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Title:
METHOD FOR OPERATING AN INVERTER SYSTEM AND INVERTER SYSTEM WORKING ACCORDING TO SAID METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/182152
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating an inverter system (12) and to a corresponding inverter system (12), comprising an inverter (10), a network filter (20) and a return path (30) from the network filter (20) to the inverter (10). Values are determined using the data unit (22), a value spectra of the determined measurement values being determined using an evaluation unit (24), the value spectra being compared to a predetermined or predefinable limit spectrum using an assessment unit (26), and a switching frequency of the inverter (10) can be adapted and is adapted when in operation in accordance with the result of the comparison using an adapter unit (28) downstream of the data unit (22), the evaluation unit (24) and the assessment unit (26) in the return path (30).

Inventors:
BENESCH, Norbert (Friedhofstr. 5b, Heroldsberg, 90562, DE)
WEIS, Benno (Amselstraße 8, Hemhofen, 91334, DE)
Application Number:
EP2017/052852
Publication Date:
October 26, 2017
Filing Date:
February 09, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M1/12
Domestic Patent References:
WO2014033331A22014-03-06
WO2008028794A12008-03-13
Foreign References:
DE102009049820A12011-04-21
US20130033907A12013-02-07
DE102008018497A12009-10-22
JP2015130752A2015-07-16
DE102009049820A12011-04-21
Other References:
BO CAO ET AL: "A variable switching frequency algorithm to improve the total efficiency of single-phase grid-connected inverters", APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION (APEC), 2013 TWENTY-EIGHTH ANNUAL IEEE, IEEE, 17 March 2013 (2013-03-17), pages 2310 - 2315, XP032410652, ISBN: 978-1-4673-4354-1, DOI: 10.1109/APEC.2013.6520617
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems (12), welches einen Wechselrichter (10), einen Netzfilter (20) und einen Rückführzweig (30) vom Netzfilter (20) zum Wechselrichter (10) umfasst,

wobei der Rückführzweig (30) eine Dateneinheit (22), eine Auswertungseinheit (24), eine Bewertungseinheit (26) und eine Anpassungseinheit (28) umfasst,

wobei mittels der Dateneinheit (22) Werte an einem netz- seitigen Anschlusspunkt (18) des Wechselrichters (10) be¬ stimmt werden,

wobei mittels der im Rückführzweig (30) der Dateneinheit (22) nachfolgenden Auswertungseinheit (24) ein Betragsspek- trum der Werte ermittelt wird,

wobei mittels der im Rückführzweig (30) der Auswertungs¬ einheit (24) nachfolgenden Bewertungseinheit (26) das

Betragsspektrum mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren

Grenzspektrum verglichen wird und

wobei mittels der im Rückführzweig (30) der Bewertungsein¬ heit (26) nachfolgenden Anpassungseinheit (28) in Abhängig¬ keit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schaltfrequenz des Wechselrichters (10) angepasst wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mittels der Dateneinheit (22) Spannungs- und/oder Strommesswerte am Netzfilter (20) aufgenommen werden und mittels der Auswertungseinheit (24) als Betragsspektrum ein Spannungs-, Strom- oder Leistungsspektrum ermittelt wird und dieses mittels der Bewertungsein- heit (26) mit einem entsprechenden Grenzspektrum verglichen wird .

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels der Bewertungseinheit (26) eine relative Gesamtstör- Spannung und/oder ein Gesamtstörstrom und/oder eine Gesamtstörleistung ermittelt wird und diese bzw. dieser zusätzlich zum Vergleich des Betragsspektrums mit dem Grenzspektrum bei der Anpassung der Schaltfrequenz des Wechselrichters (10) berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erfassung der Messwerte mittels der Datenerfassungseinheit (22) während einer Betriebssituation erfolgt, bei wel¬ cher der Wechselrichter (10) nicht schaltet, und wobei die mittels der Anpassungseinheit (28) angepasste Schaltfrequenz verwendet wird, sobald die Betriebssituation, bei welcher der Wechselrichter (10) nicht schaltet, beendet ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine minimal mögliche Schaltfrequenz vorausberechnet und als Basis für die Anpassung der Schaltfrequenz anhand des Ver- gleichs des Betragsspektrums und des Grenzspektrums verwendet wird .

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei oberhalb einer für den Wechselrichter (10) festgelegten Be- messungsschaltfrequenz eine Schrittweite für eine Anpassung der Schaltfrequenz zu einer höheren Schaltfrequenz kleiner gewählt wird als die Schrittweite für eine Anpassung zu einer geringeren Schaltfrequenz. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei unterhalb einer für den Wechselrichter (10) festgelegten Bemessungsschaltfrequenz eine Schrittweite für eine Anpassung der Schaltfrequenz zu einer höheren Schaltfrequenz größer gewählt wird als die Schrittweite für eine Anpassung zu einer geringeren Schaltfrequenz.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Unterschied zwischen der Schrittweite zur Erhöhung der Schaltfrequenz und der Schrittweite zur Reduzierung der Schaltfrequenz mit zu- nehmendem Abstand von der für den Wechselrichter (10) festgelegten Bemessungsschaltfrequenz zunimmt.

9. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems (12), welches einen Wechselrichter (10), einen Netzfilter (20) und in einem Rückführzweig (30) vom Netzfilter (20) zum Wechsel¬ richter (10) eine Dateneinheit (22) und/oder eine Anpassungs¬ einheit (28) umfasst,

wobei mittels der Daten- und/oder Anpassungseinheit (22, 28) Werte an einem netzseitigen Anschlusspunkt (18) des Wech¬ selrichters (10) bestimmt werden,

wobei auf Basis der bestimmten Werte ein Verlauf einer Emissionskurve geschätzt wird,

wobei die geschätzte Emissionskurve mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzspektrum verglichen wird und

wobei in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schaltfrequenz des Wechselrichters (10) angepasst wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schätzung der Emissionskurve iterativ mit einer um eine vorgegebene oder vor¬ gebbare Schrittweite erhöhten Schaltfrequenz wiederholt wird, bis alle durch das Grenzspektrum definierten Grenzwerte eingehalten werden, wenn bei einem Ergebnis des Vergleichs der Emissionskurve mit dem Grenzspektrum eine Verletzung zumindest eines durch das Grenzspektrum definierten Grenzwerts resultiert .

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Schätzung des Verlaufs der Emissionskurve auf Basis der zum Analyse¬ zeitpunkt vorliegenden frequenzabhängigen Netzimpedanz erfolgt .

12. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der vorangehenden Ansprüche durchzuführen, wenn das Computerprogramm mittels einer Steuereinheit (34) des Wechselrichters (10) ausgeführt wird.

13. Wechselrichtersystem (12) mit einem Wechselrichter (10) und einem Netzfilter (20) und einem Rückführzweig (30) vom Netzfilter (20) zum Wechselrichter (10),

wobei der Rückführzweig (30) eine Dateneinheit (22), eine Auswertungseinheit (24), eine Bewertungseinheit (26) und eine Anpassungseinheit (28) umfasst,

wobei mittels der Dateneinheit (22) Werte an einem netz- seitigen Anschlusspunkt (18) des Wechselrichters (10) be- stimmbar sind,

wobei mittels der im Rückführzweig (30) der Dateneinheit (22) nachfolgenden Auswertungseinheit (24) ein Betragsspektrum der erfassten Messwerte ermittelbar ist,

wobei mittels der im Rückführzweig (30) der Auswertungs- einheit (24) nachfolgenden Bewertungseinheit (26) das

Betragsspektrum mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren

Grenzspektrum vergleichbar ist und

wobei mittels der im Rückführzweig (30) der Bewertungsein¬ heit (26) nachfolgenden Anpassungseinheit (28) in Abhängig- keit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schaltfrequenz des Wechselrichters (10) anpassbar ist.

14. Wechselrichtersystem (12) mit einem Wechselrichter (10), einem Netzfilter (20) und einem Rückführzweig (30) vom Netz- filter (20) zum Wechselrichter (10),

wobei der Rückführzweig (30) eine Dateneinheit (22) und/oder eine Anpassungseinheit (28) umfasst,

wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit (22, 28) Werte an einem netzseitigen Anschlusspunkt (18) des Wechsel- richters (10) bestimmbar sind,

wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit (22, 28) auf Basis der bestimmten Werte ein geschätzter Verlauf einer Emissionskurve ermittelbar ist,

wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit (22, 28) die geschätzte Emissionskurve mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzspektrum vergleichbar ist und

wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit (22, 28) in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schaltfre¬ quenz des Wechselrichters (10) anpassbar ist.

15. Wechselrichtersystem (12) nach Anspruch 13 mit Mitteln, insbesondere einem Computerprogramm nach Anspruch 12, zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der An- Sprüche 2 bis 8 oder Wechselrichtersystem (12) nach Anspruch 14 mit Mitteln, insbesondere einem Computerprogramm nach Anspruch 12, zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11.

Description:
Beschreibung

Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems und nach dem Verfahren arbeitendes Wechselrichtersystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems sowie ein nach dem Verfahren arbeitendes Wechselrichtersystem. Als Wechselrichtersystem wird dabei ein Netzwechselrichter zusammen mit einem netzseitig vorgeschal- teten Netzfilter aufgefasst.

Aktive Netzwechselrichter dienen typischerweise zum Energie ¬ austausch zwischen einem jeweiligen AC-Netz und einem DC- Zwischenkreis . Sie sind daher von großer Bedeutung sowohl für Antriebssysteme, wobei Motor-Wechselrichter die geregelte DC- Spannung als Eingang nutzen, als auch zunehmend für die Energieerzeugung und Energiespeicherung, zum Beispiel mit einer Batterie im DC-Zwischenkreis . Kennzeichnend für aktive Netzwechselrichter (FIG 1) ist die

Fähigkeit zum Wirkleistungsaustausch in beide Richtungen, also vom Netz in den Zwischenkreis zur Versorgung eines Antriebs als auch umgekehrt, um zum Beispiel Bremsenergie oder gespeicherte Energie oder mit PV-Modulen erzeugte Energie in das Netz zu speisen. Zusätzlich kann auch kapazitive oder induktive Blindleistung abgegeben werden.

Wie bei motorseitigen Wechselrichtern erfolgt dies nach dem Stand der Technik mit schaltenden Halbleiter-Bauelementen, zum Beispiel IGBTs in B6-Brückenschaltung . Durch schnelles Schalten zwischen zwei oder mehr Spannungsstufen kann damit über eine Schalt- oder Pulsperiode im Mittel ein näherungs ¬ weise kontinuierlicher Verlauf der AC-Ausgangsspannung erzeugt werden. Je nach verwendeter Technik und Ausgangsleis- tung liegen die Schalt- / Pulsfrequenzen (aus Konsistenzgründen wird im Folgenden durchgängig von Schaltfrequenz oder Schaltfrequenzen gesprochen) zwischen einigen 100 Hz bis zu einigen 100 kHz, typisch sind 2 kHz bis 20 kHz. Die AC-Ausgangsspannung eines Pulswechselrichters enthält da ¬ mit neben der Grundschwingung (Netzfrequenz) und niederfrequenten Netzharmonischen auch Anteile bei der Schaltfrequenz (mit Seitenbändern) und deren Vielfachen. Neben der erwünsch- ten Grundschwingung können die niederfrequenten Netzharmonischen durch eine Regelung des Wechselrichters ausgeregelt oder zumindest reduziert werden. Die unerwünschten Frequenzanteile, die durch das Schalten der Leistungshalbleiter hervorgerufen werden, müssen hingegen durch geeignete schal- tungstechnische Maßnahmen, üblicherweise in Form von Netzfil ¬ tern, so weit reduziert werden, dass die jeweils gültigen An ¬ schlussnormen am Anschlusspunkt (Point of Common Coupling - PCC) eingehalten werden und andere Geräte im Netz nicht ge ¬ stört werden.

Die Darstellung in FIG 2 zeigt beispielhaft den Frequenzgang eines derartigen Netzfilters anhand der Übertragungsfunktion zwischen Wechselrichter-Ausgangsspannung und resultierender Spannung am PCC. Oberhalb der (eigentlich unerwünschten) Re- sonanzstelle wird mit zunehmender Frequenz eine bessere Redu ¬ zierung der schaltfrequenten Spannungsstörungen erreicht. Für die Auslegung des Gesamtsystems ist man bestrebt, ein Optimum aus gegensätzlichen Anforderungen zu erreichen: Zum einen sollten die Induktivitätswerte im Filter möglichst klein sein, um Kosten und Baugröße zu minimieren. Allerdings verschiebt sich damit die Resonanzstelle zu höheren Frequen ¬ zen und die Wirkung bei einer bestimmten Schaltfrequenz (oberhalb der Resonanz) nimmt ab.

Zum anderen sollte die Schaltfrequenz möglichst gering sein, um die Schaltverluste im Wechselrichter klein und den Wirkungsgrad hoch zu halten. Eine Verringerung der Schaltfrequenz führt jedoch (bei gegebenem Filter) wiederum zu einer geringeren Filterwirkung und damit zu erhöhten schaltfrequenten Anteilen in der PCC-Spannung . Der Systementwickler hat daher die Aufgabe, einen möglichst optimalen Kompromiss aus Filteraufwand und Schaltfrequenz zu finden. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Filterwirkung auch stark von der Netzinduktivität abhängt. Sollen bestimmte Grenzwerte für die schaltfrequenten Störspannungen eingehalten werden, so müssen Annahmen bezüglich der zu erwartenden Netzinduktivität getroffen werden und die Auslegung des Sys ¬ tems muss für einen Worst-Case-Fall erfolgen. Für den Zusammenhang zwischen Netzinduktivität L N und rela ¬ tiver Kurzschlussspannung u K gilt

mit der Kurzschlussleistung des Netzes. Bei der in FIG 2 beispielhaft gezeigten Situation gilt damit vereinfacht nähe ¬ rungsweise, dass der Filter für den Fall mit u K =\% ca. um den Faktor 5 zu groß dimensioniert werden muss, damit auch bei u K = 10% ein bestimmter Grenzwert für die schaltfrequenten Störspannungen eingehalten werden kann.

Falls die Eigenschaften des Netzes im Vorfeld bekannt und nä ¬ herungsweise konstant sind, so könnte der Filter und/oder das System kostenoptimal angepasst werden. In der Regel liegt dieses Wissen jedoch nicht vor und darüber hinaus können die Netzparameter mit der Zeit stark variieren. Man muss das System also mit eventuell nicht benötigter Dämpfung ausstatten und entsprechende Bauteilkosten und/oder unnötige Schaltverluste in Kauf nehmen.

Davon ausgehend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfin ¬ dung darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems anzugeben, mittels dessen das Wechselrichtersystem stets in einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird, so dass Bauteilkosten minimiert oder zumindest reduziert und der Wirkungsgrad maximiert oder zumindest erhöht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß eine Erwei ¬ terung des Wechselrichtersystems und ein Verfahren zu dessen Betrieb vorgeschlagen. Die Erweiterung des Wechselrichtersystems besteht darin, dass zumindest die Spannung am Netzanschlusspunkt gemessen wird oder vergleichbare Werte bestimmt werden, insbesondere nume ¬ risch ermittelt werden, und aufgrund einer automatisierten Bewertung entsprechender Messwerte bzw. Werte eine automati- sehe Anpassung der Schaltfrequenz erfolgt. Die Schaltfrequenz wird fortlaufend so gewählt, dass alle in der jeweiligen Ap ¬ plikation gültigen Grenzwerte für den schaltfrequenten Anteil der Ausgangsspannung eingehalten werden. Optional wird die Schaltfrequenz dabei fortlaufend so gewählt, dass sich eine möglichst geringe Schaltfrequenz ergibt, um die Schaltverlus ¬ te im Wechselrichter klein und den Wirkungsgrad hoch zu halten .

Die Erfindung ist damit ein Verfahren zum Betrieb eines Wech- selrichtersystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei das Wechselrichtersystem einen Wechselrichter, einen Netzfilter und zur automatischen Anpassung der Schaltfrequenz einen im Folgenden auch als Rückführzweig bezeichneten Signalpfad vom Netzfilter zum Wechselrichter umfasst. Im Rückführzweig folgen einzelne Funktionseinheiten signaltechnisch aufeinander, nämlich eine Dateneinheit oder eine als Dateneinheit / Datenerfassungseinheit fungierende Messeinheit, eine Auswer ¬ tungseinheit, eine Bewertungseinheit und eine Anpassungsein ¬ heit. Mittels der Dateneinheit werden Werte bzw. Messwerte an einem netzseitigen Anschlusspunkt des Wechselrichters be ¬ stimmt bzw. erfasst, insbesondere Messwerte, zum Beispiel Spannungsmesswerte, bezüglich einer aktuellen Störaussendung des Wechselrichters. Mittels einer als Datenerfassungseinheit fungierenden Messeinheit werden die jeweiligen Werte als Messwerte direkt erfasst. Mittels einer Dateneinheit in all ¬ gemeiner Form können Werte, wie sie grundsätzlich mittels einer Messeinheit erfassbar sind, auch numerisch ermittelt werden. Solche numerisch ermittelten Werte sind sensorisch er- fassten Messwerten gleichwertig und werden im Folgenden zur Vermeidung von sich wiederholenden Formulierungen wie „Werte bzw. Messwerte" ebenfalls kurz als Messwerte bezeichnet. Mit ¬ tels der Auswertungseinheit wird ein Betragsspektrum der er- fassten Messwerte ermittelt / berechnet. Mittels der Bewer ¬ tungseinheit wird das Betragsspektrum mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzspektrum verglichen und mittels der den Rückführzweig abschließenden und dem Wechselrichter zugeordneten Anpassungseinheit wird in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schaltfrequenz des Wechselrichters angepasst.

Die Erfindung ist ebenso ein Wechselrichtersystem mit Mitteln zur Ausführung des Verfahrens sowie ggf. einzelner im Folgen ¬ den beschriebener Ausführungsformen des Verfahrens, insbeson- dere ein Wechselrichtersystem mit den Merkmalen des parallelen unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Ein Frequenzgang des Netzfilters des Wechselrichtersystems ist dabei so ausgelegt, dass ein genügend großer Arbeitsbereich mit monoton zunehmender Dämpfung resultiert.

Die Bestimmung / Erfassung der Messwerte am netzseitigen Anschlusspunkt PCC kann während des Betriebs des Wechselrich ¬ ters erfolgen. Dann wird mittels der jeweiligen Messwerte auch die aktuelle Störaussendung des Wechselrichters erfasst. Die Bestimmung / Erfassung kann zum Beispiel auch bei Pulssperre des Wechselrichters erfolgen und entsprechend kann die Anpassung der Schaltfrequenz zeitlich unabhängig von der Bestimmung / Erfassung erfolgen. Die angepasste Schaltfrequenz wird dann nach einer Pulsfreigabe für den Wechselrichter als anfängliche Schaltfrequenz verwendet und die angepasste

Schaltfrequenz geht zum Beispiel von einer für die jeweilige Betriebsart vorgegebenen Schaltfrequenz oder einer mittleren Schaltfrequenz während einer Schaltperiode aus. Aus der DE 10 2009 049 820 AI ist ein Verfahren zur Reduzie ¬ rung von Netzrückwirkungen eines Wechselrichters bekannt. Zur Vermeidung einer Anregung von Resonanzstellen wird eine Resonanzstelle der Netzimpedanz ermittelt, damit die Schaltfre- quenz des Wechselrichters derart verändert werden kann, dass die resultierende Schaltfrequenz nicht mehr auf diese Reso ¬ nanzstelle trifft. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels des

Rückführzweigs eine geschlossene Regelschleife für die Anpas ¬ sung der Schaltfrequenz des Wechselrichters vorliegt, wobei als Regelgröße ein Gütekriterium verwendet wird, welches die momentane Abweichung eines jeweiligen Störspektrums von ihrem lokal (zeitlich und örtlich) zulässigen Grenzwert beschreibt.

Bei einem Betrieb an einem Netz mit einer hohen Kurzschlussleistung kann mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz die Schaltfrequenz angepasst werden, insbesondere reduziert werden, und folglich der Wirkungsgrad des Wechselrichters erhöht werden. Für den Betreiber des Wechselrichters kann es wirtschaftlich lohnend sein, in ein leistungsstarkes Netz zu investieren, da weniger Energieverluste entstehen und zudem weniger Abwärme abgeführt werden muss. Zudem kann auch ein normgerechter Be- trieb an (zumindest zeitweise) sehr leistungsschwachen Netzen gewährleistet werden. Dazu wird die Schaltfrequenz automa ¬ tisch geeignet erhöht unter Inkaufnahme erhöhter Schaltverluste (die ggf. zu einem Derating des Wechselrichters füh ¬ ren) .

Soweit die Anpassung der Schaltfrequenz zu einer Reduzierung der Schaltfrequenz führt, wird dabei eine Reduzierung der Schaltverluste und damit in der Regel eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads erreicht, wenn momentan ein Netz mit ho- her Qualität zur Verfügung steht. Aufgrund einer reduzierten Schaltfrequenz resultieren zudem geringere Verluste in den Leistungshalbleitern des Wechselrichters. Dies führt zu ge ¬ ringeren Halbleitertemperaturen und damit im Mittel zu einer erhöhten Lebensdauer des Wechselrichters, speziell bei einem Betrieb bei Wechsellast. Insoweit kann das Verfahren gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz auch gezielt genutzt werden, um - bei geeigneter Netzqualität - bei Überlastsituationen die thermische Belastung des Wechselrichters zu reduzieren. Des Weiteren definieren künftige Richtlinien erhöhte Anforderungen an die Wirkungsgrade bei Teillast. Insbesondere hier ¬ für sind Absenkungen der Schaltfrequenz sinnvoll und mit dem vorgeschlagenen Verfahren auch für die Netzseite anwendbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspru ¬ ches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selb ¬ ständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachge- ordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass das hier angegebene Verfahren auch entsprechend der abhängigen Vorrichtungsansprüche weitergebildet sein kann und umgekehrt.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden mittels der Dateneinheit Spannungs- und/oder Stromwerte bestimmt oder mittels einer als Dateneinheit / Datenerfassungseinheit fun ¬ gierenden Messeinheit Spannungsmesswerte und/oder Strommess- werte (Ausgangsspannung und/oder Ausgangsstrom) am Netzfilter aufgenommen. Mittels der Auswertungseinheit wird daraus als Betragsspektrum ein Spannungs-, Strom- oder Leistungsspektrum ermittelt und dieses mittels der Bewertungseinheit mit einem entsprechenden Grenzspektrum oder jeweils mit einem entsprechenden Grenzspektrum verglichen. Dann erfolgt die Anpassung der Schaltfrequenz auf Basis einer Bewertung einer Güte eines Stromspektrums, Spannungsspektrums und/oder eines Leistungsspektrums . Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die mittels der Dateneinheit oder einer als Dateneinheit fungie ¬ renden Messeinheit bestimmten Werte bzw. erfassten Messwerte, nämlich die am netzseitigen Anschlusspunkt des Wechselrich- ters erfassten Messwerte, insbesondere die bezüglich der ak ¬ tuellen Störaussendung des Wechselrichters erfassten Messwerte (Ausgangsspannung und/oder Ausgangsstrom), mit einer so hohen Abtastfrequenz erfasst, dass das gesamte relevante Störspektrum oder doch zumindest im Wesentlichen das gesamte relevante Störspektrum berechnet werden kann.

Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird mittels der Bewertungseinheit eine relative Gesamtstör- leistung der Ausgangsspannung und/oder des Ausgangsstroms ermittelt und diese zusätzlich zum Vergleich des Betragsspektrums mit dem Grenzspektrum bei der Anpassung der Schaltfrequenz des Wechselrichters berücksichtigt. Auf diese Weise kann ergänzend sichergestellt werden, dass die jeweilige Ge- samtstörleistung einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert nicht überschreitet.

Bei einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Bestimmung oder Erfassung (numerische Ermittlung oder Messung) der Werte bzw. Messwerte mittels der Dateneinheit während einer Betriebssituation, bei welcher der Wechselrichter nicht schaltet (Pulssperre) . Die mittels der Anpassungs ¬ einheit angepasste Schaltfrequenz kommt daher nicht unmittel ¬ bar im Zusammenhang mit der Bestimmung / Erfassung der Werte / Messwerte zur Anwendung, sondern erst später, nämlich dann, wenn die Pulssperre aufgehoben ist und entsprechend die Be ¬ triebssituation, bei welcher der Wechselrichter nicht schaltet, beendet ist oder beendet wird. Auf diese Weise kann eine eventuelle Vorbelastung des Netzes ermittelt werden und die Schaltfrequenz daran angepasst werden. Optional kann auch eine Information an den Anwender erfolgen, wenn trotz Anpassung der Schaltfrequenz eine Einhaltung der Grenzwerte nicht möglich ist. Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einer Steuereinrich ¬ tung zur Ansteuerung eines Wechselrichters gelöst, die nach dem Verfahren wie hier und im Folgenden beschrieben arbeitet und dazu Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst. Die Erfindung ist dabei bevorzugt in Software oder in Soft- und Firmware implementiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Steuereinheit, in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist. Wenn im Folgenden Verfahrensschritte oder Verfahrensschrittfolgen beschrieben werden, bezieht sich dies auf Aktionen, die automatisch aufgrund eines solchen Computerprogramms oder automa ¬ tisch unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgen.

Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcode ¬ anweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfolgen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementa ¬ tion eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementa ¬ tion in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist. Daher soll für die hier vorgelegte Be ¬ schreibung gelten, dass von dem Begriff Software oder dem Begriff Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkeiten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware, um- fasst sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Er ¬ findung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, die zum Beispiel durch Kombina ¬ tion oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neu- en Verfahrensschritten oder Verfahrensschrittfolgen führen.

Es zeigen

FIG 1 einen an ein speisendes Netz angeschlossenen Netz- Wechselrichter, der zusammen mit einem vorgeschalteten Netzfilter ein Wechselrichtersystem bildet,

FIG 2 einen Frequenzgang eines Netzfilters, FIG 3 eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Wechselrichtersystems ,

FIG 4 ein Spannungs-Ausgangsspektrum eines Wechselrichters ohne Netzfilter,

FIG 5 einen LCL-Filter,

FIG 6 einen verdrosselten LCL-Filter mit Dämpfung sowie FIG 7 ein LZ-Filter mit Dämpfung,

FIG 8 Beispiele für den Betragsfrequenzgang der Ausgangsspannung eines verdrosselten LCL-Netzfilters bei verschiedenen Netzinduktivitäten und

FIG 9 Beispiele für den Betragsfrequenzgang des Ausgangs ¬ stroms eines verdrosselten LCL-Netzfilters bei ver ¬ schiedenen Netzinduktivitäten. Die Darstellung in FIG 1 zeigt - wie eingangs bereits er ¬ wähnt - einen aktiven netzseitigen Wechselrichter (Netzwechselrichter) 10. Dieser ist als Teil eines Wechselrichtersys ¬ tems 12 gezeigt und wird im Folgenden mitunter auch kurz als Wechselrichter 10 bezeichnet. Ganz rechts ist in der Darstel ¬ lung in FIG 1 das speisende Netz 14 gezeigt. Eine Induktivi ¬ tät des Netzes 14 ist separat als Netzinduktivität 16 ge ¬ zeigt. Der Anschluss des Wechselrichtersystems 12 an das Netz 14 erfolgt dreiphasig an einem im Folgenden als Anschluss ¬ punkt (PCC) 18 bezeichneten Netzanschlusspunkt. Dem Wechsel ¬ richter 10 ist ein Netzfilter 20 vorgeschaltet. Wechselrichter 10 und Netzfilter 20 bilden zusammen das Wechselrichtersystem 12.

Die Darstellung in FIG 2 zeigt den eingangs bereits erwähnten Frequenzgang eines als Netzfilter 20 fungierenden, nicht verdrosselten LCL-Filters anhand der Übertragungsfunktion zwischen der Ausgangsspannung des Wechselrichters 10 und der re- sultierenden Spannung am Anschlusspunkt (PCC) 18.

Die Darstellung in FIG 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichtersystems 12. Dieses umfasst ne ¬ ben dem Wechselrichter 10 und dem Netzfilter 20 einen Signal- pfad vom Netzfilter 20 zum Wechselrichter 10, so dass sich das Wechselrichtersystem 12 als rückgekoppeltes System darstellt. Im Signalpfad vom Netzfilter 20 zum Wechselrichter 10 befinden sich eine Dateneinheit 22, eine Auswertungseinheit 24, eine Bewertungseinheit 26 und eine Anpassungseinheit 28, die auch in Form einer oder mehrerer Einheiten zusammenge- fasst sein können. Jedenfalls werden die Dateneinheit 22, die Auswertungseinheit 24, die Bewertungseinheit 26 und die An ¬ passungseinheit 28 zusammen als Rückführzweig 30 bezeichnet. Bei der gezeigten Ausführungsform fungiert die Dateneinheit als Datenerfassungseinheit 22 und als Messeinheit 22. Auf dieser Basis - allerdings ohne Verzicht auf eine weitergehen ¬ de Allgemeingültigkeit - wird die weitere Beschreibung fort ¬ gesetzt und die Messeinheit 22 wird mit derselben Bezugszif- fer bezeichnet. Grundsätzlich ist aber weiterhin bei jeder Erwähnung einer Messeinheit 22 mitzulesen, dass die mittels der Messeinheit 22 durch Messung erfassten Messwerte auch numerisch bestimmt werden können, so dass dann auf eine Messung verzichtet werden kann. Entsprechend ist der Begriff „Mess ¬ wert" im Zusammenhang mit der hier vorgelegten Beschreibung weit auszulegen und umfasst nicht nur tatsächlich durch Messung ermittelte Werte, sondern auch numerisch ermittelte Wer- te von Systemgrößen, die grundsätzlich unmittelbar oder mittelbar durch Messung bestimmt werden könnten.

Die Anpassungseinheit 28 steuert einen grundsätzlich an sich bekannten Modulator 32 oder dergleichen an, welcher wiederum die von dem Wechselrichter 10 umfassten Leistungshalbleiter ansteuert. Die Anpassungseinheit 28 und der Modulator 32 kön ¬ nen zu einer Funktionseinheit zusammengefasst sein. Die Ge ¬ samtheit der erwähnten Funktionseinheiten 22-28, 32 bildet einer Steuereinheit 34 des Wechselrichtersystems 12. Die Funktionalität einzelner oder aller Funktionseinheiten 22-28, 32 oder der Steuereinheit 34 insgesamt kann in Hardware, Software und/oder Firmware implementiert sein, zum Beispiel indem die Steuereinheit 34 eine nicht dargestellte Verarbei ¬ tungseinheit in Form von oder nach Art eines Mikroprozessors umfasst und in einem ebenfalls nicht dargestellten Speicher der Steuereinheit 34 ein beim Betrieb des Wechselrichtersys ¬ tems 12 mittels der Verarbeitungseinheit ausgeführtes Compu ¬ terprogramm geladen ist, das eine Implementation der Funktionalität einzelner oder aller Funktionseinheiten 22-28, 32 in Software umfasst.

Mittels der Messeinheit 22 erfolgt eine Messung der Spannung am Anschluss- / Verknüpfungspunkt (PCC) 18. Mittels der Aus ¬ wertungseinheit 24 erfolgt eine spektrale Auswertung der mit- tels der Messeinheit 22 gemessenen Spannung. Die spektrale

Auswertung erfolgt beispielsweise mittels schneller Fourier- Transformation (FFT) und die Auswertungseinheit 24 umfasst entsprechend eine Implementation eines FFT-Algorithmus . Die Auswertungseinheit 24 kann bei einer solchen Ausführung dem- gemäß auch als Fourier-Transformator aufgefasst werden. Mittels der Bewertungseinheit 26 erfolgt eine Bewertung eines am Ausgang der Auswertungseinheit 24 resultierenden Betragsspektrums bezüglich einer Einhaltung definierter Grenzwerte, wie dies weiter unten beschrieben wird. Die Anpassungseinheit 28 bewirkt auf Basis eines jeweiligen Ausgangs der Bewertungs ¬ einheit 26 eine Erhöhung oder eine Reduzierung der mittleren Schaltfrequenz des Wechselrichters 10.

Die Darstellung in FIG 4 zeigt beispielhaft das Spannungs- Ausgangsspektrum eines Wechselrichters 10 ohne Netzfilter. Auf der Abszissenachse ist die Frequenz und auf der Ordina- tenachse ist die normierte Spannung abgetragen. Kennzeichnend ist der Grundschwingungs-Nutzanteil bei Netzfrequenz (hier

50 Hz) , ein Maximum in der Nähe der mittleren Schaltfrequenz (abhängig von der Modulationsart, hier PWM) und Spektralanteile bei Vielfachen der Schaltfrequenz mit kleiner werdender Amplitude. Die Schaltfrequenz beträgt bei der gezeigten Situ- ation 4 kHz.

Eine Änderung der mittleren Schaltfrequenz führt in erster Näherung zu einer entsprechenden Verschiebung der schalt- frequenten Spektralanteile, während die Amplituden und der Grundschwingungsanteil unverändert bleiben. Dies erklärt, weshalb in Verbindung mit einem Netzfilter 20 mit zunehmender Filterwirkung oberhalb einer Resonanzfrequenz (siehe FIG 2) beispielsweise eine Erhöhung der Schaltfrequenz zu geringeren schaltfrequenten Spannungsanteilen am Anschlusspunkt 18 führt.

Die Darstellungen in FIG 5, FIG 6 und FIG 7 zeigen Beispiele für unterschiedliche Filtertopologien, die sich in ihren Bauteilkosten und Frequenzgängen unterscheiden und dementspre- chend abhängig vom Wechselrichtertyp, von der Schaltfrequenz oder vom Modulationsverfahren ausgewählt werden. Links ist jeweils der Wechselrichter 10 dargestellt und rechts ist das Netz 14 gezeigt. Ein Netzfilter 20 mit passiver Dämpfung gemäß FIG 5 reduziert die in FIG 1 gezeigte Resonanzüberhöhung, wobei anstelle des gezeigten realen Widerstands der Widerstand auch parasitär, zum Beispiel durch die Leitung oder den Kondensator, reali- siert sein kann. Die in FIG 6 gezeigte Verdrosselung des Querzweiges des Netzfilters 20 bringt neue dynamische Eigen ¬ schaften und erzeugt ein Minimum im Frequenzgang (siehe

FIG 8) und führt oberhalb des Minimums zu einer reduzierten Dämpfung. Bei der in FIG 7 gezeigten Variante eines Netzfilters 20 in Form eines LZ-Filters wird davon ausgegangen, dass die netzseitige Induktivität entfallen kann, da im Netz 14 eine Mindestinduktivität vorhanden ist. Die Darstellung in FIG 8 zeigt den Betragsfrequenzgang der

Ausgangsspannung (Amplitudenspektrum des Quotienten der Spannung U(PCC) am Anschlusspunkt 18 und der Ausgangsspannung U (WR) des Wechselrichters 10) eines verdrosselten LCL-Netz- filters 20 gemäß FIG 6 bei verschiedenen Netzinduktivitäten und entsprechenden relativen Netzkurzschlussspannungen u K , hier mit u K =\%, u K =5% und u K =\0% .

Gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz ist vorgesehen, dass die wesentlichen Anteile der schaltfrequenten Störspannung bzw. des Störstroms in einem Frequenzbereich liegen, in dem der Netzfilter 20 eine monoton zunehmende Filterwirkung aufweist. Dann ist der einfache Zusammenhang gegeben, dass mit steigender Frequenz die ins Netz 14 abgegebene Störamplitude sinkt. Mit dieser Voraussetzung ist das Verfahren auf alle hier genannten Filtertypen gemäß FIG 5, FIG 6 und FIG 7 sowie weitere ähnliche Filtertypen anwendbar.

Aufgrund der Impedanz des Netzes 14 (induktiv) steigt der schaltfrequente Spektralanteil im Strom durch den Anschluss- punkt 18 mit zunehmender Netzkurzschlussleistung an und zeigt damit im Vergleich zur Spannung am Anschlusspunkt 18 gerade das umgekehrte Verhalten. Erkennbar wird dies auch im Übertragungsfrequenzgang für den Ausgangsstrom I (PCC) am Anschlusspunkt 18 in Abhängigkeit von der Wechselrichterspan- nung U (WR) , wie dies in der Darstellung in FIG 9 gezeigt ist.

Die Darstellung in FIG 9 zeigt den Betragsfrequenzgang des Ausgangsstroms (Amplitudenspektrum des Quotienten des Stroms I (PCC) am Anschlusspunkt 18 und der Ausgangsspannung U (WR) des Wechselrichters 10) eines verdrosselten LCL-Netzfilters 20 gemäß FIG 6 bei verschiedenen Netzinduktivitäten und entsprechenden relativen Netzkurzschlussspannungen u K , hier mit u K = 1% , u K = 5% und u K = 10% .

Der Anstieg des schaltfrequenten Spektralanteils erklärt sich dadurch, dass eine kleine Netzinduktivität (also hohe Netz ¬ kurzschlussleistung) den schaltfrequenten Strömen einen ge- ringeren Widerstand entgegenstellt und diese ins Netz 14 fließen lässt.

Abhängig von einer bei der jeweiligen Applikation zu beachtenden Netznorm oder anderen applikationsspezifischen zeitlichen oder örtlichen Vorgaben kann die Optimierung der Schaltfrequenz so erfolgen, dass entweder die Spannungsstörungen oder die Stromstörungen oder die Spannungsstörungen und die Stromstörungen festgelegte, vorgegebene oder vorgebbare Ober ¬ grenzen nicht übersteigen und optional durch eine Wahl einer möglichst geringen Schaltfrequenz die Verlustleistung minimiert wird. Für eine Reduzierung der Verlustleistung wird im Vorfeld beim Filterdesign auf einen reduzierten Materialaufwand geachtet und dabei eine minimierte Worst-Case-Reserve vorgehalten .

Im Folgenden werden die Funktionseinheiten des in FIG 3 gezeigten Rückführzweigs einzeln betrachtet:

Messeinheit 22

Wesentlicher Bestandteil des vorgeschlagenen Ansatzes ist, dass mittels der Messeinheit 22, oder allgemein mittels einer Dateneinheit 22 / Datenerfassungseinheit 22, Werte bzw. Mess ¬ werte am netzseitigen Anschlusspunkt 18 des Wechselrichters 10 bestimmt bzw. erfasst werden, insbesondere Messwerte be ¬ züglich der aktuellen Störaussendung des Wechselrichters 10 am Anschlusspunkt 18 erfasst werden, und die Schaltfrequenz in Bezug dazu angepasst wird. Neben den bei Wechselrichtern 10 immer gemessenen Phasenströmen I WR (FIG 3) im Wechselrichter 10 können dafür noch weitere Messaufnehmer genutzt werden . In der Darstellung in FIG 3 ist insoweit eine Ausführungsform gezeigt, bei der mittels der Messeinheit 22 die Spannungen über dem Querzweig des Netzfilters 20 oder die Wechselrich ¬ ter-Ausgangsspannung gemessen werden. Zusätzlich werden die Wechselrichterströme und/oder die Ströme im Netzfilter 20 ge- messen. Bei bekannten Impedanzwerten für die Bauelemente des Netzfilters 20 können daraus mit Hilfe der komplexen Wechsel ¬ stromrechnung die Spannungen am Anschlusspunkt 18 berechnet werden . Alternativ können mittels der Messeinheit 22 zwei oder mehr Leiter-zu-Leiter-Spannungen oder zwei oder mehr Strangspannungen am Anschlusspunkt 18 gemessen werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ge- mäß dem Abtasttheorem eine von der Messeinheit 22 für die Messungen verwendete Abtastfrequenz mindestens doppelt so groß gewählt wie die Grenzfrequenz, bis zu der das Spektrum der Ausgangsspannung bezüglich der Einhaltung der jeweils geforderten Normen überwacht und bewertet werden muss. Ist bei- spielsweise ein Frequenzbereich bis 10 kHz von ausschlagge ¬ bender Bedeutung, so wird eine Abtastperiode von maximal 50 ys für die Messung verwendet.

Ein alternativer Ansatz zum Messen und Berechnen des Span- nungsspektrums am Anschlusspunkt 18 besteht darin, mittels einer Dateneinheit 22 fortlaufend die wirksame differentielle Netzimpedanz zu bestimmen. Eine Möglichkeit dafür liefert der folgende Zusammenhang für die Gesamtinduktivität:

^ Netz

)/(At) Dabei wird mittels der Dateneinheit 22 die Stromänderung AI WR bestimmt oder gemessen, die während einer kurzen Zeitspanne At entsteht, in der keine Schalthandlung der Halbleiterschalter durchgeführt wurde (z.B. Αί = 50μβ) . Die Wechselrich- terspannung U WR und die Netzspannung U Netz dürfen dabei mit ausreichender Genauigkeit als konstant angenommen werden. Von der so berechneten Gesamtinduktivität kann die bekannte In ¬ duktivität des Netzfilters 20 abgezogen werden, um einen Schätzwert für die Netzinduktivität L N zu erhalten. Aus der mittels der Dateneinheit 22 geschätzten Netzinduktivität L N kann mit dem bekannten Emissionsspektrum des Wechselrichters 10 das Spannungsspektrum am Anschlusspunkt 18 mit Hilfe der komplexen Wechselstromrechnung für die betrachtete Schaltung berechnet werden.

Auswertungseinheit 24, Bewertungseinheit 26

Die mittels der Messeinheit 22 aufgenommenen Spannungsmess ¬ werte werden für einen genügend langen Zeitraum aufgezeich- net, um auch die Signalanteile bei kleinen Frequenzen zu er ¬ fassen. Sinnvoll ist mindestens eine Netzperiode. In zykli ¬ schen Abständen (z.B. einmal pro Sekunde) wird mittels der Auswertungseinheit 24 das Betragsspektrum |E(/)| dieser Mess ¬ werte berechnet. Die dafür notwendige Rechnerleistung ist in heutigen Wechselrichtern 10 typischerweise vorhanden. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Messeinheit 22, die Auswertungseinheit 24, die Bewertungseinheit 26 und die Anpassungseinheit 28 keine gegenständlichen und vom Wech ¬ selrichter 10 unabhängige Einheiten sein müssen, sondern vom Wechselrichter 10 als entsprechende Funktionen / Funktions ¬ einheiten umfasst sein können, zum Beispiel in Form einer Implementation der jeweiligen Funktion in Hardware, Firmware und/oder Software. Das berechnete Betragsspektrum wird mittels der Bewertungs ¬ einheit 26 mit einem zuvor gewählten Grenzspektrum |G( )| verglichen, welches die zulässigen Störspannungsanteile im zu überwachenden Frequenzbereich f Min --f Max beschreibt. Das Maximum der Differenz zwischen dem berechneten Betragsspektrum (Ist- Spektrum) und dem Grenzspektrum kann beispielsweise für eine Frequenzregelung verwendet werden.

Optional wird mittels der Bewertungseinheit 26 die relative Gesamtstörspannung (total harmonic distortion - THD) im zu überwachenden Frequenzbereich zwischen n - f Netz = f Min bis k' fNetz = fuax berechnet, also die Summe der Quadrate aller

Spektralamplituden. Typischerweise darf die relative Gesamt ¬ störspannung (THD) einen vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere parametrierbaren Grenzwert ebenfalls nicht über ¬ schreiten. Analog kann die Berechnung des THD auch für den Strom erfolgen.

Bei einer grundsätzlich optionalen zusätzlichen Berücksichtigung der Gesamtstörspannung wird aufgrund der Betrachtung des Grenzspektrums einerseits geprüft, ob keine einzelne Spek ¬ trallinie eine bestimmte Höhe überschreitet, und andererseits aufgrund der Betrachtung der Gesamtstörspannung zusätzlich geprüft, ob die Summe aller Spektrallinien einen Grenzwert einhält. Bei der Betrachtung der Gesamtstörspannung kann diese auch gewichtet sein, indem die einzelnen Summanden unter der Wurzel mit geeignet vorgegebenen Faktoren gewichtet werden .

Anpassungseinheit 28

Mittels der Bewertungseinheit 26 wird in dem von dieser aus ¬ geführten Auswertungsschritt ein Gütekriterium oder werden mehrere Gütekriterien berechnet, nämlich zumindest das Maxi ¬ mum der Differenz zwischen dem berechneten Betragsspektrum und dem Grenzspektrum oder optional das Maximum der Differenz zwischen dem berechneten Betragsspektrum und dem Grenzspektrum sowie zusätzlich die relative Gesamtstörspannung. Anhand des Gütekriteriums oder der Gütekriterien wird mittels der Anpassungseinheit 28 zyklisch eine Anpassung der Schaltfre ¬ quenz des Wechselrichters 10 vorgenommen. Bei einer aktuell zu geringen Schaltfrequenz ist der Oberschwingungsanteil in der Spannung (oder im Strom) zu groß. Anhand der Betrachtung des Grenzspektrums wird sich dabei ergeben, dass zumindest eine einzelne Spektrallinie einen durch das Grenzspektrum vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Anhand der optionalen Betrachtung der Gesamtstörspannung kann sich zudem ergeben, dass diese einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Da aufgrund der Filtercharakteristik des Netzfilters 20 der Oberschwingungsanteil mit zunehmender Schaltfrequenz sinkt, wird für den nächsten Bewertungszyklus eine neue, höhere Schalt- / Pulsfrequenz vorgegeben.

Dafür kommen mehrere Möglichkeiten in Frage. Zwei Möglichkei ¬ ten werden im Folgenden beschrieben und zusammenfassend als iterative Anpassung der Schaltfrequenz bezeichnet:

Gemäß einem heuristischen Ansatz wird die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 um einen vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere parametrierbaren Faktor oder Offset erhöht, wenn eines der Gütekriterien über dem Grenzwert liegt, wenn also zum Beispiel bei zumindest einer Frequenz die Amplitude des Betragsspektrums |E(/)| der mittels der Messeinheit 22 aufge ¬ nommenen Spannungsmesswerte oberhalb eines zum Beispiel durch das Grenzspektrum vorgegebenen Limits liegt. Liegt eines der Gütekriterien in einem Toleranzband unterhalb des Grenzwerts, so wird die Schaltfrequenz beibehalten. Liegen alle Gütekriterien unterhalb des Toleranzbands, so wird die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 um einen vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere parametrierbaren Faktor oder Offset reduziert. Alternativ kommt für die Anpassung der Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 eine als Proportionalregler fungierende Anpassungseinheit 28 in Betracht. Dabei wird - siehe unten: „Spektrumbewertung" - ein prozentuales Gütekriterium herange- zogen, das momentan den „kritischen Pfad" darstellt (also bei Überschreitung eines Grenzwerts am weitesten oberhalb des Grenzwerts liegt, oder - falls alle Grenzwerte eingehalten werden - den kleinsten Abstand zu den Grenzwerten aufweist) . Die vorzeichenbehaftete Abweichung vom Grenzwert wird mit ei ¬ nem vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere parametrier- baren positiven Faktor K gewichtet und ergibt einen momenta ¬ nen Frequenzoffset schalt ' ^er zum jeweiligen Nominalwert der Schaltfrequenz Af " SchaU nml addiert wird:

Spektrumbewertung

¥schaitA f Min " " 'fi Max

Optionale THD-Bewertung :

Schalt,2

Regler :

•f Schalt, neu >f Schalt, nml Schalt, \ ^ ^ ^ ·

f Schalt, neu = f Schalt, nml + maX {4/seAa/i,l ' Schalt, 2 }

Bei einer Einhaltung der Grenzwerte wird die Schaltfrequenz - auch bei dem zuvor beschriebenen heuristischen Ansatz - reduziert. Auf dieser Reduzierung der Schaltfrequenz, die so lange erfolgt, solange die Grenzwerte eingehalten werden, ba ¬ siert bei der iterativen Anpassung der Schaltfrequenz die schrittweise Minimierung der Schaltfrequenz und die resultierende Minimierung der Verlustleistung. Anders als bei der zuvor beschriebenen heuristischen Anpassung der Schaltfrequenz erfolgt die Reduzierung der Schaltfrequenz hier nicht mit einer fest vorgegebenen Schrittweite. Vielmehr ergibt sich die Schrittweite in jedem Bewertungsschritt aufgrund des momenta ¬ nen Abstands zu dem Grenzwert oder den Grenzwerten. Bei einem großen Abstand resultiert eine größere Schrittweite und ent ¬ sprechend eine größere Reduzierung der Schaltfrequenz. Bei einem geringen Abstand resultieren entsprechend eine geringe- re Schrittweite und eine geringere Reduzierung der Schaltfre ¬ quenz. Bei einer Verletzung der Grenzwerte wird die Schalt ¬ frequenz erhöht und das Maß der Erhöhung der Schaltfrequenz ist - analog zur vorher beschriebenen Reduzierung der Schalt- frequenz - vom Umfang der Verletzung der Grenzwerte abhängig.

Eine Aktivierung der grundsätzlich optionalen Bewertung der Gesamtstörspannung THD oder des Gesamtstörstroms kann mittels des Faktors K 2 erfolgen. Bei K 2 =0 ist die Bewertung der Gesamtstörspannung deaktiviert. Auf dieser Basis ist ebenso eine Deaktivierung der Spektrumsbewertung möglich, so dass die Anpassung der Schaltfrequenz dann nur auf Basis der Bewertung der Gesamtstörspannung erfolgt. Gleichfalls ist mittels einer geeigneten Wahl der Faktoren Κ λ und K 2 eine freie Gewichtung der beiden möglichen Einflussfaktoren für die Bestimmung der jeweils neuen Schaltfrequenz möglich. Grundsätzlich kann als alternatives Kriterium auch der Gesamtstörstrom und/oder die aus Strom und Spannung berechnete Gesamtstörleistung verwendet werden.

Allgemein formuliert wird mittels der Anpassungseinheit 28 eine Schaltfrequenz ausgewählt, bei welcher zumindest eine Einhaltung des Gütekriteriums oder der Gütekriterien gewährleistet ist, also eine Schaltfrequenz, die zu keiner Grenz- wertverletzung führt. Des Weiteren wird mittels der Anpas ¬ sungseinheit 28 die Schaltfrequenz reduziert, soweit dies im Rahmen der Einhaltung der Grenzwerte möglich ist. Mit der resultierenden Reduzierung der Schaltfrequenz sinkt vorteilhaft die Verlustleistung. Allerdings wird mit zunehmender Reduzie- rung der Schaltfrequenz auch die Filterwirkung des Netzfilters 20 schlechter, wie dies zum Beispiel anhand des in FIG 2 gezeigten Filterfrequenzgangs ersichtlich ist. Die Reduzie ¬ rung der Schaltfrequenz findet folglich dort ihr Ende, wo aufgrund der reduzierten Filterwirkung des Netzfilters 20 ei- ne Störaussendung des Wechselrichters 10 resultiert, die zu einer Verletzung zumindest eines Grenzwerts führt. Dann wird die Schaltfrequenz erhöht, bei dem oben skizzierten heuristischen Ansatz um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert oder bei dem Ansatz mittels eines Proportionalreglers um einen vom Umfang der Verletzung des oder jedes Grenzwerts abhängigen Wert . Naheliegende Erweiterungen einer solchen Regelungsfunktiona ¬ lität (Proportionalregler) der Anpassungseinheit 28 sind In ¬ tegralanteile für die Regelabweichung (PI-Regler) , zusätzliche differenzierende Signalpfade (PD-Regler) und Toleranzbän ¬ der. Im letzteren Fall wird beispielsweise keine Änderung der Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 vorgenommen, wenn die neue Schaltfrequenz in einem Bereich j ~ Schalt nml min < f Schalt nml bis f Schalt , nml Üe< 3t.

Zusätzlich oder alternativ kann die Dynamik der Regelung mit- tels digitaler Glättungsglieder im Istwert-Signalpfad (Sig ¬ nalpfad zur Anpassungseinheit 28) und/oder im Ausgangs-Sig- nalpfad (Signalpfad von der Anpassungseinheit 28 zum Wechsel ¬ richter 10) wunschgemäß angepasst werden. Insoweit kommt zum Beispiel die Verwendung eines Glättungsglieds mit PTl-Verhal- ten in Betracht.

Abhängig von örtlichen Anforderungen kann auch eine Betrachtung und Bewertung des Stromspektrums am Anschlusspunkt 18 erforderlich sein. Die beschriebenen Schritte für die Fre- quenzanpassung werden dann um die entsprechenden Größen für die Güte des Stromspektrums THD l und/oder für die Güte eines aus Strom- und Spannungswerten berechenbaren Spektrums, zum Beispiel eines Leistungsspektrums, erweitert. Mittels der Überwachung des Spannungsspektrums und/oder mit ¬ tels der Überwachung zumindest eines anderen Gütekriteriums ist die Einhaltung der Grenzwerte auch dann gewährleistet, wenn am gleichen Anschlusspunkt 18 beispielsweise weitere schaltfrequente Wechselrichter 10 oder nichtlineare Verbrau- eher angeschlossen sind. Zu beachten ist, dass dann meist eine genügend große Glättung der Schaltfrequenzänderung realisiert werden muss, um Schaltfrequenzschwingungen oder Schwe- bungen zu verhindern. Ein D-Anteil in der Regelung wirkt ebenfalls dämpfend auf das Systemverhalten.

Optional erfolgt bei einer iterativen Anpassung der Schalt- frequenz auch eine Anpassung der jeweils resultierenden

Schrittweite. Bei einem insoweit ergänzten Verfahren werden bei einer Schaltfrequenz oberhalb einer für den Wechselrichter 10 festgelegten (Bemessungs- ) Schaltfrequenz mit zunehmender Schaltfrequenz die Schrittweite für eine weitere Erhö- hung der Schaltfrequenz verkleinert und/oder die Schrittweite für eine Absenkung der Schaltfrequenz vergrößert. Alternativ oder kumulativ werden unterhalb der (Bemessungs-) Schaltfre ¬ quenz die Schrittweite für eine weitere Absenkung der Schalt ¬ frequenz verkleinert und die Schrittweite für eine Erhöhung der Schaltfrequenz vergrößert. Mit einer solchen Ergänzung des Verfahrens wird erreicht, dass jeder Wechselrichter 10 eine Tendenz erhält, im Bereich seiner Bemessungsschaltfre ¬ quenz zu arbeiten. Dies kann noch dadurch ergänzt werden, dass die Anpassung der resultierenden Schrittweiten derart erfolgt, dass ein Unterschied zwischen der Schrittweite zur Erhöhung der Schaltfre ¬ quenz und der Schrittweite zur Reduzierung der Schaltfrequenz mit zunehmendem Abstand von der für den Wechselrichter 10 festgelegten Bemessungsschaltfrequenz zunimmt.

Das Bewertungssystem kann auch arbeiten, wenn der Wechselrichter 10 nicht taktet (Pulssperre) und somit keine Stör ¬ spannungen aussendet. Dies ist sinnvoll, um die Vorbelastung des Netzes 14 zu ermitteln und den Anwender ggf. auf den

Netzzustand hinzuweisen. Zudem ermöglicht es eine Klärung ei ¬ ner „Schuldfrage", wenn bei Betrieb des Wechselrichters 10 die Netznormen nicht eingehalten werden, wenn andere Netzteilnehmer die Störverursacher sind.

Vorausberechnung der minimal möglichen Schaltfrequenz Da häufig die zulässigen Spannungsemissionen eines Geräts mit steigender Schaltfrequenz sinken, kann es sein, dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz die Netzverträglichkeit nicht ver ¬ bessert oder eine Reduzierung der Schaltfrequenz die Netzver- träglichkeit nicht verschlechtert. Insofern kann der Fall auftreten, dass die oben beschriebene Anpassung der Schalt ¬ frequenz zu keiner befriedigenden Lösung führt. Ob dem so ist oder nicht hängt von dem Verlauf der Filterübertragungsfunktion und der dem Grenzspektrum zugrunde liegenden Grenzwert- kurve über der Frequenz ab. Konkret tritt dieses Verhalten auf, wenn der Gradient der Grenzwertkurve größer als der Gra ¬ dient der Filterübertragungsfunktion ist.

Um bei allen bekannten Verläufen von Filterübertragungsfunk- tionen und Grenzwertkurven die minimale Schaltfrequenz zu bestimmen, die im Netzwechselrichter erforderlich ist, werden bei einer besonderen Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes mittels der Dateneinheit 22 nicht nur Werte am netz- seitigen Anschlusspunkt 18 des Wechselrichters 10 bestimmt, insbesondere mittels einer als Messeinheit fungierenden Da ¬ teneinheit 22 die Spannung am Anschlusspunkt 18 gemessen. Auf Basis dieser Bestimmung bzw. Messung wird auch abgeschätzt, wie die Emissionskurve am Anschlusspunkt 18 bei einer geän ¬ derten Schaltfrequenz, insbesondere einer gemäß dem oben be- schriebenen Ablauf geänderten Schaltfrequenz, aussehen wird. Diese Emissionskurve am Anschlusspunkt 18 ist abhängig von der zum Analysezeitpunkt vorliegenden frequenzabhängigen Netzimpedanz. Diese kann, wie weiter oben beschrieben, aus der Spannungsmessung, der Kenntnis des Spektrums des Stroms I WR des Wechselrichters 10 und der Übertragungsfunktion des

Netzfilters 20 ermittelt werden. Die geschätzte Emissionskur ¬ ve am Anschlusspunkt 18 bei einer geänderten Schaltfrequenz wird dadurch gewonnen, dass die aus der ermittelten Impedanz der Netzinduktivität 16 und der bekannten Topologie des Netz- filters 20 ermittelte Übertragungsfunktion (siehe FIG 2) auf das bei geänderter Schaltfrequenz erwartete Emissionsspektrum des Stromes I WR des Wechselrichters 10 angewandt wird. Diese berechnete Emissionskurve wird mit der Grenzwertkurve verglichen und es wird ausgewertet, ob die Grenzwerte einge ¬ halten sind. Der Vergleich kann mittels der Daten- / Messeinheit 22 oder mittels der Anpassungseinheit 28 erfolgen. Diese Berechnung wird vorteilhafterweise bei der kleinsten mögli ¬ chen Schaltfrequenz begonnen. Werden damit die Grenzwerte eingehalten, wird diese Schaltfrequenz gewählt und damit der bestmögliche Wirkungsgrad erreicht. Dies ist ein Beispiel da ¬ für, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs, näm- lieh dem Ergebnis, dass die Grenzwerte eingehalten werden, eine Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 angepasst wird. Die Auswahl der Schaltfrequenz und die Vorgabe der resultierenden Schaltfrequenz für den Wechselrichter 10 kann ebenfalls mittels der Daten- / Messeinheit 22 oder mittels der Anpassungseinheit 28 erfolgen.

Werden die Grenzwerte nicht eingehalten, so wird die Berech ¬ nung (mittels der Daten- / Messeinheit 22 oder mittels der Anpassungseinheit 28) mit einer um eine vorgegebene oder vor- gebbare Schrittweite (z.B. 100 Hz) erhöhten Schaltfrequenz wiederholt. Diese Wiederholungen werden so lange fortgesetzt, bis eine Schaltfrequenz gefunden ist, mit der die Grenzwert ¬ kurve eingehalten wird. Dies ist ein Beispiel dafür, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs, nämlich dem Ergeb- nis, dass die Grenzwerte nicht eingehalten werden, eine

Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 angepasst wird, nämlich iterativ angepasst wird. Wird bei maximal möglicher Schalt ¬ frequenz die Grenzwertkurve nicht eingehalten, so kann eine Warnung an den Betreiber des den Wechselrichter 10 umfassen- den Geräts abgesetzt werden, dass dieser momentan mit nicht normgerechten Netzrückwirkungen arbeitet.

Die Vorausberechnung der minimal möglichen Schaltfrequenz erfolgt zum Beispiel immer beim Einschalten des jeweiligen Ge- räts, welches das Wechselrichtersystem 12 umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorausberechnung auch regelmäßig während der ansonsten iterativen Anpassung der Schaltfrequenz erfolgen, zum Beispiel indem zu vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere äquidistanten Zeitpunkten jeweils eine

Vorausberechnung der Schaltfrequenz erfolgt und die ermittelte minimal mögliche Schaltfrequenz gewissermaßen als Start- wert für eine bis zur nächsten Vorausberechnung erfolgende iterative Anpassung (Korrektur) der Schaltfrequenz verwendet wird .

Insoweit kann die Vorausberechnung der minimal möglichen Schaltfrequenz die oben beschriebene iterative Anpassung der Schaltfrequenz sinnvoll ergänzen, zum Beispiel indem beim Einschalten mittels der Vorausberechnung die minimal mögliche Schaltfrequenz ermittelt und diese damit als optimaler Start ¬ wert für weitere betriebs- und lastbedingte Anpassungen ver- wendet wird. Bei einer regelmäßigen Vorausberechnung kann diese die iterative Anpassung der Schaltfrequenz auch ersetzen. Insofern handelt es sich bei der Vorausberechnung der minimal möglichen Schaltfrequenz auch um einen von der zuvor beschriebenen iterativen Anpassung der Schaltfrequenz unab- hängigen Aspekt der hier vorgestellten Neuerung.

Zur Ausführung einer solchen auf einer Vorausberechnung basierenden Anpassung der Schaltfrequenz ist ein Rückführzweig 30 mit einer Dateneinheit 22 zur Bestimmung / Messung der re- levanten Werte und einer Anpassungseinheit 28 ausreichend. Optional kann auch die Funktion der Dateneinheit 22 und der Anpassungseinheit 28 in einer einzelnen Einheit zusammenge- fasst sein, so dass der Rückführzweig 30 dann - je nach Be ¬ trachtungsweise - nur noch eine Dateneinheit 22 oder nur noch eine Anpassungseinheit 28 umfasst. Ein zur Ausführung aus ¬ schließlich eines solchen Verfahrens bestimmtes Wechselrichtersystem 12 mit einem Wechselrichter 10 und einem Netzfilter 20 umfasst entsprechend eine Dateneinheit 22 und/oder eine Anpassungseinheit 28, wobei mittels der Daten- oder Anpas- sungseinheit 22, 28 am netzseitigen Anschlusspunkt 18 des Wechselrichters 10 Werte, insbesondere Messwerte bezüglich der aktuellen Störaussendung des Wechselrichters 10 am Anschlusspunkt 18, bestimmbar sind, wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit 22, 28 ein geschätzter Verlauf einer Emissionskurve ermittelbar ist, wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit 22, 28 die geschätzte Emissionskurve mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzspektrum verglichen wird und wobei mittels der Daten- oder Anpassungseinheit 22, 28 in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schalt ¬ frequenz des Wechselrichters 10 anpassbar ist.

Verlustleistungsbetrachtung

Unabhängig von der Schaltungstopologie des Wechselrichters 10 und dem Typ der im Wechselrichter 10 verwendeten Leistungs- halbleiter gilt, dass die Schaltverluste mit der Höhe der Schaltfrequenz zunehmen. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters 10 kann also erhöht werden, wenn die Schaltfrequenz - wie beschrieben - stets so niedrig wie möglich gewählt wird.

Für die Verluste im Gesamtsystem von Wechselrichter 10 und Netzfilter 20 ist jedoch zu beachten, dass mit kleinerer Schaltfrequenz der Stromrippel (Stromanteil im schaltfrequen- ten Bereich) zunimmt und damit die Verluste im Netzfilter 20, speziell in der Kommutierungsdrossel, zunehmen. Im Einzelfall ist daher zu bewerten, ob insgesamt eine Reduzierung der Verluste erreicht wird. In der Regel ist der Verlustanstieg in der Drossel jedoch geringer als der Gewinn im Wechselrichter 10. Selbst wenn dies nicht der Fall sein sollte, kann der hier vorgeschlagene Ansatz sinnvoll sein, da die thermischen Zeitkonstanten der Drossel oder Drosseln erheblich größer sind als die thermischen Zeitkonstanten der Leistungshalblei- ter. Somit kann der Ansatz bei der Bewältigung von Überlastsituationen helfen. Zudem ist eine Erhöhung der mittleren Kühlleistung für den Netzfilter 20 häufig technisch einfacher und kostengünstiger realisierbar als eine entsprechende Kühlleistungserhöhung für die Leistungshalbleiter des Wechsel- richters 10.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereich ¬ ten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Es werden ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems 12 und ein nach dem Verfahren arbeitender Wechselrichter 10 angegeben, wobei eine Schaltfrequenz ermit- telt wird, die vorgegebenen oder vorgebbaren Gütekriterien genügt, wobei die Schaltfrequenz reduziert wird, solange die Gütekriterien eingehalten werden und ein entsprechender

Grenzwert oder entsprechende Grenzwerte nicht verletzt wird bzw. werden. Indem die Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 so lange reduziert wird, solange keine Grenzwertverletzung besteht, ergibt sich vorteilhaft eine Verringerung der Ver ¬ lustleistung. Wenn es im Betrieb zu einer Grenzwertverletzung kommt, wird die Schaltfrequenz erhöht, bis die Grenzwertverletzung nicht mehr besteht. Für den jeweils zugrunde liegen- den Betriebs- oder Lastzustand ist diese Schaltfrequenz eine Schaltfrequenz, die dem Gütekriterium oder den Gütekriterien genügt, und auch die erhöhte Schaltfrequenz ist eine optimale Schaltfrequenz in dem Sinne, als diese die für den Betriebs ¬ oder Lastzustand minimal mögliche Schaltfrequenz darstellt.

Die hier vorgestellte Neuerung ist demnach ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichtersystems 12 und ein korrespondie ¬ rendes Wechselrichtersystem 12, welches einen Wechselrichter 10, einen Netzfilter 20 und einen Rückführzweig 30 vom Netz- filter 20 zum Wechselrichter 10 umfasst, wobei mittels einer Daten- oder Messeinheit 22 Werte bzw. Messwerte bezüglich ei ¬ ner aktuellen Störaussendung des Wechselrichters 10 bestimmt bzw. erfasst werden, wobei mittels einer Auswertungseinheit 24 ein Maß für die aktuelle Störaussendung, insbesondere ein Betragsspektrum der erfassten Werte oder Messwerte, ermittelt wird, wobei mittels einer Bewertungseinheit 26 das Maß für die Störaussendung, insbesondere das Betragsspektrum, mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert bzw. Grenzspekt- rum verglichen wird und wobei mittels einer der Daten- oder Messeinheit 22, der Auswertungseinheit 24 und der Bewertungs ¬ einheit 26 im Rückführzweig 30 nachfolgenden Anpassungseinheit 28 in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eine Schaltfrequenz des Wechselrichters 10 anpassbar ist und im Betrieb angepasst wird.