Technisches Gebiet der Erfindung

Energieversorgungs-Anlagen tauschen über einen Netzanschlusspunkt elektrische Leistung mit einem übergeordneten Energieversorgungsnetz aus. Insbesondere Anlagen mit leistungselektronischen Stromrichtern, z. B. Photovoltaik (PV)-Anlagen, Energiespeicher-Anlagen oder auch Großverbraucher wie Elektrolyseure, sind regelmäßig über einen Transformator an das übergeordnete Netz, z. B. ein AC- Versorgungsnetz, angeschlossen. Solche Großanlagen können einen Anlagenregler aufweisen, der unter anderem die Scheinleistung bestehend aus Wirkleistung und Blindleistung am Netzanschlusspunkt einstellt.

Stand der Technik

In EP2504901 wird ein Anlagenregler einer PV-Anlage beschrieben, der eine AC- Zielspannung in Abhängigkeit von DC-Spannungen aller Wechselrichter der PV- Anlage ermittelt und ein Übersetzungsverhältnis des Transformators am Netzanschlusspunkt in Abhängigkeit davon einstellt.

In EP3429051 wird die Effizienz eines Wechselrichters durch eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators am Netzanschlusspunkt beeinflusst.

In CN104104103 und CN103986181 wird beschrieben, das Übersetzungsverhältnis eines Transformators in Abhängigkeit von einer MPP-Spannung (Maximum Power Point Spannung) einer PV-Anlage einzustellen.

Die Nennleistung eines Stromrichters einer Energieversorgungsanlage, insbesondere eines Wechselrichters ist in der Regel durch eine maximale Stromstärke der im Wechselrichter umgesetzten Ströme, insbesondere durch einen maximalen AC- seitigen Netzstrom begrenzt. Bei einer gegebenen (AC-)Stromstärke kann die Nennleistung des Wechselrichters durch eine Erhöhung der (AC-)Spannung erhöht werden. Damit steigt die Nennleistung des Wechselrichters mit steigender AC- Spannung linear an. Deshalb ist es aus technischen und wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, die AC-Nennspannung so hoch wie möglich wählen zu können.

Umso höher die AC-Nennspannung ist, desto höher muss auch die minimale DC- Spannung am DC-Anschluss des Wechselrichters sein, um einen geregelten Betrieb des Wechselrichters aufrecht erhalten zu können. Insbesondere bei einem bekannten Wechselrichter mit einer Wechselrichter-Brückenschaltung und einem Spannungszwischenkreis, der direkt mit einer DC-Spannungsquelle oder -senke verbunden ist, ist die minimale DC-Spannung die Spannung, die notwendig ist, um bei gegebener AC-Spannung einen AC-Strom mit gewünschter Scheinleistung geregelt mit dem AC-Versorgungsnetz austauschen zu können.

Sofern man das übergeordnete AC-Versorgungsnetz als starr und das Übersetzungsverhältnis des Transformators zwischen Wechselrichter und AC- Versorgungsnetz als fest ansieht, ist der Fixpunkt der AC-Spannung in der Energieversorgungsanlage oft die Spannung am Netzanschlusspunkt, d.h. die Spannung an der AC-Versorgungsnetzseitigen Wicklung des Transformators.

Die AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters ist durch diverse Effekte beeinflusst, so dass je nach Ausdehnung der Anlage und entsprechender Anzahl an Installationen zwischen Netzanschlusspunkt und Wechselrichter erhebliche Änderungen der AC-Spannung in der Energieversorgungsanlage auftreten können. Dabei kann die AC-Spannung dynamisch von der Scheinleistung des Wechselrichters abhängen, wobei insbesondere eine ggf. vom AC- Versorgungsnetz geforderte Blindleistung im übererregten Bereich aufgrund der induktiven Eigenschaften der Installationen, insbesondere des Transformators selbst, die AC- Spannung am Wechselrichters spürbar anheben kann.

Über einen Stufenschalter des Transformators am Netzanschlusspunkt kann das Übersetzungsverhältnis zwischen AC-Spannung auf Seiten der Energieversorgungs- Anlage des Transformators und AC-Spannung im AC-Versorgungsnetz eingestellt werden. In der Regel wird ein solcher Stufenschalter von einer eigenen Steuereinheit so betrieben, dass Änderungen der Spannung des AC-Versorgungsnetzes entgegengewirkt wird, um die AC-Spannung innerhalb der Energieversorgungsanlage von solchen Änderungen zu entkoppeln.

Das Kürzel DC (engl. direct current) steht in dieser Anmeldung je nach Kontext für Gleichstrom oder Gleichspannung und das Kürzel AC (engl. alternating current) entsprechend für Wechselstrom oder Wechselspannung.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungs-Anlage, einen Anlagenregler für eine Energieversorgungs- Anlage sowie eine Energieversorgungs-Anlage zur Verfügung zu stellen, bei denen ein effizienterer und/oder ein flexiblerer Betrieb ermöglicht wird.

Lösung

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 16, einen Anlagenregler mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 19 sowie durch eine Energieversorgungs-Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

Beschreibung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Energieversorgungs- Anlage, welche über einen Transformator an ein AC-Versorgungsnetz angeschlossen ist und über den Transformator elektrische Leistung mit dem AC- Versorgungsnetz austauscht. Dabei ist der Transformator auf einer ersten Seite an das AC-Versorgungsnetz und auf einer zweiten Seite an ein AC-Anlagennetz der Energieversorgungs-Anlage angeschlossen. Die Energieversorgungs-Anlage weist zumindest einen Wechselrichter auf, der elektrische Leistung zwischen einer DC- Einheit auf der DC-Seite des Wechselrichters und dem AC-Anlagennetz auf der AC- Seite des Wechselrichters austauscht. Das Verfahren weist die Schritte auf: • Empfangen zumindest eines Parameters der Leistungswandlung des zumindest einen Wechselrichters, wobei der zumindest eine Parameter bevorzugt durch einen Anlagenregler der Energieversorgungs-Anlage empfangen wird,

• Festlegen einer AC-Sollspannung für das AC-Anlagennetz in Abhängigkeit von dem zumindest einen Parameter der Leistungswandlung des zumindest einen Wechselrichters, wobei die AC-Sollspannung bevorzugt durch den Anlagenregler festgelegt wird,

• Übermitteln der AC-Sollspannung an den Transformator, wobei ein Stufenschalter des Transformators eingerichtet ist, ein Übersetzungsverhältnis derart einzustellen, dass das Produkt aus der Spannung im AC-Versorgungsnetz und dem Übersetzungsverhältnis die AC-Sollspannung ergibt.

Die Energieversorgungs-Anlage kann insbesondere eine Photovoltaik-Anlage (PV- Anlage) sein, die hauptsächlich zur Einspeisung elektrischer Leistung in das AC- Versorgungsnetz ausgelegt ist. Eine solche PV-Anlage kann eine Vielzahl an elektrischen Komponenten, insbesondere an Photovoltaik (PV) - Modulen umfassen, die in dezentraler Weise über eine große Fläche verteilt sind. Eine Gruppe von PV- Modulen, die stringweise, also untereinander in Form einer Reihenschaltung gruppiert ist, wird auch Photovoltaik-String (PV-String) genannt. Ein PV-Generator kann einen oder mehrere parallel zueinander verschaltete PV-Strings aufweisen. Eine DC-Einheit kann beispielsweise einen oder mehrere solcher PV-Strings oder einen oder mehrere solcher PV-Generatoren aufweisen und an einen Wechselrichter angeschlossen sein. Eine ausgedehnte PV-Anlage mit einer Gesamtleistung im Megawatt-Bereich kann eine Vielzahl von DC-Einheiten und entsprechend umfangreiche Installationen wie AC-Leitungen und ggf. Zwischentransformatoren aufweisen.

Eine DC-Einheit kann auch beispielsweise eine DC-Speichereinheit sein, die mittels DC-Stroms geladen und entladen werden kann, so dass die Energieversorgungs- Anlage bedarfsweise Leistung aus dem AC-Versorgungsnetz beziehen oder darin einspeisen kann. Eine DC-Einheit kann außerdem eine DC-Last, wie z. B. eine Elektrolyseeinheit oder ähnliches sein, so dass die Energieversorgungs-Anlage hauptsächlich zum Bezug von Leistung aus dem AC-Versorgungsnetz ausgelegt sein kann.

Der zumindest eine Wechselrichter der Energieversorgungs-Anlage stellt auf seiner DC-Seite eine DC-Spannung ein, die sich am gewünschten Arbeitspunkt der DC- Einheit, also beispielsweise am Arbeitspunkt maximaler Leistung (MPP) eines PV- Generators orientieren kann. Wenn der jeweilige PV-Generator am MPP mit einer relativ hohen DC-Spannung betrieben wird, ist es wünschenswert, die PV-Leistung bei einer möglichst hohen AC-Spannung einzuspeisen, um die Ausgangsströme des Wechselrichters und die Ströme in der Anlage entsprechend möglichst gering zu halten und damit Verluste zu minimieren. Wenn die MPP-Spannung jedoch sinkt, beispielsweise bei geringer Einstrahlung, z. B. morgens und/oder abends und/oder bei hohen Temperaturen, kann die Situation eintreten, dass die DC-Spannung nicht mehr ausreicht, um eine ausreichend hohe Spannung am AC-Anschluss des Wechselrichters einzustellen.

Im Falle einer DC-Speichereinheit als DC-Einheit kann die DC-Spannung unter anderem vom Ladezustand der Batterie der DC-Speichereinheit abhängen. Insbesondere kann eine vollgeladene Batterie eine relativ hohe DC-Spannung aufweisen, so dass der Austausch elektrischer Leistung über den Wechselrichter bei einer entsprechend hohen AC-Spannung stattfinden kann. Im Falle eines Elektrolyseurs kann die vom Elektrolyseur bezogene Leistung anhand der Spannung eingestellt werden, so dass der Elektrolyseur insbesondere bei einer hohen Leistung eine relativ hohe DC-Spannung aufweist und elektrische Leistung über den Wechselrichter aus einer entsprechend hohen AC-Spannung beziehen kann.

Daher ist es vorteilhaft, die AC-Spannung in dem AC-Anlagennetz in Abhängigkeit von der DC-Spannung zu variieren und das Übersetzungsverhältnis des Stufenschalters entsprechend nachzuführen.

In Ausführungsformen weist der Transformator eine Steuerung zur Einstellung des Stufenschalters auf. Die Steuerung des Stufenschalters kann an sich autark in Abhängigkeit von der aktuellen Spannung des AC-Versorgungsnetzes und einer (festen) AC-Sollspannung für die Energieversorgungs-Anlage arbeiten. Zusätzlich kann die Steuerung des Stufenschalters von dem Anlagenregler beeinflusst werden. Die Steuerung des Stufenschalters kann dabei den Stufenschalter weitgehend autonom derart regeln, dass eine vorgegebene AC-Sollspannung in dem AC- Anlagennetz angenähert wird. Hierfür nimmt der Stufenschalter unterschiedliche Stellungen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen in Abhängigkeit von der AC-Versorgungsnetzspannung ein. Zusätzlich kann die Steuerung des Stufenschalters von außen Eingaben, z. B. die AC-Sollspannung, erhalten. Vorteilhafterweise kann die AC-Sollspannung durch eine solche Eingabe variabel vorgegeben und im Laufe des Betriebs der Energieversorgungs-Anlage geeignet angepasst werden. Die Eingabe, z. B. die AC-Sollspannung, erfolgt z. B. durch den Anlagenregler, der mit dem Transformator bzw. mit dessen Steuerung kommunikativ verbunden ist.

Zur Ausführung des Verfahrens kann insbesondere ein Anlagenregler verwendet werden, der insbesondere mit dem zumindest einen Wechselrichter kommunikativ verbunden ist.

Das Verfahren ermöglicht die Optimierung von Energieversorgungs-Anlagen, z. B. von PV-Anlagen, Speicheranlagen oder Verbraucheranlagen, insbesondere von Großanlagen im Megawatt-Bereich. Insbesondere bei Anlagen mit Zentralwechselrichtern, die selbst bereits Leistungen im Megawatt-Bereich aufweisen und beispielsweise mit einer großen Anzahl von PV-Strings, Batterien und/oder Verbrauchern betrieben werden, können die Nutzungsmöglichkeiten für den oder die Zentralwechselrichter erweitert werden.

Durch das Verfahren kann erreicht werden, die AC-Spannung bei gegebener DC- Spannung und gegebener Blindleistung so hoch wie möglich einzustellen. Dies ist unabhängig von der Leistungsflussrichtung möglich, , d. h. es kann Anwendung finden sowohl für Energieversorgungs-Anlagen, die elektrische Leistung aus dem AC-Versorgungsnetz beziehen, als auch für Energieversorgungs-Anlagen, die elektrische Leistung in das AC-Versorgungsnetz einspeisen.

Außerdem kann durch das Verfahren sichergestellt werden, dass die DC-Spannung auf der DC-Seite des zumindest einen Wechselrichters ausreichend hoch im Vergleich zur AC-Spannung auf der AC-Seite des zumindest einen Wechselrichters ist, um einen geregelten Betrieb des Wechselrichters zu ermöglichen. Dabei wird die AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters nur gesenkt, wenn unbedingt nötig, also insbesondere, wenn der Wechselrichter aus einer gegebenen DC- Spannung keine geregelte AC-Spannung auf seiner AC-Seite erzeugen kann, die eine Einspeisung ins AC-Versorgungsnetz bewirkt. Die tritt beispielsweise bei einer relativen niedrigen MPP- und/oder Batterie-Spannung ein, bzw. wenn aus einer gegebenen AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters keine geregelte DC- Spannung erzeugt werden kann, die für eine Einspeisung in die DC-Einheit, z. B. in einen Speicher mit niedrigem Ladezustand oder in einen Elektrolyseur mit niedriger Sollleistung benötigt wird.

In einer Ausführungsform wird der zumindest eine Parameter in dem zumindest einen Wechselrichter ermittelt und umfasst eine Vektorlänge, wobei die Vektorlänge das Verhältnis der Amplituden der Spannungen auf der AC-Seite und auf der DC- Seite des zumindest einen Wechselrichters umfasst.

In einer Ausführungsform ist die Vektorlänge proportional zum Aussteuergrad einer Pulsweitenmodulations-Regelung (PWM-Regelung) des zumindest einen Wechselrichters. Die Vektorlänge repräsentiert damit im Wesentlichen das Verhältnis zwischen der am Wechselrichter anliegenden DC-Spannung und der Amplitude der vom Wechselrichter zum geregelten Leistungstransfer AC-seitig erzeugten AC- Spannung. Je nach konkret verwendeter Regelung des Wechselrichters kann die Vektorlänge in verschiedenen äquivalenten Varianten und ggf. skaliert vorliegen.

Die Amplitude des AC-Spannungsvektors, der von der Wechselrichter-Regelung auf der AC-Seite des Wechselrichters erzeugt wird, kann in % der maximalen Modulation der aktuellen DC-Spannung ausgedrückt werden. Bei 100 % entspricht die Vektorlänge genau der Vollaussteuerung eines sinusförmigen Signals in den gegebenen DC-Grenzen. Durch sogenannte Übermodulation kann die Vektorlänge im Betrieb bis ca. 105 % steigen, ohne das unzulässige Verzerrungen und Oberwellenströme entstehen. Dazu können spezielle Taktverfahren verwendet werden, beispielsweise eine Raumzeigermodulation und/oder eine Modulation der Lage des DC- oder AC-Mittenpotential, oder herkömmliche Modulationsverfahren in Kombination mit Filterelementen des Wechselrichters so ausgelegt werden, dass etwaige Verzerrungen der eingespeisten Ströme auch bei Vektorlängen bis zu etwa 105% im normativ erlaubten Rahmen bleiben.

In einer Ausführungsform folgt der Wechselrichter der AC-Spannung auf dem AC- Anlagennetz und prägt den Strom auf seiner AC-Seite ein. In dieser Ausführungsform wird der Wechselrichter nicht spannungsstellend und die Energieversorgungsanlage zwar ggf. netzstützend, jedoch insbesondere nicht oder zumindest nicht überwiegend netzbildend in einem Inselnetz betrieben.

In einer Ausführungsform wird die AC-Sollspannung wiederholt in Abhängigkeit von der Vektorlänge festgelegt, wobei die Vektorlänge insbesondere von der momentanen Spannung auf der DC-Seite des zumindest einen Wechselrichters abhängt.

In einer Ausführungsform hängt die Vektorlänge von der momentanen mit dem AC- Versorgungsnetz ausgetauschten Scheinleistung ab, insbesondere von der momentanen Wirk- und/oder Blindleistung der Wechselrichter.

Das Verfahren ermöglicht es, dafür zu sorgen, dass auch bei minimal auftretender DC-Spannung, z.B. bei der minimalen MPP-Spannung der PV-Anlage, bei niedrigem Ladezustand der Batterie der Speicheranlage oder bei niedriger Leistung des Elektrolyseurs, eine Vektorlänge von 105 % nicht überschritten wird. Hierfür kann das Übersetzungsverhältnis des Transformators dynamisch und flexibel so gewählt werden, dass bei anliegender DC-Spannung und geforderter Blindleistung im übererregten Betrieb die AC-Spannung auf dem AC-Anlagennetz soweit erhöht werden kann, dass die Vektorlänge von 105 % nicht überschritten wird.

Über den Stufenschalter kann die Spannung an der anlagenseitigen Wicklung des Transformators auf die AC-Sollspannung eingestellt werden, so dass diese AC- Sollspannung durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des Stufenschalters nachgeführt werden kann, wenn die AC-Versorgungsnetzspannung veränderlich ist. Vorteilhafterweise wird die AC-Sollspannung im Rahmen des Verfahrens auch an die aktuelle DC-Spannung angepasst, so dass etwaige Regelungsreserven bezüglich der Vektorlänge ausgeschöpft werden. Dabei wird ermöglicht, das Übersetzungsverhältnis des Transformators nicht nur an eine sich ändernde AC-Versorgungsnetzspannung, sondern auch an eine sich ändernde anlagenseitige AC-Spannung anzupassen, beispielsweise an eine durch eingespeiste Blindleistung angehobene AC-Spannung in der Anlage. Diese flexible Anpassung sowohl an eine sich ändernde DC-Spannung als auch an eine sich ändernde anlagenseitige AC-Spannung macht den Betrieb der Anlange flexibler, robuster und/oder effizienter.

Das Verfahren ermöglicht, dass einerseits eine möglichst hohe AC-Spannung in der Energieversorgungs-Anlage gewählt werden kann und andererseits die maximale Vektorlänge zum störungsfreien geregelten Leistungsaustausch nicht überschritten wird.

In Ausführungsformen weist die Energieversorgungs-Anlage mehr als einen Wechselrichter auf, welche elektrische Leistung zwischen jeweils einer DC-Einheit auf der DC-Seite des Wechselrichters und dem AC-Anlagennetz auf der AC-Seite des Wechselrichters austauschen, wobei der zumindest eine Parameter jeweilige Vektorlängen der Wechselrichter umfasst, wobei die jeweilige Vektorlänge das jeweilige Verhältnis der Amplituden der Spannungen auf der AC-Seite und auf der DC-Seite des jeweiligen Wechselrichters umfasst.

In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der zumindest eine Parameter eine von den jeweiligen Vektorlängen abgeleitete Vektorlänge, welche insbesondere eine aus den jeweiligen Vektorlängen gemittelte Vektorlänge umfasst.

Hierfür kann der Anlagenregler z. B. die Vektorlängen der Modulation der jeweiligen Wechselrichter erfassen. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die Wechselrichter ihre jeweiligen aktuellen Vektorlängen (oder äquivalente Größen) ihrer jeweiligen aktuellen Regelung an den Anlagenregler kommunizieren. Aus den Vektorlängen mehrerer oder aller Wechselrichter, gemessen in %, die an ein gemeinsames Anlagennetz mit einem gemeinsamen Transformator mit Stufenschalter angeschlossen sind, kann dann beispielsweise ein Mittelwert gebildet werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die gemittelte Vektorlänge ein arithmetisches Mittel aus den jeweiligen Vektorlängen der jeweiligen Wechselrichter.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die abgeleitete Vektorlänge aus den jeweiligen tiefpass-gefilterten Vektorlängen der jeweiligen Wechselrichter ermittelt. Z.

B. können die Vektorlängen und/oder das daraus gebildete Mittel, z. B. arithmetische Mittel, zusätzlich mit einer Zeitkonstante tiefpass-gefiltert werden, um einen gleitenden Mittelwert der Vektorlängen aller Wechselrichter zu erhalten. Bevorzugt ist die Zeitkonstante groß im Verhältnis zur Regelung, z. B. länger als eine Minute. Die abgeleitete Vektorlänge kann damit von einem gleitenden Mittelwert der jeweiligen Vektorlängen abhängen.

In einer Ausführungsform kann die Streuung der einzelnen Vektorlängen um den Mittelwert, z. B. den gleitenden Mittelwert ermittelt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um einen Maximalwert der aktuellen Vektorlängen zu ermitteln. Es kann vorkommen, dass diese Streuung groß ist, z. B. bei verschieden großen oder unterschiedlich betriebenen DC-Einheiten in der Energieversorgungs-Anlage. Es kann auch vorkommen, dass die Streuung innerhalb einer Anlage relativ gering ist, insbesondere wenn die Wechselrichter, die an einen gemeinsamen Transformator angeschlossen sind, homogen aufgebaut sind, d.h. vergleichbare DC-Einheiten aufweisen, die vergleichbaren Umweltbedingungen ausgesetzt sind und auch ansonsten weitgehend symmetrisch betrieben werden. Dies kann sowohl für PV- Anlagen als auch für Speicher-Anlagen sowie für Großverbraucher wie Elektrolyseure zutreffen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die AC-Sollspannung herabgesetzt, um die Vektorlängen zu reduzieren, wenn die abgeleitete Vektorlänge der Wechselrichter über einem ersten vorgebbaren Grenzwert liegt, wobei der erste Grenzwert zwischen 95% und 105%, bevorzugt zwischen 98% und 102% und ganz bevorzugt bei 99% liegt. Steigt die abgeleitete Vektorlänge weiter, wird die AC- Sollspannung weiter herabgesetzt, bis wieder eine Vektorlänge von ca. dem ersten Grenzwert erreicht wird, also z. B. von 99 % oder weniger erreicht wird. Bei einer Energieversorgungs-Anlage mit einem Wechselrichter kann statt der abgeleiteten Vektorlänge die Vektorlänge des einen Wechselrichters verwendet werden. Da die Vektorlänge grundsätzlich im Betrieb des Wechselrichters auch über 99% liegen darf, jedoch maximal 105% betragen soll, stellt der Bereich zwischen 99% und 105% eine Regelreserve dar. Diese sollte so groß sein, weil die Regelung für den Stufenschalter vergleichsweise langsam ist und sich andere Randbedingungen zwischen den Regeleingriffen schnell ändern können. Zum Beispiel könnte der Blindleistungssollwert für die Energieversorgungs-Anlage vom Netzbetreiber plötzlich angepasst werden, was bei Erzeugung der entsprechenden Blindleistung durch die Wechselrichter zu einer Änderung der AC-Spannung innerhalb der Energieversorgungs-Anlage und damit zu einer Änderung der Vektorlänge bei gegebener DC-Spannung führen kann.

Bei einer abgeleiteten Vektorlänge - oder einer Vektorlänge für einen einzelnen Wechselrichter - zwischen 97 % und 99% könnte z. B. eine Änderung der AC- Sollspannung unterbleiben. In einer Ausführungsform kann jedoch eine Änderung der AC-Sollspannung erfolgen, falls die einzelnen Vektorlängen eine große Streuung aufweisen, d.h. insbesondere falls der Maximalwert der aktuellen Vektorlängen oberhalb des ersten Grenzwertes zzgl. eines Toleranzbandes liegt, wobei das Toleranzband innerhalb der o. g. Regelreserve liegt.

Sollte die Vektorlänge der Wechselrichter nicht oder nicht direkt zur Übermittlung an den Anlagenregler zur Verfügung stehen, kann alternativ eine Effektivspannung direkt an der AC-Seite des Wechselrichters - vor oder nach einer etwaigen Glättungsdrossel - erfasst und mit der DC-Spannung an der DC-Seite des Wechselrichters ins Verhältnis gesetzt werden. Aus einer solchen Spannungserfassung können folgende Zusammenhänge ermittelt werden:

• Vektorlänge in % =100 x Effektive Leiterspannung direkt am Wechselrichter-Brückenausgang x 2/U_DC

• Vektorlänge in % = 100 x Effektive Terminalspannung an den AC Ausgängen des WR x k x 2/U_DC

U_DC ist dabei die DC-Spannung und k ist dabei ein Korrekturfaktor, der vom Strom durch die Sinusfilterdrossel abhängt. Zur Berechnung von k kann der Strom, der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung, die Induktivität der Sinusfilterdrossel und die Kapazität des Sinusfilterkondensators hinzugezogen werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die AC-Sollspannung heraufgesetzt, wenn die Vektorlänge V und/oder die abgeleitete Vektorlänge einen zweiten vorgebbaren Grenzwert erreicht, wobei der zweite Grenzwert zwischen 90% und 100%, bevorzugt zwischen 96% und 98% liegt. Bevorzugt liegt der zweite Grenzwert unterhalb des ersten Grenzwertes.

Wurde die AC-Sollspannung einmal herabgesetzt, um eine abgeleitete Vektorlänge - oder eine Vektorlänge für einen einzelnen Wechselrichter - von kleiner als dem ersten Grenzwert, z. B. 99%, zu erreichen, so wird die AC-Sollspannung erst dann wieder erhöht, wenn die abgeleitete Vektorlänge unter einen zweiten Grenzwert fällt. Der zweite Grenzwert kann z. B. zwischen 90% und 100%, bevorzugt zwischen 96% und 98%, z.B. bei ca. 97 % liegen. Je kleiner die abgeleitete Vektorlänge wird, umso weiter wird die AC-Sollspannung heraufgesetzt, um eine abgeleitete Vektorlänge von größer dem zweiten Grenzwert zu erreichen. Entsprechendes gilt für die Vektorlänge bei Energieversorgungs-Anlagen mit einem Wechselrichter. Sobald die AC- Sollspannung eine voreingestellte Maximalspannung erreicht hat und/oder die höchste Stufe des Stufenschalters erreicht ist erfolgt keine weitere Erhöhung mehr.

In einer Ausführungsform des Verfahrens hängt der Abstand zwischen erstem und zweitem Grenzwert von der Stufenbreite des Stufenschalters ab und ist insbesondere proportional zur relativen Spannungsänderung von mindestens 3 Schaltstufen des Stufenschalters. Dies ist eine mögliche Definition eines Toleranzbereichs, in dem sich die Vektorlänge bewegen kann, ohne dass es zu Schalthandlungen des Stufenschalters kommt.

Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert entspricht einer Hysteresebreite. Die Hysteresebreite kann bevorzugt so groß sein, dass sie die Spannungsänderung von mindestens 3 Schaltstufen umfasst; bei einem typischen „Abstand“ zwischen den Schaltstufe von z.B. 0,65 %.der Nominalspannung könnte die Hysteresebreite demnach z. B. mindestens 2% bezogen auf die Vektorlänge betragen. Dadurch ergibt sich ein Toleranzbereich, in dem sich die Vektorlänge bewegen kann, ohne dass es zu Schalthandlungen des Stufenschalters kommt. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die maximale Anzahl der Änderungen der AC-Sollspannung pro Zeiteinheit vorgebbar und liegt z. B. zwischen 30 und 70 Mal pro Tag, bevorzugt zwischen 40 und 60 Mal pro Tag.

Das Verfahren sollte so eingestellt sein, dass die AC-Sollspannung im Tagesmittel nicht mehr als eine vorgebbare bestimmte Anzahl, z.B. 50-mal, geändert wird und einen Schaltvorgang im Stufenschalter auslöst. Dazu kann ein adaptives Verfahren gewählt werden, dass die Schalthandlungen pro Tag zählt. Werden absehbar mehr als die vorgebbare bestimmte Anzahl, z. B. mehr als 50, Änderungen der AC- Sollspannung notwendig, kann z. B. die Zeitkonstante der gleitenden Mittelwertbildung der Vektorlänge heraufgesetzt werden. Dabei kann die Zeitkonstante begrenzt werden, z. B. auf maximal 20 Minuten. Werden an einem Tag weniger als die vorgebbare bestimmte Anzahl an Änderungen der AC-Sollspannung gezählt, so kann die Zeitkonstante der gleitenden Mittelwertbildung entsprechend reduziert werden. Ein solches adaptives Verfahren kann insbesondere mit einer Zeitkonstante im mittleren Bereich, also im Bereich von ca. der Hälfte der Begrenzung, z. B. 10 min, starten.

Eine andere Möglichkeit, die Anzahl der Zyklen zu reduzieren ist, z. B. eine Erhöhung der Hysteresebreite. Im oben beschriebenen Beispiel beträgt die Hysterese 2%. Sie kann aber auch erhöht werden, z. B. auf 3% oder mehr, wenn mehr als die vorgebbare bestimmte Anzahl von Änderungen der AC-Sollspannung pro Tag registriert werden.

Die Änderungsrate der AC-Sollspannung kann auf eine Geschwindigkeit begrenzt werden, die von der Nennspannung der Energieversorgungs-Anlage abhängt. Z. B. kann die Änderungsrate der AC-Sollspannung auf höchstens lln pro Zeiteinheit begrenzt werden, wobei lln die Nennspannung der Anlage ist und eine sinnvolle Zeiteinheit z.B. 1 Stunde ist. Zeiten zwischen zwei Schalthandlung am Stufenschalter von unter 1 Minute sollten bevorzugt vermieden werden.

Eine andere Möglichkeit, die Anzahl der Zyklen, also der Änderungen der AC- Sollspannung und damit der Schaltvorgänge am Stufenschalter, zu reduzieren ist, z. B. die Änderungsrate der AC-Sollspannung stärker zu begrenzen, beispielsweise durch Erhöhung der Zeitkonstante im obigen Beispiel auf z.B. 2 Stunden.

In einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die vorgegebene AC-Sollspannung über einem vorgebbaren Minimalwert und/oder unter einem vorgebbaren Maximalwert, wobei der Minimalwert und/oder der Maximalwert von einer Nennspannung für das AC-Anlagennetz abhängt.

Die AC-Sollspannung unterschreitet bevorzugt einen einstellbaren Minimalwert nicht. Die AC-Sollspannung überschreitet bevorzugt einen einstellbaren Maximalwert nicht. Der Minimal- und der Maximalwert liegen typischerweise innerhalb eines Toleranzbandes für die anlageninterne Netzspannung. Beispiel:

• Maximale Anlagen-Netzspannung = 110 % -> maximale AC-Sollspannung = 107 %

• Minimale Anlagen-Netzspannung = 90 % minimale AC-Sollspannung = 92 %

Diese Prozentwerte beziehen sich auf die anlageninterne Nennspannung. Eine Asymmetrie des Toleranzbandes und/oder der Minimal- und Maximalwerte relativ zur Anlagen-Nennspannung ist möglich.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Transformators in einer Energieversorgungs-Anlage, welche über den Transformator ein AC-Versorgungsnetz angeschlossen ist. Über den Transformator wird elektrische Leistung zwischen der Energieversorgungs-Anlage und dem AC-Versorgungsnetz ausgetauscht, wobei der Transformator auf einer ersten Seite an das AC- Versorgungsnetz und auf einer zweiten Seite an ein AC-Anlagennetz der Energieversorgungs-Anlage angeschlossen ist. Die Energieversorgungs-Anlage weist zumindest einen Wechselrichter auf, der elektrische Leistung zwischen einer DC-Einheit auf der DC-Seite des Wechselrichters und dem AC-Anlagennetz auf der AC-Seite Wechselrichters austauscht. Die Energieversorgungs-Anlage weist zudem einen Anlagenregler und der Transformator eine Steuereinheit auf. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: • Empfangen einer AC-Sollspannung für das AC-Anlagennetz durch die Steuereinheit des Transformators vom Anlagenregler der Energieversorgungs-Anlage,

• Anpassen des Übersetzungsverhältnisses des Transformators mittels eines Stufenschalters, so dass das Produkt aus der Spannung im AC- Versorgungsnetz und dem Übersetzungsverhältnis die AC-Sollspannung ergibt,

• wobei die AC-Sollspannung unter Verwendung zumindest eines Parameters der Leistungswandlung des zumindest einen Wechselrichters ermittelt wurde.

Wenn die Energieversorgungs-Anlage beispielsweise als PV-Anlage ausgebildet ist, indem die DC-Einheiten PV-Generatoren umfassen, können die Stellungen des Stufenschalters beispielsweise einem typischen Tageslauf der MPP- Spannung der PV-Generatoren folgen. Beispielsweise startet die PV-Anlage morgens mit einer geringen DC-Spannung und einer entsprechend möglichst kleinen AC-Spannung, um einen frühestmöglichen Start zu ermöglichen. Die MPP-Spannung und damit die DC- Spannung am Wechselrichter steigt bald nach Sonnenaufgang an, so dass die AC- Spannung erhöht werden kann, um Verluste zu minimieren. Bei hohen Temperaturen insbesondere um die Mittagszeit kann die MPP-Spannung wiederum sinken, wobei die AC-Spannung ggf. gesenkt werden kann, um dann später wieder anzusteigen und bei Sonnenuntergang einen niedrigen Wert analog zum Sonnenaufgang zu erreichen.

Wenn die Energieversorgungs-Anlage beispielsweise als Energiespeicher-Anlage ausgebildet ist, indem die DC-Einheiten Batterien umfassen, können die Stellungen des Stufenschalters beispielsweise einem Ladezustand der Batterien folgen. Beispielsweise kann bei einem niedrigen Ladezustand und entsprechend niedriger DC-Spannung mit einer möglichst kleinen AC-Spannung ge- oder entladen werden, um den Spannungsbereich der Batterie möglichst weit auszunutzen. Bei einem steigenden Ladezustand steigt auch die DC-Spannung, so dass die AC-Spannung erhöht werden kann, um Verluste zu minimieren. Wenn die Energieversorgungs-Anlage beispielsweise als Großverbraucher ausgebildet ist, indem die DC-Einheiten beispielsweise Elektrolyseure umfassen, können die Stellungen des Stufenschalters beispielsweise einer Sollleistung des Elektrolyseurs folgen, die anhand der DC-Spannung eingestellt werden kann. Beispielsweise kann der Wechselrichter den Elektrolyseur bei einer niedrigen Sollleistung und entsprechend niedriger DC-Spannung aus einer möglichst kleinen AC-Spannung versorgen, um den Leistungsbereich des Elektrolyseurs möglichst weit auszunutzen. Eine hohe Sollleistung des Elektrolyseurs erfordert eine entsprechend hohe DC-Spannung, die der Wechselrichter auch aus einer hohen AC-Spannung erzeugen kann, so dass die AC-Spannung erhöht werden kann, insbesondere um Verluste zu minimieren.

Neben den Eigenschaften der DC-Einheit kann der Betrieb des Wechselrichters selbst die AC-Spannung in der Energieversorgungs-Anlage beeinflussen, Insbesondere kann eine vom Wechselrichter erzeugte Blindleistung aufgrund induktiver Eigenschaften der Installationen der Energieversorgungs-Anlage zu einer Änderung der AC-Spannung führen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann diese Einflüsse berücksichtigen, indem der Parameter der Leistungswandlung von der AC- Spannung am Ausgang des Wechselrichters abhängt, und insofern beispielsweise einen Betrieb mit spannungserhöhender Blindleistung im übererregten Bereich ermöglichen, indem die AC-Spannung anhand der Vorgabe einer geeignet gesenkten AC-Sollspannung reduziert wird.

Der Stufenschalter des Transformators stellt das Übersetzungsverhältnis anhand der AC-Sollspannung und der AC-Spannung im AC-Versorgungsnetz ein. Dabei ändert sich das Übersetzungsverhältnis bei gegebener AC-Sollspannung, wenn sich die Spannung im AC-Versorgungsnetz ändert. Bei gegebener Spannung im AC- Versorgungsnetz ändert sich das Übersetzungsverhältnis durch Änderung der AC- Sollspannung. Insofern ist die Übermittlung der AC-Sollspannung an den Transformator geeignet, über den Stufenschalter des Transformators das Übersetzungsverhältnis zu ändern und so die AC-Spannung in der Energieversorgungs-Anlage optimal anzupassen. Der Transformator ist beispielsweise ein Hochvolt-Transformator, z. B. ein 120 MVA Transformator. Im Transformator der Energieversorgungs-Anlage, der zwischen einem Wechselrichter der Energieversorgungs-Anlage und einem übergeordneten AC- Versorgungsnetz angeordnet ist, ist der Stufenschalter eingebaut, der das Übersetzungsverhältnis des Transformators in beispielsweise 31 Stufen ändern kann. Damit kann die anlagenseitige Spannung bei gegebener AC-Spannung im Versorgungsnetz in einem Änderungsbereich von beispielsweise +/-10 % (0,65 % pro Stufe) geändert werden. Es können auch größere Änderungsbereiche bis +/-20 % vorkommen. Dabei kann die Mitte des Änderungsbereichs einer Nennspannung entsprechen, so dass Änderungen symmetrisch um den gleichen Betrag möglich sind, oder von einer Nennspannung abweichen, so dass der Änderungsbereich unsymmetrisch um die Nennspannung liegt (z.B. +15%, -5%).

In einer Ausführungsform kann der Transformator und/oder sein Stufenschalter bzw. dessen Steuereinheit kommunikativ, insbesondere über einen Feldbus angesteuert werden und auf diesem Wege mit der AC-Sollspannung versorgt werden.

Die Regelung des Transformators für den Stufenschalter kann dazu genutzt werden, den Einsatz von Zentralwechselrichtern mit hoher Leistung im Megawatt-Bereich bei hohen AC-Spannungen, die ggf. durch Einspeisung von Blindleistung durch den Wechselrichter selbst beeinflusst ist, und gleichzeitig zumindest zeitweise niedrigen DC-Spannungen besonderes effizient zu gestalten.

In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der zumindest eine Parameter eine Vektorlänge, so dass eine Änderung der Spannung auf der DC-Seite und/oder eine Änderung der eingespeisten Scheinleistung des zumindest einen Wechselrichters eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators bewirkt.

In einer Ausführungsform des Verfahrens bewirkt eine Änderung der Blindleistung des zumindest einen Wechselrichters eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators. Dies wird bevorzugt durch eine Änderung der AC-Sollspannung in Reaktion auf eine Änderung der Blindleistung des Wechselrichters bzw. der daraus folgenden Änderung der Vektorlänge erreicht. Die Vektorlänge beträgt per Definition genau 100 %, wenn die Phasorspannung des Wechselrichters, d.h. der Betrag des rotierenden Phasenvektors der AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichter, genau der eingestellten DC-Spannung entspricht, insbesondere sofern keine Blindleistung vom Wechselrichter erzeugt wird.

Ein wichtiger Vorteil bei der Verwendung der Vektorlänge als Parameter oder Bestandteil des Parameters ist, dass auf eine aufwändige Erfassung aller möglichen einzelnen Einflussgrößen verzichtet werden kann. Die Vektorlänge ist ein Wert, der besondere vorteilhaft verwendet werden kann, da sie in der Regel ohne weiteres verfügbar ist und bereits die meisten, wenn nicht alle relevanten Einflussgrößen für die optimale Regelung des Stufenschalters inhärent umfasst.

In einer Ausführungsform kann alternativ oder zusätzlich zur Übermittlung der AC- Sollspannung an die Steuereinheit des Stufenschalters auch direkt auf den Stufenschalter zugegriffen werden, so dass anstatt der AC-Sollspannung beispielsweise das Übersetzungsverhältnis selbst als Stellgröße verwendet werden kann. Dann könnte der Anlagenregler alternativ oder zusätzlich zu der Steuerung der Wechselrichter auch die Steuerung des Stufenschalters übernehmen. Insbesondere kann der Anlagenregler dann auch auf etwaige Änderungen der Netzspannung im übergeordneten AC-Versorgungsnetz reagieren, wobei die Netzspannung im AC- Versorgungsnetz beispielsweise durch eine AC-Strommessung am Netzanschlusspunkt verfügbar gemacht werden kann. Der Anlagenregler kann dann auch alternativ oder zusätzlich zur Steuerung des Transformators Sicherheitsfunktionen, bestimmte Schaltreihenfolgen, Verzögerungen usw. realisieren. Damit kann der Anlagenregler auch zumindest teilweise Funktionen einer weitgehend autarken Steuereinheit des Transformators übernehmen.

Eine Energieversorgungs-Anlage ist über einen Transformator an ein AC- Versorgungsnetz angeschlossen, wobei der Transformator auf einer ersten Seite an das AC-Versorgungsnetz und auf einer zweiten Seite an ein AC-Anlagennetz der Energieversorgungs-Anlage angeschlossen ist. Die Energieversorgungs-Anlage weist zumindest einen Wechselrichter auf, der auf einer DC-Seite mit einer DC- Einheit und auf einer AC-Seite mit dem AC-Anlagennetz verbunden ist. Ein Anlagenregler für eine solche Energieversorgungs-Anlage ist eingerichtet: • zumindest einen Betriebsparameter des zumindest einen Wechselrichters zu empfangen,

• anhand des Betriebsparameters eine AC-Sollspannung für das AC- Anlagennetz festzulegen,

• die ermittelte AC-Sollspannung an den Transformator zu übermitteln, um ein Übersetzungsverhältnis des Transformators mittels eines Stufenschalters derart einzustellen, dass das Produkt aus der Spannung im AC-Versorgungsnetz und dem Übersetzungsverhältnis die AC- Sollspannung ergibt.

Bevorzugt wird die AC-Sollspannung für das AC-Anlagennetz derart festgelegt, dass im Betrieb der Anlage eine möglichst hohe AC-Spannung auf dem AC-Anlagennetz erreicht werden kann.

Eine Energieversorgungs-Anlage weist einen Transformator, ein AC-Anlagennetz, zumindest einen Wechselrichter und zumindest eine DC-Einheit auf, wobei die Energieversorgungs-Anlage einen Anlagenregler aufweist, der zur Durchführung des obigen Verfahrens eingerichtet ist.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Anmeldung mithilfe von Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb einer Energieversorgungs-Anlage;

Fig. 2 zeigt schematisch eine Energieversorgungs-Anlage;

Fig. 3 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe verschiedener Größen in einer Energieversorgungs-Anlage.

Figurenbeschreibung

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Energieversorgungs-Anlage (10, siehe Fig. 2) dargestellt. Die Energieversorgungs- Anlage 10 weist einen Transformator 14 mit einem Stufenschalter 16, ein AC- Anlagennetz 18 und zwei Wechselrichter 22, 24 auf. Die Energieversorgungs-Anlage 10 weist weiter einen Anlagenregler 20 auf, der kommunikativ, z. B. über einen Feldbus 30, mit den Wechselrichtern 22, 24 und mit dem Transformator 14 bzw. mit dem Stufenschalter 16 des Transformators 14 (oder dessen nicht dargestellten Steuerung des Stufenschalters 16) verbunden ist. Die Energieversorgungs-Anlage 10 ist über den Transformator 14 an ein AC-Versorgungsnetz 12 angeschlossen.

In einem Schritt S1 empfängt der Anlagenregler 20 der Energieversorgungs-Anlage 10 jeweils eine Vektorlänge V des jeweiligen Wechselrichters 22, 24. In einem Schritt S2 legt der Anlagenregler 20 eine AC-Sollspannung für das AC-Anlagennetz 18 in Abhängigkeit von einer von den Vektorlängen V abgeleiteten Vektorlänge fest. In einem Schritt S3 übermittelt der Anlagenregler 20 die AC-Sollspannung an den Transformator 14, wobei der Stufenschalter 16 des Transformators 14 eingerichtet ist, ein Übersetzungsverhältnis T derart einzustellen, dass das Produkt aus der Spannung im AC-Versorgungsnetz 12 und dem Übersetzungsverhältnis T die AC- Sollspannung ergibt. In einem Schritt S4 stellt der Stufenschalter 16 das Übersetzungsverhältnis T entsprechend ein.

Bei dem Verfahren übermittelt der Anlagenregler 20 in Schritt S3 eine AC- Sollspannung an den Stufenschalter 16. Die eigentlichen Stellsignale, d.h. das Einstellen bzw. Ändern des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 14, erfolgt durch den Stufenschalter 16 oder eine Steuerung des Transformators 14, die den Stufenschalter 16 ansteuert.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Energieversorgungs-Anlage 10 mit dem Anlagenregler 20, der kommunikativ über eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsstruktur, z. B. über den Feldbus 30, mit den Wechselrichtern 22, 24 verbunden ist.

Über den Transformator 14 tauscht die Energieversorgungs-Anlage 10 elektrische Leistung mit dem AC-Versorgungsnetz 12 aus, wobei der Transformator 14 auf einer ersten Seite an das AC-Versorgungsnetz 12 und auf einer zweiten Seite an das AC- Anlagennetz 18 der Energieversorgungs-Anlage 10 angeschlossen ist. Über den Stufenschalter 16 kann das Übersetzungsverhältnis des Transformators 14 eingestellt werden. Der Transformator 14 weist weiter eine Steuerung auf, über die der Stufenschalter 16 angesteuert werden kann. Die Energieversorgungs-Anlage 10 weist zwei Wechselrichter 22, 24 auf, die elektrische Leistung zwischen jeweils einem PV-String 26, 28 auf der DC-Seite des Wechselrichters 22, 24 und dem AC- Anlagennetz 18 auf der AC-Seite des Wechselrichters 22, 24 austauschen.

Die dargestellten PV-Strings 26, 28 sind Beispiele für DC-Einheiten in einer Energieversorgungs-Anlage 10 und können ohne weiteres durch Speicher, z. B. Batterien, oder durch Lasten, z. B. Elektrolyseure ersetzt werden. Dazu sind keine wesentlichen Änderungen erforderlich, weder an den Wechselrichtern 22, 24 noch an dem oben beschriebenen Verfahrens.

Die Steuerung des Transformators 14 ist eingerichtet, die AC-Sollspannung für das AC-Anlagennetz 18 vom Anlagenregler 20 der Energieversorgungs-Anlage 10 zu empfangen. Die Steuerung des Transformators 14 ist weiter eingerichtet, das Übersetzungsverhältnis des Transformators 14 mittels des Stufenschalters 16 so anzupassen, dass das Produkt aus der Spannung im AC-Versorgungsnetz 12 und dem Übersetzungsverhältnis die AC-Sollspannung ergibt.

Wird die vorgegebene AC-Sollspannung deutlich geändert und/oder ändert sich die Spannung im AC-Versorgungsnetz 12 stark, so wird innerhalb des Stufenschalters 16 dafür gesorgt, dass mehrere Stufen kurz nacheinander geschaltet werden, um die Stufe zu erreichen, bei der die anlagenseitig am Transformator 14 anliegende Spannung der AC-Sollspannung entspricht. Dabei muss die anlagenseitige Spannung am Transformator 14 nicht explizit gemessen oder ermittelt werden; vielmehr kann der Stufenschalter 16 so eingestellt werden, dass das Produkt aus (gemessener) Spannung im AC-Versorgungsnetz 12 und Übersetzungsverhältnis T die AC-Sollspannung ergibt. Dadurch werden Änderungen der Spannung im AC- Versorgungsnetz 12 kompensiert; gleichzeitig wird jedoch vernachlässigt, dass dieses Produkt in der Regel ungleich der anlagenseitigen Spannung am Transformator 14 und erst recht ungleich der Spannungen an entfernten Punkten innerhalb der Energieversorgungs-Anlage 10 sein kann. Derartige Abweichungen treten insbesondere aufgrund resistiver und induktiver Effekte bei hohen Wirk- und Blindleistungen in der Energieversorgungs-Anlage 10 auf und werden im Verfahren berücksichtigt, indem das Übersetzungsverhältnis T mittels der AC-Sollspannung eingestellt wird, wobei die AC-Sollspannung vom Anlagenregler 20 unter Verwendung der von den jeweiligen Vektorlängen V der Wechselrichter 22, 24 abgeleiteten Vektorlänge ermittelt wird.

Wenn beispielsweise die abgeleitete Vektorlänge außerhalb eines gewünschten Bereiches liegt, insbesondere wenn sie einen oberen Grenzwert erreicht, werden im Transformator 14 neue Sollwerte für den Stufenschalter 16 erzeugt. Falls diese Sollwerte durch den Stufenschalter 16 nicht oder nur verzögert umgesetzt werden können, z.B. aufgrund einer Überhitzung oder eines Defekts im Stufenschalter 16, wird ein entsprechendes Rückmeldesignal vom Stufenschalter 16 erzeugt und an den Anlagenregler 20 übermittelt. Der Anlagenregler 20 kann dann ggf. die Wirk- und Blindleistungssollwerte für den oder die Wechselrichter 22, 24 anpassen, um die Vektorlänge V auf andere Art zu ändern, insbesondere zu reduzieren und auf eine maximale Vektorlänge von z.B. 99% zu begrenzen.

Der Wechselrichter 22, 24 weist eine Brückenschaltung auf, in der insbesondere durch getaktete Ansteuerung von Halbleiterschaltern AC-seitiger Wechselstrom - oder AC-seitige Wechselspannung - in DC-seitigen Gleichstrom - oder DC-seitige Gleichspannung - oder umgekehrt gewandelt wird. Der Wechselrichter 22, 24 stellt AC-seitig der Brückenschaltung eine „zerhackte“ DC-Spannung bereit, die an einer Induktivität, beispielsweise einer Drossel eines Ausgangsfilters des Wechselrichters 22, 24 anliegt, während auf der anderen Seite, also „hinter“ der Drossel die AC- Spannung des AC-Anlagennetzes anliegt. Es entsteht ein normgerecht sinusförmiger AC-Strom, der der AC-Spannung folgt, wenn der momentane Mittelwert der zerhackten DC-Spannung jederzeit höher ist als die momentane AC-Spannung hinter der Drossel. Der Wechselrichter 22, 24 stellt damit AC-seitig seiner Brückenschaltung eine AC-Spannung als pulsweitenmodulierte DC-Spannung ein. Damit dies insbesondere mit Wechselrichtern mit DC-seitigen Spannungszwischenkreisen und herkömmlichen Brückenschaltungen geregelt funktioniert, so dass eine einstellbare Wirkleistung zwischen DC-Einheit 26, 28 und AC-Anlagennetz 18 ausgetauscht wird, sollte die DC-seitige DC-Spannung mindestens so hoch wie der Kuppenwert der AC-Netzspannung des AC- Anlagennetzes 18 sein. Dies entspricht einer Vektorlänge V von 100%. Zur Erzeugung von Blindleistung muss die DC-Spannung im Verhältnis zum Kuppenwert der AC-Spannung auf dem AC-Anlagennetz 18 aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung u. II. sogar noch höher sein. Durch geeignete Auslegung der Drossel und/oder mittels spezieller Modulationsverfahrens kann ein Wechselrichter 22, 24 insbesondere in dreiphasigen Netzen auch mit Vektorlängen V größer 100% geregelt betrieben werden. Der Arbeitsbereich mit Vektorlängen V größer 100% wird hier als sogenannte Regelreserve verwendet.

Die aktuelle Vektorlänge V im Betrieb eines Wechselrichters 22, 24 wird insbesondere beeinflusst durch:

- die momentane DC-Spannung auf seiner DC-Seite, welche veränderlich ist,

- die momentane Scheinleistung in der Energieversorgungs-Anlage 10, aufgeteilt in Wirkleistung und Blindleistung, welche beide veränderlich sind,

- die Anzahl der Wechselrichter 22, 24 an demselben Transformator 14 und die Impedanzen zwischen Wechselrichter 22, 24 und dem Netzanschlusspunkt an das AC-Versorgungsnetz 12; diese Faktoren sind in der Regel anlagenspezifisch und insofern weitgehend konstant, sofern alle Wechselrichter 22, 24 regulär in Betrieb sind.

Die Blindleistung beeinflusst die Vektorlänge V sowohl direkt am jeweiligen Wechselrichter 22, 24 (höhere Blindleistung = höherer Strom = längerer Phasenvektor = größere Vektorlänge V), als auch indirekt durch ihren Einfluss auf die Spannungen entlang der Installationen in der Energieversorgungs-Anlage 10. Die resultierende induktive Entkopplungsimpedanz zwischen den Klemmen der Brückenschaltung des Wechselrichters 22, 24 und dem Netzanschlusspunkt umfasst dabei eine AC-Drossel im Wechselrichter 22, 24, die Induktivität des Transformators 14 mit dem Stufenschalter 16, die Induktivitäten der ausgedehnten AC-Leitungen des AC-Anlagennetzes 18, sowie z. B. weitere zwischengeschaltete Transformatoren. Insbesondere im übererregten Betrieb bewirkt die Blindleistung eine Spannungsanhebung und insbesondere aufgrund der Induktivität des Transformators 14 eine Anhebung der anlagenseitigen AC-Spannung am Transformator 14. In Fig. 3 sind Zeitverläufe für eine Vektorlänge V, eine DC-Spannung U_DC auf der DC-Seite eines Wechselrichters 22, 24, eine vom Wechselrichter erzeugten Blindleistung Q und das Übersetzungsverhältnis T des Transformators 14 dargestellt.

Die Vektorlänge V kann die Vektorlänge eines der Wechselrichters 22, 24 oder die aus den Vektorlängen der Wechselrichter 22, 24 abgeleitete Vektorlänge darstellen, sofern die Wechselrichter 22, 24 weitgehend äquivalent betrieben werden. Die DC- Spannung U_DC kann die DC-Spannung einer der DC-Einheiten 26, 28 oder einen Mittelwert der DC-Spannungen der DC-Einheiten 26, 28 darstellen, sofern die DC- Einheiten 26, 28 weitgehend homogen aufgebaut sind. Die Blindleistung Q kann einen Vorgabewert darstellen, der am Netzanschlusspunkt der Energieerzeugungs- Anlage eingestellt wird. Das Übersetzungsverhältnis T verhält sich reziprok proportional zur resultierenden AC-Sollspannung, indem eine niedrige AC- Sollspannung bei gegebener und konstanter Spannung im AC-Versorgungsnetz 12 ein hohes Übersetzungsverhältnis T erfordert und umgekehrt.

Zum Zeitpunkt t1 ist die Spannung U_DC zu gering, so dass noch keiner der Wechselrichter 22, 24 in Betrieb ist. Die Vektorlänge V ist daher gestrichelt dargestellt, da sie nur aus der DC- und der AC-Spannung abgeschätzt werden kann, tatsächlich jedoch mangels laufender Regelung noch nicht als Parameter vorliegt. Das Übersetzungsverhältnis T ist auf den maximal mögliche Wert n _ma x eingestellt. Dadurch ist die AC-Spannung im Anlagennetz 18 so niedrig wie möglich, um ein Anfahren der Wechselrichter 22, 24 bei einer möglichst niedrigen DC-Spannung U_DC zu ermöglichen.

Zum Zeitpunkt t2 hat die DC-Spannung einen Wert erreicht, der zum Betrieb der Wechselrichter 22, 24 ausreicht. Aufgrund des hohen Übersetzungsverhältnisses T=n _m ax unterschreitet die Vektorlänge bei t2 den unteren Grenzwert bei 97%. Daraufhin kann der Anlagenregler 20 die AC-Sollspannung anheben, so dass der Stufenschalter 16 das Übersetzungsverhältnis T des Transformators 14 reduziert. Aufgrund der weiter steigenden DC-Spannung U_DC wiederholt sich dieser Vorgang bis zum Zeitpunkt t3 noch zweimal. Zwischen t3 und t4 ist ein relativ niedriges Übersetzungsverhältnis T eingestellt, d.h. die AC-Spannung im Anlagennetz 18 ist relativ hoch. Die DC-Spannung U_DC weist leichte Schwankungen auf, die jedoch so gering sind, dass die Vektorlänge V sich zwischen dem unteren Grenzwert bei 97% und dem oberen Grenzwert von 99% bewegt.

Zum Zeitpunkt t4 ist die DC-Spannung U_DC soweit gesunken, dass die Vektorlänge V den oberen Grenzwert bei 99% überschreitet. Daraufhin senkt der Anlagenregler 20 die AC-Sollspannung, so dass der Stufenschalter 16 das Übersetzungsverhältnis T des Transformators 14 anhebt. Dies wiederholt sich kurz nach t4 nochmals aufgrund der etwas weiter sinkenden DC-Spannung U_DC.

Zum Zeitpunkt t5 ändert sich die Blindleistung Q sprunghaft. Dies kann beispielsweise aufgrund der Umsetzung einer verbindlichen Anforderung von Blindleistung durch einen Netzbetreiber oder durch eine Reaktion der Energieerzeugungs-Anlage 10 auf einen Netzfehler im AC-Versorgungsnetz 12 ausgelöst sein. Im Beispiel gemäß Fig. 3 führt die Erzeugung der Blindleistung durch die Wechselrichter 22, 24 zu einer Senkung der AC-Spannung im Anlagennetz 18, woraufhin auch die Vektorlänge V sinkt und den unteren Grenzwert von 97% unterschreitet. In der Folge kann die AC-Sollspannung erhöht und entsprechend das Übersetzungsverhältnis T gesenkt werden; dies geschieht in Fig. 3 mit einem gewissen Zeitverzug, womit erreicht werden kann, dass die Anzahl der Schalthandlungen begrenzt wird, indem beispielsweise ein Einschwingen der Regelung abgewartet wird, um unnötige Schalthandlungen aufgrund vorübergehender Effekte zu vermeiden. Der Zeitverzug bis zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses T ist zudem unkritisch, da eine niedrige Vektorlänge lediglich unnötige Verluste verursacht. Nach der Änderung des Übersetzungsverhältnis T liegt die Vektorlänge V zunächst konstant bei knapp 99%.

Zum Zeitpunkt t6 ändert sich die Blindleistung Q in entgegengesetzter Richtung, was in diesem Beispiel zu einer Erhöhung der AC-Spannung im Anlagennetz 18 führt. Entsprechend steigt auch die Vektorlänge V und erreicht zunächst einen Wert oberhalb des oberen Grenzwerts von 99%. Dies ist in gewissem Maße und für eine gewisse Zeit unkritisch, indem die Wechselrichter 22, 24 grundsätzlich auch innerhalb einer gewissen Regelreserve mit Vektorlängen bis zu ca. 105% betreibbar sind. Zum Zeitpunkt t7 steigt die Vektorlänge V jedoch aufgrund einer nochmaligen Änderung der Blindleistung Q nochmals deutlich an, so dass der Anlagenregler 20 unmittelbar reagiert und die AC-Sollspannung deutlich absenkt, so dass das Übersetzungsverhältnis T entsprechend erhöht wird, um die Vektorlänge V unterhalb des oberen Grenzwertes von 99% zu halten.

Zum Zeitpunkt t8 wird die Blindleistung auf null eingestellt, so dass die AC-Spannung im Anlagennetz wieder sinkt und die Vektorlänge entsprechend unter den unteren Grenzwert von 97% fällt. Daraufhin wird ggf. mit einem gewissen Zeitverzug auch das Übersetzungsverhältnis T reduziert, um die AC-Spannung im erlaubten Rahmen zu erhöhen und dadurch insbesondere Verluste zu verringern.

Zum Zeitpunkt t9 sinkt die DC-Spannung U_DC kontinuierlich ab und erreicht zum Zeitpunkt t10 einen derart niedrigen Wert, dass die Wechselrichter 22, 24 nicht mehr betrieben werden können und abschalten (umgekehrt zum Einschalten zum Zeitpunkt t2). Durch das Abfallen der DC-Spannung zwischen t9 und t10 steigt die Vektorlänge V kontinuierlich an und wird mehrfach durch Erhöhen des Übersetzungsverhältnisses T unter den oberen Grenzwert von 99% zurückgesetzt, bis das maximale Übersetzungsverhältnis n _ma x erreicht ist und dem weiteren Anstieg der Vektorlänge nicht mehr entgegengewirkt werden kann.

Die in Fig. 3 dargestellten Zeitverläufe sind beispielhaft zu verstehen und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich können solche oder ähnliche Verläufe in Energieversorgungs-Anlagen auftreten, die DC-Einheiten in Form von PV- Generatoren, Energiespeichern und/oder Verbrauchern aufweisen. Insbesondere kann Fig. 3 einen typischen Tagesablauf einer PV-Anlage veranschaulichen, bei der die MPP-Spannung - und damit die DC-Spannung - einen steilen Anstieg bei Sonnenaufgang und einen - etwas weniger - steilen Abfall bei Sonnenuntergang aufweist und dazwischen weitgehend konstant ist, jedoch beispielsweise aufgrund variierender Temperaturen noch variieren kann.

Konkret können die Zeitabläufe im Zeitraum t1 bis t3 beispielsweise das Verhalten einer PV-Anlage bei Sonnenaufgang oder auch das Aufladen und Starten eines Elektrolyseurs veranschaulichen. Das Verhalten im Zeitraum t3 bis t5 kann insbesondere bei einer PV-Anlage auftreten, die beispielsweise schwankenden Temperaturen ausgesetzt ist. Im Zeitraum t5 bis t8 ist das Verhalten hauptsächlich durch äußere Einflüsse beeinflusst, insbesondere durch Blindleistungs-Vorgaben, und kann insofern bei Energieversorgungs-Anlagen mit allen Arten von DC-Einheiten auftreten. Die Zeitverläufe im Zeitraum t9 bis t10 sind insbesondere typisch für PV- Anlagen bei Sonnenuntergang oder auch für Energiespeicher-Anlagen bei hoher Entladeleistung.

Durch das Verfahren wird erreicht, dass die AC-Spannung so hoch wie möglich gehalten wird und nur dann gesenkt wird, wenn es unbedingt nötig ist, also insbesondere wenn der Wechselrichter aus einer gegebenen DC-Spannung keine geregelte AC-Spannung erzeugen kann, die eine Einspeisung aus der DC-Einheit (PV, Speicher u.ä.) ins AC-Netz bewirkt, bzw. umgekehrt, wenn aus einer gegebenen AC-Spannung keine geregelte DC-Spannung erzeugt werden kann, die eine Einspeisung in die DC-Last (Speicher, Elektrolyse u.ä,) bewirkt.

Bezuqszeichenliste

10 PV-Anlage

12 AC-Versorgungsnetz

14 Transformator

16 Stufenschalter

18 AC-Anlagennetz

20 Anlagenregler

22 Wechselrichter

24 Wechselrichter

26 PV-String

28 PV-String

30 Datenbus

S1 , S2, S3, S4 Verfahrensschritte

Q Scheinleistung

T Übersetzungsverhältnis

U_DC Spannung auf DC-Seite

V Vektorlänge t1 - 110 Zeitpunkte