DE102011000394A1 - Lokale Energieversorgungsanlage - Google Patents

Lokale Energieversorgungsanlage

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DE102011000394A1 DE102011000394A DE102011000394A DE102011000394A1 DE 102011000394 A1 DE102011000394 A1 DE 102011000394A1 DE 102011000394 A DE102011000394 A DE 102011000394A DE 102011000394 A DE102011000394 A DE 102011000394A DE 102011000394 A1 DE102011000394 A1 DE 102011000394A1
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Dipl.-Ing. Allert Claus
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/005Arrangements for selectively connecting the load to one among a plurality of power lines or power sources
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers

Abstract

Eine lokale Energieversorgungsanlage (1) mit einer mehrphasigen Übertragungsleitung (4) zur Übertragung elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz (2) zu einer Verbraucheranordnung (3) weist eine Trenneinrichtung (5) auf, mittels welcher die Übertragungsleitung (4) bei betätigter Trenneinrichtung (5) in zwei von einander elektrisch isolierte Abschnitte, einen Zuleitungsabschnitt (6) und einen Ableitungsabschnitt (7) unterteilbar ist. Eine Netzüberwachungseinrichtung (8), welche mit dem Zuleitungsabschnitt (6) der Übertragungsleitung (4) verbunden ist, dient zur Überwachung des Energieversorgungsnetzes (2). Desweiteren umfasst die lokale Energieversorgungsanlage (1) einen Netzbildner (9), welcher mindestens einphasig mit dem Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) verbunden ist, und mindestens eine Verbindungseinrichtung (10), welche mit dem Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) verbunden und dazu eingerichtet ist, im Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) mindestens eine Phase mit einer anderen Phase des Ableitungsabschnitts (7) der Übertragungsleitung (4) zu einer gemeinsamen Phase zu verbinden, um die Verbraucher der Verbraucheranordnung (3) bei Ausfall des Energieversorgungsnetzes (2) mit Energie zu versorgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine lokale Energieversorgungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Betriebsverfahren zum Betrieb einer solchen lokalen Energieversorgungsanlage.
  • Eine derartige lokale Energieversorgungsanlage dient zur Ersatzstromversorgung für eine Elektroinstallation, zum Beispiel in einem Wohnhaus, wenn eine Versorgung aus einem Energieversorgungsnetz, an welches die Elektroinstallation angeschlossen ist, z. B. durch einen Ausfall des Energieversorgungsnetzes, unterbrochen wird. Die lokale Energieversorgungsanlage überwacht das Energieversorgungsnetz und schaltet bei einem Netzausfall auf einen so genannten Inselnetzbetrieb um, dabei trennt die lokale Energieversorgungsanlage die Verbindung zum Energieversorgungsnetz und schaltet eine Ersatzstromversorgung aus einem Speicher, beispielsweise eine wieder aufladbare Batterie mit entsprechenden Leistungsreserven, ein und bildet so ein lokales Inselnetz aus. Diese Ersatzstromversorgung wird dabei zum Beispiel durch einen Wechselrichter bereitgestellt, welcher eine Gleichspannung eines Speichers in eine Wechselspannung umformt. Während des Inselnetzbetriebs wird das Energieversorgungsnetz weiter von der lokalen Energieversorgungsanlage überwacht. Sobald das Energieversorgungsnetz wieder zur Verfügung steht, schaltet die lokale Energieversorgungsanlage aus dem Inselnetzbetrieb wieder in den normalen Netzbetrieb um. Dabei wird dann der Speicher wieder geladen.
  • Die Anmeldeschrift EP 1 965 483 A1 beschreibt eine solche lokale Energieversorgungsanlage. Hier wird eine lokale Energieerzeugungseinheit, beispielsweise eine Photovoltaikanlage, um einen Wechselrichter mit Speichereinheit ergänzt, der dazu eingerichtet ist, eine Überwachung des Energieversorgungsnetzes zu leisten, bei Ausfall des Energieversorgungsnetzes die lokale Energieversorgungsanlage vom Energieversorgungsnetzes zu trennen und eigen ständig ein lokales Netz aufzubauen. In dieses lokale Netz können dann modular verschiedene lokale Energieerzeugungseinheiten Energie einspeisen.
  • Das Energieversorgungsnetz ist üblicherweise ein öffentliches dreiphasiges Energieversorgungsnetz, es kann aber auch ein regionales Energieversorgungsnetz sein, welches zum Beispiel von einem ständig laufenden Stromgenerator gespeist wird, wobei sich dieser Stromgenerator nicht am Ort der Elektroinstallation befinden muss. Die lokalen Elektroinstallationen, zum Beispiel in einem Wohnhaus oder einer Industrieanlage, sind üblicherweise an mehrere insbesondere alle drei Phasen des Energieversorgungsnetzes angeschlossen, um die von den Verbrauchern verursachte Last gleichmäßig auf die Phasen zu verteilen.
  • Üblicherweise werden lokale Energieversorgungsanlagen einphasig aufgebaut, so dass bei Netzausfall nur einige, insbesondere die wichtigsten, Verbraucher mit Energie versorgt werden oder es wird für jede Phase eine eigene Ersatzstromversorgung benötigt.
  • Es besteht ein Bedarf nach lokalen Energieversorgungsanlagen, die keine dreiphasigen Energiequellen, wie zum Beispiel Dieselgeneratoren oder mehrere Wechselrichter, aufweisen aber trotzdem in der Lage sind in einem lokalen Netz bei Ausfall des Energieversorgungsnetzes die Verbraucher auf allen Phasen mit Energie zu versorgen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte lokale Energieversorgungsanlage bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Betriebsverfahren für eine solche lokale Energieversorgungsanlage zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine lokale Energieversorgungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird auch durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist die lokale Energieversorgungsanlage Folgendes auf: eine mehrphasige Übertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz zu einer Verbraucheranordnung mit einer Trenneinrichtung, mittels welcher die Übertragungsleitung bei betätigter Trenneinrichtung in zwei von einander elektrisch isolierte Abschnitte, einen Zuleitungsabschnitt und einen Ableitungsabschnitt unterteilbar ist; eine Netzüberwachungseinrichtung, welche mit dem Zuleitungsabschnitt der Übertragungsleitung verbunden ist und zur Überwachung eines Zustands des Energieversorgungsnetzes vorgesehen ist; und einen Netzbildner, welcher mindestens einphasig mit dem Ableitungsabschnitt der Übertragungsleitung verbunden ist. Die lokale Energieversorgungsanlage ist gekennzeichnet durch mindestens eine Verbindungseinrichtung, welche mit dem Ableitungsabschnitt der Übertragungsleitung verbunden und dazu eingerichtet ist, im Ableitungsabschnitt der Übertragungsleitung mindestens eine Phase mit einer anderen Phase des Ableitungsabschnitts der Übertragungsleitung zu einer gemeinsamen Phase zu verbinden.
  • Die Verbindungen der Abschnitte der Übertragungsleitung und weiterer Funktionseinheiten sind als elektrisch leitende Verbindungen und Anschlüsse zu verstehen. Der Begriff der betätigten Trenneinrichtung ist dahingehend zu verstehen, dass die Trenneinrichtung sowohl als öffnende als auch als schließende Trenneinrichtung ausgestaltet werden kann.
  • Ein elektrisches Energieversorgungsnetz mit mindestens zwei, drei oder mehr Phasen und einem Neutralleiter wird im folgenden als mehrphasiges Netz bezeichnet, unter einem einphasigen Netz soll ein Netz mit einer Phase und einem Neutralleiter verstanden werden.
  • Unter einem Netzbildner ist eine Einrichtung zu verstehen, welche dazu eingerichtet ist ein lokales Energieversorgungsnetz aufzubauen, indem er Netzspannung, Frequenz und Phasenlage vorzugeben in der Lage ist. Ein solches lokales, von einem umfassenden Energieversorgungsnetz getrenntes Netz wird auch als Inselnetz und sein Betrieb als Inselnetzbetrieb bezeichnet. Die dazu notwendige elektrische Energie wird z. B. einem Speicher (Batterie), einem durch eine Verbrennungskraftmaschine, Wind-/Wasserkraft oder auf andere Art angetriebenen Generator entnommen. Der Netzbildner kann eine Batterie und einen Wechselrichter umfassen.
  • Eine Überwachungseinrichtung dient zur Überwachung eines elektrischen Netzes, wobei Spannung, Frequenz, Phasenlage ermittelt wird und daraus ein vorhandener Zustand abgeleitet wird. Ein solcher Zustand eines Netzes ist der Normalzustand, in dem alle überwachten Parameter ihren Nennwerten innerhalb einer vorgegebenen Toleranzgrenze entsprechen. Bei Abweichungen davon wird ein Fehlerzustand erfasst, wie zum Beispiel Netzausfall.
  • Im Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes werden alle Phasen der Elektroinstallation auf der Verbraucherseite, die auch im Weiteren als Ableitungsphasen bezeichnet werden, zu einer einzigen Phase zusammengeschaltet und von einem Netzbildner, der in einer möglichen Ausführungsform in einem einphasigen Wechselrichter mit Gleichspannungsquelle bestehen kann, mit Energie versorgt. Diese Verbindung der Ableitungsphasen wird wieder aufgehoben, bevor eine Umschaltung in den Netzbetrieb bei Rückkehr des Energieversorgungsnetzes in den Normalzustand erfolgt.
  • Die Verbraucher sind üblicherweise einphasige Geräte, die auf alle Ableitungsphasen verteilt sind, um eine gleichmäßige Belastung der Phasen einer Elektroinstallation zu erreichen. Durch die Verbindung der Ableitungsphasen bei dem Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes werden alle Verbraucher versorgt, im Gegensatz zu einer Notstromversorgung auf nur einer Phase. Ein zusätzlicher Mehrphasengenerator für einen Notstrombetrieb ist daher nicht notwendig.
  • Zur Steuerung der Verbindungseinrichtung wie auch der Trenneinrichtung ist in einer Ausführung der Erfindung eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche mit der Netzüberwachungseinrichtung in Kommunikationsverbindung steht und anhand der Ausgangssignale dieser Netzüberwachungseinrichtung die angeschlossenen Schalter und die Verbindungseinrichtung entsprechend in zeitlicher Abfolge steuert.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, in welchem der Netzbildner für jede Ableitungsphase einen einphasigen Wechselrichter aufweist, werden bei erfasstem Netzausfall zunächst alle Phasen der einphasigen Wechselrichter auf eine Phase synchronisiert, d. h. die normalerweise existierende Phasenverschiebung (z. B. 120° bei drei Phasen, 180° bei zwei Phasen) wird aufgehoben, dann erfolgt die Verbindung der Ableitungsphasen. Vor einer Rückkehr in. den Netzbetrieb wird zuerst die Verbindung der Ableitungsphasen wieder aufgehoben, dann erfolgt eine Rücksynchronisation der einzelnen einphasigen Wechselrichter auf die zuvor vorhandene Phasenverschiebung, bevor eine Verbindung mit dem wieder vorhandenen Energieversorgungsnetz eingeschaltet wird. Hierbei ist es besonders von Vorteil, dass im Inselnetzbetrieb bei den gekoppelten Ableitungsphasen die Leistungsfähigkeit und insbesondere die Überlastfähigkeit aller angeschlossenen Wechselrichter gemeinsam für den Betrieb der Verbraucherlasten zur Verfügung steht, da sie durch die gekoppelten Ableitungsphasen parallel geschaltet sind. Dabei ist es möglich – je nach Leistungsbedarf – die so parallel geschalteten Wechselrichter jeweils zuzuschalten oder abzuschalten, um zum Beispiel in Schwachlastzeiten (wie z. B. in der Nacht) Energie zu sparen.
  • In einer weiteren Ausführung ist eine lokale Energieerzeugungseinheit, insbesondere ein Photovoltaikgenerator über einen Photovoltaikwechselrichter, zur Einspeisung in die Übertragungsleitung vorgesehen, wobei die lokale Energieerzeugungseinheit sowohl mit dem Zuleitungsabschnitt der Übertragungsleitung als auch mit dem Ableitungsabschnitt der Übertragungsleitung verbunden sein kann. Eine lokale Energieerzeugungseinheit kann auch durch andere Energiequellen gespeist sein wie Wind- oder Wasserkraft, Brennstoffzellen oder auch Verbrennungsmaschinen.
  • Dabei ist es vorteilhaft möglich, die lokale Energieerzeugungseinheit sowohl zur Einspeisung ins Energieversorgungsnetz bei Netzbetrieb als auch zur Einspeisung in die Ableitungsphasen bei einem Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes zu verwenden.
  • Die Übertragungsleitung kann dreiphasig ausgebildet sein und die Verbindungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, im Ableitungsabschnitt die drei Phasen zu einer gemeinsamen Phase zusammenzuschalten.
  • Der Netzbildner kann mehrphasig ausgebildet sein und die lokale Energieerzeugungseinheit kann mit einer Phase der Übertragungsleitung verbunden sein.
  • Die lokale Energieversorgungsanlage kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die zur Ansteuerung der Trenneinrichtung, der Verbindungseinrichtung und des Netzbildners eingerichtet ist, um in dem Fall, in welchem die Netzüberwachungseinrichtung einen Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes erfasst ein Inselnetzes im Ableitungsabschnitt der Übertragungsleitung auszubilden.
  • Ein Betriebsverfahren beispielsweise für eine oben beschriebene lokale Energieversorgungsanlage, die zum einen mit einem mehrphasigen Energieversorgungsnetz und zum anderen mit einer Verbraucheranordnung mit Verbrauchern verbunden ist, weist die folgenden Schritte auf:
    Das Energieversorgungsnetzes wird überwacht und sein Betriebszustand ermittelt. Wird ein Fehlerbetriebszustand des Energieversorgungsnetzes ermittelt, wird die Verbraucheranordnung vom Energieversorgungsnetz getrennt. Zur Versorgung von zumindest einem Teil der Verbraucher werden mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung zusammengeschaltet, um so von einem Netzbildner über die zusammengeschalteten Phasen versorgt zu werden.
  • Der Betriebszustand des Energieversorgungsnetzes kann weiter überwacht werden, um nach Rückkehr des Energieversorgungsnetzes in den Normalzustand, d. h. nach Beendigung des Fehlerzustandes, die Zusammenschaltung der mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung aufzuheben und die Verbraucheranordnung wieder mit dem Energieversorgungsnetz zur Versorgung der Verbraucher zu verbinden. Der Netzbildner kann dabei abhängig vom Betriebszustand des Energieversorgungsnetzes ein- oder ausgeschaltet werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Betriebsverfahrens werden im Fehlerbetriebszustand alle Phasen der Verbraucheranordnung zur Versorgung aller Verbraucher zusammengeschaltet.
  • In einer Ausführungsform weist die Energieversorgungsanlage einen mehrphasigen Netzbildner auf, der einen Wechselrichter oder auch mehrere einphasigen Wechselrichter enthalten kann, die zur Bereitstellung eines mehrphasigen Netzes mit einer Phasenverschiebung zwischen den Phasen miteinander gekoppelt sind. In diesem Fall muss bei dem Betriebsverfahren vor der Zusammenschaltung von Phasen diese Phasenverschiebung aufgehoben werden. Das bedeutet, dass nachdem der Fehlerbetriebszustand des Energieversorgungsnetzes ermittelt wurde, die Phasenlagen an solchen Ausgängen des Netzbildners synchronisiert, d. h. angeglichen werden, bevor die Phasen der Verbraucheranordnung verbunden werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird nach dem Aufheben der Zusammenschaltung der mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung die Phasenlage an den Ausgängen des Netzbildners mit entsprechenden Phasenlagen im Energieversorgungsnetz zunächst synchronisiert bevor die Verbraucheranordnung wieder mit dem mit dem Energieversorgungsnetz verbunden wird, um für die Verbraucheranordnung einen unterbrechungsfreien Übergang zwischen Inselnetz und Versorgung aus dem Energieversorgungsanlage zu gewährleisten.
  • Mit der erfindungsgemäßen lokalen Energieversorgungsanlage und dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist es nun gegenüber dem Stand der Technik möglich, einen automatischen Übergang zwischen einem mehrphasigen Netzbetrieb und einem, im einfachsten Fall nur aus einer Phase gespeisten, Inselnetzbetrieb in einfacher Weise herzustellen, ohne dass auf der Seite der einphasigen Verbraucher Änderungen in der Installation notwendig werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 ein allgemeines Blockschaltbild einer lokalen Energieversorgungsanlage;
  • 1a Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Netzbildners für eine lokale Energieversorgungsanlage nach 1;
  • 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der lokalen Energieversorgungsanlage;
  • 3 ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels der lokalen Energieversorgungsanlage nach 2;
  • 4 ein Schaltbild einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels nach 2; und
  • 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens.
  • 1 illustriert ein allgemeines Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen lokalen Energieversorgungsanlage 1.
  • Die lokale Energieversorgungsanlage 1 weist eine mehrphasige Übertragungsleitung 4 auf, welche durch eine Trenneinrichtung 5, z. B. ein Schütz, in einen Zuleitungsabschnitt 6 und einen Ableitungsabschnitt 7 unterteilbar ist, zum Beispiel wenn die Trenneinrichtung 5 betätigt ist. Die so unterteilten Abschnitte 6 und 7 sind dann elektrisch voneinander isoliert und getrennt. Die Übertragungsleitung 4 soll in diesem Beispiel dreiphasig ausgebildet sein.
  • Der Zuleitungsabschnitt 6 der Übertragungsleitung 4 ist mit einem Energieversorgungsnetz 2, z. B. einem öffentliches Stromversorgungsnetz, elektrisch leitend verbunden. Der Ableitungsabschnitt 7 der Übertragungsleitung 4 ist mit einer Verbraucheranordnung 3 verbunden. Die einzelnen Verbraucher sind im Allgemeinen verteilt an die mehrphasige Übertragungsleitung 4 angeschlossen, so dass alle Phasen möglichst gleichmäßig belastet sind.
  • Eine Netzüberwachungseinrichtung 8 ist mit dem Zuleitungsabschnitt 6 der Übertragungsleitung 4 verbunden und zur Überwachung eines Zustands des Energieversorgungsnetzes 2 vorgesehen. Dieser Zustand kann ein Normalbetrieb oder ein Fehlerzustand sein. Im Fehlerzustand ist das Energieversorgungsnetz 2 beispielsweise ausgefallen oder weicht von seinen Nenndaten, z. B. in Spannung, Frequenz ab.
  • Mit dem Ableitungsabschnitt 7 der Übertragungsleitung 4 ist mindestens einphasig ein Netzbildner 9 verbunden.
  • Außerdem ist der Ableitungsabschnitt 7 der Übertragungsleitung 4 mit mindestens einer Verbindungseinrichtung 10 verbunden. Die Verbindungseinrichtung 10 ist dazu eingerichtet ist, im Ableitungsabschnitt 7 mindestens eine Phase mit einer anderen Phase des Ableitungsabschnitts 7 zu einer gemeinsamen Phase zu verbinden.
  • Die 1a zeigt ein Beispiel für einen Netzbildner 9. Dieser Netzbildner 9 weist eine wiederaufladbare Batterie 11 auf, welche mit einem Wechselrichter 12 in Verbindung steht. Der Wechselrichter 12 erzeugt aus der Gleichspannung der Batterie 11 an seinem Eingang eine Wechselspannung an seinem Wechselspannungsausgang. Der Netzbildner 9 kann in eine Phase der mehrphasige Übertragungsleitung 4 einspeisen oder als mehrphasiger Wechselrichter in mehrere Phasen einspeisen oder aus mehreren, gegebenenfalls gekoppelten, Wechselrichtern 12 mit gemeinsamer oder jeweils separater Batterie bestehen, um alle Phasen der Übertragungsleitung 4 mit Energie versorgen zu können. Der Netzbildner 9 kann auch ein Generator sein, welcher durch unterschiedliche Kraftmaschinen, z. B. Verbrennungskraftmaschine, Fluidturbine, Windkraftantrieb oder ähnlichem angetrieben wird.
  • Beim Wechselrichter 12 handelt es sich um eine Einheit, die in der Lage ist aus der DC-Versorgung netzbildend zu arbeiten, also eine Wechselspannung zu stellen und damit ein Versorgungsnetz aufzubauen und die Verbraucheranordnung zu versorgen. Es handelt sich hierbei i. d. R. um bidirektionale Batteriewechselrichter, die zusätzlich noch in der Lage sind, die Batterien von der Wechselspannungsseite her zu laden.
  • In einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße lokale Energieversorgungsanlage 1 mindestens eine separate lokale Energieerzeugungseinheit (hier nicht gezeigt) auf die wechselspannungsseitig an jedem Punkt mit der Übertragungsleitung 4 nach 1 verbunden sein kann.
  • Die Funktion der lokalen Energieversorgungsanlage wird anhand der 1 erläutert.
  • Das Energieversorgungsnetz 2 wird von der Überwachungseinrichtung 8 überwacht. Wird ein Fehlerzustand festgestellt, so wird die Trenneinrichtung 5 betätigt, wodurch die Übertragungsleitung 4 in den Zuleitungsabschnitt 6 und den Ableitungsabschnitt 7 unterteilt wird, d. h. der Zuleitungsabschnitt 6 und der Ableitungsabschnitt 7 sind dann von einander elektrisch isoliert. Dann erfolgt ein Aktivierung des Netzbildners 9 zur Lieferung von Energie in den Ableitungsabschnitt 7 zur Versorgung der Verbraucheranordnung 3. Außerdem erfolgt ein Verbinden mindestens einer Phase mit einer anderen Phase des Ableitungsabschnitts 7 zu einer gemeinsamen Phase durch Aktivieren der Verbindungseinrichtung 10. Auf diese Weise können alle Verbraucher, die an den unterschiedlichen, nun verbundenen Phasen angeschlossen sind, versorgt werden.
  • Das Energieversorgungsnetz 2 wird weiter überwacht, und wenn der Normalzustand wieder zurückgekehrt und ermittelt ist, die Verbindung der Phasen des Ableitungsabschnitts 7 durch Deaktivieren der Verbindungseinrichtung 10 aufgehoben. Daraufhin wird die Trenneinrichtung 5 deaktiviert, so dass die Abschnitte 6 und 7 der Übertragungsleitung 4 wieder miteinander verbunden sind. Der bidirektionale Wechselrichter des Netzbildners 9 kann die Batterien wieder aufladen. Die Verbraucheranordnung 3 kann nun wieder vom Energieversorgungsnetz 2 versorgt werden.
  • 2 stellt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen lokalen Energieversorgungsanlage 1 dar.
  • Die lokale Energieversorgungsanlage 1 ist hier mit einer Steuereinrichtung 15 versehen, welche mit der Netzüberwachungseinrichtung 8, der Trenneinrichtung 5, dem Netzbildner 9 und der Verbindungseinrichtung 10 funktionell verbunden ist. Dies ist jeweils durch Doppelpfeile angedeutet, wodurch dargestellt werden soll, dass die Steuereinrichtung 15 sowohl die jeweiligen Funktionseinheiten steuert als auch von ihnen Informationen empfangen kann. Die Steuereinrichtung 15 kann auch z. B. in dem Netzbildner 9, der Verbindungseinrichtung 10 oder der Netzüberwachungseinrichtung 8 integriert sein.
  • 3 zeigt ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen lokalen Energieversorgungsanlage 1 nach 2.
  • Die lokale Energieversorgungsanlage 1 dient dazu, die Stromversorgung mindestens einer Verbraucheranordnung 3 mit mindestens einem Verbraucher V1, V2, V3 nach einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes 2 sicher zu stellen.
  • Die lokale Energieversorgungsanlage 1 umfasst mindestens einen Netzbildner 9 mit einem Wechselrichter 12 und einer Batterie 11, eine Netzüberwachungseinrichtung 8 eine Steuereinrichtung 15, eine Verbindungseinrichtung 10 und eine Trenneinrichtung 5.
  • Der Wechselrichter 12 ist wechselspannungsseitig zum Beispiel mit der Ableitungsphase L1' und dem Ableitungsneutralleiter N' verbunden.
  • Die Netzüberwachungseinrichtung 8 ist an die Zuleitungsphasen L1, L2 und L3 sowie den Zuleitungsneutralleiter N des Energieversorgungsnetzes 2 angeschlossen und führt Messungen der Netzspannung dieser Zuleitungsphasen L1, L2 und L3 untereinander und gegen den Zuleitungsneutralleiter N aus. Weiterhin ermittelt die Netzüberwachungseinrichtung 8 die aktuelle Phasenlage der Zuleitungsphasen L1, L2 und L3. Phasenlagen und Netzspannung werden an die Steuereinrichtung 15 kontinuierlich oder auf Abruf von der Steuereinrichtung 15 übertragen.
  • Die Trenneinrichtung 5 ist hier ein Schütz mit vier Schließkontakten, an welchen die Zuleitungsphasen L1, L2, L3 und Zuleitungsneutralleiter N und die Ableitungsphasen L1', L2', L3' und dem Ableitungsneutralleiter N' angeschlossen ist.
  • Die mindestens eine Verbraucheranordnung 3 besteht zum Beispiel aus einphasigen. Lasten V1, V2, V3, welche jeweils zwischen einer Ableitungsphase L1', L2', L3' und dem Ableitungsneutralleiter N' angeschlossen sind. Handelt es sich beispielsweise um eine Hausinstallation, wobei natürlich mehrere einphasige Verbraucher vorhanden sind, so sind diese so auf die Ableitungsphasen L1', L2', L3' verteilt, dass eine möglichst gleichmäßige Lastverteilung vorliegt, d. h. dass die Ableitungsphasen L1', L2', L3' gleichmäßig belastet sind.
  • Die Verbindungseinrichtung 10 ist hier als Schütz ausgeführt. Dabei dient ein erster Kontaktsatz zur Verbindung der Ableitungsphasen L1' und L2'. Ein zweiter Kontaktsatz verbindet die Ableitungsphasen L1' und L3'. Die Verbindungseinrichtung 10 wird hier durch Einschalten eines Schützes zum Schließen der Kontaktsätze aktiviert, Die Steuereingänge des Schützes der Verbindungseinrichtung 10 und der Trenneinrichtung 5 sind mit der Steuereinrichtung 15 verbunden und werden von ihr gesteuert.
  • 4 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels nach 2.
  • In dieser Variante ist der Netzbildner 9 dreiphasig aufgebaut, wobei drei einphasige Wechselrichter 12 jeweils eine Phase mit Phasenverschiebung untereinander bereitstellen und mit einer gemeinsamen Batterie 11 verbunden sind. Weiterhin sind auch drei lokale Energieerzeugungseinheiten 16 für jeweils eine Phase vorgesehen. Solche lokale Energieerzeugungseinheiten 16 können zum Beispiel aus Wechselrichtern mit einer weiteren Gleichspannungsquelle an ihrem Eingang bestehen, zum Beispiel einer Photovoltaikanlage. Diese Wechselrichter sind für die Einspeisung in ein bestehendes Netz ausgelegt, d. h. nur wenn dieses Netz vorhanden ist und innerhalb der eingestellten Grenzen vorliegt, verbindet sich der Einspeisewechselrichter mit dem Netz und speist die Energie in selbiges ein. Selbstverständlich kann auch lediglich eine solche lokale Energieerzeugungseinheit 16 zur Einspeisung in nur eine Phase vorgesehen sein.
  • Als Trenneinrichtungen dienen hier die Schaltorgane Transferschalter 18, Freischalter Einspeisung 19 und Freischalter Bezug 20. Diese Schaltmittel sind jeweils für drei Phasen und einen Neutralleiter ausgelegt. Die Verbindungseinrichtung 10 kann gemäß 3 mit einem eigenen Schütz realisiert werden oder es wird ein gemeinsames Schaltorgan, z. B. Kontaktsätze am Transferschalter 18, verwendet.
  • In einem ersten Übergangszustand vom Normalzustand des Energieversorgungsnetzes 2 in den Fehlerzustand wird nach dem Öffnen der Freischalter Einspeisung 19 und Freischalter Bezug 20 eine Synchronisation der zweiten und dritten Ableitungsphase L2', L3' auf die erste Ableitungsphase L1' vorgenommen, indem die Steuereinrichtung 15 die Phasen der zugehörigen Wechselrichter 12 auf die Ableitungsphase L1' synchronisiert. in diesem ersten Übergangszustand gibt es keinen Stromausfall für die Verbraucheranordnung 3, da jede Ableitungsphase L1', L2', L3' von einem Netzbildner 9 beliefert wird. Die dabei vorgenommene Synchronisation der Ableitungsphasen L2', L3' erfolgt für die hieran angeschlossenen Verbraucher V1, V2, V3 unmerklich, wenn dies in einem festgelegten Zeitabschnitt, der nicht zu kurz sein darf und in einem Bereich von einigen 100 ms liegt, erfolgt.
  • Wenn die Phasenlage aller Ableitungsphasen L1', L2', L3' gleich ist, wird die Verbindungseinrichtung 10 in oben beschriebener Weise aktiviert. In der Ausführungsform, in der ein gemeinsames Schütz (nicht gezeigt) für den Transferschalter 18 und die Verbindungseinrichtung 10 verwendet wird, werden gleichzeitig die lokalen Energieerzeugungseinheit 16 zugeschaltet und die Verbindung der Phasen hergestellt.
  • In dieser Variante mit drei einphasigen Wechselrichtern als Netzbildner 9 und in den lokalen Energieerzeugungseinheit 16 entsteht ein besonderer Vorteil dadurch, dass die Überlastfähigkeit aller angeschlossenen Wechselrichter 12 gemeinsam für den Betrieb der Verbraucher V1, V2, V3 zur Verfügung steht, da sie im Verbindungszustand der Ableitungsphasen L1', L2', L3' mittels der Verbindungseinrichtung 10 parallel geschaltet sind.
  • In diesem Fall können die Wechselrichter 12 je nach Bedarf einzeln ab- und/oder zugeschaltet werden, um z. B. in Schwachlastzeiten Verluste zu reduzieren und Energie zu sparen.
  • In einem zweiten Übergangszustand vom Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes 2 in den Normalzustand erfolgt zunächst ein Deaktivieren der Verbindungseinrichtung 10, dadurch sind die Wechselrichter 12 nicht mehr parallel geschaltet und müssen einzeln auf die Zuleitungsphasen L1, L2, L3 des Energieversorgungsnetzes 2 rücksynchronisiert werden. Dazu werden Messwerte der Netzüberwachungseinrichtung 8 verwendet. Nach erfolgter Rücksynchronisation werden Freischalter Einspeisung 19 und Freischalter Bezug 20 wieder geschlossen.
  • Im Fall der Variante der Erfindung nach 4 speist eine dreiphasige lokale Energieerzeugungseinheit 16 im Normalfall über den Freischalter Einspeisung 19 in den Zuleitungsabschnitt 6 ein. Im Fehlerfall erfolgt die Einspeisung ins lokale Inselnetz über einen Transferschalter 18 nach erfolgter Trennung des lokalen Inselnetzes vom Energieversorgungsnetz 2 sowie der beschriebenen Synchronisation und Verbindung der Ableitungsphasen 7.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer lokalen Energieversorgungsanlage 1.
  • Nach einem Start wird in einem ersten Schritt S1 mittels der Netzüberwachungseinrichtung 8 das Energieversorgungsnetz 2 auf Netzspannung und Phasenlage im Normalzustand überwacht. Dies erfolgt solange, bis ein Fehlerbetriebszustand, z. B. Netzausfall (j), auftritt.
  • Dann wird in einem Schritt S2 in einem ersten Übergangszustand das Aktivieren der Trenneinrichtung 5 und des Wechselrichters 12 des Netzbildners 9 durchgeführt. Im Fall der Variante nach 4, d. h. bei mindestens zwei einphasigen Wechselrichtern 12, von denen jeweils einer an eine Ableitungsphase L1', L2', L3' angeschlossen ist, werden alle Wechselrichter 12 auf eine Phase synchronisiert.
  • In einem weiteren Schritt S3 wird die Verbindungseinrichtung 10 zur Verbindung der Ableitungsphasen L1', L2', L3' aktiviert.
  • Im Schritt S4 wird das Energieversorgungsnetz 2 mittels der Netzüberwachungseinrichtung 8 weiter überwacht.
  • Sobald eine Rückkehr dieses Netzes in den Normalzustand festgestellt wird (j), wird in einem zweiten Übergangszustand in einem Schritt S5 die Phasenverbindung aufgehoben, indem die Verbindungseinrichtung 10 deaktiviert wird.
  • Dann erfolgt in einem Schritt S6 eine Rücksynchronisation des/der Wechselrichter 12 auf die Werte des Energieversorgungsnetzes 2 und schließlich das Deaktivieren, d. h. Schließen, der Trenneinrichtung 5. Dann erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S1.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
  • So kann die Verbindungseinrichtung 10 auch so durch manuelle Schaltglieder ergänzt werden (nicht dargestellt), dass eine Kopplung für einzelne oder alle Phasen verhindert wird oder so von der Steuereinheit 10 angesteuert werden, dass er permanent geöffnet ist und somit eine Phasenverbindung verhindert.
  • Es ist auch denkbar, dass im Falle einer angeschlossenen lokalen Energieerzeugungseinheit 16 deren Netzüberwachung als Netzüberwachungseinrichtung 8 verwendet werden kann.
  • Die Netzüberwachungseinrichtung 8 und die Steuereinrichtung 15 können sowohl in eine lokale Energieerzeugungseinheit 16 als auch in den Netzbildner 9 integriert sein.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Lokale Energieversorgungsanlage
    2
    Energieversorgungsnetz
    3
    Verbraucheranordnung
    4
    Übertragungsleitung
    5
    Trenneinrichtung
    6
    Zuleitungsabschnitt
    7
    Ableitungsabschnitt
    8
    Netzüberwachungseinrichtung
    9
    Netzbildner
    10
    Verbindungseinrichtung
    11
    Batterie
    12
    Wechselrichter
    15
    Steuereinrichtung
    16
    lokale Energieerzeugungseinheit
    18
    Transferschalter
    19
    Freischalter Einspeisung
    20
    Freischalter Bezug
    L1...3
    Zuleitungsphasen
    L1'...3'
    Ableitungsphasen
    N
    Zuleitungsneutralleiter
    N'
    Ableitungsneutralleiter
    S1...6
    Verfahrensschritt
    V1...3
    Verbraucher
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1965483 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Lokale Energieversorgungsanlage (1), aufweisend – eine mehrphasige Übertragungsleitung (4) zur Übertragung elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz (2) zu einer Verbraucheranordnung (3) mit einer Trenneinrichtung (5), mittels welcher die Übertragungsleitung (4) bei betätigter Trenneinrichtung (5) in zwei von einander elektrisch isolierte Abschnitte, einen Zuleitungsabschnitt (6) und einen Ableitungsabschnitt (7) unterteilbar ist; – eine Netzüberwachungseinrichtung (8), welche mit dem Zuleitungsabschnitt (6) der Übertragungsleitung (4) verbunden ist und zur Überwachung eines Zustands des Energieversorgungsnetzes (2) vorgesehen ist; und – einen Netzbildner (9), welcher mindestens einphasig mit dem Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) verbunden ist, gekennzeichnet durch mindestens eine Verbindungseinrichtung (10), welche mit dem Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) verbunden und dazu eingerichtet ist, im Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) mindestens eine Phase mit einer anderen Phase des Ableitungsabschnitts (7) der Übertragungsleitung (4) zu einer gemeinsamen Phase zu verbinden.
  2. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 1, wobei der Netzbildner (9) eine Batterie (11) und einen Wechselrichter (12) umfasst.
  3. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 1, wobei eine lokale Energieerzeugungseinheit (16), insbesondere ein Photovoltaikgenerator über einen Photovoltaikwechselrichter, zur Einspeisung in die Übertragungsleitung (4) vorgesehen ist.
  4. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsleitung (4) dreiphasig, ausgebildet ist und die Verbindungseinrichtung (10) dazu ausgebildet ist, im Ableitungsabschnitt (7) die drei Phasen zu einer gemeinsamen Phase zusammenzuschalten.
  5. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 1, umfassend eine Steuereinrichtung (15) eingerichtet zur Ansteuerung der Trenneinrichtung (5), der Verbindungseinrichtung (10) und des Netzbildners (9) zur Ausbildung eines Inselnetzes im Ableitungsabschnitt (7) der Übertragungsleitung (4) in dem Fall, in welchem die Netzüberwachungseinrichtung (8) einen Fehlerzustand des Energieversorgungsnetzes (2) erfasst.
  6. Betriebsverfahren für eine lokale Energieversorgungsanlage (1), die zum einen mit einem mehrphasigen Energieversorgungsnetz (2) und zum anderen mit einer Verbraucheranordnung (3) mit Verbrauchern (V1, V2, V3) verbunden ist, aufweisend die folgenden Schritte: – Überwachen des Energieversorgungsnetzes (2) und Ermitteln eines Betriebszustands des Energieversorgungsnetzes (2); und, falls ein Fehlerbetriebszustand des Energieversorgungsnetzes (2) ermittelt wird: – Trennen der Verbraucheranordnung (3) von dem Energieversorgungsnetz (2); – Zusammenschalten von mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung (3); und – Versorgen zumindest eines Teils der Verbraucher (V1, V2) durch einen Netzbildner (9) über die zusammengeschalteten Phasen.
  7. Betriebsverfahren nach Anspruch 6, aufweisend die folgenden weiteren Schritte nach Ermittlung des Fehlerbetriebszustand des Energieversorgungsnetzes (2): – Überwachen des Energieversorgungsnetzes (2) und Ermitteln eines Betriebszustands des Energieversorgungsnetzes (2); und, falls ermittelt wird, dass der Fehlerbetriebszustand nicht mehr vorliegt: – Aufheben der Zusammenschaltung der mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung (3); – Verbinden der Verbraucheranordnung (3) mit dem Energieversorgungsnetz (2) zur Versorgung der Verbraucher (V1, V2, V3).
  8. Betriebsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Netzbildner (9) abhängig vom Betriebszustand des Energieversorgungsnetzes (2) ein- oder ausgeschaltet wird.
  9. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem im Fehlerbetriebszustand alle Phasen der Verbraucheranordnung (3) zur Versorgung aller Verbraucher (V1, V2, V3) zusammengeschaltet werden.
  10. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 für eine Energieversorgungsanlage (2) mit einem mehrphasigen Netzbildner (9), bei dem nach dem Ermitteln des Fehlerbetriebszustands und vor dem Zusammenschalten der mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung (3) der folgende weitere Schritt ausgeführt wird: – Synchronisieren der Phasenlagen an solchen Ausgängen des Netzbildners (9), die mit den zusammengeschalteten Phasen der Verbraucheranordnung (3) verbunden sind.
  11. Betriebsverfahren nach Anspruch 7 und 10, bei dem nach dem Aufheben der Zusammenschaltung der mindestens zwei Phasen der Verbraucheranordnung (3) und vor dem Verbinden der Verbraucheranordnung (3) mit dem Energieversorgungsnetz (2) die Phasenlage an den Ausgängen des Netzbildners (9) mit entsprechenden Phasenlagen im Energieversorgungsnetz (2) synchronisiert werden.
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