-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Stromversorgung von elektrischen Verbrauchern in Krankenhäusern mit einer Gleichstromzwischenkreisnetzeinrichtung, die elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die Bereitstellung elektrischer Energie durch das öffentliche Wechselspannungsversorgungsnetz kann einerseits nicht immer garantiert werden, andererseits kann aber ein Stromausfall bei lebenserhaltenden medizinischen Geräten, wie beispielsweise bei Beatmungsgeräten in Krankenhäusern oder ähnlichen Einrichtungen, nicht toleriert werden. Die Versorgung derartiger Geräte wird bei einem Netzausfall durch eine zusätzliche unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (USV) sicher gestellt.
-
Die unterbrechungsfreie Spannungsversorgung wird in der Regel zwischen dem öffentlichem Versorgungsnetz und einem lokalen Verbrauchernetz, an dem ausschließlich lebenserhaltende Geräte angeschlossen sind, geschaltet. Detektiert die USV einen Spannungseinbruch am öffentlichen Versorgungsnetz, werden Maßnahmen zur Überbrückung des Spannungseinbruchs in die Wege geleitet. Dabei können, abhängig vom spezifischen Aufbau der USV, kurzfristige Spannungseinbrüche durch lokale Energiespeicher, wie Batterien oder Schwungräder (Flywheels), überbrückt werden.
-
Längere Spannungseinbrüche werden in der Regel durch Dieselgeneratoren überbrückt, die zeitnah nach einer Detektion des Spannungseinbruchs automatisch hochgefahren werden und nach kurzer Zeit zur Verfügung stehen. Der lokale Energiespeicher der USV dient somit nur zur Überbrückung der Zeitspanne, bis der Dieselgenerator zur Verfügung steht.
-
Während Akkumulatoren eine Gleichspannung zur Verfügung stellen, wird der Energietransfer zum Schwungrad über einen Frequenzumrichter mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis realisiert, um der sich verändernden Drehzahl des Schwungrads Rechnung zu tragen. Beiden Realisierungen gemein ist die Gleichspannung, die das zentrale Element für den Energieaustausch zwischen den Elementen der USV darstellt. Die Ankopplung des öffentlichen Versorgungsnetzes sowie der elektrischen Verbraucher an den Gleichstrom-Zwischenkreis wird durch Gleich-/Wechselrichter realisiert. Dadurch ergeben sich ein hoher apparativer Aufwand sowie Verluste durch die AC/DC/AC-Wandlung zur Versorgung der lebenserhaltenden Geräte mit der heute üblichen Wechselspannung.
-
Moderne Krankenhäuser sind in der Regel keine reinen Energieverbraucher. Durch den lokalen Einsatz regenerativer Energien in Form von beispielsweise Photovoltaik, Windenergie oder Blockheizkraftwerken wird elektrische Energie erzeugt, die in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden kann. Die meisten dieser Systeme enthalten ebenfalls einen eigenen Gleichstrom-Zwischenkreis, der über einen Wechselrichter zum Energietransfer an das Wechselspannungsnetz angebunden ist.
-
Während in den industrialisierten Ländern der Einsatz lokaler regenerativer Energien noch eher ein Zusatz aufgrund der hohen Grundverfügbarkeit des öffentlichen Energieversorgungsnetzes ist, stützt sich in den sich entwickelnden Ländern die Energieversorgung häufig auf eine lokale regenerative Energieerzeugung, beispielsweise durch Photovoltaik.
-
Bedingt durch die zunehmende Einspeisung regenerativer Energien in das Energieversorgungsnetz, werden Energieversorger vor die Aufgabe gestellt, entweder diese überschüssige Energie zu speichern, oder alternativ die Bereitstellung konventioneller Energie sehr schnell dem schwer steuerbaren Energiefluss der regenerativen Energien anzupassen. Eine technische Möglichkeit zur Speicherung stellt der Einsatz großer Energiespeicher dar, zum Beispiel auf Basis großer Batteriesysteme, die über bidirektionale Wandler an die Versorgungsnetze angeschlossen werden. Die speicherbare Energie derartiger Systeme bewegt sich dabei in der Größenordnung mehrerer hundert Kilowattstunden bis hin zu einigen Megawattstunden.
-
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung und ein verbessertes Verfahren zur Stromversorgung in Krankenhäusern anzugeben.
-
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem System und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, mit einer Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung verbundene Teilnetzeinrichtungen, an denen elektrische Verbraucher angeschlossen sind, prioritätsbezogen an die Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung zuzuschalten oder von dieser abzuschalten. Das heißt, Teilnetzeinerichtungen mit hoher Priorität werden immer mit elektrischer Energie versorgt, während Teilnetzeinrichtungen mit geringer Priorität bei einem Versorgungsengpass abgeschaltet werden. Durch die Berücksichtigung aller, bis heute unabhängiger Netzversorgungselemente wird eine effiziente Gesamtarchitektur ermöglicht.
-
Die Erfindung beansprucht ein System zur Stromversorgung von elektrischen Verbrauchereinheiten in Krankenhäusern mit einer Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung, die ausgangsseitig ausgebildet ist, die elektrischen Verbrauchereinheiten mit elektrischer Energie zu versorgen, mit mehreren zwischen den elektrischen Verbrauchereinheiten und der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung geschalteten Teilnetzeinrichtungen, wobei jede elektrische Verbrauchereinheit an genau einer Teilnetzeinrichtung angeschlossen ist, und mit einer zwischen der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung und den Teilnetzeinrichtungen geschalteten prioritätsgesteuerten Schalteinheit, die ausgebildet ist, nach vorgebbaren Prioritäten die Teilnetzeinrichtungen aus der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Teilnetzeinrichtungen umfassen eine Verkabelung zu den Verbrauchseinheiten sowie bei Bedarf einen DC/AC-Wandler. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass Krankenhäusern eine effiziente und robuste Stromversorgung mit prioritätsbasierten Teilnetzabschaltungen zur Verfügung gestellt wird.
-
In einer Weiterbildung wird die Priorität „Null“ einer Teilnetzeinrichtung mit für eine medizinische Versorgung unwichtigen, angeschalteten Verbrauchereinheiten und die Priorität „Eins“ einer Teilnetzeinrichtung mit für die medizinische Versorgung lebenswichtigen, angeschalteten Verbrauchereinheiten zugeordnet. Dadurch ist eine Verbraucher-orientierte Energieversorgung einstellbar.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System mehrere eingansseitig an die Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung angeschlossene Gleichstromquellen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung können die Gleichstromquellen Energiespeichermittel, Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen oder Blocksheizkraftwerke sein.
-
Bevorzugt kann das System mindestens einen eingangsseitig ausgebildeten Netzanschluss an ein öffentliches Wechselstrom-Energieversorgungsnetz umfassen, wobei der Netzanschluss eine Gleichstromwandlereinheit aufweist.
-
In einer Weiterbildung umfasst das System eine die Schalteinheit steuernde Energieprognoseeinheit, die ausgebildet ist, eine Prognose für die verbrauchbare elektrische Energie zu ermitteln und gemäß der Prognose und Verbrauchswerten der elektrischen Verbrauchereinheiten die Schalteinheit zum An- und Abschalten der Teilnetzeinrichtungen zu veranlassen.
-
In einer weiteren Ausführungsform können die elektrischen Verbrauchereinheiten medizintechnische Geräte sein.
-
Des Weiteren kann das System einen von der Schalteinheit abgehenden Signalisierungskanal umfassen, der ausgebildet ist, den aktuellen Zustand einer Priorisierung sowie eine Prognose, wann eine Teilnetzeinrichtung bei einem aktuellem Energieverbrauch von der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung getrennt werden soll, zu signalisieren.
-
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Stromversorgung von elektrischen Verbrauchereinheiten in einem Krankenhaus, wobei durch eine Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung ausgangsseitig elektrische Verbrauchereinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden, jede elektrische Verbrauchereinheit von einer Teilnetzeinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei mehrere Teilnetzeinrichtungen zwischen den elektrischen Verbrauchereinheiten und der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung geschaltet sind, und wobei durch eine zwischen der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung und den Teilnetzeinrichtungen geschaltete prioritätsgesteuerte Schalteinheit nach vorgebbaren Prioritäten die Teilnetzeinrichtungen aus der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird durch eine die Schalteinheit steuernde Energieprognoseeinheit eine Prognose für die verbrauchbare elektrische Energie ermittelt und gemäß der Prognose und Verbrauchswerten der elektrischen Verbrauchereinheiten die Schalteinheit zum An- und Abschalten der Teilnetzeinrichtungen veranlasst.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform können durch einen von der Schalteinheit abgehenden Signalisierungskanal der aktuelle Zustand einer Priorisierung sowie eine Prognose, wann eine Teilnetzeinrichtung bei einem aktuellen Energieverbrauch von der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung getrennt werden soll, signalisiert werden.
-
Außerdem kann prioritätsgesteuert ein lokales Versorgungsnetz eines Energieversorgers über die Energiespeicher mitversorgt werden.
-
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
-
Es zeigen:
-
1: ein Blockschaltbild einer unterbrechungsfreien Stromversorgung in einem Krankenhaus und
-
2: ein Blockschaltbild einer Energieprognoseeinheit.
-
Detaillierte Beschreibung eiens Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt ein Blockschaltbild einer unterbrechungsfreien Stromversorgung in einem Krankenhaus mit seinen wesentlichen Komponenten. Ein zentrales Element der Stromversorgung ist die Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung 1 (ein gemeinsamer Gleichstrom-Zwischenkreis), der durch mehrere lokale Energiespeicher 9 gestützt wird. Diese Architektur erlaubt den Anschluss eines öffentlichen Versorgungsnetzes, bestehend aus einem lokalen Versorgungsnetz 7 und einem Hauptversorgungsnetz 6, über einen bidirektionalen Wandler 8. Außerdem sind an die Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung 1 regenerative Quellen, wie eine Photovoltaikanlage 10, eine Windkraftanlage 11, ein Blockheizkraftwerk 12 und weitere Energiequellen 13 über nicht dargestellte Wandler angeschlossen.
-
Der Anschluss von lokalen elektrischen Verbrauchereinheiten 2 erfolgt über prioritätsgesteuerte Teilnetzeinrichtungen 3. Diese können entweder direkt als Gleichspannungsnetz oder zur Unterstützung herkömmlicher Verbrauchereinheiten 2 mit Wechselspannungseingang mit jeweils einem Wechselrichter 5 ausgeführt werden. Die Teilnetzeinrichtungen 3 umfassen eine Verkabelung zu den Verbrauchereinheiten 2.
-
Die Teilnetzeinrichtungen 3 sind über eine prioritätsgesteuerte Schalteinheit 4 mit der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung 1 verbundnen. Die Aufgabe der prioritätsgesteuerten Schalteinheit 4 umfasst die prioritätsbasierte Zu-/Abschaltung der einzelnen Teilnetzeinrichtungen 3.
-
Abhängig vom Ladezustand der lokalen Energiespeicher 9, der Verfügbarkeit des öffentlichen Versorgungsnetzes 6, 7, sowie lokaler regenerativer Leistungen der Photovoltaikanlage 10, der Windkraftanlage 11, des Blockheizkraftwerkes 12 und der weiteren Energiequellen 13 wird die Verfügbarkeit der einzelnen Teilnetzeinrichtungen 3 priorisiert.
-
Gemäß 2 wird der Energiefluss in der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung 1 von einer zentralen Energieprognoseeinheit 14 gesteuert. Basierend auf den Steuersignalen 15 der einzelnen Stromquellen 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 und der Teilnetzeinrichtungen 3 kann die Energieprognoseeinheit 14 den aktuelle Leistungsfluss im lokalen System, sowie die gespeicherte und damit noch zur Verfügung stehende Energie ermitteln. Basierend auf diesen Werten werden priorisiert einzelne Teilnetzeinheiten 3 durch die Schalteinheit 4 mittels der Schaltsignale 16 zu- oder abgeschaltet. Für den Normalfall, dass das öffentliche Versorgungsnetz 6, 7 zur Verfügung steht, wird jede Teilnetzeinrichtung 3 mit Energie versorgt.
-
Für den Extremfall, dass weder das öffentliche Versorgungsnetz 6, 7 noch die regenerativen Energiequellen 10, 11, 12, 13 zur Verfügung stehen (beispielsweise bei Nacht und Windstille), können abhängig vom Ladezustand der Energiespeicher 9 einzelne Teilnetzreinrichtungen 3 entsprechend ihrer Priorität von der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung 1 getrennt werden.
-
Der aktuelle Zustand der Priorisierung sowie die Prognose, wann eine Teilnetzeinrichtung 3 bei dem aktuellem Energieverbrauch von der Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung 1 getrennt werden soll, wird über einen Signalisierungskanal 17 mit regelmäßiger Aktualisierung als Information von der Schalteinheit 4, oder in einer weiteren Ausführungsform von der Energieprognoseeinheit 14, zur Verfügung gestellt. Diese Information kann an den Orten, an denen die Verbrauchereinheiten 2 aufgestellt sind, angezeigt und ausgewertet werden.
-
Die Anzahl der unterschiedlichen Prioritäten und der davon abhängigen Teilnetzeinrichtungen 3 kann entsprechend der örtlichen und organisatorischen Notwendigkeiten frei gewählt werden. Beispielsweise werden folgende Prioritäten verwendet:
- • Priorität „1“ (High-Urgency) ist einer Teilnetzeinrichtung 3 zugewiesen, die alle lebenserhaltenden Verbrauchereinheiten 2, wie Beatmungsgeräte, Notstrombeleuchtung, etc., versorgt.
- • Priorität „0,66“ (Urgency) ist einer Teilnetzeinrichtung 3 zugewiesen, an die Verbrauchereinheiten 2 (z.B. Angiographiesysteme) angeschlossen sind, die zwar nicht lebenserhaltend sind, deren plötzliche Abschaltung aber durchaus lebensbedrohend sein kann.
- • Priorität „0,33“ (Low Urgency) ist einer Teilnetzeinrichtung 3 zugewiesen, an die Verbrauchereinheiten 2 angeschlossen sind, die zwar nicht lebenserhaltend und deren plötzliche Abschaltung auch nicht lebensbedrohend ist, deren Abschaltung aber zu unnötigen Belastungen von Patienten führt (z.B. Strahlenbelastung bei vorzeitigem Abbruch einer Computer-Tomographie Aufnahme).
- • Priorität „0“ (No Urgency, Standard) ist einer Teilnetzeinrichtung 3 zugewiesen, die alle weiteren Verbrauchereinheiten 2 (wie z.B. die Beleuchtung) versorgt.
-
Weiterhin kann mittels einer zusätzlichen Priorität festgelegt werden, ob und wie lange das lokale Versorgungsnetz 7 des Energieversorgers über die lokalen Energiespeicher 9 mitversorgt werden kann. Hierzu muss unter Umständen das lokale Versorgungsnetz 7 vom Hauptversorgungsnetz 6 durch den Energieversorger abgekoppelt werden (= Inselbetrieb). Dieser Zustand wird ebenfalls der Energieprognoseeinheit 14 signalisiert.
-
Der Einsatz eines großen zentralen Energiespeichers in einem Krankenhaus ermöglicht eine Synergie zwischen einem Krankenhausbetreiber, der die erforderliche Energiemenge für lebenserhaltende Maßnahmen zur Verfügung stellen kann, und einem öffentlichen Versorgungsnetzbetreiber, der entsprechend große Mengen regenerativer Energie speichern kann. Bei ausreichender Größe des Energiespeichers können auf diese Weise beide Funktionen ausreichend erfüllt werden. Die Notwendigkeit, in einem Störfall auf einen Dieselgenerator zurückgreifen zu müssen, kann so deutlich reduziert werden. In Entwicklungsländern mit einer schlechten Versorgungsinfrastruktur (sowohl öffentlicher Strom wie Diesel) kann bei einer geeigneten Prioritätssteuerung der angeschlossenen Teilnetzeinrichtungen 3 ganz auf einen Dieselgenerator verzichtet werden, um z.B. in sonnenreichen Ländern eine windstille Nacht zu überbrücken.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gleichstrom-Zwischenkreis-Netzeinrichtung
- 2
- elektrische Verbrauchereinheit
- 3
- Teilnetzeinrichtung
- 4
- prioritätsgesteuerte Schalteinheit
- 5
- Wechselrichter
- 6
- Hauptversorgungsnetz
- 7
- lokales Versorgungsnetz
- 8
- bidirektionaler Wandlereinheit
- 9
- Energiespeicher
- 10
- Photovoltaikanlage
- 11
- Windkraftanlage
- 12
- Blockheizkraftwerk
- 13
- weitere Energiequellen
- 14
- Energieprognoseeinheit
- 15
- Steuersignal
- 16
- Schaltsignal
- 17
- Signalisierungskanal
- 18
- Verkabelung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- “H. Votzi und H. Ertl: High-Efficiency Battery Storage Unit for Renewable Energy DC Micro-Grids; PCIM Europe 2011, 17.–19. May 2011, Nuremberg, Germany, ISBN 978-3-8007-3344-6, Paper 194, Seiten 1150 ff“ [0009]
