DE102011010791A1 - Grid-connected system for local production of renewable electric energy, has power management unit having local energy storage connected to local load and external power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem Solargenerator und einem Netzwechselrichter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines netzgekoppelten Systems zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie.The invention relates to a grid-connected system for the local generation of renewable electrical energy with a solar generator and a grid inverter. Furthermore, the invention relates to a method for operating a grid-connected system for the local generation of renewable electrical energy.
Aus dem Stand der Technik sind netzgekoppelte Photovoltaikanlagen mit netzgerührtem Wechselrichtern bekannt, deren Solargeneratoren beispielsweise auf Dächern von Ein- oder Mehrfamilienhäusern angeordnet sind. Bei diesen Systemen wird der vom Solargenerator erzeugte Solarstrom direkt einem Wechselrichter zugeführt und ohne Zwischenspeicher ins Stromnetz eines Verbrauchers eingespeist. Nicht verbrauchter Solarstrom geht direkt ins Netz eines Energieversorgungsunternehmens. Der nicht eigengenutzte Solarstrom wird dabei vom Energieversorgungsunternehmen vergütet. Im Gegenzug wird der Strombedarf, der in Zeiten von keiner oder nur geringer Leistung des Solargenerators entsteht, aus dem Stromnetz des Energieversorgungsunternehmens bezogen. Dies führt zum Teil zu hohen Einspeiseleistungen von Photovoltaikanlagen in das Stromnetz der Energieversorgungsunternehmen. Übers Jahr wird rechnerisch oftmals eine Vollversorgung mit Solarstrom erreicht, aber keineswegs zu allen Zeiten. Dies führt teilweise zu Problemen mit der vorhandenen Infrastruktur der vorhandenen Stromnetze der Energieversorgungsunternehmen, da diese zeitweise überlastet werden. Insbesondere bei hoher Sonneneinstrahlung und vielen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen treten hohe Stromspitzen im Sommer in der Mittagszeit auf. Diese Stromspitzen sind auch der Maßstab für die Auslegung der vom Betreiber der Photovoltaikanlage bereitzustellenden Infrastruktur, d. h. diese Stromspitzen definieren im Wesentlichen die Leistung des bereitzustellenden Wechselrichters. Zum anderen führen die wetter- und tageszeitabhängigen Energieeinspeisungen zu erheblichen Problemen bei der Regelung konventioneller Kraftwerksanlagen. Schließlich ist es für den Betreiber einer Photovoltaikanlage zum einen unbefriedigend und zum anderen teuer, bei wenig oder keine Sonnenlicht Strom von den Energieversorgungsunternehmen zukaufen zu müssen.Grid-connected photovoltaic systems with mains-stirred inverters are known from the prior art, the solar generators are arranged, for example, on roofs of single or multi-family homes. In these systems, the solar power generated by the solar generator is fed directly to an inverter and fed without intermediate storage in the power grid of a consumer. Unconsumed solar power goes directly into the grid of a power company. The non-self-used solar power is paid by the energy supply company. In return, the electricity demand, which arises in times of no or only low power of the solar generator, from the power grid of the utility company related. This leads partly to high feed-in of photovoltaic systems in the power grid of the energy supply companies. Throughout the year, a full supply of solar power is often achieved, but by no means at all times. This sometimes leads to problems with the existing infrastructure of the existing electricity networks of the energy supply companies, as these are temporarily overloaded. Especially at high solar radiation and many grid-connected photovoltaic systems, high peak currents occur in the summer at noon. These peak currents are also the yardstick for the design of the infrastructure to be provided by the photovoltaic system operator, ie. H. These current peaks essentially define the power of the inverter to be provided. On the other hand, the weather and daytime dependent energy feeds lead to considerable problems in the regulation of conventional power plants. Finally, it is for the operator of a photovoltaic system on the one hand unsatisfactory and on the other expensive, with little or no sunlight to buy electricity from the power companies.
Aus der
Die
Die
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbessertes netzgekoppeltes System zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben eines netzgekoppelten Systems zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie vorgestellt werden.The invention is therefore based on the object to avoid the disadvantages of the known solutions of the prior art and to provide an improved grid-connected system for generating renewable electrical energy. In addition, a method for operating a grid-connected system for generating renewable electrical energy is to be presented.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a grid-connected system for the local generation of renewable electrical energy with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem Solargenerator und einem Netzwechselrichter vorgesehen, wobei ferner ein intelligenter Energieverwaltungseinheit mit einer Regeleinheit, einem MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker) Laderegler und einem lokalen Energiespeicher vorgesehen ist.According to the invention, a grid-connected system for the local generation of regenerative electrical energy with a solar generator and a grid inverter is provided, further comprising an intelligent power management unit with a control unit, a MPP-T (Maximum Power Point Tracker) charge controller and a local energy storage is provided.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Solargenerator über den MPP-T-Laderegler mit dem Energiespeicher und dem Netzwechselrichter verbunden ist.An advantageous development of the invention provides that the solar generator is connected via the MPP-T charge controller with the energy storage and the grid inverter.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbeildung der Erfindung sieht vor, dass die Regeleinheit Mittel zum Messen einer SOLL-Leistung eines lokalen Verbrauchswechselstroms aufweist, um Gleichstrom aus dem Solargenerator und/oder dem Energiespeicher an den Wechselrichter bedarfsgerecht nachzuführen. Dazu können auch Parameter wie die voraussichtliche Solarstromerzeugung (Tagesgang) von externen Informationsquellen, wie beispielsweise dem Internet, herangezogen werden.A further advantageous development of the invention provides that the control unit has means for measuring a nominal power of a local consumption alternating current to DC to track the solar generator and / or the energy storage to the inverter as needed. In addition, parameters such as the anticipated generation of solar power (daily gear) from external information sources, such as the Internet, can be used.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Regeleinheit eine Logikschaltung aufweist, die im Fall, dass die SOLL Leistung P SOLL kleiner als eine Leistung des Solargenerators ist, die überschüssige Leistung dem Energiespeicher zuführt, und im Fall, dass die SOLL Leistung P SOLL größer als die Leistung des Solargenerators ist, die Differenz DELTA P vom Energiespeicher und/oder aus dem Netz eines Energieversorgungsunternehmens bezieht.Yet another advantageous development of the invention provides that the control unit has a logic circuit which, in the event that the desired power P SOLL is less than a power of the solar generator, supplies the excess power to the energy store, and in the case that the SOLL power P SOLL is greater than the power of the solar generator, the difference DELTA P from energy storage and / or from the network of a power company relates.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Netzwechselrichter auf eine maximale Verbrauchsleistung in einem Haushalt oder Gewerbebetrieb ausgelegt ist. Dies kann beispielsweise bei einem vier Personen Haushalt eine Leistung pro Haushalt von vorzugsweise 2–7 kW, besonders bevorzugt von 3–5 kW sein.A further advantageous development of the invention provides that the grid inverter is designed for maximum consumption in a household or commercial enterprise. For example, in the case of a four-person household this can be a power per household of preferably 2-7 kW, particularly preferably of 3-5 kW.
Noch eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher als Tagesspeicher mit einer Speicherkapazität für eine maximale Nacht-Verbrauchsleistung in einem Haushalt oder Gewerbebetrieb ausgelegt ist. Dies kann beispielsweise bei einem vier Personen Haushalt pro Haushalt eine Speicherkapazität von vorzugsweise 5–20 kWh, besonders bevorzugt 10–15 kWh sein, so dass der Strombedarf für die Nacht gespeichert wird. Der Energiespeicher kann dabei vorzugsweise eine stationäre Batterie mit hoher Zyklenfestigkeit und hohem Lade-/Entladewirkungsgrad sein, beispielsweise Li-Ionen-, NiMH- oder NaS-Akkus aber auch Blei-Säure-Akkus, etc.Yet another advantageous development of the invention provides that the energy storage is designed as a daily storage with a storage capacity for a maximum night-time consumption in a household or commercial enterprise. This can for example be a storage capacity of preferably 5-20 kWh, particularly preferably 10-15 kWh for a four-person household per household, so that the power requirement for the night is stored. The energy storage device may preferably be a stationary battery with high cycle stability and high charge / discharge efficiency, for example Li-ion, NiMH or NaS batteries, but also lead-acid batteries, etc.
Schließlich sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass bei maximaler Stromerzeugung des Solargenerators 1/3 der Leistung über den regelbaren Netzwechselrichter ins Stromnetz (A) und 2/3 der Leistung in den Energiespeicher geleitet werden. Der Netzwechselrichter besitzt dabei als Maximalleistung 1/3 der Leistung des Solargenerators.Finally, an advantageous development of the invention provides that at maximum power generation of the solar generator 1/3 of the power via the controllable grid inverter into the power grid (A) and 2/3 of the power are passed into the energy storage. The power inverter has 1/3 of the power of the solar generator as maximum power.
Eine intelligente Energieverwaltungseinheit, die einen MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker)-Laderegler, einen Netzwechselrichter und einen regelbaren Verteiler aufweist, wobei Anschlüsse für die Einleitung von Gleichstrom aus einem regenerativen Generator und Anschlüsse für die Einleitung bzw. Entnahme von Gleichstrom aus einen Energiespeicher an dem MPP-T-Laderegler vorgesehen sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass der MPP-T-Laderegler mit dem Netzwechselrichter verbunden ist und dass der Netzwechselrichter einen geregelten Verteiler aufweist, der Anschlüsse für die Abgabe von Wechselstrom an einen Verbraucher und Anschlüsse für die Abgabe oder Aufnahme von Wechselstrom aus einem externen Stromnetz aufweist, um die Abgabe des erzeugten Wechselstroms an einen Verbraucher und/oder ein externes Stromnetz zu steuern.An intelligent power management unit that includes a Maximum Power Point Tracker (MPP-T) charge controller, a grid inverter, and a controllable distributor, with connections for the introduction of DC power from a regenerative generator and connections for the discharge of DC power are provided from an energy store to the MPP-T charge controller is characterized in that the MPP-T charge controller is connected to the power inverter and that the power inverter has a regulated distributor, the connections for the supply of alternating current to a consumer and connections for supplying or receiving AC power from an external power grid to control the delivery of the generated AC power to a load and / or an external power grid.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der intelligenten Energieverwaltungseinheit sieht vor, dass ferner Anschlüsse für Messsignale eines Bedarfsstroms vorgesehen sind, um eine bedarfsgerechte Speicherung und/oder Wandlung von Gleichstrom zu ermöglichen.An advantageous further development of the intelligent power management unit provides that connections for measuring signals of a demand current are also provided in order to enable needs-based storage and / or conversion of direct current.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung der intelligenten Energieverwaltungseinheit sieht vor, dass ferner ein lokaler Energiespeicher als integraler Bestandteil der intelligenten Energieverwaltungseinheit vorgesehen ist. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Energieverwaltungseinheit bereitstellen, die einfach zu installieren und zu warten ist.Yet another advantageous development of the intelligent power management unit provides that a local energy store is furthermore provided as an integral part of the intelligent power management unit. This provides a particularly compact power management unit that is easy to install and maintain.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines netzgekoppelten Systems zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie, weist folgende Schritte auf
- – Ermitteln eines Bedarfsstroms eines Verbrauchers;
- – Weiterleitung von Gleichstrom an einen Netzwechselrichter;
- – Abgabe des erzeugten Wechselstroms an den Verbraucher.
- - determining a demand flow of a consumer;
- - Forwarding of DC power to a network inverter;
- - Delivery of the generated alternating current to the consumer.
Nachfolgend wird die Erfindung gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:The invention will be described in more detail below together with the description of a preferred embodiment with reference to FIGS. Show it:
Ausführungsbeispiel 1: Erhöhung des eigenverbrauchten SolarstromsEmbodiment 1: Increase of self-consumed solar power
Die Leistung des Verbrauchsstroms B wird gemessen und der regelbare Netzwechselrichter erzeugt genau diese Leistung A. Wird vom Solargenerator mehr Strom erzeugt als Leistung A benötigt wird, geht der restliche Solarstrom in den Stromspeicher. Wird im Verbrauch mehr benötigt als der Solargenerator Strom bringt, dann kommt der restliche Strom für A aus dem Stromspeicher. Ergebnis im Normalbetrieb: Kein Strombezug vom Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU). Keine Stromabgabe an das Netz des Energieversorgungsunternehmens. Der gerade erzeugte bzw. der gespeicherte Solarstrom wird primär zum Eigenverbrauch bereitgestellt. Damit erhöht sich der Anteil des eigenverbrauchten Solarstroms. Mittels Prognosen aus externen Quellen, beispielsweise von Internetseiten, über die zukünftige Solarstromerzeugung und eine lernende Logikschaltung zur Ermittlung des Verbrauchslastgangs, kann das System weiter auf optimierten Eigenverbrauch geregelt werden. Ist der Stromspeicher voll geladen, wird der komplette Solarstrom des Solargenerators in Wechselstrom umgeformt A und eingespeist. Damit geht ein Teil des Solarstroms ins Netz des Energieversorgungsunternehmens. Ist der Stromspeicher leer, schaltet der regelbare Netzwechselrichter aus und der Verbrauchsstrom kommt direkt vom Netz C des Energieversorgungsunternehmens. Der Stromspeicher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Tagesspeicher ausgelegt, so dass der Strombedarf für die Nacht gespeichert wird. In privaten Haushalten hat der Stromspeicher somit ca. 5–20 kWh Speicherkapazität.The power of the consumption current B is measured and the controllable grid inverter generates exactly this power A. If more power is generated by the solar generator than power A is required, the remaining solar power goes into the power storage. If more is needed in consumption than the solar generator brings power, then comes the remaining electricity for A from the electricity storage. Result in normal operation: No electricity purchased from the grid of the energy supply company (RU). No electricity supplied to the grid of the utility company. The solar energy just generated or stored is provided primarily for self-consumption. This increases the proportion of self-consumed solar power. By means of forecasts from external sources, for example from Internet sites, about future solar power generation and a learning logic circuit for determining the load load profile, the system can be further regulated to optimize self-consumption. If the power storage is fully charged, the entire solar power of the solar generator is converted into AC A and fed. This means that part of the solar power goes into the grid of the energy supply company. If the power storage is empty, the controllable grid inverter switches off and the consumption current comes directly from the grid C of the power company. The power storage is designed in the present embodiment as daily storage, so that the power requirements for the night is stored. In private households, the power storage thus has about 5-20 kWh storage capacity.
Ausführungsbeispiel 2: Senkung der AnschlussleistungExemplary embodiment 2: Reduction of the connected load
Vielerorts sind die Stromleitungen des Energieversorgungsunternehmen-Netzes an der Leistungsgrenze. Insbesondere bei hoher Sonneneinstrahlung und vielen netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen ohne Stromspeicher treten hohe Stromspitzen im Sommer in der Mittagszeit auf. Die Maximalleistung und damit die Stromspitzen können durch das erfindungsgemäße netzgekoppelte System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie und Regelung 2 minimiert werden. Bei Volllast des Solargenerators fließt 1/3 der Leistung über den regelbaren Netzwechselrichter ins Stromnetz des Energieversorgungsunternehmens A, 2/3 gehen in den Stromspeicher. Bringt der Solargenerator weniger als 1/3 der Maximalleistung so wird der regelbare Netzwechselrichter weiterhin auf Volllast betrieben. Der zusätzliche Strom kommt aus dem Stromspeicher. Nachts wird damit der restliche (gespeicherte) Solarstrom ins Netz eingespeist. Ergebnis: An manchen Tagen wird 24 h die Wechselrichterleistung ins Netz des Energieversorgungsunternehmens eingespeist. Da diese nur 1/3 der Solargeneratorleistung hat, senkt die neue Systemtechnik den Spitzenstrom um 66%! Der regelbare Netzwechselrichter benötigt eine Ausgangsleistung von nur 1/3 der Solargeneratorleistung. Der Stromspeicher muss so groß sein, dass 2/3 der Solarstromerzeugung eines schönen Sommertags aufgenommen werden können.In many places, the power lines of the power company network are at the power limit. Especially at high solar radiation and many grid-connected photovoltaic systems without electricity storage high current peaks occur in the summer at noon. The maximum power and thus the current peaks can be minimized by the grid-connected system according to the invention for the local generation of regenerative electrical energy and
Ausführungsbeispiel 3: Optimierung bei Smart Metering
In der Zukunft werden Verbrauchsstrompreise zeit- und angebotsabhängige sein und möglicherweise auch zeit- und angebotsabhängige Vergütungen für Solarstrom eingeführt. Das erfindungsgemäße netzgekoppelte System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie versorgt vorzugsweise die Verbraucher mit direkt erzeugtem und/oder gespeichertem Solarstrom in Zeiten mit hohem Strombezugspreis und speist ins Stromnetz bei hohem Vergütungspreis ein. Dazu erhält der Netzwechselrichter über eine Schnittstelle, z. B. zum Internet, zu einem intelligenten Stromzähler oder sonstige intelligente Zwischengeräte, Daten zum aktuellen Einspeise- bzw. Verbrauchsstrompreis und den Tagesgang dieser Werte. Der regelbare Netzwechselrichter wird durch den Verbrauchsstrom B geregelt, damit die Photovoltaik-Anlage den optimalen Ertrag bringt.In the future, consumer electricity prices will be time- and supply-dependent, and may also introduce time and supply-based compensation for solar power. The grid-connected system according to the invention for the local generation of regenerative electrical energy preferably supplies the consumers with directly generated and / or stored solar power in times with a high power purchase price and feeds into the power grid with a high remuneration price. For this purpose, the grid inverter receives via an interface, eg. To the Internet, to an intelligent electricity meter or other intelligent intermediate devices, data on the current feed and consumption electricity price and the daily cycle of these values. The controllable mains inverter is regulated by the consumption current B, so that the photovoltaic system brings the optimal yield.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the claimed in the claims solution even in other types.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- System zur elektrischen EnergieerzeugungSystem for electric power generation
- 22
- Solargeneratorsolar generator
- 33
- MPP-Tracker-LadereglerMPP trackers Charge Controller
- 44
- NetwechselrichterNetwechselrichter
- 55
- Energiespeicherenergy storage
- 66
- Verbraucherconsumer
- 77
- Stromnetz EVUElectricity supply company
- 88th
- Regelbarer VerteilerAdjustable distributor
- 99
- intelligente Energieverwaltungseinheitintelligent power management unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102008059293 A1 [0005] DE 102008059293 A1 [0005]
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