroms beim Umschalten vom stromeinprägenden I-Mode zum spannungseinprägenden V-Mode und umgekehrt verhindert.
• 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage 1. In dieser beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens befindet sich die Energieerzeugungsanlage 1 zunächst im Schritt S7.1 im stromeinprägenden Gesamtbetrieb, vergleiche 1 und zugehörige Beschreibung. Dabei können sich alle Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 im stromeinprägenden Betrieb, im I-Mode, befinden.
• In Schritt S7.2 wird festgestellt, dass ein erstes Umschalt-Kriterium erreicht ist. Dazu kann beispielsweise die Steuereinheit 8 feststellen, dass elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 außerhalb eines jeweils erlaubten oder gewünschten Bereichs liegen. Insbesondere kann die Steuereinheit 8 dazu die elektrischen Eigenschaften selbst auswerten, beispielsweise anhand von Messwerten von Strom und Spannung, die insbesondere am Netzanschlusspunkt 2 erfasst werden können. Die Steuereinheit 8 kann auch aufgrund einer externen Vorgabe, beispielsweise einer Anforderung von Momentanreserve durch einen Netzbetreiber, das Erreichen des ersten Umschalt-Kriteriums feststellen.
• Alternativ oder zusätzlich können die Wechselrichter 4 selbst anhand der Messwerte der Messeinrichtungen 7 den jeweiligen Strom I und die Spannung V auswerten und in Schritt S7.2 feststellen, dass ein erstes Umschalt-Kriterium erreicht ist. Beispielsweise kann ein Wechselrichter 4 feststellen, dass die Spannung V an seinem Ausgang und/oder die Frequenz des Wechselspannungsnetzes 3 außerhalb eines Bereichs liegt, für den im Rahmen des stromeinprägenden I-Modes Kennlinien zur Netzstützung definiert sind. Wenn derartige Kennlinien, z.B. Q(U) oder P(f), somit ausgereizt werden, ohne dass ein nachhaltiger Effekt auf die entsprechenden Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 ausgeübt wird, kann dies als Erreichen des ersten Umschalt-Kriteriums gewertet werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann der Wechselrichter 4 das Erreichen des ersten Umschalt-Kriteriums anhand der aktuellen Eigenschaften der angeschlossenen Gleichstromquelle 5 feststellen. Insbesondere kann ein Wechselrichter 4, an den eine Batterie als Gleichstromquelle 5 angeschlossen ist, in den stromeinprägenden Betrieb umschalten, wenn der Ladezustand der Batterie einen ersten Grenzwert unterschreitet, so dass die Batterie nicht mehr zuverlässig zur Spannungsstabilisierung beitragen kann und im stromeinprägenden Betrieb wiederaufgeladen wird; sobald die Batterie einen ausreichenden Ladestand erreicht hat, kann der betreffende Wechselrichter 4 wieder in den ggf. bevorzugten spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden.
• In Schritt S7.3 werden einzelne Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 vom stromeinprägenden Betrieb, vom I-Mode, in den spannungseinprägenden Betrieb, in den V-Mode, umgeschaltet. Dies kann auf explizite Anweisung der Steuereinheit 8 an die betroffenen Wechselrichter 4, insbesondere durch Übermittlung einer expliziten Umschaltvorgabe, oder aufgrund autonomer Entscheidungen der betroffenen Wechselrichter 4 erfolgen, insbesondere aufgrund des Feststellens des Erreichens einer für den Wechselrichter 4 festgelegten Umschaltvorgabe.
• Die Energieerzeugungsanlage 1 wird dann in Schritt S7.4 in einem Mischbetrieb betrieben, d.h. ein Teil der Wechselrichter 4 wird stromeinprägend betrieben und ein anderer Teil der Wechselrichter 4 wird spannungseinprägend betrieben; vergleiche die 3 und 4 sowie die zugehörige Beschreibung. Während des Mischbetriebs, d.h. im Rahmen von Schritt S7.4 können weitere Wechselrichter 4 umgeschaltet werden, vom I-Mode in den V-Mode und/oder umgekehrt, beispielsweise um mehr spannungseinprägende Ressourcen für die Verbesserung der Netzqualität aufzubringen oder um Batterien im stromeinprägenden Betrieb nachzuladen. Insbesondere kann eine Regelschleife vorgesehen sein, die die Anzahl der Wechselrichter 4 im spannungseinprägenden V-Mode solange erhöht, wie es ein Stabilitätskriterium erfordert, und ggf. wieder verringert, sofern das Stabilitätskriterium weiterhin erfüllt bleibt; regelungstechnisch entspricht dieses Vorgehen im Wesentlichen einer Regelung mit einem Proportional- und einem Integral-Anteil (sog. PI-Regler)..
• In Schritt S7.5 kann ein zweites Umschalt-Kriterium erreicht werden, beispielsweise indem ein Maß für die Spannungsqualität oder für die Netzstabilität jenseits entsprechenden Grenzwerte liegt.
• Daraufhin werden in Schritt S7.6 alle Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet, entweder unmittelbar durch die Steuereinheit 8 oder mittelbar durch Umschaltvorgaben von der Steuereinheit 8 oder autonom durch die Wechselrichter 4 veranlasst.
• In Schritt S7.7 arbeitet die Energieerzeugungsanlage 1 dann im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb, vergleiche 2 und zugehörige Beschreibung, und kann optimal zur Verbesserung der Spannungsqualität und/oder zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 3 beitragen. Insbesondere kann die Energieerzeugungsanlage 1 das Wechselspannungsnetz 3 in Schritt S7.7 vollständig bilden, selbst wenn keine weiteren Energieerzeugungsanlagen an das Wechselspannungsnetz 3 angeschlossen sind.
• Während des gesamten Verlaufs des Verfahrens gemäß 7 kann die Energieerzeugungsanlage 1 mit dem Wechselspannungsnetz 3 verbunden bleiben, d.h. eine zwischenzeitliche Trennung der Energieerzeugungsanlage 1 vom Wechselspannungsnetz 3 ist nicht notwendig. Insbesondere während des Umschaltens einzelner Wechselrichter 4 in Schritt S7.3 oder in Schritt S7.6 kann die Energieerzeugungsanlage 1 unterbrechungsfrei Wirk- und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz 3 austauschen. Sofern die Wechselrichter 4 eine geeignete Regelungsstruktur umfassen, insbesondere eine Regelungsstruktur gemäß 6, können die Wechselrichter 4 selbst unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz 3 austauschen, wenn sie zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden.
• 8 zeigt ein Ablaufdiagramm einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb der Energieerzeugungsanlage 1. In dieser beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens befindet sich die Energieerzeugungsanlage 1 zunächst im Schritt S8.1 im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb, vergleiche 2 und zugehörige Beschreibung. Insbesondere können sich dabei alle Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 im spannungseinprägenden Betrieb, im V-Mode, befinden.
• Eine derartige Energieerzeugungsanlage 1 im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb kann ein Inselnetz vollständig bilden sowie darin befindliche Lasten im Rahmen der Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Gleichstromquellen versorgen. Dabei ist die Energieerzeugungsanlage 1 in Schritt S8.1 insbesondere dazu geeignet, ein Aufstarten des gesamten Wechselspannungsnetzes 3 zu unterstützen, beispielsweise nach einem Zusammenbruch eines nationalen oder kontinentalen Verbundnetzes. Für einen solchen Schwarzstart eines Verbundnetzes ist es notwendig, zunächst eine stabile Wechselspannung bereitzustellen, auf die sich die vorhandenen, aber aufgrund des Zusammenbruchs aktuell nicht einspeisenden Energieerzeugungsanlagen synchronisieren können. Die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage 1 ist im spannungseinprägenden Gesamtbetrieb besonders geeignet, zur Bereitstellung der initial notwendigen stabilen Wechselspannung beizutragen.
• Im Schritt S8.2 wird festgestellt, dass ein drittes Umschalt-Kriterium erreicht ist. Dazu kann beispielsweise die Steuereinheit 8 feststellen, dass elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes 3 in einem Wertebereich liegen, die das Vorliegen einer stabilen Wechselspannung repräsentieren. Insbesondere kann die Steuereinheit 8 dazu die elektrischen Eigenschaften selbst auswerten, beispielsweise anhand von Messwerten von Strom und Spannung, die insbesondere am Netzanschlusspunkt 2 erfasst werden können. Die Steuereinheit 8 kann auch aufgrund einer externen Vorgabe, die beispielsweise im Rahmen einer Koordination des Wiederanfahrens des Verbundnetzes durch einen Netzbetreiber gesendet wird, das Erreichen des dritten Umschalt-Kriteriums feststellen.
• Alternativ oder zusätzlich können die Wechselrichter 4 selbst anhand der Messwerte der Messeinrichtungen 7 den jeweiligen Strom I und die Spannung V auswerten und in Schritt S8.2 feststellen, dass ein drittes Umschalt-Kriterium erreicht ist. Beispielsweise kann ein Wechselrichter 4 feststellen, dass die Spannung V an seinem Ausgang und/oder die Frequenz des Wechselspannungsnetzes 3 und/oder die Gradienten von Spannung V bzw. Frequenz stabil innerhalb eines Bereichs liegt, in dem der Wechselrichter 4 nur wenig elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz 3 austauscht. Der Wechselrichter 4 kann dann autonom in den stromeinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, ohne die Stabilität des Wechselspannungsnetzes 3 in Frage zu stellen. Zudem kann der Wechselrichter 4 die an ihn angeschlossene Gleichstromquelle 5 optimal nutzen, im Falle eines Photovoltaik-Generator als Gleichstromquelle 5 also beispielsweise die maximal verfügbare Leistung aus dem Photovoltaik-Generator entnehmen.
• In Schritt S8.3 werden konkret einzelne Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 vom spannungseinprägenden Betrieb, vom V-Mode, in den stromeinprägenden Betrieb, in den I-Mode, umgeschaltet. Dies kann auf explizite Anweisung der Steuereinheit 8 an die betroffenen Wechselrichter 4 insbesondere durch Übermittlung einer expliziten Umschaltvorgabe, oder aufgrund autonomer Entscheidungen der betroffenen Wechselrichter 4 erfolgen, insbesondere aufgrund des Feststellens des Erreichens einer für den Wechselrichter 4 festgelegten Umschaltvorgabe.
• Die Energieerzeugungsanlage 1 wird dann in Schritt S8.4 in einem Mischbetrieb betrieben, d.h. ein Teil der Wechselrichter 4 wird stromeinprägend betrieben und ein anderer Teil der Wechselrichter 4 wird spannungseinprägend betrieben; vergleiche die 3 und 4 sowie die zugehörige Beschreibung. Während des Mischbetriebs, d.h. im Rahmen von Schritt S8.4 können weitere Wechselrichter 4 umgeschaltet werden, vom I-Mode in den V-Mode und/oder umgekehrt, beispielsweise um im weiteren Verlauf eines Wiederanfahrens des Wechselspannungsnetzes 3 zunehmend stromeinprägend zu arbeiten und damit netzstützend zu wirken, sofern die (wieder-)erreichte Stabilität des Wechselspannungsnetzes 3 dies zulässt. Insbesondere kann eine Regelschleife vorgesehen sein, die die Anzahl der Wechselrichter 4 im spannungseinprägenden V-Mode verringert, sobald ein Stabilitätskriterium erfüllt ist, und ggf. wieder erhöht, sofern das Stabilitätskriterium nicht mehr erfüllt ist und netzbildende Ressourcen benötigt werden. Dabei können die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter 4 bevorzugt Wirkleistung zur Verfügung stellen, insbesondere aus an die Wechselrichter 4 angeschlossenen Photovoltaik-Generatoren. Dadurch werden die zeitgleich im spannungseinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 entlastet und können sich auf die Bereitstellung von Blindleistung konzentrieren, was insbesondere bei Anschluss von Batterien als Gleichstromquellen an diesen Wechselrichter 4 besonders vorteilhaft ist.
• In Schritt S8.5 kann ein viertes Umschalt-Kriterium erreicht werden, beispielsweise indem ein Maß für die Spannungsqualität oder für die Netzstabilität innerhalb entsprechender Toleranzbänder liegt, oder indem ein Netzfehler festgestellt wird, der eine vorgegebene Einspeisung von Blind- und/oder Wirkleistung erfordert. Daraufhin werden in Schritt S8.6 alle Wechselrichter 4 der Energieerzeugungsanlage 1 in den stromeinprägenden Betrieb umgeschaltet, entweder durch die Steuereinheit 8 oder autonom veranlasst.
• In Schritt S8.7 arbeitet die Energieerzeugungsanlage 1 dann im stromeinprägenden Gesamtbetrieb, vergleiche 1 und zugehörige Beschreibung, so dass die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung anhand der Bedürfnisse und Möglichkeiten der Gleichstromquellen unter Berücksichtigung der Statiken zur Netzstützung eingestellt werden kann. Insbesondere kann die Energieerzeugungsanlage 1 etwaigen als Gleichstromquellen 5 angeschlossenen Photovoltaik-Generatoren die maximal mögliche Leistung entnehmen und in das Wechselspannungsnetz 3 einspeisen sowie mit den als Gleichstromquellen 5 angeschlossenen Batterien derart Leistung austauschen, dass ein gewünschter Ladezustand der Batterien angestrebt wird.
• Die in Zusammenhang mit den beschriebenen Ausführungsformen genannten Umschalt-Kriterien können auf den verschiedenen elektrischen Eigenschaften basieren. Insbesondere kann die Qualität der Netzspannung anhand von Parametern quantifiziert werden, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind. Diese Qualitäts-Parameter umfassen insbesondere Messwerte von Netzspannungsamplitude und -gradienten, von Netzfrequenz und Frequenzgradient, des Spannungsflickers, und/oder der nichtlinearen Verzerrungen der Spannung (englisch: Total Harmonic Distortion, THD). Zumindest indirekt und insbesondere im stromeinprägenden Betrieb sind auch Messwerte des Stromflickers oder der Stromharmonischen als Qualitäts-Parameter geeignet.
• Für die beispielhaft genannten, als Qualitäts-Parameter geeigneten Messwerte können globale und/oder individuelle Grenzwerte festgelegt werden. Die Steuereinheit 8 kann die Messwerte mit den Grenzwerten vergleichen und bei Über- bzw. Unterschreiten der Grenzwerte entsprechende explizite Umschaltvorgaben an die Wechselrichter 4 übermitteln. Alternativ kann die Steuereinheit 8 individuelle Grenzwerte für die Qualitäts-Parameter festlegen und entsprechende implizite Umschaltvorgaben an die einzelnen Wechselrichter 4 übermitteln, so dass die einzelnen Wechselrichter 4 autonom anhand eines Vergleichs der an den Wechselrichter 4 jeweils ermittelten Messwerte mit den Umschaltvorgaben entscheiden, ob die Wechselrichter 4 jeweils im spannungseinprägenden V-Mode oder im stromeinprägenden I-Mode betrieben werden.
• Bezugszeichenliste

1

Energieerzeugungsanlage

2

Netzanschlusspunkt

3

Wechselspannungsnetz

4

Wechselrichter

4.1, 4.2, 4.3

Wechselrichter

5

Gleichstromquelle

6

Steuerung

7

Messeinrichtungen

8

Steuereinheit

50, 60

Regelungsstruktur

51, 61

Stromregelung

52, 62

Spannungsregelung

70

Stromregler

71

Droop-Regler

72

Spannungsregler

81

Umschalter

82

Modulator

S7.1 - S7.7

Schritte

S8.1 - S8.7

Schritte

Claims (17)

1. Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage (1), die mindestens zwei Wechselrichter (4) aufweist, bei dem mittels der Wechselrichter (4) elektrische Leistung zwischen Gleichstromquellen (5) und einem Wechselspannungsnetz (3) ausgetauscht wird, wobei die Wechselrichter (4) wahlweise stromeinprägend oder spannungseinprägend betrieben werden, wobei mindestens einer der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) mit einem Speicher als Gleichstromquelle (5) verbunden ist, wobei der mit dem Speicher verbundene Wechselrichter (4) im spannungseinprägenden Betrieb betrieben wird, wenn ein Ladezustand des Speichers einen ersten Grenzwert überschreitet, und zeitweise im stromeinprägenden Betrieb betrieben wird, um den Speicher zu laden, wenn der Ladezustand des Speichers einen zweiten Grenzwert unterschreitet, wobei mindestens einer der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) mit einem PV-Generator als Gleichstromquelle (5) verbunden ist, wobei die Energieerzeugungsanlage (1) eine elektrische Gesamtleistung (P_Netz) mit dem Wechselspannungsnetz (3) austauscht, wobei der mit dem PV-Generator verbundene Wechselrichter (4) im stromeinprägenden Betrieb betrieben wird und die ausgetauschte Gesamtleistung (P_Netz) eine maximal mögliche PV-Leistung (P_MPP) des PV-Generators umfasst und wobei die Wechselrichter (4) einzeln oder gruppenweise zwischen einem stromeinprägenden Betrieb und einem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden, so dass die Energieerzeugungsanlage (1) insgesamt in einem stromeinprägenden Gesamtbetrieb, in einem spannungseinprägenden Gesamtbetrieb oder in einem Mischbetrieb betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei den Wechselrichtern (4) Umschaltvorgaben übermittelt werden, insbesondere von einer Steuereinheit (8) der Energieerzeugungsanlage (1), wobei die Wechselrichter (4) in Abhängigkeit von den Umschaltvorgaben zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb wechseln.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Umschaltvorgaben unmittelbar vorgeben, ob die Wechselrichter (4) im stromeinprägenden Betrieb oder im spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Umschaltvorgaben Grenzwerte umfassen, wobei die Wechselrichter (4) elektrische Eigenschaften des Wechselspannungsnetz (3) ermitteln und bei Überschreiten der Grenzwerte autonom zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und den spannungseinprägenden Betrieb umschalten.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energieerzeugungsanlage (1) während des Umschaltens einzelner oder mehrerer Wechselrichter (4) zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb mit dem Wechselspannungsnetz (3) verbunden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Energieerzeugungsanlage (1) während des Umschaltens einzelner oder mehrerer Wechselrichter (4) zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz (3) austauscht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die einzelnen Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) unterbrechungsfrei Wirkleistung und/oder Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz (3) austauschen, wenn sie zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Umschaltung der Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) zwischen dem stromeinprägenden Betrieb und dem spannungseinprägenden Betrieb in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter Spannungsqualität, Netzstabilität, Frequenzstabilität und/oder Netzimpedanz durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter (4) eine elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz (3) austauschen, deren Wirkleistung und/oder Blindleistung abhängig von der Spannung und/oder der Frequenz des Wechselspannungsnetz (3) eingestellt werden, so dass die im stromeinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter (4) Primär- und/oder Sekundärregelleistung bereitstellen.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die im spannungseinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter (4) eine elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz (3) derart austauschen, dass die im spannungseinprägenden Betrieb betriebenen Wechselrichter (4) eine Momentanreserveleistung bereitstellen.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einzelne oder alle Wechselrichter (4) der Energieerzeugungsanlage (1) im Falle eines Netzfehlers vom spannungseinprägenden Betrieb in den stromeinprägenden Betrieb umschalten und optional nach Fehlerklärung wieder zurück in den spannungseinprägenden Betrieb umschalten.
12. Verfahren nach Anspruch 11, einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wechselrichter (4) das Vorliegen des Netzfehlers selbst erkennen und im Falle eines Netzfehlers eigenständig in den stromeinprägenden Betrieb umschalten sowie optional ein Ende des Vorliegens des Netzfehlers selbst erkennen und eigenständig in die Betriebsweise vor dem Netzfehler umschalten.
13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei einem Übergang vom stromeinprägenden Gesamtbetrieb zum Mischbetrieb der Energieerzeugungsanlage (1) bevorzugt der mindestens eine mit dem Speicher verbundene Wechselrichter (4) in den spannungseinprägenden Betrieb umgeschaltet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Mischbetrieb der Energieerzeugungsanlage (1) alle Wechselrichter (4), die mit einem Speicher verbundenen sind, in dem spannungseinprägenden Betrieb betrieben werden, sofern der jeweilige Ladezustand dies erlaubt und kein Netzfehler vorliegt, und alle Wechselrichter, die mit einem PV-Generator verbunden sind, im stromeinprägenden Betrieb betrieben werden.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wechselrichter (4) eine Regelungsstruktur (50, 60) mit einer Stromregelung (51, 61) und Spannungsregelung (52, 62) umfasst, wobei die Stromregelung (51, 61) und die Spannungsregelung (52, 62) jeweils Steuersignale zur Ansteuerung von Leistungsschaltern der Wechselrichter (4) ausgeben und mittels eines Umschalters (81) ausgewählt wird, welche der ausgegebenen Steuersignale zur Ansteuerung der Leistungsschaltern der Wechselrichter (4) verwendet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Stromregelung (61) und die Spannungsregelung (62) im Rahmen der Regelungsstruktur (60) über gegenseitige Vorsteuerungen miteinander gekoppelt sind.
17. Energieerzeugungsanlage (1) mit mindestens zwei Wechselrichter (4), bei der mittels der Wechselrichter (4) elektrische Leistung zwischen Gleichstromquellen (5) und einem Wechselspannungsnetz (3) ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungsanlage (1) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.

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