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Die Erfindung bezieht sich auf eine Umrichteranordnung mit zumindest einem Wechselspannungsanschluss, an dem ein Wechselstrom eingespeist oder entnommen werden kann, und zumindest einem Gleichspannungsanschluss, an dem ein Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden kann.
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Eine derartige Umrichteranordnung ist aus der Druckschrift
"An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.–26. Juni 2003, Bologna, Italien) bekannt. Bei dieser vorbekannten Umrichteranordnung handelt es sich um eine sogenannte Marquardt-Umrichteranordnung, die zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen umfasst, deren äußere Anschlüsse Gleichspannungsanschlüsse der Umrichteranordnung bilden. Jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Teilmodule, die jeweils mindestens zwei Schalter und einen Kondensator umfassen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter lässt sich das Spannungsniveau an den Gleichspannungsanschlüssen einstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umrichteranordnung anzugeben, die besonders universell einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Umrichteranordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit dem Kondensator zumindest eines der Teilmodule ein Energiespeicher in Verbindung steht, wobei elektrisch zwischen den Kondensator und den Energiespeicher ein Filter geschaltet ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung besteht darin, dass diese – im Unterschied zu vorbekannten Umrichteranordnungen – einen oder mehrere zusätzliche Anschlüsse aufweist, an denen Energie gespeichert bzw. zwischengespeichert werden kann. Dies ermöglicht es, die Umrichteranordnung in technischen Anlagen besonders vielseitig einzusetzen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Umrichteranordnung zum Verteilen elektrischer Energie, also als eine Art Energieverteilanlage oder als ein Bestandteil einer komplexen Energieverteilanlage, eingesetzt werden, wobei eine Energiepufferung ermöglicht wird. Die Teilmodule der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung können räumlich verteilt werden, beispielsweise über ein ganzes Stadtgebiet, und lokale Entnahme- und/oder Einspeisestellen der Energieverteilanlage zur Entnahme und/oder zur Einspeisung elektrischer Energie bilden. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Filter zwischen dem Energiespeicher und dem Kondensator (Modulkondensator) lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, dass der Energiespeicher vor Spannungsschwankungen am Kondensator, die durch die am Wechselspannungsanschluss der Umrichteranordnung anliegende Wechselspannung mittelbar oder unmittelbar hervorgerufen werden, effektiv geschützt wird, wodurch sich die Lebensdauer des Energiespeichers erheblich erhöhen lässt.
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Vorzugsweise ist das Filter derart ausgestaltet, dass es zumindest die Grundfrequenz der am Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung dämpft. Alternativ oder zusätzlich kann das Filter zumindest die erste und/oder zweite Oberwelle der am Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung dämpfen.
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Bei dem Filter handelt es sich bevorzugt um ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter, dessen Grenzfrequenz bzw. obere Grenzfrequenz kleiner als die Grundfrequenz der am Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung ist. Bei einer solchen Ausgestaltung wird der Energiespeicher sowohl von der Grundfrequenz und den Oberwellen der der am Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung als auch von der Schaltfrequenz der an den Schaltern des jeweiligen Schaltmoduls anliegenden Steuerspannungen geschützt. Die Schaltfrequenz der an den Schaltern des jeweiligen Schaltmoduls anliegenden Steuerspannungen kann beispielsweise im Kilohertzbereich liegen.
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Mit Blick auf eine effiziente Filterung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters bzw. die obere Grenzfrequenz des Bandpassfilters maximal so groß wie die Hälfte der Grundfrequenz der am Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung ist.
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Das Filter kann ein aktives oder ein passives Filter sein. Ein passives Filter kann beispielsweise eine einfache Drossel oder einen Parallelschwingkreis (Sperrkreis) mit entsprechender Bandbreite umfassen. Ein aktives Filter kann beispielsweise als PFC-Filter (Leistungsfaktorkorrekturfilter) mit aktiven Komponenten ausgeführt werden. Eventuell sind mehrere dieser oder vergleichbarer Filtereinheiten oder eine Kombination verschiedener Filtertopologien vorteilhaft.
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Die Energiespeicherkapazität des Energiespeichers beträgt vorzugsweise mindestens das 100-fache der Energiespeicherkapazität des Kondensators, um eine über die Energiespeicherung des Kondensators deutlich hinausgehende Energiespeicherung zu ermöglichen.
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Bei dem Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere um einen Akkumulator.
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Hinsichtlich der Wechselspannungsanschlüsse der Umrichteranordnung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils einen Zwischenanschluss aufweist, der potentialmäßig zwischen zwei Teilmodulen der jeweiligen Reihenschaltung liegt, und jeder Zwischenanschluss jeweils einen der Wechselspannungsanschlüsse bildet.
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Vorzugsweise arbeitet die Umrichteranordnung mehrphasig, z. B. dreiphasig, und umfasst pro Phase mindestens eine Reihenschaltung mit jeweils mindestens zwei in Reihe geschalteten Teilmodulen.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Energieverteilanlage zur Versorgung eines Versorgungsgebietes mit elektrischer Energie, wobei die Energieverteilanlage zumindest einen Anschluss zum Einspeisen elektrischer Energie und eine Vielzahl an Anschlüssen zur Entnahme der eingespeisten elektrischen Energie aufweist.
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Bezüglich einer solchen Energieverteilanlage wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Energieverteilanlage eine Umrichteranordnung (wie sie oben beschrieben ist) aufweist, wobei der zumindest eine Anschluss der Energieverteilanlage zum Einspeisen der elektrischen Energie durch einen Anschluss der Umrichteranordnung und zumindest eine Teilmenge der Anschlüsse der Energieverteilanlage zur Entnahme der eingespeisten elektrischen Energie durch Anschlüsse der Teilmodule der Umrichteranordnung gebildet wird und wobei zumindest eine Teilmenge der Anschlüsse der Teilmodule der Umrichteranordnung zum Speichern oder Zwischenspeichern von Energie genutzt wird.
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Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Energieverteilanlage sei auf die oben erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung verwiesen, da die Vorteile der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung denen der erfindungsgemäßen Energieverteilanlage im Wesentlichen entsprechen.
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Als vorteilhaft wird es als angesehen, wenn die Teilmodule über das von der Energieverteilanlage mit elektrischer Energie zu versorgende Versorgungsgebiet lokal verteilt sind. Dies ermöglicht es, relativ große Versorgungsgebiete, beispielsweise ganze Stadtgebiete, mit Hilfe der Teilmodule mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Als Erfindung wird auch ein Windpark mit einer Vielzahl an Windgeneratoren und einer Umrichteranordnung – wie sie oben beschrieben ist – angesehen. Die Windgeneratoren sind vorzugsweise jeweils an ein Teilmodul der Umrichteranordnung angeschlossen.
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Als Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer Umrichteranordnung, wie sie oben beschrieben ist, angesehen. Erfindungsgemäß wird an einem Anschluss zumindest eines der Teilmodule elektrische Energie aus dem Teilmodul entnommen und zwischengespeichert oder zwischengespeicherte elektrische Energie in das Teilmodul eingespeist.
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Bei den Energiespeichern handelt es sich vorzugsweise um Li-Ionen-Batterien, Li-Eisenphosphat-Batterien, Li-Polymer-Batterien, Pb-Batterien, NiCd-Batterien, NiMH-Batterien, Hochtemperaturbatterien, NaS-Batterien, ZEBRA-Batterien, Natrium-Luft-Batterien, Speicherkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren und/oder Hybridkondensatoren.
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Die Energiespeicher können Batterien in Form von Batteriepacks enthalten, die jeweils in Reihe oder parallel geschaltete Einzelzellen umfassen. Bei in Reihe geschalteten Zellen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn in den Batteriepacks jeweils ein Batteriemanagement integriert ist, das einen sicheren Betrieb des Batteriepacks in einem vorgegebenen Temperatur- und Spannungsfenster ermöglicht. Werden in einem solchen Fall vorgegebene Abschaltbedingungen erreicht (Energiespeicher voll geladen bzw. entladen, oder maximale bzw. minimale Spannung des Batteriepacks erreicht), so kann ein weiterer Energieaustausch zwischen Energiespeicher und Umrichteranordnung über eine entsprechende Ansteuerung der Schalter der Teilmodule der Umrichteranordnung erreicht werden: Hierzu muss die Umrichteranordnung lediglich als übliches Marquard-Modul betrieben werden.
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Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der oder die Energiespeicher jeweils mit einer Überwachungselektronik ausgerüstet sind, die mit einer übergeordneten Einheit kommunizieren. Die übergeordnete Einheit kann in einem solchen Falle das Laden und/oder Entladen des Energiespeichers je nach der Energiesituation der Umrichteranordnung steuern.
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Vorzugsweise werden die Energiespeicher mit einem individuellen Regelalgorithmus gesteuert, um den Speichervorgang zu optimieren. Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Energiespeicher mit einer vorzugsweise autark arbeitenden Symmetrieschaltung ausgestattet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
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1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung und
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2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Energieverteilanlage, die mit einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ausgestattet ist.
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In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine dreiphasige Umrichteranordnung 10 gezeigt. Diese umfasst Wechselspannungsanschlüsse W10 zum Einspeisen von Wechselstrom. Darüber hinaus ist sie mit einer Gleichspannungsseite G10 ausgestattet, die zwei Gleichspannungsanschlüsse G10a und G10b umfasst.
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Die Umrichteranordnung 10 weist drei parallel geschaltete Reihenschaltungen R1, R2 und R3 auf, deren äußere Anschlüsse R11, R21 und R31 mit dem Gleichspannungsanschluss G10a in Verbindung stehen. Die äußeren Anschlüsse R12, R22 und R32 stehen mit dem Gleichspannungsanschluss G10b der Gleichspannungsseite G10 in Verbindung. Mit anderen Worten bilden also die äußeren Anschlüsse der drei Reihenschaltungen R1, R2 und R3 die Gleichspannungsseite G10 der Umrichteranordnung 10.
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Jede der drei Reihenschaltungen R1, R2 und R3 ist jeweils mit sechs in Reihe geschalteten Teilmodulen T sowie zwei Induktivitäten D ausgestattet. Jeweils zwischen den zwei Induktivitäten D befindet sich ein Zwischenanschluss Z, der potentialmäßig zwischen den in der 1 oberen drei Teilmodulen und den in 1 unteren drei Teilmodulen liegt und einen der drei Wechselspannungsanschlüsse W10 der Umrichteranordnung 10 bildet.
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In der 1 lässt sich darüber hinaus beispielhaft der Aufbau der Teilmodule T erkennen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist jedes der Teilmodule T jeweils zwei Schalter S1 und S2 und einen Kondensator C auf. Die Anschlusskontakte des Kondensators C des Teilmoduls T bilden einen Anschluss A1 des Teilmoduls, an dem elektrische Energie aus dem Teilmodul T entnommen oder in das Teilmodul T eingespeist werden kann. An dem Anschluss A1 kann Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden.
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An den Kondensator C bzw. an den Anschluss A1 eines oder mehrerer der Teilmodule T können ein Filter FI und ein Energiespeicher ES angeschlossen werden, wie in dem gestrichelten Kreis in der 1 angedeutet ist. Der Energiespeicher ES dient zum Speichern und/oder Zwischenspeichern von Energie, die – bei entsprechender Ansteuerung der Schalter S1 und S2 – über das jeweilige Teilmodul T aus der Umrichteranordnung 10 entnommen wird. Die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie kann über das jeweilige Teilmodul T jederzeit auch wieder in die Umrichteranordnung 10 zurückgespeist werden, indem die Schalter S1 und S2 entsprechend angesteuert werden.
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Zur Ansteuerung der Schalter S1 und S2 ist vorzugsweise eine modulindividuelle oder eine zentrale Steuereinrichtung vorgesehen, die aus Gründen der Übersicht in der 1 nicht gezeigt ist. Soll in dem Energiespeicher ES elektrische Energie gespeichert werden, so werden die Schalter S1 und S2 entsprechend derart angesteuert, dass ein Energiefluss in Richtung der Schalter S1 und S2 erfolgt; soll aus dem Energiespeicher ES elektrische Energie entnommen werden, so werden die Schalter S1 und S2 entsprechend derart angesteuert, dass ein Energiefluss in Richtung Energiespeicher ES erfolgt.
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Das Filter FI ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es zumindest die Grundfrequenz der am Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung sowie deren erste und zweite Oberwellen dämpft. Das Filter FI schützt somit den zugeordneten Energiespeicher vor einer periodischen Auf- und Entladung mit der Frequenz (oder einem Vielfachen davon) der am Wechselspannungsanschluss W10 anliegenden Wechselspannung.
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Zusammengefasst ermöglicht es die Umrichteranordnung 10 aufgrund der Ausgestaltung der Teilmodule T, an dem Anschluss A1 eines jeden Teilmoduls T elektrische Energie zu entnehmen oder elektrische Energie einzuspeisen. Die Umrichteranordnung 10 kann somit als Energieverteilanlage eingesetzt werden. Wenn an dem Anschluss A1 ein Filter FI und ein Energiespeicher ES angeschlossen sind, kann darüber hinaus eine Energiespeicherung, insbesondere eine Energiezwischenspeicherung, erfolgen.
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In der 2 ist beispielhaft ein Ausführungsbeispiel für eine Energieverteilanlage 100 dargestellt, die durch eine Umrichteranordnung 10, wie sie im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde, gebildet ist.
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Die Energieverteilanlage 100 weist einen Anschluss E100 zum Einspeisen elektrischer Energie auf. Dieser Anschluss E100 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 durch die drei Wechselspannungsanschlüsse W10 der Umrichteranordnung 10 gebildet.
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Die Energieverteilanlage 100 weist darüber hinaus eine Vielzahl von Anschlüssen A101 bis A118 auf, die zur Entnahme und/oder zum Einspeisen und/oder zum Speichern/Zwischenspeichern elektrischer Energie geeignet sind. Diese Anschlüsse A101 bis A118 sind räumlich über ein großes lokales Versorgungsgebiet VG, wie beispielsweise einem Stadtgebiet, verteilt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 gehört der Anschluss A101 zu einem Haus 200, das in dem Versorgungsgebiet VG befindlich ist. Die Anschlüsse A107, A108 und A109 sind in einem kleinen Gebäudekomplex 210 innerhalb des Versorgungsgebiets VG angeordnet. Die Anschlüsse A110, A111 und A112 gehören zu einem Kraftwerk 220, das das lokale Versorgungsgebiet VG mit elektrischer Energie versorgt. Die Anschlüsse A113 bis A118 sind einem großen Gebäudekomplex 230 zugewiesen, der sich ebenfalls innerhalb des Versorgungsgebiets VG befindet.
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Jeder der genannten Anschlüsse A101 bis A118 der Energieverteilanlage 100 wird durch den Anschluss A1 eines der Teilmodule T (vgl. 1) gebildet, wie dies im Zusammenhang mit der 1 im Detail erläutert worden ist. Mit anderen Worten ist es also möglich, an jedem der Anschlüsse A101 bis A118 elektrische Energie zu entnehmen oder elektrische Energie einzuspeisen oder elektrische Energie zwischenzuspeichern, indem an einem oder mehreren der Anschlüsse A1 eines jeden Teilmoduls T Energie entnommen, eingespeist oder gespeichert wird.
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Zur Energiespeicherung oder Energiezwischenspeicherung können an einem oder an mehreren Anschlüssen A101 bis A118 Energiespeicher ES mit individuellen Filtern FI angeschlossen werden, wie im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde. Aus Gründen der Übersicht sind Energiespeicher mit individuellen Filtern in der 2 nicht gezeigt.
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Die Ansteuerung der Schalter S1 und S2 der Teilmodule T erfolgt vorzugsweise durch eine zentrale Leitstelle, die der Übersicht halber in den 1 und 2 nicht gezeigt ist.
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Zusammengefasst ermöglichen die Umrichteranordnung 10 gemäß 1 sowie die Energieverteilanlage 100 gemäß 2 beispielsweise:
- – eine Anbindung von dezentralen Einspeiseeinheiten und Kleinstnetzen,
- – eine Bildung einer leistungsstarken Mittel- oder Hochspannungsankopplung (Gleichspannung und Wechselspannung sind möglich),
- – eine übergeordnete Regelung, wodurch ein hochdynamisches Verhalten des Gesamtsystems ermöglicht wird, und
- – erweiterte Redundanzfähigkeiten.
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Beispielsweise ist es mit der Umrichteranordnung 10 gemäß 1 sowie der Energieverteilanlage 100 möglich, viele dezentrale kleine Einheiten zu versorgen, die sich über eine große Fläche verteilen. So können beispielsweise einzelne Häuser in einem engeren oder weiteren Stadtbereich über die Teilmodule an die Mittel- oder Hochspannung angekoppelt und mit Niederspannung versorgt werden.
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Darüber hinaus ist auch eine Verkopplung mehrerer Umrichteranordnungen bzw. mehrerer Energieverteilanlagen möglich. So können beispielsweise verschiedene Energieverteilanlagen 100, wie sie in der 2 gezeigt sind, über ihre Wechselspannungsanschlüsse W10 miteinander verbunden werden. Der Vorteil dabei ist, dass es nicht zu einer nennenswerten Erhöhung der Kurzschlussleistung kommt. Alternativ können die Umrichteranordnungen bzw. die dadurch gebildeten Energieverteilanlagen auch über die Gleichspannungsanschlüsse miteinander verkoppelt werden.
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Im Falle einer Verkopplung mehrerer Umrichteranordnungen bzw. mehrerer Energieverteilanlagen wird vorzugsweise im Netz eine zentrale Schaltanlage installiert, die die Gesamtanordnung steuern kann.
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Die im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebene Umrichteranordnung kann außerdem als Einspeisewechselrichter in Nieder-, Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsnetzen mit integrierten Energiespeichern eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Umrichteranordnung bei Netz(-kurz)Kupplungen mit integriertem Energiespeicher zu verwenden. Auch kann die Umrichteranordnung als Puffer für sensible Netze und/oder Prozesse eingesetzt werden, beispielsweise um eine Versorgung eines Teilnetzes zu gewährleisten, dessen primäre Einspeisung ausgefallen ist; so können mit der beschriebenen Umrichteranordnung z. B. kritische Vorgänge oder Prozesse sicher in einen definierten Zustand überführt werden.
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Die Umrichteranordnung kann darüber hinaus auch für Landanschlüsse mit optionaler Pufferung und bei Solarwechselrichtern mit integriertem Energiespeicher verwendet werden.
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Darüber hinaus lässt sich die Umrichteranordnung als Energiespeicher/-kupplung in einem Elektro- oder Hybridverkehrsmittel einsetzen: In diesem Fall kann ein Laden erfolgen, indem der Wechselspannungsanschluss der Umrichteranordnung an ein Wechselspannungsnetz geschaltet wird; eine Fortbewegung des Verkehrsmittels kann gewährleistet werden, indem der Wechselspannungsanschluss mit einem Antriebsmotor verbunden wird; und eine Nutzpufferung kann erfolgen, indem Energie in das Wechselspannungsnetz vom Energiespeicher zurückgespeist wird.
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Auch lässt sich die Umrichteranordnung als eine zentrale Ladestation für Energiespeicher, beispielsweise Akkumulatoren, einsetzen. Vorzugsweise ist eine schaltbare galvanische Trennung bei der Ladestation vorhanden, um einen Austausch einzelner Batteriepacks des oder der Energiespeicher zu ermöglichen.
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Die Umrichteranordnung 10 gemäß 1 sowie die Energieverteilanlage 100 gemäß 2 können auch dazu eingesetzt werden, Windkraftturbinen von Windparks miteinander zu koppeln. Beispielsweise kann an einige Teilmodule der Umrichteranordnung 10 bzw. der Energieverteilanlage 100 gemäß den 1 und 2 jeweils eine Windkraftturbine angeschlossen werden. Ein solcher Anschluss kann über den turbineneigenen AC/DC-Umrichter erfolgen, der an den Kondensator C des jeweiligen Teilmoduls T angeschlossen wird. Der Filteraufwand bei der Einspeisung der von den Windkraftturbinen erzeugten elektrischen Energie kann dabei sehr klein gehalten werden, so dass als turbineneigene AC/DC-Umrichter Umrichter mit sehr einfacher Topologie und sehr einfachen Ventilen (z. B. in Form von Thyristorumrichtern) einsetzbar sind. Im einfachsten Fall kann beispielsweise ein Diodengleichrichter verwendet werden. Auch ist es denkbar, auf einen Transformator zwischen dem turbineneigenen AC/DC-Umrichter und dem jeweiligen Windkraftgenerator zu verzichten. Auch muss beim Einspeisen in das Teilmodul T keine feste Einspeisefrequenz vorgegeben oder eingehalten werden, denn jede Windkraftturbine kann mit ihrer eigenen Frequenz betrieben werden. Auch ist es in sehr einfacher Weise möglich, einzelne Windkraftturbinen im Fehlerfall abzuwerfen, da die Teilmodule unabhängig von den Betriebspunkten der einzelnen Generatoren arbeiten können.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.–26. Juni 2003, Bologna, Italien) [0002]
