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Die Erfindung betrifft ein System zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz sowie ein Betriebsverfahren für ein solches System. Derartige Systeme werden beispielsweise eingesetzt für die Einspeisung der mit einer Photovoltaikanlage gewonnenen elektrischen Energie in das Niederspannungs-Stromversorgungsnetz. Dabei wird jedem Solarmodul als Teil der Photovoltaikanlage ein Wechselrichter zugeordnet, der die photovoltaische Gleichspannung in eine stromnetzsynchrone Wechselspannung umwandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes System und ein zugehöriges Betriebsverfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, elektrische Energie, die als Gleichspannung oder Wechselspannung aus verschiedenen Energieträgern gewonnen werden kann, auf effiziente Weise in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen. In einer Ausführungsart soll der apparatetechnische und steuerungstechnische Aufwand für die Einspeisung der aus verschiedenen Energieträgern gewonnenen elektrischen Energie reduziert sein und dabei dennoch mit reduziertem externen Steueraufwand eine hohe Verfügbarkeit des Systems und eine hohe Betriebssicherheit des Verfahrens gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte System sowie durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In einer Ausführungsart weist das System einen Zwischenkreis auf, mit dessen Eingangsseite mehrere Stromgeneratoren und/oder Stromspeicher über jeweils einen Stromrichter verbindbar sind, und dessen Ausgangsseite über einen Wechselrichter mit dem Stromversorgungsnetz verbindbar ist. Weiterhin weist das System eine an den Zwischenkreis angeschlossene und vom Zwischenkreis gespeiste Spannungsversorgung für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Betriebsmittel des Systems auf.
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Bei den Stromgeneratoren kann es sich beispielsweise um Photovoltaik-Module oder Brennstoffzellen handeln, oder um mechanisch-elektrische Generatoren beispielsweise von Windkraftanlagen, Wasserrädern oder Brennkraftmaschinen, die auch Teil eines Blockheizkraftwerkes oder einer Biogasanlage sein können. Bei den Stromspeichern kann es sich beispielsweise um vorzugsweise wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis handeln. Bei den Stromrichtern auf der Eingangsseite des Zwischenkreises kann es sich um Gleichspannungswandler handeln, insbesondere für den Anschluss von Photovoltaikmodulen oder elektrochemischen Energiespeichern, oder um Wechselrichter, vorzugsweise bidirektionale Wechselrichter, oder um Gleichrichter, insbesondere für den Anschluss von mechanisch-elektrischen Generatoren.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass die aus verschiedenen Energieträgern gewonnene elektrische Energie auf einem gemeinsamen Zwischenkreis zusammengeführt ist. Dies ermöglicht eine zentrale Steuerung der Einspeisung der aus verschiedenen Energieträgern gewonnenen elektrischen Energie. Dadurch kann die Verfügbarkeit des Systems erhöht werden, insbesondere kann mit einem solchen System tagsüber die photovoltaisch gewonnene Energie eingespeist werden und nachts oder bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung können vom System autark andere Energieformen zur Einspeisung herangezogen werden, beispielsweise durch Verbrennen von Biogas oder sonstigen Biokraftstoffen und Betrieb eines mechanisch-elektrischen Generators, oder auch durch Entnahme von Energie aus einem elektrochemischen Energiespeicher.
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Hinzu kommt, dass durch die an den Zwischenkreis angeschlossene Spannungsversorgung das System autark ist und vorzugsweise keine externe Spannungsversorgung benötigt. Weiterhin erkennt das System autark, wenn einer der Stromgeneratoren Energie in das System einspeist und kann sich so selbsttätig einschalten und bei Wegfall des Energieeintrages auch wieder selbstständig abschalten. Das Einschalten kann ausschließlich durch den Eintrag von Energie in das System über die Stromgeneratoren erfolgen, insbesondere getriggert durch Auftreten einer ausreichend hohen, gegebenenfalls auch nur unstabilisierten Spannung auf dem Zwischenkreis.
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In einer Ausführungsart beträgt die elektrische Spannung auf dem Zwischenkreis, bei dem es sich vorzugsweise um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis handelt, mehr als 200 V, insbesondere mehr als 300 V und vorzugsweise mehr als 400 V. In einer besonderen Ausführungsart beträgt die Spannung zwischen 500 V und 800 V, insbesondere etwa 600 V. Dadurch ist besonders vorteilhaft die aus verschiedenen Energieträgern gewonnene elektrische Energie auf effiziente Weise in das Stromversorgungsnetz einspeisbar. So beträgt beispielsweise die Spannungsebene der in Elektroautos eingesetzten Hochvolt-Batterien zwischen 400 V und 600 V. Auch die mechanisch-elektrischen Generatoren können problemlos Spannungen in dieser Höhe generieren. Dadurch können die Wandlerverluste beim Anschluss der Stromgeneratoren an den Zwischenkreis minimiert werden. Außerdem sind die Wandlerverluste auf der Wechselrichterseite des Hochvolt-Gleichspannungs-Zwischenkreises für das Einspeisen der elektrischen Energie in das Stromversorgungsnetz, das beispielsweise ein öffentliches 230/380 V Niederspannungsnetz sein kann, ebenfalls minimal.
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In einer Ausführungsart ist mindestens ein Teil der Stromrichter und/oder der ausgangsseitige Stromrichter und/oder eine Steuereinheit des Systems an die vom Zwischenkreis gespeiste Spannungsversorgung angeschlossen. Die Spannungsversorgung kann insbesondere die Versorgung aller steuerungsfähigen Komponenten und Betriebsmittel des Systems übernehmen. Damit ist auch erreicht, dass mit dem Abschalten der Spannungsversorgung die Leistungsaufnahme des Systems im Wesentlich gleich Null ist. Das System entnimmt die für seinen Betrieb notwendige elektrische Energie vorzugsweise zu mehr als 50% oder sogar ausschließlich den eingangsseitig an das System angeschlossenen Stromgeneratoren und/oder Stromspeichern.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Spannungsversorgung eine am Zwischenkreis anstehende unstabilisierte Zwischenkreisspannung in eine stabilisierte Spannung für den Betrieb der Stromrichter und des ausgangsseitigen Stromrichters wandelt, insbesondere in eine stabilisierte Gleichspannung. Vorzugsweise stellt die Spannungsversorgung mindestens eine stabilisierte Gleichspannung mit einer Nennspannung von weniger als 120 V bereitstellt, insbesondere weniger als 60 V und vorzugsweise 24 V. Damit können alle für die Steuerung wesentlichen Komponenten des Systems von der Spannungsversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems, wobei in einer Ausführungsart das System ausgehend von einem ausgeschalteten Zustand, insbesondere ausgehend von einem ausgeschalteten Zustand des ausgangsseitigen Stromrichters, im Falle eines Energieeintrags durch einen der Stromgeneratoren in das System hinein im Zwischenkreis eine zunächst ungeregelte Spannung erzeugt, durch welche die Spannungsversorgung für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Betriebsmittel des Systems aktiviert wird. Dadurch ergibt sich ein energieautarker Hochlauf des Systems aus dem Stillstand oder einem Stand-by-Zustand, ohne dass das System eine externe Energieversorgung benötigt.
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Nach erfolgter Aktivierung der Spannungsversorgung nimmt das System eine Synchronisierung des ausgangsseitigen Stromrichters mit dem Stromversorgungsnetz vor und verbindet anschließend den ausgangsseitigen Stromrichter mit dem Stromversorgungsnetz. Vorzugsweise erst jetzt erfolgen eine elektrische Belastung des Zwischenkreises und damit eine Leistungsentnahme aus dem Stromgenerator. Dadurch werden ein sehr stabiler Einspeisebetrieb und eine verbesserte Energieausnutzung erreicht.
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In einer Ausführungsart umfasst das Stromversorgungsnetz ein öffentliches Stromversorgungsnetz und ein lokales Netz, die beide mit dem Wechselrichter verbindbar sind. Das System weist einen zwischen dem Wechselrichter und dem öffentlichen Stromversorgungsnetz angeordneten steuerbaren Trennschalter auf, mittels dem der Wechselrichter vorzugsweise allpolig vom öffentlichen Stromversorgungsnetz trennbar ist. Dadurch kann das System autark, beispielsweise bei Erkennen einer Störung auf dem öffentlichen Stromversorgungsnetz oder bei Ausfall des öffentlichen Stromversorgungsnetzes, und/oder manuell oder automatisch gesteuert das System vom öffentlichen Stromversorgungsnetz trennen und anschließend in einem Inselnetz-Betriebsmodus die elektrische Energie lediglich in das lokale Netz einspeisen.
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In einer Ausführungsart schaltet das System im Falle eines Inselbetriebes, bei dem der ausgangsseitige Stromrichter vom öffentlichen Stromversorgungsnetz getrennt ist und das System elektrische Energie in das lokale Netz einspeist, beim Auftreten einer elektrischen Überlast den ausgangsseitigen Stromrichter ab und vorzugsweise nach einer vorgebbaren Zeitdauer auch selbsttätig wieder ein. Damit ist das System autark in der Lage, auf eine Überlast zu reagieren und sich selbsttätig vom Netz zu nehmen und anschließend wieder hochzufahren. Vorteilhaft ist dabei, wenn der Generator von dem System auch während des Abschaltens des Systems vom Netz im Leerlauf betrieben wird, auch um das System mit elektrischer Energie zu versorgen.
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In einer Ausführungsart stabilisiert insbesondere der ausgangsseitige Stromrichter die Spannung im Zwischenkreis auf einen vorgebbaren Wert. Bei einer einphasigen Last wird der Zwischenkreis als Kurzzeit-Energiespeicher eingesetzt, auch um die Last auf den Stromgenerator zu vergleichmäßigen. Die Drehzahlregelung des Stromgenerators erfolgt vorzugsweise über den eingangsseitigen Stromrichter. Auftretende Schwankungen des Drehmoments können durch Drehzahlschwankungen oder elektrisch durch den Zwischenkreis gepuffert werden. Entsprechende Kennfelder zur Steuerung können in der Steuereinheit des Systems gespeichert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, und
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2 bis 4 zeigen verschiedene Betriebszustände eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz 2. Das Stromversorgungsnetz 2 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem öffentlichen dreiphasigen Stromversorgungsnetz 4 und einem lokalen dreiphasigen Netz 6, beispielsweise für die Versorgung eines Wohnhauses oder eines landwirtschaftlichen Betriebes. Beide Teilnetze 4, 6 weisen eine übereinstimmende Niederspannungsebene 230/380 V auf.
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Das System 1 weist einen elektrischen Zwischenkreis 10 auf, im Ausführungsbeispiel einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, mit dessen Eingangsseite im Ausführungsbeispiel zwei Stromgeneratoren 12, 14 und ein Stromspeicher 16 über jeweils einen Stromrichter 22, 24, 26 verbunden sind, und dessen Ausgangsseite über einen ausgangsseitigen Stromrichter 20, im Falle eines Gleichspannungs-Zwischenkreises über einen Dreiphasen-Wechselrichter, mit dem Stromversorgungsnetz 2 verbindbar ist. Das System 1 ist modular aufgebaut und kann insbesondere in der Art eines Baukastens um weitere Stromrichter für den Anschluss weiterer Stromgeneratoren oder Stromspeicher erweitert werden.
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Der erste Stromgenerator 12 weist zwei Solarmodule 18 auf, die gemeinsam an einen ersten Stromrichter 22 angeschlossen sind, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Gleichspannungswandler (DC/DC) handelt, der die von den Solarmodulen 18 erzeugte Gleichspannung unidirektional an den Zwischenkreis 10 angekoppelt.
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Bei dem zweiten Stromgenerator 14 handelt es sich um einen vorzugsweise permanenterregten Synchrongenerator, der konvektionsgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt sein kann; alternativ oder ergänzend kann auch ein Asynchrongenerator als Stromgenerator eingesetzt werden. Der zweite Stromgenerator 14 kann beispielsweise durch eine Brennkraftmaschine angetrieben sein, die wiederum mit Biogas oder einem sonstigen biologisch erzeugten oder auch einem fossilen Brennstoff betrieben sein kann. Alternativ hierzu kann der zweite Stromgenerator 14 auch beispielsweise durch einen Windrad oder eine Wasserturbine angetrieben sein. Der zweite Stromgenerator 14 liefert im Ausführungsbeispiel eine dreiphasige Wechselspannung, die mittels des zweiten Stromrichters 24 in eine Gleichspannung gewandelt wird, wobei der zweite Stromrichter 24 mit seinem Gleichspannungsausgang an den Zwischenkreis 10 angeschlossen ist. Der zweite Stromrichter 24 kann zur optimalen Energieausnutzung sensorlos eine lastabhängige Vektorregelung des zweiten Generators 14 aufweisen.
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Bei dem Stromspeicher 16 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Batterie von elektrochemischen Energiespeichern, beispielsweise um eine Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von mehr als 100 V, im Ausführungsbeispiel von etwa 400 V. Der Stromspeicher 16 ist über den dritten Stromrichter 26, bei dem es sich um einen bidirektionalen Gleichspannungswandler handelt, mit dem Zwischenkreis 10 verbunden.
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Ausgangsseitig ist der Zwischenkreis 10 über einen ausgangsseitigen Stromrichter 20, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Wechselrichter handelt, der die Gleichspannung des Zwischenkreises 10 in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt, mit dem Energieversorgungsnetz 2 verbunden. Der ausgangsseitige Stromrichter 20 kann dabei innerhalb seines Leistungsbereiches einen beliebigen Blindleistungsanteil für das Stromversorgungsnetz 2 bereitstellen, den das System 1 automatisch regeln kann. Die Aufschaltung auf das Stromversorgungsnetz 2 erfolgt vollautomatisch. Zur Kompensation einer gegebenenfalls phasenunsymmetrischen Belastung des Stromversorgungsnetzes 2 kann das System 1 Symmetrierelemente aufweisen. Zwischen dem ausgangsseitigen Stromrichter 20 und dem Stromversorgungsnetz 2 ist ein Transformator 28 angeordnet.
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Das System 1 weist eine Steuereinheit 30 auf, die über unidirektionale oder bidirektionale Steuerleitungen mit den eingangsseitigen Stromrichtern 22, 24, 26 und mit dem ausgangsseitigen Stromrichter 20 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 30 unmittelbar am ausgangsseitigen Stromrichter 20 angeordnet oder sogar in Baueinheit mit diesem ausgebildet. Die Steuereinheit 30 ist weiterhin über eine Netzverbindungsleitung 32 mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 verbunden und kann daher eine Störung oder einen Ausfall des öffentlichen Stromversorgungsnetzes 4 detektieren. Außerdem ist die Steuereinheit 30 mit einem Trennschalter 34 verbunden und kann in einem Störungsfall das System 1 vorzugsweise allpolig vom öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 trennen. Weiterhin weist die Steuereinheit 30 eine gegebenenfalls auch drahtlose Schnittstelle 36 für den Anschluss an ein öffentliches Datennetz 38 auf. Über das öffentliche Datennetz 38 kann die Steuereinheit 30 vorzugsweise bidirektional Daten mit einem Terminal 40 austauschen, das mit dem öffentlichen Datennetz 38 verbunden ist.
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Parallel zu dem elektrischen Zwischenkreis 10 kann das System 1 einen in der 1 nicht dargestellten Wärmekreis aufweisen, der ähnlich verzweigt sein kann wie der elektrische Zwischenkreis 10, insbesondere können an den Wärmekreis mehrere oder sogar alle Stromrichter 20, 22, 24, 26 angeschlossen sein und ihre Abwärme an den Wärmekreis abführen. Ergänzend können auch die Stromgeneratoren 12, 14 und/oder der Stromspeicher 16 an den Wärmekreis angeschlossen sein. Der Wärmekreis des Systems 10 kann als thermische Energiequelle entweder lediglich innerhalb des Systems 1 eingesetzt sein oder einen Anschluss an ein weiterführendes Wärmenetz aufweisen, insbesondere an ein lokales Wärmenetz, zur Versorgung beispielsweise von Wohnräumen oder zur Warmwasserbereitstellung.
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Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Betriebszustände eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems 1. Die 2 zeigt das System 1 beispielsweise in einem ausgeschalteten Zustand, in dem das System 1 keine externe Energieversorgung benötigt. Obwohl der Trennschalter 34 geöffnet ist, erkennt das System 1 über die Netzverbindungsleitung 32 das Vorhandensein eines öffentlichen Stromversorgungsnetzes 4. In der Netzverbindungsleitung 32 ist ein manuell oder automatisch von der Steuereinheit 30 des Systems 1 zu betätigender Schalter 44 angeordnet, der im Zustand der 2 geschlossen ist. Der geschlossene Zustand des Schalters 44 gibt der Steuereinheit 30 die Möglichkeit, nach dem Anlaufen des Systems 1 auf die Netzspannung zu synchronisieren und den Trennschalter 34 zu schließen und damit einen Netzparallelbetrieb zu fahren. Demgegenüber signalisiert ein geöffneter Schalter 44, dass kein Netzparallelbetrieb möglich oder gewünscht ist, sondern ein isolierter Betrieb des lokalen Netzes 6, indem das System 1 lediglich mit dem lokalen Netz 6 verbunden ist.
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Eingangsseitig ist an das System 1 über den zweiten Stromrichter 24 der zweite Stromgenerator 14 angeschlossen, der im dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Brennkraftmaschine 46 angetrieben ist. An den Zwischenkreis 10 ist eine Spannungsversorgung 42 angeschlossen, welche auf Ihre Ausgangsseite eine Gleichspannung von im Ausführungsbeispiel 24 V als Systemspannung bereitstellt, mit der die verschiedenen Komponenten und elektrischen Betriebsmittel des Systems 1 mit elektrischer Energie versorgt werden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Spannungsversorgung 42 um ein Schaltnetzteil.
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Wenn ausgehend vom Betriebszustand der 2 die Brennkraftmaschine 46 anläuft und Energie in das System 1 einträgt, vergleichbar mit der Einstrahlung von Sonnenlicht auf ein Photovoltaikmodul, erzeugt der zweite Stromgenerator 14 zunächst ungesteuert eine elektrische Spannung auf den Zwischenkreis 10. Daraufhin wird die Spannungsversorgung 42 aktiviert, die wiederum ausgangsseitig die Versorgungsspannung für die Komponenten und Betriebsmittel des Systems 1 bereitstellt, unter anderem für die Steuereinheit 30. Daraufhin erkennt die Steuereinheit 30 über die Netzverbindungsleitung 32 das Anstehen des öffentlichen Stromnetzes 4 und schließt nach erfolgter Synchronisation der von dem ausgangsseitigen Stromrichter 20 erzeugten Wechselspannung an das öffentliche Stromversorgungsnetz 4 den Trennschalter 34. Damit ist der Betriebszustand der 3 erreicht. Erst jetzt wird der zweite Stromgenerator 14 und damit die Brennkraftmaschine 46 leistungsmäßig belastet.
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Das System 1 ist somit in der Lage, autark zu starten und sich an das öffentliche Stromversorgungsnetz 4 anzuschließen. Alternativ zu dem Starten der Brennkraftmaschine 46 kann der zweite Stromgenerator 14 auch beispielsweise durch das Aufkommen von Wind in Bewegung gesetzt werden oder durch das Fließen von Wasser über eine mit dem zweiten Stromgenerator 14 verbundene Wasserturbine.
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Wenn ausgehend von dem Betriebszustand der 3 die Leistung des zweiten Stromgenerator 14 abfällt, beispielsweise weil die Brennkraftmaschine 46 zum stehen kommt oder die Sonneneinstrahlung oder der Wind nachlässt, sinkt die elektrische Spannung auf den Zwischenkreis 10. Wenn die Spannung auf den Zwischenkreis 10 einen ersten Spannungswert unterschreitet, wird der ausgangsseitige Stromrichter 20 von der Steuereinheit 30 abgeschaltet. Dementsprechend wird keine Energie in das Stromversorgungsnetz 2 eingespeist. Sinkt die Spannung auf den Zwischenkreis 10 unter einen zweiten Spannungswert, wird auch die Spannungsversorgung 42 abgeschaltet und damit das System 1 insgesamt abgeschaltet, das daraufhin in einen Stand-by-Betrieb übergeht, wobei der Energieverbrauch des Systems 1 im Stand-by-Betrieb vorzugsweise im Wesentlichen Null beträgt.
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Wenn ausgehend vom Betriebszustand der 3 das System 1 einen Wegfall des öffentlichen Stromversorgungsnetzes 4 detektiert, oder wenn durch Öffnen des Schalters 44 ein solcher Ausfall simuliert wird oder die Trennung von dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 gesteuert herbeigeführt werden soll, öffnet das System 1 den Trennschalter 34 und trennt damit das System 1 vom öffentlichen Stromversorgungsnetz 4. Daraufhin versorgt das System 1 weiterhin das lokale Netz 6 mit elektrischer Energie, solange dem System 1 durch einen der Stromgeneratoren 12, 14 oder durch den Stromspeicher 16 eingangsseitig ausreichend elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird. Dies entspricht dem Betriebszustand der 4. Die Weiterversorgung des lokalen Netzes 6 bei Trennung von dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 erfolgt ohne nennenswerte Lastunterbrechung, insbesondere beträgt die Zeitdauer des Umschaltvorgangs weniger als 1 Sekunde, insbesondere weniger als 0,5 Sekunden und vorzugsweise weniger als 0,1 Sekunden.
