DE102006033836A1

DE102006033836A1 - Anti-Islanding-Verfahren und Vorrichtung für dezentrale Energieerzeugungssysteme

Info

Publication number: DE102006033836A1
Application number: DE102006033836A
Authority: DE
Inventors: Danio Nocentini; Sauro Macerini
Original assignee: Magnetek SpA
Current assignee: Marici Holdings the Netherlands BV
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2007-03-29
Also published as: US7408268B1

Abstract

Ein elektrisches Energieversorgungssystem, das an ein elektrisches Netz angeschlossen ist, hat: wenigstens eine Quelle für elektrische Energie; einen Inverter, der von der elektrischen Quelle Energie empfängt und eine lokale Last mit Energie versorgt; eine Verbindung mit dem elektrischen Netz. Das System hat auch eine Vorrichtung zum Steuern des Inverters, der die Energielieferung durch den Inverter unterbricht, wenn wenigstens ein elektrischer Parameter des Systems einen Schwellwert überschreitet. Das System hat auch eine Anti-Islanding-Vorrichtung, die so gestaltet und angeordnet ist, dass sie wenigstens ein Symptom eines Islanding-Zustands des Systems detektiert und, wenn das Symptom detektiert wird, eine Änderung des vom Inverter gelieferten Energiepegels bewirkt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die dezentrale Erzeugung von Elektrizität mittels alternativer Quellen, wie beispielsweise Photovoltaikzellen, Brennstoffzellen, Windgeneratoren und Ähnlichem, oder über herkömmliche Quellen wie beispielsweise autogene Baueinheiten mit kleinen internen Verbrennungsmotoren für die lokale Erzeugung von Elektrizität.
Hintergrund der Erfindung
Um das Problem der Umweltbelastung und der steigenden Nachfrage nach Elektrizität auch für den Hausgebrauch zu lösen, wird die Installation von dezentralen Elektrizitätserzeugungseinheiten für die Speisung von moderat großen Lasten derzeit gefördert, beispielsweise in zivilen und kommerziellen Gebäuden oder auf dem industriellen Sektor. Diese Generatoreinheiten verwenden alternative Energie, wie beispielsweise Solarenergie mittels photovoltaischer Zellen, oder Windenergie mittels Windgeneratoren.
Typischerweise ist eine alternative Quelle, welche einen Gleichstrom erzeugt, mit einem Leistungsregler kombiniert, der einen Inverter hat. Der Inverter ist parallel zum Elektrizitätsnetz geschaltet, so dass eine lokale Last alternativ durch das Elektrizitätsnetz oder den Inverter oder beide gespeist werden kann. Wenn die Energie, welche von der alternativen Quelle zugeführt wird, nicht ausreicht, um die Last zu betreiben, wird sie vollständig oder teilweise durch Energie gespeist, die aus dem Netz genommen wird. Wenn umgekehrt die Last weniger Energie absorbiert als von der alternativen Quelle zur Verfügung steht, oder wenn die Last nicht gespeist wird, wird die Energie, welche durch die alternative Quelle erzeugt wird, in das Elektrizitätsnetz eingespeist.
1 zeigt schematisch ein System mit einer alternativen Quelle 1, die schematisch als Batterie photovoltaischer Zellen dargestellt ist, die mit einem Inverter 3 verbunden ist. Der Inverter 3 ist an einen Knoten A angeschlossen, an den eine allgemeine lokale Last 5 angeschlossen ist, die schematisch als Last R, L, C dargestellt ist. Der Inverter ist parallel zu dem Elektrizitätsnetz geschaltet, das schematisch durch eine Wechselspannungsquelle 7 dargestellt ist, die an eine Leitung 8 zur Verteilung von Elektrizität angeschlossen ist. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet einen Transformator und die Bezugsziffer 11 einen Schalter, der die Quelle 7 von der Leitung 8 trennt.
Der allgemeine Schalter 11 dient dazu, einen Teil des Elektrizitätsnetzes von der Hauptspannungsquelle 7 zu isolieren, beispielsweise, wenn eine Wartungsarbeit an dem Teil des Elektrizitätsnetzes 8 durchgeführt werden muss. Der Schalter 11 kann sich auch automatisch öffnen, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses.
Wenn der Schalter 11 geöffnet ist, kann die Quelle 1 über den Inverter 3 sowohl die Last 5 als auch den Teil des Elektrizitätsnetzes stromabwärts des Schalters 11 weiter mit Energie speisen. Eine derartige Situation ist potentiell sehr gefährlich. Wenn beispielsweise die Möglichkeit betrachtet wird, dass der Schalter 11 geöffnet ist, schreitet das Wartungspersonal der Elektrizitätsleitung 8 ein, um einen Fehler zu reparieren. Wenn der Inverter 3 Energie zuführt, kann dies zum Risiko der Verletzung durch Stromschlag führen.
Ein weiterer, ernstzunehmender Nachteil, der dann auftreten kann, wenn das Elektrizitätsnetz temporär von der Last 5 abgeschaltet ist, ist, dass der Inverter 3 seine Phasensynchronität mit der Netzspannung verliert. Diese Synchronität wird normalerweise mittels einer PLL aufrechterhalten, die die Frequenz und die Phase des Inverters 3 synchron mit der Frequenz und der Phase der Netzspannung hält. Wenn die Netzspannung fehlt, kann der Inverter 3 damit beginnen, die Last mit einer Spannung zu speisen, deren Phase sich auf nicht-kontrollierte Weise ändert. Wenn der Schalter 11 wieder geschlossen wird, sind die Ausgangsspannungen vom Netz und vom Inverter nicht mehr in Phase.
Es ist daher notwendig, Mittel vorzusehen, um den Inverter 3 zu deaktivieren, wenn in der Verbindung zwischen dem Knoten A und dem Netz 8 eine Unterbrechung auftritt. Zu diesem Zweck hat die Leistungssteuerungs- und -reglereinheit normalerweise ein Überspannungsrelais, ein Minimalspannungsrelais, ein Maximalfrequenzrelais und ein Minimalfrequenzrelais. Es ist faktisch bekannt, dass in der Mehrzahl der Betriebsbedingungen eines derartigen Systems bei Trennen des Elektrizitätsnetzes von der Last eine schnelle Änderung in der Inverterausgangsfrequenz und/oder -Spannung auftritt. Daher bewirkt in einer sehr kurzen Zeit, in der Größenordnung von Zehnteln einer Sekunde, die Ausgangsspannung oder Frequenz des Inverters 3 eine Aktivierung des einen oder anderen der vorstehend genannten vier Schutzrelais, was bewirkt, dass der Inverter abschaltet.

Für eine detaillierte Erörterung, wie die vier Relais aufschalten, wird auf die US-PS, Nr. 6,429,546 sowie auch auf "Prevention of Islanding Grid-connected Photovoltaic Systems" von M.E. Ropp et al., in Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 7, 1999, Seiten 39–59 verwiesen.

Es besteht jedoch eine Situation, in welcher die vier Relais den Betrieb des Inverters nicht unterbrechen können. Dies tritt dann auf, wenn zum Zeitpunkt des Öffnens des Schalters 11 die Last 5 keine Energie vom Netz absorbiert und ihr Energiefaktor gleich 1 ist. Wenn dies auftritt, bewirkt das Öffnen des Schalters 11, d.h. das Trennen des Punktes A von der Quelle 7 keine Änderung in der Ausgangsfrequenz oder -Spannung des Inverters, der nicht abgeschaltet wird.

Dieser Zustand wird Islanding genannt. Dies ist sehr riskant, weil der Teil der Elektrizitätsleitung, der an den Inverter 3 angeschlossen ist, unter Strom bleibt.

In der Praxis tritt Islanding nicht nur dann auf, wenn die Energie, welche durch das Elektrizitätsnetz der lokalen Last zugeführt wird, einen exakten Nullwert hat. Im Gegenteil gibt es einen Bereich der Nicht-Intervention der vier vorstehenden Relais, um den idealen Zustand der reaktiven Energie und der aktiven Energie, welche vom Elektrizitätsnetz absorbiert ist, gleich Null ist.

Es wurden verschiedene Systeme, basierend auf aktiven Verfahren oder passiven Verfahren untersucht, um dieses Phänomen des Islandings zu vermeiden. Eine Übersicht über verschiedene Verfahren, die derzeit verwendet werden, kann in dem Artikel von M.R. Ropp et al. gefunden werden.

Weitere Verfahren und Vorrichtungen, um das Phänomen des Islandings zu verhindern, sind in den folgenden US-Patenten beschrieben: 6,801,442; 6853,940; 6,429,546; 6,219,623; 6,172,889; 5,686,766; 5,493,485; 5,162,964; 4,878,208. Die Inhalte dieser und anderer Dokumente und Patente, auf die sich bezogen wird, sind vollständig in der vorliegenden Beschreibung enthalten.

Alle diese Verfahren basieren auf der Idee der Identifizierung eines Parameters, der einen Zustand des Islandings anzeigt, oder falls notwendig, zwangsweise eine Änderung des Inverterausgangs induziert. Im Allgemeinen sind sie als aktive Verfahren oder passive Verfahren der Identifikation der Bedingungen des Islandings definiert, je nachdem, ob eine zwangsweise Änderung des Inverterausgangs induziert wird oder nicht. Ein typisches aktives Verfahren zur Identifizierung des Zustands des Islandings basiert auf einer Impedanzmessung. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, dass durch Variieren über eine Störung eines der drei Parameter des Stroms, welcher zum Inverter 3 geliefert wird (Phase, Intensität oder Frequenz), diese Änderung eine daraus folgende Spannungsänderung im Knoten A verursacht, wenn das Elektrizitätsnetz 7, 8 abgeschaltet ist, das heißt, wenn das System in einem Islanding-Zustand ist. Wenn nicht, wird die Störung vom Elektrizitätsnetz "absorbiert".

Welches Verfahren zur Identifizierung eines Islanding-Zustands auch verwendet wird, stellen die insoweit bekannten Verfahren eine Deaktivierung des Inverters bereit, wenn die Vorrichtung eine Situation detektiert, die als ein Symptom für einen Islanding-Zustand in terpretiert wird. Wenn daher in der Praxis das System nicht isoliert ist, aber die Vorrichtung einen falschen Islanding-Zustand detektiert hat, wird der Inverter unangemessen deaktiviert, mit der daraus folgenden unnötigen Unannehmlichkeit für den Benutzer und dem Verlust der Energie, die von der alternativen Quelle erzeugt worden ist.

Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die vollständig oder teilweise die vorstehenden Grenzen der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Verhinderung von Islanding löst.

Im Wesentlichen basiert die Erfindung auf der Idee des Detektierens eines Islanding-Zustands gemäß irgendeinem der zur Verfügung stehenden Verfahren und anstatt dass als sofortige und direkte Konsequenz dieser Detektion ein Abschalten (d.h. Deaktivieren) des Inverters verursacht wird, wird eine Veränderung des Energiepegels verursacht, der vom Inverter zur Last und zum Elektrizitätsnetz geliefert wird. Diese temporäre Veränderung des Energiepegels wird keine Auswirkung haben, wenn das System in einem normalen Betriebszustand ist, bei dem das Netz aktiv ist. Wenn umgekehrt das System in einem Islanding-Zustand wirksam ist, das heißt, wenn die Spannungsquelle, welche durch das Elektrizitätsnetz repräsentiert ist, nicht mehr an die lokale Last angelegt ist, die durch den Inverter gespeist wird, wird die Reduktion des Energiepegels, der vom Inverter geliefert wird, eine schnelle Änderung in wenigstens einem der elektrischen Parameter des Systems verursachen, die normalerweise dazu verwendet werden, den Inverter zu deaktivieren.

Beispielsweise kann wie vorstehend beschrieben, die Invertersteuervorrichtung eine Reihenschaltung von Überspannungs-, Minimalspannungs- und Maximal- und Minimalfrequenzrelais haben. Die temporäre Veränderung der Energie, welche vom Inverter geliefert wird, wenn das System effektiv in einem Islanding-Zustand ist, wird eine Erhöhung oder eine Reduktion der Inverterausgangsspannung und der Speisung der Last und/oder eine Reduktion oder eine Erhöhung der Energieversorgungsfrequenz verursacht, und zwar gemäß dem Energietyp (aktiv oder reaktiv), der momentan von der Last absorbiert wird. Un geachtet der Art (Spannung oder Frequenz) und des Vorzeichens (Erhöhung oder Verringerung) der Oszillation, die durch die Änderung der gelieferten Energie induziert wird, wird dies zu einem Abschalten des Inverters mittels des einen oder anderen Relais führen, mit welchem die Systemsteuervorrichtung versehen ist, oder zu einer Unterbrechung der Energielieferung des Inverters zur Last und zum Netz führen. Die Aufschaltzeit ist sehr kurz und mit der der traditionellen Systeme vergleichbar.

Wenn im Gegensatz hierzu das System in keinem wirksamen Islanding-Zustand ist, und wenn daher der detektierte Zustand ein falscher Alarm ist, wird die temporäre Energieveränderung keinerlei Veränderung weder der Energieversorgungsfrequenz noch der Spannung der lokalen Last verursachen, da sie durch das elektrische Netz kompensiert wird. In dieser Situation bleibt der Inverter aktiv und nach einem vorab eingestellten Intervall, während welchem die Energie, welche vom Inverter geliefert wird, mit Bezug auf den Nennpegel auf einem veränderten Pegel gehalten wird, wird der ursprüngliche Versorgungszustand wieder auf den Energiepegel vor der Änderung, die durch das Detektieren des (falschen) Islanding-Zustands indukiert worden ist, hergestellt.

Die Vorteile des Betriebsverfahrens sind klar. Ein Abschalten des Energieversorgungssystems, das die erneuerbare Quelle und den Inverter aufweist, ist vermieden und damit die Notwendigkeit, das System im Fall eines falschen Detektierens eines Islanding-Zustands wiederherzustellen. Die Rücksetzvorgänge sind reduziert und die Ausnutzung der durch die erneuerbare Quelle erzeugten Energie ist maximiert.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere vorteilhaft in dem Fall der erneuerbaren Energiequellen angewandt werden und insbesondere für den Fall der Photovoltaikzellen. Seine Anwendung ist jedoch allgemein und kann vorteilhafter Weise immer dann verwendet werden, wenn eine elektrische Energiequelle parallel zu dem elektrischen Versorgungsnetz positioniert ist, um eine lokale Last zu speisen, und um eine Überschussenergie in das Netz einzuspeisen. Beispielsweise kann das System auch bei Dieselmotor- oder Turbinengeneratoreinheiten verwendet werden, die dazu verwendet werden, eine Last parallel zu dem Elektrizitätsverteilungsnetz zu speisen.

In einer möglichen Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Netz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle und einen Inverter aufweist, der die elektrische Energiequelle an das Elektrizitätsnetz und eine lokale Last anschließt, mit den folgenden Phasen:

– Leistung von der Quelle über den Inverter liefern;
– Detektieren einer Charakteristik, die einen Zustand von Islanding des Systems anzeigt;
– Bei Detektieren dieser Charakteristik Beaufschlagen des Energiepegels, der über den Inverter geliefert wird, mit einer temporären Änderung,

und wobei der Inverter deaktiviert wird, d.h. die Lieferung von Energie unterbrochen wird, gefolgt von der Änderung des Energiepegels, wenn das System in einem effektiven Islanding-Zustand ist, während er aktiv bleibt, wenn das System nicht in einem effektiven Islanding-Zustand ist.

Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, geschaffen, wobei das Energieversorgungssystems eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle an das Elektrizitätsnetz anschließt und an den Inverter eine Last angeschlossen ist, mit den folgenden Phasen:

– Liefern von Leistung an die Last;
– Bestimmen eines symptomatischen Zustands für eine Islanding-Situation des Systems;
– Temporäres Modifizieren der Leistung, die der Last zugeleitet wird;

und wobei, wenn der symptomatische Zustand einer Islanding-Situation einem effektiven Islanding-Zustand des Systems entspricht, Abschalten des Inverters oder Unterbrechen der Lieferung als Ergebnis der Modifikation der Leistung erfolgt, welche der Last geliefert wird, während, wenn der symptomatische Islanding-Zustand nicht einem effektiven Islanding-Zustand entspricht, der Inverter eingeschaltet bleibt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, bereitgestellt, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle an das Netz anschließt und eine Last aufweist, die mit dem Inverter verbunden ist, mit den folgenden Phasen:

– Liefern von Leistung zur Last;
– Bestimmen eines symptomatischen Zustands einer Islanding-Situation des Systems;
– Wenn ein symptomatischer Zustand einer Islanding-Situation bestimmt ist, Beaufschlagen des Energiepegels, der vom Inverter geliefert wird, mit einer Änderung, um ein Abschalten des Inverters zu verursachen, oder eine Unterbrechung der Stromlieferung über den Inverter auf die Last zu verursachen, wenn der symptomatische Zustand einer Islanding-Situation einem effektiven Islanding-Zustand entspricht.

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle mit dem Netz verbindet und eine Last hat, die an den Inverter angeschlossen ist, mit den folgenden Phasen:

– Liefern von Energie zur Last;
– Bestimmen eines symptomatischen Zustands einer Last;
– Bestimmen eines symptomatischen Zustands einer Islanding-Situation des Systems;
– Wenn ein symptomatischer Zustand einer Islanding-Situation bestimmt ist, Beaufschlagen des Energiepegels, welcher vom Inverter geliefert wird, mit einer Änderung;
– Wenn die Änderung des Energiepegels, welcher durch den Inverter geliefert wird, eine Änderung über eine vorab eingestellte Grenze in einem elektrischen Parameter des Systems verursacht, Bewirken eines Abschaltens des Inverters, d.h. ein allgemeines Unterbrechen der Stromlieferung in Richtung auf die Last und/oder auf das Elektrizitätsnetz.

Wie zuvor angegeben, kann der Islanding-Zustand des Systems im Prinzip mit irgendeinem der zur Verfügung stehenden Verfahren detektiert werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung schafft jedoch zur Verwendung eines sogenannten aktiven Systems beispielsweise ein System basierend auf dem Detektieren der Impedanzänderung.

Der vom Inverter gelieferte Energiepegel kann entweder durch Erhöhen oder Verringern der gelieferten Energie modifiziert werden, zweckmäßiger Weise über eine Erhöhung oder Reduktion des Inverterausgangsstroms. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch die Änderung, mit welcher die Inverterausgangsenergie beaufschlagt wird, eine Verringerung der Energie selbst. Dies erlaubt ein sicheres Arbeiten, selbst wenn der Islanding-Zustand zu einem Zeitpunkt detektiert wird, zu welchem die an den Inverter angeschlossene Quelle das Maximum der zur Verfügung stehenden Energie liefert und daher nicht in der Lage wäre, mit einer erhöhenden Veränderung der vom Inverter gelieferten Energie fertig zu werden.

Gemäß einer unterschiedlichen Ausführungsform betrifft die Erfindung ein elektrisches Energieversorgungssystem, das an ein elektrisches Netz angeschlossen ist, mit:

– wenigstens einer elektrischen Energiequelle;
– einem Inverter, der von der elektrischen Quelle Energie empfängt und Energie zu einer lokalen Last leitet;
– einer Verbindung mit dem elektrischen Netz;
– einer Vorrichtung zum Steuern des Inverters, die die Lieferung der Energie über den Inverter unterbricht, wenn wenigstens ein elektrischer Parameter des Systems einen Schwellwert überschreitet;
– einer Anti-Islanding-Vorrichtung, die wenigstens ein Symptom eines Islanding-Zustands des Systems detektiert und die, wenn das Symptom detektiert ist, eine Änderung des vom Inverter gelieferten Energiepegels bewirkt, die indirekt ein vollständiges Unterbrechen der Energieversorgung verursachen kann, wenn das System in einem effektiven Islanding-Zustand ist.
– Weitere Eigenschaften des Systems und des Verfahrens gemäß der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung klar erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung und anhängenden Zeichnungen besser verständlich, die eine praktische, nicht begrenzende Ausführungsform der Erfindung zeigen. Insbesondere ist in den folgenden Zeichnungen gezeigt:
1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Systems mit einer erneuerbaren elektrischen Energiequelle, die parallel über einen Inverter an ein elektrisches Netz und an eine Last angeschlossen ist;
2 ein Schaltbild analog zu dem Vorstehenden, in welchem die vorliegende Erfindung implementiert ist; und
3, 4 und 5 Signalformen des Inverterausgangsstroms des Systems gemäß 2 in unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, welche die Erfindung verkörpert.
Die Vorrichtung hat eine Quelle 1, beispielsweise eine Batterie photovoltaischer Zellen, die einen Gleichstrom erzeugen. Dieser muss in einen Wechselstrom umgeformt werden, um eine lokale Last zu speisen, oder um in das elektrische Verteilungsnetz eingespeist zu werden. Zu diesem Zweck hat die Vorrichtung einen Inverter 3, der durch eine Verwaltungs- und Steuervorrichtung 4 gesteuert ist. An den Ausgang des Inverters 3 ist eine Last 5 angelegt, die schematisch als eine Last dargestellt ist, welche eine Widerstandskomponente, eine kapazitive Komponente und eine induktive Komponente hat. A bezeichnet den Verbindungspunkt des Inverters mit der Last. Der Inverter 3 ist auch durch eine Verteilungsleitung 8, einen Transformator 9, und durch einen Schalter 11 zum Abschalten der Wechselstromquelle 7 vom Netz parallel zu dem elektrischen Verteilungsnetz geschaltet, das insgesamt durch R bezeichnet ist und schematisch durch eine Wechselspannungsquelle 7 repräsentiert ist.
In an sich bekannter Weise wird die von der Quelle 1 erzeugte Energie der Last 5 in der von der Last erforderlichen Menge zugeführt. Jegliche überschüssige Energie wird in das Netz R gespeist und jegliche Energieerfordernisse durch die Last, welche die Energie übersteigen, welche über den Inverter 3 zugeführt werden kann, werden vom Netz R abgedeckt.
Das Anti-Islanding-System der Vorrichtung ist mit 20 schematisch bezeichnet und hat zusätzlich zu dem Inverter 3 und der Steuereinheit 4 an sich bekannte Vorrichtungen oder Hilfsschaltungen in dem Schaltbild 2, einen Stromsensor 21, der den Strom am Ausgang des Inverters detektiert, einen Spannungssensor 23, der die Ausgangsspannung vom Inver ter 3 detektiert, d.h. die Spannung an der Last 5, und einen Frequenzsensor 25, der die Frequenz des Ausgangsstroms des Inverters 3 bestimmt, die sehr verkürzt dargestellt sind.
Die insoweit schematisch veranschaulichte Vorrichtung ist auf eine wesentliche traditionelle Weise gestaltet. Über die Sensoren 21, 23 und 25 kann die Steuereinheit 4 eine Änderung der Spannung oder der Frequenz des Signals an der Last 5 detektieren oder der Stromintensität, welche vom Inverter 3 geliefert wird. Durch Vorsehen von Überspannungs-Minimalspannung- und Maximal- und Minimal-Frequenzschaltern oder Relais, die in der Steuervorrichtung 4 eingebaut sind, ist es möglich, den Inverter 3 immer dann abzuschalten, wenn der Schalter 11 des Netzes R geöffnet ist und daher das System vom Netz getrennt ist. Dieses Abschalten des Inverters 3 tritt in einer an sich bekannten Weise auf und ist in den Veröffentlichungen beschrieben, auf welche in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wurde.
Wenn der Schalter 11 in einer Situation öffnet, in welcher die Einheit 4 nicht in der Lage ist, den Zustand der Trennung zu detektieren, beispielsweise weil die aktive und reaktive Energie, die die Last 5 vom Netz R absorbiert, zu niedrig ist, oder gar Null ist und die Last 5 mit einem Energiefaktor gleich 1 funktioniert, ist in dem traditionellen System eine Vorrichtung zum Detektieren dieses Islanding-Zustands vorgesehen, das in die Steuervorrichtung 4 eingebaut ist, welches ein Symptom eines Islanding-Zustands detektiert und daraus folgend automatisch ein Abschalten des Inverters 3 bewirkt, wodurch die Lieferung von Energie zu der Last 5 und in das Netz R unterbrochen wird.
Gemäß der Erfindung arbeitet im Gegensatz hierzu die Anti-Islanding-Vorrichtung, die in der Steuereinheit 4 enthalten ist, gemäß einer anderen Logik. Wenn die Vorrichtungen, mit welchen das System 20 versehen ist, einen potentiellen Islanding-Zustand detektieren, d.h. einen Zustand oder einen Parameter, der für eine Situation oder einen Zustand des Islandings symptomatisch ist, wird die über den Inverter 3 der Last 5 zugeführte Energie temporär über die Einheit 4 reduziert. Diese temporäre Veränderung im Energiepegel erfolgt über eine temporäre Reduktion der Stromintensität am Ausgang des Inverters 3. Wenn das System in einem effektiven Islanding-Zustand ist, heißt das, dass das Netz R vollständig vom System abgeschaltet wird, und die Änderung der Energie, welche vom Inverter 3 zur Last 5 geleitet wird, verursacht eine daraus folgende Änderung eines elektrischen Parameters des Systems, der typischer Weise die Spannung an der Last sein wird, die durch den Sensor 23 detektiert werden kann, oder auch eine Änderung der Frequenz des Ausgangssignals vom Inverter 3, die durch den Sensor 25 detektierbar ist. Welcher elektrische Parameter auch detektiert wird, wird dessen Veränderung über die Steuereinheit 4 und in einer an sich bekannten Weise ein Abschneiden, d.h. Abschalten des Inverters 3 verursachen. Beispielsweise wird eine Frequenzänderung oder Spannungsänderung an der Last ein Aufschalten eines der Relais für Maximal- oder Minimalfrequenz bzw. Überspannung oder Minimalspannung verursachen.
Im Wesentlichen verursacht das Detektieren eines symptomatischen Zustands einer Islanding-Situation des Systems nicht ein direktes Abschalten des Inverters 3, sondern eine Änderung seiner Betriebsparameter, was zu einem Abschalten des Inverters führt, wenn und nur dann, wenn das System effektiv in einem Islanding-Zustand ist, während der Inverter 3 in Betrieb bleibt, wenn das System nicht von dem Netz R getrennt ist.
Die Reduktion des vom Inverter gelieferten Energiepegels kann im Bereich von 0,1 % bis 100% des Energiepegels sein, der momentan geliefert wird, wenn das Auftreten eines Islanding-Zustands identifiziert ist, oder symptomatischer Zustand eines Islanding-Zustands detektiert ist. Normalerweise ist eine Änderung zwischen 5% und 20% ausreichend. Diese Werte sind jedoch Indikativ und nicht begrenzend. Der reduzierte Energiepegel wird für ein geeignetes Zeitintervall von beispielsweise 0,5–2 Sekunden aufrechterhalten, wenn der Inverter 3 in der Zwischenzeit nicht abgeschaltet ist. Diese Zeiten sind lediglich Indikativ und nicht begrenzend. Wenn die vorab eingestellte Zeit erst einmal abgelaufen ist, ohne dass der Inverter 3 durch die Relais oder andere bekannte Vorrichtungen und die in der Einheit 4 enthalten sind, abgeschaltet ist, stellt letztere den vom Inverter 3 gelieferten Energiepegel wieder auf einen Wert vor der Reduktion her, die durch ein falsches Islanding-Zustandssignal verursacht worden ist.
Es folgt, dass der Inverter 3 nur dann effektiv deaktiviert, d.h. abgeschaltet wird, wenn das System in einem effektiven Islanding-Zustand ist und nicht dann, wenn die Steuervorrichtung einen falschen Alarm detektiert.
Die 3 bis 5 zeigen die Signalformen des Stroms am Inverterausgang in unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Systems gemäß der Erfindung. 3 zeigt die Stromsignalform für den Fall eines falschen Islanding-Zustandsignals. Zum Zeitpunkt t0 bewirkt ein Signal, welches einen angenommen Islanding-Zustand des Systems anzeigt, eine Reduktion der vom Inverter 3 gelieferten Energie und daher eine Reduktion des Stroms I am Inverterausgang. Nach einer Zeit (t1–t0), beispielsweise in der Größenordnung von einer Sekunde, hat der Inverter nicht abgeschaltet, was anzeigt, dass das System nicht effektiv von dem elektrischen Netz isoliert ist und daher das Signal, welches einen angenommenen Islanding-Zustand anzeigt, in der Realität ein falscher Alarm war. Zum Zeitpunkt t1 ist die vom Inverter gelieferte Energie auf den Wert wiederhergestellt, den sie zum Zeitpunkt t0 hatte. 4 zeigt einen Teil des Diagramms der 3 mit einem anderen Zeitmaßstab.
5 zeigt dagegen die Signalform des Stroms I am Ausgang des Inverters 3, wenn ein effektiver Islanding-Zustand des Systems dem Signal entspricht, das eine Reduktion der gelieferten Energie verursacht. IN diesem Fall bewirkt die Reduktion des Stroms I am Inverterausgang, welche durch die Steuerungseinheit beaufschlagt worden ist, ein Abschalten des Inverters in einer sehr kurzen Zeit unterhalb des Intervalls (t1–t0).
Es ist zu verstehen, dass die Zeichnung nur ein Beispiel zeigt, dass allein als praktische Demonstration der Erfindung vorgesehen ist, da die Erfindung in Form und Anordnung variieren kann, ohne dass jedoch vom Umfang des Konzepts abgewichen wird, welches dieser Erfindung zugrunde liegt.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle und einen Inverter aufweist, der die elektrische Energiequelle an das Netz anschließt, mit den folgenden Phasen: – Liefern von Energie von der Quelle über den Inverter; – Detektieren einer Charakteristik, die einen Islanding-Zustand des Systems anzeigt; – wenn die Charakteristik detektiert wird, Beaufschlagen des über den Inverter gelieferten Energiepegels mit einer temporären Änderung, und wobei die Energielieferung durch den Inverter auf die Änderung des Energiepegels deaktiviert wird, wenn das System in einem effektiven Islanding-Zustand ist, während sie aktiv bleibt, wenn das System nicht in einem effektiven Islanding-Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Detektieren der Charakteristik die über den Inverter gelieferte Energie temporär verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energiepegel für ein vorbestimmtes Zeitintervall auf einen veränderten Energiepegel gebracht wird und wobei der Energiepegel vor der Veränderung wiederhergestellt wird, wenn nach dem vorab eingestellten Zeitintervall die Energieversorgung durch den Inverter nicht deaktiviert worden ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energie durch Modifizieren der vom Inverter gelieferten Stromintensität modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Detektieren der Charakteristik der über den Inverter gelieferte Energiepegel um einen Wert zwischen 0,1 % und 100% und vorzugsweise zwischen 5% und 20% variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Charakteristik, welche für einen Islanding-Zustand anzeigend ist, über eine Impedanzmessung bestimmt wird.
Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle an das Netz anschließt und eine Last aufweist, die an den Inverter angeschlossen ist, mit den folgenden Phasen: – Liefern von Energie zur Last; – Detektieren einer Charakteristik, die einen Islanding-Zustand des Systems anzeigt; – wenn die Charakteristik detektiert wird, Beaufschlagen des über den Inverter gelieferten Energiepegels mit einer temporären Änderung, und wobei auf die Änderung des Energiepegels folgend die Energieversorgung der Last deaktiviert wird, wenn das System in einem effektiven Islanding-Zustand ist, während sie aktiv bleibt, wenn das System nicht in einem effektiven Islanding-Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei Detektieren der Charakteristik die über den Inverter gelieferte Energie temporär reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Energiepegel für ein vorab eingestelltes Zeitintervall auf einen variierten Energiepegel gebracht wird und wobei der Energiepegel vor dieser Veränderung wiederhergestellt wird, wenn nach dem vorab eingestellten Zeitintervall die Versorgung über den Inverter nicht deaktiviert worden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Energie durch Modifizieren der vom Inverter gelieferten Stromintensität variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei Detektieren der Charakteristik der über den Inverter gelieferte Energiepegel um einen Wert zwischen 0,1% und 100% und vorzugsweise zwischen 5% und 20% variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die für einen Islanding-Zustand indikative Charakteristik über eine Impedanzmessung bestimmt wird.
Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle an das Netz anschließt und eine Last aufweist, die an den Inverter angeschlossen ist, mit den folgenden Phasen: – Liefern von Energie zur Last; – Bestimmen eines symptomatischen Zustands einer Islanding-Situation des Systems; – temporäres Modifizieren der der Last zugeführten Energie; und wobei, wenn ein effektiver Islanding-Zustand des Systems dem symptomatischen Zustand einer Islanding-Situation entspricht, die Energielieferung über den Inverter als Ergebnis der Modifikation der der Last zugeführten Energie unterbrochen wird, während wenn ein effektiver Islanding-Zustand des Systems nicht dem symptomatischen Islanding-Zustand entspricht, der Inverter die Lieferung von Energie fortsetzt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei Detektieren des symptomatischen Zustands die vom Inverter gelieferter Energie temporär reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Energiepegel für ein vorab eingestelltes Zeitintervall auf einen geänderten Energiepegel gebracht wird, und wobei der Energiepegel vor dieser Veränderung wiederhergestellt wird, wenn nach dem vorab eingestellten Zeitintervall die Lieferung vom Inverter nicht unterbrochen worden ist.
Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle an das Netz anschließt und eine Last aufweist, die mit dem Inverter verbunden ist, mit den folgenden Phasen: – Liefern von Energie zur Last; – Bestimmen eines symptomatischen Zustands einer Islanding-Situation des Systems; – wenn ein symptomatischer Zustand einer Islanding-Situation bestimmt wird, Beaufschlagen des Energiepegels, welcher vom Inverter geliefert wird, mit einer Änderung, um eine Unterbrechung der Lieferung vom Inverter zu verursachen, wenn ein effektiver Islanding-Zustand dem symptomatischen Zustand einer Islanding-Situation entspricht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei, wenn der symptomatische Zustand detektiert wird, die vom Inverter gelieferte Energie temporär reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Energiepegel für ein vorbestimmtes Zeitintervall auf einen geänderten Energiepegel gebracht wird und wobei der Energiepegel vor dieser Änderung wiederhergestellt wird, wenn nach dem vorab eingestellten Zeitintervall die Energielieferung durch den Inverter nicht deaktiviert worden ist.
Verfahren zur Steuerung eines Energieversorgungssystems, das an ein Elektrizitätsnetz angeschlossen ist, wobei das Energieversorgungssystem eine elektrische Energiequelle, einen Inverter, der die elektrische Energiequelle mit dem Netz verbindet und eine Last aufweist, die mit dem Inverter verbunden ist, mit den folgenden Phasen: – Liefern von Energie zur Last; – Bestimmen eines symptomatischen Zustands einer Islanding-Situation des Systems; – wenn ein symptomatischer Zustand einer Islanding-Situation bestimmt wird, Be aufschlagen des vom Inverter gelieferten Energiepegels mit einer Änderung; – wenn die Änderung des vom Inverter gelieferten Energiepegels eine Änderung über eine vorab eingestellte Grenze eines elektrischen Parameters des Systems überschreitet, Bewirken einer Unterbrechung der Energielieferung über den Inverter.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei bei Detektieren des symptomatischen Zustands die vom Inverter gelieferte Energie temporär reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Energiepegel für ein vorab eingestelltes Zeitintervall auf einen veränderten Energiepegel gebracht wird und wobei der Energiepegel vor dieser Veränderung wiederhergestellt wird, wenn nach dem vorab eingestellten Zeitintervall die Energieversorgung über den Inverter nicht deaktiviert worden ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die elektrischen Parameter einen oder mehrere der folgenden Parameter aufweisen: Eine Ausgangsspannung des Inverters; eine Energieversorgungsspannung der Last; eine Ausgangssignalfrequenz des Inverters; eine Energieversorgungsfrequenz der Last.
Elektrisches Energieversorgungssystem, das an ein elektrisches Netz angeschlossen ist, mit: – wenigstens einer elektrischen Energiequelle; – einem Inverter, der von dieser elektrischen Quelle Energie empfängt und eine lokale Last mit Energie versorgt; – einer Verbindung mit dem elektrischen Netz; – einer Vorrichtung zum Steuern des Inverters, die die Energielieferung durch den Inverter unterbricht, wenn wenigstens ein elektrischer Parameter des Systems einen Schwellwert überschreitet; – einer Anti-Islanding-Vorrichtung, die so gestaltet und angeordnet ist, dass sie wenigstens ein Symptom eines Islanding-Zustands des Systems detektiert und wenn das System detektiert wird, eine Änderung des durch den Inverter gelieferten Energiepegels bewirkt.
System nach Anspruch 23, wobei die Anti-Islanding-Vorrichtung so gestaltet und angeordnet ist, dass sie eine Reduktion des vom Inverter gelieferten Energiepegels verursacht.
System nach Anspruch 23, wobei die Anti-Islanding-Vorrichtung so gestaltet und angeordnet ist, dass sie eine Reduktion des vom Inverter gelieferten Stroms verursacht.
System nach Anspruch 23, wobei die Anti-Islanding-Vorrichtung so gestaltet und angeordnet ist, dass sie in dem durch den Inverter gelieferten Energiepegel eine temporäre Reduktion verursacht und nach einem vorbestimmten Zeitintervall den anfänglichen Wert des gelieferten Energiepegels wiederherstellt, wenn der Inverter durch die Steuervorrichtung nicht deaktiviert worden ist.
System nach Anspruch 23, wobei die Invertersteuervorrichtung so gestaltet und angeordnet ist, dass sie eine Unterbrechung der Energieversorgung über den Inverter verur sacht, wenn die Änderung des gelieferten Energiepegels, welche durch die Anti-Islanding-Vorrichtung hervorgerufen worden ist, bewirkt, dass wenigstens ein elektrischer Parameter des Systems einen vorab eingestellten Schwellwert überschreitet.
System nach Anspruch 23, wobei die elektrischen Parameter des Systems wenigstens einen oder mehrere der folgenden aufweisen: Eine Ausgangsspannung des Inverters; eine Energieversorgungsspannung der Last; eine Ausgangssignalfrequenz des Inverters; eine Energieversorgungsfrequenz der Last.