DE102010014146A1

DE102010014146A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Spannungsversorgung

Info

Publication number: DE102010014146A1
Application number: DE102010014146A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Appel Christian
Original assignee: Lichtblick Zuhausekraftwerk GmbH
Current assignee: Lichtblick Zuhausekraftwerk GmbH
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung zur Spannungsversorgung (Versorgung) mindestens eines Wechselspannungs-Verbrauchers und/oder zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Spannungsversorgung (Versorgung) mindestens eines Wechselspannungs-Verbrauchers und/oder zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz, das in einer elektrischen Anlage ausgeführt wird, wobei die Anlage, insbesondere in einem Gebäude installiert, mindestens einen Verbraucher und/oder einen Anschluss an ein öffentliches Versorgungsnetz aufweist sowie einen Wechselrichter für eine Gleichspannungsquelle und eine Steuerung oder Regelung (Controller), das dadurch gekennzeichnet, dass ein mobiler Energiespeicher, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, als die Gleichspannungsquelle an die elektrische Anlage angeschlossen wird, und dass der Controller die Abgabe elektrischer Leistung aus dem Energiespeicher und/oder die Versorgung des Verbrauchers und/oder das Einspeisen elektrischer Leistung in das Versorgungsnetz steuert oder regelt (kontrolliert).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung zur Spannungsversorgung (Versorgung) mindestens eines Wechselspannungs-Verbrauchers und/oder zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz. Das Verfahren wird in einer elektrischen Anlage ausgeführt, die, insbesondere in einem Gebäude installiert, mindestens einen Verbraucher und/oder einen Anschluss an ein öffentliches Versorgungsnetz aufweist sowie einen Wechselrichter für eine Gleichspannungsquelle und eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung im Folgenden zusammenfassend „Controller”).
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Spannungsversorgung von Verbrauchern zum Beispiel in Haushalten bekannt, die ergänzend zur Versorgung aus einem öffentlichen Versorgungsnetz zum Beispiel Generatoren einsetzen. Letzteres können zum Beispiel Blockheizkraftwerke sein. Derartige Systeme sind auch autark bekannt, dass heißt, sie funktionieren dann ohne einen Anschluss an eine öffentliches Versorgungsnetz – etwa dort, wo ein solches nicht zur Verfügung steht. Auch hier sind Spannungsquellen zum Beispiel Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerke, Notstromaggregate oder Photovoltaikanlagen, auch in beliebiger Kombination.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und einen Controller zur Spannungsversorgung zu schaffen, mit denen verfügbare Ressourcen effizienter genutzt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einen Controller mit den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Unter einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Spannungsversorgung (Versorgung) mindestens eines Wechselspannungs-Verbrauchers und/oder zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz in einer elektrischen Anlage ausgeführt, die mindestens einen Verbraucher und/oder einen Anschluss an ein öffentliches Versorgungsnetz aufweist sowie einen Wechselrichter für eine Gleichspannungsquelle und eine Steuerung und/oder Regelung (Controller). Die Anlage für das erfindungsgemäße Verfahren kann eine beliebige Anzahl an Gleich- oder Wechselspannungsquellen aufweisen, bezieht ihre elektrische Energie aber mindestens aus einer Gleichspannungsquelle in Form eines mobilen Energiespeichers, der an die Anlage angeschlossen wird und für deren Anschluss die Anlage eingerichtet ist. Der Controller steuert oder regelt (kontrolliert) erfindungsgemäß die Abgabe elektrischer Leistung aus dem mobilen Energiespeicher und/oder die Versorgung des Verbrauchers und/oder das Einspeisen elektrischer Leistung in das Versorgungsnetz. Das heißt, erfindungsgemäß nimmt der Controller in der Anlage in vorzugsweise programmierter oder programmierbarer Weise Einfluss auf den elektrischen Energiefluss in der Anlage.
Vorzugsweise ist der mobile Energiespeicher die Batterie, ein Akkumulator, insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator, Lithium-Titanat-Akkumulator, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator eines Elektrofahrzeugs. Unter mobilem Energiespeicher im erfindungsgemäßen Sinne wird grundsätzlicher aber ein Energiespeicher verstanden, der in irgendeiner Weise transportabel ist und im Bereich der elektrischen Anlage mindestens auch zu einem Zweck mindestens zeitweise angeordnet ist, der nicht auf die Versorgung der Anlage gerichtet ist. So dient die Batterie des Elektrofahrzeugs zum Beispiel eben üblicherweise primär dazu, das Fahrzeug zu versorgen (hier wird deutlich, dass der Verbraucher, der in der erfindungsgemäßen Anlage versorgt wird, nicht Element des Elektrofahrzeugs oder des elektrischen Geräts ist, zu dem der mobile Energiespeicher als dessen Versorgungsspeicher eigentlich gehört). Wenn das Fahrzeug aber zum Beispiel in der Garage eines Haushalts geparkt ist, kann es dort mittels zum Beispiel eines Steckers zum Aufladen an die elektrische Hausanlage angeschlossen werden. Es ist nun erfindungsgemäß, diesen Anschluss nicht nur zum Einspeisen elektrischer Leistung in diesen mobilen Energiespeicher zu nutzen, um ihn aufzuladen (und immer im optimalen Ladezustand für den Betrieb des Elektrofahrzeugs zu halten), sondern vielmehr ihn auch zwischendurch wieder zu entladen, um Verbraucher in der Anlage zu versorgen und/oder Strom in einen an der Anlage angeschlossenes öffentliches Versorgungsnetz einzuspeisen.
Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel dann, wenn in der Anlage auch eine Spannungsquelle enthalten ist, die mehr Leistung produziert als momentan in den Verbrauchern der Anlage erforderlich, diese Energie zwischengespeichert werden kann.
So kann erfindungsgemäß von einem öffentlichen Versorgungsnetz autark geblieben werden. Man kann so erfindungsgemäß aber auch zwischengespeicherte Energie nur zu Zeitpunkten in das öffentliche Versorgungsnetz einspeisen, wenn dort erhöhter Strombedarf besteht und/oder höhere Strompreise für das Einspeisen bezahlt werden. Ebenso kann aber auch erfindungsgemäß im Netzparallelbetrieb der Strombezug der elektrischen Anlage durch Ausspeisung zwischengespeicherter Energie vermindert werden.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt befindet sich die Technologie von elektrischen Energiespeichern noch immer in der Entwicklung. Deren Speicherdichte und Effizienz nimmt zu, und zwar mit fortschreitender Forschung, die insbesondere von der Nachfrage an Elektrofahrzeugen, aber auch im Mobiltelefon- und im Mobilcomputerbereich motiviert ist. Auch diese zum Beispiel sind mobile Energiespeicher im erfindungsgemäßen Sinne. In welchen weiteren Technologiefeldern mobile Energiespeicher noch zum Einsatz kommen werden, ist gegenwärtig nicht vollständig absehbar. Dort aber, wo ein mobiler Energiespeicher in den Bereich einer elektrischen Anlage, die insbesondere in einem Gebäude installiert ist, gebracht wird, um dort zum Beispiel abgelegt, gelagert und/oder primär für seinen eigentlichen Zweck geladen zu werden, kann der Energiespeicher im erfindungsgemäßen Sinne dazu dienen, sekundär an die elektrische Anlage angeschlossen und darin erfindungsgemäß kontrolliert zu werden.
Unter einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Controller insbesondere für das erfindungsgemäße Verfahren erfindungsgemäß darauf eingerichtet, zur Versorgung eines Verbrauchers und/oder zur Einspeisung elektrischen Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz eine Leitungsverbindung zu kontrollieren zwischen mindestens einer Spannungsquelle einerseits sowie andererseits einem Verbraucher und/oder einem Anschluss an ein öffentliches Versorgungsnetz, die zu einer elektrischen Anlage zusammengeschlossen sind. Erfindungsgemäß ist mindestens eine der Spannungsquellen eine Gleichspannungsquelle in Form eines mobilen Energiespeichers wie oben zu den Verfahren beschrieben.
Der erfindungsgemäße Controller in dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich vorzugsweise von einem lokalen Benutzerinterface ansteuern. Darin können Parameter, insbesondere zeitliche und/oder elektrische Grenzwerte, der Anlage und/oder des Verfahrens eingestellt und/oder programmiert werden. So kann zum Beispiel beim mobilen Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs, das in der Garage eines Hauses aufgeladen wird und dazu an der Hausanlage angeschlossen ist, der Benutzer an einem (insbesondere benutzerfreundlich gestalteten) Display programmieren, wann in der nächsten Zeit er wie weit mit seinem Elektrofahrzeug fahren möchte. Der erfindungsgemäße Controller berücksichtigt diese Parameter beim Kontrollieren einer Mindestmenge elektrischer Leistung, die in dem mobilen Energiespeicher gespeichert bleibt. Ferner kann (weiter in diesem Beispiel) der Controller so grundprogrammiert sein, dass er jedenfalls immer eine bestimmte (oder auch vom Benutzer bestimmbare) Grundenergiemenge im Speicher behält, so dass jedenfalls immer zum Beispiel gewisse Notfallfahrten mit dem Elektrofahrzeug möglich bleiben, wann auch immer es plötzlich zum Einsatz kommen muss. Zu diesem Zweck kontrolliert der Controller die Entnahme elektrischer Leistung aus dem mobilen Energiespeicher also so, dass er die Entnahme beendet, wenn die gespeicherte Ladung ein bestimmtes, insbesondere programmierbares, Quantum unterschreitet.
Entsprechende Ansteuerung an den Controller kann alternativ oder ergänzend von einer Steuerzentrale erfolgen, die zum Beispiel über das Internet und/oder eine Funkverbindung mit dem Controller in Verbindung steht. So kann zum Beispiel ein Energieversorgungsunternehmen das Einspeisen von elektrischem Strom aus dem mobilen Energiespeicher wie oben schon angedeutet so kontrollieren, dass hohe Preise erzielt werden, indem der Controller entsprechend von einer Kontrollzentrale angesteuert wird. Dies ist zum Beispiel dann sinnvoll, wenn der Energieversorger einem Haushalt ein Blockheizkraftwerk, eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage zur Verfügung stellt, um damit dezentral Strom zu erzeugen – und Strom nur dann (zeitlich gezielt ertragsoptimiert) in das Versorgungsnetz einzuspeisen, wenn Stromüberschuss produziert wird.
Um zum Beispiel in diesem Zusammenhang festzustellen, wie hoch der momentane Leistungsbedarf von Verbrauchern in der elektrischen Anlage ist, weist die Anlage vorzugsweise eine Messvorrichtung auf, die eine elektrische Leistungsaufnahme des Verbrauchers misst. Dies ist insbesondere ein Leistungszähler oder Lastgangzähler. Zum Beispiel wenn ein Blockheizkraftwerk als Spannungsquelle in der Anlage existiert, kann der Controller auch von einem Wärmebedarf abhängig die Anlage kontrollieren.
Auch kann der Controller wie angedeutet für das Aufladen des mobilen Energiespeichers in der Anlage kontrollierend zuständig sein.
Um das Anschließen des mobilen Energiespeichers komfortabel zu gestalten, kann dies durch geeignete Kupplungen nach Art von Dockingstations selbsttätig erfolgen, etwa wenn das Elektrofahrzeug an seinem angestammten Parkplatz zum Beispiel in einer Garage gefahren wird oder wenn ein mobiles Elektrogerät an einer bestimmten Stelle abgelegt wird.
Der Gleichstrom aus der Gleichspannungsquelle wird durch den Wechselrichter in der erfindungsgemäßen Anlage in eine Wechselspannung, vorzugsweise einen 400 Volt und/oder 230 Volt insbesondere mit einer Frequenz von größer gleich 50 Hertz gerichtet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Figur weiter beschrieben.
Die Figur zeigt ein Schema einer elektrischen Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Controller zum Einsatz kommen.
Ein Verfahren zur Spannungsversorgung der Wechselspannungs-Verbraucher 2 einer Hausstromanlage 4 und zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz 6 wird in der elektrischen Anlage 4 ausgeführt, die mehrere Verbraucher 2 und/oder einen Anschluss 8 an ein öffentliches Versorgungsnetz 6 aufweist sowie einen bi-direktionalen Wechselrichter 10 für eine Gleichspannungsquelle 12 und eine Regelungsvorrichtung (Controller) 14. Die Anlage 4 hat ferner eine Wechselspannungsquelle 16, bezieht ihre elektrische Energie aber außerdem auch aus der Gleichspannungsquelle 12 in Form eines mobilen Energiespeichers 12, der an die Anlage angeschlossen wird (18) und für deren Anschluss die Anlage eingerichtet ist. Der Controller 14 regelt erfindungsgemäß die Abgabe elektrischer Leistung aus den Spannungsquellen der Anlage, nämlich dem öffentlichen Versorgungsnetz 6, einem Blockheizkraftwerk 16 sowie dem mobilen Energiespeicher 12. Auch regelt er die Versorgung des Verbrauchers 2 und das Einspeisen elektrischer Leistung in das Versorgungsnetz 6.
Der mobile Energiespeicher 12 ist die Batterie eines Elektrofahrzeugs 20. Sie dient primär dazu, das Fahrzeug 20 zu versorgen. Sobald das Fahrzeug in der Garage 22 eines Hauses 24 geparkt ist, kann es dort mittels eines Steckers 18 zum Aufladen an die elektrische Hausanlage 4 angeschlossen werden.
Dieser Anschluss 12, 18 ist nun erfindungsgemäß nicht nur zum Einspeisen elektrischer Leistung in den mobilen Energiespeicher 12 genutzt (um ihn aufzuladen), sondern erfindungsgemäß auch, um ihn zwischendurch wieder zu entladen, um die Verbraucher 2 in der Anlage 4 zu versorgen oder Strom in das öffentliche Versorgungsnetz 6 einzuspeisen.
Wenn nämlich das BHKW 16 mehr Leistung produziert als momentan in den Verbrauchern 2 der Anlage erforderlich, kann diese Energie im Speicher 12 zwischengespeichert werden. So kann zwischengespeicherte Energie nur zu Zeitpunkten in das öffentliche Versorgungsnetz 6 einspeist werden, wenn dort erhöhter Strombedarf besteht und höhere Strompreise für das Einspeisen bezahlt werden.
Der Controller 14 lässt sich von einem lokalen Benutzerinterface 28 ansteuern. Darin können Parameter, insbesondere zeitliche und/oder elektrische Grenzwerte, der Anlage und des Verfahrens eingestellt oder programmiert werden. So kann bei dem mobilen Energiespeicher des Elektrofahrzeugs 20, das gerade in der Garage 22 des Hauses 24 aufgeladen wird und dazu an der Hausanlage 4 angeschlossen ist, der Benutzer an dem Interface 28 programmieren, wann in der nächsten Zeit er wie weit mit seinem Elektrofahrzeug 20 fahren möchte. Der Controller 14 berücksichtigt diese Parameter beim Kontrollieren der Mindestmenge elektrischer Leistung, die in dem mobilen Energiespeicher 12 gespeichert bleibt. Ferner ist der Controller 14 so grundprogrammiert, dass er immer eine bestimmte (auch vom Benutzer bestimmbare) Grundenergiemenge im Speicher 12 behält, so dass jedenfalls immer zum Beispiel gewisse Notfallfahrten mit dem Elektrofahrzeug 20 möglich bleiben, wann auch immer es plötzlich zum Einsatz kommen muss.
Der Controller 14 wird ergänzend von einer Steuerzentrale 30 angesteuert, die über das Internet und/oder eine Telefonverbindung 32 mit dem Controller 14 in Verbindung steht. In einer anderen Ausführungsform kann der Controller 14 auch über eine Funkverbindung mit der Steuerzentrale 30 in Verbindung stehen. So kann zentral vom Systembetreiber 6 das Einspeisen von elektrischem Strom aus dem mobilen Energiespeicher 12 wie oben schon angedeutet so kontrolliert werden, dass hohe Preise erzielt werden, indem der Controller 14 entsprechend von der Kontrollzentrale 30 angesteuert wird.
Um festzustellen, wie hoch der momentane Leistungsbedarf der Verbraucher 2 in der elektrischen Anlage 4 ist, weist die Anlage 4 einen elektronischen Leistungszähler 34 auf, der den momentanen Verbrauch der Verbraucher 2 misst. Dieses Messsignal wird durch eine Signalleitung 36 an den Controller weitergegeben. So kann der Controller die Anlage auch abhängig vom momentanen Leistungsbedarf der Verbraucher 2 kontrollieren.

Claims

Verfahren, zur Spannungsversorgung (Versorgung) mindestens eines Wechselspannungs-Verbrauchers und/oder zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz, das in einer elektrischen Anlage ausgeführt wird, wobei die Anlage, insbesondere in einem Gebäude installiert, mindestens einen Verbraucher und/oder einen Anschluss an ein öffentliches Versorgungsnetz aufweist sowie einen Wechselrichter für eine Gleichspannungsquelle und eine Steuerung oder Regelung (Controller), dadurch gekennzeichnet, dass ein mobiler Energiespeicher, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, als die Gleichspannungsquelle an die elektrische Anlage angeschlossen wird, und dass der Controller die Abgabe elektrischer Leistung aus dem Energiespeicher und/oder die Versorgung des Verbrauchers und/oder das Einspeisen elektrischer Leistung in das Versorgungsnetz steuert oder regelt (kontrolliert).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage den mobilen Energiespeicher und mindestens eine Wechselspannungsquelle aufweist und dass der Controller auch die Abgabe elektrischer Leistung aus der Wechselspannungsquelle kontrolliert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Spannungsquellen ein Generator, insbesondere ein BHKW, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zeitabhängig und/oder von einem Wärmebedarf abhängig kontrolliert und/oder vom Leistungsbedarf des Verbrauchers, wobei die Anlage eine Messvorrichtung, die eine elektrische Leistungsaufnahme des Verbrauchers misst, insbesondere einen Leistungs- oder Lastgangzähler, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller Entnahme elektrischer Leistung aus dem mobilen Energiespeicher beendet, wenn dessen Ladung ein bestimmtes, insbesondere programmierbares, Quantum unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller von einem lokalen Benutzerinterface und/oder von einer Kontrollzentrale angesteuert wird, an dem Parameter, insbesondere zeitliche und/oder elektrische Grenzwerte, der Anlage und/oder des Verfahrens einstellbar und/oder programmierbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufladen des mobilen Energiespeichers und/oder eines anderen Energiespeichers der Anlage mindestens eine der übrigen Spannungsquellen vom Controller kontrolliert elektrische Leistung an den Energiespeicher abgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs auf einem Parkplatz, insbesondere in einer Garage, mittels einer Kupplung, insbesondere beim Einparken des Elektrofahrzeugs selbsttätig, an die elektrische Anlage angeschlossen wird.
Controller für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Controller dadurch gekennzeichnet, dass er darauf eingerichtet ist, zur Versorgung eines Verbrauchers und/oder zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz eine Leitungsverbindung zu kontrollieren zwischen mindestens einer Spannungsquelle einerseits, wovon mindestens eine Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist in Form eines mobilen Energiespeichers, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, sowie andererseits einem Verbraucher und/oder einem Anschluss an ein öffentliches Versorgungsnetz, die zu einer elektrischen Anlage zusammengeschlossen sind.
Controller nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass er darauf eingerichtet ist, zeitabhängig zu kontrollieren und/oder von einem Wärmebedarf abhängig und/oder vom Leistungsbedarf des Verbrauchers.
Controller nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er darauf eingerichtet ist, ein Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, das die Ladung des mobilen Energiespeichers wiedergibt, und dass er darauf eingerichtet ist, die Entnahme elektrischer Leistung aus dem Energiespeicher zu beenden, wenn dass Messsignal wiedergibt, dass die Ladung des Energiespeichers ein bestimmtes, insbesondere programmierbares, Quantum unterschreitet.
Controller nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er darauf eingerichtet ist, zur Aufladung des mobilen Energiespeichers und/oder eines anderen Energiespeichers, die zur Versorgung mindestens eines Verbrauchers und/oder zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein öffentliches Versorgungsnetz zu einer elektrischen Anlage zusammengeschlossen sind, eine Leitungsverbindung zwischen mindestens einer Spannungsquelle der Anlage und/oder dem öffentlichen Versorgungsnetz an der Anlage einerseits sowie dem aufzuladenden Energiespeicher andererseits zu kontrollieren.
Controller nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Benutzerinterface aufweist und/oder auf Verbindung mit einer Kontrollzentrale eingerichtet ist, womit Parameter, insbesondere zeitliche und/oder elektrische Grenzwerte, für das Kontrollieren der Anlage und/oder des Verfahrens einstellbar und/oder programmierbar sind.