DE102020119039A1

DE102020119039A1 - Verfahren zum betrieb einer energieversorgungsanlage und energieversorgungsanlage

Info

Publication number: DE102020119039A1
Application number: DE102020119039.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knobloch; Christian Hardt; Mats Bernsdorff; Daniel Premm
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-01-20
Also published as: CN116491042A; EP4183019A1; US20230187942A1; JP7728848B2; WO2022013458A1; JP2023533592A

Abstract

In einem Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsanlage (11) mit einer Vielzahl von Wechselrichtern (10.1, 10.2, 10.3) und einem Anlagenregler (28), der kommunikativ mit den Wechselrichtern (10.1, 10.2, 10.3) verbunden ist, weist die Energieversorgungsanlage (11) einen Netzanschluss (26) auf, der an ein Wechselspannungsnetz (24) angeschlossen ist. Die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) tauschen über den Netzanschluss (26) elektrische Austauschleistungen mit dem Wechselspannungsnetz (24) aus, so dass die Energieversorgungsanlage (11) eine Gesamt-Austauschleistung mit dem Wechselspannungsnetz (24) austauscht, die sich aus den jeweiligen elektrischen Austauschleistungen zusammensetzt. Die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) stellen mittels einer jeweiligen Regelung (50.1, 50.2, 50.3) ihre jeweiligen Austauschleistungen in Abhängigkeit von einer jeweiligen Spannungsverlaufsabweichung eines Spannungsverlaufs einer Netzspannung von einem jeweiligen Referenzverlauf mit Bezug auf eine jeweilige Referenzfrequenz und/oder in Abhängigkeit von einer jeweiligen Spannungsamplitudendifferenz zwischen einer jeweiligen Netzspannung und einer jeweiligen Referenzspannung ein. Der Anlagenregler (28) beeinflusst die Regelungen (50.1, 50.2, 50.3) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) in Abhängigkeit von einer Leistungsdifferenz zwischen der Gesamt-Austauschleistung und einer Vorgabe-Austauschleistung beeinflusst. Eine anmeldungsgemäße Energieversorgungsanlage (11) ist dazu eingerichtet, dieses Verfahren auszuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsanlage sowie eine Energieversorgungsanlage.
STAND DER TECHNIK
Konventionelle Energieversorgungsanlagen, insbesondere thermisch betriebene Kraftwerke, umfassen netzsynchron rotierende Schwungmassen von Synchrongeneratoren oder Turbinen und des jeweiligen Triebstrangs. Die Energieversorgungsanlagen tauschen elektrische Leistung mit einem elektrischen Wechselspannungsnetz aus, wobei die gesamte Schwungmasse der Anlagen im Netz wesentlich zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes beiträgt. Insbesondere die Trägheit dieser Schwungmasse bewirkt aufgrund der darin gespeicherten Rotationsenergie eine Trägheit des rotierenden Spannungsraumzeigers der Energieversorgungsanlagen, so dass bei Phasensprüngen und/oder Frequenzänderungen des Spannungsraumzeigers im Wechselspannungsnetz eine augenblickliche Leistungsänderung der Energieversorgungsanlagen stattfindet, die insbesondere durch induktive Effekte und eine Phasenwinkeldifferenz zwischen dem Spannungsraumzeigers der Schwungmasse und dem Spannungsraumzeigers der Netzspannung hervorgerufen wird. Dadurch wird eine sogenannte Momentanreserve bereitgestellt und die Änderungsrate der Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes begrenzt, insbesondere für den Fall, dass Leistungsungleichgewichte zwischen Zufuhr und Abfluss elektrischer Leistung, d.h. zwischen Erzeugung und Verbrauch im Wechselspannungsnetz auftreten.
Die als Momentanreserveleistung zwischen Energieversorgungsanlage und Wechselspannungsnetz ausgetauschte Energie wird der rotierenden Masse entnommen bzw. zugeführt, indem die Schwungmasse abgebremst bzw. beschleunigt wird, wobei die ausgetauschte Leistung und die ausgetauschte Energie durch die physikalischen Eigenschaften der Energieversorgungsanlage insgesamt begrenzt wird. Die Bereitstellung der Momentanreserve endet, sobald die Rotationsfrequenz bzw. der Spannungsraumzeiger der Schwungmasse sich an die Netzfrequenz bzw. den Spannungsraumzeiger des Netzes angeglichen hat, d.h. insbesondere sobald ein Wegdriften der Netzfrequenz gestoppt ist, beispielsweise nachdem das Leistungsgleichgewicht durch weitere Frequenzhaltungsmechanismen oder einen Netzselbstregeleffekt beseitigt ist.
Energieversorgungsanlagen, die über leistungselektronische Stromrichter elektrische Leistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, wie z. B. Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen oder netzgekoppelte Energiespeicher, besitzen hingegen in der Regel keine rotierenden Massen und somit keine mechanische Trägheit, praktisch keine mechanische Speicherfähigkeit sowie keine wesentliche Überstromfähigkeit. Die leistungselektronischen Stromrichter solcher Energieversorgungsanlagen, insbesondere Wechselrichter, können zum Austausch elektrischer Leistung mit einem bestehenden Wechselspannungsnetz eingerichtet sein oder selbst ein Inselnetz aufbauen.
Ein Wechselrichter, der ein Inselnetz aufbaut, gibt die Wechselspannung im Inselnetz bezüglich Amplitude und Frequenz selbst vor und speist einen Strom in das Inselnetz ein, der geeignet ist, Amplitude und Frequenz der Wechselspannung im Inselnetz in jeweils zulässigen Wertebereichen zu halten. Dazu kann eine sogenannte Droop-Regelung eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der WO2018122726A1 beschrieben ist. Bei dieser spannungseinprägenden und insofern netzbildenden Droop-Regelung wird der zwischen Wechselrichter und Inselnetz ausgetauschte Strom bzw. die ausgetauschte Leistung anhand einer f(P)-Kennlinie derart eingestellt, dass ein Leistungsungleichgewicht im Inselnetz und damit eine Frequenzabweichung oder ein Phasensprung der Netzspannung zu einer entgegenwirkenden Reaktion des Wechselrichters führt. Konkret erhöht sich beispielsweise die eingespeiste Leistung, wenn ein Leistungsdefizit und damit eine Unterfrequenz im Inselnetz vorliegt. Ziel ist es dabei, ein Leistungsgleichgewicht im Inselnetz herzustellen, um das Inselnetz in normativ zulässigen Grenzen betreiben zu können.
Als ein stromrichterbasiertes Verfahren zur Anwendung in einem Wechselrichter für ein Inselnetz ist z.B. aus der EP 1 286 444 B1 eine Droop-Regelung mit Tiefpassfilter im f(P)-Pfad bekannt. Dieses Regelungsverfahren bezieht sich auf die Umsetzung in parallel geschalteten und induktiv gekoppelten Wechselrichtern, die über Netzkoppelinduktivitäten an eine gemeinsame Versorgungsleitung angeschlossen sind. Dabei weist jeder Wechselrichter einen Regelkreis auf, bei dem die Frequenz der Ausgangsspannung unter Berücksichtigung einer vorgewählten Frequenzstatik aus der Wirkleistung abgeleitet wird, wobei zusätzlich ein Wert für die Phase der Ausgangsspannung aus der Wirkleistung abgeleitet werden kann.
Ein Wechselrichter, der elektrische Leistung mit einem bestehenden Wechselspannungsnetz austauscht, indem er stromeinprägend betrieben wird, folgt der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz und erzeugt einen netzkonformen Wechselstrom, dessen Frequenz weitgehend der aktuellen Frequenz der Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes entspricht und dessen Amplitude und damit Leistung sich an externen Randbedingungen orientieren kann. Insbesondere kann der eingespeiste Wechselstrom anhand einer gewünschten Austauschleistung der Energieversorgungsanlage eingestellt werden, beispielsweise einer Lade- bzw. Entladeleistung einer Batterie als Gleichstromquelle, und/oder anhand der aktuellen Eigenschaften der angeschlossenen Gleichstromquelle, im Falle eines PV-Generators als Gleichstromquelle insbesondere zur Verwertung der maximal verfügbaren Generatorleistung. Zusätzlich kann die ausgetauschte Wirkleistung in einer sogenannten P(f)-Regelung anhand einer Leistungs-Frequenz-Kennlinie abhängig von der Abweichung der Netzfrequenz von einer Sollfrequenz und/oder die ausgetauschte Blindleistung in einer Blindleistungsregelung anhand einer Blindleistungs-Spannungs-Kennlinie abhängig von einer Abweichung der Netzspannung von einer Sollspannung eingestellt werden.
Wechselrichter weisen in der Regel eine schnelle Dynamik auf, d. h. sie regeln ihre Ausgangsspannung, ihren Ausgangsstrom und ggf. weitere Parameter mit einer hohen Taktfrequenz deutlich größer als ein Kilohertz und entsprechend kleinen Zeitkonstanten unterhalb einer Millisekunde. Die Anwendung der Droop-Regelung in einem Wechselrichter hat dabei eine quasi sofortige Leistungsänderung bei Netzereignissen, insbesondere bei Frequenzabweichungen oder Phasensprüngen zur Folge. Die proportionale Leistungs-Frequenz-Kennlinie der Droop-Reglung führt dazu, dass sich bei Auftreten einer Phasenwinkeldifferenz, d.h. insbesondere im Falle einer Abweichung der Netzfrequenz von einer Sollfrequenz und entsprechend Leistungsänderung innerhalb weniger als einer Periode der Wechselspannung ein neuer Arbeitspunkt mit geänderter Sollfrequenz und damit stabilisierter Phasenwinkeldifferenz und resultierender Austauschleistung einstellt. In der P(f)-Regelung ist in der Regel zunächst eine konkrete Bestimmung der Frequenz notwendig, beispielsweise mittels einer Phasenregelschleife (PLL), so dass ein Wechselrichter mit einer P(f)-Regelung unter Umständen gar nicht auf Phasensprünge sowie prinzipbedingt verzögert mit einer Änderung der Austauschleistung und/oder des Ausgangsstroms auf Frequenzdrifts reagiert.
Wenn die Netzfrequenz von der Sollfrequenz abweicht, aber ansonsten konstant ist, stellt sich sowohl bei der Droop-Regelung als auch bei einer konventionellen stromeinprägenden P(f)-Regelung eine ebenfalls konstante Leistungsänderung gegenüber der Leistung bei Netzfrequenz gleich Sollfrequenz ein. Insofern haben Droop-Regelung und P(f)-Regelung den Charakter einer Frequenzhaltungsreserve, einer sogenannten Primärregelreserve. Dies gilt analog auch für die Bereitstellung einer konstanten Blindleistung bei einer konstanten Spannungsabweichung der Netzspannung von der Sollspannung. Bei einem Verhalten als Momentanreserve ist es jedoch meist erwünscht, dass die Momentanreserveleistung, d. h. die zur Bereitstellung der Momentanreserve mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Leistung, auf ihren ursprünglichen Wert vor einem Netzereignis, d.h. insbesondere vor einer Änderung der Netzfrequenz abklingt, um ein Verhalten einer Schwungmasse insofern analog nachzubilden.
In US9859828 wird eine mit Energiespeichern kombinierte Windkraftanlage mit Windturbinengeneratoren und einem Anlagencontroller beschrieben, die mit einem Wechselstromnetz elektrische Leistung austauscht. Die Windkraftanlage ist dazu eingerichtet, netzstützend zu wirken, indem die ausgetauschte Leistung geregelt wird.
In US20160268818 wird ein Energieversorgungssystem beschrieben. Ein Systemcontroller setzt eine Droop-Kennlinie für eine Vielzahl von Batterien. Ein Batteriecontroller steuert das Be- und Entladen der Vielzahl von Batterien anhand der Droop-Kennlinie.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsanlage bereitzustellen, das insbesondere durch Bereitstellung einer Momentanreserve netzdienlich wirkt. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungsanlage bereitzustellen, die insbesondere durch Bereitstellung einer Momentanreserve spannungs- und/oder frequenzstützend wirkt.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Energieversorgungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 25 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsanlage mit einer Vielzahl von Wechselrichtern und einem Anlagenregler, der kommunikativ mit den Wechselrichtern verbunden ist, weist die Energieversorgungsanlage einen Netzanschluss auf, über den die Energieversorgungsanlage an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist. Die Wechselrichter tauschen über den Netzanschluss elektrische Austauschleistungen mit dem Wechselspannungsnetz aus, so dass die Energieversorgungsanlage eine Gesamt-Austauschleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauscht, die sich aus den jeweiligen Austauschleistungen der Wechselrichter zusammensetzt. Die Wechselrichter stellen dabei mittels einer jeweiligen Regelung ihre jeweiligen Austauschleistungen in Abhängigkeit von einer jeweiligen Spannungsverlaufsabweichung eines Spannungsverlaufs einer Netzspannung von einem jeweiligen Referenzverlauf mit Bezug auf eine jeweilige Referenzfrequenz ein. Alternativ oder zusätzlich stellen die Wechselrichter mittels einer jeweiligen Regelung ihre jeweiligen Austauschleistungen in Abhängigkeit von einer jeweiligen Spannungsamplitudendifferenz zwischen einer jeweiligen Netzspannung und einer jeweiligen Referenzspannung ein. Der Anlagenregler beeinflusst die Regelungen der Wechselrichter in Abhängigkeit von einer Leistungsdifferenz zwischen der Gesamt-Austauschleistung und einer Vorgabe-Austauschleistung.
Durch die erfindungsgemäße Entkopplung der Regelung der jeweiligen Austauschleistung durch den Wechselrichter selbst und die überlagerte Beeinflussung der Regelung durch den Anlagenregler wird es besonders vorteilhaft ermöglicht, die Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage einerseits auf der Ebene der Wechselrichter dynamisch einzustellen, insbesondere zur Netzstützung im Falle einer transienten Abweichung von Netzparametern von entsprechenden Sollwerten, und andererseits auf der Ebene der gesamten Energieversorgungsanlage ein übergeordnetes Ziel zu verfolgen, insbesondere die optimale Nutzung einer Energiequelle und/oder Energiesenke der Energieversorgungsanlage.
Bevorzugt sind die Wechselrichter als Speicher-Wechselrichter ausgebildet und weisen jeweils einen Speicheranschluss zum Anschluss eines Energiespeichersystems mit Energiespeicher und Energiespeichermanagement, insbesondere eines Batteriesystems mit Batterie und Batteriemanagement, auf. Aus dem Energiespeicher des Energiespeichersystems, z.B. einer Batterie oder einem Doppelschichtkondensator (Ultracap oder Supercap), kann bei Bedarf elektrische Leistung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz durch Entladen des Energiespeichers entnommen werden. Bei Aufnahme von elektrischer Leistung aus dem Wechselspannungsnetz kann der jeweilige Energiespeicher der Speicher-Wechselrichter geladen werden.
In einer Ausführungsform sind die Wechselrichter als Wechselrichter ausgebildet, die optional einen Anschluss zum Anschluss an eine Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) aufweisen. Über die PV-Anlage kann bei Bedarf elektrische Leistung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz bezogen werden.
In einer Ausführungsform messen die Wechselrichter die Netzspannung des Wechselspannungsnetzes über jeweilige Messeinrichtungen. Der Spannungsverlauf der Netzspannung bildet den zeitlichen Verlauf der Messwerte der Netzspannung ab und kann einen Phasenraumzeiger umfassen, der einen Phasenwinkel und eine Rotationsfrequenz aufweist. Die Netzfrequenz und/oder die Spannungsamplitude kann dann durch die jeweiligen Wechselrichter, bevorzugt durch ihre jeweiligen Regelungen, aus dem Spannungsverlauf ermittelt werden, insbesondere mittels einer Phasenregelschleife (kurz: PLL).
In einer Ausführungsform umfassen die jeweiligen Regelungen der Wechselrichter eine Referenzfrequenz und/oder eine Referenzspannung, die verwendet werden, um einen Referenzverlauf der einzustellenden Ausgangsspannung des jeweiligen Wechselrichters mit Bezug auf die Referenzfrequenz und/oder die Referenzspannung vorzugeben. Dabei kann der Referenzverlauf insbesondere die Referenzfrequenz oder eine gegenüber der Referenzfrequenz um einen Regelbetrag abweichende Frequenz aufweisen, wobei der Regelbetrag insbesondere in einer Droop-Regelung von der Austauschleistung des jeweiligen Wechselrichters abhängen kann.
Das beschriebene Verfahren stellt eine stromrichterbasierte Momentanreserve durch Energieversorgungsanlagen, insbesondere durch PV-Anlagen oder Energiespeicher-Anlagen zur Verfügung. Bei dem Verfahren werden die jeweiligen Regelungen der Wechselrichter, die spannungsstellend und/oder stromstellend betrieben werden und ihre jeweiligen Austauschleistungen in Abhängigkeit von der Spannungsverlaufsabweichung und/oder der Spannungsamplitudendifferenz zwischen der Netzspannung und den jeweiligen Wechselrichter-Referenzwerten einstellen, durch einen übergeordneten Anlagenregler ergänzt. Der Anlagenregler beeinflusst die Regelungen einer Mehrzahl an Wechselrichtern insbesondere durch Vorgabe und/oder Modifikation eines oder mehrerer der Referenzwerte und ist bevorzugt einer Energieversorgungsanlage mit einer Vielzahl an Wechselrichtern zugeordnet. In einer Ausführungsformen kann ein Anlagenregler auch mehreren, z. B. benachbarten Energieversorgungsanlagen, zugeordnet sein oder ein Anlagenregler kann einem Teilbereich einer Energieversorgungsanlage zugeordnet sein, insbesondere bei sehr großen Energieversorgungsanlagen.
Der Anlagenregler ergänzt die jeweiligen Regelungen der Wechselrichter. Die Beeinflussung der jeweiligen Regelungen der Wechselrichter durch den Anlagenregler erfolgt in Abhängigkeit von einer Leistungsdifferenz zwischen der Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage und einer Vorgabe-Austauschleistung. So kann über den Anlagenregler die Gesamt-Austauschleistung beispielsweise nach einer durch eine Netzfrequenzänderung bedingte Änderung der Austauschleistungen der Wechselrichter in einer gewünschten Form beeinflusst und damit weiter verändert, insbesondere wieder auf einen Ausgangszustand vor der Netzfrequenzänderung zurückgeführt werden. Insbesondere kann durch den Anlagenregler die Gesamt-Austauschleistung an die Vorgabe-Austauschleistung angenähert werden, indem die Leistungsdifferenz am Netzanschluss mittels eines P-Reglers oder einer PI-Reglers minimiert und ggf. auf null geregelt wird. Als Stellgrößen des Anlagenreglers können dabei insbesondere geeignete Parameter der Regelungen der Wechselrichter verwendet werden, mit denen der Anlagenregler kommunikativ interagiert.
Die Austauschleistungen der Wechselrichter können eine Wirkleistung und eine Blindleistung umfassen, so dass die Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage einen Wirkleistungsanteil und einen Blindleistungsanteil umfasst. Ebenso kann die Vorgabe-Austauschleistung einen Wirkleistungsanteil und/oder einen Blindleistungsanteil umfassen.
Der Wirkleistungsanteil und/oder der Blindleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung kann dabei positiv oder negativ sein, das heißt, die Energieversorgungsanlage kann im Grundzustand elektrische Wirkleistung aus den Energiespeichern und/oder den PV-Generatoren entnehmen und an das Wechselspannungsnetz abgeben und umgekehrt sowie sowohl kapazitive als auch induktive elektrische Blindleistung bereitstellen. Der Wirkleistungsanteil und/oder der Blindleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung kann dem Anlagenregler dabei ebenfalls vorgegeben werden, beispielsweise durch eine übergeordnete Netzbetriebssteuerung oder durch einen intern in der Energieversorgungsanlage auftretenden Bedarf, z.B. eine Last oder ein Nachladen eines Speichers.
Der Wirkleistungsanteil und/oder der Blindleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung kann beispielsweise zeitlich weitgehend konstant, insbesondere gleich null, sein. Im Falle eines Wirkleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung von null wirkt die Energieversorgungsanlage im Sinne einer reinen Schwungmasse netzdienlich durch Bereitstellung einer Wirkleistungs-Momentanreserve, wobei die der Wirkleistungsanteil der Gesamt-Austauschleistung dann nach einer gewissen Zeit bei konstanter Netzfrequenz durch den Anlagenregler wieder auf null zurückgefahren wird. Im Falle eines Wirkleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung ungleich null, wirkt die Energieversorgungsanlage ebenfalls netzdienlich durch die Bereitstellung einer Wirkleistungs-Momentanreserve, wobei jenseits der Bereitstellung der Wirkleistungs-Momentanreserve ein zusätzlicher kontinuierlicher Leistungsaustausch zwischen einzelnen Wechselrichtern und dem Wechselspannungsnetz angestrebt werden kann. Dabei wird die Gesamt-Austauschleistung - nach der Bereitstellung der Momentanreserve - auf einen konstanten oder variablen Wert der Vorgabe-Austauschleistung eingeregelt. Dadurch kann beispielsweise die zeitlich variierende elektrische Leistung von PV-Generatoren an einzelnen Wechselrichtern energetisch sinnvoll genutzt und ins Wechselspannungsnetz eingespeist werden.
Der Wirkleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung kann auch frequenzabhängig sein und dabei insbesondere von der Netzfrequenz abhängen. Alternativ oder zusätzlich kann der Blindleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung von der Netzspannung abhängig sein. In einer solchen Ausführungsform wirkt die Energieversorgungsanlage zunächst netzbildend durch die Bereitstellung einer Momentanreserve und darüber hinaus netzstützend durch die Bereitstellung einer Primärregelleistung. Das Verfahren erlaubt eine einfache Realisierung der Fähigkeit einer Energieversorgungsanlage, eine Momentanreserve über Speicher-Wechselrichter zur Verfügung zu stellen, indem instantan Wirkleistung zur Dämpfung des Netzfrequenzgradienten bei transienten Leistungsungleichgewichten im Wechselspannungsnetz und/oder Blindleistung zur Dämpfung des Netzspannungsgradienten bei transienten Unter- oder Überspannungen zur Verfügung steht. Gleichzeitig ist die Energieversorgungsanlage flexibel hinsichtlich ihres Verhaltens jenseits der Momentanreserve konfigurierbar, indem insbesondere der Wirkleistungsanteil der Gesamt-Austauschleistung bei Frequenzstabilität auf verschiedene interne und/oder externe Anforderungen an die Energieversorgungsanlage adaptiert werden kann.
Die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers ist dabei bevorzugt langsamer als die Dynamiken der jeweiligen Reglungen der Wechselrichter. Unter Dynamik wird das Zeitverhalten eines Reglers oder einer Regelung verstanden. Die Dynamik kann insbesondere durch die Taktfrequenz des Reglers oder der Regelung begrenzt sein sowie beispielsweise von Trägheitszeitkonstanten oder Begrenzungen des Gradienten einer Stellgröße des Reglers oder der Regelung beeinflusst sein. Konkret bestimmen die Parameter der jeweiligen Regelungen der Wechselrichter das instantane oder hochfrequente Verhalten der Wechselrichter mit hoher Dynamik, während die Parameter des Anlagenreglers das Verhalten der Energieversorgungsanlage im zeitlichen Mittel mit geringerer Eingriffsdynamik beeinflussen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die zur Einstellung der jeweiligen Austauschleistung verwendete Spannungsverlaufsabweichung eine Frequenzdifferenz zwischen einer Netzfrequenz und einer jeweiligen Referenzfrequenz. Dabei wird die Netzfrequenz aus der Netzspannung ermittelt, bevorzugt mittels einer PLL. In Abhängigkeit von dieser Frequenzdifferenz kann dann mittels der jeweiligen Regelung die jeweilige Wirkleistung der Wechselrichter eingestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Spannungsverlaufsabweichung eine Phasenwinkeldifferenz zwischen einem Netzphasenwinkel der Netzspannung und einem jeweiligen Wechselrichterphasenwinkel. Dabei weist der Wechselrichterphasenwinkel eine Frequenz auf, die anhand der jeweiligen Regelung in Abhängigkeit der jeweiligen Wirkleistung unter Berücksichtigung einer jeweiligen Referenz-Wirkleistung und einer jeweiligen Referenzfrequenz vorgebbar ist.
In einer Ausführungsform stellen die Wechselrichter mittels ihrer jeweiligen Regelungen ihre jeweilige Wirkleistung anhand einer jeweiligen Kennlinie, insbesondere einer Droop-Kennlinie ein. Ein Parameter der Kennlinie hängt von der jeweiligen Referenzfrequenz ab. Alternativ oder zusätzlich hängt ein Parameter der Kennlinie von einer jeweiligen Referenzleistung ab. Dabei weist die Kennlinie eine Steigung auf.
In einer Ausführungsform gibt die Kennlinie den funktionalen Zusammenhang zwischen der jeweiligen Wirkleistung und der jeweiligen Frequenzdifferenz an. Dies entspricht beispielsweise in einer Droop-Regelung einer sogenannten f(P)-Statik, die insbesondere in Form einer Geraden mit einer Steigung df/dP vorgegeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kennlinie in einer jeweiligen Droop-Regelung realisiert, wobei die jeweilige Wirkleistung in der jeweiligen Droop-Regelung als Messgröße verwendet wird und die Frequenz und/oder der Phasenwinkel der Ausgangsspannung des jeweiligen Wechselrichters als Stellgröße eingestellt werden. Es ergibt sich eine jeweilige Wirkleistung des jeweiligen Wechselrichters, die insbesondere von der Differenz zwischen einer Netzfrequenz und der jeweiligen Referenzfrequenz und/oder von der jeweiligen Referenzleistung abhängen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert damit auf geschickte Weise die Vorteile der Regelung im Wechselrichter, die beispielsweise eine spannungseinprägende Droop-Regelung ist und damit einfach, robust, schnell und vorhersagbar, mit einem Anlagenregler, der eine Regelung des Verlaufs der Gesamtaustauschleistung auf Anlagenebene realisiert. Alternativ oder zusätzlich kann eine Blindleistungsregelung im Wechselrichter ausgeführt werden, die besonders einfach, robust, schnell und vorhersagbar aufgebaut ist, wobei der Anlagenregler auch in diesem Fall eine Regelung des Verlaufs der Gesamtaustauschleistung auf Anlagenebene realisiert. Dabei können insbesondere Parameter der Droop-Regelungen und/oder der Blindleistungsregelungen der Wechselrichter durch den Anlagenregler geändert werden, um einen gewünschten Verlauf der Gesamtaustauschleistung zu erzielen.
Die Regelung auf Anlagenebene ist bevorzugt eine Feed-In Regelung, das heißt der Anlagenregler gibt über eine Kommunikationsverbindung den jeweiligen Regelungen der jeweiligen Wechselrichter Werte vor, insbesondere Parameter der jeweiligen Droop-Regelung und/oder der jeweiligen Blindleistungsregelung. Die Regelung auf Anlagenebene ist damit gut parametrierbar, situationsbedingt konfigurierbar und ermöglicht, die jeweiligen Regelungen der Wechselrichter individuell einzustellen. In dieser Kombination kann dann bevorzugt eine zur Nachbildung des Verhaltens einer Schwungmasse notwendige Trägheit des Spannungsraumzeigers der Wechselrichter der jeweiligen Regelung eines jeweiligen Wechselrichters durch geeignete Abstimmung der Parameter der Droop-Regelung bzw. der Blindleistungsregelung mit den Parametern des Anlagenreglers eingestellt werden. Die Latenzen der überlagerten Regelung durch den Anlagenregler, insbesondere die Kommunikationslatenzen zwischen dem Anlagenregler und den Wechselrichtern, wirken sich dabei nicht auf die schnellen jeweiligen Regelungen der jeweiligen Wechselrichter aus. Dies ist besonders vorteilhaft für dezentrale autonome Wechselrichter-individuelle Droop- bzw. Blindleistungsregelungen. Das Verfahren kann insbesondere ohne Verzögerungsglieder in den schnellen Regelschleifen der Wechselrichterregelung auskommen. Eine mögliche Schwingungsneigung sowie mögliche Instabilitäten können dadurch vermieden werden.
In einer Ausführungsform stellt der Anlagenregler die jeweilige Wirkleistung der Wechselrichter ein, indem er Parameter der jeweiligen Kennlinien der Regelungen der Wechselrichter beeinflusst. Der Anlagenregler beeinflusst dabei insbesondere jeweils den Parameter, der von der Referenzfrequenz abhängt und/oder jeweils den Parameter, der von der Referenzleistung abhängt. Bei einer Droop-Regelung entspricht dies insbesondere einer Verschiebung der Statik, wodurch insbesondere die jeweilige Phasenwinkeldifferenz zwischen Netzphasenwinkel und Wechselrichterphasenwinkel so beeinflusst wird, dass sich eine Änderung der jeweiligen Wirkleistung in der gewünschten Richtung eingestellt einstellt. Besonders vorteilhaft erfolgt die Beeinflussung derart, dass der Wirkleistungsanteil an der Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage mit einer vorgebbaren Zeitkonstante an den Wirkleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung angenähert wird.
In einer Ausführungsform kann die Beeinflussung so erfolgen, dass die jeweilige Referenzfrequenz an eine am Netzanschluss gemessene und tiefpassgefilterte Netzfrequenz angeglichen wird. Dies ermöglicht ein dynamisches Nachführen der Referenzfrequenz mittels Tiefpassfilterung der Netzfrequenz, so dass die Referenzfrequenz einem Mittelwert der am Netzanschlusspunkt gemessenen Netzfrequenz entsprechen kann. Dadurch wird letztlich der Wechselrichterphasenwinkel mit dem Netzphasenwinkel durch den Anlagenregler (zeitverzögert) synchronisiert. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da für den Anlagenregler durch die Tiefpassfilterung eine einstellbare Zeitverzögerung aufweist. Der Anlagenregler kann insofern gegenüber den Regelungen der Wechselrichter verzögert reagieren und insbesondere ein definiertes Abklingen der Momentanreserve und den Leistungsaustausch der Energieversorgungsanlage nach der Bereitstellung der Momentanreserve hinsichtlich Wirkleistung und/oder Blindleistung regeln.
Die Übermittlung vom Anlagenregler an die Wechselrichter erfolgt kommunikativ, z. B. durch eine drahtgebundene oder drahtlose Übermittlung. Der oder die in den Regelungen der Wechselrichter einzustellenden Parameter können dabei insbesondere per Broadcast von dem Anlagenregler an die Regelungen der Wechselrichter übertragen werden. Dabei können die jeweiligen an die Wechselrichter übermittelten Parameter jeweils gleich sein, insbesondere also eine gemeinsame Referenzfrequenz und/oder eine gemeinsame Referenzleistung an die Wechselrichter übermittelt werden. Die Parameter der jeweiligen Regelungen der Wechselrichter können auch individuell unterschiedlich für verschiedene Wechselrichter eingestellt werden.
Das Verfahren beruht insbesondere auf einer Kombination aus Regelungen in den Wechselrichtern, insbesondere Droop-Regelungen mit einer Droop-Kennlinie und/oder einer Blindleistungsregelung mit einer Q(U)-Kennlinie, und einer überlagerten Änderung von Parametern der Regelung durch den Anlagenregler. Insbesondere kann die Referenzfrequenz und/oder die Referenzleistung der Droop-Kennlinie durch den Anlagenregler modifiziert werden, indem der Anlagenregler die Referenzfrequenz und/oder die Referenzleistung dynamisch per Broadcast oder durch individuelle Kommunikation an die Wechselrichter vorgibt. Dies bewirkt ein Abregeln einer durch eine Frequenzänderung der Netzfrequenz bedingten Änderung der Wirkleistung nach einer gewissen Zeit durch den Anlagenregler. Insgesamt ist die Energieerzeugungsanlage dadurch in der Lage, eine Momentanreserve bereitzustellen, deren Charakteristik analog einer elektromechanischen Schwungmasse ist. Die zeitliche Abfolge der Momentanreserveleistung wird dabei durch die Dynamiken der Regelungen der Wechselrichter und die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers beeinflusst, wobei die Dynamiken der Regelungen der Wechselrichter schneller sind als die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers.
Die Dynamik der Regelungen der jeweiligen Wechselrichter kann in einer Ausführungsform durch den Anlagenregler eingestellt werden. Dies kann beispielsweise durch Vorgabe von Parametern der jeweiligen Regelungen geschehen, bevorzugt durch die Vorgabe einer jeweiligen Steigung der jeweiligen Kennlinien der jeweiligen Regelungen. Auch die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers kann optional einstellbar ausgestaltet sein. Die Einstellung kann beispielsweise durch die Vorgabe einer Filterkonstanten der Tiefpassfilterung der am Netzanschluss gemessenen Netzfrequenz erfolgen. Hierdurch kann das Zeitverhalten des netzstützenden Verhaltens der Energieversorgungsanlage, insbesondere das Zeitverhalten der Bereitstellung der Momentanreserve, weiter verfeinert werden, so dass „schnelle“ Änderungen der Netzfrequenz und/oder der Netzspannung in den Wechselrichtern zu Leistungsänderungen führen, die durch das „langsamere“ Nachführen von Parametern der jeweiligen Regelung durch den Anlagenregler zurückgefahren werden.
Dabei kann insbesondere die Höhe einer Wirkleistungs-Momentanreserve, die von der Energieversorgungsanlage bei einer gegebenen Spannungsverlaufsabweichung bereitgestellt wird, hinsichtlich ihrer Maximalleistung und ihrer Energie durch die Vorgabe von Parametern der Regelungen der Wechselrichter und/oder durch Vorgabe der Parameter des Anlagenreglers eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Dynamik der jeweiligen Regelungen der Wechselrichter insbesondere durch Vorgabe der jeweiligen Steigung der Kennlinie eingestellt werden. In einer Ausführungsform kann die Dynamik der jeweiligen Regelungen durch den Anlagenregler eingestellt werden, bevorzugt durch Vorgabe einer Steigung der Kennlinie. Zusätzlich oder alternativ kann die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers eingestellt werden, insbesondere durch Vorgabe von Parametern eines P-Reglers oder eines Pl-Reglers im Anlagenregler.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere den Einsatz der insbesondere in Inselnetzen bewährten Droop-Regelung in einer mit einem Wechselspannungsnetz verbundenen Energieversorgungsanlage mit netzsynchronen Wechselrichtern und ermöglicht gleichzeitig eine stromeinprägende Einspeisung in das übergeordnete Wechselspannungsnetz.
In einer Ausführungsform kann ein Leistungsaustausch mit an den jeweiligen Wechselrichtern anschließbaren jeweiligen Energiespeichern so gesteuert werden, dass ein jeweils vorgebbarer Ladezustand der Energiespeicher angestrebt wird, welcher insbesondere 50% der Kapazität des jeweiligen Energiespeichers entsprechen kann. Bevorzugt erfolgt dabei ein Laden oder Entladen der Energiespeicher mit geringerer mittlerer Leistung als die maximale Austauschleistung aufgrund der jeweiligen Regelung der Austauschleistung der Wechselrichter in Abhängigkeit von der jeweiligen Abweichung, insbesondere von der jeweiligen Phasenwinkeldifferenz.
In einer Ausführungsform werden unmittelbar nach einmaliger oder mehrmaliger Bereitstellung der Momentanreserve die entsprechenden Energiespeicher der Energieerzeugungsanlage oder PV-Generatoren der PV-Anlage auf den initialen Ausgangszustand versetzt. Bei PV-Generatoren erfolgt dies indem diese in einen entsprechenden Arbeitspunkt auf der PV-Kennlinie gefahren werden, der leistungsmäßig gleich oder unterhalb des Arbeitspunktes maximaler Leistung (Maximum Power Point, MPP) liegt. Bei Energiespeichern wird der Energiespeicherzustand auf den Ausgangszustand gefahren. Dies erfolgt, indem sie in die Lage versetzt werden, Energie mit dem Netz oder einer PV-Anlage auszutauschen, auch ohne, dass eine Anregung durch ein Netzereignis vorliegen und beispielsweise aufgrund der Droop-Regelung zu einem Leistungsaustausch führen würde. Im Falle eines AC-gekoppelten Energieaustauschs mit dem Netz erfolgt dieses Wiederherstellen des Ausgangszustandes mit einer wesentlich kleineren Leistung und damit einer langsamen Zeitkonstante als die Erbringung der Wirkleistungs-Momentanreserve. Somit wird die Speicherkapazität optimal genutzt, um einerseits das Wechselspannungsnetz kurzfristig mit einer hohen Wirkleistung effektiv zu stützen und andererseits beim langsamen Zurückführen in den Ausgangszustand das Wechselspannungsnetz nur wenig zu belasten.
Der Anlagenregler und die durch ihn vorgenommenen Parametrierungen verbessern somit die Fähigkeit von Energieversorgungsanlagen, eine Momentanreserve zur Verfügung zu stellen. Neben der individuellen Parametrierung einzelner Wechselrichter ist es auch möglich, Energiespeichersysteme an den Wechselrichtern individuell zu parametrieren. Hierdurch wird beispielsweise ermöglicht, flexibel zu definieren, welcher Wechselrichter und/oder welche Speichereinheit in der Anlage welchen Beitrag zur Momentanreserve liefern soll. Dies ermöglicht eine Lastaufteilung, die z.B. vorteilhaft ist, wenn Energiespeicher unterschiedliche Speicherzustände besitzen, z.B. voll oder leer sind, und/oder unterschiedlich leistungsfähig hinsichtlich ihrer jeweiligen maximalen Wirk- bzw. Blindleistung sind.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der transiente Strom und/oder die transiente Leistung während des Austausches der Momentanreserve durch die jeweilige Regelung der jeweiligen Wechselrichter im Rahmen des Eigenschutzes auf maximal zulässige Werte begrenzt werden kann. Dies kann durch die schnelle Dynamik der Regelungen der Wechselrichter durch die Wechselrichter selbst erfolgen. Die Wechselrichter können dabei bei Bedarf in einem spannungseinprägenden, netzbildenden Zustand verbleiben. Dies kann insbesondere durch ein Strombegrenzungsverfahren der virtuellen Impedanz erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahren können die jeweiligen Wechselrichter Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz austauschen, wobei die jeweilige Regelung der jeweiligen Wechselrichter eingerichtet ist, die Austauschleistung bei Erreichen einer Scheinleistungsgrenze des jeweiligen Wechselrichters so zu beeinflussen, dass die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Blindleistung reduziert werden kann und die mit dem Wechselspannungsnetz ausgetauschte Wirkleistung erhöht werden kann. Hierdurch kann eine Überlastung des Wechselrichters vermieden werden.
Dies ist vorteilhaft, da falls vor einer Änderung der Netzfrequenz stationäre Blindleistung abgegeben wurde, diese während der Bereitstellung der Momentanreserve geändert werden kann und insbesondere zugunsten des Wirkleistungsaustausches während des Zurverfügungstellens der Momentanreserve reduziert werden kann. Hierdurch können die Wechselrichter vor Überlastung geschützt werden, insbesondere indem sie im Rahmen der lokalen Spannungsgrenzen bleiben. In einer Weiterbildung des Verfahrens ist zusätzlich zum Wirkleistungsbeitrag und/oder Wirkstrombeitrag auch ein netzspannungsstützender Blindleistungsbeitrag und/oder Blindstrombeitrag möglich und einstellbar. Bevorzugt erfolgt die Einstellung über Parametrierung der Regelungen der Wechselrichter, z. B. durch den Anlagenregler. Bevorzugt stellt das Verfahren ebenfalls eine Momentanreserve an Blindleistung zur Verfügung, insbesondere zur Spannungsstützung im Kurzschlussfehlerfall.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Blindleistungsanteil der Gesamt-Austauschleistung am Netzanschluss durch den Anlagenregler in Abhängigkeit von einer gemessenen Spannung am Netzanschluss eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die jeweilige Blindleistung der Wechselrichter durch den Anlagenregler und eine Blindleistungsregelung im jeweiligen Wechselrichter eingestellt werden. Dabei umfasst die Einstellung des Blindleistungsanteils der Gesamt-Austauschleistung am Netzanschluss ein Ermitteln eines Blindleistungsanteils der Vorgabe-Austauschleistung am Netzanschluss, insbesondere in Abhängigkeit von der Netzspannung, ein Messen des Blindleistungsanteils am Netzanschluss, ein Ermitteln von jeweiligen Blindleistungs-Sollwerten für die Wechselrichter, insbesondere in Abhängigkeit vom Blindleistungsanteils der Vorgabe-Austauschleistung und vom gemessenen Blindleistungsanteils am Netzanschluss, und ein der jeweiligen Blindleistungs-Sollwerte an die Wechselrichter durch den Anlagenregler. Zusätzlich umfasst die Einstellung des Blindleistungsanteils der Gesamt-Austauschleistung am Netzanschluss ein Messen der jeweiligen Netzspannung am jeweiligen Ausgang der Wechselrichter, einen Vergleich der jeweiligen gemessenen Netzspannung mit einer Referenzspannung, die einem Mittelwert der Netzspannung entspricht, ein Ermitteln eines jeweiligen Blindleistungs-Korrekturwertes als Funktion der Abweichung der gemessenen Netzspannung von der Referenzspannung mittels einer Q-U-Kennlinie, und ein Einstellen der jeweiligen Blindleistung anhand der Summe des jeweiligen Blindleistungs-Sollwertes und des jeweiligen Blindleistungs-Korrekturwertes durch die Wechselrichter.
Eine erfindungsgemäße Energieversorgungsanlage weist einem Netzanschluss zum Anschluss an ein Wechselspannungsnetz sowie eine Vielzahl von Wechselrichtern und einen Anlagenregler auf. Der Anlagenregler ist kommunikativ mit den Wechselrichtern verbunden. Die Wechselrichter sind eingerichtet, jeweilige elektrische Austauschleistungen mit dem Wechselspannungsnetz auszutauschen. Die Energieversorgungsanlage ist eingerichtet, mit dem Wechselspannungsnetz über den Netzanschluss eine elektrische Gesamt-Austauschleistung auszutauschen, wobei sich die Gesamt-Austauschleistung aus den jeweiligen elektrischen Austauschleistungen zusammensetzt. Die Wechselrichter sind eingerichtet, mittels einer jeweiligen Regelung ihre jeweiligen Austauschleistungen jeweils in Abhängigkeit von einer jeweiligen Frequenzdifferenz zwischen einer Netzfrequenz und einer jeweiligen Referenzfrequenz einzustellen. Der Anlagenregler ist eingerichtet, die jeweiligen Regelungen der einzelnen Wechselrichter in Abhängigkeit von einer Leistungsdifferenz zwischen der Gesamt-Austauschleistung und einer vorgebbaren Referenz-Austauschleistung zu beeinflussen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt eine Energieversorgungsanlage mit drei Wechselrichtern mit Energiespeichersystemen,
2 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer Regelung eines Wechselrichters
3 zeigt beispielhaft Kennlinien einer Regelung eines Wechselrichters,
4 zeigt beispielhaft verschiedene Verläufe der Austauschleistung eines Wechselrichters,
5 zeigt beispielhaft verschiedene Verläufe der Austauschleistung eines Wechselrichters sowie der Referenzleistung,
6 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsanlage.

FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt eine Energieversorgungsanlage 11 mit drei Wechselrichtern 10.1, 10.2, 10.3, die jeweils mit einer an sich bekannten spannungseinprägenden und insofern netzbildenden Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3, ausgestattet sind. Die Anzahl von drei Wechselrichtern 10.1, 10.2, 10.3 ist beispielhaft, es ist auch eine Energieversorgungsanlage 11 mit nur ein oder zwei oder mehr als drei Wechselrichtern 10.1, 10.2, 10.3 denkbar. Über jeweils eine Gleichspannungsleitung 40.1, 40.2, 40.3 ist jeweils ein Energiespeicher 18.1, 18.2, 18.3, z.B. eine Batterie, mit jedem Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 verbunden. Die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 weisen jeweils eine Brückenschaltung 12.1, 12.2, 12.3 aus Leistungsschaltern auf. Die Brückenschaltung 12.1, 12.2, 12.3 ist eingerichtet, Gleichstrom aus der Gleichspannungsleitung 40.1, 40.2, 40.3 in Wechselstrom auf der Wechselspannungsleitung 42.1, 42.2, 42.3 zu wandeln und/oder umgekehrt. Die jeweilige Brückenschaltung 12.1, 12.2, 12.3 wird dazu von der jeweiligen Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3 mit geeigneten Schaltsignale angesteuert. Weiterhin kann die jeweilige Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3 über eine jeweilige Datenleitung 38.1, 38.2, 38.3 mit einem jeweiligen Energiespeichermanagement 22.1, 22.2, 22.3 der Energiespeicher 18.1, 18.2, 18.3 verbunden sein. Energiespeicher 18.1, 18.2, 18.3 und Energiespeichermanagement 22.1, 22.2, 22.3 bilden jeweils gemeinsam ein Energiespeichersystem 20.1, 20.2, 20.3.
Die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 sind über jeweilige Wechselspannungsleitungen 34.1, 34.2, 34.2 mit einem gemeinsamen Netzanschluss 26 verbunden. Im Leistungspfad zwischen der jeweiligen Brückenschaltung 12.1, 12.2, 12.3 und dem jeweiligen Anschluss der jeweilige Wechselspannungsleitung 34.1, 34.2, 34.3. ist jeweils eine Messeinrichtung 14.1, 14.2, 14.3 und eine Kopplungsimpedanz 16.1, 16.2, 16.3 angeordnet. Die jeweilige Messeinrichtung 14.1, 14.2, 14.3 ist eingerichtet, die Netzspannung des Wechselspannungsnetzes 24 sowie den zwischen der jeweiligen Brückenschaltung 12.1, 12.2, 12.3 und dem Wechselspannungsnetz 24 fließenden Wechselstrom zu messen und daraus Netzfrequenz, Phasenlage und ggf. die jeweilige Austauschleistung zu ermitteln. Die jeweilige Kopplungsimpedanz ist dazu eingerichtet, die Wechselrichter in der Betriebsweise als Spannungsquellen voneinander zu entkoppeln.
Der jeweilige Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 ist über eine jeweilige Datenleitung 36.1, 36.2, 36.3 mit dem Anlagenregler 28 der Energieversorgungsanlage 11 verbunden. Über die jeweilige Datenleitung 36.1, 36.2, 36.3 kann eine Kommunikation des Anlagenreglers 28 mit den jeweiligen Wechselrichtern 10.1, 10.2, 10.3 erfolgen.
Die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 werden spannungseinprägend am Wechselspannungsnetz 24 betrieben und stellen an den Anschlüssen der Wechselspannungsleitungen 34.1, 34.2, 34.3 jeweils eine Spannung U mit definierter Frequenz f und Phasenlage θ ein, wobei insbesondere die jeweilige Frequenz f in Abhängigkeit von Wirkleistungsflüssen P_WR und Blindleistungsflüssen und/oder Wirk- und Blindstromflüssen eingestellt wird. Dazu können die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 insbesondere eine Regelung 50.1 gemäß 2 und/oder eine Blindleistungsregelung gemäß 7 umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 stromeinprägend betrieben werden, wobei insbesondere ihre Wirkleistung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz und/oder ihre Blindleistung in Abhängigkeit von der Netzspannung eingestellt werden kann.
Zur Energieversorgungsanlage 11 gehört des Weiteren ein Messgerät am oder im Netzanschluss 26, welches die Wirkleistung P_WR und/oder die Blindleistung Q am Netzanschluss 26 der Energieversorgungsanlage 11 erfasst und die Messwerte an einen Anlagenregler 28 über eine Datenleitung 30 weiterleitet. Der Anlagenregler 28 verarbeitet die Messinformationen vom Messgerät am Netzanschluss 26 in einem Regelalgorithmus und erzeugt mindestens einen Referenzwert, der über die jeweilige Datenleitung 36.1, 36.2, 36.3 an die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 übermittelt wird. Dieser Referenzwert kann insbesondere eine Referenzwirkleistung Pref, eine Referenzfrequenz fref und/oder einen Referenzstrom für die Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3 der spannungseinprägenden Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzwert eine Referenzblindleistung für eine Blindleistungsregelung 80 etwaiger spannungseinprägender Wechselrichter der Energieversorgungsanlage 11 umfassen.
Es ist vorteilhaft, einen Anlagenregler 28 und eine Messeinrichtung im Netzanschluss 26 mit einer ausreichend schnellen Dynamik zu wählen, um mittels des Anlagenreglers 28 schnell auf Netzereignisse reagieren zu können. Die Reaktionszeit des Anlagenreglers 28 ist beispielsweise beeinflusst von seiner internen Taktrate, seiner Rechenkapazität und/oder der Datenrate der Kommunikation über die jeweilige Datenleitung 36.1, 36.2, 36.3 mit dem jeweiligen Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3. Bevorzugt wird der Anlagenregler 28 so ausgelegt, dass sich Zeitkonstanten unterhalb von 10 Sekunden, bevorzugt unter 1 Sekunde realisieren lassen.
In 2 ist beispielhaft die Regelung 50.1 des Wechselrichters 10.1 schematisch dargestellt. Die Regelungen 50.2 und 50.3 der Wechselrichter 10.2 und 10.3 sind vergleichbar aufgebaut.
Von der Messeinrichtung 14.1 des Wechselrichters 10.1 wird die gemessene Wirkleistung P_ist empfangen und im Vergleicher 46.1 von der Referenzleistung Pref subtrahiert. Das Ergebnis wird in einem Filterelement 48.1 gefiltert. Im Droop-Element 52.1 wird daraus durch Multiplikation mit einem Droop-Faktor df/dP eine Frequenz erzeugt, welche im Vergleicher 54.1 mit einer Referenzfrequenz fref zu einer Sollfrequenz f_set verknüpft wird. Die resultierende Sollfrequenz f_set wird in einer Synchronisation 56.1 in einen Phasenwinkel θ_set umgewandelt.
Von der Messeinrichtung 14.1 des Wechselrichters 10.1 wird die gemessene Blindleistung Q_ist empfangen und in einer Blindleistungsregelung 58.1 mittels einer U(Q)-Droop-Kennlinie eine Sollspannung U_set erzeugt. In einer Pulsweitenmodulation 59.1 werden Phasenwinkel θ_set und Sollspannung U_set verknüpft und in ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal PWM umgewandelt, dass zur Ansteuerung der Brückenschaltung 12.1 verwendet wird, um eine ein- oder dreiphasige Ausgangsspannung an der Wechselspannungsleitung 34.1 anzulegen und einen resultierenden Wechselstrom mit dem Wechselspannungsnetz 24 auszutauschen.
Damit wird es ermöglicht, beispielsweise bei einer plötzlichen Änderung der Netzfrequenz wegen z.B. eines plötzlich aufgetretenen Leistungsungleichgewichts eine Regelleistung auszutauschen, die zum Zeitpunkt des Eintritts der plötzlichen Frequenzänderung durch die Droop-Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 vorgegeben ist. Diese Regelleistung ist letztlich abhängig von der Frequenzdifferenz zwischen Netzfrequenz und Referenzfrequenz, so dass die Gesamt-Austauschleistung der Energieerzeugungsanlage 11 diese Regelleistung ohne weitere Maßnahmen dauerhaft umfassen würde, zumindest solange eine Frequenzdifferenz zwischen Netzfrequenz und Referenzfrequenz vorliegt.
Im Folgenden kann die Gesamt-Austauschleistung der Energieerzeugungsanlage 11 jedoch auf einen anderen Wert, z.B. auf eine Leistungsabgabe mit den Werten der Wirk- und Blindleistung vor der Bereitstellung der Regelleistung eingestellt werden, indem der Anlagenregler 28 innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne in die Droop-Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 eingreift und insbesondere die Referenzwirkleistung Pref und/oder Referenzfrequenz fref in den Droop-Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 modifiziert.
Hierfür kann der Anlagenregler 28 Leistungsmesssignale vom Netzanschluss 26 der Energieerzeugungsanlage 11 auswerten und Kennlinien-Stellwerte an die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 der Energieerzeugungsanlage 11 senden, wobei die Kennlinien-Stellwerte beispielsweise mittels eines P-Reglers oder eines Pl-Reglers unter Berücksichtigung von Soll- und Istwerten der Austauschleistung am Netzanschluss 28. Auf Basis der derart vorgegebenen dynamischen Kennlinien-Stellwerte werden die Droop-Kennlinien 60 der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 derart in ihrem Ursprung verschoben (vgl. 3), dass die Austauschleistung in einer im Anlagenregler 28 parametrierbaren Zeit auf die Wirk- und/oder Blindleistungsabgabe vor der Bereitstellung der Momentanreserve einstellt wird. Durch geeignete Auslegung können dabei die durchschnittlichen und die maximalen Energieflüsse zur Netzstützung pro Frequenzabweichungs-Ereignis minimiert werden.
In 3 sind beispielhaft zwei Varianten einer solchen Verschiebung der Kennlinie 60 mit der Steigung df/dP nach einer Kennlinie 60' mit derselben Steigung df/dP dargestellt. Eine solche Verschiebung kann beispielsweise durch eine Änderung der Referenzfrequenz fref nach f'_ref erfolgen (linke Graphik von 3). Hierbei wird die Kennlinie 60 nach unten verschoben. Eine solche Verschiebung kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise durch eine Änderung der Referenzleistung Pref nach P'_ref erfolgen (rechte Graphik von 3). Hierbei wird die Kennlinie 60 nach links verschoben. In beiden Fällen ergibt sich dieselbe verschobene Kennlinie 60'.
4 zeigt beispielhaft die Austauschleistung eines Wechselrichters 10.1, 10.2, 10.3 nach Auftreten einer Frequenzdifferenz bei der Bereitstellung einer Wirkleistungs-Momentanreserve durch Kombination der Droop-Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 und der überlagerten und definiert verzögerten Änderung der Kennlinien 60 in die Kennlinien 60' durch den Anlagenregler 28. Die unterschiedlichen zeitlichen Verläufe der Austauschleistung entsprechen dabei unterschiedlichen Steigungen df/dP der Kennlinie 60. Es ist erkennbar, dass über die Steigung df/dP der Kennlinie 60 die Reaktionsdynamik der Regelung 50.1, 50.2, 50.3 sowie die gesamte als Wirkleistungs-Momentanreserve zur Verfügung gestellte Energie beeinflusst werden kann. Je höher die Steigung gewählt wird, desto höher ist der maximale Betrag der Wirkleistungs-Momentanreserve bei einer gegebenen Frequenzänderung.
Durch die Steigung df/dP der Kennlinie 60 kann insofern eingestellt werden, wie schnell die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 im allerersten Moment bei einem instantanen Leistungsfluss ihren jeweiligen Wechselrichterphasenwinkel der Netzphase nachführen. Eine geringe (flache) Steigung df/dP bedeutet, dass die jeweilige Ausgangsfrequenz der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 selbst bei hohem Leistungsfluss vergleichsweise wenig verändert wird, so dass die Phasenwinkeldifferenz vergleichsweise groß werden kann und insofern vergleichsweise viel Momentanreserve-Energie ausgetauscht wird. Bei einer hohen Steigung df/dP wird die Ausgangsfrequenz hingegen vergleichsweise schnell an die Netzfrequenz angepasst, so dass die Phasenwinkeldifferenz vergleichsweise klein bleibt und weniger Momentanreserve-Energie ausgetauscht wird. Konkret kann die Energieversorgungsanlage 11 beispielsweise so ausgelegt werden, insbesondere durch geeignete Auslegung der Energiespeicher 18.1, 18.2, 18.3 im Verhältnis zu den Nennleistungen der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3, dass für einen Zeitraum von mindestens einer Sekunde die volle Nennleistung der Energieversorgungsanlage 11 als Wirkleistungs-Momentanreserve zur Verfügung steht. Alternativ sind andere Auslegungen möglich, insbesondere wenn ein Netzbetreiber des Wechselspannungsnetzes 24 eine größeren oder kleineren Beitrag zur Stützung des Wechselspannungsnetzes 24 durch die Energieversorgungsanlage 11 fordert.
Die obere Hälfte von 5 zeigt beispielhaft die Austauschleistung eines Wechselrichters 10.1, 10.2, 10.3 nach Auftreten einer Frequenzdifferenz bei der erfindungsgemäßen Zurverfügungstellung einer Wirkleistungs-Momentanreserve. In der unteren Hälfte von 5 ist der Verlauf der Referenzleistung P_ref aufgetragen, wie er vom Anlagenregler 28 als Parameter der Droop-Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 eingestellt wird. Die unterschiedlichen Verläufe der Referenzleistung Pref entsprechen dabei unterschiedlichen Regelparametern und damit verschiedenen Eingriffsdynamiken des Anlagenreglers 28. Es ist erkennbar, dass die Austauschleistung P_WR aufgrund einer zum Zeitpunkt t=3s auftretenden Frequenzabweichung zunächst von null betragsmäßig ansteigt, wobei die Steigung durch die konkrete Wahl der Steigung df/dP vorgegeben ist (vergleiche 4; das Vorzeichen der Austauschleistung ist je nach Zählrichtung beliebig).
Ausgelöst durch die dadurch hervorgerufene Abweichung der Gesamt-Austauschleistung von einem Vorgabewert und insofern mit leichter Verzögerung zum Auftreten einer Frequenzdifferenz wird die Referenzleistung Pref durch den Anlagenregler 28 mit unterschiedlichen Steigungen von null auf etwa Nennleistung (1 pu) geändert. Dadurch wird zunächst der initiale betragsmäßige Anstieg der Austauschleistung bei einem Wert zwischen halber Nennleistung (-0.5 pu) und Nennleistung (-1 pu) abgefangen, und im weiteren Verlauf ändert sich die Austauschleistung proportional zur Änderung der Referenzleistung Pref, so dass die Austauschleistung wieder auf null zurückgeregelt wird. Die in der unteren Hälfte von 5 erkennbaren Stufen entsprechen dabei den Takten der Anlagenregelung des Anlagenreglers 28, die in (deutlich) größerem Zeitabstand aktualisiert wird als die Referenzleistung durch die jeweilige Regelung 50.1, 50.2, 50.3 der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3.
6 zeigt ein Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Energieversorgungsanlage 11. In Schritt S1 stellen die Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 mittels ihrer jeweiligen Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3 ihre jeweiligen Austauschleistungen jeweils in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenzdifferenz zwischen der Netzfrequenz und der jeweiligen Referenzfrequenz fref ihrer Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3 ein. In Schritt S2 beeinflusst der Anlagenregler 28 die jeweilige Droop-Regelung 50.1, 50.2, 50.3 der jeweiligen Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3. Die Beeinflussung in Schritt S2 kann insbesondere eine Änderung der in den Droop-Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 verwendeten Referenzleistung Pref und/oder der Referenzfrequenz fref in Abhängigkeit von der Leistungsdifferenz zwischen der Gesamt-Austauschleistung und einer Vorgabe-Austauschleistung umfassen.
Eine Energieversorgungsanlage 11 kann insbesondere dafür vorgesehen sein, Momentanreserve zur Verfügung zu stellen. Eine solche Energieversorgungsanlage 11 kann dann so ausgelegt sein, dass bei konstanter Netzfrequenz, insbesondere bei Gleichheit von Netzfrequenz und Referenzfrequenz eine konstante Leistung oder keine Leistung mit dem Wechselspannungsnetz 24 ausgetauscht wird. Erst bei Auftreten einer Frequenzänderung und/oder eines Phasensprungs greifen die jeweiligen Regelungen 50.1, 50.2, 50.3 regelnd ein, was zu einer Änderung des Leistungsaustauschs der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 mit dem Wechselspannungsnetz 24 führt (Schritt S1). Aufgrund der Erfassung dieser Leistungsänderung greift der Anlagenregler 28 ein und führt die Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage 11 mit einer vorgebbaren Eingriffsdynamik wieder auf null oder einen anderen Vorgabewert zurück, insbesondere auf den Wert der Austauschleistung vor der Frequenzänderung.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Austauschleistung der Wechselrichter aufgrund anderweitiger Vorgaben bei einer Frequenzgleichheit von Netzfrequenz und jeweiliger Referenzfrequenz ungleich null ist, beispielsweise um die Energiespeicher 18.1, 18.2, 18.3 gemeinsam oder einzeln gezielt aufzuladen. Dann wird die Momentanreserve in Schritt S1 zusätzlich zu dieser bereits gegebenen Austauschleistung zur Verfügung gestellt.
7 zeigt eine Blindleistungsregelung 70, die alternativ oder zusätzlich zum Betrieb der Energieversorgungsanlage 11 verwendet werden kann. Dabei kann die Blindleistungsregelung 70 in den Wechselrichtern 10.1, 10.2, 10.3 ausgeführt werden, indem sie in die Regelung 50.1 integriert oder separat implementiert ist.
Die Blindleistungsregelung 70 erhält einen Messwert der momentanen Netzspannung U_ist, beispielsweise von der jeweiligen Messeinrichtung 14.1, 14.2, 14.3 des Wechselrichters Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3. In einem Filter 71 wird aus der Netzspannung U_ist eine dynamische Referenzspannung Uref ermittelt, die insbesondere einem zeitlichen Mittelwert der Netzspannung U_ist entsprechen und bevorzugt mittels eines Tiefpassfilters erzeugt werden kann. Aus der Netzspannung U_ist wird mittels einer Blindleistungsstatik 72 ein dynamischer Blindleistungsbeitrag Q(U_ref) ermittelt. Die Blindleistungsstatik 72 weist eine Steigung dQ/dU auf und ordnet der Referenzspannung Uref den Wert Null für den Blindleistungsbeitrag Q(U_ref) zu.
Die Blindleistungsregelung 70 erhält eine Blindleistungsvorgabe Q_set vom Anlagenregler 28. In einem Addierer 74 werden der Blindleistungsbeitrag Q(U_ref) und die Blindleistungsvorgabe Q_set summiert und als Blindleistungssollwert Q_WR an eine Stromregelung 75 des Wechselrichters 10.1, 10.2, 10.3 übergeben. Die Stromregelung 75 erzeugt aus dem Blindleistungssollwert Q_WR unter Berücksichtigung der optional im Filter 76 gefilterten Netzspannung U_ist geeignete Ansteuersignale für die jeweilige Brückenschaltung 12.1, 12.2, 12.3 des jeweiligen Wechselrichters 10.1, 10.2, 10.3.
8 zeigt beispielhaft Zeitverläufe von Wirkleistung P und Blindleistung Q eines Wechselrichters 10.1, 10.2, 10.3 mit einer Blindleistungsregelung 70 gemäß 7. Zum Zeitpunkt t₀ besitzt die Netzspannung einen Wert Uo und der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 tauscht Wirkleistung Po und Blindleistung Qo mit dem Wechselspannungsnetz 24 aus. Die Blindleistung Qo weist in dieser weitgehend stationären Situation den Verlauf 81 auf und entspricht im Wesentlichen der Blindleistungsvorgabe Q_Set, die dem Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 vom Anlagenregler 28 vorgegeben wird, wobei die Netzspannung U_ist in der Blindleistungsregelung 70 der Referenzspannung Uref entspricht und der Blindleistungsbeitrag Q(U_ref) aufgrund der Blindleistungsstatik 72 den Wert Null aufweist.
Zum Zeitpunkt t₁ findet eine sprunghafte Änderung der Netzspannung U statt. Dies bewirkt in der Blindleistungsregelung 70 eine Abweichung der Netzspannung U_ist von der Referenzspannung Uref, die aufgrund des Filters 71 verzögert auf den Spannungssprung zum Zeitpunkt t₁ reagiert. Die Blindleistungsstatik 72 gibt aufgrund der Abweichung der Netzspannung U_ist von der Referenzspannung U_ref einen Blindleistungsbeitrag Q(U_ref) aus, der mit der Blindleistungsvorgabe Q_set summiert wird. Dies führt zu einem steilen Anstieg des Blindleistungssollwerts Q_WR, so dass der Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 eine erhebliche Änderung der Blindleistung Q ausführt (siehe Verlauf 82 in 8).
Die Blindleistung Q erreicht einen maximalen Wert und wird im Folgenden mit dem Verlauf 83 auf den ursprünglichen Wert Qo zurückgeführt, indem die Referenzspannung Uref mittels des Filters 71 an die geänderte Netzspannung U herangeführt wird. Beispielsweise am Zeitpunkt t₂ weicht die Referenzspannung Uref nur noch geringfügig von der Netzspannung U ab, so dass die Blindleistungsstatik 72 einen vergleichsweise kleinen Blindleistungsbeitrag Q(U_ref) vorgibt und die Blindleistung nur noch geringfügig von der Blindleistungsvorgabe Q_set (entsprechend Qo in 8) abweicht. Schließlich weist die Blindleistung Q den Verlauf 84 auf, wobei der Anlagenregler 28 ebenfalls auf die Änderung der Netzspannung reagieren kann und einen gegenüber dem Zeitpunkt t₀ (leicht) abweichende Blindleistungsvorgabe Q_set vorgeben kann.
Sowohl der Maximalwert der Blindleistung Q bei einer gegebenen Änderung der Netzspannung U als auch die Dauer des Abklingens des Blindleistungsbeitrags Q(U_ref) sind durch geeignete Parametrierung des Filters 71 einstellbar.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Blindleistungsregelungen, die bei konstanter Netzspannung eine konstante Blindleistung in Abhängigkeit von der Abweichung der Netzspannung von einem festen Referenzwert vorgeben und zudem vergleichsweise langsam auf Änderungen der Netzspannung reagieren, kann die Blindleistungsregelung 70 derart dynamisch eingestellt werden, dass innerhalb weniger Millisekunden nach einer Änderung der Netzspannung eine Blindleistungs-Momentanreserve durch den Wechselrichter 10.1, 10.2, 10.3 bereitgestellt wird, die im Folgenden mit einstellbarer Zeitkonstante auf den vom Anlagenregler 28 vorgegebenen Wert zurückgeführt wird. Die Blindleistungsregelung 70 ist dabei von der Blindleistungsvorgabe Q_set des Anlagenreglers 28 entkoppelt und wirkt lediglich vorübergehend und insbesondere bei transienten Änderungen der Netzspannung spannungsstützend, indem eine Blindleistungs-Momentanreserve bereitgestellt wird.
Bezugszeichenliste

10.1, 10.2, 10.3: Wechselrichter
11: Energieversorgungsanlage
12.1, 12.2, 12.3: Brückenschaltung
14.1, 14.2, 14.3: Messeinrichtung des Wechselrichters
16.1, 16.2, 16.3: Entkopplungsimpedanz
18.1, 18.2, 18.3: Energiespeicher
20.1, 20.2, 20.3: Energiespeichersystem
22.1, 22.2, 22.3: Energiespeichermanagement
24: Wechselspannungsnetz
26: Netzanschluss
28: Anlagenregler
30: Datenleitung
34.1, 34.2, 34.3: Wechselspannungsleitung
36.1, 36.2, 36.3: Datenleitung
38.1, 38.2, 38.3: Datenleitung
40.1, 40.2, 40.3: Gleichspannungsleitung
46.1: Vergleicher
48.1: Filterelement
50.1, 50.2, 50.3: (Droop-)Regelung
52.1: Droop-Element
54.1: Vergleicher
56.1: Synchronisation
58.1: Blindleistungsregelung
59.1: Pulsweitenmodulation
60, 60': Kennlinie
70: Blindleistungsregelung
71: Filter
72: Blindleistungsstatik
74: Addierer
75: Stromregelung
76: Filter
81-84: Verlauf
U: Spannung
Uist: Netzspannung
Uref: Referenzspannung
Uset: Sollspannung
f: Frequenz
fref, f'ref: Referenzfrequenz
fset: Sollfrequenz
Pref, P'ref: Referenzwirkleistung
Pist: gemessene Wirkleistung
Qist: gemessene Blindleistung
Qset: Blindleistungsvorgabe
Q(Uref): Blindleistungsbeitrag
QWR: Blindleistungssollwert
S1, S2: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018122726 A1 [0005]
EP 1286444 B1 [0006]
US 9859828 [0010]
US 20160268818 [0011]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Energieversorgungsanlage (11) mit einer Vielzahl von Wechselrichtern (10.1, 10.2, 10.3) und einem Anlagenregler (28), der kommunikativ mit den Wechselrichtern (10.1, 10.2, 10.3) verbunden ist, wobei die Energieversorgungsanlage (11) einen Netzanschluss (26) aufweist, der an ein Wechselspannungsnetz (24) angeschlossen ist, und wobei die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) über den Netzanschluss (26) elektrische Austauschleistungen mit dem Wechselspannungsnetz (24) austauschen, so dass die Energieversorgungsanlage (11) eine Gesamt-Austauschleistung mit dem Wechselspannungsnetz (24) austauscht, die sich aus den jeweiligen elektrischen Austauschleistungen zusammensetzt, wobei die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) mittels einer jeweiligen Regelung (50.1, 50.2, 50.3) ihre jeweiligen Austauschleistungen in Abhängigkeit von einer jeweiligen Spannungsverlaufsabweichung eines Spannungsverlaufs einer Netzspannung von einem jeweiligen Referenzverlauf mit Bezug auf eine jeweilige Referenzfrequenz und/oder in Abhängigkeit von einer jeweiligen Spannungsamplitudendifferenz zwischen einer jeweiligen Netzspannung und einer jeweiligen Referenzspannung einstellen, wobei der Anlagenregler (28) die Regelungen (50.1, 50.2, 50.3) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) in Abhängigkeit von einer Leistungsdifferenz zwischen der Gesamt-Austauschleistung und einer Vorgabe-Austauschleistung beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsdifferenz durch den Anlagenregler (28) minimiert wird, insbesondere gleich null oder nahezu gleich null wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Austauschleistungen der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) eine Wirkleistung (P) und eine Blindleistung (Q) umfassen, wobei die Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage (11) einen Wirkleistungsanteil und einen Blindleistungsanteil umfasst, und wobei die Vorgabe-Austauschleistung einen Wirkleistungsanteil und/oder einen Blindleistungsanteil umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wirkleistungsanteil und/oder der Blindleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung konstant, insbesondere null, sein können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wirkleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung von der Netzfrequenz und/oder der Blindleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung von der Netzspannung abhängig sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers (28) langsamer ist als die Dynamiken der jeweiligen Regelungen (50.1, 50.2, 50.3) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsverlaufsabweichung eine Frequenzdifferenz zwischen einer Netzfrequenz und einer jeweiligen Referenzfrequenz (fref) umfasst, wobei die Netzfrequenz aus der Netzspannung ermittelt wird, bevorzugt mittels einer PLL.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wirkleistung (P) mittels der jeweiligen Regelung (50.1, 50.2, 50.3) in Abhängigkeit von der Frequenzdifferenz eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Spannungsverlaufsabweichung eine Phasenwinkeldifferenz zwischen einem Netzphasenwinkel der Netzspannung und einem jeweiligen Wechselrichterphasenwinkel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Wechselrichterphasenwinkel eine Frequenz aufweist, die anhand der jeweiligen Regelung (50.1, 50.2, 50.3) in Abhängigkeit der jeweiligen Wirkleistung unter Berücksichtigung einer jeweiligen Referenz-Wirkleistung und einer jeweiligen Referenzfrequenz vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) ihre jeweilige Wirkleistung (P) anhand einer jeweiligen Kennlinie (60, 60'), einstellen, wobei ein Parameter der Kennlinie (60, 60') von der jeweiligen Referenzfrequenz (fref) und/oder ein Parameter der Kennlinie (60, 60') von einer jeweiligen Referenzleistung (P_ref) abhängt und wobei die Kennlinie (60, 60') eine jeweilige Steigung (df/dP, dP/df) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kennlinie (60, 60') in der jeweiligen Droop-Regelung (50.1, 50.2, 50.3) den funktionalen Zusammenhang zwischen der jeweiligen Wirkleistung (P) und der jeweiligen Frequenzdifferenz vorgibt, wobei die jeweilige Wirkleistung (P) in der jeweiligen Droop-Regelung (50.1, 50.2, 50.3) als Messgröße verwendet wird und die Frequenz und/oder der Phasenwinkel der Ausgangsspannung des jeweiligen Wechselrichters (10.1, 10.2, 10.3) als Stellgröße eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Anlagenregler (28) die jeweilige Wirkleistung (P) einstellt, indem der Parameter der jeweiligen Kennlinie (60, 60'), der von der jeweiligen Referenzfrequenz (fref) abhängt, und/oder den Parameter, der von der jeweiligen Referenzleistung (P_ref) abhängt, so beeinflusst wird, dass der Wirkleistungsanteil an der Gesamt-Austauschleistung der Energieversorgungsanlage (11) mit einer vorgebbaren Zeitkonstante an den Wirkleistungsanteil der Vorgabe-Austauschleistung angenähert wird..
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Anlagenregler (28) den Parameter der jeweiligen Kennlinie (60, 60'), der von der jeweiligen Referenzfrequenz (fref) abhängt, so beeinflusst, dass die jeweilige Referenzfrequenz (fref) an eine am Netzanschluss (26) gemessene und tiefpassgefilterte Netzfrequenz angeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die jeweiligen Referenzfrequenzen (fref) und/oder die jeweiligen Referenzleistungen (P_ref) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) gleich sind und von dem Anlagenregler (28) an die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) übermittelt werden, wobei die Übermittlung insbesondere per Broadcast erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die jeweiligen Referenzfrequenzen (fref) und/oder die jeweiligen Referenzleistungen (P_ref) sich zwischen den Wechselrichtern (10.1, 10.2, 10.3) unterscheiden können und vom Anlagenregler (28) an die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) übermittelt werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe einer Wirkleistungs-Momentanreserve, die von der Energieversorgungsanlage (11) bei einer gegebenen Spannungsverlaufsabweichung bereitgestellt wird, hinsichtlich ihrer Maximalleistung und ihrer Energie durch die Vorgabe von Parametern der Regelungen (50.1, 50.2, 50.3) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) und/oder durch Vorgabe der Parameter des Anlagenreglers (28) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dynamik der jeweiligen Regelungen (50.1, 50.2, 50.3) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) durch Vorgabe der jeweiligen Steigung einer Kennlinie eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dynamik der jeweiligen Regelungen (50.1, 50.2, 50.3) der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) durch den Anlagenregler (28) eingestellt wird, bevorzugt durch Vorgabe einer Steigung der Kennlinie.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffsdynamik des Anlagenreglers (28) eingestellt werden kann, insbesondere durch Vorgabe von Parametern eines P-Reglers oder eines Pl-Reglers im Anlagenregler (28).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Leistungsaustausch mit an den jeweiligen Wechselrichtern (10.1, 10.2, 10.3) anschließbaren jeweiligen Energiespeichern (18.1, 18.2, 18.3) so gesteuert werden kann, dass ein jeweils vorgebbarer Ladezustand der Energiespeicher (18.1, 18.2, 18.3) angestrebt wird, welcher insbesondere 50% der Kapazität des jeweiligen Energiespeichers (18.1, 18.2, 18.3) entspricht, wobei ein Laden oder Entladen der Energiespeicher (18.1, 18.2, 18.3) mit geringerer mittlerer Leistung erfolgt als die maximale Austauschleistung aufgrund der jeweiligen Regelung der Austauschleistung in Abhängigkeit von der jeweiligen Abweichung, insbesondere von der jeweiligen Phasenwinkeldifferenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) Blindleistung mit dem Wechselspannungsnetz (24) austauschen können, wobei die jeweilige Regelung (50.1, 50.2, 50.3) eingerichtet ist, die Austauschleistung bei Erreichen einer Scheinleistungsgrenze des jeweiligen Wechselrichters (10.1, 10.2, 10.3) so zu beeinflussen, dass die mit dem Wechselspannungsnetz (24) ausgetauschte Blindleistung reduziert werden kann und die mit dem Wechselspannungsnetz (24) ausgetauschte Wirkleistung erhöht werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Blindleistungsanteil der Gesamt-Austauschleistung am Netzanschluss (26) durch den Anlagenregler (28) in Abhängigkeit von einer gemessenen Spannung am Netzanschluss (26) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Blindleistung der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) durch den Anlagenregler (28) und eine Blindleistungsregelung (70) im jeweiligen Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) eingestellt wird, wobei die Einstellung des Blindleistungsanteils der Gesamt-Austauschleistung am Netzanschluss (26) zumindest die folgenden durch den Anlagenregler (28) ausgeführten Schritte umfasst: - Ermitteln eines Blindleistungsanteils der Vorgabe-Austauschleistung am Netzanschluss (26), insbesondere in Abhängigkeit von der Netzspannung, - Messen des Blindleistungsanteils am Netzanschluss (26), - Ermitteln von jeweiligen Blindleistungs-Sollwerten für die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3), insbesondere in Abhängigkeit vom Blindleistungsanteils der Vorgabe-Austauschleistung und vom gemessenen Blindleistungsanteils am Netzanschluss (26), - Übermitteln der jeweiligen Blindleistungs-Sollwerte an die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) sowie die folgenden durch die Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) ausgeführten Schritte umfasst: - Messen der jeweiligen Netzspannung am jeweiligen Ausgang der Wechselrichter (10.1, 10.2, 10.3) - Vergleich der jeweiligen gemessenen Netzspannung mit einer Referenzspannung, die einem Mittelwert der Netzspannung entspricht, - Ermitteln eines jeweiligen Blindleistungs-Korrekturwertes als Funktion der Abweichung der gemessenen Netzspannung von der Referenzspannung mittels einer Q-U-Kennlinie, - Einstellen der jeweiligen Blindleistung anhand der Summe des jeweiligen Blindleistungs-Sollwertes und des jeweiligen Blindleistungs-Korrekturwertes.
Energieversorgungsanlage (11), die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.