DE102011056138A1

DE102011056138A1 - System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen

Info

Publication number: DE102011056138A1
Application number: DE102011056138A
Authority: DE
Inventors: Joachim Arb; Jochen Hantschel
Original assignee: Refusol GmbH
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-13
Also published as: WO2013083521A1

Abstract

Es ist ein System (4) zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie durch mehrere verschiedenartige Energiequellen geschaffen, zu denen wenigstens ein Gleichspannungsgenerator (2) und ein Wechselspannungsnetz (3) gehören. Das System (4) weist eine Batterieeinrichtung (6) zur zeitweisen Speicherung von Energie und einen Wechselrichter (11) auf, der über einen niedrigen und einen hohen Zwischenkreis (8, 9) verfügt und auch zur Wechselstromentnahme aus dem Netz (3) eingerichtet ist. Eine Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung (29) ist zwischen dem wenigstens einen Gleichspannungsgenerator (2), der Batterieeinrichtung (6) und den Zwischenkreisen (8, 9) angeordnet und eingerichtet, um wahlweise eine effiziente und zeitgleiche Ladung der Batterieeinrichtung (6) durch den wenigstens einen Gleichspannungsgenerator (2) sowie durch Netzstromentnahme zu ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen.
Energieerzeugungsanlagen, die elektrische Energie aus regenerativer Energie, bspw. von Solargeneratoren, Windkraft- oder Wasserkraftgeneratoren und dgl., erzeugen, um sie in ein Netz, bspw. ein öffentliches Versorgungsnetz, einzuspeisen oder auch im Inselbetrieb angeschlossene Verbraucher zu versorgen, sind allgemein bekannt und zunehmend verbreitet.
Die von dem jeweiligen Generator gelieferte Energie kann dabei je nach Umgebungs- und Betriebsbedingungen stark variieren. Z.B. hängt die von einem Photovoltaikgenerator gelieferte Leistung stark von der Sonneneinstrahlung, Temperatur, etc. ab. An warmen, sonnigen Sommertagen zur Mittagszeit kann der Generator die maximale Leistung liefern, während unter bewölkten, abgeschatteten Bedingungen oder in der kalten Winterzeit die Generatorleistung absinkt. In den Nachtstunden liefert ein Photovoltaikgenerator gar keine Leistung. Entsprechend ist auch die Ausgangsleistung eines Windkraftgenerators von den jeweiligen momentanen Windverhältnissen abhängig.
Die momentane Generatorleistung kann größer sein als die Leistung, die gerade von angeschlossenen Verbrauchern abgenommen oder in ein Netz eingespeist werden kann. Es besteht aber der Wunsch, die Energieerzeugungsanlage stets leistungsoptimiert derart zu betreiben, dass der Generator immer die nach den momentanen Verhältnissen größtmögliche Leistung abgibt. Dieser Betriebspunkt momentan größter Leistung wird als der MPP-Punkt (Maximum-Power-Point) bezeichnet.
Soll eine Energieerzeugungsanlage leistungs- und ertragsoptimiert arbeiten, muss eine evtl. überschüssige Generatorenergie zwischenzeitlich gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann dann in Zeiten geringerer Energielieferung genutzt werden.
Damit eine derartige Energieerzeugungsanlage mit Speicher wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden kann, kann es erforderlich sein, das System als Hybridsystem auszuführen. „Hybrid“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mehrere verschiedenartige Energiequellen im selben System bzw. Netz eingesetzt werden. Bspw. können dies Photovoltaikgeneratoren, Windkraftgeneratoren, Wasserkraftgeneratoren, Blockheizkraftwerke und/oder Diesel-Generatoren sein.
Durch den Einsatz einer weiteren Energiequelle ist es möglich, den Hauptgenerator, bspw. einen Photovoltaikgenerator, und die zur Speicherung überschüssiger Energie vorgesehene Batterie wirtschaftlich zu dimensionieren sowie die Batterielebensdauer zu erhöhen. Die Batterie muss bei manchen Batterietechnologien in regelmäßigen Abständen vollständig aufgeladen werden, was z.B. in den Wintermonaten durch reine Photovoltaikspeisung oder in relativ windstillen Zeiten bei Windkraftanlagen nicht möglich ist.
Aus der EP 1 965 483 A1 ist eine Zusatzeinrichtung zur Schaltung zwischen einem öffentlichen Energieversorgungsnetz und einer Energieversorgungsanlage bekannt, wobei an die Zusatzeinrichtung mehrere Verbraucher angeschlossen sind, die wahlweise von der Energieerzeugungsanlage oder von dem Versorgungsnetz mit Energie versorgt werden. Ferner ist an die Zusatzeinrichtung über einen auf der Wechselspannungsseite der Anlage angeschlossenen Wechselrichter ein Speicher in Form einer Batterie angeschlossen. Die Batterie wird in Zeiten hoher Energielieferung durch den Photovoltaikgenerator geladen und in Zeiten geringerer Energielieferung durch die Energieerzeugungsanlage genutzt, um Energie für die Verbraucher bereitzustellen. Alternativ zu der Versorgung aus dem Photovoltaikgenerator kann die Batterie auch über ein separates Batterieladegerät aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz geladen werden. Ferner kann ein zusätzlicher Generator, z.B. elektrischer Generator, als Ersatzstromversorgung an die Zusatzeinrichtung angeschlossen werden.
Die an die Energieerzeugungsanlage angekoppelte Batterie ermöglicht es, bedarfsweise die Differenzenergie zwischen der erzeugten und der verbrauchten Energie auszugleichen. Durch die Ankopplung an die Wechselspannungsseite der Energieerzeugungsanlage entstehen jedoch bei überwiegender Energieerzeugung durch die Energieerzeugungsanlage relativ hohe Wandlungsverluste. Zum Laden der Batterie muss die vom Photovoltaikgenerator bereitgestellte Gleichspannungsleistung zunächst durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannungsleistung mit zu dem Versorgungsnetz konformer Spannung, z.B. mit dem Effektivwert von 230V und der Frequenz von 50 Hz, umgewandelt werden. Danach wird diese Spannung durch den der Batterie zugeordneten Gleichrichter auf eine für die Batterie passende Gleichspannung von bspw. nur 12 oder 24 Volt, im Allgemeinen max. 48V, gewandelt. Dies führt zu hohen Wandlungsverlusten.
Außerdem ergibt die wechselspannungsseitige Ankopplung von Speicherbatterien ein relativ aufwendiges System, das viele Einzelkomponenten, einschließlich eines Wechselrichters für den Photovoltaikgenerator, eines zusätzlichen Wechsel-/Gleichrichters für die Speicherbatterie und zahlreicher Schalter zur Umschaltung der Stromführungspfade, aufweist und relativ kostspielig ist. Insbesondere bei einem dreiphasigen System steigt der Aufwand erheblich. Für jede Phase muss wenigstens ein Wechsel-/Gleichrichter vorgehalten werden, über den die Batterie geladen und entladen wird.
Außerdem kann die Batterie nur alternativ entweder aus dem Photovoltaikgenerator oder aus dem öffentlichen Energiestromnetz oder dem zusätzlichen Generator geladen werden. Eine gleichzeitige Ladung der Batterie durch mehrere Generatoren oder Energiequellen wäre aber zur besseren Nutzung der Leistung eines Generators und besseren Auslastung eines Wechselrichters von Vorteil. Es besteht der Wunsch, bei Hybridsystemen eine flexible, effiziente und zeitgleiche Ladung eines Speichers durch mehrere verschiedenartige Generatoren bzw. Quellen zu ermöglichen.
Aus der DE 10 2006 010 694 B4 ist ein Wechselrichter insbesondere für eine Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz bekannt, wobei der Wechselrichter einen ersten, niedrigen Zwischenkreis mit Kondensatoren zur Speicherung von Energie, einen zweiten, hohen Zwischenkreis mit Kondensatoren zur Speicherung von Energie, wobei dem zweiten Zwischenkreis ein Hochsetzsteller zugeordnet ist, der die Spannung des ersten Zwischenkreises auf ein betragsmäßig höheres Potential des zweiten Zwischenkreises heraufsetzt, und mit einer sog. Multilevel-Wechselrichteranordnung bekannt, die auf der Halbbrückenbauweise basiert und Schalterelemente aufweist, die es ermöglichen, wahlweise aus dem ersten oder dem zweiten Zwischenkreis Energie in das Netz einzuspeisen. Die Wechselrichteranordnung ist bidirektional, so dass sie auch eine Entnahme von Strom aus dem Netz zur Aufladung der Kondensatoren des zweiten, hohen Zwischenkreises ermöglicht.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Nachteile und Unzulänglichkeiten herkömmlicher Systeme zu überwinden und ein System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen zu schaffen, das eine zeitgleiche Ladung eines Speichers durch mehrere Generatoren oder Energiequellen ermöglicht. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges System zu schaffen, das ein Laden einer Speicherbatterie wahlweise entweder aus einem Gleichspannungsgenerator und/oder aus einer Wechselspannungsquelle bzw. einem Wechselspannungserzeuger mit möglichst geringem Aufwand und bei hoher Effizienz und Flexibilität ermöglicht. Insbesondere sollten hierzu möglichst wenige Komponenten benötigt und Verluste durch Umwandlungen vermieden oder weitgehend reduziert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie zu schaffen, das es ermöglicht, wenigstens einen zusätzlichen Gleichspannungserzeuger zu integrieren und zur zeitgleichen Ladung einer Batterie parallel zu einem Hauptgenerator und/oder einer Wechselspannungsquelle bzw. einem Wechselspannungsgenerator einzusetzen.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch das System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen geschaffen, das einen ersten und einen zweiten Gleichspannungs-Generatorzweig, die mit einem ersten bzw. einem zweiten Gleichspannungs-Generatoranschluss für einen Gleichspannungsgenerator verbunden sind, eine Batterieeinrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Generatorzweig angeschlossen ist, um bedarfsweise Energie zu speichern oder die gespeicherte Energie nutzbar zu machen, einen ersten Gleichspannungs-Eingangszweig, der mit dem ersten Generatorzweig verbindbar ist, einen zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig, der mit dem zweiten Generatorzweig verbindbar oder verbunden ist, einen ersten Zwischenkreis, der zur Zwischenspeicherung von Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangszweig angeordnet ist, einen zweiten Zwischenkreis, der zur Zwischenspeicherung von Energie derart eingerichtet und angeordnet ist, dass seine Spannung durch Hochsetzung der Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises erzeugt werden kann, und einen Wechselrichter aufweist, dessen Eingang an den ersten und den zweiten Zwischenkreis angeschlossen ist und der zur Umwandlung eingangsseitiger Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie und zur Umwandlung ausgangsseitiger Wechselspannungsenergie in eingangsseitige Gleichspannungsenergie eingerichtet ist.
Gemäß der Erfindung weist das System ferner eine Trenneinrichtung, eine erste Bypasseinrichtung und eine zweite Bypasseinrichtung auf. Die Trenneinrichtung ist zur bedarfsweisen Herstellung und Trennung einer Leitungsverbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatorzweig und dem ersten Eingangszweig eingerichtet. Damit kann ein an die Generatoranschlüsse angeschlossener Generator über den ersten Generatorzweig wahlweise mit dem ersten Eingangszweig leitend verbunden oder von diesem isoliert werden. Die erste Bypasseinrichtung ist zur wahlweisen Herstellung und Trennung einer Leitungsverbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatoranschluss und dem ersten Eingangszweig unter Umgehung des ersten Generatorzweiges eingerichtet. Bei geöffneter Trenneinrichtung kann so über die erste Bypasseinrichtung eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Generatoranschluss und dem ersten Eingangszweig hergestellt werden. Die zweite Bypasseinrichtung ist zur wahlweisen Herstellung und Trennung einer Leitungsverbindung zwischen wenigstens einem Anschluss des zweiten Zwischenkreises und dem ersten Generatorzweig unter Umgehung des ersten Eingangszweiges eingerichtet. Damit kann bei geöffneter Trenneinrichtung der zweite Zwischenkreis über eine Bypassverbindung wahlweise an den ersten Generatorzweig angeschlossen werden.
Die Erfindung ermöglicht eine flexible, effiziente und bedarfsweise zeitgleiche Ladung der Batterieeinrichtung durch wenigstens einen Gleichspannungsgenerator und/oder eine Wechselspannungsquelle oder einen Wechselspannungsgenerator, die bzw. der am Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist. Mit der Erfindung ist es möglich, durch passendes Umschalten mittels der Trenneinrichtung und der Bypasseinrichtungen mehrere Energiequellen zum Laden der Batterieeinrichtung zu verwenden.
Gleichspannungsgeneratoren, wie bspw. ein Photovoltaikgenerator oder eine vom Windkraftgenerator erzeugte gleichgerichtete Energie, können DC-gekoppelt angebunden werden, so dass keine zusätzlichen Wechselrichter benötigt und unnötige Verluste durch Umwandlungen weitgehend vermieden werden. Ein Wechselspannungsnetz, bspw. ein öffentliches Versorgungsnetz, oder ein Wechselstromgenerator, wie z.B. ein Blockheizkraftwerk, Dieselgenerator, eine Wind- oder Wasserkraftturbine oder eine weiterer Photovoltaik- oder Windgenerator mit separatem Wechselrichter lassen sich AC-gekoppelt ohne zusätzlichen Batterielader zum Laden des Speichers verwenden. Dies wird durch den bidirektionalen Wechselrichter, der auch eine Wechselstromentnahme aus einem Wechselstromnetz oder -erzeuger ermöglicht und der über den ersten, niedrigen Zwischenkreis sowie den zweiten, hohen Zwischenkreis mit Hochsetzsteller verfügt, unterstützt. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung und den Bypasseinrichtungen lässt sich dadurch ein sehr flexibles und effizientes System mit einer hohen Integrationsdichte realisieren, so dass ein kompaktes, aufwandsarmes und kostengünstiges System erhalten wird, das flexibel im Aufbau und im Betrieb ist und sich modular, durch Bestückungsvarianten, leicht individuell an Kundenwünsche anpassen lässt. Außerdem lässt sich die Erfindung auch mit geringem Aufwand in bereits bestehenden Energieerzeugungsanlagen nachrüsten.
Die Batterieeinrichtung weist vorzugsweise eine wiederaufladbare Batterieeinheit und eine der Batterieeinheit zugeordnete Gleichspannungswandleranordnung auf, die einen kombinierten Aufwärts- und Abwärtswandler vorzugsweise auf Basis getakteter Schalter aufweist. Dadurch ist ein Laden der Batterieeinheit bei hoher Energielieferung und ein Entladen der Batterieeinheit in Zeiten geringerer Energielieferung durch einen primären Generator, bspw. Photovoltaikgenerator, möglich.
Die Batterieeinheit kann aus mehreren elektrischen Batterien bestehen, die in Serie geschaltet sind, um eine gesamte maximale Batteriespannung zu ermöglichen, die für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Bspw. können zur wirtschaftlichen Nutzung der Batterieeinrichtung in Photovoltaikanlagen zur Einspeisung in das öffentliche Versorgungsnetz Batteriebänke geeignet sein, die eine maximale Batteriespannung von wenigstens etwa 100V bis etwa 500V oder sogar mehr ermöglichen. Durch das erfindungsgemäße System kann stets sichergestellt werden, dass die Batterieeinheiten in regelmäßigen Abständen vollständig aufgeladen werden, und zwar auch in sonnenarmen Zeiten bei einer Speisung durch einen Photovoltaikgenerator oder in windstillen Zeiten bei einem Windkraftgenerator.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung weist diese wenigstens eine erste Batterieeinrichtung mit einer ersten Batterieeinheit und einer dieser zugeordneten ersten Gleichspannungswandleranordnung, eine zweite Batterieeinrichtung mit einer zweiten Batterieeinheit und einer dieser zugeordneten zweiten Gleichspannungswandleranordnung, und eine Schalteranordnung auf, die eingerichtet und angeordnet ist, um die erste und zweite Batterieeinheit wahlweise elektrisch entweder parallel oder in Reihe miteinander und die Parallel- bzw. Reihenschaltung mit den Generatorzweigen zu verbinden. Somit können die Batterieeinheiten wahlweise und je nach Betriebsbedingungen entweder in Parallelschaltung an den Generator angekoppelt werden, um einen Zustand mit geringer Spannung über den Batterieeinheiten zu ergeben, in dem die Batterieeinheiten auch bei niedriger Generatorspannung aufgeladen werden können. Die Batterieeinheiten können dann auch symmetrisch mit niedriger Spannung aus beiden parallelen Zweigen der Batterieeinheiten entladen werden. Alternativ können die Batterieeinheiten auch in Reihenschaltung an den Generator angeschlossen werden. Dies ermöglicht es, eine hohe Spannung über den in Reihe geschalteten Speichereinrichtungen zu erreichen, die nahe an den optimalen Betriebspunkten eines Wechselrichters liegen, sogar bis zu 200–700V betragen kann. Dadurch lassen sich auch Umwandlungsverluste beim Einspeisen aus der Batterie minimieren. Außerdem kann je nach Betriebsbedingung die Reihenschaltung der Batterieeinheiten auch mit hoher Spannung entladen werden, was ebenfalls Umwandlungsverluste weitgehend vermeidet. Dies steigert weiter die Flexibilität und Effizienz des erfindungsgemäßen Systems.
Auch kann durch das System ein Ladungsausgleich zwischen beiden Batterieeinheiten durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine sichere Volladung einer Batterieeinheit oder dient dazu damit sich ein gleicher Ladungszustand in beiden Batterieeinheiten ergibt, was für einen optimalen Betrieb bei Entladung in Reihenschaltung notwendig bzw. förderlich ist.
Eine einfache Realisierung der Schalteranordnung kann einen ersten Schalter zur Herstellung oder Aufhebung einer Verbindung zwischen einem ersten Pol der ersten Batterieeinheit und einem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und einen zweiten Schalter aufweisen, der eingerichtet und angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen dem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und dem zweiten Generatorzweig herzustellen oder aufzuheben.
Im Übrigen können beliebige Batterieeinheiten verwendet werden, die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden. Z.B. können elektrochemische Zellen, wie bspw. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, herkömmliche Bleiakkumulatoren und dgl. verwendet werden. Geeignete Akkumulatoren weisen eine hohe Energieaufnahmekapazität bei geringer Selbstentladung auf. Prinzipiell sind auch Speicherkondensatoren, bspw. sog. Ultra-Kaps, als Batterieeinheiten im Sinne der Erfindung verwendbar.
Der erste Generatorzweig kann eine Schutzdiode aufweisen, die in Durchflussrichtung zwischen dem ersten Generatoranschluss und der Batterieeinrichtung angeschlossen ist. Die Diode verhindert eine Entladung der Batterieeinrichtung durch einen an die Generatoranschlüsse angeschlossenen Generator. Bei genügender Energie des Generators ist es möglich, die Diode mit einem Schalter zu überbrücken, um Durchlassverluste durch die Diode zu vermeiden.
Der erste und der zweite Zwischenkreis sind vorzugsweise jeweils Gleichspannungszwischenkreise, die jeweils einen oder mehrere in Reihe miteinander verbundene Speicherkondensatoren aufweisen.
Dem zweiten Zwischenkreis, der auch als hoher Zwischenkreis bezeichnet werden kann, ist ein DC-DC-Wandler zugeordnet, der dazu dient, die Eingangsgleichspannung des ersten, niedrigen Zwischenkreises auf ein betragsmäßig höheres Potential des zweiten Zwischenkreises hochzusetzen. Damit wird ein erhöhtes Spannungspotential für einen Multilevel-Wechselrichter bereitgestellt, das insbesondere dann genutzt werden kann, wenn die Gleichspannung des Generators oder der Batterieeinrichtung zur Wechselstromerzeugung nicht ausreichen würde. Dabei ist der Einsatz des erhöhten Spannungspotentials des zweiten Zwischenkreises vorzugsweise auf Zeiträume, also Bruchteile der Halbwellen der Wechselspannung, mit unzureichender Eingangsgleichspannung beschränkt. In den übrigen Zeiträumen wird die niedrigere Gleichspannung am ersten Zwischenkreis zur Wechselstromerzeugung verwendet. Dadurch können Potantialsprünge, Schaltverluste, Rippelströme und elektromagnetische Störungen gering gehalten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler für den zweiten Zwischenkreis einen Aufwärtswandlerteil auf. Der Aufwärtswandlerteil weist eine Reihenschaltung aus einer Induktivität, deren Primärseite mit dem ersten Gleichspannungs-Eingangszweig verbunden ist, und einer Freilaufdiode, deren Kathode mit dem Anschluss bzw. positiven Pol des zweiten Zwischenkreises verbunden ist, sowie einen taktbaren Schalter auf, der einerseits an dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität und der Freilaufdiode und andererseits an einen Neutralleiter (bzw. bei einer Ausbildung ohne Mittelpunktanzapfung an den zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig) angeschlossen ist.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist eine ein- bis dreiphasige, vorzugsweise transformatorlose Wechselrichterschaltung mit hochfrequent taktbaren elektronischen Schalterelementen und Freilaufpfaden auf, die ausgelegt sind, um wahlweise ein Einspeisen von Wechselspannungsenergie ausgehend von Energie aus dem ersten oder zweiten Zwischenkreis oder eine Entnahme von Wechselspannungsenergie zur Aufladung des zweiten hohen Zwischenkreises in gesteuerter Weise zu erzielen. Der Wechselrichter kann also auch als steuerbarer Gleichrichter dienen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Trenneinrichtung zur wahlweisen Verbindung des ersten Generatorzweigs mit dem ersten Eingangszweig einen ansteuerbaren Schalter, der eine Durchlassrichtung von dem ersten Generatorzweig zu dem ersten Eingangszweig aufweist, und eine in Reihe zu dem Schalter, in gleicher Durchlassrichtung angeordnete Gleichrichterdiode auf, die den Schalter gegen Sperrströme schützt.
Die erfindungsgemäße erste Bypasseinrichtung weist wenigstens eine von dem ersten Generatoranschluss zu dem ersten Eingangszweig führende erste Bypassleitung auf, in der ein ansteuerbarer Schalter in Reihe mit einer Gleichrichterdiode angeordnet ist, die die gleiche Durchlassrichtung wie der Schalter aufweist. Durch Schließen des Schalters kann ein Generator unter Umgehung des ersten Generatorzweigs an den ersten Eingangszweig angekoppelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Bypasseinrichtung wenigstens eine von dem positiven Anschluss bzw. Pol des zweiten Zwischenkreises zu dem ersten Generatorzweig führende weitere Bypassleitung auf, in der ein ansteuerbarer Schalter angeordnet ist. Durch Schließen des Schalters wird der Zwischenkreis unter Umgehung des ersten Eingangszweiges an den ersten Generatorzweig angekoppelt.
Das erfindungsgemäße System weist vorzugsweise eine Mittelanzapfung des ersten und des zweiten Zwischenkreises auf, die mit einem durch den Wechselrichter hindurchgeführten Neutralleiter verbunden ist. Dann sind die vorerwähnten Einrichtungen, einschließlich der Trenneinrichtung mit dem ansteuerbaren Schalter zwischen dem Generatorzweig und dem Eingangszweig, der ersten Bypassleitung mit dem taktbaren Schalter und der Gleichrichterdiode und der zweiten Bypassleitung mit dem ansteuerbaren Schalter und der antiparallelen Diode, der Zwischenkreiskondensatore und des DC/DC-Wandlers in analoger Weise auch zwischen dem zweiten, negativen Generatoranschluss und dem Neutralleiter vorgesehen. Alternativ kann das System auch ohne Mittelpunktanzapfung realisiert werden, wobei dann die vorerwähnten Komponenten entfallen.
Die vorerwähnten Generatoranschlüsse und -zweige dienen dem Anschluss eines Haupt- oder primären Gleichspannungserzeugers bzw. -generators. Das System kann zusätzlich erweitert werden, um wenigstens einen weiteren, vorzugsweise andersartigen Gleichspannungsgenerator bedarfsweise zu integrieren. Zu diesem Zweck kann das System ferner wenigstens einen ersten und einen zweiten sekundären Generatoranschluss für einen sekundären Gleichspannungsgenerator, einen ersten und einen zweiten sekundären Gleichspannungs-Generatorzweig, die jeweils mit dem ersten bzw. zweiten sekundären Generatoranschluss verbunden sind, und eine Weichenschaltung aufweisen, die es ermöglicht, wenigstens den ersten sekundären Generatorzweig wahlweise mit dem ersten primären Generatorzweig oder mit dem ersten Eingangszweig zu verbinden. In ähnlicher Weise wie der primäre Generator kann auch der sekundäre Generator wahlweise an den ersten primären Generatorzweig oder unter Umgehung desselben, bei geöffneter Trenneinrichtung an den ersten Eingangszweig angekoppelt werden, um ein Laden der Batterieeinrichtung evtl. parallel zur Ladung durch Netzstromentnahme und/oder ein Einspeisen zu erzielen. Dadurch kann ein flexibles Hybridsystem geschaffen werden, das sich für unterschiedliche Anwendungen, insbesondere unterschiedliche Gleichspannungserzeuger eignet und eine effiziente und zeitgleiche Ladung der Batteriespeicher durch den primären und sekundären Generator sowie aus dem Netz ermöglicht.
In einer bevorzugten, einfachen Ausführungsform der Erfindung weist die Weichenschaltung wenigstens einen ersten und einen zweiten Weichenpfad auf, wobei der erste Weichenpfad den ersten sekundären Generatorzweig mit dem ersten primären Generatorzweig verbindet und eine erste Schaltereinheit aufweist, während der zweite Weichenpfad den ersten sekundären Generatorzweig mit dem ersten Eingangszweig verbindet und eine zweite Schaltereinheit aufweist. Die zweite Schaltereinheit kann auch einen taktbaren Schalter aufweisen, um eine bedarfsweise Tiefsetzung des Potentials des sekundären Generators zu ermöglichen, um den sekundären Generator in sämtlichen Betriebsmodi möglichst in seinem optimalen MPP-Betriebspunkt zu betreiben.
Das erfindungsgemäße System weist ferner eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern, zu denen wenigstens die Spannungen an dem primären und optional dem oder den sekundären Generatoren, der oder den Batterieeinheiten und den Zwischenkreisen gehören, und eine Steuereinrichtung auf, die den Betrieb des Systems, einschließlich des Wechselrichters, des oder der Generatoren, der Batterieeinheiten, der Schalter- und Bypasseinrichtungen, etc., in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern steuert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung eine Steuerlogik aufweisen, die es ermöglicht, in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern einen der folgenden Betriebsmodi auszuführen: Einspeisen von Wechselstromenergie entweder aus wenigstens einem an die Generatoranschlüsse angeschlossenen Gleichstromgenerator und/oder aus der Batterieeinrichtung (vorzugsweise sowohl wenn die Generatorspannung kleiner ist als die Batteriespannung als auch umgekehrt), Laden der Batterieeinrichtung entweder aus wenigstens einem der vorhandenen Gleichstromgeneratoren, Wechselstromgenerator mit Gleichrichter und/oder aus der Wechselspannungsseite des Wechselrichters entnommener Wechselstromenergie oder eine Kombination derartiger Einspeise- und Ladevorgänge. Damit ist ein hochflexibles und -effizientes Hybridsystem geschaffen.
Der oder die an dem erfindungsgemäßen Hybridsystem vorgesehenen Gleichstromgeneratoren können aus einer Gruppe ausgewählt sein, zu der Photovoltaikgeneratoren, Windgeneratoren mit Gleichrichter, Wasserkraft- oder Windturbinen mit Gleichrichter, Brennstoffzellen und Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerke, mit Gleichrichtern gehören. An der Ausgangsseite des Wechselrichters können Wechselstrom-Energiequellen angeschlossen sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der wenigstens ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz, ein Windgenerator, eine Wasserkraft- oder Windturbine mit Wechselstromgenerator und Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerke, gehören. Es können auch Gleichstrom- oder Wechselstromverbraucher einfach an das erfindungsgemäße Hybridsystem angeschlossen werden.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung und der Patentansprüche. In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, wobei die Zeichnung lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung dient und diese in keiner Weise beschränkt und wobei gleiche Bezugszeichen der Zeichnung verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen. In der Zeichnung zeigen:
1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hybridsystems gemäß der Erfindung;
2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung, die eine modifizierte Ausführungsform des Hybridsystems nach 1 in größeren Einzelheiten veranschaulicht; und
3 eine Schaltungsanordnung, die eine weitere modifizierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridsystems veranschaulicht.
In 1 ist in schematisierter Weise eine Energieerzeugungsanlage 1 veranschaulicht, die einen Gleichspannungsgenerator 2, einen Wechselspannungsgenerator oder eine Wechselspannungsquelle 3 und ein dazwischen angeordnetes erfindungsgemäßes System 4 zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung elektrischer Energie aufweist. Die Energieerzeugungsanlage kann bspw. eine Photovoltaikanlage sein, die Solarenergie in elektrische Wechselstromenergie umwandelt, die dann entweder in ein Netz, z.B. ein öffentliches Versorgungsnetz, eingespeist oder zur Versorgung lokaler Wechselstromverbraucher verwendet wird. Die Energieerzeugungsanlage kann aber auch eine Windkraftanlage, eine Wasserkraftanlage, eine auf Brennstoffzellen basierende Anlage oder eine sonstige geeignete Anlage sein, die Strom vorzugsweise aus erneuerbaren Energien erzeugt.
Die Energieerzeugungsanlage weist den Generator 2 auf, der in Abhängigkeit von Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen eine variable Gleichspannung U_G an seinem Ausgang liefert. Bspw. kann der Generator 2 ein Photovoltaikgenerator sein, der Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt, deren Größe von der Sonneneinstrahlung, Bewölkung, Abschattung, Jahreszeit, Tageszeit, Temperatur und sonstigen Einflussfaktoren sowie dem jeweiligen Betriebszustand abhängt. Der Generator 2 kann aber auch je nach Anlagenart ein gleichgerichteter Windgenerator, eine mit einem Gleichstromgenerator gekoppelte Wasserturbine oder ein auf Brennstoffzellen oder einer Verbrennungskraftmaschine, bspw. einem Dieselgenerator oder Blockheizkraftwerk, basierender Generator mit Gleichrichter sein.
Der Wechselspannungsgenerator bzw. die Wechselspannungsquelle 3 (nachfolgend einfach als Wechselspannungsgenerator bezeichnet) kann bspw. ein öffentliches Versorgungsnetz, in das die erzeugte Wechselspannungsleistung eingespeist wird, oder ein beliebiger Wechselspannungserzeuger sein, der eine Spannung von bspw. 230V Effektivwert und 50Hz Frequenz liefern kann, wie z.B. ein Blockheizkraftwerk, ein Dieselgenerator oder auch eine weitere Photovoltaik- oder Windkraftanlage mit separatem Wechselrichter. Im Übrigen können an der Anlage 1 auf der Gleichspannungs- oder der Wechselspannungsseite auch Verbraucher angeschlossen sein (nicht veranschaulicht), die die erzeugte bzw. bereitgestellte Energie nutzen.
Das erfindungsgemäße System 4 zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung von Energie der verschiedenen Energiequellen 2, 3 weist im Wesentlichen eine Batterieeinrichtung 6 und eine Wechselrichteranordnung 7 auf, die parallel an dem Ausgang des Generators angeschlossen sind. Die Batterieeinrichtung 6 dient dazu, die von dem Gleichspannungsgenerator 2 und/oder dem Wechselspannungsgenerator 3 bereitgestellte Energie wahlweise zwischenzuspeichern, um sie zum späteren Zeitpunkt nutzbar zu machen. Ferner dient die Batterieeinrichtung 6 dazu, den Generator 2 bei der Bereitstellung von Energie für die Wechselrichteranordnung 7 zu unterstützen oder zu ersetzen, falls die Generatorenergie hierzu nicht ausreicht. Die Batterieeinrichtung 6 ist nachstehend näher erläutert.
Die Wechselrichteranordnung 7 weist einen ersten Zwischenkreis 8 zur Zwischenspeicherung von Energie, einen zweiten Zwischenkreis 9 zur Zwischenspeicherung von Energie, dessen Spannung durch Hochsetzung der Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises 8 erzeugt werden kann, und einen Wechselrichter 11 auf. Der Wechselrichter 11 ist mit seinem Eingang an den ersten und den zweiten Zwischenkreis 8, 9 angeschlossen und zur Umwandlung eingangsseitiger Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie sowie zur Umwandlung ausgangsseitiger Wechselspannungsenergie in eingangsseitige Gleichspannungsenergie eingerichtet. Die Wechselrichteranordnung 7 ist nachstehend näher erläutert.
Wie in 1 veranschaulicht, stellt der Generator 2 seine Gleichspannung U_G an einem ersten und zweiten Gleichspannungs-Generatoranschluss 13, 13’ bereitstellt, von denen aus sich ein erster und ein zweiter Generatorzweig 14, 14’ weg erstrecken. In dem mit dem ersten, Generatorzweigen 14, 14’ ist jeweils eine Schutzdiode 16, 16’ angeordnet, die eine Entladung der Batterieeinrichtung 6 über den Generator 2 verhindert. Zur bedarfsweisen Überbrückung der Schutzdiode 16, 16’ ist parallel zu dieser jeweils ein Schalter 17, 17’ vorgesehen.
Zwischen den Generatorzweigen 14, 14’ ist die Batterieeinrichtung 6 angeschlossen, die eine Batterieeinheit 18 und eine in Reihe mit dieser angeordnete Gleichspannungswandleranordnung 19 aufweist. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 dient dazu, die zwischen den Generatorzweigen 14, 14’ anliegende Spannung auf die Batteriespannung U_B und umgekehrt zu transformieren. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 ist mit dem Pluspol der Batterieeinheit 18 verbunden, deren Minuspol mit dem zweiten Generatorzweig 14’ verbunden ist.
Der erste und der zweite Generatorzweig 14, 14’ sind über Trennschalter 21, 21’ mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig 22, 22’ verbunden, an denen die Wechselrichteranordnung 7 angeschlossen ist. Durch Schließen bzw. Öffnen des ersten Trennschalters 21 kann der erste Eingangszweig 22 mit dem ersten Generatorzweig 14 elektrisch leitend verbunden bzw. von diesem getrennt werden. In gleicher Weise wird durch Schließen bzw. Öffnen des zweiten Trennschalters 21’ der zweite Eingangszweig 22’ an den zweiten Generatorzweig 14’ angekoppelt bzw. von diesem getrennt.
Der erste Gleichspannungs-Zwischenkreis 8 ist zwischen den Eingangszweigen 22, 22’ angeschlossen und weist eine Reihenschaltung aus zwei Speicherkondensatoren 23, 23’ auf, die im Wesentlichen die gleiche Kapazität aufweisen. Der Mittelpunkt 24 zwischen den Kondensatoren 23, 23’ ist über eine Anzapfung mit einem hier nicht näher dargestellten, durch den Wechselrichter 11 hindurch geführten Neutralleiter verbunden.
In ähnlicher Weise weist der zweite Gleichspannungs-Zwischenkreis 9 eine Reihenanordnung zweier im Wesentlichen gleich bemessener Speicherkondensatoren 26, 26’ auf, die zwischen einer ersten und einer zweiten Gleichspannungs-Eingangsleitung 27, 27’ angeschlossen sind und deren Verbindungspunkt mit der Mittelanzapfleitung 24 verbunden ist. Die Eingangsleitungen 27, 27’ dienen zur Bereitstellung eines betragsmäßig erhöhten Spannungspotentials für den Wechselrichter 11. Hierzu ist zwischen dem ersten Eingangszweig 22 und der ersten Eingangsleitung 27 ein erster DC/DC-Wandler 28 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, das an dem ersten Eingangszweig 22 bereitgestellte Potential der ersten Zwischenkreisspannung U_ZK1 auf ein betragsmäßig höheres Potential der über dem Speicherkondensator 26 anliegenden zweiten Zwischenkreisspannung U_ZK2 hochzusetzen. In ähnlicher Weise ist ein zweiter DC/DC-Wandler 28’ als Hochsetzsteller zwischen dem zweiten, negativen Gleichspannungs-Eingangszweig 22’ und der zweiten Gleichspannungs-Eingangsleitung 27’ funktionsmäßig angeordnet.
Wie ferner aus 1 hervorgeht, weist das erfindungsgemäße System 4 eine Entkopplungs-/Kopplungseinrichtung auf, die es ermöglicht, wahlweise entweder den Gleichspannungsgenerator 2 oder den Wechselspannungsgenerator 3 oder beide zum Laden der Batterieeinrichtung 6 zu verwenden. Zu der Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 gehören eine Trenneinrichtung 31, die im Wesentlichen durch die Trennschalter 21, 21’ gebildet ist, sowie eine erste und eine zweite Bypasseinrichtung 32, 33.
Die erste Bypasseinrichtung 32 weist eine erste Bypassleitung 34 auf, die im Wesentlichen von dem ersten Generatoranschluss 13 zu dem ersten Eingangszweig 22 parallel zu dem ersten Generatorzweig 14 und dem daran angeschlossenen Schalter 21 führt. In der ersten Bypassleitung 34 ist ein vorzugsweise ansteuerbarer erster Schalter 36 angeordnet, der je nach Zustand einen Stromfluss durch die Bypassleitung 34 entweder zulässt oder verhindert.
Analog ist an dem negativen Gleichspannungsanschluss 13’ des Generators 2 eine zweite Bypassleitung 34’ angeschlossen, die mit dem zweiten Eingangszweig 22’ verbunden ist und einen Schalter 36’ zur Herstellung und Trennung der Leitungsverbindung aufweist.
Die zweite Bypasseinrichtung 33 weist einen ersten Bypasspfad 37 auf, der von dem positiven Anschluss 25 des Speicherkondensators 26 bzw. der ersten Eingangsleitung 27 zu dem ersten Generatorzweig 14 führt. In dem Bypasspfad 37 sind ein ansteuerbarer Schalter 38 und eine antiparallel zu diesem geschaltete Diode 39 angeordnet.
In analoger Weise verbindet ein zweiter Bypasspfad 37’ den Anschluss 25’ des Speicherkondensators 26’ bzw. die zweite Eingangsleitung 27’ mit dem zweiten Generatorzweig 14’ und enthält einen Schalter 38’ mit einer antiparallelen Diode 39’.
Wie ferner stark schematisiert in 1 veranschaulicht, weist die Anlage 1 eine Sensoreinrichtung 41 und eine Steuereinrichtung 42 auf. Die Sensoreinrichtung 41 weist (hier nicht näher dargestellte) Sensormittel, wie Spannungs- und Stromfühler auf, die es ermöglichen, Signale an unterschiedlichen Stellen der Energieerzeugungsanlage 1 zu erfassen. Es können insbesondere die Ausgangsspannung des Generators 2, U_G, die Spannung an der Batterieeinheit 18, U_B, die erste und die zweite Zwischenkreisspannung U_ZK1, U_ZK3 bzw. U_ZK2, U_ZK4 und die Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters 11 erfasst werden. Außerdem können auch Ströme, wie bspw. der Ausgangsstrom des Generators 2 oder der Wechselstrom am Ausgang des Wechselrichters 11 erfasst werden. Die Sensoreinrichtung kann ferner weitere Parameter, so z.B. bei einer Photovoltaikanlage die momentane Einstrahlungsleistung, Umgebungstemperatur, etc., als Eingangssignale 43 erfassen und in Form von Sensorsignalen 44 an die Steuereinrichtung 42 melden, um dieser zu ermöglichen, den Betrieb der Energieerzeugungsanlage 1 passend zu steuern.
Die Steuereinrichtung 42 steuert den Betrieb der Energieerzeugungsanlage 1, insbesondere des Generators 2, der Batterieeinrichtung 6, der Wechselrichteranordnung 7 und der Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29, um in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen und entsprechend einer vorgegebenen Steuerlogik unterschiedliche Betriebsmodi zu realisieren. Insbesondere kann die Steuereinrichtung ein Einspeisen von Wechselstromenergie wahlweise entweder aus dem Generator 2 und/oder aus der Batterieeinrichtung 6 oder ein Laden der Batterieeinrichtung 6 wahlweise entweder aus dem Generator 2 und/oder durch Wechselstromentnahme oder eine Kombination derartiger Einspeise- und Ladevorgänge bewirken. Das erfindungsgemäße System 4 funktioniert wie folgt:
Es wird bspw. angenommen, dass die Anlage 1 eine Photovoltaikanlage ist, die an ein Wechselspannungsnetz 3 angeschlossen ist. Zur Einspeisung von Energie in das Netz 3 entweder aus dem Generator 2 oder aus der Batterieeinheit 18 werden die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 geschlossen und die Schalter 36, 36’ und 38, 38’ der ersten und zweiten Bypasseinrichtung 32, 33 geöffnet. Der Generator 2 speist nun über die Generatorzweige 14, 14’ und die Eingangszweige 22, 22’ sowie über die hier als Hochsetzsteller dienenden DC/DC-Wandler 28, 28’ und die Eingangsleitungen 27, 27’ den Wechselrichter 11. Der Wechselrichter 11, der bspw. ein Wechselrichter sein kann, wie er in der DE 10 2006 010 694 B4 näher beschrieben ist, verwendet die Spannung U_ZK1 und gespeicherte Energie des ersten Zwischenkreises 8 sowie die hochgesetzte Spannung U_ZK2 und gespeicherte Energie des zweiten Zwischenkreises 9, um an seinem Ausgang eine zu dem Netz 3 passende Wechselspannung, bspw. eine 230 V 50 Hz Spannung, und einen hierzu passenden Wechselstrom zu erzeugen.
Alternativ kann der Wechselrichter 11 in gleicher Weise aus der Batterieeinheit 18 gespeist werden, wobei die Gleichspannungswandleranordnung 19 als Aufwärtswandler betrieben wird, um die Batteriespannung U_B auf die erforderliche Zwischenkreisspannung U_ZK1 + U_ZK3 hochzusetzen.
Der Wechselrichter 11 kann auch sowohl aus dem Generator 2 als auch aus der Batterieeinrichtung 6 gespeist werden. Ist dabei die Spannung U_G des Generators 2 größer als die Spannung U_B der Batterieeinheit 18, so wird die Gleichspannungswandleranordnung 19 geeignet betrieben, um das Potential der Batteriespannung U_B auf das der Generatorspannung U_G heraufzusetzen. Ist im umgekehrten Fall die Generatorspannung U_G kleiner als die Batteriespannung U_B, so können die Trennschalter 21, 21’ geöffnet und die Schalter 36 und 36’ der ersten Bypasseinrichtung 32 geschlossen werden. Die Batterieeinheit 18 speist dann den zweiten Zwischenkreis 9 über die Dioden 39, 39’ des Bypasspfades 37, 37’ bei geöffnetem Schalter 39, 39’, während der Generator 2 über die Bypassleitungen 34, 34’ und die Eingangszweige 22, 22’ den ersten Zwischenkreis 8 speist und wobei die Generatorspannung über die Hochsetzsteller 28, 28’ auf die Spannung des zweiten Zwischenkreises 9 heraufgesetzt wird.
In weiteren Betriebsmodi kann die Batterieeinheit 18 auch regelmäßig oder je nach Bedarf aufgeladen werden. Ein Laden durch den Generator 2 erfolgt über die Gleichspannungswandleranordnung 19, die als Tiefsetzsteller betrieben wird. Gleichzeitig kann der Generator 2 auch in der vorstehend erläuterten Weise zusätzlich den Wechselrichter 11 speisen.
Die Batterieeinheit 18 kann auch mit aus dem Wechselspannungsnetz 3 entnommener Energie, die von einem oder mehreren Wechselspannungsgeneratoren in dem Wechselspannungsnetz erzeugt wird, geladen werden. Um dies zu ermöglichen, muss zur Vorbereitung für eine Netzstromentnahme der zweite, hohe Zwischenkreis 9 auf die Netzscheitelspannung aufgeladen werden. Dies erfolgt vorzugsweise aus der Batterieeinheit 18 durch die Gleichspannungswandleranordnung 19, die als Hochsetzsteller arbeitet. Es ist auch möglich, den zweiten Zwischenkreis 9 über die Hochsetzsteller 28, 28’ aus dem Generator 2 aufzuladen. Die Aufladung des zweiten, hohen Zwischenkreises auf die Netzscheitelspannung ist erforderlich, damit beim Zuschalten des Wechselspannungsnetzes hohe Impulsströme vermieden werden.
Ist die Vorbereitung für die Netzstromentnahme abgeschlossen, werden die Schalter 38, 38’ der zweiten Bypasseinrichtung 33 geschlossen und die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 geöffnet. Der Wechselrichter 11 kann nun über seine Funktionalität der Netzstromentnahme Energie zwischen dem Wechselspannungsnetz 3 und dem zweiten, hohen Zwischenkreis 9 transferieren und somit die Batterieeinheit 18 über die Bypasspfade 37, 37’ mit den geschlossenen Schaltern 38, 38’ laden. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 sorgt für die erforderliche Potentialanpassung, indem sie als Tiefsetzsteller arbeitet.
Soll die Batterieeinheit 18 gleichzeitig durch Netzstromentnahme und aus dem Generator 2 geladen werden, muss die Vorbereitung für die Netzstromentnahme, wie oben erläutert, erfolgt sein. Danach werden die Schalter 38, 38’ der zweiten Bypasseinrichtung 33 geschlossen, die Trennschalter 21, 21’ geöffnet und die Schalter 36, 36’ der ersten Bypasseinrichtung 32 geschlossen. Die Energie durch die Netzstromentnahme kann nun über die geschlossene Schalter 38, 38’ fließen. Wenn das Potential des Generatoranschlusses 13 bzw. 13’ betragsmäßig niedriger ist als das der zweiten Zwischenkreisspannung U_ZK2 + U_ZK4, fließt die Energie aus dem Generator 2 über die geschlossenen Schalter 36, 36’ und wird von den DC/DC-Wandlern 28, 28’ auf das Potential des zweiten, hohen Zwischenkreises 9, wie durch den Wechselrichter 11 vorgegeben, hochgesetzt. Durch die DC/DC-Wandler 28, 28’ ist dabei stets ein MPP-Tracking an dem Generator 2 möglich.
Ist das Potential des Generatoranschlusses 13 bzw. 13’ betragsmäßig höher als das der zweiten Zwischenkreisspannung U_ZK2, ist in einer weiteren Ausführungsform möglich die Spannung des Generators 2 über die DC/DC-Wandler 28, 28’, die in diesem Fall als Tiefsetzsteller arbeiten, auf das Potential des zweiten Zwischenkreises tiefzusetzen. Damit ermöglicht das erfindungsgemäße System 4 eine flexible, effiziente und zeitgleiche Ladung der Batterieeinrichtung 6 durch die verschiedenartigen Energiequellen 2 und 3 sowie eine gleichermaßen flexible und effiziente Nutzung der Batterieenergie auch zeitgleich mit der Energie aus dem Generator 2.
In einem weiteren Betriebsmodus kann abwechselnd, zeitversetzt zueinander der Generator 2 Energie in das Netz 3 einspeisen und die Batterieeinrichtung 6 durch Stromentnahme aus dem Netz 3 geladen werden. Die kann z.B. nützlich sein, wenn die Generatorspannung für beide Funktionen nicht ausreicht, eine Aufladung der Batterien 18 aber erforderlich oder sinnvoll ist.
Eine spezielle, vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 4 ist in größeren Einzelheiten in 2 veranschaulicht. Die Darstellung nach 2 unterscheidet sich von derjenigen nach 1 lediglich darin, dass hier eine modifizierte, bevorzugte Ausführungsform der Batterieeinrichtung 6 sowie konkrete Ausführungsformen der Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 und der Wechselrichteranordnung 7 angegeben sind. Dies sind aber nur beispielhafte Ausführungsformen, so dass noch andere Realisierungsmöglichkeiten bestehen. In Bezug auf die weiteren dargestellten Komponenten wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit 1 Bezug genommen.
Die in 2 veranschaulichte bevorzugte Ausführungsform der Batterieeinrichtung 6 weist eine erste Batterieeinrichtung 6a und eine zweite Batterieeinrichtung 6b auf. Die erste Batterieeinrichtung 6a weist eine erste Batterieeinheit 18a und eine dieser zugeordnete erste Gleichspannungswandleranordnung 19a auf. Die Gleichspannungswandleranordnung 19a ist ein induktiver Wandler, der durch einen kombinierten Aufwärtswandler und Abwärtswandler gebildet ist. Insbesondere weist die erste Gleichspannungswandleranordnung 19a eine erste elektronische Schaltereinheit 47a mit einem Schalter 48a und einer hierzu antiparallel geschalteten Freilaufdiode 49a, eine zweite Schaltereinheit 51a mit einem Schalter 52a und einer antiparallelen Freilaufdiode 53a und eine Induktivität 54a auf. Die Induktivität 54a ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Schaltereinheiten 47a, 51a und mit dem Pluspol der Batterieeinheit 18a verbunden. Der Minuspol der Batterieeinheit 18a ist mit dem zweiten, negativen Generatorzweig 14’ verbunden, an den auch die zweite Schaltereinheit 51a angeschlossen ist. Die erste Schaltereinheit 47a ist wiederum mit dem ersten Generatorzweig 14 verbunden.
In ähnlicher Weise weist die zweite Batterieeinrichtung 6b eine zweite Batterieeinheit 18b und eine dieser zugeordnete Gleichspannungswandleranordnung 19b auf, die zwischen den Generatorzweigen 14, 14’ angeordnet ist. Die Gleichspannungswandleranordnung 19b weist eine erste und eine zweite elektronische Schaltereinheit 47b, 51b auf, die jeweils einen Schalter 48b, 52b und eine hierzu antiparallele Freilaufdiode 49b, 53b aufweisen, sowie eine Induktivität 54b auf. Die erste Schaltereinheit 47b ist zwischen dem positiven Generatorzweig 14 und einer Klemme der zweiten Schaltereinheit 51b angeordnet, deren andere Klemme mit dem negativen Generatorzweig 14’ verbunden ist. Die Induktivität 54b ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Schaltereinheiten 47b, 51b und mit dem Pluspol der Batterieeinheit 18b verbunden.
Außerdem ist eine Schalteranordnung 56 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die erste und die zweite Batterieeinheit 18a, 18b wahlweise elektrisch entweder parallel oder in Reihe miteinander und mit den Generatorzweigen 14, 14’ zu verbinden. Die Schalteranordnung 56 weist hierzu einen ersten Schalter 57 und einen zweiten Schalter 58 auf. Der erste Schalter 57 ist in einem Verbindungszweig angeordnet, der den Verbindungspunkt zwischen der Induktivität 54a und dem Pluspol der ersten Batterieeinheit 18a mit dem Minuspol der zweiten Batterieeinheit 18b verbindet. Der zweite Schalter 58 ist in einem Zweig angeordnet, der den Minuspol der zweiten Batterieeinheit 18b mit dem negativen Generatorzweig 14’ verbindet.
Ist der erste Schalter 57 geöffnet und der zweite Schalter 58 geschlossen, sind beide Batterieeinrichtungen 6a, 6b parallel zueinander an dem Generator 2 angeschlossen. Im umgekehrten Fall, wenn der erste Schalter 57 geschlossen und der zweite Schalter 58 geöffnet ist, sind die beiden Batterieeinheiten 18a, 18b in Reihe miteinander verbunden. Je nach Betriebsbedingungen können die Batterieeinheiten 18a, 18b nun entweder in Reihen- oder in Parallelschaltung in der bereits oben im Zusammenhang mit 1 erläuterten Weise aus dem Generator 2 und/oder durch Netzstromentnahme geladen bzw. entladen werden.
Sind die Batterieeinheiten 18a, 18b parallel zueinander geschlossen, erfolgt die Aufladung über die Gleichspannungswandleranordnungen 19a, 19b, die in diesem Betriebsfall als Tiefsetzsteller arbeiten. Hierzu werden die ersten Schaltereinheiten 48a, 48b mit einem geeigneten Tastverhältnis angesteuert, um eine geeignete Batterieladespannung zum Aufladen der Batterieeinheiten 18a, 18b bereitzustellen. Der Freilaufstrom verläuft hierbei über die Freilaufdioden 53a, 53b der zweiten Schaltereinheiten 51a, 51b.
Bei ausreichender Generatorspannung können die Batterieeinheiten 18a, 18b auch in Reihenschaltung aufgeladen werden. Hierzu wird der Schalter 57 geschlossen und der Schalter 58 geöffnet, und die zweite Gleichspannungswandleranordnung 19b wird durch geeignete Taktung des Schalters 48b als Tiefsetzsteller verwendet.
Zum Einspeisen aus den Batterieeinheiten 18a, 18b können diese in Reihe zueinander geschaltet werden, um eine relativ hohe gesamte Batteriespannung zu erhalten, um Umwandlungsverluste auf ein Minimum zu reduzieren. In diesem Fall wird die Gleichspannungswandleranordnung 19b als Hochsetzsteller verwendet, indem der Schalter 52b mit geeignetem Tastverhältnis angesteuert wird.
Alternativ können, insbesondere wenn die Generatorspannung niedriger ist als die Spannung der Reihenschaltung der Batterieeinheiten 18a, 18b, diese in Parallelschaltung symmetrisch durch die erste und zweite Gleichspannungswandleranordnung 19a, 19b entladen und auf das Zwischenkreisniveau des Zwischenkreises 8 hochgesetzt werden. Hierzu werden die Schalter 52a, 52b der zweiten Schaltereinheiten 51a, 51b mit dem für die Hochsetzung geeigneten Tastverhältnis geschaltet. In der oben erläuterten Weise können die Batterieeinheiten 18a, 18b auch gemeinsam mit dem Generator 2 zur Speisung des Wechselrichters 11 verwendet werden.
In 2 ist ferner eine konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 näher veranschaulicht. Insbesondere sind die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 als elektronische Schalter mit einer in Reihe zu dem Schalter 21, 21’ und in gleicher Durchlassrichtung angeordneten Gleichrichterdiode 61, 61’ veranschaulicht, die die Schalter 21, 21’ gegen eventuelle Sperrströme schützen. Ebenso sind auch Gleichrichterdioden 62, 62’ in Reihe zu den Schaltern 36, 36’ der ersten und zweiten Bypassleitung 34, 34’ der ersten Bypasseinrichtung 32 vorgesehen. Im Übrigen entspricht die in 2 dargestellte Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise der in 1 veranschaulichten Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung.
Außerdem zeigt 2 eine konkrete, bevorzugte Ausführungsform eines DC/DC-Wandlers 28, 28’, der sich zur Hochsetzung einer Spannung eignet. So weist der erste DC/DC-Wandler 28 einen Aufwärtswandlerteil 73 auf. Der Aufwärtswandlerteil 73 ist ein induktiver Wandler mit einer Induktivität 76, deren Primärseite mit dem ersten Eingangszweig 22 verbunden ist und deren Sekundärseite in Reihe mit einer Freilaufdiode 77 verbunden ist, deren Kathode mit dem Anschluss 25 bzw. der Eingangsleitung 27 verbunden ist. Ein taktbarer Schalter 78 ist an die Sekundärseite der Induktivität 76 und über die Mittelanzapfung 24 an einen Neutralleiter 79 angeschlossen. Zur Hochsetzung der Spannung U_ZK1 des ersten Zwischenkreises 8 wird der Schalter 78 in bekannter Weise mit einem für die Hochsetzung geeigneten Tastverhältnis geschaltet.
In analoger Weise weist der DC/DC-Wandler 28’ einen Aufwärtswandlerteil 73’ auf, wobei der Aufwärtswandlerteil 73’ eine Induktivität 76’, deren Primärseite mit dem zweiten Eingangszweig 22’ verbunden ist, in Reihe mit einer Freilaufdiode 77’, deren Kathode mit dem Anschluss 25’ des zweiten Zwischenkreises 9 verbunden ist, und einen taktbaren Schalter 78’ aufweist, der zwischen der Sekundärseite der Induktivität 76’ und dem Neutralleiter 79 angeschlossen ist.
Wie ferner aus 2 ersichtlich, können die so gebildeten DC/DC-Wandler 28, 28’, einschließlich der Zwischenkreiskondensatoren 23, 23’, doppelt ausgeführt und parallel zueinander angeschlossen sein. Diese können dann zeitlich versetzt bzw. verschachtelt zur Aufwärts- bzw. Abwärtswandlung getaktet werden. Dadurch können auf das Schalten der DC/DC-Wandlerschalter zurückzuführende Rippelströme reduziert werden.
Der Wechselrichter 11 ist in 2 in der bereits erwähnten Multilevel-Wechselrichterschaltungsanordnung näher veranschaulicht, die die beiden Eingangsspannungen des ersten und des zweiten Zwischenkreises 8, 9 nutzt. Der Wechselrichter 11 weist parallel zu den Kondensatoren 23, 23’ des ersten Zwischenkreises 8 eine Halbbrückenschaltung auf, die zwei in Reihe miteinander verbundene Schalterelemente 82, 83 aufweist, zu denen jeweils parallel und in entgegengesetzter Durchlassrichtung eine Freilaufdiode geschaltet sein kann (hier nicht veranschaulicht), um diese Gegensperrströme zu schützen. In Reihe zu den jeweiligen Schaltern 82, 83 sind Gleichrichterdioden 84, 86 vorgesehen, die in gleicher Durchlassrichtung wie die Schalterelemente 82, 83 angeordnet sind.
Es sind ferner zwei weitere Schalterelemente 87, 88 mit jeweils antiparallelen Freilaufdioden 89, 91 undin Reihe zueinander vorgesehen. Die Schalterelemente 87, 88 sind an den Ausgangsanschlüssen 25, 25’ des jeweiligen DC/DC-Wandlers 28 bzw. 28’ angeschlossen. Der andere Anschluss der Schalterelemente 87, 88 ist miteinander und einem Mittelabgriff 90 der Halbbrücke mit den Schaltern 58, 59 verbunden.
Der Wechselrichter 11 weist ferner zwei Freilaufpfade 92, 93 auf, die parallel zueinander zwischen dem Mittelabgriff 90 und dem Neutralleiter 79 verlaufen. Jeder Freilaufpfad 92, 93 weist ein Schalterelement 94 bzw. 96 mit einer optional zu diesem antiparallel geschalteten Freilaufdiode sowie eine in Reihe zu diesem angeordnete Gleichrichterdiode 97 bzw. 98 auf, die die gleiche Durchlassrichtung wie das zugehörige Schalterelement 94 bzw. 96 aufweist. Im Übrigen sind die Gleichrichterdioden 97, 98 in den einzelnen Freilaufpfaden 92, 93 in entgegengesetzter Durchlassrichtung zueinander geschaltet.
Der Mittelabgriff 90 der Halbbrücke ist über eine Verbindungsleitung 99, in der eine Speicherdrossel 101 vorgesehen ist, um von der Halbbrücke gelieferte Energie zwischenzuspeichern und bspw. an ein Wechselspannungsnetz 3 oder einen Verbraucher abzugeben, mit einem Wechselspannungsanschluss 102 eines Wechselspannungskreises verbunden. Zwischen dem Wechselspannungsanschluss 102 und dem Neutralleiter 79 kann ein Glättungskondensator 103 eingefügt sein, um hochfrequente Spannungsanteile herauszufiltern. Das System kann auch dreiphasig ausgeführt werden.
Obwohl die in 2 dargestellte Wechselrichterschaltungsanordnung nur beispielhafter Natur ist, ist sie insofern besonders vorteilhaft, als sie es ermöglicht, auch bei unzureichenden Generatorspannungen mit hohem Wirkungsgrad Wechselstrom bzw. Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters 11 zu erzeugen. Hierzu kann der Wechselrichter 11 wahlweise entweder die niedrige Zwischenkreisspannung U_ZK1 + U_ZK3 des ersten Zwischenkreises oder bei unzureichender Spannung des Gleichspannungsgenerators 2 oder der Batterieeinrichtung 6, die über den DC/DC-Wandler hochgesetzte Spannung U_ZK2 + U_ZK4 des zweiten, höheren Zwischenkreises 9 nutzen. Dabei kann der Freilaufstrom je nach Bedarf bei Taktung der Halbbrücken-Schalterelemente 82, 83 über die Freilaufpfade 92, 93 und bei Taktung der Schalterelemente 87, 88 auch über die dann geschlossenen Schalterelemente 82, 83 fließen. Dann können entsprechende Spannungshübe an dem Mittelabgriff 90 reduziert und zugehörige Umschalt- und Ummagnetisierungsverluste verringert werden.
Hinsichtlich weiterer Einzelheiten wird auf die vorerwähnte DE 10 2006 010 694 B4 ausdrücklich Bezug genommen, die den Aufbau und die Funktionsweise der hier in 2 dargestellten Wechselrichterschaltung im Detail beschreibt.
Vorteilhafterweise ermöglicht die in 2 dargestellte Wechselrichteranordnung 7 auch eine gesteuerte Entnahme des Wechselstroms zur Aufladung der Kondensatoren 26, 26’. Bspw. kann durch getaktetes Schalten des Schalterelementes 96 des ersten Freilaufpfades 93 Energie aus der Wechselspannungsseite über die Speicherdrossel 101 und die zu dem Schalterelement 87 antiparallele Freilaufdiode 89 auf den Speicherkondensator 26 des zweiten, hohen Zwischenkreises 9 transferiert werden. In gleicher Weise kann durch Schalten des Schalterelementes 94 in dem zweiten Freilaufpfad 92 Energie aus der Wechselspannungsseite auf den Kondensator 26’ transferiert werden. Diese Energie kann dann bedarfsweise zur Ladung der Batterieeinheiten 18a, 18b in der vorstehend erläuterten Weise verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung von Energie ist in 3 veranschaulicht. Die in 3 veranschaulichte Ausführungsform unterscheidet sich von denen nach 1 und 2 im Wesentlichen nur dadurch, dass hier neben einem primären Gleichspannungsgenerator 2 noch ein weiterer sekundärer Gleichspannungsgenerator 104 an das System 4 angeschlossen ist. Wenn bspw. der Generator 2 ein Photovoltaikgenerator ist, kann ergänzend oder als Ersatz für Zeiten mit niedriger Leistung des Photovoltaikgenerators z.B. eine vom Windkraftgenerator erzeugte gleichgerichtete Energie oder auch ein Gleichspannungsgenerator bzw. Wechselstromgenerator mit Gleichrichter durch eine Verbrennungskraftmaschine, bspw. einem Dieselgenerator oder einem Blockheizkraftwerk, an den Zwischenkreis 8, 9 bzw. die Batterieeinrichtung 6 des Systems 4 angebunden werden. Dadurch kann die Versorgungssicherheit erhöht bzw. eine Vollladung der Batterie auch z.B. nachts oder während der Wintermonate ermöglicht werden. Hier nachfolgend sollen der Generator 2 als der primäre Generator und der Generator 104 als der sekundäre Generator bezeichnet werden.
Der sekundäre Generator 4 ist analog zu dem Generator 2 an einen ersten und einen zweiten sekundären Generatoranschluss 106, 106’ angeschlossen, von denen ein erster und ein zweiter sekundärer Gleichspannungs-Generatorzweig 107, 107’ wegführen. Eine Weichenschaltung 108 dient dazu, den ersten und zweiten sekundären Generatorzweig wahlweise entweder mit dem ersten bzw. zweiten primären Generatorzweig 14, 14’ oder mit dem ersten bzw. zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig 22, 22’ zu verbinden.
Wie in 3 veranschaulicht, weist die Weichenschaltung Weichenpfade 109, 109’, 111, 111’ mit darin angeordneten Schaltern 112, 112’, 113, 113’ auf, die die Weichenpfade öffnen und schließen. Ein erster Weichenpfad 109 mit einem ersten Schalter 112 ist zwischen dem ersten sekundären Generatorzweig 107 und dem ersten primären Generatorzweig 14 angeordnet. Ein zweiter Weichenpfad 109’ mit einem zweiten Schalter 112’ ist zwischen dem zweiten sekundären Generatorzweig 107’ und dem zweiten primären Generatorzweig 14’ angeordnet. Ferner sind ein dritter Weichenpfad 111 mit einem dritten Schalter 113 und ein vierter Weichenpfad 111’ mit einem vierten Schalter 113’ zwischen dem ersten bzw. zweiten sekundären Generatorzweig 107 bzw. 107’ und dem ersten bzw. zweiten Eingangszweig 22 bzw. 22’ angeschlossen. Gleichrichterdioden 110, 110’ sind in den Generatorzweigen 107 bzw. 107’ in Durchflussrichtung zwischen dem jeweiligen Generatoranschluss 106 bzw. 106’ und dem Verbindungsknoten zwischen den Weichenpfaden 109, 11, bzw. 109’, 111’ angeordnet.
Der Betrieb und die Funktionsweise des sekundären Generators 104 werden ebenfalls durch die Steuereinrichtung 42 in Abhängigkeit von von der Sensoreinrichtung 41 erfassten Signalen, einschließlich der Spannung an dem sekundären Generator 104 gesteuert. Dieser kann wie folgt mit genutzt werden:
Der Generator 104 kann bspw. zum Laden der Batterieeinrichtung 6 verwendet werden. In 3 sind zwei Batterieeinheiten 18a, 18b veranschaulicht, die, wie bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert, je nach Zustand der Schalter 57, 58 der Schalteranordnung 56 wahlweise in Reihen- oder in Parallelschaltung geladen werden können. Alternativ könnte auch nur eine einzige Batterieeinheit 6 mit einer dieser zugeordneten Gleichspannungswandleranordnung 19 vorgesehen sein (vgl. 1). Im Folgenden wird der Einfachheit wegen nur allgemein auf eine Gleichspannungswandleranordnung 19 und eine Batterieeinheit 18 Bezug genommen.
Ist die Spannung des sekundären Generators 104 höher als die Spannung der Batterieeinheit 18, werden der erste und der zweite Schalter 112, 112’ geschlossen und der die Schutzdiode 16, 16’ überbrückende Schalter 17, 17’ geöffnet. Der Strom fließt durch den ersten und den zweiten Weichenpfad 109, 109’ mit den geschlossenen Schaltern 112, 112’ und die Gleichspannungswandleranordnung 19, die als Tiefsetzsteller arbeitet, zur Batterieeinheit 18.
Wenn die Spannung des sekundären Generators 104 niedriger ist als die Spannung U_B der Batterieeinheit 18, werden die Schalter 112, 112’ des ersten und zweiten Weichenpfades 109, 109’ und die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 geöffnet, während die Schalter 38, 38’ der Bypasspfade 37, 37’ und die Schalter 113, 113’ des dritten und vierten Weichenpfades 111, 111’ geschlossen werden. Der Strom fließt nun durch den dritten und vierten Weichenpfad 111, 111’ in den niedrigen Zwischenkreis 8 und wird von den DC/DC-Wandlern 28, 28’ genutzt, um die Spannung des niedrigen Zwischenkreises 8 auf eine höhere Spannung als die Spannung der Batterieeinheit 18 hochzusetzen. Vom hohen Zwischenkreis 9 aus kann der Strom über die geschlossenen Schalter 38, 38’ und den Tiefsetzsteller 19 zur Batterieeinheit 18 abfließen.
Es können auch beide Gleichspannungsgeneratoren 2 und 104 zum Laden der Batterieeinheit 18 gleichzeitig verwendet werden. Ist die Spannung des primären Generators 2 dabei niedriger als die Spannung des sekundären Generators 104, werden die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 geöffnet, und die Schalter 36, 36’ der Bypassleitungen 34, 34’ sowie die Schalter 38, 38’ der Bypasspfade 37, 37’ werden geschlossen. Der Strom vom primären Generator 2 fließt über die geschlossenen Schalter 36, 36’ zum niedrigen Zwischenkreis 8 und wird von dort von dem DC/DC-Wandler 28, 28’ zur Hochsetzung der Spannung auf das Potential des sekundären Generators 104 verwendet. Die Energie des sekundären Generators 104 fließt über die geschlossenen Schalter 112, 112’ des ersten und zweiten Weichenpfades 109, 109’ zur Batterieeinheit 18. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 übernimmt dabei das MPP-Tracking für den sekundären Generator 104, während die DC/DC-Wandler 28, 28’ für das MPP-Tracking für den primären Generator 2 sorgen.
Ist die Spannung an dem primären Generator 2 höher als die Spannung an dem sekundären Generator 104, werden die Schalter 21, 21’, die Schalter 36, 36’ und die Schalter 112, 112’ geöffnet, während die Schalter 38, 38’ und die Schalter 113, 113’ geschlossen werden. Der Strom fließt von dem sekundären Generator 104 nun durch den geschlossenen dritten und vierten Weichenpfad 111, 111’ in den niedrigen Zwischenkreis 9 und wird von den DC/DC-Wandlern 28, 28’ auf die Spannung des primären Generators 2 hochgesetzt. Die Energie von dem primären Generator 2 fließt durch den geschlossenen Schalter 17 oder alternativ über die Diode 16 zu der als Tiefsetzsteller arbeitenden Gleichspannungswandleranordnung 19, die das MPP-Tracking für den primären Generator 2 übernimmt, zu der Batterieeinheit 18. Das MPP-Tracking von dem sekundären Generator 104 wird durch die DC/DC-Wandler 28, 28’ bewerkstelligt.
Der sekundäre Generator 104 kann in üblicher Weise zum Einspeisen des Wechselrichters 11 über den dritten und den vierten Weichenpfad 111, 111’ mit dann geschlossenen Schaltern 113, 113’ verwendet werden. Dabei kann der primäre Generator 2 bei ausreichender Energie in der im Zusammenhang mit 2 erläuterten Weise parallel die Batterieeinheit 18 aufladen, wenn alle Schalter 21, 21’, 36, 36’, 38, 38’ der Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 geöffnet sind.
Umgekehrt kann der sekundäre Generator 104 über die Weichenpfade 109, 109’ mit den geschlossenen Schaltern 112, 112’ auch die Batterieeinheit 18 aufladen, während gleichzeitig der primäre Generator 2 den Wechselrichter 11 über die erste Bypasseinrichtung 32 speist. Die Schalter 21, 21’, 38, 38’ sind dabei geöffnet.
Die gleichzeitige Verwendung des primären und sekundären Gleichspannungsgenerators 2, 104 zur Einspeisung ist beschränkt möglich. Wenn die Spannung des primären Generators 2 hoch genug ist, kann dieser direkt in den zweiten, hohen Zwischenkreis 9 über die zu den Schaltern 38, 38’ antiparallelen Freilaufdioden 39, 39’ eingebunden werden. Die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 sind dabei geöffnet. Der sekundäre Generator 104 wird über die geschlossenen Schalter 113, 113’ des dritten und vierten Weichenpfads 111, 111’ in den ersten, niedrigen Zwischenkreis 8 geschaltet.
Ist die Spannung des sekundären Generators 104 höher als die des primären Generators 2, dann kann der sekundäre Generator 104 über die Schalter 112, 112’ des ersten und zweiten Weichenpfades 109, 109’ und die zu den Schaltern 38, 38’ antiparallelen Freilaufdioden 39, 39’ in den zweiten, hohen Zwischenkreis 9 geschaltet werden. Der primäre Generator 2 wird über die geschlossenen Schalter 36, 36’ der ersten Bypasseinrichtung 32 in den ersten, niedrigen Zwischenkreis 8 geschaltet. Die Schalter 21, 21’ der Trenneinrichtung 31 sind in beiden Fällen geöffnet.
Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 und der optionalen Weichenschaltung 108 kann ein Hybridsystem mit unterschiedlichen Energiequellen an einem Energiesystem bzw. Netz geschaffen werden, das es ermöglicht, sowohl einen Generator als auch die Speicherbatterien wirtschaftlich zu dimensionieren und eine lange Batterielebensdauer sicherzustellen. Auch in einer Photovoltaikanlage und in der Nacht bzw. in den Wintermonaten ist es stets möglich, die Batterie bedarfsweise vollständig aufzuladen. Das System 4 gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine flexible, effiziente und zeitgleiche Einspeisung und/oder Ladung der Batterieeinheit 18 bzw. -einheiten durch mehrere Generatoren. Es ist möglich, durch intelligentes Umschalten über die Trenneinrichtung 31, die Bypasseinrichtungen 32, 33 und die Weichenschaltung 108 verschiedenartige Energiequellen 2, 3, 104 zum Laden der Batterieeinheiten 18 zu verwenden.
Es können Gleichstromgeneratoren, wie bspw. Photovoltaikgeneratoren oder gleichgerichtete Windenergiegeneratoren gleichspannungsseitig angekoppelt werden, so dass zusätzliche Wechselrichter mit damit verbundenen Umwandlungsverlusten vermieden werden können. Bedarfsweise können auch Wechselstromgeneratoren mit z.B. netzkonformer 230 V 50 Hz Spannung, auch Blockheizkraftwerke, Dieselgeneratoren oder weitere Photovoltaik- oder Windanlagen mit separaten Wechselrichtern, wechselspannungsseitig angekoppelt werden, ohne zusätzlichen Batterielader zum Laden des Speichers verwenden zu müssen.
Das System 4 kann flexibel durch einen oder mehrere sekundäre Gleichspannungsgeneratoren unterschiedlicher Art erweitert werden. Ebenso kann die Batterieeinrichtung 6 auch optional in der vorteilhaften Ausführungsform nach 2 mit der Möglichkeit, einfach und schnell wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung von zwei oder mehreren Batterieeinheiten 18a, 18b zu schaffen, realisiert werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw. können Wechselrichter unterschiedlicher Konfigurationen eingesetzt werden, sofern sie über einen niedrigen Zwischenkreis sowie einen hohen Zwischenkreis verfügen und eine Netzstromentnahme ermöglichen. Außerdem ist in den in den 1–3 veranschaulichten Ausführungsformen der Mittelpunkt 24 an den Neutralleiter 79 angebunden. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Die veranschaulichten und andere Schaltungen können auch ohne Mittelpunktanzapfung 24 realisiert werden. Hierdurch entfallen die als „zweite“ bezeichneten Komponenten, deren Bezugszeichen hier mit einem „’“ versehen sind, insbesondere die Zwischenkreiskondensatoren 23’, 36’, der DC/DC-Wandler 28’, die zweite Bypassleitung 34’ mit dem Schalter 36’, der zweite Bypasspfad 37’ mit dem Schalter 38’ und der Diode 39’. Die Zwischenkreiskondensatoren 23, 26 werden direkt an das Potential des Minuspols des Generators 2 angeschlossen.
Es ist ein System 4 zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie durch mehrere verschiedenartige Energiequellen geschaffen, zu denen wenigstens ein Gleichspannungsgenerator 2 und ein Wechselspannungsnetz 3 gehören. Das System 4 weist eine Batterieeinrichtung 6 zur zeitweisen Speicherung von Energie und einen Wechselrichter 11 auf, der über einen niedrigen und einen hohen Zwischenkreis 8, 9 verfügt und auch zur Wechselstromentnahme aus dem Netz 3 eingerichtet ist. Eine Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 ist zwischen dem wenigstens einen Gleichspannungsgenerator 2, der Batterieeinrichtung 6 und den Zwischenkreisen 8, 9 angeordnet und eingerichtet, um wahlweise eine effiziente und zeitgleiche Ladung der Batterieeinrichtung 6 durch den wenigstens einen Gleichspannungsgenerator 2 sowie durch Netzstromentnahme zu ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1965483 A1 [0008]
DE 102006010694 B4 [0012, 0059, 0086]

Claims

System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungs-Generatorzweig (14, 14’), die mit einem ersten bzw. einem zweiten Gleichspannungs-Generatoranschluss (13, 13’) für einen Gleichspannungsgenerator (2) verbunden sind; mit einer Batterieeinrichtung (6), die zwischen dem ersten und dem zweiten Generatorzweig (14, 14’) angeschlossen ist, um bedarfsweise Energie zu speichern oder die gespeicherte Energie bereitzustellen; mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig (22, 22’) zur Verbindung mit dem ersten bzw. zweiten Generatorzweig (14, 14’); mit einem ersten Zwischenkreis (8), der zur Zwischenspeicherung von Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangszweig (22, 22’) angeschlossen ist; mit einem zweiten Zwischenkreis (9), der zur Zwischenspeicherung von Energie derart eingerichtet und angeordnet ist, dass seine Spannung durch Hochsetzung der Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises (8) erzeugt werden kann; mit einem Wechselrichter (11), dessen Eingang (12) an den ersten und den zweiten Zwischenkreis (8, 9) angeschlossen ist und der zur Umwandlung eingangsseitiger Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie und zur Umwandlung ausgangsseitiger Wechselspannungsenergie in eingangsseitige Gleichspannungsenergie eingerichtet ist; mit einer Trenneinrichtung (31) zur Herstellung und Trennung einer Verbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatorzweig (14) und dem ersten Eingangszweig (22); mit einer ersten Bypasseinrichtung (32), die eine wahlweise Verbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatoranschluss (13) und dem ersten Eingangszweig (22) unter Umgehung des ersten Generatorzweiges (14) ermöglicht; und mit einer zweiten Bypasseinrichtung (33), die eine wahlweise Verbindung zwischen wenigstens einem Anschluss (25) des zweiten Zwischenkreises (9) und dem ersten Generatorzweig (14) unter Umgehung des ersten Eingangszweiges (22) ermöglicht.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinrichtung (6) eine wiederaufladbare Batterieeinheit (18) und eine dieser zugeordnete Gleichspannungswandleranordnung (19) aufweist, die einen kombinierten Aufwärtswandler (52a, 54a) und Abwärtswandler (48a, 54a) aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinrichtung (6) wenigstens eine erste Batterieeinrichtung (6a) mit einer ersten Batterieeinheit (18a) und einer dieser zugeordneten ersten Gleichspannungswandleranordnung (19a), eine zweite Batterieeinrichtung (6b) mit einer zweiten Batterieeinheit (18b) und einer dieser zugeordneten zweiten Gleichspannungswandleranordnung (19b) und eine Schalteranordnung (56) aufweist, die eingerichtet und angeordnet ist, um die erste und zweite Batterieeinheit (18a, 18b) wahlweise elektrisch entweder parallel oder in Reihe miteinander und die Parallel- bzw. Reihenschaltung mit den Generatorzweigen (14, 14’) zu verbinden.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung (56) einen ersten Schalter (57), der eingerichtet und angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen einem ersten Pol der ersten Batterieeinheit (18a) und einem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit (18b) herzustellen oder aufzuheben, und einen zweiten Schalter (58) aufweist, der eingerichtet und angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen dem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit (18b) und dem zweiten Generatorzweig (14’) herzustellen oder aufzuheben.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Zwischenkreis (9) ein DC/DC-Wandler (28, 28’) zugeordnet ist, der eingerichtet ist, um die Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises (8) auf ein betragsmäßig höheres Potential des zweiten Zwischenkreises (9) hochzusetzen, wobei der DC/DC-Wandler ferner optional eingerichtet ist, um wahlweise die Ausgangsspannung eines Generators (2) auf ein betragsmäßig niedrigeres Potential des zweiten Zwischenkreises (9) herabzusetzen.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem DC/DC-Wandler (28, 28’) ein Aufwärtswandlerteil (73, 73’), der eine Induktivität (76, 76’), deren Primärseite mit dem ersten bzw. zweiten Eingangszweig (22, 22’) verbunden ist, in Reihenschaltung mit einer Freilaufdiode (77, 77’), deren Kathode mit dem Anschluss (25, 25’) des zweiten Zwischenkreises (9) verbunden ist, und einen taktbaren Schalter (78, 78’) aufweist, der an die Sekundärseite der Induktivität (76, 76’) und einen Neutralleiter (79) angeschlossen ist, sowie ein Schalter (36, 36’) gehören, der einen Teil der ersten Bypasseinrichtung (32) bildet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (11) eine ein- bis dreiphasige Wechselrichterschaltung mit hochfrequent taktbaren elektronischen Schalterelementen (82, 83, 87, 88) und Freilaufpfaden (92, 93) aufweist, die ausgelegt sind, um wahlweise ein Einspeisen von Energie aus dem ersten Zwischenkreis (8) oder aus dem zweiten Zwischenkreis (9) oder eine Entnahme von Wechselspannungsenergie zur Aufladung des zweiten Zwischenkreises (9) in gesteuerter Weise zu erzielen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (31) einen ansteuerbaren Schalter (21, 21’) mit einer Durchlassrichtung von dem Generatorzweig (14, 14’) zu dem Eingangszweig (22, 22’) und eine in Reihe zu diesem, in gleicher Durchlassrichtung angeordnete Gleichrichterdiode (61, 61’) aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bypasseinrichtung (32) wenigstens eine von dem ersten Generatoranschluss (13) zu dem ersten Eingangszweig (22) führende erste Bypassleitung (34) aufweist, in der ein ansteuerbarer, vorzugsweise taktbarer Schalter (36) in Reihe mit einer in gleicher Durchlassrichtung geschalteten Gleichrichterdiode (62) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bypasseinrichtung (33) wenigstens einen von dem Anschluss (25) des zweiten Zwischenkreises (9) zu dem ersten Generatorzweig (14) führenden ersten Bypasspfad (37) aufweist, in dem ein ansteuerbarer Schalter (38) mit einer antiparallelen Diode (39) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Mittelanzapfung (24) des ersten und zweiten Zwischenkreises (8, 9) aufweist, die mit einem durch den Wechselrichter (11) hindurchgeführten Neutralleiter (79) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es primäre Generatoranschlüsse (13, 13’) und Generatorzweige (14, 14’) für einen primären Gleichspannungsgenerator (2) und ferner wenigstens einen ersten und zweiten sekundären Generatoranschluss (106, 106’) für einen sekundären Gleichspannungsgenerator (104), einen ersten und zweiten sekundären Gleichspannungs-Generatorzweig (107, 107’), die jeweils mit dem ersten bzw. zweiten sekundären Generatoranschluss (106, 106’) verbunden sind, und eine Weichenschaltung (108) aufweist, die es ermöglicht, wenigstens den ersten sekundären Generatorzweig (107) wahlweise mit dem ersten primären Generatorzweig (14) oder mit dem ersten Eingangszweig (22) elektrisch leitend zu verbinden.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichenschaltung (108) wenigstens eine erste Schaltereinheit (112), die in einem den ersten sekundären Generatorzweig (107) mit dem ersten primären Generatorzweig (14) verbindenden Weichenpfad (109) angeordnet ist, und eine weitere Schaltereinheit (113) aufweist, die in einem den ersten sekundären Generatorzweig (107) mit dem ersten Eingangszweig (22) verbindenden Weichenpfad (111) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Sensoreinrichtung (41) zur Erfassung von Betriebsparametern, zu denen wenigstens die Generator-, Batterie- und Zwischenkreisspannungen gehören, und eine Steuereinrichtung (42) aufweist, die den Betrieb des Systems in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern steuert, wobei die Steuereinrichtung (42) eine Steuerlogik aufweist, die es ermöglicht, in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern einen der folgenden Betriebmodi auszuführen: Einspeisen von Wechselstromenergie entweder aus wenigstens einem an die Generatorschlüsse (13, 13’; 106, 106’) angeschlossenen Gleichstromgenerator (2; 104) und/oder aus der Batterieeinrichtung (6), Laden der Batterieeinrichtung (6) entweder aus wenigstens einem Gleichstromgenerator (2; 104) und/oder durch Wechselstromentnahme durch den Wechselrichter (11) oder eine Kombination derartiger Einspeise- und Ladevorgänge.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit wenigstens einem Gleichstromgenerator (2), der an den ersten und zweiten Generatoranschluss (14, 14’; 106, 106’) angeschlossen und aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Photovoltaikgenerator, eine vom Windkraftgenerator erzeugte gleichgerichtete Energie, eine Wasserkraft- oder Windturbine mit Gleichrichter, Brennstoffzellen und gleichgerichtete Generatoren auf Basis von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerken, gehören, und mit einer an der Ausgangsseite des Wechselrichters (11) angeschlossen Wechselstrom-Energiequelle (3), die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz, ein Windgenerator, eine Wasserkraft- oder Windturbine, und Wechselstrom-Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerke, gehören.