DE102011014536A1

DE102011014536A1 - Elektroniksystem mit einem Wechselrichter

Info

Publication number: DE102011014536A1
Application number: DE102011014536A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwieger Hartwig; Dipl.-Ing. Benedix Torsten
Original assignee: PSW ENERGIESYSTEME GmbH; PSW-ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: PSW ENERGIESYSTEME GmbH; PSW-ENERGIESYSTEME GmbH
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein kompaktes, dabei modular ausbaubares System zur elektrischen Kopplung verschiedenartiger Erzeuger elektrischer Energie einerseits und Aufbereitung der Energie zur Einspeisung in ein öffentliches Netz oder ein Inselnetz andererseits dar. Alle sicherheitsrelevanten Funktionen sind integraler Bestandteil der Erfindung. Manuell oder automatisch gesteuert kann einem Erzeuger elektrischer Energie oder mehreren Erzeugern elektrischer Energie gleichzeitig der Vorzug gegeben werden. Die elektr. Kopplung der verschiedenen Erzeuger erfolgt dabei auf einer Gleichspannungsebene mit einer Spannung wie sie typischerweise bei Frequenzumrichtern verwendet wird (Zwischenkreisspannung). Die Variation der Zwischenkreisspannung erlaubt die Ankopplung von Akkumulatoren bei gleichzeitiger Anpassung der Spannung an den jeweiligen Ladezustand. Die Anpassung der durch die verschiedenen Energieerzeuger bereitgestellten Spannungen erfolgt mittels je eines DC-DC-Wandler je Energieerzeuger.

Description

Neuartige Energieanlagen wie zum Beispiel Windenergieanlagen, Photo-Voltaik-Anlagen oder Blockheizkraftwerke (BHKWs) können elektrische Energie dezentral zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlicher Quantität aus regenerativen natürlichen Quellen oder aus konventionellen oder regenerativen Kraftstoffen gewinnen. Bisher besitzt jede einzelne, am Markt befindliche Technologie eine eigenständige elektrische und elektronische Systemkette, um die erzeugten elektrischen Leistungen bzw. Gleich- oder Wechselspannungen zu einer allgemein üblichen, nutzbaren Wechselspannung konstanter Frequenz und Spannung (Netzspannung) aufzubereiten und auch die jeweiligen System- und Steuerungsanforderungen zu erfüllen. Verbundsysteme mit mehreren dezentralen, auch kleinen Energieerzeugern und einem gemeinsamen, allumfassenden Elektroniksystem sind bisher unbekannt.
Die vorliegende Erfindung bietet erstmalig ein kompaktes, zusammenhängendes, bedienerfreundliches, sicherheitsgerechtes und effizientes elektronisches System an, mit dem die Energien bzw. Leistungen aus einer oder wahlweise aus mehreren Energie-Erzeugungsanlagen, auch unterschiedlicher Art und Leistungsfähigkeit verwertet werden können. Die Energie wird dabei auf einem höheren Gleichspannungspotenzial gesammelt, gegebenenfalls in einem Energiespeicher (Akku) gespeichert oder dem Energiespeicher wieder entnommen, sowie in ein privates oder öffentliches Wechselspannungsnetz eingespeist, dies nutzungsabhängig und individuell durch den Bediener einstellbar. Als Energieerzeuger kommen zum Beispiel Windkraftanlagen oder Wasserkraftanlagen oder Photo-Voltaik(PV)-Kollektoranlagen oder BHKW-Anlagen in Frage.
Funktionsweise:
In dem erfindungsgemäßen Gesamtsystem wird in einem gemeinsamen kompakten Gesamtgehäuse (1) die Leistung eines oder mehrerer Energie-Gewinnungsanlagen auf ein höheres Gleichspannungsniveau, den sogenannten Zwischenkreis geführt und über einen ein- oder dreiphasigen Wechselrichter (2) netzsynchron in ein privates oder öffentliches Wechselspannungsnetz (mit beispielsweise 230 V/50 Hz oder 110 V/60 Hz oder 400 V/50 Hz) eingespeist (sogenannter Netzparallelbetrieb). Alternativ kann der Wechselrichter ggf. in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Symmetrier-Transformator auch ein eigenes, stabilisiertes, z. B. 50 Hz-Netz aufbauen. Hierzu ist eine kontinuierliche Energiegewinnung oder eine diskontinuierliche Energiegewinnung mit einer Akkupufferung gemäß der anmeldereigenen Patentanmeldung (Aktenzeichen: 10 2009 050 402.8 32) erforderlich.
Für einen stabilen, normgerechten und sicheren Betrieb ist der Wechselrichter netzseitig mit einem EMV-Netzfilter (3), ggf. auch einer Netzdrossel (4), einer Netztrennstelle (sogenannter Hauptschütz) (5) und einem Netzüberwachungsgerät (6) ausgerüstet.
Erfindungsgemäß befinden sich in dem integrativen Gesamtgehäuse ein, bzw. mehrere Gleichspannungssteller (DC-DC-Wandler) (7) zur Spannungsanpassung zwischen den Energieerzeugern und der weitgehend konstanten Spannung des Zwischenkreises. Mit dem/den DC-DC-Wandlern gemäß der Anmelder-eigenen Patentanmeldung (Aktenzeichen: 10 2009 050 402.8 32) werden vorrangig die Spannungsunterschiede und Spannungsschwankungen der unterschiedlichen Energie-Gewinnungsanlagen (z. B. Windkraftanlagen oder Wasserkraftanlagen oder BHKW-Anlagen oder Photo-Voltaik-Anlagen) ausgeglichen. Das System zeichnet sich gemäß Anspruch 1 besonders dadurch aus, dass es erstmals die teilweise sehr unterschiedlichen Technologien vereint und dazu im Gehäuse vorzugsweise mehrere vorgefertigte Steck- oder Montageplätze für individuell wählbare oder steuerbare DC-DC-Leistungssteller bereitstellt. Somit kann das Gesamtsystem durch eine Kunden-individuelle Bestückung und schnelle Montage sehr effizient an mehrere, auch parallel betriebene und unterschiedliche Energie-Gewinnungsanlagen angepasst werden.
Gemäß Anspruch 2 arbeiten die eingesetzten DC-DC-Wandler als getaktete Hochsetzsteller oder mittels getaktet angesteuerter Hochfrequenztransformatoren um einen zeitgemäßen hohen Wirkungsgrad von weit über 90% zu erreichen.
Insbesondere für die Spannungsanpassung von Windenergieanlagen und PV-Anlagen ist eine individuelle und schnell reagierende Anpassung des jeweiligen DC-DC-Wandlers erforderlich. Deshalb wird jeder DC-DC-Leistungssteller bei dieser Anwendung nach Anspruch 3 erfindungsgemäß von einer z. B. Mikroprozessor-basierenden Steuerung kontrolliert, die den Leistungssteller in Abhängigkeit von der momentan von der Energie-Gewinnungsanlage verfügbaren Leistung oder der Spannung oder der Frequenz oder dem Strom einstellt. Damit wird eine Ertrags-optimierte Belastungskennlinie einer Windkraftanlage oder einer Wasserkraftanlage oder einer Photo-Voltaik-Anlage oder einer BHKW-Anlage nachgebildet.
Gemäß Anspruch 4 ist für jeden DC-DC-Wandler ein eigenes, im Gesamtgehäuse liegendes Einzelgehäuse vorgesehen, welches den Leistungssteller mit seinen Kühlfunktionen (Kühlkörper) und seiner Steuerung aufnimmt. Damit entstehen funktional eigenständige Geräte zur Montage an den vorgesehenen Montage- oder Steckplätzen im Gesamtgehäuse gemäß Anspruch 1.
Energie-Gewinnungsanlagen mit Generatoren (z. B. Windenergieanlagen oder Wasserkraftanlagen oder BHKWs) liefern im Gegensatz zu PV-Anlagen in der Regel Wechselströme anstatt Gleichströme. Für den Anschluss dieser Anlagen ist gemäß Anspruch 5 ein zusätzlicher Gleichrichter in dem Gehäuse des jeweiligen DC-DC-Wandlers vorgesehen. Bei Energie-Gewinnungsanlagen mit geringen Spannungsschwankungen und passendem Spannungsniveau kann ein DC-DC-Wandler auch komplett entfallen und lediglich durch den Gleichrichter im Einzelgehäuse ersetzt sein. Dies ist z. B. in Verbindung mit einer BHKW-Anlage mit geregelter oder weitgehend konstanter Drehzahl vorteilhaft.
Besonders flexibel und vorteilhaft ist es gemäß Anspruch 6, wenn der elektrische Anschluss jedes DC-DC-Wandlers über verkabelungsfreundliche Mehrfach-Steckverbindungen/Steckleisten (8) erfolgt, wobei die im Gesamtgerät vorbereiteten Steckleisten zu einem gemeinsamen Bussystem für alle DC-DC-Wandler zusammengefasst werden können. Dies kann Signalleitungen oder Steuerleitungen betreffen.
Die unterschiedlichen Energie-Gewinnungsanlagen benötigen, dem Stand der Technik entsprechend, Einrichtungen zur Bedienung und Beobachtung (9). Diese sind erfindungsgemäß nach Anspruch 7 in die jeweiligen Einzelgehäuse der DC-DC-Wandler oder aber zumindest in das Gesamtgehäuse integriert. Somit werden auch die unterschiedlichen Bedienfunktionen für die verschiedenen Anlagen systematisch in das Gesamtsystem aufgenommen.
Das gemäß Anspruch 8 eingesetzte Netzüberwachungsgerät erlaubt die Überwachung des Netzes, mindestens hinsichtlich Spannungs- und Frequenz-Stabilität. Gemäß gültigen europäischen Normen muss das Netz über einen definierten Zeitraum hinsichtlich Spannung und Frequenz überwacht werden bevor eine Energie-Erzeugungsanlage zuschalten darf. Im Gegensatz zu den heute marktüblichen Photo-Voltaik-Wechselrichtern mit integrierter Netzüberwachung ist bei der erfindungsgemäßen Lösung ein Wechselrichter-unabhängiges Netzüberwachungsgerät vorgesehen. Dies ermöglicht bei dauerhafter Netzüberwachung ein sofortiges Zuschalten von Energieerzeugern (insbesondere PV und Windenergieanlagen), sobald der Wind oder die Sonne einsetzt, ohne dass in diesem Moment erst der Netzabgleich beginnen muss.
Bei Energie-Gewinnungsanlagen, wie z. B. Windenergieanlagen kann es bei starkem Wind oder bei Netzausfall zu einer stoßweisen Überlastung und Überdrehzahl von Anlagen und Generatoren kommen. Vorbeugend für diese Situationen ist ein Hochlastwiderstand (Bremswiderstand) vorgesehen der z. B. spannungsgesteuert über einen Leistungssteller auf den Zwischenkreis zuschaltbar ist und jederzeit die erforderliche Bremsbelastung bereitstellen kann. Erfindungsgemäß (Anspruch 9.) ist der Bremswiderstand in oder an das Gesamtgehäuse montiert, um externen Montage- und Verkabelungsaufwand zu vermeiden.
Gemäß den Ansprüchen 10 und 11 und der Anmelder-eigenen Patentanmeldung (Aktenzeichen: 10 2009 050 402.8 32) ist ein externes Hochvolt-Akkusystem zur Pufferung der Zwischenkreisspannung zum Anschluss an den Zwischenkreis vorbereitet. Dies wird durch eine Energieverbrauchs-abhängig einstellbare Steuerung kontrolliert, die erfindungsgemäß in das System integriert sein kann.
Im Hinblick auf den unterschiedlichen Vorrang bei der Nutzung der verschiedenen Energien werden die verschiedenen Energie-Erzeugungsanlagen durch eine einstellbare Prioritätensteuerung kontrolliert, die z. B. der Wind- und PV-Energie einen Vorrang vor einem Kraftstoff-verbrauchenden BHKW einräumen kann. Diese Steuerung kann auch gemeinsam mit der Steuerungsfunktion des Akkusystems ausgeführt sein und ist in das Gesamtsystem integriert.
Bei Insel-Anlagen ohne Anbindung an das öffentliche Netz ist, bei Einsatz eines dreiphasigen Wechselrichters, am Ausgang des Wechselrichters ein Symmetriertransformator vorgesehen der eine gleichmäßige Belastung des Wechselrichters auch bei ungleicher Phasenlast gewährleistet.

Claims

Elektroniksystem mit einem ein- oder mehrphasigen Wechselrichter zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einem eingangsseitig am Wechselrichter anliegenden Gleichspannungs-Zwischenkreis in ein übliches Wechselspannungsnetz, mit einem Netzanschluss, einer Netzfiltereinrichtung, einer Netztrenneinrichtung, einer Netzüberwachungseinrichtung, einem Gesamtgehäuse und mindestens einem Gleichspannungs-Leistungssteller (DC-DC-Wandler) zur Spannungsanpassung einer Energie-Gewinnungsanlage an den Zwischenkreis, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen oder mehrere schnell schraub- oder steckbare oder fixierbare Montageplätze für einen oder mehrere vorgesehene DC-DC-Wandler aufweist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein DC-DC-Wandler als getakteter Hochsetzsteller oder als getakteter Hochfrequenz-Transformator ausgeführt ist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein DC-DC-Wandler mit einer Steuerung ausgerüstet ist, die in Abhängigkeit von der verfügbaren Spannung (oder Frequenz oder Leistung oder dem Strom) der Energie-Gewinnungsanlage, die Gleichspannung vom Eingang zum Ausgang des Leistungsstellers anpasst.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder DC-DC-Wandler mittels eines vorgesehenen Gehäuses und eines Kühlkörpers und ggf. der Steuerung des Leistungsstellers zu einer eigenständigen Baugruppe zusammengefasst ist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein DC-DC-Wandler mit einem, von einer Wechselspannung der Energie-Gewinnungsanlage gespeisten Gleichrichter ausgerüstet ist, wobei auch der Gleichrichter in das Gehäuse des DC-DC-Wandlers eingebaut sein kann.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse eines oder mehrerer DC-DC-Wandler über schnell steckbare oder schraubbare Verbindungen oder Stecker an die anderen elektrischen Komponenten oder ein vorgesehenes, gemeinsames Bussystem angeschlossen sind.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Steuerungs- oder Bedien- oder Anzeigegerät mit einem Display zur Datenanzeige zur Steuerung einer Energie-Gewinnungsanlage vorgesehen ist, welches in das Gehäuse des jeweils zugehörigen DC-DC-Wandlers oder in das Gesamtgehäuse integriert ist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzüberwachungseinrichtung als eigenständiges, unabhängiges, netzgespeistes Gerät ausgeführt ist und in Verbindung mit der Netztrenneinrichtung wirksam ist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf den Zwischenkreis zuschaltbarer Last- oder Bremswiderstand im oder am Gehäuse vorgesehen ist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis durch einen angeschlossenen Akkumulator-gepuffert ist.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkumulator-System durch Verstellung der Zwischenkreisspannung des Wechselrichters mittels einer vorgesehenen, nutzungsabhängigen Akku-Management-Steuerung in einen Lade- oder Entladebetrieb gebracht werden kann.
Elektroniksystem mit einem Wechselrichter nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung mit einer benutzerspezifisch einstellbare Prioritätenregelung hinsichtlich der Nutzung einer Windkraftanlage oder einer Wasserkraftanlage oder einer Photo-Voltaik-Anlage oder einer BHKW-Anlage vorgesehen ist, wobei diese Steuerungsfunktion in das Gesamtgehäuse oder in jeden einzelnen DC-DC-Wandler oder in ein Bediengerät oder in die Steuerung des Akku-Managementsystems oder den Wechselrichter integriert sein kann.