DE102012022729A1

DE102012022729A1 - Batteriewechselrichter und Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102012022729A1
Application number: DE102012022729A
Authority: DE
Inventors: Andreas Piepenbrink
Original assignee: E3 DC GmbH
Current assignee: E3 DC GmbH
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-05-23
Also published as: DE202012013242U1

Abstract

Es wird ein Batteriewechselrichter mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (4) vorgeschlagen, welcher über einen ersten DC-Anschluss (25) an eine Batterie (3) zum Entladen der Batterie (3) in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie (3) in einem Ladebetrieb anschließbar ist, und welcher über einen zweiten DC-Anschluss (26) mit einem netzgekoppelten Wechselrichter (2) einer Energieerzeugungseinrichtung (1) zum Erzeugen von Energie aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere eine Photovoltaikanlage, verbindbar ist. Dabei weist der Batteriewechselrichter (10) einen dritten DC-Anschluss (27) auf, mit dem dieser direkt mit der Energieerzeugungsanlage (1) verbindbar ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Batteriewechselrichter nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie nach der im Oberbegriff von Patentanspruch 6 näher definierten Art.
STAND DER TECHNIK
Aus der Praxis sind unterschiedlichste Vorrichtungen zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie aus einer Wechselspannungsquelle und/oder einer Gleichspannungsquelle bekannt. In der Regel erfolgt die Versorgung eines dreiphasigen Hausnetzes mit elektrischer Leistung aus einem öffentlichen Versorgungsnetz über einen Hausanschluss. Andere externe Energienetze im vorliegenden Sinn können aber auch insuläre Netze darstellen, welche z. B. durch dezentrale Windenergieanlagen und/oder Blockheizkraftwerke gebildet werden.
Ergänzt wird die Versorgung häufig durch Energie aus einer Gleichspannungsquelle, wobei meist regenerative Energie, welche durch eine lokale Energieerzeugungseinrichtung wie eine Photovoltaikanlage gewonnen wird, in das Netz eingespeist werden kann und/oder in einem Energiespeicher, üblicherweise einem Akkumulator, gespeichert und zum Ausgleich von Erzeugungs- und Verbrauchsschwankungen wie auch zur Notstromversorgung bereit gestellt werden kann.
In der Gebäudetechnik eingesetzte Photovoltaikanlage sind typischerweise mit einem Solarwechselrichter verbunden, welcher eine oder mehreren DC/DC-Steller aufweist die über einen Zwischenkreis und eine DC/AC-Wechselrichtereinheit an das öffentliche Netz gekoppelt sind.
Die 1 zeigt eine solche aus der Praxis bekannte Anlage mit einer Photovoltaikanlage 1 und einem Solarwechselrichter 2, welcher über zwei DC/DC-Wechselrichtereinheiten 5, 6 jeweils mit einem String der Photovoltaikanlage 1 und über eine DC/AC-Wechselrichtereinheit 7 mit dem öffentlichen Netz 12 verbunden ist. Ein Produktionszähler 8 und z. B. ein Zweirichtungszähler 9 messen einen Eigenverbrauch, den ein Hausnetz 14 erzeugt. Durch einen Anschluss eines mit einer Batterie 3 verbundenen Batteriewechselrichter 10, welcher einen DC-Steller 4 und einen AC-Teil 15 aufweist, an das Hausnetz 14 kann z. B. tagsüber Strom in die Batterie 3 eingespeist und nachts Strom ausgespeist werden. Ein solcher Anschluss erfolgt meist nur auf einer Phase des Hausnetzes 14 und meist nur über Schalter. Die Nachteile des Systems sind ein hoher Preis, ein schlechter Wirkungsgrad, wesentlich bestimmt durch die AC-Wandlung zum Laden und Entladen der Batterie, und eine einphasige Speicherung des Stroms.
Alternativ ist es bekannt, sogenannte Hybridwechselrichter zu verwenden, welche kombinierte Solar- und Batteriewechselrichter darstellen. Hierbei wird ein Solarwechselrichter intern im Gerät dadurch erweitert, dass ein mit einer Batterie verbundener DC/DC-Wandler direkt parallel mit solaren DC-Strings einer Photovoltaikanlage in einen Zwischenkreis verschaltet ist. Dieser mit der Batterie verbundene DC/DC-Wandler arbeitet bidirektional, damit die Batterie aus dem Zwischenkreis geladen und in den Zwischenkreis entladen werden kann. Die Netzausspeisung kann einphasig bis dreiphasig mit maximalem Eigenstrom erfolgen.
Nachteilig ist dabei jedoch eine schlechte Nachrüstbarkeit bei einem vorhandenen Solarwechselrichter, da ein Austausch des Solarwechselrichters gegen den Hybridwechselrichter, eine komplette Änderung der Installation und eine Neuzulassung des Zähler sowie des Wechselrichters bedingt. Da ein dreiphasiger Wechselrichter einen Zwischenkreis mit mindestens 630 V besitzt, ist zudem der Anschluss von Niedervoltbatterien sehr schwierig.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Batteriewechselrichter und eine Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie zu schaffen, die eine einfache und kostengünstige Nachrüstbarkeit, eine höhere Eigenstromquote und eine flexible Verwendung von Hoch- und Niedervoltbatterien ermöglichen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem bidirektionalen Batteriewechselrichter gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Mithin ist ein Batteriewechselrichter vorgesehen mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil, welcher über einen ersten DC-Anschluss an eine Batterie zum Entladen der Batterie in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie in einem Ladebetrieb anschließbar ist, und welcher über einen zweiten DC-Anschluss mit einem netzgekoppelten Wechselrichter einer Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Energie aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere eine Photovoltaikanlage, verbindbar ist, wobei der Batteriewechselrichter erfindungsgemäß einen dritten DC-Anschluss aufweist, mit dem dieser direkt mit der Energieerzeugungsanlage verbindbar ist.
Des Weiteren ist eine Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie vorgesehen, umfassend einen Anschluss an eine Energieerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Photovoltaikanlage, zum Erzeugen von Energie aus einer regenerativen Energiequelle mit einem zugeordneten Wechselrichter; eine Netzanschlusseinheit zur Energieflussverbindung mit einem externen Energienetz; eine Lastanschlusseinheit für ein dreiphasiges Hausnetz; und eine Energiespeichereinheit mit wenigstens einer Batterie zum Speichern von Energie mit einem zugeordneten Batteriewechselrichter der vorstehend genannten Art, wobei erfindungsgemäß der Batteriewechselrichter über einen ersten DC-Anschluss mit der wenigstens einen Batterie, über einen zweiten DC-Anschluss mit dem netzgekoppelten Wechselrichter der Energieerzeugungseinrichtung und über einen dritten DC-Anschluss direkt mit der Energieerzeugungsanlage verbunden ist.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN UND WEITERBILDUNGEN
Ein Batteriewechselrichter und eine Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie gemäß der Erfindung haben den Vorteil, dass der DC/DC-Batteriewechselrichter mit der wenigstens eine Batterie umfassenden Energiespeichereinheit in eine Leitung bzw. einen String zwischen der Energieerzeugungsanlage und deren Wechselrichter zwischengeschaltet werden kann, wobei der Eingang des DC/AC-Wechselrichters der Energieerzeugungseinrichtung und der DC/AC-Wechselrichter selbst nicht modifiziert werden müssen.
Somit kann ohne Änderung und insbesondere ohne Ummeldung z. B. einer bestehenden Solaranlage ein Energiespeicher zugeschaltet werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass ein real ein-, zwei- oder dreiphasiger Eigenstrom erzeugt werden kann, ohne dass ein Eingriff in einen Zwischenkreis des DC/AC-Wechselrichters der Energieerzeugungseinrichtung notwendig ist.
Der Wirkungsgrad der DC-Kopplung liegt dabei um bis zu 10% höher als der einer AC-Kopplung der Energiespeichereinheit.
Die erfindungsgemäße Verschaltung des einfach nachrüstbaren Batteriewechselrichters ermöglicht dabei insbesondere bei dreiphasigem Betrieb eine hohe Eigenstromquote und somit auch einen echt dreiphasigen, batteriebasierenden Notstrombetrieb.
Des Weiteren erlaubt die Erfindung in vorteilhafter Weise die Nutzung des Batteriestroms als Notstromaggregat in ein-, zwei- oder dreiphasigem Betrieb.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Anschluss sowohl von Niedervolt- als auch von Hochvoltbatterien problemlos möglich ist, da hierfür nur die Dimensionierung des DC/DC-Wandlerschaltungsteils des Batteriewechselrichters angepasst werden muss. Beispielsweise können für Hochvoltbatterien mit einer Spannung von z. B. 400 V ausgelegte DC/DC-Wandler verwendet werden, da beispielsweise Solareingänge in der Regel diese Spannung ermöglichen und ihre internen DC-Wandler zum Hochtransformieren der Eingangsspannung auf die üblicherweise bei mindestens 630 V liegende Zwischenkreisspannung benutzen.
Die Erfindung zeigt sich auch sehr vorteilhaft in Verbindung mit so genannten Multitracker-Solarwechselrichtern, wobei durch ein Umverteilen der Strings zwischen Photovoltaikanlage und Solarwechselrichter die für die Batterie und den Eigenverbrauch angepasste Solarleistung eingestellt werden kann, wobei nur die elektrische Zusammenfassung der Solarmodule neu gruppiert werden muss.
Besonders vorteilhaft ist es zudem, dass der Solarwechselrichter nicht zwingend über elektronische Schnittstellen mit dem Batterie-DC/DC-Wandler kommunizieren muss, da der elektrische Energiefluss nach einem Zwischenkreisprinzip am Eingang des Wechselrichters allein auch auf Messung der Stringspannung und/oder des Stringstroms erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem Batteriewechselrichter der zweite DC-Anschluss und der dritte DC-Anschluss über interne oder externe Schalter derart überbrückbar sind, dass Strom der Energieerzeugungseinrichtung direkt in den Wechselrichter der Energieerzeugungseinrichtung führbar ist. Des Weiteren kann zwischen dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil und dem zweiten DC-Anschluss sowie dem dritten DC-Anschluss ein Schalter angeordnet sein, mittels dem das DC/DC-Wandlerschaltungsteil von dem zweiten DC-Anschluss und dem dritten DC-Anschluss entkoppelbar ist, falls z. B. das Solarmodul in abgedunkeltem Zustand bzw. nachts keine externe Spannung verträgt.
Der DC/DC-Wandler der Batterie kann bei einer derartigen Ausgestaltung mithin über Schalter so geschaltet werden, dass bei geschlossenen Schaltern der Solarstrom einer Photovoltaikanlage unbeeinflusst wie bei einem alleinig vorgesehenen Solarwechselrichter fließen kann und je nach Schalterstellung z. B. nachts Strom aus der tagsüber mit Solarstrom geladenen Batterie fließen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der Batteriewechselrichter eine Steuereinheit und eine Messeinheit zur Sensierung der elektrischen Leistung an den Anschlüssen aufweisen, wobei die Steuereinheit einen elektrischen Energiefluss zwischen den Anschlüssen an die Batterie, die Energieerzeigungsanlage und den der Energieerzeugungsanlage zugeordneten Wechselrichter vorzugsweise in Abhängigkeit einer von der Energieerzeugungsanlage und deren Wechselrichter vorgegebenen Spannung steuert.
Auf diese Weise ist ein Mischbetrieb möglich, wobei eine Solarkennlinie verschoben wird, indem der DC/DC-Wandler der Batterie sich z. B. an eine Solarmodulspannung anpasst und nur mehr oder weniger Strom aus oder in die Batterie zieht. Dieser Betrieb kann alle Schalter gleichzeitig geschlossen lassen, weil eine Spannungsführung und Sensierung im DC/DC-Batteriewechselrichter das arbeitspunktabhängige Ein/oder Auskoppeln von Strom bei beliebiger Spannung, die vom Solarwechselrichter und Solarmodul vorgegeben ist, ermöglicht.
Zweckmäßigerweise ist der Batteriewechselrichter mit internen Schaltern, z. B. FETs oder IGBT Halbleiterschalter, ausgebildet, so dass auch eine sichere Trennung von einem Solarkreis möglich ist. Eine DC-Trennung ist zudem aus Sicherheitsgründen in der Regel vorgeschrieben.
Sämtliche Schalter können Bestandteil des vorzugsweise als separates Gerät mit eigenem Gehäuse ausgebildeten Batteriewechsels sein oder explizit dazugefügt sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Stromversorgungsanlage eines Hauses, welche mit einer Photovoltaikanlage und einem öffentlichen Stromnetz verbunden ist sowie mit einer Batterie als Energiespeichervorrichtung und einem Batteriewechselrichter ausgebildet ist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Stromversorgungsanlage eines Hauses mit einer Photovoltaikanlage, einem Anschluss an ein öffentliches Stromnetz sowie einer Batterie als Energiespeichervorrichtung mit einem Batteriewechselrichter nach der Erfindung.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die 2 ist ein stark vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie gezeigt, wobei eine Photovoltaikanlage 1 über eine Solarwechselrichter 2, welcher über hier zwei DC/DC-Wechselrichtereinheiten 5, 6 jeweils mit einem String 21, 22 der Photovoltaikanlage 1 und über eine DC/AC-Wechselrichtereinheit 7 mit dem öffentlichen Netz 12 verbunden ist. Ein Produktionszähler 8 und ein Zweirichtungszähler 9 messen einen Eigenverbrauch, den ein Hausnetz 14 erzeugt.
In einen String 22 der Photovoltaikanlage 1 ist ein mit einer Batterie 3 verbundener Batteriewechselrichter 10 mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil 4 zwischengeschaltet, welcher einen ersten DC-Anschluss 25 an eine Batterie 3 zum Entladen der Batterie 3 in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie 3 in einem Ladebetrieb, einen zweiten DC-Anschluss 26, welcher zu dem netzgekoppelten Solarwechselrichter 2 führt, und einen dritten DC-Anschluss 27 aufweist, mit dem der Batteriewechselrichter 10 direkt mit der Photovoltaikanlage 1 verbindbar ist.
Der zweite DC-Anschluss 26 und der dritte DC-Anschluss 27 sind über Schalter 30, 31 derart überbrückbar, dass Solarstrom direkt in den Solarwechselrichter 2 führbar ist.
Zwischen dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil 4 und dem zweiten DC-Anschluss 26 und dem dritten DC-Anschluss 27 ist ein Schalter 33 angeordnet, mittels dem das DC/DC-Wandlerschaltungsteil 4 und mithin die Batterie 3 von dem zweiten DC-Anschluss 26 und dem dritten DC-Anschluss 27 entkoppelbar ist.
Des Weiteren weist der Batteriewechselrichter 10 eine Steuereinheit 40 und eine Messeinheit 41 zur Sensierung der elektrischen Leistung bzw. Spannung an den Anschlüssen 25, 26, 27 auf, wobei die Steuereinheit 40 einen elektrischen Energiefluss zwischen den Anschlüssen an die Batterie 3, die Photovoltaikanlage 1 und den Solarwechselrichter 2 vorliegend in Abhängigkeit einer von der Photovoltaikanlage 1 und dem Solarwechselrichter 2 vorgegebenen Spannung steuert.

Claims

Batteriewechselrichter mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (4), welcher über einen ersten DC-Anschluss (25) an eine Batterie (3) zum Entladen der Batterie (3) in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie (3) in einem Ladebetrieb anschließbar ist, und welcher über einen zweiten DC-Anschluss (26) mit einem netzgekoppelten Wechselrichter (2) einer Energieerzeugungseinrichtung (1) zum Erzeugen von Energie aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere eine Photovoltaikanlage, verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriewechselrichter (10) einen dritten DC-Anschluss (27) aufweist, mit dem dieser direkt mit der Energieerzeugungsanlage (1) verbindbar ist.
Batteriewechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC-Anschluss (26) und der dritte DC-Anschluss (27) über Schalter (30, 31) derart überbrückbar sind, dass Strom der Energieerzeugungseinrichtung (1) direkt in den Wechselrichter (2) der Energieerzeugungseinrichtung (1) führbar ist.
Batteriewechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (4) und dem zweiten DC-Anschluss (26) und dem dritten DC-Anschluss (27) ein Schalter (33) angeordnet ist, mittels dem das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (4) von dem zweiten DC-Anschluss (26) und dem dritten DC-Anschluss (27) entkoppelbar ist.
Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Steuereinheit (40) und eine Messeinheit (41) zur Sensierung der elektrischen Spannung an den Anschlüssen (25, 26, 27) aufweist, wobei die Steuereinheit (40) einen elektrischen Energiefluss zwischen den Anschlüssen an die Batterie (3), die Energieerzeigungsanlage (1) und den der Energieerzeugungsanlage (1) zugeordneten Wechselrichter (2) vorzugsweise in Abhängigkeit einer von der Energieerzeugungsanlage (1) und deren Wechselrichter (2) vorgegebenen Spannung steuert.
Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein separates Gerät mit eigenem Gehäuse bildet.
Vorrichtung zur Versorgung eines Hauses mit elektrischer Energie, umfassend einen Anschluss an eine Energieerzeugungseinrichtung (1), insbesondere eine Photovoltaikanlage, zum Erzeugen von Energie aus einer regenerativen Energiequelle mit einem zugeordneten Wechselrichter (2); eine Netzanschlusseinheit zur Energieflussverbindung mit einem externen Energienetz (12); eine Lastanschlusseinheit für ein dreiphasiges Hausnetz (14); und eine Energiespeichereinheit mit wenigstens einer Batterie (3) zum Speichern von Energie mit einem zugeordneten Batteriewechselrichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriewechselrichter (10) über einen ersten DC-Anschluss (25) mit der wenigstens einen Batterie (3), über einen zweiten DC-Anschluss (26) mit dem netzgekoppelten Wechselrichter (2) der Energieerzeugungseinrichtung (1) und über einen dritten DC-Anschluss (27) direkt mit der Energieerzeugungsanlage (1) verbunden ist.