TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Aufrechterhaltung und Stabilisierung eines Gleichstromnetzes (DC- Netz) zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern (Lasten). An ein derartiges DC-Netz können Gleichstromverbraucher (DC-Lasten) über Gleichspannungswandler (DC/DC- Wandler) und/oder Wechselstromverbraucher (AC-Lasten) über Wechselrichter (DC/AC- Wandler) angeschlossen sein. Daneben können Umrichter zur Verbindung des DC-Netzes mit einem Wechselstromnetz (AC-Netz), elektrische Energiespeicher sowie Energieerzeugungsanlagen mit Energiequellen und weiteren DC/DC-Wandlern an das DC- Netz angeschlossen sein. Die Energiequellen können dabei insbesondere Photovoltaik- Generatoren (PV-Generatoren) oder Windturbinen umfassen.

Zum stabilen Betrieb des DC-Netzes ist eine Regelung der elektrischen Parameter des DC- Netzes notwendig. Insbesondere ist eine Stabilisierung der Gleichspannung auf einen Wert in einem zulässigen Bereich um eine Nennspannung erforderlich, um die Verbraucher am DC- Netz zuverlässig zu betreiben. Dabei können ausgewählte Komponenten des DC-Netzes autonom zur Stabilisierung der Gleichspannung beitragen oder durch geeignete Steuereinheiten entsprechend gesteuert werden.

Ein wesentliches Kriterium für die Stabilität eines DC-Netzes ist insbesondere die sogenannte transiente DC-Spannungsstabilität. Ein transienter Vorgang wie beispielsweise ein plötzliches Einschalten oder Ausschalten einer großen Last führt zu einem plötzlichen Leistungs ungleichgewicht im DC-Netz. Dieses Leistungsungleichgewicht verursacht insbesondere eine Abweichung der Gleichspannung vom Nennwert und muss schnellstmöglich ausgeglichen werden, um die Gleichspannung im zulässigen Bereich zu halten. Dazu ist insbesondere eine sogenannte Momentanreserve notwendig, die schnell und zuverlässig auf Abweichungen der Gleichspannung von der Nennspannung reagiert und eine geeignete Momentan-Reserve- leistung zum Ausgleich des Leistungsungleichgewichts bereitstellt. STAND DER TECHNIK

In DC-Netzen mit einer DC-Netzkapazität C _DC ist insbesondere die Gleichspannung U _DC eine charakteristische Netzgröße. Die Gleichspannung U _DC hängt von der Energie- und Wirkleistungsbilanz zwischen Zufluss IN und Abfluss OUT an der DC-Netzkapazität C _DC ab, und zwar gemäß:

Insbesondere wenn die resultierende DC-Netzkapazität C _DC kostengünstig aufgebaut ist und daher im DC-Bus lediglich eine in Summe kleine Energiemenge zwischengespeichert ist, verursachen Betriebszustände, bei denen Energie in den DC-Bus fliest, ohne in ausreichendem Maße abfließen zu können, einen schnellen Anstieg der Gleichspannung im DC-Bus. Dies kann zur Abschaltung von elektromechanischen Geräten und damit beispielsweise im industriellen Umfeld zu einem Prozessstopp oder im ungünstigsten Fall zu einer Gerätezerstörung führen.

Hinsichtlich der Stabilisierung der Gleichspannung und der gleichberechtigten Leistungsaufteilung in DC-Netzen sind Konzepte bekannt, die auf einer dezentralen Droop- Regelung basieren. Dabei wird in einem DC-Netz die Gleichspannung U _DC gemäß in ihrer Anderungsrate U _DC mittels eines elektrischem Energiespeicher begrenzt, der durch die Kapazität C _DC repräsentiert wird,

• in ihrer Abweichung vom Nennwert AU _DC = U _DC - U _DC0 begrenzt, indem die in den DC-Bus einfließende Leistung P, _N und die aus dem DC-Bus rausfließende Leistung P _0UT gemäß P(t/ _Dc )-Statik angeglichen werden,

• zurück auf ihren Nennwert U _DC0 geführt, indem die dazu notwendige Energie W = f (P, _N - P _Q UT ) dt und Leistung AP = P, _N - P _0UT bereitgestellt wird.

DC-Netze weisen häufig einen Gleichspannungszwischenkreis (DC-Bus) auf, an den eine Vielzahl einzelner elektrischer Komponenten angeschlossen sein kann. Die Komponenten können räumlich erheblich beabstandet sein und im Betrieb über entsprechende elektrische Leitungen elektrische Leistungen mit dem DC-Bus austauschen. Die von einer Komponente mit dem DC-Bus ausgetauschte Leistung kann von ihrem jeweiligen Betriebszustand abhängen oder gezielt vorgegeben werden. Viele Komponenten weisen dabei Stromrichtereinheiten auf, über die elektrische Leistung beispielsweise vom DC-Bus in einen Verbraucher oder einen Speicher oder aus einem Speicher oder einer Energieerzeugungseinheit in den DC-Bus fließt. Charakteristisch für ein solches DC-Netz ist somit eine uni- oder bidirektionale Verbindung von Quellen und Senken mit dem DC-Bus, wobei die Quellen und Senken über Stromrichter mit dem DC-Bus verbunden sind. Der DC-Bus weist eine begrenzte Energiespeicherkapazität auf, die durch eine dezidierte Zwischenkreiskapazität und/oder Kapazitäten in den Stromrichtereinheiten selbst vorgegeben sein kann. Damit das DC-Netz stabil bei der Nennspannung oder in einem Spannungsbereich um die Nennspannung betrieben werden kann sind daher geeignete Steuer- und/oder Regelungsverfahren zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus notwendig.

In einem derartigen DC-Netz können Betriebszustände auftreten, in denen Energie in den DC- Bus fließt, ohne in ausreichendem Maße abfließen zu können, oder umgekehrt. Dadurch kann es zu unzulässigen Abweichungen der Gleichspannung von der Nennspannung kommen. Dies tritt insbesondere beim elektrischen Abbremsen eines elektrischen Antriebs oder auch bei einer stark unterschiedlichen Dynamik von Energie zuführenden und Energie abführenden Stromrichtern auf. Wenn die aus dem DC-Netz abfließende Leistung zu einem wesentlichen Anteil aus einem übergeordneten AC-Netz bezogen wird, können zudem Netzfehler im AC- Netz die DC-Spannung erheblich beeinflussen. Beispielsweise kann ein zwischen DC- und AC-Netz angeordneter Stromrichter durch Bereitstellung von AC-Regelleistung zur Stabilisierung des AC-Netzes im Falle eines Netzfehlers im AC-Netz beitragen und dadurch derart ausgelastet sein, dass der Stromrichter keinen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung der Gleichspannung mehr leisten kann.

Im DC-Netz sind demnach Vorrichtungen und Verfahren zur Spannungshaltung notwendig, um die Gleichspannung im DC-Bus im zulässigen Bereich um die Nennspannung zu halten. An dieser Regelungsaufgabe können sich die am DC-Bus angeschlossenen Einheiten in unterschiedlichem Maße beteiligen, wobei nicht alle Einheiten in dem System konstruktiv zur Spannungshaltung beitragen können. Insbesondere solche Einheiten, die an industriellen Prozesse mitwirken, beispielsweise Motoren oder Aktoren, können nicht oder nur sehr begrenzt zur Spannungshaltung beitragen, da ihr Betrieb und damit ihre Leistungsaufnahme sich an den industriellen Prozessen selbst orientieren. Solche weitgehend autark operierende Einheiten benötigen vielmehr eine möglichst konstante Gleichspannung im DC-Bus, die eine störungsfreie Leistungsaufnahme für den Betrieb dieser Einheiten ermöglicht, wobei teils strenge Anforderungen an die stationäre Genauigkeit sowie an das Führungsverhalten und insbesondere an das Störverhalten bei der Regelung der Prozessgrößen bestehen. Energieerzeugungsanlagen mit erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik (PV) oder Wind können an den DC-Bus angeschlossen sein und eine elektrische Leistung in den DC-Bus ein speisen, die in der Regel an der maximal verfügbaren Leistung der jeweiligen Energiequelle ausgerichtet ist. Dadurch wird die erneuerbare Energiequelle maximal ausgeschöpft; andererseits kann die volatile Natur der verfügbaren Leistung der Energiequelle zu Leistungs schwankungen führen, die die Gleichspannung im DC-Bus negativ beeinflussen können.

Ein Chopper-Wderstand bzw. eine steuerbare Dump Load können im DC-Netz angeordnet und bei Überschreiten eines Schwellwerts durch die Gleichspannung im DC-Bus über leistungselektronische Schalter parallel zum DC-Bus geschaltet werden, bevor die Gleichspannung eine unzulässige Höhe erreicht. Sobald die Gleichspannung ausreichend abgenommen hat, wird der Chopper-Wderstand wieder vom DC-Bus getrennt. Dieser Vorgang wiederholt sich, wenn die Gleichspannung im DC-Bus wieder über den Schwellwert ansteigt. Die Verwendung eines solchen Chopper-Wderstands hat jedoch eine Reihe von Nachteilen, insbesondere einen zusätzlichen Platzbedarf sowie eine starke Erhitzung bei Umsetzung einer hoher Überschussleistung, mit der eine erhöhte Brandgefahr in sensiblen Umgebungen und/oder ein erheblicher Kühlaufwand einhergeht. Zudem ist eine konkrete Auslegung der benötigten Chopper-Wderstände für ein ausgedehntes, insbesondere ein öffentliches DC-Netz sowie für große Überschussleistungen aufwändig, komplex und teuer.

In einem DC-Netz kann z.B. in folgenden Fällen eine Überspannung auftreten, wobei die Wahrscheinlichkeit für eine unzulässige Überspannung im DC-Bus steigt, je höher die Nennspannung U _DC0 im DC-Bus ist:

Elektrisches Abbremsen eines elektrischen Antriebs

Ein mit dem DC-Bus verbundener elektrischer Antrieb kann in bestimmten Betriebszuständen vom Motor zum Generator werden, z.B. beim elektrischen Abbremsen eines Roboterarms, eines Fahrstuhls in Gebäuden, einer Zentrifuge, einer Pumpe, einer Seilbahn bei der Bergabfahrt, oder eines Elektrofahrzeugs. Ein Teil der Rotations-Energie des Antriebs wird dabei in den DC-Kreis zurückgespeist und führt dadurch zu einem Leistungsüberschuss im DC-Bus. Beim Abbremsen eines elektrischen Antriebs mit konstantem Bremsmoment kann die Bremsdauer je nach Prozess mehrere Sekunden oder sogar Minuten betragen.

Um eine Beschädigung von Komponenten durch eine aus der Rückspeisung der Bremsenergie resultierende Spannungserhöhung im DC-Bus zu verhindern, müssen Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um die Gleichspannung im DC-Bus unterhalb eines maximal zulässigen Wertes zu halten. Zu diesem Zweck sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungsansätze bekannt. Mittels einer sogenannten AC-Crowbar kann das Abbremsen elektrischer Antriebe durch AC- seitigen Kurzschluss der Generatorwicklung über schaltbare Widerstände erfolgen. Diese Schaltung ist sehr robust und kommt oft für die Notausfunktion einer Industrieanlage zum Einsatz. Nachteilig ist daran jedoch, dass ein zusätzlicher Wderstand sowie dessen geeignete Ansteuerung und Kühlung vorgesehen werden müssen, letzteres insbesondere, wenn eine hohe Überschussleistung über längere Zeit aufgenommen werden muss.

Weitere bekannte Lösungen umfassen eine Abführung der Überschussenergie aus dem DC- Bus bzw. aus dem Antrieb über einen Bypass am DC-Bus vorbei in ein (anderes) elektrisches Netz oder in einen Energiespeicher. Dies funktioniert soweit, wie die stromabführenden Stromrichter die entsprechende Überschussleistung tatsächlich umsetzen und in eine entsprechende Senke einspeisen können und nicht etwa bereits selbst ausgelastet sind.

Eine Abführung der Überschussleistung zur weiteren Verwendung in einem Speicher und/oder einem AC-Netz ist nicht möglich, wenn kein Energiespeicher verfügbar ist oder wenn zwischen DC-Bus und einem übergeordneten AC-Netz lediglich unidirektionale AC/DC-Gleichrichter angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können daher steuerbare Wderstände (sogenannte Chopper-Widerstände oder Dump Loads) am DC-Bus angeschlossen bzw. mit dem DC-Netz verbindbar sein. In der Regel werden diese Widerstände aktiviert und verheizen überschüssige Leistung, wenn die Gleichspannung einen definierten Schwellwert überschreitet. Solche Chopper-Wderstände können zudem angewendet werden, wenn eine Rückspeisung in ein anderes elektrische Netz dessen Stabilität gefährden würde, so dass nicht oder nicht ausreichend in dieses andere Netz zurück gespeist werden kann.

Bereitstellung von Regelleistung und Netzstützung für das öffentliche AC-Netz durch DC/AC-Stromrichter zwischen DC-Netz und AC-Netz

Ein Stromrichter, der zwischen einem DC-Netz und einem übergeordneten Netz angeordnet ist und das DC-Netz mit einer erheblichen elektrischen Leistung aus dem übergeordneten Netz versorgt, kann dazu verpflichtet sein, zur Stabilisierung des übergeordneten Netzes beizutragen. Insbesondere wenn das übergeordnete Netz ein AC-Netz mit geringer Schwungmassenträgheit ist und/oder regelmäßig hohe elektrische Leistungen im Megawatt- Bereich zwischen DC-Netz und dem übergeordneten Netz ausgetauscht werden, kann es erforderlich sein, dass das DC-Netz eine virtuelle Schwungmassenträgheit darzustellt und eine unmittelbar verfügbare Momentanreserveleistung für das übergeordnete Netz mittels des DC/AC-Stromrichters bereitzustellt. Die Wrkleistung des DC/AC-Stromrichters kann in Abhängigkeit von der Abweichung der Netzfrequenz im AC-Netz von einer Nominalfrequenz sowie alternativ oder zusätzlich proportional zum Frequenzgradienten der Netzfrequenz variiert werden. Beispielsweise kann von Stromrichtern, die an das Europäische Verbundnetz oder ein Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetz (HGÜ-Netz) angeschlossen sind, gefordert werden, ihre volle positive bzw. negative Nennleistung für mindestens 500 Millisekunden als Momentanreserve zur Verfügung stellen zu können. Dazu ist ein entsprechend großer Energiespeicher erforderlich, der entweder im oder am DC/AC-Strom- richter oder anderweitig im DC-Netz angeordnet und entsprechend ansteuerbar sein kann.

Eine tatsächliche Bereitstellung der Momentanreserve für das AC-Netz durch einen Strom richter, der an sich zur Versorgung eines DC-Netzes aus einem übergeordneten Netz vorgesehen ist, kann ein plötzliches signifikantes Leistungsungleichgewicht im DC-Netz hervorrufen. Insbesondere können Überspannungen im DC-Bus auftreten, wenn ein DC/AC- Stromrichter aufgrund einer Überfrequenz im übergeordneten AC-Netz eine Einspeisung in das DC-Netz plötzlich erhöhen bzw. einen Bezug aus dem DC-Netz plötzlich verringern muss und somit einen Leistungsüberschuss im DC-Netz bewirkt. Der daraus potentiell resultierenden Überspannung im DC-Netz kann wiederum durch ein Verheizen der Überschussleistung in einem Chopper-Widerstand entgegengewirkt werden, insbesondere wenn die Energie nicht anderweitig verwendet oder gespeichert werden kann.

Eine ähnliche Situation ergibt sich bei einem Netzfehler im übergeordneten Netz, wobei zwischen einem Netzspannungseinbruch und einem Netzspannungsanstieg zu unterscheiden ist. Temporäre Netzspannungseinbrüche infolge von Kurzschlüssen im übergeordneten Netz werden gemäß normativer Anforderungen bis zur Fehlerklärung vom netzseitigen Stromrichter durchfahren, indem proportional zur Spannungseinbruchstiefe für eine definierte Zeit priorisiert ein Blindstrom eingespeist wird (sogenanntes Fault-Ride-Through, FRT). Dabei kann sich der Stromrichter nicht (mehr) an der Stabilisierung des DC-Netzes beteiligen, da die Bereitstellung des FRT-Blindstroms gegenüber dem Austausch der notwendigen Wirkleistung priorisiert ist. Dadurch kann der Wirkleistungsaustausch zwischen DC-Netz und AC-Netz im Extremfall für die gesamte FRT-Fehlerdauer komplett unterbrochen werden. Ein solches Verhalten eines zwischen DC-Netz und übergeordnetem Netz angeordneten Stromrichters gefährdet die Spannungsstabilität des DC-Netzes, wenn der hier zu Tage tretende Zielkonflikt zugunsten der Stabilisierung des übergeordneten Netzes aufgelöst wird. Zudem ist absehbar, dass Netzschutzmechanismen in AC-Netzen mit geringer Schwungmassenträgheit, d.h. insbesondere mit einem abnehmenden Anteil an Synchronmaschinen, eine zunehmend längere Zeit bis zur Auslösung und Fehlerbeseitigung benötigen und infolgedessen mit zunehmenden Fehlerdauern zu rechnen ist. Dies führt dazu, dass DC/AC-Stromrichter für eine längere Zeit nicht zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus beitragen, so dass es alternativer Regelungsmechanismen zur Stabilisierung der DC-Busspannung bedarf.

Darüber hinaus kann eine kurzzeitig erhöhte Rückspeisung aus dem übergeordneten Netz in den DC-Bus und damit ein schneller Spannungsanstieg im DC-Bus auftreten, wenn die AC- Netzspannung nach Klärung eines Kurzschlussfehlers im übergeordneten Netz wiederkehrt und/oder wenn eine temporäre Überspannung im übergeordneten Netz vorliegt. Zusätzlich kann es bei unsymmetrischen Netzfehlern im übergeordneten Netz zu einem unsymmetrischen Leistungsaustausch zwischen DC-Netz und dem übergeordneten Netz kommen. Dadurch können Schwingungen in der DC-Spannung entstehen, die ebenfalls zu Überspannungen führen können.

Falls derartige Leistungsungleichgewichte im DC-Netz durch sowieso vorhandene Komponenten im DC-Netz, etwa regelbare elektrische Antriebe, nicht schnell genug ausgeglichen werden können, kann gemäß Stand der Technik auf Chopper-Widerstände oder eine elektronische Last zurückgegriffen werden.

AC-seitige Begrenzung oder Nennleistungsbetrieb der netzseitigen Stromrichter bei voller Netzeinspeisung aus dem DC-Teilnetz in ein öffentliches Energienetz

Aus wirtschaftlicher Sicht kann es erstrebenswert sein, alle Verbraucher im DC-Netz mit Energie aus erneuerbaren Quellen zu versorgen, die an das DC-Netz selbst angeschlossen sind, und überschüssige Energie in ein übergeordnetes Netz einzuspeisen. Dabei können Situationen auftreten, in denen die Stromrichter, die Leistung aus dem DC-Netz in das übergeordnete Netz abführen, bereits nahe ihrer zulässigen Maximalleistung arbeiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Einspeisung in das übergeordnete Netz zumindest zeitweise begrenzt werden, beispielsweise aufgrund eines Leistungsüberschusses im übergeordneten Netz. Dadurch existiert kaum Spielraum, um sich an der Stabilisierung der DC-Spannung zu beteiligen, etwa zusätzliche überschüssige Leistung aus dem DC-Netz in das übergeordnete Netz zu transferieren.

Im Falle eines plötzlichen Leistungsüberschusses im DC-Bus könnte somit zur DC- Spannungshaltung die überschüssige Leistung entweder irgendwo verbraucht werden, was aus prozesstechnischen Gründen nicht immer möglich ist, oder in einem Chopper-Widerstand verheizt werden, insbesondere wenn andere Komponenten im DC-Teilnetz ihre Leistung nicht oder nicht schnell genug geeignet ändern können. Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik folgende Maßnahmen zum Schutz vor Überspannungen in einem DC-Netz bekannt:

Eine größere Auslegung der DC-Zwischenkreiskapazität, in jedem DC-seitig gekoppelten Stromrichter individuell oder im DC-Netz insgesamt, ist insbesondere aufgrund der benötigten Hardware aufwändig und teuer.

Eine schnellere Regelung der Stromrichter zwischen DC-Netz und einem übergeordnetem Netz ist mit herkömmlichen Stromrichtern nicht immer möglich und erfordert teurere Bauteile. Aus der EP 1 929 604 A1 ist bekannt, Brückenschalter eines Stromrichters kurzzuschließen; dies kann bei einer länger andauernden Überspannung zu einer hohen Erwärmung der Schalter führen und ist insofern nur kurzfristig anwendbar.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und robuste Lösung zur Spannungshaltung und zum Schutz vor transienten Überspannungen in DC-Netzen bereitzustellen.

LOSUNG

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei einem Verfahren zur Stabilisierung einer Gleichspannung in einem DC-Netz umfasst das DC-Netz einen DC-Bus, der die Gleichspannung aufweist. An den DC-Bus sind eine Energie erzeugungsanlage und mindestens eine Last angeschlossen, und der DC-Bus ist an ein übergeordnetes Netz angeschlossen. Zwischen dem DC-Bus und dem übergeordneten Netz wird eine elektrische Netzleistung ausgetauscht, die variiert wird, um eine Gleichspannung im DC-Bus bei einer Nennspannung zu halten. Die Energieerzeugungsanlage umfasst einen PV- Generator, der über einen Gleichspannungswandler mit dem DC-Bus verbunden ist und mit dem DC-Bus eine elektrische Generatorleistung austauscht. Die Generatorleistung wird in einem Normalbetriebsmodus durch den Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von einer MPP-Leistung des PV-Generators auf eine Normalbetriebsleistung eingestellt, wobei die Normalbetriebsleistung in vorgegebener Relation zur MPP-Leistung des PV-Generators variabel eingestellt wird oder unabhängig von der MPP-Leistung des PV-Generators fest eingestellt wird. Die Gleichspannung im DC-Bus wird durch die Energieerzeugungsanlage überwacht. In einem Netzstützungsmodus wird die Generatorleistung in Abhängigkeit von der Gleichspannung im DC-Bus auf eine Netzstützungsleistung eingestellt, um einem Leistungsungleichgewicht zwischen der dem DC-Bus insgesamt zugeführten elektrischen Leistung und der dem DC-Bus insgesamt entnommenen Leistung entgegen zu wirken, wobei die Netzstützungsleistung in Abhängigkeit von einer Abweichung der Gleichspannung von ihrem Nennwert und/oder von einer Änderungsrate der Gleichspannung eingestellt wird. Ein solches DC-Netz umfasst Nicht-PV-Stromrichter, insbesondere solche, die eine elektrische Netzleistung zwischen dem DC-Bus und dem Energieversorgungsnetz austauschen und im Normalbetrieb die stationäre Regelung der DC-Bus-Spannung übernehmen. Dabei wird angestrebt, die DC-Bus-Spannung in einem zulässigen Spannungsband um die Nennspannung U NOM ZU halten, indem die elektrische Netzleistung geeignet variiert wird. Die Regeldynamik dieser Nicht-PV-Stromrichter ist jedoch vergleichsweise langsam und durch eine zeitweise oder dauerhaft begrenzte Leistungsaufnahmefähigkeit gekennzeichnet. Daher können Nicht-PV-Stromrichter in einem Netzstützungsbetrieb, der insbesondere aufgrund der eingangs beschriebenen Effekte in DC-Netzen auftreten kann, die DC-Bus-Spannung nur eingeschränkt oder gar nicht innerhalb des zulässigen Spannungsbandes um die Nennspannung halten. Durch die Einstellung der Generatorleistung auf eine Netzstützungs leistung kann die Energieerzeugungsanlage im Netzstützungsbetrieb einen entscheidenden Beitrag zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus liefern. Dabei zeichnet sich der Gleichspannungswandler der Energieerzeugungsanlage durch eine vergleichsweise hohe Regeldynamik aus, so dass durch den Beitrag der Energieerzeugungsanlage auch transienten Überspannungen entgegengewirkt wird. Insbesondere die Vermeidung von Überspannungen aufgrund der eingangs beschriebenen Effekte wird erheblich verbessert.

Konkret kann die Einstellung der Generatorleistung im Netzstützungsmodus erfolgen, wenn die Gleichspannung im DC-Bus einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Dadurch wirkt die Energieerzeugungsanlage gezielt Überspannungen im DC-Bus entgegen. Insbesondere kann die Generatorleistung dabei durch eine Taktung von Leistungshalbleitern des Gleichspannungswandlers eingestellt werden. Im Normalbetriebsmodus wird dazu eine am PV-Generator anliegende PV-Spannung mittels einer ersten Taktrate auf eine Normalbetriebs spannung eingestellt, beispielsweise auf die MPP-Spannung oder eine von der MPP- Spannung abweichende Spannung. Im Netzstützungsmodus wird die Generatorleistung demgegenüber reduziert, indem der Gleichspannungswandler derart mittels einer zweiten Taktrate betrieben wird, dass die PV-Spannung sich in Richtung der Gleichspannung ändert.

In einer Ausführungsform des Verfahrens tritt der Netzstützungsmodus ein und der Gleichspannungswandler wird mit der zweiten Taktrate betrieben, wenn die Gleichspannung im DC-Bus einen Grenzwert oder einen um eine Hysterese vom Grenzwert nach oben abweichenden Wert überschreitet. Wenn die Gleichspannung den Grenzwert oder einen um eine Hysterese vom Grenzwert nach unten abweichenden Wert unterschreitet, tritt wieder der Normalbetriebsmodus ein und der Gleichspannungswandler wird mit der ersten Taktrate getaktet betrieben. Durch die Einstellung der Netzstützungsleistung anhand einer Änderung der Taktrate des Gleichspannungswandlers, die die Generatorspannung in Richtung der Gleichspannung im DC-Bus treibt, ist eine besonders effektive Reaktion auf eine Überspannung im DC-Bus möglich. Bevorzugt wird der Gleichspannungswandler im Netzstützungsmodus gar nicht getaktet, indem die zweite Taktrate je nach konkreter Topologie den Wert null bzw. eins aufweist, so dass unter Berücksichtigung etwaiger Kapazitäten und Induktivitäten des Gleichspannungswandlers der größtmögliche Spannungsgradient zwischen Gleichspannung im DC-Bus und PV-Spannung genutzt wird.

Bei Verwendung einer zweiten Taktrate von null bzw. eins kann die PV-Spannung an die Gleichspannung im DC-Bus angeglichen werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Gleichspannungswandler im Netzstützungsmodus darüber hinaus derart betrieben werden, dass die PV-Spannung gegenüber der Gleichspannung weiter angehoben wird, wenn die PV-Spannung sich an die Gleichspannung angeglichen hat und die Gleichspannung im DC-Bus den Grenzwert weiterhin überschreitet. Dadurch kann die Differenz zwischen der Normalbetriebsleistung und der Netzstützungsleistung, mithin die Regelleistung der Energieerzeugungsanlage, weiter erhöht werden, so dass noch höhere Leistungsungleich gewichte im DC-Netz ausgeglichen werden können. Dabei kann sich das Vorzeichen der Generatorleistung ändern, so dass eine im Normalbetrieb vorherrschende Einspeisung von Generatorleistung aus dem PV-Generator in den DC-Bus durch eine Rückspeisung von Generatorleistung aus dem DC-Bus in den PV-Generator ersetzt wird.

Die Änderung der Generatorleistung erfolgt somit bevorzugt durch Erhöhung der PV- Spannung (sogenanntes Rechts-Derating, d.h. Abregelung in Richtung der Leerlaufspannung des PV-Generators). Eine entsprechende Änderung durch Absenken der PV-Spannung in Richtung Kurzschluss ist grundsätzlich auch möglich, wobei eine Rückspeisung in diesem Fall durch ein Umpolen der Spannung am PV-Generator bewirkt werden kann.

Bevorzugt ist die Netzstützungsleistung um eine aktuell bereitgestellte PV-Regelleistung kleiner als die Normalbetriebsleistung. Die Netzstützungsleistung kann ein umgekehrtes Vorzeichen gegenüber der Normalbetriebsleistung aufweisen, wenn die Abweichung der Gleichspannung im DC-Bus von ihrem Nennwert und/oder wenn die Änderungsrate der Gleichspannung im DC-Bus einen PV-Regelleistungsbetrag erfordert, der größer als die aktuelle MPP-Leistung und damit auch größer als die Normalbetriebsleistung des PV- Generators ist. Anders ausgedrückt ist die Energieerzeugungsanlage in der Lage, eine PV- Regelleistung zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus bereitzustellen, die die MPP- Leistung des PV-Generators deutlich übersteigt. Die PV-Regelleistung kann somit mindestens die Summe aus der aktuellen MPP-Leistung und der Nennleistung des PV-Generators betragen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Änderungsrate der Gleichspannung aus einer Ableitung einer Spannungsmessung oder aus einer Strommessung ermittelt. Insbesondere die Ermittlung der Änderungsrate der Gleichspannung aus einer Strommessung stellt erhebliche geringere Anforderungen an die notwendige Messtechnik und ist zudem schneller und genauer, da auf die Bildung einer Ableitung verzichtet werden kann.

An den DC-Bus kann ein Energiespeicher angeschlossen sein, der eine Speicherleistung mit dem DC-Bus austauscht. Die Speicherleistung kann im Normalbetriebsmodus gleich null sein oder ein Laden des Speichers umfassen. Im Netzstützungsmodus kann die Speicherleistung ein Entladen des Speichers umfassen, um einer Reduzierung der Gleichspannung im DC-Bus gegenüber ihrem Nennwert entgegen zu wirken. Insofern trägt der Energiespeicher komplementär zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus bei, indem er einer Unter spannung entgegenwirkt, während die Energieerzeugungsanlage dazu eingerichtet ist, einer Überspannung entgegenzuwirken.

Konkret kann in dem Netzstützungsbetrieb die Speicherleistung gegebenenfalls erhöht werden, um einem Leistungsdefizit im DC-Bus entgegen zu wirken, und die PV-Leistung gegebenenfalls gesenkt werden, um einem Leistungsüberschuss im DC-Bus entgegen zu wirken. Dabei kann in dem Normalbetriebsmodus ein Ladezustand des Energiespeichers angestrebt werden, der zwischen 90% und 100% der Ladekapazität des Energiespeichers liegt. Damit steht ein Großteil der Kapazität des Energiespeichers für die Einspeisung von stabilisierender Regelleistung im Falle eines Leistungsdefizits zur Verfügung. Dies ist nur möglich, wenn der Energiespeicher nicht zur Stabilisierung der Gleichspannung im Falle eines Leistungsüberschusses im DC-Netz zuständig ist, indem in einem solchen Fall die Energie erzeugungsanlage die notwendige stabilisierende Regelleistung zur Verfügung stellt.

In einer weiteren Ausführungsform Verfahren ist der DC-Bus über einen bidirektionalen Leistungswandler mit dem übergeordneten Netz verbunden. Der bidirektionale Leistungs wandler ist dabei als Gleichspannungswandler ausgeführt, wenn das übergeordnete Netz ein weiteres DC-Netz umfasst. Alternativ ist der bidirektionale Leistungswandler als Wechsel richter ausgeführt, wenn das übergeordnete Netz ein Wechselspannungsnetz (AC-Netz) umfasst. Die elektrische Netzleistung, die überden bidirektionalen Leistungswandler zwischen dem DC-Bus und dem übergeordneten Netz ausgetauscht wird, kann insbesondere in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften des übergeordneten Netzes zur Stabilisierung des übergeordneten Netzes eingestellt werden. Dabei trägt die Netzleistung in bestimmten Situationen, insbesondere wenn Regelleistung zur Stabilisierung des übergeordneten Netzes bereitgestellt werden muss, gerade nicht oder zumindest nicht bevorzugt zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus bei, sondern kann im Gegenteil destabilisierend wirken. Dieser Effekt wird jedoch durch die Bereitstellung von Regelleistung durch die Energieerzeugungs anlage effektiv überkompensiert, so dass der bidirektionale Leistungswandler Regelleistung zur Stabilisierung des übergeordneten Netzes bereitstellen kann, ohne dass dadurch die Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus beeinträchtigt wird. Der DC-Bus kann über den Gleichspannungswandler mit einem Versorgungsnetz auf Gleich spannungsbasis und gleichzeitig über den Wechselrichter mit einem Energieversorgungsnetz auf Wechselspannungsbasis verbunden sein und sowohl eine DC-Netzleistung als auch eine AC-Netzleistung austauschen. Dadurch entsteht ein weiterer Freiheitsgrad für das Verfahren, der zur optimalen Verwertung der vom PV-Generator erzeugten Energie genutzt werden kann, insbesondere wenn eines der übergeordneten Netze nicht oder nur eingeschränkt für den Austausch von Netzleistung verfügbar ist.

Zudem kann in dem Normalbetriebsmodus eine Netzleistung von dem DC-Bus in das AC-Netz und/oder das weitere DC-Netz fließen. Die Netzleistung kann dabei im Normalbetriebsmodus eine Überschussleistung umfassen, die einer Differenz zwischen der von der Energieerzeugungsanlage erzeugten Generatorleistung und der von dem Verbraucher und/oder der Maschine verbrauchten Leistung entspricht.

Ein Gleichspannungswandler zur Verbindung eines PV-Generators mit einem DC-Bus eines DC-Netzes ist zum Austausch elektrischer Leistung zwischen dem PV-Generator und dem DC-Bus eingerichtet und umfasst eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß der vorangehenden Beschreibung auszuführen.

Zusammenfassend wurde ein Verfahren zur Stabilisierung der Gleichspannung in einem DC- Bus offenbart, dass insbesondere zum Schutz vor Überspannungen im DC-Bus aufgrund transienter Leistungsungleichgewichte zwischen Erzeugung und Verbrauch in einem DC-Netz geeignet ist. Das betreffende System umfasst mindestens einen am DC-Bus über einen Gleichspannungswandler gekoppelten PV-Generator, wobei der PV-Gleichspannungswandler dazu eingerichtet ist,

- Leistung bzw. Strom aus dem PV-Generator zu entnehmen und in den DC-Bus zu speisen sowie optional Leistung bzw. Strom aus dem DC-Bus zu entnehmen und in den PV-Generator zu speisen;

- die DC-Bus-Spannung zu überwachen,

- alternativ oder zusätzlich den Stromfluss im DC-Bus bzw. in einer Teilkapazität des DC-Bus zu überwachen, insbesondere mittels eines in Reihe zur DC-Bus-(Teil-)Kapazität angeordneten Stromsensors,

- den PV-Generator im Normalbetriebsmodus unabhängig von der DC-Bus-Spannung im oder nahe dem Punkt maximaler Leistungsabgabe (MPP) zu betreiben,

- seine Betriebsweise abweichend von den im Normalbetriebsmodus vorgesehenen Regelungszielen, insbesondere unabhängig vom MPP des PV-Generators abzuwandeln, um in einem Netzstützungsmodus insbesondere einer Änderung der Gleichspannung im DC-Bus entgegenzuwirken, und - im Netzstützungsmodus die PV-Leistung kontrolliert abzuregeln, d.h. Strom, Leistung und Arbeitspunkt auf der Kennlinie des PV-Generators zu ändern, und ggfs. Leistung in den PV- Generator zu speisen und dort in Wärme umzuwandeln.

Im Netzstützungsmodus wird eine PV-Leistung bereitgestellt, die abhängig ist von der Amplitude, der Abweichung vom Nominalwert und/oder der Änderungsrate der Gleichspannung im DC-Bus bzw. von der Amplitude des Stroms im DC-Bus oder in einer Teilkapazität des DC-Bus.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass etwaigen Leistungsungleichgewichten im DC- Bus mittels des PV-Generators entgegengewirkt wird, so dass eine unerwünschte Erhöhung der DC-Bus-Spannung aufgrund des Leistungsungleichgewichts verlangsamt oder komplett verhindert werden kann. Dabei kann elektrische Leistung in den PV-Generator rückgespeist werden, so dass der PV-Generator bei beliebigen Einstrahlungsverhältnissen an der Stabilisierung der DC-Bus-Spannung effektiv beteiligt wird.

Die vielseitige und technisch günstige erfindungsgemäße Nutzung der Energieerzeugungs anlage mit dem PV-Generator, der sowohl als Erzeuger und als auch als flexibel steuerbarer Verbraucher wirkt, bringt große Vorteile bei der Unterstützung der Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus eines DC-Netzes. Insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen Mitteln wie Chopper-Widerständen oder aufwändig erweiterten Anbindungen an übergeordnete Netze entsteht wesentlich weniger Aufwand, da die benötigten Komponenten in der Regel bereits verfügbar sind und synergistisch genutzt werden können, sobald eine Energieerzeugungsanlage mit dem DC-Netz verbunden und erfindungsgemäß betrieben wird. Besonders vorteilhafte Effekte ergeben sich für schnelle transiente Vorgänge, die charakterisiert sind durch viel Leistung, jedoch wenig Energie, so dass dezidierte Energiespeicher überdimensioniert wären und sich nicht amortisieren.

Der den herkömmlichen Chopper-Widerständen inhärente Nachteil, dass Energie „verheizt“ und letztlich nicht sinnvoll genutzt wird, tritt zwar grundsätzlich auch bei der erfindungs gemäßen Lösung auf. Dies wird jedoch deutlich überwogen durch die Vorteile der Verwendung der Energieerzeugungsanlage zur Stabilisierung der Netzspannung im Netzstützungsmodus. Insbesondere ist ein Chopper-Widerstand im Normalbetriebsmodus, d.h. weit überwiegend quasi untätig, während der PV-Generator der Energieerzeugungsanlage auch im Normal betriebsmodus elektrische Leistung aus einer erneuerbaren Quelle produziert, die im DC-Netz sinnvoll verwendet wird und regenerativ erzeugte Energie verfügbar macht.

Die Erfindung stellt eine kostengünstigere Lösung zur Verbesserung der Spannungshaltung und zum Schutz vor transienten Überspannungen in einem DC-Netz dar. Durch die erfindungsgemäße Nutzung der PV-Anlage können insbesondere Chopper-Widerstände inklusive deren Peripherie wie Kühlung, Ansteuerung und Messtechnik eingespart werden. Der PV-Generator ist aufgrund seiner flächigen Konstruktion und seines ständigen Kontakts mit der umgebenden Luft gut gekühlt und bietet daher eine günstige Fläche zur Dissipation von in Wärme umgewandelter Verlustleistung. Daher ist der PV-Generator zur Abführung von erheblichen Überschussleistungen geeignet, so dass idealerweise komplett auf Chopper- Wderstände im DC-Netz verzichtet werden kann. Zudem können weitere vorhandene Systemkomponenten erfindungsgemäß genutzt werden, beispielsweise Teile der bereits für den Normalbetrieb vorhandene Messtechnik des PV-DC/DC- Wandlers.

Alternativ oder zusätzlich können PV-Generatoren sehr einfach an DC-Netze angeschlossen werden, ggf. in Form einer Nachrüstlösung. Dabei muss die Regelstrategie der übrigen DC- Bus-gekoppelten Stromrichter nicht oder nur geringfügig geändert werden.

Der Betrieb des PV-Generators zur Stabilisierung der DC-Bus-Spannung kann abhängig von einem Schwellwert für die DC-Bus-Spannung aktiviert werden, wobei der PV-Generator im Normalbetrieb am MPP arbeitet, solange die DC-Bus-Spannung weniger als der Schwellwert von einem Nominalwert abweicht. Die Einschaltschwelle kann kleiner, gleich oder größer sein als weitere Einschaltschwellen anderer Aktoren im DC-Netz, die ebenfalls an der Stabilisierung der DC-Spannung beteiligt sind.

Der Beitrag der Energieerzeugungsanlage zur Stabilisierung der DC-Bus-Spannung kann je nach Größenverhältnis zwischen der Nennleistung des PV-Generators und den Nennleistungen der sonstigen Beteiligten im DC-Netz unterschiedlich quantifiziert werden. Insbesondere im Falle einer Überspannung im DC-Netz kann der PV-Generator eine Regelleistung bereitstellen, die den Spannungsanstieg verlangsamt, zum Stoppen bringt oder sogar umkehrt und die Gleichspannung im DC-Bus in Richtung des Nominalwertes zurückführt. In jedem dieser Fälle kann die PV-Leistung wieder auf die Normalbetriebsleistung zurückgeführt werden, sobald andere Aktoren am DC-Bus auf die Überspannung reagieren und ihrerseits Regelleistung bereitstellen, um die Gleichspannung im DC-Bus in einen erlaubten Bereich um ihren Nominalwert zurückzuführen.

Es wurden somit verschiedene Ausführungsformen von Verfahren zum Betrieb der am Überspannungsschutz im DC-Netz beteiligten PV-Stromrichter aufgezeigt, wobei die Ausführungsformen grundsätzlich miteinander kombinierbar sind.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein DC-Netz in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 zeigt ein DC-Netz in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 zeigt eine Kennlinie aus einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Stabilisierung einer Gleichspannung in einem DC-Netz,

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie aus einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Stabilisierung einer Gleichspannung in einem DC-Netz,

Fig. 5 zeigt eine Kennlinie aus einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Stabilisierung einer Gleichspannung in einem DC-Netz,

Fig. 6 zeigt eine Regelung aus einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Stabilisierung einer Gleichspannung in einem DC-Netz,

Fig. 7 zeigt einen Gleichspannungswandler zur elektrischen Verbindung zwischen einem PV- Generator und einem DC-Netz,

Fig 8a zeigt Zeitverläufe einer Gleichspannung in einem DC-Netz und von Leistungen einer Störung und eines Chopper-Widerstandes im DC-Netz, und

Fig. 8b zeigt Zeitverläufe einer Gleichspannung in einem DC-Netz und von Leistungen einer Störung und eines PV-Generators im DC-Netz.

FIGURENBESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt ein DC-Netz 1 mit einem DC-Bus 10 zur Energieübertragung zwischen verschiedenen elektrische Einheiten 11-18. Zwischen diesen Einheiten 11-18 fließt elektrische Leistung innerhalb des DC-Netzes 1 über den DC-Bus 10. Ein derartiges DC-Netz 1 kann insbesondere in einem industriellen Umfeld angesiedelt sein, z.B. einer Fabrik oder einer Produktionsanlage, und eine erhebliche räumliche Ausdehnung aufweisen, beispielsweise Dutzende oder Hunderte Quadratmeter umfassen. Der DC-Bus 10 ist mit einem übergeordneten AC-Netz 11 und/oder mit einem weiteren DC- Netz 12 verbunden. Das AC-Netz 11 kann insbesondere ein öffentliches Energieversorgungs netz 11a umfassen, während das weitere DC-Netz 12 beispielsweise ein übergeordnetes oder benachbartes Versorgungsnetz 12a umfasst. Zwischen dem DC-Bus 10 und dem AC-Netz 11 bzw. dem DC-Netz 12 kann elektrische Leistung ausgetauscht werden, indem ein bidirektionaler Wechselrichter (DC/AC-Wandler) 11b zwischen DC-Bus 10 und Energie versorgungsnetz 11a bzw. ein bidirektionaler Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 12b zwischen DC-Bus 10 und Versorgungsnetz 12a angeordnet ist. Über den DC/AC-Wandler 11 b wird eine elektrische AC-Netzleistung aus dem Energieversorgungsnetz 11a entnommen und in den DC-Bus 10 eingespeist oder umgekehrt. Über den DC/DC-Wandler 12b wird eine elektrische DC-Netzleistung aus dem Versorgungsnetz 12a entnommen und in den DC-Bus 10 eingespeist oder umgekehrt.

An den DC-Bus 10 ist eine Last 13 angeschlossen, die einen Verbraucher 13a und ein Netzteil 13b umfasst. Das Netzteil 13b ist dazu eingerichtet, eine elektrische Verbraucherleistung aus dem DC-Bus 10 zu entnehmen und dem Verbraucher 13a in geeigneter Form hinsichtlich Strom und Spannung zur Verfügung zu stellen. Abhängig von der Art des Verbrauchers 13a (DC oder AC) kann das Netzteil 13b dabei insbesondere einen DC/DC-Wandler und/oder einen Wechselrichter, ggf. einen Wechselrichter mit variabler Ausgangsfrequenz umfassen. Die tatsächliche vom DC-Bus 10 in die Last 13 fließende Verbraucherleistung kann dabei sowohl vom Verbraucher 13a als auch Netzteil 13b eingestellt werden, insbesondere auch in Abhängigkeit einer übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise einer Prozesssteuerung (nicht dargestellt).

Insbesondere wenn der Verbraucher 13a Teil einer größeren Anlage ist, beispielsweise ein Motor oder eine Kühlanlage in einer Industrie- oder Gewerbeanlage, kann die Verbraucher leistung durch eine übergeordnete Steuereinheit derart vorgegeben sein, dass ein sicherer und kontinuierlicher Betrieb der Anlage angestrebt wird. Insofern ist die Verbraucherleistung in der Regel im Rahmen des Betriebs des DC-Netzes 10 als gegeben anzunehmen und kann nur in Ausnahmefällen aus anderen Gründen modifiziert werden, um beispielsweise zur Stabilisierung des DC-Netzes beizutragen. Im Gegenzug kann die Last 13 durch ihren Betrieb erhebliche Rückwirkungen auf den DC-Bus 10 entfalten, insbesondere wenn der Verbraucher 13a Schaltvorgänge durchführt und/oder eine rotierende Schwungmasse und damit einen elektromechanische Trägheit aufweist, die durch Beschleunigen und Abbremsen der Schwungmasse erhebliche Ströme erzeugt.

Die Last 13 kann alternativ oder zusätzlich einen Verbraucher 13a aufweisen, dessen Verbraucherleistung in gewissen Grenzen modifizierbar ist, ohne den Betrieb des Verbrauchers 13a grundsätzlich zu beeinflussen. So kann die Last 13 beispielsweise einen Elektrolyseur umfassen, der eine Nennleistung aufweist und in einem Arbeitsbereich um die und unterhalb der Nennleistung betreibbar ist. Ein solcher Elektrolyseur kann über ein Netzteil 13b mit dem DC-Bus 10 verbunden sein, wobei das Netzteil 13b die Verbraucherleistung des Elektrolyseurs aufgrund eines externen Steuersignals oder auch autark in Abhängigkeit von elektrischen Messwerten ändern kann.

Zusätzlich kann eine Maschine 14 mit dem DC-Bus verbunden sein, die einen Generator 14a und einen bidirektionalen DC/AC-Wandler 14b aufweist. Die Maschine 14 kann eine elektrische Maschinenleistung mit dem DC-Bus 10 austauschen, wobei der Generator 14a je nach Betriebsmodus extern angetrieben wird, beispielsweise von einer Verbrennungskraftmaschine, so dass der DC/AC-Wandler 14b elektrische Leistung in den DC- Bus einspeist, und/oder selbst Antriebskraft entwickelt, indem der DC/AC-Wandler 14b elektrische Leistung aus dem DC-Bus 10 entnimmt und in den Generator 14a einspeist. Die tatsächlich mit der Maschine 14 ausgetauschte Maschinenleistung kann dabei über ein Steuersignal vorgegeben und/oder von der Maschine 14 autark eingestellt werden.

Das DC-Netz 10 kann eine Reservelast 15 aufweisen, die zur Stabilisierung des DC-Netzes beitragen soll. Die Reservelast kann einen Lastwiderstand 15a aufweisen, insbesondere einen sogenannten Chopper-Widerstand, in den mittels eines DC/DC- Wandlers 15b eine elektrische Reserveleistung eingespeist wird. Die Reservelast 15 kann insbesondere überschüssige Leistung aus dem DC-Bus 10 aufnehmen, die dann im Lastwiderstand 15a lediglich in Wärme umgewandelt wird und somit nicht oder nur sehr eingeschränkt zur weiteren Nutzung zur Verfügung steht. Die tatsächliche Reserveleistung kann dabei über ein Steuersignal vorgegeben und/oder von der Reservelast 15 autark eingestellt werden, insbesondere in Abhängigkeit von elektrischen Parametern des DC-Bus 10, beispielsweise der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10.

An den DC-Bus 10 kann weiterhin ein elektrischer Energiespeicher 16 angeschlossen sein. Der Energiespeicher 16 kann insbesondere eine Batterie 16a aufweisen, die über einen DC/DC-Wandler 16b mit dem DC-Bus 10 verbunden ist. Über den DC/DC-Wandler 16b kann eine elektrische Speicherleistung in die Batterie 16a eingespeist bzw. der Batterie 16a entnommen werden. Die tatsächliche Speicherleistung kann dabei über ein Steuersignal vorgegeben und/oder von vom Energiespeicher 16 autark eingestellt werden.

Das DC-Netz kann weiterhin Energieerzeugungsanlagen umfassen, insbesondere eine Windenergieanlage (WEA) 17 und/oder eine Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) 18. Die WEA 17 kann eine Windturbine 17a umfassen, die eine elektrische Windenergieleistung erzeugt und über einen AC/DC-Wandler 17b in den DC-Bus 10 einspeist. Die PV-Anlage 18 kann einen PV-Generator 18a umfassen, der eine elektrische PV-Leistung erzeugen kann, die über einen DC/DC-Wandler 18b in den DC-Bus 10 eingespeist wird. Die tatsächliche Windenergieleistung und die tatsächliche PV-Leistung orientiert sich dabei an der jeweils maximal möglichen Leistung der Wndturbine 17a bzw. des PV-Generators 18a, um die aus diesen regenerativen Quellen stammende Energie möglichst vollständig auszuschöpfen. Der PV-Generator 18a kann über den steuerbaren DC/DC-Wandler 18b im Normalbetrieb weitgehend unabhängig von der Gleichspannung im DC-Bus 10 die maximal mögliche PV-Leistung in das DC-Netz einspeisen. Je nach Spannungsverhältnis zwischen der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 und der PV-Spannung kann ein entsprechend geeigneter DC/DC-Wandler 18b eingesetzt werden, beispielsweise ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller oder ein Zwei-Quadranten- Steller. Dabei umfasst der DC/DC-Wandler 18b in der Regel eine Anordnung aus Leistungshalbleitern, d.h. insbesondere Dioden und Schaltern, sowie Kapazitäten und/oder Induktivitäten, wobei die Leistungshalbleiter getaktet betrieben werden können, um eine gewünschtes Übersetzungsverhältnis zwischen der Gleichspannung im DC-Bus 10 und der PV-Spannung U_PV am PV-Generator 18a zu erzeugen.

Ein DC-Netz 1 gemäß Fig. 1 kann derart betrieben werden, dass zur Deckung des Leistungsbedarfs der Lasten 13 und ggf. der Maschinen 14 bevorzugt die erneuerbare Energie aus WEA 17 und PV-Anlage 18 verwendet wird. Darüber hinaus benötigte elektrische Leistung kann ggf. vorübergehend aus dem Energiespeicher 16 und/oder längerfristig aus dem AC- Netz 11 und/oder dem DC-Netz 12 bezogen werden. Umgekehrt kann bei einem Leistungsüberschuss im DC-Netz 1 elektrische Leistung wahlweise vorübergehend in die Reservelast 15 und/oder in den Energiespeicher 16 eingeleitet bzw. längerfristig in das AC- Netz 11 und/oder in das DC-Netz 12 eingespeist werden. Der wirtschaftlich optimale Betrieb eines solchen DC-Netzes 1 ergibt sich in der Regel dann, wenn der Energiebedarf innerhalb des DC-Netzes 1 vollständig durch erneuerbare Energiequelle, d.h. durch die WEA 17 und/oder die PV-Anlage 18 gedeckt wird, wobei der Energiespeicher 16 ggf. zwischenzeitliche Unterdeckungen ausgleichen kann. Dadurch wird möglichst kein Strom aus dem AC-Netz 11 oder dem DC-Netz 12 bezogen und stattdessen möglichst viel ggf. überschüssig im DC-Netz 1 erzeugter Strom in das AC-Netz 11 und/oder das DC-Netz 12 eingespeist.

Fig. 2 zeigt ein DC-Netz 1, das weitgehend identisch mit dem DC-Netz 1 gemäß Fig. 1 aufgebaut ist. Im Unterschied zu Fig. 1 ist die Reservelast 15 im DC-Netz 1 gemäß Fig. 2 lediglich optional, d.h. sie kann entfallen. Etwaige überschüssige Leistung im DC-Bus 10, die insbesondere von den Energieerzeugungsanlagen 17,18 erzeugt wurde, jedoch nicht zu der Last 13 oder der Maschine 14 abfließt, kann in das AC-Netz 11 und/oder das weitere DC-Netz 12 eingespeist sowie ggf. zum Aufladen des Energiespeichers 16 genutzt werden. Der Energiespeicher 16 kann im Normalbetriebsmodus nahezu vollgeladen sein, d.h. einen Ladezustand zwischen 90% und 100% der Ladekapazität aufweisen. Im Falle eines Leistungs defizits im DC-Bus 10 kann Speicherleistung aus dem Energiespeicher 16 in den DC-Bus 10 eingespeist werden, um einer Unterspannung im DC-Bus 10 entgegenzuwirken. Im Falle eines Leistungsüberschusses kann die PV-Leistung reduziert werden, ggf. auch auf einen negativen Wert, indem elektrische Leistung in den PV-Generator 18a zurückgespeist wird. Durch diese Arbeitsverteilung zwischen Energiespeicher 16 und PV-Anlage 18 kann insbesondere der Energiespeicher 16 optimal ausgelegt und genutzt werden, und die PV-Anlage 18 entwickelt einen Mehrwert, der über das bloße Erzeugen elektrischer Leistung deutlich hinausgeht.

Anhand der folgenden Figuren 3-8 werden konkrete Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des DC-Netzes 1 erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die PV- Leistung P_PV in Abhängigkeit von der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 entlang einer Pp _V (U _DC )-KennUri\e geändert wird. Die konkrete Abhängigkeit der PV-Leistung P_PV von der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 kann dabei durch eine Kennlinie vorgegeben werden, die gemäß Fig. 3 in einem Kennlinienbereich 42 verläuft, der durch die obere Kennlinienbegrenzung 40 und die untere Kennlinienbegrenzung 41 aufgespannt wird.

In einem ersten Bereich I mit UDC < UDCI liegt die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 im Bereich der Nennspannung U_Nom. In diesem Bereich I arbeitet die PV-Anlage 18 im Normalbetriebsmodus und speist die Normalbetriebsleistung P_0 in den DC-Bus 10 ein. Die Normalbetriebsleistung P_0 kann der maximal möglichen MPP-Leistung des PV-Generators 18a entsprechen oder sich an der MPP-Leistung orientieren, d.h. z.B. 90% der MPP-Leistung betragen, und insofern bei fluktuierender MPP-Leistung variabel sein; alternativ kann die Normalbetriebsleistung P_0 unabhängig von der MPP-Leistung einen festen Wert aufweisen, der kleiner als die MPP-Leistung ist. In dem Bereich I findet somit keine oder nur eine geringe Abregelung der PV-Leistung gegenüber der MPP-Leistung statt.

In einem zweiten Bereich II mit UDCI < UDC < UDC2 ist die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 gegenüber der Nennspannung U_Nom erhöht. In diesem Bereich II wechselt die PV-Anlage 18 in einen Netzstützungsbetrieb, und es findet eine Abregelung der PV-Leistung P_PV gemäß einer P _PV ( _. U _DC )- Kennlinie statt. Dazu kann insbesondere die Spannung U_PV am PV- Generator 18a in Richtung der Leerlaufspannung des PV-Generators 18a geändert werden. Wenn die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 höher als die Leerlaufspannung des PV- Generators 18a ist, nähert sich die Spannung U_PV am PV-Generator 18a somit der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 an. Die PV-Leistung P_PV kann mit steigender Gleichspannung U_DC auf null zurück gehen und im weiteren Verlauf negativ werden, d.h. es kann elektrische Leistung in den PV-Generator 18a zurückgespeist werden. Dabei kann die Kennlinie entlang der oberen Kennlinienbegrenzung 40 verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann eine stärkere, d.h. überproportionale Abregelung erfolgen, so dass die P _PV ( _. U _DC )- Kennlinie einen nichtlinearen Verlauf im Kennlinienbereich 42 aufweist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn weitere Messwerte hinzugezogen werden und auf Instabilitäten hinweisen, beispielsweise wenn eine hohe Änderungsrate der Gleichspannung U_DC oder ein hoher Gleichstrom l_DC im DC-Bus 10 auftritt (vergleiche Fig. 4 bzw. Fig. 5).

Im einem Bereich lla mit UDC2 < UDC < UDC3 kann eine verstärkte Abregelung des PV- Generators 18a stattfinden, insbesondere indem die Spannung P_PV am PV-Generator 18a weiter in Richtung der Leerlaufspannung des PV-Generators 18a und gegebenenfalls darüber hinaus geändert wird, so dass elektrische Leistung in den PV-Generator 18a zurückgespeist wird. Bei Erreichen der maximal möglichen Rückspeiseleistung -P _Gen in den PV-Generator 18a kann die Rückspeiseleistung bei einem weiteren Anstieg der Gleichspannung U_DC im DC- Bus 10 mittels Regelung konstant gehalten werden, solange die Gleichspannung U_DC unterhalb der Spannungsschwelle U _DC3 verbleibt. Auch hier kann alternativ oder zusätzlich entlang einer nichtlinearen P _PV (U _DC )- Kennlinie abgeregelt werden, so dass die Änderung der PV-Leistung mit zunehmender Gleichspannung U_DC verstärkt wird.

Im Bereich III mit UDC ä UDC3 kann schließlich eine Schutzabschaltung der PV-Anlage 18, wodurch eine Trennung des DC/DC- Wandlers 18a vom DC-Bus 10 stattfindet; ggf. kann in einer solchen extremen Situation aus Sicherheitsgründen das gesamte DC-Netz 1 abgeschaltet werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der durch die PV-Anlage 18 eine DC-Momentanreserve bereitgestellt wird; dies entspricht sinngemäß einer virtuellen Trägheit bzw. einer virtuellen Erhöhung der Kapazität des DC-Bus 10, indem die PV-Anlage 18 die mit dem DC-Bus 10 ausgetauschte PV-Leistung entsprechend Fig. 4 einstellt.

Die DC-Momentanreserve wird durch die PV-Anlage 18 erbracht, indem die PV-Leistung P_PV in Abhängigkeit der Änderungsrate der Gleichspannung Ü _DC eingestellt wird. Dabei wird die PV-Leistung P_PV in einem Normalbetriebsmodus, d.h. wenn die Änderungsrate unterhalb eines ersten Grenzwertes liegt, auf die Normalbetriebsleistung P_0 in der Größenordnung der MPP-Leistung eingestellt. Wenn die Änderungsrate den ersten

Grenzwert überschreitet, wird die PV-Leistung gegenüber der Normalbetriebsleistung P_0 reduziert. Die PV-Anlage 18 reagiert somit auf eine schnelle Änderung der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 mit einer proportionalen oder überproportionalen Änderung der PV-Leistung P_PV. Dabei wirkt die PV-Leistungs- bzw. PV-Stromänderung der Abweichung sowie der Änderungsrate der Gleichspannung U_DC entgegen und umfasst ggf. eine Rückspeisung in den PV-Generator 18a, d.h. gemäß Fig. 4 eine negative PV-Leistung

P PV. Wenn die Änderungsrate den ersten Grenzwert ^dUoc · ² überschreitet, wird die dt dt maximal möglichen Rückspeiseleistung -Pc _en in den PV-Generator 18a zurückgespeist. Durch das Verfahren wird die Abweichung der Gleichspannung U_DC von ihrem Nominalwert U_Nom begrenzt, verringert und im Idealfall gänzlich vermieden.

Die konkrete Abhängigkeit der PV-Leistung P_PV von der Änderungsrate der Gleichspannung (J _DC = kann durch eine Kennlinie vorgegeben werden, die in einem Kennlinienbereich verläuft, der analog zu Fig. 3 durch eine obere und eine untere Kennlinienbegrenzung aufgespannt ist und innerhalb dieses Kennlinienbereich ggf. eine nichtlineare Form aufweist. Insbesondere kann eine Kennlinienschar vorgegeben sein, aus der im Betrieb anhand weiterer Parameter, beispielsweise anhand der aktuellen Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10, eine aktuell zu verwendende Kennlinie ausgewählt wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem durch die PV-Anlage 18 eine DC-Momentanreserve bereitgestellt wird. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird hier die PV-Leistung P_PV in Abhängigkeit von einer Amplitude eines Gleichstroms l_DC im DC-Bus 10 eingestellt. Der Gleichstrom l_DC kann aus einer Messung eines Teilstroms l_DCX in einer Teilkapazität C_DCX des DC-Bus 10 mit der Gesamtkapazität C_DC ermittelt werden.

Die DC-Momentanreserve gemäß Fig. 5 wird durch die PV-Anlage 18 erbracht, indem die PV- Leistung P_PV in Abhängigkeit vom Teilstrom l_DCX eingestellt wird. Der Teilstrom l_DCX kann an einer Teilkapazität C_DCX gemessen werden, beispielsweise an einer Ausgangs kapazität des PV-DC/DC- Wandlers 18b. Der Teilstrom l_DCX steht dabei in demselben Verhältnis zu dem Gleichstrom l_DC im DC-Bus 10 wie die Teilkapazität C_DCX zur Gesamtkapazität C_DC des D-Bus 10. Ein entsprechender Skalierungsfaktor zur Ermittlung des Gesamtstroms l_DC aus dem Teilstrom l_DCX kann bei Inbetriebnahme des DC-Netzes 1 oder fortlaufend ermittelt werden. Im Unterschied zu dem Verfahren gemäß Fig. 4 ist hier lediglich eine Strommessung notwendig, und insbesondere auf eine Ableitung der Gleichspannung U_DC kann verzichtet werden.

Konkret wird die PV-Leistung P_PV in einem Normalbetriebsmodus, d.h. wenn der Teilstrom l_DCX unterhalb eines ersten Grenzwertes l_DCX,1 liegt, auf die Normalbetriebsleistung P_0 eingestellt. Wenn der Teilstrom l_DCX den ersten Grenzwert l_DCX,1 überschreitet, wird die PV-Leistung gegenüber der Normalbetriebsleistung P_0 reduziert. Dabei folgt die PV-Leistung P_PV einer Kennlinie, die analog zu den Figuren 3 und 4 innerhalb eines Kennlinienbereichs verläuft, der durch eine obere und eine untere Kennlinienbegrenzung aufgespannt wird und innerhalb des Kennlinienbereichs nichtlinear verlaufen kann.

Durch die proportionale oder überproportionale Änderung der PV-Leistung P_PV gemäß Fig. 5 in Abhängigkeit von der Amplitude des DC-Bus-Stroms l_DC bzw. des Teilstroms l_DCX wirkt die PV-Anlage 18 der Änderung sowie der Änderungsrate der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 entgegen. Die Änderung der PV-Leistung P_PV kann dabei eine Rückspeisung in den PV-Generator 18a umfassen. Wenn der Teilstrom l_DCX einen zweiten Grenzwert l_DCX,2 überschreitet, kann die maximal möglichen Rückspeiseleistung -Pc _en in den PV- Generator 18a zurückgespeist werden. Durch das Verfahren wird die Abweichung der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 von ihrem Nominalwert U_Nom begrenzt, verringert und im Idealfall gänzlich vermieden.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer konkreten Regelung 60 und deren Wirkung auf die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mittels der Regelung 60 können die anhand der Figuren 3 bis 5 erläuterten Ausführungsformen kombiniert werden. Anhand Fig. 6 und der folgenden Ausführungen werden die Wirkmechanismen dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und die resultierende Reaktion der Gleichspannung U_DC auf sprunghaft auftretende Leistungsungleichgewichte im DC-Bus 10, d.h. bei plötzlicher, stark unausgeglichener Leistungsbilanz AP = P, _N - P _0UT im DC-Bus 10 erläutert.

Die Gesamtkapazität C_DC des DC-Bus 10 wird durch einen differentiellen Regelanteil der Regelung 60 virtuell um C _{v T} erhöht, indem die PV-Anlage 18 die PV-Leistung P_PV in

Abhängigkeit von der Änderungsrate einstellt. Der differentielle Regelanteil begrenzt den

Gradienten der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10, indem eine DC-Momentanreserve zur Verfügung gestellt wird (vergleiche Fig. 4 und zugehörige Beschreibung mit Ableitung der Gleichspannung U_DC bzw. Fig. 5 als Ausführungsform mit Ermittlung des Gleichstroms l_DC). Dieses Verhalten entspricht einer virtuellen Erhöhung der Gesamtkapazität C_DC des DC-Bus 10 und führt im Falle eines Leistungsungleichgewichts im DC-Bus 10 zu einem langsameren Wegdriften der Gleichspannung U_DC, jedoch nicht zu einem Stopp dessen, da die Leistungsbilanz im DC-Bus 10 durch die höhere Kapazität alleine nicht ausgeglichen wird.

Ein Ausgleich der Leistungsbilanz im DC-Bus 10 wird mittels eines zusätzlichen proportionalen Regelanteils der Regelung 60 angestrebt, indem die PV-Anlage 18, ggf. unterstützt durch den Energiespeicher 16, ihre Leistung in Abhängigkeit von der Gleichspannung U_DC selbst bzw. von der Abweichung der Gleichspannung U_DC von ihrem Nominalwert einstellt (vergleiche Fig. 3 und zugehörige Beschreibung);. Der proportionale Regelanteil hat eine spannungs haltende Funktion, indem ein Leistungsungleichgewicht im DC-Bus 10 zumindest reduziert und ein Wegdriften der Gleichspannung U_DC verlangsamt wird. Je kleiner eine in diesem proportionalen Regelanteil der Regelung 60 als Skalierungsfaktor verwendeter virtueller Parallelwiderstand l/R _vmT ausgelegt wird, desto größer ist die Änderung der PV-Leistung P_PV (hier repräsentiert durch den Strom l_Rvirt) aufgrund des proportionalen Regelanteils der Regelung 60 bei ansonsten gleicher Spannungsänderung, desto weniger weit entfernt sich die Gleichspannung U_DC von ihrem Nominalwert U_Nom und desto schneller wird das Wegdriften gestoppt.

Zusätzlich zur PV-Anlage 18 können weitere Stromrichter an den DC-Bus 10 angeschlossen sein, die ebenfalls dazu eingerichtet sein können, die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 auf den Nominalwert zurückzuführen. Diese weiteren Stromrichter, insbesondere ein bidirektionaler Wechselrichter (DC/AC-Wandler) 11b zwischen DC-Bus 10 und Energie versorgungsnetz 11a bzw. ein bidirektionaler Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 12b zwischen DC-Bus 10 und Versorgungsnetz 12a (vergleiche Figuren 1 und 2) können im Falle einer andauernder Abweichung der Gleichspannung U_DC von ihrem Nominalwert die mit dem DC-Bus 10 ausgetauschte Leistung ebenfalls geeignet ändern, um das Leistungsungleichgewicht auszugleichen; dies entspricht einem zusätzlichen integrierenden Regelanteil, der in der Regelung 60 oder als Teil einem übergeordneten Regelung des DC- Netzes 1 implementiert sein kann. Dabei trägt dieser integrierende Regelanteil zum Zurückführen der Gleichspannung U_DC auf den Nominalwert U_Nom bei und kann mit verringerter Dynamik implementiert sein. Den transienten Überspannungen wird bereits effektiv durch die PV-Anlage 18 mittels der proportionalen und differentiellen Regelanteile der Regelung 60 begegnet, indem diese Regelanteile den Gradienten der Gleichspannung U_DC begrenzen bzw. zur Spannungshaltung beitragen.

Durch die Anpassung der Leistung der am Zurückführen der Gleichspannung U_DC auf den Nominalwert U_Nom beteiligten (weiteren) Stromrichter wird die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 in ein Spannungsband um ihren nominalen Wert zurückgeführt; im Gegenzug kann die Änderung der PV-Leistung P_PV im Rahmen des proportionalen bzw. integralen Regelanteils der Regelung 60 sukzessive zurückgenommen werden, so dass die PV-Leistung P_PV auf die Normalbetriebsleistung zurückgeführt wird. Im Folgenden steht bei einem etwaigen weiteren (transienten) Leistungsungleichgewicht, insbesondere ausgehend von einer Gleichspannung U_DC nahe der Nominalspannung U_Nom, die volle DC- Momentanreserve der PV-Anlage 18 zur Verfügung. Das bedeutet auch, dass die Wirkung der beschriebenen Lösungen dann besonders vorteilhaft entfaltet wird, wenn entweder die Abweichung oder die Änderungsrate der Gleichspannung U_DC bzw. die Abweichung des Gleichstroms l_DC im DC-Bus 10 jeweils definierte Totband- Werte übersteigen; innerhalb des jeweiligen Totbandes wird das dynamische Verhalten im DC-Bus 10 nicht beeinflusst.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Energieerzeugungsanlage 18 mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler 18b zur Anbindung des PV-Generators 18a an den DC-Bus 10. Der DC/DC-Wandler 18b kann zwischen PV-Generator 18a und DC-Bus 10 angeordnet sein und die Spannungsübersetzungsarten Hochsetzen und Tiefsetzen bei unterschiedlichen Energieflussrichtungen beherrschen. Konkret kann der DC/DC-Steller 18b als Zwei quadrantensteller ausgeführt sein. Für einen T ransfer elektrischer Leistung vom PV-Generator 18a zum DC-Bus 10 umfasst der DC/DC-Wandler 18b einen Hochsetzsteller 71 mit einem ersten Schalter S_L und einer ersten Diode D_H, und umgekehrt zur Rückspeisung vom DC- Bus 10 in den PV-Generator 18a einen Tiefsetzsteller 72 mit einem zweiten Schalter S_H und einer zweiten Diode D_L. Der DC/DC-Wandler 18b weist somit insbesondere eine Halbbrücke mit den Leistungshalbleitern S_L, S_H, D_L und D_H auf und ermöglicht durch geeignete Taktung der Schalter S_L und S_H einen bedarfsgerechten Leistungsaustausch zwischen PV- Generator 18a und DC-Bus 10. Wenn beide Schalter S_L, S_H geöffnet sind und nicht getaktet werden, gleicht sich die PV-Spannung U_PV an die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 an. Zusätzlich kann eine Rückspeisung elektrischer Leistung vom DC-Bus 10 in den PV-Generator 18a ermöglicht werden, indem die erste Diode D_H durch Schließen des Schalters S_H überbrückt wird.

Je nach Auslegung des PV-Generators 18a kann die im Normalbetriebsmodus einzustellende PV-Spannung U_PV, die sich an der MPP-Spannung des PV-Generator orientiert, kleiner als die oder gleich der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 sein. Insbesondere wenn die maximale PV-Spannung U_PV,max und die maximale Gleichspannung U_DC,max annähernd gleich sind (z.B. U_PV,max = U_DC,max = 1000V), kann der PV-Generator 18a so ausgelegt werden, dass die Systemspannung auch im PV-Rückspeisebetrieb nicht überschritten wird. In diesem Fall ist die PV-Spannung immer niedriger als die oder gleich der maximalen Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 und kann mittels eines Hochsetzstellers eingestellt werden. Ist die PV-Generatorauslegung hingegen derart, dass die PV-Spannung U_PV höhere Werte annehmen kann als die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10, kann zur Rückspeisung ein Mehrquadrantensteller eingesetzt werden.

Die Figuren 8a und 8b zeigen beispielhaft Zeitverläufe der Gleichspannung U_DC und der Leistung P im DC-Bus 10 eines DC-Netzes 1 für zwei verschiedene Fälle. Im jeweils oberen Teil der Figuren 8a und 8b sind Spannungsverläufe 82, 84 der Gleichspannung U_DC im DC- Bus 10 über die Zeit t dargestellt, wobei die Nennspannung U_0 durch die gestrichelte Linie 80 repräsentiert ist. Im jeweils unteren Teil der Figuren 8a und 8b sind Leistungsverläufe 83, 85 von Leistungen P im DC-Bus 10 über die Zeit t dargestellt, wobei die gepunktete Linie 81 das Leistungsgleichgewicht im DC-Bus 10 repräsentiert.

In Fig. 8a entspricht die Gleichspannung U_DC zu einem Zeitpunkt t<t1 der Nennspannung U_0, wobei die Summe der in den DC-Bus 10 eingespeisten Leistungen und die Summe der dem DC-Bus 10 entnommenen Leistungen etwa gleich groß sind; mit anderen Worten, es liegt keine Störung des Leistungsgleichgewichts vor und die gepunktete Linie 81 liegt bei null.

Zum Zeitpunkt t1 beginnt eine linear ansteigende Störung des Leistungsgleichgewichts, die beispielsweise von einem Verbraucher 13a mit sinkender Verbraucherleistung, einem bremsenden Generator 14a oder einer WEA 17 mit steigender Windenergieleistung hervorgerufen wird, und die gepunktete Linie 81 steigt an. Gleichzeitig steigt auch die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 an und überschreitet zum Zeitpunkt t2 einen Schwellwert U_max oder einen um eine Hysterese ÄU vom Schwellwert U_max abweichenden Wert U_max+ÄU. Daraufhin wird ein Lastwiderstand 15a aktiviert und entnimmt dem DC-Bus 10 eine elektrische Reserveleistung, repräsentiert durch den Leistungsverlauf 83, wodurch die Gleichspannung U_DC wieder sinkt. Wenn die Gleichspannung U_DC wieder unter dem Schwellwert U_max bzw. unter einem um eine Hysterese ÄU vom Schwellwert U_max abweichenden Wert U_max-ÄU liegt, wird der Lastwiderstand deaktiviert und die Gleichspannung U_DC steigt wieder über den Schwellwert U_max, und so fort.

Es ergiben sich eine getaktete Reserveleistung mit dem Leistungsverlauf 83 sowie der Spannungsverlauf 82. Bei einem weiteren Anstieg der Störung, repräsentiert durch den Anstieg der gepunkteten Linie 81 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3, steigt auch das Tastverhältnis der getakteten Reserveleistung, d.h. der Lastwiderstand 15a ist pro Zeiteinheit immer länger aktiviert und erwärmt sich folglich immer mehr. Zum Zeitpunkt t3 hat die Störung des Leistungsgleichgewichts einen Wert erreicht, der in etwa der momentanen Reserveleistung des Lastwiderstands 15a entspricht, so dass der Lastwiderstand 15a für relativ lange Zeiträume aktiviert bleibt, um das Leistungsgleichgewicht herzustellen und die Gleichspannung U_DC zu stabilisieren. Falls die Störung weiter ansteigt, würde die Reserveleistung nicht mehr ausreichen, um die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 zu stabilisieren und die Gleichspannung U_DC würde weiter ansteigen. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 sinkt die Störung jedoch wieder auf null ab, beispielsweise indem ein Verbraucher 13a seine Verbraucherleistung (wieder) erhöht, oder indem weitere an den DC- Bus 10 angeschlossene, jedoch langsamer reagierende Regelreserven Überschussleistung aus dem DC-Bus 10 entnehmen, insbesondere aufgrund eines integrierende Regelanteils und/oder auf Anforderung einer übergeordneten Regelung des DC-Netzes. Entsprechend reduziert sich das Tastverhältnis des Leistungsverlaufs 83. Zum Zeitpunkt t4 ist das Leistungsgleichgewicht im DC-Bus 10 wiederhergestellt, die Gleichspannung U_DC i DC- Bus 10 entspricht der Nennspannung U_0, und der Lastwiderstand 15a ist deaktiviert.

In Fig. 8b entspricht die Gleichspannung U_DC zu einem Zeitpunkt t<t1 wiederum der Nennspannung U_0, d.h. es liegt keine Störung des Leistungsgleichgewichts vor und die gepunktete Linie 81 liegt bei null. Gleichzeitig speist eine PV-Anlage 18 eine MPP-Leistung P_MPP eines PV-Generators 18a über einen DC/DC- Wandler 18b in den DC-Bus 10 ein.

Zum Zeitpunkt t1 beginnt wiederum eine linear ansteigende Störung des Leistungsgleichgewichts, d.h. sowohl die gepunktete Linie 81 als auch die Gleichspannung U_DC steigen an. Zum Zeitpunkt t2 überschreitet die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 den Schwellwert U_max oder einen um eine Hysterese ÄU vom Schwellwert U_max abweichenden Wert U_max+ÄU. Daraufhin ändert der DC/DC- Wandler 18b seine Betriebsart derart, dass sich die PV-Spannung in Richtung der Gleichspannung U_DC vom MPP entfernt. Insbesondere kann der DC/DC-Wandler 18b dazu eine Taktung seiner Leistungshalbleiter unterbrechen, so dass die Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 über etwaige Kapazitäten und Induktivitäten des DC/DC- Wandlers 18b am PV-Generator 18a anliegt. Durch diese Änderung der PV-Spannung sinkt die in den DC-Bus eingespeiste PV-Leistung, repräsentiert durch den Leistungsverlauf 85. Dies wirkt dem Leistungsüberschuss im DC-Bus 10 entgegen, so dass die Gleichspannung U_DC wieder sinkt. Wenn die Gleichspannung U_DC wieder unter dem Schwellwert U_max bzw. unter einem um eine Hysterese ÄU vom Schwellwert U_max abweichenden Wert U_max-ÄU liegt, wird der DC/DC-Wandler 18b wieder derart betrieben, dass die PV-Spannung wieder in Richtung MPP bewegt wird, insbesondere durch Wiederaufnahme der Taktung der Leistungshalbleiter des DC/DC- Wandlers 18b, und die PV- Leistung steigt an. Die Gleichspannung U_DC steigt dann wieder über den Schwellwert U_max bzw. über U_max+ÄU, und so fort.

Es ergibt sich eine modulierte PV-Leistung mit dem Leistungsverlauf 85 sowie der Spannungsverlauf 84. Bei einem weiteren Anstieg der Störung, repräsentiert durch den Anstieg der gepunkteten Linie 81 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3, sinkt der Mittelwert der PV-Leistung immer weiter ab, während die Periode der Modulation weitgehend gleichbleiben kann. Zum Zeitpunkt t3 hat die Störung des Leistungsgleichgewichts einen Wert erreicht, der betragsmäßig größer als die MPP-Leistung des PV-Generators 18a ist, so dass die PV- Leistung das Vorzeichen gewechselt hat und eine modulierte Rückspeisung in den PV- Generator 18a stattfindet. Je nach Auslegung der PV-Spannungen in Relation zur Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 kann es dazu unter Umständen notwendig sein, den DC/DC-Wandler in einem abweichenden Betriebsmodus zu aktivieren, um die PV-Spannung über die Gleichspannung im DC-Bus hinweg zu verändern, insbesondere um eine PV- Spannung oberhalb der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 zu erzeugen. Grundsätzlich ist der PV-Generator 18a in der Lage, eine Rückspeiseleistung in der Größenordnung seiner Nennleistung aufzunehmen. Durch geeignete Auslegung und Steuerung des DC/DC-Wandlers 18b kann die PV-Anlage 18 somit eine Reserveleistung bereitstellen, die immer mindestens die Nennleistung des PV-Generators 18a und dabei mehr als das Doppelte der aktuellen MPP-Leistung des PV-Generators 18a umfasst, um damit ein Leistungsungleichgewicht aufgrund einer entsprechend großen Störung zumindest zu begrenzen und die Gleichspannung U_DC zu stabilisieren.

Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 sinkt die Störung wieder auf null ab, und der Mittelwert der PV-Leistung steigt entsprechend des Leistungsverlaufs 85. Zum Zeitpunkt t4 ist das Leistungsgleichgewicht im DC-Bus 10 wiederhergestellt, die Gleichspannung U_DC im DC- Bus 10 entspricht der Nennspannung U_0, und die PV-Anlage 18 speist die MPP-Leistung des PV-Generators 18a in den DC-Bus 10 ein.

Der Vergleich der Dynamikaspekte beim Einsatz von Reservelasten 15 (Fig. 8a) bzw. PV- Anlagen 18 (Fig. 8b) zur Stabilisierung der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 zeigt, dass ein PV-Generator 18a, der über einen geeigneten DC/DC- Wandler 18b mit dem DC-Bus 10 verbunden ist, ähnlich wie ein Lastwiderstand 15a betrieben werden kann, um zur hinreichend schnellen Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus 10 beizutragen. Ein Lastwiderstand 15a weist dabei eine lineare, zeitinvariante, unveränderliche U/I-Kennlinie auf. Im Unterschied dazu hat ein PV-Generator eine nichtlineare, zeitvariante U/I-Kennlinie, deren Ersatzinnenwiderstand mit zunehmender Spannung immer kleiner wird. Diese Nichtlinearität der PV-Kennlinie kann vorteilhaft zur Stabilisierung der Gleichspannung im DC-Bus 10 und insbesondere zur Vermeidung von Überspannungen im DC-Bus 10 genutzt werden. Durch das Deaktivieren des DC/DC-Wandlers 18b der PV-Anlage 18 steigt die PV-Spannung über die MPP-Spannung, wobei der PV-Strom mit zunehmender PV-Spannung exponentiell abnimmt und bei PV-Spannungen oberhalb der PV-Leerlaufspannung negativ wird. Aufgrund der hohen Steigung der PV-Kennlinie bei Spannungen oberhalb des MPP bewirken bereits geringe Änderungen der PV-Spannung relativ große Änderungen des PV-Stroms.

Aufgrund der Abhängigkeit der PV-Kennlinie von verschiedenen externen Parametern, insbesondere von Einstrahlung und Temperatur, muss der konkret gewünschte Arbeitspunkt auf der PV-Kennlinie permanent überwacht und mittels geeigneter Regelung des DC/DC- Wandlers eingestellt werden.

Zudem kann ein PV-Generator 18a bereits ohne Einstrahlung, d.h. bei Dunkelheit, die einfache PV-Nennleistung als Rückspeiseleistung aufnehmen, wobei aufgrund niedrigerer PV- Spannungen ein etwas größerer Strom im Vergleich zum Lastwiderstand gleicher Nennleistung fließt. Bei voller Einstrahlung auf den PV-Generator 18a, d.h. bei Normalbetrieb nahe der PV-Nennleistung, ist nahezu das Doppelte der PV-Nennleistung als Reserveleistung verfügbar, indem die PV-Leistung von der MPP-Leistung auf null abgeregelt und des Weiteren eine Leistung in der Größenordnung der PV-Nennleistung in den PV-Generator 18a zurückgespeist wird. Somit stellt eine PV-Anlage 18 mindestens genauso viel Reserveleistung wie eine Reservelast 15 mit vergleichbarer Nennleistung zur Verfügung, wobei die verfügbare Reserveleistung der PV-Anlage 18 mit zunehmender Einstrahlung auf das Doppelte der PV- Nennleistung ansteigt.

Beim Anlegen der Gleichspannung U_DC an den Lastwiderstand 15a bzw. beim Ändern der Spannung am PV-Generator 18a stellt sich ein jeweils entsprechender Arbeitspunkt in der Regel verzögerungsfrei ein, sofern parasitäre Effekte vernachlässigbar sind. Da der PV- Generator 18a jedoch über einen leistungselektronischen DC/DC- Wandler 18b betrieben wird, der beispielsweise Glättungsfilter mit induktiven und/oder kapazitiven Filter-Energiespeichern umfassen kann, erfolgt eine Verschiebung des Arbeitspunkts des PV-Generators 18a nicht beliebig schnell, sondern mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der Größe der Filter- Energiespeicher und der maximal zulässigen elektrischen Größen abhängt. Diese Verzögerung kann durch Verwendung fortschrittlicher Leistungshalbleiter und/oder durch Erhöhung der Schaltfrequenz und/oder durch Verringerung der Filterenergiespeicher minimiert werden, sofern notwendig. Die Stromänderungsgeschwindigkeit am Filterenergiespeicher muss dabei größer sein als die Spannungsänderungsgeschwindigkeit im DC-Bus 10. Zudem sind geeignete Vorkehrungen zu treffen, um zu hohe Ausgleichsströme, Überspannungen und/oder übergroße elektrische Leistungen zu verhindern, um eine Zerstörung von Bauteilen des DC/DC-Wandlers 18b beim Anlegen der Gleichspannung U_DC im DC-Bus 10 an den PV-Generator 18a zu vermeiden. Dazu kann die im Rahmen der üblichen Regelung des DC/DC-Wandlers 18b sowieso vorhandene Ermittlung und Überwachung der im DC/DC- Wandler 18b fließenden Ströme und auftretenden Spannungen verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können die für die Spannungsanpassung zuständigen Leistungshalbleiter des DC/DC-Wandlers 18b beispielsweise mit einer zusätzlichen geschalteten Leitung überbrückt werden. BEZUGSZEICHENLISTE

DC-Netz

DC-Bus

AC-Netz a Energieversorgungsnetz b DC/AC- Wandler DC-Netz a Versorgungsnetz b DC/DC- Wandler Last a Verbraucher b Netzteil

Maschine a Generator b DC/AC- Wandler

Reservelast a Lastwiderstand b DC/DC- Wandler

Energiespeicher a Batterie b DC/DC- Wandler

Windenergieanlage a Windturbine b AC/DC-Wandler

PV-Anlage a PV-Generator b DC/DC- Wandler ,41 Kennlinienbegrenzung

Kennlinienbereich

Regelung

Hochsetzsteller

Tiefsetzsteller

Nennspannung

Störung .84 Spannungsverlauf .85 Leistungsverlauf