DE102011085676A1

DE102011085676A1 - Einspeiseeinheit und Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung

Info

Publication number: DE102011085676A1
Application number: DE102011085676A
Authority: DE
Inventors: Lothar Schindele; Wolfgang Bronner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Also published as: WO2013064377A3; WO2013064377A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspeiseeinheit eines über einen Haus-Einspeisepunkt an ein Zwei- oder Drei-Phasen-Wechselstromnetz (25; 35; 55) angeschlossenen Gleichstromerzeugers (21; 31; 51). Sie betrifft des Weiteren eine Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung, mit einer Bedienerschnittstelle (59) zur manuellen Beeinflussung, insbesondere zur zeitlichen Programmierung, von Parametern der Netzeinspeisung und/oder des Eigenverbrauchs und/oder einer Energiezuführung in den Energiespeicher (56) oder einer Entnahme von Energie aus diesem.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspeiseeinheit eines über einen Haus-Einspeisepunkt an ein Drei-Phasen-Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichstromerzeugers, insbesondere einer Photovoltaikanlage, an dessen Haus-Einspeisepunkt mindestens zeitweise zumindest ein Teil der erzeugten Energie direkt abgenommen wird. Des Weiteren betrifft sie eine Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung mit einer solchen Einspeiseeinheit.
Stand der Technik
Im Zuge der erheblich verstärkten Nutzung alternativer Energiequellen, wie der Sonnenenergie erlangen dezentrale, im Hinblick auf die erzeugte Leistung als „klein“ zu kennzeichnende Stromerzeuger gegenüber Großkraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen oder Kernbrennstoffen arbeiten, zunehmende Bedeutung und massenhafte Verbreitung. Die Anbindung solcher Stromerzeuger an das öffentliche Stromnetz und die Verteilung der von Ihnen erzeugten Energie wirft wirtschaftliche und technische Probleme auf.
Abhängig von der Applikation können Einspeiseeinheiten ein-, zwei-, oder dreiphasig Wechselspannung erzeugen bzw. wandeln und in Stromnetze transferieren. Zwei- und dreiphasige Einspeiseeinheiten sind heute in der Art und Weise konzipiert, dass Sie die gewandelte Leistung symmetrisch als Wechselstrom/-spannung einspeisen. Typischerweise haben Gebäude ein dreiphasiges Stromnetz bestehend aus den Phasen L1, L2, L3. Einspeiseeinheiten wie Wechselrichter im oder am Gebäude (z. B. Photovoltaik-Wechselrichter) speisen die erzeugte Energie auf ein, zwei oder drei dieser Phasen ein. Die Einspeisung erfolgt auf alle Stromphasen im Stromnetz gleichmäßig „verteilt“, Verbraucher beziehen ihren Betriebsstrom jedoch in der Regel über eine Phase (z. B. Kühlschrank), nur bei höherer Leistungsaufnahme über drei Phasen (z. B. Herd).
Eine solche Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung 10 ist in 1 skizzenartig dargestellt. Die Anordnung umfasst eine Photovoltaikanlage 11 als Gleichstromerzeuger sowie einen Wechselrichter 13 als einfache Einspeiseeinheit, welche die beispielhafte DC-Ausgangsleistung von 6 kW des Gleichstromerzeugers 11 in AC-Ausgangsleistung wandelt und gleichmäßig, also mit Anteilen je 2 kW, in die drei Phasen eines öffentlichen Drehstromnetzes 15 einspeist.
Bei den beschriebenen Anschlussbedingungen im Gebäude gibt es keine Gewähr dafür, dass Verbraucher an exakt den Phasen angeschlossen sind, in die auch Energie durch die Einspeiseeinheit eingespeist wird. Auf Grund der festen Aufteilung von Einspeisung und Verbrauchern kann die im Gebäude erzeugte Energie trotz entsprechenden Bedarfs nicht im Gebäude verbraucht werden, sondern wird in das öffentliche Stromnetz transferiert. Gleichzeitig wird Energie für die Verbraucher aus dem Stromnetz bezogen. Dies führt zu einer zusätzlichen Belastung und zu Leitungsverlusten im Energieversorgungsnetz.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird eine Einspeiseeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird eine Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden und in den Ansprüchen ist der Begriff „Haus-Einspeisepunkt“ ausdrücklich nicht lediglich als Einspeisepunkt eines Wohngebäudes zu verstehen, sondern in einem breiteren Sinne auch als Einspeisepunkt jeder dezentralen, kleineren Anlage zur Energieerzeugung, welche durchaus auf mehrere Gebäude verteilt sein und/oder Freiflächen-Komponenten einschließen kann.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, eine „intelligente“ Einspeiseeinheit zu schaffen, die unter Berücksichtigung der im Einspeisepunkt anfallenden Wirk- und Blindleistungen und der phasenselektiven Erfassung von Eigenbedarf oder einer zulässigen Einspeiseleistung die Netzeinspeisung dynamisch phasenselektiv steuert. Hierzu sind Leistungsstatus-Erfassungsmittel zur phasenselektiven Erfassung der im Einspeisepunkt anfallenden Wirk- und Blindleistungen, Eigenbedarf-Erfassungsmittel zur phasenselektiven Erfassung von bestehendem phasenselektiven Eigenbedarf und/oder Netzeinspeisungs-Vorgabemittel zur phasenselektiven Vorgabe einer zulässigen Netzeinspeiseleistung vorgesehen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Einspeiseeinheit eine eingangsseitig mit den Leistungsstatus-Erfassungsmitteln und Eigenbedarf-Erfassungsmitteln und/oder Netzeinspeisungs-Vorgabemitteln verbundene Phaseneinspeise-Steuereinheit und einen über die Phaseneinspeise-Steuereinheit jeweils mindestens einer Phase des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes mit vorbestimmter Leistungseinspeisung zuschaltbaren Wechselrichter aufweist.
Die phasenselektive Steuerung der Einspeisung ermöglicht die maximale Eigennutzung der erzeugten Energie bei dezentralen Erzeugern (z. B. in der Photovoltaik), bei gleichzeitiger Vermeidung von Schieflasten am Anschlusspunkt des Gebäudes, und trägt damit zur Minimierung der Schieflasten im Netz bei. Bei der Steuerung von einer übergeordneten Leitstelle des Netzbetreibers können auch generelle Schieflasten im Netz verringert bzw. kompensiert werden. Dies ist dem Begriff Netzmanagementfunktion zuzuordnen.
Die Steuerung der auf die jeweiligen Phasen verteilten Einspeisung kann zusätzlich durch Voreinstellung im Gerät, manuell durch eine Bedienschnittstelle oder über eine Kommunikationsschnittstelle durch eine übergeordnete Schaltstelle (z. B. des intelligenten Gebäudestromzählers oder dem Netzbetreibers) erfolgen. Durch derartige Maßnahmen können übergeordnete Übertragungsverluste im elektrischen Versorgungsnetz minimiert werden. Durch die intelligente Steuerung werden die Stromnetze entlastet und damit die Kapazität der vorhandenen Netzinfrastruktur optimal genutzt.
In einer Ausführungsform im Sinne dieser Ergänzung umfasst die Einspeiseeinheit eine erste Kommunikationsschnittstelle zum Empfang extern bereitgestellter Daten zur zulässigen Netzeinspeisung oder von Ausgangsdaten zu deren Ermittlung und/oder zu den am Einspeisepunkt auftretenden Wirk- und Blindleistungen. Hierdurch wird sichergestellt, dass für die Einspeiseeinheit funktionswesentliche Betriebsparameter des Netzes bzw. des speziellen Einspeisepunktes verfügbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Phaseneinspeise-Steuereinheit oder der Wechselrichter Leistungsbegrenzermittel zur Festlegung eines Maximalbetrages der phasenselektiven Leistungseinspeisung auf. Diese Ausführung sichert, auch ohne spezielle Kommunikationstechnik, einen Überlastungsschutz für die einzelnen Phasen des Netzes.
In einer schaltungstechnischen Ausführung ist vorgesehen, dass der Wechselrichter drei einzeln stufenweise oder analog steuerbare Ausgänge zur Verbindung mit je einer Phase des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes aufweist.
In einer weiteren Ausführung weist der Wechselrichter eine über einen Steuereingang steuerbare B6-Brückenschaltung auf.
Eine weitere Ausführung der Einspeiseeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der Wechselrichter Mittel zur Potentialtrennung aufweist.
Die vorgeschlagene Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung mit einem am Drei-Phasen-Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichstromerzeuger umfasst mindestens einen an dem Einspeisepunkt an mindestens einer Phase des Netzes angeschlossenen Stromverbraucher und/oder Energiespeicher und eine Einspeiseeinheit der oben erläuterten Art, die zusammen ein Sub-Netz des (öffentlichen) Netzes mit autarker Einspeiseund Verbrauchssteuerung bilden.
In einer Ausführung hat die Anordnung eine Einspeise- und Verbrauchszählereinrichtung zur Erfassung und, insbesondere zeitabhängigen, Registrierung der am Einspeisepunkt eingespeisten und verbrauchten Leistung für die einzelnen Phasen des Netzes.
In einer weiteren Ausführung hat die Anordnung eine (zweite) Kommunikationsschnittstelle zur Übertragung von Zählerdaten von der Einspeiseund Verbrauchszählereinrichtung zu einer Netzsteuerzentrale.
Eine noch weitere Ausführung schließlich umfasst eine Bedienerschnittstelle zur manuellen Beeinflussung, insbesondere zur zeitlichen Programmierung, von Parametern der Netzeinspeisung und/oder des Eigenverbrauchs und/oder einer Energiezuführung in den Energiespeicher oder einer Entnahme von Energie aus diesem.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 eine skizzenartige Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer herkömmlichen Einspeiseeinheit,
2 eine skizzenartige Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Einspeiseeinheit,
3 eine skizzenartige Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer weiteren erfindungsgemäßen Einspeiseeinheit,
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspeiseeinheit in Art eines Funktions-Blockschaltbildes und
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung in Art eines Funktions-Blockschaltbildes.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt in einer an 1 angelehnten Darstellung, wie in einer erfindungsgemäßen Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung 20 die von einem Gleichstromerzeuger 21 gelieferte Leistung in einer phasenselektiv steuerbaren Einspeiseeinheit 22, die einen Wechselrichter 23 mit einem Steuereingang 23a umfasst, nach DC/AC-Wandlung selektiv auf die drei Phasen eines Netzes 25 verteilt wird. Im Beispiel wird von 6 kW Gesamtleistung ein Anteil von 1 kW in eine erste Phase 25a, ein Anteil von 2 kW in eine zweite Phase 25b und ein Anteil von 3 kW in eine dritte Phase 25c eingespeist.
3 zeigt, wiederum in einer ähnlichen Darstellung, eine Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung 30, die neben einem Stromerzeuger 31 auch einen lokalen Stromverbraucher 37 umfasst. Hier wird die Einspeiseeinheit 32, die wiederum einen steuerbaren Wechselrichter 33 mit Steuereingang 33a umfasst, derart betrieben, dass in die erste Phase 35a des (öffentlichen) Netzes 35, an die der lokale Verbraucher 37 angeschlossen ist, eine Leistung von 4 kW eingespeist wird, während in die beiden verbleibenden Phasen 35b und 35c jeweils nur eine Leistung von 1 kW eingespeist wird. Dieser Steuermodus wird im Hinblick auf den Leistungsverbrauch des lokalen Verbrauchers in Höhe der in die entsprechende Phase eingespeisten 4 kW eingestellt und vermeidet, wie oben erläutert, wesentliche Verluste und Schieflasten. Bei herkömmlicher „symmetrische“ Einspeisung in die drei Phasen müsste der lokale Verbraucher 37 zusätzlich Leistung aus dem öffentlichen Netz beziehen.
4 zeigt beispielhaft den Aufbau einer Ausführung der Einspeiseeinheit 32 aus 3 mit dem Wechselrichter 33. Die Einspeiseeinheit umfasst Leistungsstatus-Erfassungsmittel 32a zur phasenselektiven Erfassung der im Einspeisepunkt anfallenden Wirk- und Blindleistungen P, Q, Eigenbedarf-Erfassungsmittel 32b zur phasenselektiven Erfassung von bestehendem (phasenselektivem) Eigenbedarf P_l am Haus-Einspeisepunkt und Netzeinspeisungs-Vorgabemittel 32c zur phasenselektiven Vorgabe einer zulässigen Netzeinspeiseleistung P_maxN. Diese Komponenten zur Erfassung wichtiger Betriebsparameter der Anordnung sind ausgangsseitig mit Eingängen einer Phaseeinspeise-Steuereinheit 32d verbunden, die hard- und softwaremäßig zur Verarbeitung der bereitgestellten Parameter und zur Bereitstellung eines Steuerdatensatzes C am Steuereingang 33a des Wechselrichters 33 ausgestattet ist.
Der Wechselrichter selbst umfasst Mittel zur Potentialtrennung 33b und hat drei einzeln analog steuerbare Ausgänge 34a, 34b und 34c zur Verbindung mit je einer Phase des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes 35 (3). Im Übrigen sind dem Wechselrichter Leistungsbegrenzermittel 32e zur Festlegung eines Maximalbetrages der phasenselektiven Leistungseinspeisung (unabhängig vom Steuersignal C, welches ggfs. unter Berücksichtigung eines aktuellen Netzeinspeisungs-Maximalwertes berechnet wurde) zugeordnet. Der Wechselrichter kann drei separat eingehäuste Komponenten für je eine Netz-Phase umfassen, die über Kommunikationsleistungen verknüpft sind. Die der Überwachung von Netzparametern dienenden Komponenten 32a, 32b und 32c können in einer Leitwarte des öffentlichen Netzes implementiert oder im Bereich des Netzeinspeisepunktes angeordnet sein, wobei im ersten Falle Mittel zur Datenübertragung von der Netzleitwarte zur Einspeiseeinheit vorgesehen sind.
5 zeigt beispielhaft eine Netz-Umgebung einer erfindungsgemäßen Einspeiseeinheit 52 eines Gleichstromerzeuges 51 zum Anschluss an ein öffentliches Netz 55 etwas genauer und in einer bereits weiter oben erläuterte Aspekte synoptisch zusammenfassenden Weise. In den übrigen Figuren gezeigte und weiter oben erläuterte Komponenten sind mit an die dortige Darstellung angelehnten Bezugsziffern bezeichnet. Die Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung 50 umfasst neben bereits erwähnten Komponenten einen Energiespeicher 56, der – ähnlich wie ein lokaler Verbraucher 57 – an eine Phase des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes 55 angeschlossen ist. Außerdem umfasst die Anordnung eine Einspeise- und Verbrauchszählereinrichtung 58 zur Erfassung und zeitabhängigen Registrierung der am Einspeisepunkt eingespeisten und verbrauchten Leistung für die einzelnen Phasen des Netzes, eine zugeordnete Kommunikationsschnittstelle 58a zur Übertragung von Zählerdaten zur Netzsteuerzentrale und eine Bedienerschnittstelle 59 zur manuellen Beeinflussung, insbesondere zeitlichen Programmierung, von Parametern der Netzeinspeisung bzw. eines Eigenverbrauchs oder der Energiezuführung in den Energiespeicher 56 oder einer Entnahme von Energie aus diesem. Die erwähnten Komponenten bilden am Einspeisepunkt ein hinsichtlich der Einspeisung und des Verbrauchs autark steuerbares Sub-Netz.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens.

Claims

Einspeiseeinheit eines über einen Haus-Einspeisepunkt an ein Zwei- oder Drei-Phasen-Wechselstromnetz (25; 35; 55) angeschlossenen Gleichstromerzeugers (21; 31; 51), insbesondere einer Photovoltaikanlage, an dessen Haus-Einspeisepunkt mindestens zeitweise zumindest ein Teil der erzeugten Energie direkt abgenommen wird, wobei die Einspeiseeinheit – Leistungsstatus-Erfassungsmittel (32a) zur phasenselektiven Erfassung der im Einspeisepunkt anfallenden Wirk- und Blindleistungen, – Eigenbedarf-Erfassungsmittel (32b) zur phasenselektiven Erfassung von bestehendem phasenselektiven Eigenbedarf und/oder – Netzeinspeisungs-Vorgabemittel (32c) zur phasenselektiven Vorgabe einer zulässigen Netzeinspeiseleistung, – eine eingangsseitig mit den Leistungsstatus-Erfassungsmitteln und Eigenbedarf-Erfassungsmitteln und/oder Netzeinspeisungs-Vorgabemitteln verbundene Phaseneinspeise-Steuereinheit (32d) und – einen über die Phaseneinspeise-Steuereinheit jeweils mindestens einer Phase (25a; 25b; 25c; 35a; 35b; 35c) des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes mit vorbestimmter Leistungseinspeisung zuschaltbaren Wechselrichter (23; 33) aufweist.
Einspeiseeinheit nach Anspruch 1, mit einer ersten Kommunikationsschnittstelle zum Empfang extern bereitgestellter Daten zur zulässigen Netzeinspeisung oder von Ausgangsdaten zu deren Ermittlung und/oder zu den am Einspeisepunkt auftretenden Wirk- und Blindleistungen.
Einspeiseeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phaseneinspeise-Steuereinheit (32) oder der Wechselrichter (33) Leistungsbegrenzermittel (32e) zur Festlegung eines Maximalbetrages der phasenselektiven Leistungseinspeisung aufweist.
Einspeiseeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (33) drei einzeln stufenweise oder analog steuerbare Ausgänge (34a; 34b; 34c) zur Verbindung mit je einer Phase (35a; 35b; 35c) des Wechselstromnetzes (35) aufweist.
Einspeiseeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (23; 33) eine über einen Steuereingang (23a; 33a) steuerbare B6-Brückenschaltung aufweist.
Einspeiseeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wechselrichter (33) Mittel (33b) zur Potentialtrennung aufweist.
Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung (20; 30; 50) mit mindestens einem über einen Haus-Einspeisepunkt an ein Zwei- oder Drei-Phasen-Wechselstromnetz (25; 35; 55) angeschlossenen Gleichstromerzeuger (21; 31; 51), insbesondere einer Photovoltaikanlage, mindestens einem an dem Einspeisepunkt an mindestens eine Phase (25a; 25b; 25c; 35a; 35b; 35c) des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes angeschlossenen Stromverbraucher (37; 57) und/oder Energiespeicher (56) und einer Einspeiseeinheit (22; 32; 52) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ein Sub-Netz des Drei-Phasen-Wechselstromnetzes mit autarker Einspeise- und Verbrauchssteuerung bilden.
Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung nach Anspruch 7, mit einer Einspeise- und Verbrauchszählereinrichtung (58) zur Erfassung und, insbesondere zeitabhängigen, Registrierung der am Einspeisepunkt eingespeisten und verbrauchten Leistung für die einzelnen Phasen des Wechselstromnetzes.
Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, mit einer zweiten Kommunikationsschnittstelle (58a) zur Übertragung von Zählerdaten von der Einspeise- und Verbrauchszählereinrichtung (58) zu einer Netzsteuerzentrale.
Stromerzeugungs- und Verbrauchsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, mit einer Bedienerschnittstelle (59) zur manuellen Beeinflussung, insbesondere zur zeitlichen Programmierung, von Parametern der Netzeinspeisung und/oder des Eigenverbrauchs und/oder einer Energiezuführung in den Energiespeicher (56) oder einer Entnahme von Energie aus diesem.