DE102012024992A1

DE102012024992A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umschalten eines Gebäudenetzes von einem öffentlichen Energieversorgungsnetz auf ein Batterienetz und umgekehrt

Info

Publication number: DE102012024992A1
Application number: DE201210024992
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umschalten eines Gebäudenetzes (2) von einem 3-phasigen öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) auf ein von einem lokalen Energiespeicher (4) mit einem mindestens 1-phasigen Wechselstrom gespeistes Batterienetz (5) und umgekehrt, wobei eine erste Schaltungseinrichtung (6) zum Trennen und Verbinden des Gebäudenetzes (2) mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) und eine zweite Schaltungseinrichtung (10) zum Trennen und Verbinden des Batterienetzes (5) von und mit dem Gebäudenetz (2) vorgesehen ist, und wobei es sich bei den Schaltelementen (60–62, 100–102) der beiden Schaltungsvorrichtungen (6, 10) um Thyristoren handelt. Um zu erreichen, dass der Zeitraum, während dessen das Gebäudenetz (2) bei dem Umschaltvorgang von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) auf das Batterienetz (5) und umgekehrt ohne Energieversorgung bleibt, möglichst gering ist, schlägt die Erfindung vor, dass die Umschaltung des Gebäudenetzes (2) von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) auf das Batterienetz (5) und umgekehrt erfolgt, sobald kein durch die gebäudenetzseitigen Leitungsabschnitten (7–9) von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) oder von dem Batterienetz (5) erzeugter Strom und/oder keine an diesen Leitungsabschnitten (7–9) anliegende Spannung mehr messbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten eines Gebäudenetzes von einem einen 3-phasigen Wechselstrom liefernden öffentlichen Energieversorgungsnetz auf ein von einem lokalen Energiespeicher mit mindestens einem 1-phasigen Wechselstrom gespeistes Batterienetz, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung lokaler Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie (Photovoltaikanlagen, Windstromanlagen, Biogasanlagen etc.) ist es üblich, die erzeugte Energie in einem lokalen Energiespeicher zwischenzuspeichern. Ist der Energiespeicher geladen, kann das entsprechende Gebäudenetz von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz getrennt und der Energiespeicher zur Energieversorgung des Gebäudenetzes herangezogen werden.
Die Umschaltung des Gebäudenetzes von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz auf das Batterienetz erfolgt dabei üblicherweise mittels elektromechanischer Schaltelemente (Schütze). Diese Schaltelemente weisen allerdings den Nachteil auf, dass sie unter Last relativ große Umschaltzeiten besitzen, da sich zwischen den Schaltstücken die Umschaltzeiten verlängernde Lichtbögen ausbilden. Während dieser Umschaltzeiten ergeben sich dann auf den Energieversorgungsleitungen hinsichtlich der Energieübertragung undefinierte Verhältnisse, da über die Lichtbögen nicht mehr die volle Energie auf das Gebäudenetz übertragen wird. Außerdem erfolgt durch die Lichtbögen ein relativ starker Verlust an Kontaktmaterial (Abbrand) und durch die dadurch bedingten Verschmutzungen spannungsführender Teile eine Zunahme der Kriechströme.
Es ist ebenfalls bekannt, statt elektromechanischer Schaltelemente steuerbare Leistungs-Halbleiter-Schaltelemente (Thyristoren) zu verwenden. Diese besitzen gegenüber der Verwendung von Schützen den Vorteil, dass ein Trennen des öffentlichen Energieversorgungsnetzes bzw. Batterienetzes von dem Hausnetz nur bei einem Nulldurchgang der entsprechenden Versorgungsspannung- und damit im wesentlichen ein lastfreies Schaltenerfolgt. Denn die in Durchlassrichtung gezündeten Thyristoren gelangen -unbeeinflussbar durch ihre Steuerelektrode- erst wieder in ihren Sperrzustand, wenn die Versorgungsspannungen jeweils einen Nulldurchgang durchlaufen.
Bei den bekannten, Thyristoren verwendenden Vorrichtungen erfolgt nach Einleitung des Trennvorganges des Gebäudenetzes von dem Energieversorgungsnetz die Verbindung des Batterienetzes mit dem Gebäudenetz in der Regel erst nach einer fest vorgegebenen Umschaltzeit, die bei Verwendung eines 50 Hz Wechselstromes mindestens 12 ms betragen muss. Denn da es sich einerseits bei dem öffentlichen Energieversorgungsnetz um ein 3-phasiges Netz handelt, und das Batterienetz mit allen drei Phasen (Leitungen) des Gebäudenetzes verbunden werden soll, darf auf keiner der drei Leitungen beim Zuschalten des Batterienetzes mehr Energie von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz über diese Leitungen übertragen werden. Andererseits ist zum Zeitpunkt der Einleitung des Umschaltvorganges nicht bekannt, wie die genaue Phasenlage der von dem öffentlichen Versorgungsnetz übertragenen Ströme und Spannungen auf den drei Leitungen ist, so dass mit einer Umschaltzeit von mindestens 3 × 3,33 ms gerechnet werden muss. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass durch die weiteren Bauelemente der Vorrichtungen eine zusätzliche Schaltzeit von etwa 2 ms berücksichtigt werden muss, so dass bei Verwendung bekannter Vorrichtungen Schaltzeiten von ca. 12 ms erforderlich sind. Dieses bedeutet, dass das Gebäudenetz, je nach Phasenlage der Spannungen auf den drei Leitungen, bei Einleitung des Umschaltvorganges unter Umständen mehr als 12 ms ohne eine Energieversorgung auf einer der drei Leitungen bleibt, bevor das Batterienetz zugeschaltet wird (sofern man von einer Energieübertragung des öffentlichen Energieversorgungsnetzes über alle drei Leitungen ausgeht, beginnt die Einleitung des Verbindungsvorganges des Batterienetzes mit dem Gebäudenetz in einem derartigen Fall sogar erst nach ca. 10 ms).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem trotz der Verwendung von Thyristoren als Schaltelemente der Zeitraum, während dessen das Gebäudenetz bei dem Umschaltvorgang von dem öffentlichen Versorgungsnetz auf das Batterienetz und umgekehrt vollständig ohne Energieversorgung bleibt, kleiner als bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, dass die Umschaltung des Gebäudenetzes von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz auf das Batterienetz und umgekehrt nicht nach einer fest vorgegebenen Zeit ab Einleitung des entsprechenden Trennvorganges zwischen dem Gebäudenetz und dem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder dem Gebäudenetz und dem Batterienetz erfolgt, sondern bereits dann, wenn durch die gebäudenetzseitigen Leitungsabschnitten tatsächlich kein von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder von dem Batterienetz erzeugter Strom mehr fließt und/oder an den gebäudenetzseitigen Leitungsabschnitten keine von dem öffentlichen Energienetz oder dem Batterienetz erzeugte Spannung mehr anliegt.
Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Thyristoren als Schaltelemente enthaltende erste Schaltungseinrichtung zum Trennen oder Verbinden des öffentlichen Energieversorgungsnetzes von oder mit dem Gebäudenetz, sowie eine Thyristoren als Schaltelemente enthaltende zweite Schaltungseinrichtung zum Verbinden oder Trennen des mindestens 1-phasigen Batterienetzes mit den oder von den drei Leitungen des Gebäudenetzes, wobei in Bezug auf die erste und die zweite Schaltungseinrichtung gebäudenetzseitig in jeder der drei Leitungsabschnitte eine Messeinrichtung zur Bestimmung des in den Leitungsabschnitten fließenden Stromes oder der an den Leitungsabschnitten anliegenden Spannung angeordnet ist. Dabei sind die Messeinrichtungen über eine Auswerte- und Steuereinrichtung mit der ersten und zweiten Schaltungseinrichtung verbunden, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie nach Einleitung des Trennvorganges des öffentlichen Energieversorgungsnetzes von dem Gebäudenetz die zweite Schaltungseinrichtung immer dann aktiviert, wenn keine der drei Messeinrichtungen eine Energieübertragung über die ihr zugeordneten Leitungsabschnitte mehr misst oder dass nach Einleiten des Trennvorganges des Batterienetzes von dem Gebäudenetz die erste Schaltung immer dann aktiviert wird, wenn auch in diesem Fall keine der drei Messeinrichtungen eine Energieübertragung über die ihr zugeordneten Leitungsabschnitte misst.
Zur Messung des Stromes (oder der Spannung) in den drei Leitungsabschnitten können beispielsweise magnetische Sensoren umfassende Messeinrichtungen verwendet werden, deren Messdaten kontaktlos, etwa über Optokoppler, auf eine Auswerte- und Steuereinrichtung übertragen werden.
Zur Messung des Stromes (oder der Spannung) in den drei Leitungsabschnitten können aber auch elektronische oder optische Sensoren vorgesehen sein, deren Messdaten dann auf die Auswerte- und Steuereinrichtung übertragen werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand eines Blockschaltbildes der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In der Figur ist mit dem Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung bezeichnet. Diese ermöglicht sowohl ein Umschalten eines Gebäudenetzes 2 von einem einen 3-phasigen Wechselstrom liefernden öffentlichen Energieversorgungsnetz 3 auf ein von einem lokalen Energiespeicher 4 mit nachgeschaltetem Wechselrichter 40 gespeistes 1-phasiges Batterienetz 5 als auch ein Umschalten des Gebäudenetzes 2 von dem Batterienetz 5 auf das öffentliche Energieversorgungsnetz 3.
Dabei wird der lokale Energiespeicher 4 beispielsweise durch eine nicht dargestellte Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie (Photovoltaikanlage, Windstromanlage, Biogasanlage etc.) aufgeladen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Schaltungseinrichtung 6 zum Trennen oder Verbinden des öffentlichen Energieversorgungsnetzes 3 von oder mit dem Gebäudenetz 2, wobei sich in jedem der drei Leitungsabschnitte 7–9, die das öffentliche Energieversorgungsnetz 3 mit dem Gebäudenetz 2 verbinden, mindestens ein als Schaltelement 60–62 wirkender Thyristor angeordnet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine zweite Schaltungseinrichtung 10 zum Verbinden oder Trennen des 1-phasigen Batterienetzes 5 mit dem oder von dem Gebäudenetz 2. Auch diese zweite Schaltungseinrichtung 10 enthält Thyristoren als Schaltelemente 100–102.
In Bezug auf die erste Schaltungseinrichtung 6 sowie auch in Bezug auf die zweite Schaltungseinrichtung 10 sind gebäudenetzseitig in jeder der drei Leitungsabschnitte 7–9 eine Messeinrichtung 11–13 zur Bestimmung des in den Leitungsabschnitten 7–9 fließenden Wechselstromes angeordnet.
Die Messeinrichtungen 11–13 sind über eine Auswerte- und Steuereinrichtung 14 sowohl mit der ersten Schaltungseinrichtung 6 als auch mit der zweiten Schaltungseinrichtung 10 verbunden.
Nachfolgend wird auf die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eingegangen, wobei nur die durch die Thyristoren bedingten Schaltzeiten berücksichtigt werden. Dabei möge sich die Vorrichtung 1 in ihrem Ausgangszustand befinden, bei dem sie das Gebäudenetz 2 mit dem dreiphasigen Energieversorgungsnetz 3 verbindet.
Soll nun das Gebäudenetz 2 mit dem Batterienetz 5 verbunden werden, weil der Energiespeicher 4 ausreichend Energie gespeichert hat, so leitet die Auswerte- und Steuereinrichtung 14 den Trennvorgang zwischen Gebäudenetz 2 und Energieversorgungsnetz 3 ein. Hierzu werden den (nicht dargestellten) Steuerelektroden der Thyristoren 60–62 der ersten Schaltungseinrichtung 6 keine Zündimpulse mehr zugeführt, so dass die Thyristoren in ihren nichtleitenden Zustand übergehen, sobald die jeweilige Spannung auf der entsprechenden Leitung des Energieversorgungsnetzes einen Nulldurchgang aufweist.
Stellt die Auswerte- und Steuereinrichtung fest, dass die Messeinrichtungen 11–13 auf keiner der Leitungsabschnitte 7–9 mehr einen Strom messen, so aktiviert sie die zweite Schaltungseinrichtung (d. h. es werden den Steuerelektroden der entsprechenden Thyristoren 100–102 Zündimpulse zugeführt, so dass die Thyristoren in ihren leitenden Zustand übergehen und der von dem Wechselrichter 40 gelieferte einphasige Wechselstrom auf die drei Leitungsabschnitte 7–9 und damit auch auf das Gebäudenetz 2 übertragen wird.
Der gesamte Umschaltvorgang, zwischen dem Einleiten des Trennvorganges zwischen Gebäudenetz und öffentlicher Energieversorgung und Einleitung des Zuschaltens des Batterienetzes, beträgt daher unabhängig von der Phasenlage der Spannungen auf dem öffentlichen Energieversorgungsnetz zwischen ca. 0 und maximal 6,6 ms. Dabei wird das Gebäudenetz, unabhängig von der Phasenlage der Spannungen auf den drei Leitungen bei Einleitung des Trennvorganges, mindestens über eine der drei Leitungsabschnitte 7–9 solange mit Energie versorgt, bis die Verbindung des Gebäudenetzes mit dem Batterienetz eingeleitet wird.
Hat der Ladezustand des Energiespeichers 4 einen unteren kritischen Wert erreicht, so veranlasst die Auswerte- und Steuereinrichtung 14 automatisch, dass die Vorrichtung 1 das Gebäudenetz wieder mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz verbindet. Hierzu werden den Steuerelektroden der Thyristoren 100–102 der zweiten Schaltungseinrichtung 10 keine Zündimpulse mehr zugeführt, so dass die Thyristoren in ihren nichtleitenden Zustand übergehen, sobald die einphasige Spannung auf den entsprechenden Leitungen des Batterienetzes einen Nulldurchgang aufweist.
Stellt die Auswerte- und Steuereinrichtung fest, dass die Messeinrichtungen 11–13 auf keiner der Leitungsabschnitte 7–9 mehr einen Strom messen, so aktiviert sie in diesem Fall die erste Schaltungseinrichtung (d. h. es werden den Steuerelektroden der entsprechenden Thyristoren 60–62 Zündimpulse zugeführt, so dass die Thyristoren in ihren leitenden Zustand übergehen und der von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz bereitgestellte dreiphasige Wechselstrom auf die drei Leitungsabschnitte 7–9 und damit auch auf das Gebäudenetz 2 übertragen wird).
In diesem Fall beträgt die Umschaltzeit von der Einleitung des Trennvorganges des Batterienetzes bis zur Einleitung der Verbindung mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz, unabhängig von der Phasenlage der Wechselspannung in dem Batterienetz, ca. 0 bis 1 ms. Allerdings wird das Gebäudenetz bei Einleitung des Trennvorganges, über alle drei Leitungsabschnitte 7–9 solange von dem Batterienetz mit Energie versorgt, bis die Verbindung des Gebäudenetzes mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz eingeleitet wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gebäudenetz
3: öffentliche Energieversorgungsnetz
4: Energiespeicher
40: Wechselrichter
5: Batterienetz
6: (erste) Schaltungseinrichtung
60–62: Schaltelemente, Thyristoren
7–9: Leitungsabschnitte
10: (zweite) Schaltungseinrichtung
100–102: Schaltelemente, Thyristoren
11–13: Messeinrichtungen
14: Auswerte- und Steuereinrichtung

Claims

Verfahren zum Umschalten eines mindestens drei elektrische Leitungen umfassenden Gebäudenetzes (2) von einem einen 3-phasigen Wechselstrom liefernden öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) auf ein von einem lokalen Energiespeicher (4) mit einem mindestens 1-phasigen Wechselstrom gespeistes Batterienetz (5), wobei nach dem Umschalten über jede der drei elektrischen Leitungen des Gebäudenetzes (2) der 1-phasige Wechselstrom des Batterienetzes (5) fließt, und zum Umschalten des Gebäudenetzes (2) von dem 1-phasigen Batterienetz (5) auf das öffentliche Energieversorgungsnetz (3), wobei eine erste Schaltungseinrichtung (6) zum Trennen und Verbinden des Gebäudenetzes (2) mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) und eine zweite Schaltungseinrichtung (10) zum Trennen und Verbinden des Batterienetzes (5) von und mit dem Gebäudenetz (2) vorgesehen ist, und wobei es sich bei den Schaltelementen (60–62, 100–102) der beiden Schaltungsvorrichtungen (6, 10) um Thyristoren handelt, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Umschalten des Gebäudenetzes (2) von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) auf das Batterienetz (5) zunächst, nach Einleiten des Trennvorganges zwischen Gebäudenetz (2) und öffentlichen Energieversorgungsnetz (3), gemessen wird, ob noch Strom über die drei Leitungsabschnitte (7–9) fließt, die in Bezug auf die erste Schaltungseinrichtung (6) gebäudenetzseitig angeordnet sind, und/oder ob eine Spannung an diesen Leitungsabschnitten anliegt und dass erst dann, wenn auf keiner der drei gebäudenetzseitigen Leitungsabschnitte (7–9) mehr ein Strom von dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) und/oder keine Spannung mehr an diesen Leitungsabschnitten (7–9) gemessen wird, das Batterienetz (5) mit dem Gebäudenetz (2) verbunden wird; und dass bei dem Umschalten des Gebäudenetzes (2) von dem Batterienetz (5) auf das öffentliche Energieversorgungsnetz (3) zunächst, nach Einleiten des Trennvorganges zwischen Gebäudenetz (2) und dem Batterienetz (5), gemessen wird, ob noch Strom über die drei Leitungsabschnitte (7–9) fließt, die in Bezug auf die zweite Schaltungseinrichtung (10) gebäudenetzseitig angeordnet sind, und/oder ob eine Spannung an diesen Leitungsabschnitten (7–9) anliegt und dass erst dann, wenn auf keiner der drei gebäudenetzseitigen Leitungsabschnitte (7–9) mehr ein Strom von dem Batterienetz (5) und/oder keine Spannung mehr an diesen Leitungsabschnitten (7–9) gemessen wird, das öffentliche Energieversorgungsnetz (3) mit dem Gebäudenetz (2) verbunden wird.
Vorichtung zum Umschalten eines mindestens drei elektrische Leitungen umfassenden Gebäudenetzes (2) von einem einen 3-phasigen Wechselstrom liefernden öffentlichen Energieversorgungsnetz (3) auf ein von einem lokalen Energiespeicher (4) mit einem 1-phasigen Wechselstrom gespeistes Batterienetz (5), wobei nach dem Umschalten über jede der drei elektrischen Leitungen des Gebäudenetzes der 1-phasige Wechselstrom des Batterienetzes (5) fließt, sowie zum Umschalten des Gebäudenetzes (2) von dem 1-phasigen Batterienetz (5) auf das öffentliche Energieversorgungsnetz (3), mit den Merkmalen: a) die Vorrichtung (1) umfasst eine erste Schaltungseinrichtung (6) zum Trennen oder Verbinden des öffentlichen Energieversorgungsnetzes (3) von oder mit dem Gebäudenetz (2), wobei sich in jedem der drei Leitungsabschnitte (7–9), die das öffentliche Energieversorgungsnetz (3) mit dem Gebäudenetz (2) verbinden, mindestens ein als Schaltelement (60–62) wirkender Thyristor angeordnet ist; b) die Vorrichtung (1) umfasst eine Thyristoren als Schaltelemente (100–102) enthaltende zweite Schaltungseinrichtung (10) zum Verbinden oder Trennen des Batterienetzes (5) mit den oder von den drei Leitungen des Gebäudenetzes (2); c) in Bezug auf die erste und die zweite Schaltungseinrichtung (6 und 10) ist gebäudenetzseitig in jeder der drei Leitungsabschnitte (7–9) eine Messeinrichtung (11–13) zur Bestimmung des in den Leitungsabschnitten (7–9) fließenden Stromes oder der an den Leitungsabschnitten (7–9) anliegenden Spannung angeordnet; d) die Messeinrichtungen (11–13) sind über eine Auswerte- und Steuereinrichtung (14) mit der ersten und zweiten Schaltungseinrichtung (6 und 10) verbunden, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass sie nach Einleitung des Trennvorganges des öffentlichen Energieversorgungsnetzes (3) von dem Gebäudenetz (2) die zweite Schaltungseinrichtung (10) immer dann aktiviert, wenn keine der drei Messeinrichtungen (11–13) eine Energieübertragung über die ihr zugeordneten Leitungsabschnitte (7–9) mehr misst, und dass sie nach Einleiten des Trennvorganges des Batterienetzes (5) von dem Gebäudenetz (2) die erste Schaltungseinrichtung (6) immer dann aktiviert, wenn auch in diesem Fall keine der drei Messeinrichtungen (11–13) eine Energieübertragung über die ihr zugeordneten Leitungsabschnitte (7–9) misst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen (11–13) magnetische Sensoren umfassen, deren Messdaten mittels Optokoppler auf die Auswerte- und Steuereinrichtung (14) übertragbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen (11–13) elektronische oder optische Sensoren umfassen, deren Messdaten auf die Auswerte- und Steuereinrichtung (14) übertragen werden.