Mittelspannungsnetz und Energieerzeugungsanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Energieerzeugungsanlage mit einem Mittelspannungsnetz, bei der auf mindestens zwei Spannungswerte aus unterschiedlichen Spannungserfassungen zurückgegriffen wird, sowie eine entsprechende Energieerzeugungsanlage, die zum Netz- und Anlagenschutz mindestens zwei unterschiedliche Spannungserfassungen umfasst. Diese

Spannungserfassungen erfassen Wechselspannungen. Bevorzugt kann die

Energieerzeugungsanlage eine Anlage sein, die sich aus regenerativen Quellen speist, besonders bevorzugt kann es sich um eine Photovoltaikanlage handeln. Der Trend geht gegenwärtig zu immer größeren Photovoltaikanlagen, die dann in der Regel direkt in ein Mittelspannungsnetz einspeisen. Zwischen die Photovoltaikanlage und das Mittelspannungsnetz ist dann meist ein Mittelspannungstransformator geschaltet, da die Photovoltaikanlage selbst auf Niederspannungsniveau betrieben wird.

Im Stand der Technik bekannt sind Verfahren bei denen mehrere in Reihe

geschaltete Schalter geschlossen werden müssen, um eine Photovoltaikanlage mit einem Mittelspannungsnetz zu verbinden. Dies ist ergibt sich beispielsweise aus unterschiedlichen Vorschriften oder Zuständigkeiten bezüglich der Schalter auf der Niederspannungsseite im Vergleich zu denen auf der Mittelspannungsseite. Die Schalter auf der Mittelspannungsseite können in der Regel seitens einer Steuerung der Photovoltaikanlage nicht betätigt werden, oft handelt es sich um rein manuell schaltbare Schaltanlagen. Diese bleiben im Normalbetrieb geschlossen und werden nur bei Fehlern und für Wartungsarbeiten geöffnet. In vielen Fällen ist das

Wartungspersonal nicht zum Schalten der Mittelspannungsschaltanlage berechtigt.

Sind auf der Mittelspannungsseite und auf der auf der Niederspannungsseite jeweils mindestens ein Schalter vorhanden, so kann der Schalter auf der

Mittelspannungsseite geschlossen bleiben, und zur Verbindung der

Photovoltaikanlage mit dem Mittelspannungsnetz dient dann der Schalter auf der Niederspannungsseite. Dieser Schalter auf der Niederspannungsseite kann von der Steuerung der Photovoltaikanlage angesteuert werden, in der Regel sind dies teure motorisch betriebene Schalter, da über diese große Ströme fließen. Meist sind in diesem Fall auf beiden Seiten des Schalters Spannungserfassung vorgesehen, da auch bei geöffnetem Schalter beispielsweise die Spannungshöhe der Netzspannung ermittelt werden muss, um festzustellen, ob eine Zuschaltung zum Netz möglich ist.

Speziell darf nur bei Vorliegen der normativ vorgegebenen Netzanschluss- und Synchronisationsbedingungen (Amplituden- und Phasengleichheit von Netz und einzuspeisender Spannung) zugeschaltet werden.

Anschlussnormen geben auch vor, mit welcher Genauigkeit eine Überprüfung beispielsweise der Netzspannung erfolgen muss. Auf der Mittelspannungsseite ist aus Sicherheitsgründen meist eine weitere Spannungserfassung vorgesehen, oft handelt es hier um eine Spannungserfassung mit einem kapazitiven

Spannungsteiler. Eine solche Spannungserfassung mit einem kapazitiven

Spannungsteiler unterliegt normalerweise weniger hohen

Genauigkeitsanforderungen, sollte aber aus Sicherheitsgründen zumindest anzeigen, ob beispielsweise 50% der Netzspannung anliegt.

Nachteilig an diesem Aufbau ist die Vielzahl an Spannungserfassungen, die

Stromwärmeverluste im Niederspannungsschalter, sowie die Kosten des Schalters auf der Niederspannungsseite.

Aus der DE 10 2013 202 868 A1 ist Spannungsmessanordnung mit einer Referenz- Spannungsmessvorrichtung die auf eine höhere Messgenauigkeit ausgelegt ist als eine kapazitive Spannungsmessvorrichtung vorbekannt. Die Messstelle der

Referenz-Spannungsmessvorrichtung befindet sich in einem anderen Feld oder an der Sammelschiene in jedem Fall aber in galvanischer Verbindung mit der Messstelle an dem die kapazitive Spannungsmessung vorgenommen wird.

DE 10 2012 105 721 A1 derselben Anmelderin offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Mehrzahl von eingangsseitig an jeweils eine Stromquelle und ausgangsseitig an einen gemeinsamen Netzübergabepunkt angeschlossenen Wechselrichtern, bei dem elektrische Größen an dem Netzübergabepunkt gemessen und zeitgleich mit den an den einzelnen Wechselrichtern gemessenen elektrischen Größen in

Beziehung gesetzt werden.

DD 2 05 257 A1 beschreibt eine Hochspannungsmesseinrichtung mit einem kapazitiven Spannungsteiler, wobei die Spannungswerte anschließend mittels einer Verstärkerschaltung für eine analoge Datenübertragung verstärkt werden.

Um den teuren motorisch betriebenen Schalter auf der Niederspannungsseite einzusparen, ist es bekannt, einen motorisch betriebenen

Mittelspannungsleistungsschalter vorzusehen und diesen zur Verbindung der Pliotovoltaikanlage mit dem Mittelspannungsnetz zu nutzen. Da auf der

Mittelspannungsseite wegen des höheren Spannungsniveaus bei gleicher Leistung geringere Ströme benötigt werden, bietet der motorisch betriebene

Mittelspannungsleistungsschalter Kostenvorteile. In diesem Fall muss die

Spannungserfassung auf der Mittelspannungsseite höheren

Genauigkeitsanforderungen genügen. Vor Zuschaltung der Pliotovoltaikanlage, also bei geöffnetem Mittelspannungsleistungsschalter, müssen die Netzanschlussnormen mit ausreichender Genauigkeit überprüfbar sein. Zu diesem Zweck werden

Spannungserfassungen eingesetzt, die einen Trenntransformator enthalten. Sie setzen die Mittelspannung so weit herab, dass sie mittels gängiger Methoden mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Solche Spannungserfassungen mit Trenntransformatoren sind aber wegen der hohen Isolierspannung groß und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden einer Energieerzeugungsanlage mit einem Mittelspannungsnetz aufzuzeigen, das die erwähnten Nachteile überwindet. Des Weiteren soll eine Energieerzeugungsanlage angegeben werden, die mit wenigen kostengünstigen Schaltern und

Spannungserfassungen auskommt und trotzdem allen Vorgaben hinsichtlich des Netz- und Anlagenschutzes gerecht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , sowie einer Pliotovoltaikanlage nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Pliotovoltaikanlage sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden einer Energieerzeugungsanlage mit einem Mittelspannungsnetz umfassend folgende Schritte: Es wird ein

Kalibrierfaktor durch eine Steuerung der Energieerzeugungsanlage bestimmt, der während eines Leerlaufzustandes eines Mittelspannungstransformators erste

Spannungswerte auf zweite Spannungswerte abstimmt. Dabei werden die ersten Spannungswerte an einem kapazitiven Spannungsteiler, angeordnet auf der

Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators, erfasst. Die zweiten Spannungswerte werden an einer Spannungserfassung, angeordnet auf der

Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators, erfasst. Die die

Steuerung der Energieerzeugungsanlage schließt einen Trennschalter zum

Verbinden einer Energieerzeugungsanlage mit einem Mittelspannungsnetz, wenn an dem kapazitiven Spannungsteiler ermittelte Spannungswerte nach Anwendung des Kalibrierfaktors einen ersten Schwellwert überschreiten. Dabei ist der Trennschalter auf der Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators angeordnet.

Die Spannungserfassung, angeordnet auf der Niederspannungsseite des

Mittelspannungstransformators, ist üblicherweise eine dreiphasige Messung, die die Spannungen mit einer Toleranz von weniger als 1 % Abweichung bestimmt. Diese Messung ist notwendig, um für die Steuerung der Energieerzeugungsanlage

Spannungswerte zur Verfügung zu stellen, die vor dem Verbinden einer

Energieerzeugungsanlage mit einem Mittelspannungsnetz die Beurteilung der Netzanschlussbedingungen zulassen (Netz-und Anlagenschutz), insbesondere muss die einzuspeisende Spannung innerhalb eines vorgegebenen Wertebereiches liegen.

Anschließend kann es erforderlich sein, die von der Energieerzeugungsanlage bereitgestellte Wechselspannung auf die entsprechenden Werte des

Mittelspannungsnetzes zu synchronisieren. Bei einer solchen synchronen

Zuschaltung fließen keine bzw. nur sehr kleine Ausgleichströme, so dass die

Betriebsmittel und das Netz nur wenig oder gar nicht belastet werden. Die Messwerte dieser Spannungserfassung, angeordnet auf der Niederspannungsseite, müssen mit hoher Genauigkeit vorliegen, damit die Einspeisung von netzkonformer Energie in das Mittelspannungsnetz gewährleistet werden kann.

Die ersten Spannungswerte, die an dem kapazitiven Spannungsteiler, angeordnet auf der Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators, erfasst werden, sind mit höheren Messtoleranzen behaftet. In Fall eines dreiphasigen Netzes handelt es sich auch hier in der Regel um eine dreiphasige Messung, das heißt es ist für jede Phase des Netzes ein kapazitiver Spannungsteiler vorhanden.

Erfindungsgemäß werden die ersten Spannungswerte mittels der zweiten

Spannungswerte kalibriert, wodurch die ersten Spannungswerte mit einer höheren Genauigkeit vorliegen und als Referenzwerte zum Verbinden einer

Energieerzeugungsanlage mit einem Mittelspannungsnetz verwendbar werden. Die Steuerung der Energieerzeugungsanlage kann die kalibrierten ersten

Spannungswerte mit den zweiten Spannungswerten vor der Zuschaltung der

Energieerzeugungsanlage zum Mittelspannungsnetz vergleichen. Ab einer

Mindestspannung im Mittelspannungsnetz kann die Steuerung eine Zuschaltung der Energieerzeugungsanlage zum Mittelspannungsnetz mittels eines bevorzugt motorisch angetriebenen Trennschalters realisieren. Die Kalibrierung der ersten Spannungswerte mittels der zweiten Spannungswerte erfolgt während eines

Leerlaufzustandes des Mittelspannungstransformators. Im Leerlaufzustand des Mittelspannungstransformators findet kein Energiefluss zwischen der

Energieerzeugungsanlage und dem Netz statt. In diesem Fall ist der

Spannungsabfall über den Streuinduktivitäten des Transformators praktisch Null und die Spannungen auf beiden Seiten des Transformators stimmen in Phase und Amplitude (entsprechend des Übersetzungsverhältnisses angepasst) überein.

Da die Energieeinspeisung von der Steuerung der Energieerzeugungsanlage gesteuert wird, kann diese Steuerung auch den Leerlaufzustand des

Mittelspannungstransformators feststellen und damit den Zeitpunkt der Kalibration der ersten Spannungswerte festlegen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die ersten Spannungswerte mittels eines Verstärkers verstärkt, um eine störunempfindliche Übertragung der ersten Spannungswerte zu ermöglichen.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die verstärkten ersten Spannungswerte mittels einer analogen Datenübertragung an die Steuerung der Energieerzeugungsanlage übertragen. Eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage umfasst einen Photovoltaik- Wechselrichter der eingangsseitig an einen Photovoltaik-Generator angeschlossen ist, wobei der Photovoltaik- Wechselrichter mit seinem Ausgang schalterlos an eine Niederspannungsseite eines Mittelspannungstransformators angeschlossen ist. Weiter umfasst die Photovoltaikanlage einen kapazitiven Spannungsteiler, angeordnet auf einer Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators, zur Erfassung von ersten Spannungswerten, eine Spannungserfassung, angeordnet auf der Niederspannungsseite des Mittelspannungstransformators, zur Erfassung von zweiten Spannungswerten und einen Trennschalter angeordnet auf der

Mittelspannungsseite des Mittelspannungstransformators, der dazu geeignet ist, den Ausgang des PV-Wechselrichters mit einem Mittelspannungsnetz zu verbinden. Weiter umfasst die Photovoltaikanlage eine Kalibriereinheit zur Abstimmung der ersten Spannungswerte auf die zweiten Spannungswerte während eines

Leerlaufzustandes des Mittelspannungstransformators und eine Steuerung zum Ansteuern des Trennschalters, wenn an dem kapazitiven Spannungsteiler ermittelte, und mittels der Kalibriereinheit abgestimmte Spannungswerte einen ersten

Schwellwert überschreiten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße

Photovoltaikanlage einen Verstärker zur Verstärkung der ersten Spannungswerte.

Zwischen der Mittelspannungsschaltstation, in der der Trennschalter sowie der kapazitiven Spannungsteiler angeordnet sein können, und der Steuerung der Photovoltaikanlage liegen in der Regel große geographische Distanzen, so dass eine Verstärkung zur störunempfindliche Übertragung der ersten Spannungswerte nötig sein kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage eine analoge Datenübertragung zur Übertragung der verstärkten ersten Spannungswerte an die Steuerung der Photovoltaikanlage.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Steuerung der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage auch die Kalibriereinheit. Auch können Steuerung und Kalibriereinheit in den Photovoltaik-Wechselrichter integriert sein. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Photovoltaikanlage.

Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Photovoltaik-Generator 1 verbunden mit einem DC-Eingang eines Photovoltaik- Wechselrichters 2. In einer realen Umsetzung kann der Photovoltaik-Generator 1 aus einer Vielzahl von seriell- und parallel verschalteten Einzelmodulen bestehen, auch kann zusätzlich oder anstelle des Photovoltaik-Generators 1 eine andere Quelle von Gleichspannung, eine Batterie oder ähnliches an den DC-Eingang eines Photovoltaik-Wechselrichter 2

angeschlossen sein. Der Photovoltaik-Wechselrichter 2 wandelt die DC-Leistung des Photovoltaik-Generators 1 in eine AC-Leistung an seinem AC-Ausgang um, die in ein Mittelspannungsnetz 4 eingespeist werden kann. In der Regel handelt es sich hierbei um ein dreiphasiges Netz. Der AC-Ausgang des Photovoltaik-Wechselrichters 2 ist ohne Zwischenschaltung von weiteren Schaltorganen an die Niederspannungsseite eines Mittelspannungstransformators 5 angeschlossen. Mittelspannungsseitig ist zwischen den Mittelspannungstransformator 5 und das Mittelspannungsnetz 4 ein Trennschalter 13 angeordnet. Hierbei kann es sich um einen Leistungsschalter handeln, der auch Kurzschlussströme zu trennen vermag, oder einen

Lasttrennschalter, der lediglich normale Lastströme tragen kann. Durch das Fehlen eines niederspannungsseitigen Trennschalters kann die gesamte

Energieerzeugungsanlage nur durch den Trennschalter 13 vom Netz getrennt werden. Der Trennschalter kann auch zwei in Serie angeordnete und unabhängig betätigte Teilschalter aufweisen.

Zur Regelung der von der Photovoltaikanlage 3 erzeugten Spannung und zur Abstimmung dieser auf die Spannung im Mittelspannungsnetz 4 verfügt die

Photovoltaikanlage 3 über eine niederspannungsseitig angeordnete

Spannungserfassung 6, die mit hoher Genauigkeit die Spannungsverhältnisse am AC-Ausgang des Photovoltaik-Wechselrichter 2 messen kann. Die von der

Spannungserfassung 6 gemessenen Werte werden digital oder analog an die

Steuerung 10 übermittelt, die den Photovoltaik-Wechselrichter 2 regelt. Vor dem Zuschalten der Photovoltaikanlage 3, also bei geöffnetem Trennschalter 13 kann aber an der Spannungserfassung 6 keine Messung der Spannungsverhältnisse im Mittelspannungsnetz 4 vorgenommen werden. Ein mittelspannungsseitig oft vorhandener kapazitiver Spannungsteiler 8 dient in der Regel zur Information des Wartungspersonals und ist in der Regel für alle Netzphasen vorhanden und hat häufig nur den Zweck, dem Bedienpersonal der Mittelspannungsschaltanlage anzuzeigen, ob Spannung an der Anlage vorhanden ist, sie besteht nur aus einer optischen Anzeige mit einem kleinen LCD-Display. Diese Art der

Spannungsmessung an einem kapazitiven Spannungsteiler 8 ist kostengünstig, aber mit einer großen Fehlertoleranz behaftet. Um nun vor dem Zuschalten der

Photovoltaikanlage 3 zum Mittelspannungsnetz 4 eine verlässliche Aussage über die Spannungsverhältnisse im Mittelspannungsnetz 4 zu erhalten, werden

erfindungsgemäß mit einer Spannungserfassung 7 an dem kapazitiven

Spannungsteiler 8 erste Spannungswerte ermittelt und mit Hilfe von zweiten

Spannungswerten, die an der Spannungserfassung 6 erfasst werden, kalibriert. Dazu werden die von der Spannungserfassung 7 erfassten Werte beispielsweise als analoger Spannungswert an die Steuerung 10 übermittelt. Die Steuerung 10 regelt dazu bei geschlossenem Trennschalter 13 den Betrieb des Photovoltaik- Wechselrichters 2 so, dass Amplitude und Phase der vom Photovoltaik- Wechselrichter 2 erzeugten Spannung genau mit Amplitude und Phase des

Mittelspannungsnetzes 4 übereinstimmen und somit keine Leistung ins

Mittelspannungsnetz 4 fließt. Alternativ kann bei einem stromgeregelten

Wechselrichter der ins Netz eingespeiste Strom zu Null geregelt werden. Dies wird auch als Leerlaufbetrieb von Photovoltaik-Wechselrichter 2 und

Mittelspannungstransformators 5 bezeichnet. Da kein Strom fließt, findet an den Wicklungen des Mittelspannungstransformators 5 kein Spannungsabfall statt und auf beiden Seiten des Mittelspannungstransformators 5 liegt dieselbe Spannung an (unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des

Mittelspannungstransformators). Daher kann in dieser Konfiguration eine Kalibrierung der beiden Spannungsmessungen erfolgen. Empfängt die Steuerung 10 in dieser Konfiguration von dem kapazitiven Spannungsteiler 8 beispielsweise einen Messwert von 20 V und wird an Spannungserfassung 6 ein Spannungswert von 500 V gemessen und das Übersetzungsverhältnis des Mittelspannungstransformators 5 beträgt 1 :40, so wird ein Kalibrierfaktor von (500/20) x 40 = 1000 ermittelt. Ein vom kapazitiven Spannungsteiler 8 erfasster Wert von 20 V entspricht dann einer

Spannungsamplitude im Mittelspannungsnetz von 20.000 V.

Die Kalibrierung kann auch von einer separaten Kalibriereinheit 1 1 vorgenommen werden, die aber auch als Teil der Steuerung 10 ausgeführt sein kann.

Zwischen dem Ort der Spannungserfassung 7, also beispielsweise der

Mittelspannungsschaltstation, und dem Photovoltaik-Wechselrichter 2 liegen in der Regel größere Distanzen. Um eine für Störsignale unempfindliche Übertragung der Messwerte des kapazitiven Spannungsteilers 8 zu gewährleisten wird es meist nötig sein, das Messsignal, das an dem einen Kondensator des kapazitiven

Spannungsteilers 8 durch die Spannungserfassung 7 gewonnen wird, zu verstärken. Verstärker 9 kann ein Operationsverstärker sein, der das Spannungssignal an dem Kondensator verstärkt, ohne diesen zu belasten. Vorteilhaft kann deshalb der Operationsverstärker als Impedanzwandler ausgeführt sein. Dazu muss die

Operationsverstärkerschaltung mit einer unabhängigen Versorgungsspannung, beispielsweise mit 24 V aus dem Photovoltaik-Wechselrichter 2, versorgt werden.

Vor Erstinbetriebnahme der Anlage, wenn also noch kein Kalibrierfaktor für die Photovoltaikanlage 3 ermittelt wurde, kann folgendermaßen vorgegangen werden:

Der Trennschalter 13 wird geschlossen, wenn erkennbar ist, dass das

Mittelspannungsnetzes 4 nicht gestört ist, dies kann beispielsweise manuell durch das Bedienpersonal erfolgen. Der Photovoltaik-Wechselrichter 2 stellt an seinem AC- Ausgang eine Spannung ein, die nach Übersetzung durch den

Mittelspannungstransformator 5 der Nennbetriebsspannung des

Mittelspannungsnetzes 4 entspricht. Direkt nach dem Zuschalten können die von der Spannungserfassung 6 gemessenen Spannungs- und Frequenzwerte mit den zulässigen Bereichen verglichen werden, die in den Netzanschlussbedingungen festgelegt sind. Falls die Werte die normativen Vorgaben nicht erfüllen, wird der Trennschalter 13 wieder geöffnet. Nach dem Zuschalten wird eine Kalibrierung wie oben beschrieben durchgeführt. Bezugszeichenliste

1 Photovoltaik-Generator 2 Photovoltaik-Wechselrichter 3 Photovoltaikanlage

4 Mittelspannungsnetz

5 Mittelspannungstransformator 6 Spannungserfassung

7 Spannungserfassung

8 kapazitiver Spannungsteiler 9 Verstärker

10 Steuerung

1 1 Kalibriereinheit

12 Datenübertragung

13 Trennschalter