DE102014115596B4

DE102014115596B4 - Hybride Zusatzeinrichtung für einen Stromerzeuger und Insel-Netzsystem mit dieser

Info

Publication number: DE102014115596B4
Application number: DE102014115596.3A
Authority: DE
Inventors: Jochen Hantschel; Dr. Seehuber Michael
Original assignee: Pv4life GmbH
Current assignee: MOBILHYBRID UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT), DE
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: DE102014115596A1

Abstract

Es ist eine hybride Zusatzeinrichtung (8) für einen kraftstoffbetriebenen Stromerzeuger (2) geschaffen, die einen Eingangsanschluss (13) zur Verbindung mit einem Ausgang (6) des Stromerzeugers (2), eine erste Leitungsverbindung (17), die als Direktverbindung zwischen dem Eingangsanschluss (13) und einem ersten Ausgangsanschluss (14) verläuft und in der eine ansteuerbare Leitungstrenneinrichtung (19) angeordnet ist, und eine zweite Leitungsverbindung (18) aufweist, die zwischen dem Eingangsanschluss (13) und einem von dem ersten Ausgangsanschluss (14) gesonderten zweiten Ausgangsanschluss (16) verläuft. Die erste Leitungsverbindung (17) ist zur Speisung leistungsstarker dreiphasiger Verbraucher vorgesehen, während die zweite Leitungsverbindung 18 zur Speisung leistungsschwächerer, vorzugsweise einphasiger Verbraucher dient. Die zweite Leitungsverbindung (17) weist eine wiederaufladbare Speichereinrichtung (22), einen Laderegler (23) für die Speichereinrichtung (22) und einen Wechselrichter (26) auf, der in der Speichereinrichtung (22) gespeicherte Gleichstromenergie in Wechselstromenergie zur Bereitstellung an dem zweiten Ausgangsanschluss (16) wandelt. Eine Messeinrichtung (28) dient zur Messung einer Impedanz und Lastanforderung insbesondere an der ersten Leitungsverbindung (17) und eines Ladezustands der Speichereinrichtung (22). Eine Steuereinrichtung (29) ist zur Steuerung des Betriebs des Stromerzeugers (2), des Ladereglers (23) und des Wechselrichters (26) in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz und Lastanforderung und dem Ladezustand der Speichereinrichtung (22) im Sinne einer Minimierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Stromerzeugers (2) eingerichtet. Die Steuereinrichtung (29) weist ferner eine Logik zum Schutz von Benutzern gegen Gefahren bei plötzlicher Spannungswiederkehr nach Zuschaltung des Stromerzeugers (2) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hybride Zusatzeinrichtung für einen Stromerzeuger, der einen mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten Generator aufweist, um Verbraucher, die zu einem Insel-Stromnetz gehören, mit Wechselstromenergie zu versorgen, sowie ein Insel-Netzsystem mit einer derartigen hybriden Zusatzeinrichtung.
Stromerzeuger, auch als Stromaggregate bezeichnet, mit einer Brennkraftmaschine in Form eines diesel- oder benzinbetriebenen Verbrennungsmotors und einem mit diesem gekoppelten Wechselstromgenerator werden für viele Anwendungen, insbesondere auf Baustellen eingesetzt, auf denen vielfältige Verbraucher, wie Lastkräne, Hebevorrichtungen, Pumpen, Presslufthammer, Luftkompressoren, Betonrüttler und sonstige Arbeits- oder Bearbeitungsmaschinen eingesetzt und mit Strom versorgt werden müssen. Hierzu sind Stromerzeuger mit Wechselstromgeneratoren in einphasiger oder dreiphasiger Konfiguration und Ausgangsspannungen, die im Allgemeinen in einem Bereich von 230 bis 400 VAC liegen, und mit unterschiedlichen Nennleistungen von wenigen kW bis zum MW-Bereich bekannt.
Die insbesondere auf Baustellen vorzufindenden Verbraucher können sich in der Leistung stark voneinander unterscheiden. So muss der Stromerzeuger sowohl eine Handbohrmaschine oder Leuchte als auch weit höhere Lasten, wie bspw. Lastkräne oder Presslufthammer, versorgen. Im Allgemeinen wird ein Stromerzeuger hinreichend dimensioniert, um auch alle Verbraucher gleichzeitig bedienen zu können. Jedoch werden die unterschiedlichen elektrischen Maschinen bzw. Geräte oft unterschiedlich häufig, für mehr oder weniger ausgedehnte Zeiträume während eines Arbeitszyklus betrieben. Dies hat zur Folge, dass die Stromerzeuger meist im Teillastbereich, häufig im niedrigen Teillastbereich unterhalb von 40% oder sogar 30% der Nennleistung betrieben werden. Dies ist insofern nachteilig, als der spezifische Kraftstoffverbrauch derartiger Stromerzeuger gerade im niedrigen Teillastbereich enorm rasch, überproportional ansteigt. Bei 30% der Nennlast beträgt die spezifische Verbrauchserhöhung bereits 50%. Unterhalb von 10–15% der Nennlast kann der Nennverbrauch sogar bis auf das 8-fache ansteigen. Deshalb ist eine möglichst vollständige Ausnutzung der Nennleistung der Stromerzeuger anzustreben. Dies steht aber im Widerspruch zu der gewünschten Dimensionierung bzw. Überdimensionierung der Stromerzeuger, um hinreichend Reserve zur Speisung aller Verbraucher zu haben.
Im Allgemeinen liefert der Verbrennungsmotor eine konstante Generatordrehzahl von 1500 U/min (bzw. 1800 U/min), um die Netzfrequenz von 50 Hz (bzw. 60 Hz bspw. in Nordamerika) darzustellen. Dies führt bei niedriger Belastung neben dem erhöhten Kraftstoffverbrauch auch zu erhöhten Verlusten, da Subkomponenten, wie Lüfter und Kühlmittelpumpe, wesentlich höhere Volumenleistung erbringen als aufgrund der aktuellen Lastsituation des Verbrennungsmotors erforderlich ist. Auch die Reibungsverluste, die Geräuscherzeugung und die Emission von Abgasen sind im Teillastbereich unverhältnismäßig hoch.
Es sind vollhybridisierte Systeme vorgeschlagen worden, die am Ausgang eines Stromerzeugers einen elektrischen Energiespeicher, wie einen Akkumulator, mit einem Laderegler enthalten, um die von dem Stromerzeuger erzeugte Energie in dem Akkumulator zwischenzuspeichern und sie anschließend mittels eines Wechselrichters zur Versorgung der Verbraucher zu verwenden. Dies erfordert einen Wechselrichter, der je nach Generatornennleistung relativ stark dimensioniert sein muss, und einen intensiven Einsatz von Leistungselektronik, was dieses System relativ komplex und kostspielig macht.
Ferner sind drehzahlvariable AC-Stromerzeuger nach der sog. VSCF(Variable Speed Constant Frequency)-Technologie entwickelt worden, die einen leistungselektronischen Inverter enthalten und im Teillastbereich eine Absenkung der Drehzahl erlauben, wodurch die Leerlaufverluste reduziert werden können. Der Aufwand für diese Maßnahme ist allerdings sehr hoch. Die gesamte Generatorleistung muss gleichgerichtet und durch den Inverter wieder zu 50/60 Hz Wechselstrom umgewandelt werden. Der eingesetzte Inverter muss daher relativ groß dimensioniert sein und übertrifft oftmals hinsichtlich der Kosten das zugrunde liegende Aggregat. Ferner ist dieselbe Überlastfähigkeit wie bei dem Generator auch für den Inverter vorauszusetzen, was den notwendigen Halbleitereinsatz und die zugehörigen Kosten weiter nach oben treibt.
Außerdem kann dieses System ein Problem bei der Leistungsbereitstellung im Falle eines positiven Lastsprungs aufweisen. Wenn bspw. die Lastanforderung von 20% auf 100% der Nennlast steigt, kann es zur Unterversorgung des Inselnetzes kommen, da der Motor nicht genug Leistungsreserven zur Beschleunigung auf die Nenndrehzahl haben kann. Um dies zu vermeiden, wird der Motor meist mit einer Drehzahlreserve betrieben, was aber wiederum den Spareffekt beim Kraftstoffverbrauch beeinträchtigt. Außerdem werden durch die vollständige elektronische Umwandlung zusätzliche elektrische Verluste generiert, auch bei Nennlast, die bei hoher mittlerer Auslastung des Stromerzeugers die Einspareffekte im Teillastbereich zunichte machen können. Ferner ist durch den enormen Einsatz elektronischer Bauteile die statistische Zuverlässigkeit dieser Systeme deutlich verschlechtert.
Weiterhin sind teilhybridisierte Systeme vorgeschlagen worden, die bspw. eine erste Leitungsverbindung zwischen dem Stromerzeuger und dem Verbraucher, eine zweite oder Bypass-Leitungsverbindung, die parallel zu der ersten Leitungsverbindung verläuft und eine Batterie, einen Laderegler für diese und einen nachgeschalteten Wechselrichter aufweist, und Schaltmittel umfasst, um bedarfsweise zwischen der ersten und der zweiten Leitungsverbindung umzuschalten. Der Verbraucher kann wahlweise direkt von dem Stromerzeuger oder von der Batterie gespeist werden. Problematisch ist hierbei die Umschaltung zwischen den Leitungsverbindungen, um vom Generatorbetrieb in den batteriegespeisten Betrieb zu wechseln oder umgekehrt. Die Synchronisierung der Öffnung eines Leitungstrenners in einer Leitungsverbindung und des Schließens eines anderen Leitungstrenners in der anderen Leitungsverbindung kann im Betrieb Schwierigkeiten bereiten. Der Wechselrichter muss recht groß ausgelegt werden, und er ist deshalb relativ kostspielig.
Aus der WO 2014/107169 A1 ist ein Insel-Netzsystem mit einer Einrichtung für einen Stromerzeuger bekannt, der einen mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten Generator aufweist, um Verbraucher mit Wechselstrom zu versorgen. Mehrere erste Verbraucher werden über eine erste Leitungsverbindung direkt von dem Stromerzeuger gespeist, während mehrere zweite Verbraucher über eine zweite Leitungsverbindung mit dem Stromerzeuger verbunden sind. In der zweiten Leitungsverbindung ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angeordnet, die eine wiederaufladbare Batterie, einen Laderegler und einen Wechselrichter aufweist.
In einigen bekannten Insel-Netzsystemen wird der Generator nach einer gewissen Zeitdauer abgeschaltet, wenn keine Lastanforderung mehr in dem Insel-Netzsystem vorliegt. Sobald aber ein Verbraucher eingeschaltet wird und eine Mindestlastanforderung überschritten wird, muss der Stromerzeuger schnell wieder eingeschaltet werden und hochlaufen, um die Netzspannung wiederherzustellen. Dies kann aber Gefahren für die Benutzer bergen. Wenn beim Einschalten einer Maschine der Stromgenerator noch nicht zugeschaltet oder noch nicht auf seine Nenndrehzahl hochgelaufen ist, wird die Maschine nicht loslaufen. Der Benutzer kann hierauf mit Verwunderung und wiederholtem Ein- und Ausschalten der Maschine reagieren. Sobald der Stromerzeuger anschließend annähernd die Nenndrehzahl erreicht und die Spannung plötzlich wiederkehrt, kann die Maschine bei eingeschaltetem Einschalter plötzlich, unvorhergesehen loslaufen, was die Sicherheit des Benutzers gefährden kann. Derartige Gefahren sollten möglichst ausgeschlossen werden.
Aus der WO 2007/148177 A1 ist eine Vorrichtung zur Kontrolle des Ein- und Ausschaltens eines Stromaggregats bekannt, die eine Trenneinrichtung in einer direkten Lastleitung zwischen einem dreiphasigen Stromerzeuger und einem dreiphasigen Verbraucher, eine erste Messeinrichtung zur Überwachung des Laststroms, um das Ein- und Ausschalten des Stromerzeugers zu steuern, eine zweite Messeinrichtung, die Hilfsstromimpulse einem der Trenneinrichtung nachgelagerten Netzabschnitt zuführt und die Impedanz dieses Netzabschnitts misst, und einen oder mehrere Stromsensoren zur Messung des aktuellen Stromverbrauchs aufweist. Die Stromsensoren sind mit der ersten Messeinrichtung verbunden, um bei Fehlen einer Lastanforderung für eine ununterbrochene vorbestimmte Zeitdauer den Stromerzeuger auszuschalten. Dadurch ist das System in der Lage, den Betrieb des Stromerzeugers in den tatsächlichen Einsatzzeiträumen der erzeugten Energie zu optimieren, wodurch der Kraftstoffverbrauch, Lärm- und Abgasemissionen und laufende Kosten reduziert werden können. Außerdem kann durch die automatische Steuerung der Ein- und Ausschaltung des Stromerzeugers die Sicherheit für die Bediener selbst verbessert werden.
Weitere Systeme und Vorrichtungen, die die zu speisenden Lasten bzw. die Lastanforderung sowie gegebenenfalls den Ladezustand einer Batterie überwachen und davon abhängig einen Stromerzeuger, einen Laderegler für die Batterie und/oder einen Wechselrichter zur Umwandlung der Gleichspannungsenergie der Batterie in Wechselspannungsenergie für die Lasten ansteuern, sind bspw. aus der FR 2 622 750 A1 , der JP H05296078 A und der US 2012/0056436 A1 bekannt.
Ausgehend hiervon ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine hybride Zusatzeinrichtung für einen konventionellen Stromerzeuger zu schaffen, die in der Lage ist, dessen Kraftstoffverbrauch im Betrieb zu reduzieren. Dies insbesondere bei geringer Komplexität der Zusatzeinrichtung und in einfacher und kostengünstiger Weise.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Zusatzeinrichtung zu schaffen, die sowohl den spezifischen Kraftstoffverbrauch des Stromerzeugers im Betrieb optimieren kann als auch Sicherheit für Benutzer in Form von Schutz vor plötzlicher Spannungswiederkehr bietet.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Zusatzeinrichtung zu schaffen, die auch eine Einbindung erneuerbarer Energie ermöglicht.
Noch weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Insel-Netzsystem mit einer derartigen Zusatzeinrichtung zu schaffen.
Diese Aufgaben werden mit einer hybriden Zusatzeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Insel-Netzsystem nach Anspruch 17 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine hybride Zusatzeinrichtung für einen Stromerzeuger geschaffen, der einen mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten Generator und einen elektrischen Ausgang aufweist, um Verbraucher eines lokalen Insel-Netzes mit Wechselstromenergie zu versorgen. Die Zusatzeinrichtung weist einen Eingangsanschluss zur Verbindung mit dem Ausgang des Stromerzeugers auf, um die erzeugte Wechselstromenergie von dem Stromerzeuger zu empfangen. Die Zusatzeinrichtung weist ferner eine erste Leitungsverbindung auf, die zwischen dem Eingangsanschluss und einem ersten Ausgangsanschluss zur Verbindung mit einem oder mehreren ersten Verbrauchern angeschlossen ist und eine ansteuerbare Leitungstrenneinrichtung aufweist, um den Eingangsanschluss bedarfsweise mit dem Ausgangsanschluss leitend zu verbinden bzw. von diesem galvanisch zu trennen. Die Zusatzeinrichtung weist ferner eine von der ersten Leitungsverbindung gesonderte zweite Leitungsverbindung auf, die zwischen dem Eingangsanschluss und einem von dem ersten Ausgangsanschluss gesonderten zweiten Ausgangsanschluss angeschlossen ist, der zur Verbindung mit einem oder mehreren zweiten Verbrauchern dient. In der zweiten Leitungsverbindung sind eine wiederaufladbare Speichereinrichtung zur gesteuerten Zwischenspeicherung und bedarfsweisen Wiederabgabe elektrischer Energie, ein Laderegler für die Speichereinrichtung, der mit dem Eingangsanschluss elektrisch verbunden ist, und ein Wechselrichter angeordnet, der eingerichtet ist, um Gleichspannungsenergie der Speichereinrichtung in Wechselspannungsenergie zur Bereitstellung an dem zweiten Ausgangsanschluss umzuwandeln. Es ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die zur Messung einer Impedanz und einer Lastanforderung des einen oder der mehreren ersten und zweiten Verbraucher und eines Ladezustands der Speichereinrichtung und zur Lieferung hierfür kennzeichnender Messsignale eingerichtet ist. Eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Betrieb des Stromerzeugers, des Ladereglers und des Wechselrichters in Abhängigkeit von von der Messeinrichtung gelieferten aktuellen Messsignalen, die die Impedanz und die Lastanforderung des einen oder der mehreren ersten und zweiten Verbraucher und den Ladezustand der Speichereinrichtung kennzeichnen, zu steuern. Gemäß der Erfindung weist die Messeinrichtung eine Impedanzmesseinheit auf, die dazu dient, die Impedanz eines der Leitungstrenneinrichtung nachgelagerten Netzabschnittes zu erfassen und ein hierfür kennzeichnendes Signal zu liefern. Die Steuereinrichtung weist eine Logik auf, um ein Einschalten des Stromerzeugers zu veranlassen, wenn die von der Impedanzmesseinheit gemessene Impedanz eine Impedanzverringerung unter eine vorbestimmte Mindestschwelle zeigt, und die Leitungstrenneinrichtung freizugeben, wenn die gemessene Impedanz nach der Impedanzverringerung unter die Mindestschwelle wieder ein vorbestimmtes höheres Mindestniveau für mindestens einen ersten bestimmten Zeitraum übersteigt.
Die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung stellt zwei unterschiedliche Leitungsverbindungen und Ausgänge mit unterschiedlichen Leistungsniveaus auf diesen bereit, die zur Versorgung von Verbrauchern mit unterschiedlich hoher Nennleistung genutzt werden können. Leistungsstarke Verbraucher können an den ersten Ausgangsanschluss angeschlossen und direkt von dem Generator des Stromerzeugers gespeist werden. Leistungsschwache Verbraucher können an den zweiten Ausgangsanschluss angeschlossen und von der Batterie gespeist werden. Dies bietet die Basis für eine hohe Kraftstoffersparnis, weil meist über längere Zeiträume nur leistungsschwache Verbraucher versorgt werden müssen. Der Stromerzeuger kann dann abgeschaltet und muss nur für seltene und kurze Zeiträume zugeschaltet werden, in denen leistungsstarke Verbraucher bedient werden müssen. Der Stromerzeuger kann stets mit hoher Leistung, in der Nähe der Nennleistung betrieben werden. Durch die Aufteilung der gesonderten Lastkreise mit gesonderten Ausgängen für leistungsstarke bzw. -schwache Verbraucher wird neben der Kraftstoffverbrauchsreduktion auch eine Verringerung der Abgas- und CO₂-Emissionen und der Geräuschentwicklung erzielt. Die reduzierten Einsatzzeiten der Stromerzeuger helfen, Verschleiß zu reduzieren, Wartungsintervalle zu verlängern und Betriebskosten zu senken.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für einen Drehstromerzeuger sind der Eingangsanschluss, die erste Leitungsverbindung und der erste Ausgangsanschluss in dreiphasiger Konfiguration ausgeführt. Der Stromerzeuger ist bspw. ein dreiphasiger Synchrongenerator, der mit einem benzin- oder dieselbetriebener Verbrennungsmotor gekoppelt ist und der Drehstromenergie mit einer Nennspannung von bspw. 400 V liefert. An den dreiphasigen ersten Ausgangsanschluss können leistungsstarke dreiphasige Verbraucher angeschlossen werden. Die Leitungstrenneinrichtung ist dann vorzugsweise eingerichtet, um die Phasen der ersten Leitungsverbindung wahlweise einzeln oder gemeinsam zu schließen oder zu unterbrechen. Der Laderegler für die Speichereinrichtung ist mit einem oder mehreren Phaseneingängen des Eingangsanschlusses verbunden und eingerichtet, um aus der von dem Stromerzeuger gelieferten Wechselstrom- bzw. Drehstromenergie eine variable Gleichspannung und einen variablen Gleichstrom zu erzeugen, die sich zum Laden der Speichereinrichtung eignen.
In der vorerwähnten bevorzugten Ausführungsform sind die zweite Leitungsverbindung und der zweite Ausgangsanschluss vorzugsweise in einphasiger Konfiguration ausgeführt, um im Allgemeinen deutlich leistungsschwächere einphasige Verbraucher über den zweiten Ausgangsanschluss zu versorgen. Wenn einphasige Verbraucher gesondert versorgt werden, kann vorteilhafterweise eine asymmetrische Belastung des Drehstromsystems vermieden werden. Es kann der gesamte Leistungsanteil im Drehstromsystem dreiphasig genutzt werden, da keine unterschiedlich stark belasteten Phasen vorhanden sind.
Der oder die ersten Verbraucher, die über den Drehstromkreis versorgt werden, sind also vorzugsweise dreiphasige Verbraucher, die zu einer ersten Gruppe von Verbrauchern relativ hoher Nennleistung gehören, während der eine oder die mehreren zweiten Verbraucher vorzugsweise einphasige Verbraucher sind, die zu einer zweiten Gruppe von Verbrauchern gehören, deren Nennleistung vorzugsweise jeweils relativ niedriger ist als diejenige der Verbraucher der ersten Gruppe. Bei der bevorzugten Anwendung für Baustellen, kann die erste Gruppe bspw. Lastkräne, Hebevorrichtungen, Pumpen, Presslufthammer, Luftkompressoren, Betonrüttler, Kreissäge und dgl. umfassen, während zu der zweiten Gruppe kleinere einphasige Arbeits- und Bearbeitungsmaschinen, wie z.B. Schleifer, Bohrmaschine, Hochdruckreiniger, etc. sowie auch Beleuchtung, Radio, Kühlschränke und dgl. gehören können. Durch Vorsehen eines dreiphasigen ersten Ausgangsanschlusses und eines oder mehrerer einphasiger zweiter Ausgangsanschlüsse ist die Zuordnung der Verbraucher zu den Ausgangsanschlüssen eindeutig.
Aufgrund der Batteriespeisung kleinerer Verbraucher kann der Stromerzeuger relativ kleiner dimensioniert werden, indem er nur für die Summe aller Lasten abzüglich der Summe der niedrigen Lasten ausgelegt werden muss. Dies reduziert Anschaffungs- und Betriebskosten und trägt zur weiteren Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, der Abgas- und Geräuschemissionen bei. Außerdem kann der der Speichereinrichtung nachgeschaltete Wechselrichter relativ klein, nur für die niedrigen Lasten, bspw. für Spitzenlasten zwischen 3 kW bis 5 kW im Vergleich zu einem Stromerzeuger mit einer Nennleistung von 10 bis 20 kW, ausgelegt werden. Insbesondere im Vergleich zu drehzahlvariablen AC-Stromerzeugern nach der VSCF-Technologie kann hier eine deutliche Kostenreduktion erreicht werden.
Die hybride Zusatzeinrichtung der Erfindung kann auch zwei oder mehrere einphasige Wechselrichter in der zweiten Leitungsverbindung aufweisen, die eingerichtet sind, um aus der Gleichspannung der Speichereinrichtung zwei oder mehrere einphasige Wechselspannungen von 110 VAC bzw. 230 VAC zu erzeugen. Insbesondere können die zwei oder mehreren einphasigen Wechselspannungen einen Phasenversatz von 120 Grad zueinander aufweisen. Alternativ könnte auch ein dreiphasiger Wechselrichter geringer Nennleistung verwendet werden.
Die Speichereinrichtung ist ein elektrischer Akkumulator bzw. eine wiederaufladbare Batterie, der bzw. die es ermöglicht, elektrische Energie auch langfristig bei möglichst geringer Selbstentladung zu speichern. Hierzu können unterschiedliche Speichertechnologien genutzt werden. Bevorzugt werden Batterien auf Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Basis verwendet, wobei auch andere bekannte oder künftige Batterietypen, wie Blei-Gel-, Flüssigelektrolyt-, NiMH-, NiCd-Batterien, etc. verwendbar sind. Vorzugsweise weist die Batterie, die auch mehrere zusammengeschaltete Batterien umfassen kann, eine maximale Spannung von 120 VDC auf, um Arbeiten an dem Stromkreis durch einen Elektrofachmann ohne exzessive Schutzmaßnahmen zuzulassen.
Die Speichereinrichtung sollte schnell ladefähig, also in der Lage sein, einen relativ hohen Ladestrom in kurzer Zeit aufzunehmen. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Stromerzeugers auch dann, wenn nur ein Ladebetriebsvorgang vorliegt. Hierzu sollte der Laderegler relativ groß, insbesondere größer als der der Speichereinrichtung nachgeschaltete Wechselrichter dimensioniert werden, um einen hohen Ladestrom zu ermöglichen. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Speichereinrichtung bei einem Stromerzeuger der Nennleistung im Bereich von 10–20 kW, z.B. etwa 15 kW, eine Speicherkapazität von 1,5 bis 4 kWh, z.B. 2 kWh, auf, während der Laderegler eine Nennleistung von 5–7 kW, z.B. etwa 6 kW, aufweist und der Wechselrichter eine Nennleistung von 3–5 kW, z.B. etwa 3,5 kW, aufweist. Je nach Anwendung, bspw. Größe der Baustelle, können die Komponenten der Zusatzeinrichtung und der Stromerzeuger auch stärker oder schwächer ausgelegt sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist dem Wechselrichter ein Gleichspannungswandler zugeordnet, um eine Gleichspannung der Speichereinrichtung in eine Gleichspannung mit einem für den Wechselrichter geeigneten höheren Spannungsniveau umzuwandeln. Ein derartiger Aufwärtswandler kann insbesondere eingesetzt werden, wenn an dem zweiten Ausgangsanschluss eine Wechselspannung von 230 VAC ausgehend von einer deutlich niedrigeren Batteriespannung generiert werden soll. Der Gleichspannungswandler kann wie der Wechselrichter insbesondere auf Leistungselektronik basieren.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind der Laderegler und der Wechselrichter in einem eigenständigen kombinierten Laderegler/Wechselrichter-Gerät implementiert. Dieses weist Eingangsklemmen, die an einen Phaseneingang und einen Neutraleingang des Eingangsanschlusses angeschlossen sind, Wechselspannungs-Ausgangsklemmen, die mit dem zweiten Ausgangsanschluss zur Versorgung des oder der einphasigen zweiten Verbraucher verbunden sind, und Gleichspannungs-Anschlussklemmen auf, die mit Polen der Speichereinrichtung verbunden sind. Das Kombigerät weist ferner integrierte Mittel zur Erkennung der Last an den ersten Ausgangsklemmen, zur Überwachung des Ladezustands der Speichereinrichtung und zur Überwachung der Eingangsspannung sowie Steuermittel zur Steuerung eines Lade- und Entladebetriebs der Speichereinrichtung und der Versorgung des oder der einphasigen zweiten Verbraucher auf. Ein derartiges kombiniertes Laderegler/Wechselrichter-Gerät ist bspw. unter dem Handelsnamen Xtender XTM von der Firma Studer Innotec SA, Schweiz, kommerziell erhältlich.
Das kombinierte Laderegler/Wechselrichter-Gerät kann ferner eine ansteuerbare Umschalteinrichtung aufweisen, die es ermöglicht, zwischen einem Wechselrichterbetrieb, bei dem der oder die zweiten Verbraucher ausschließlich durch den Wechselrichter über die Speichereinrichtung mit Strom versorgt werden, und einem Betriebsmodus umzuschalten, bei dem die an den Eingangsklemmen anliegende Spannung direkt an den ersten Ausgangsklemmen zur Versorgung des oder der zweiten Verbraucher bereitgestellt wird. Im letzteren Fall kann bedarfsweise auch parallel die Speichereinrichtung geladen werden, um die Kraftstoffeffizienz des Stromerzeugers weiter zu verbessern.
Zusätzlich oder alternativ kann die hybride Zusatzeinrichtung ferner wenigstens ein Schaltnetzteil aufweisen, das zwischen dem Eingangsanschluss und der Speichereinrichtung angeschlossen ist, um bedarfsweise eine Ladespannung für die Speichereinrichtung zu generieren. Dabei ist jedes von dem wenigstens einen Schaltnetzteil mit einem Phaseneingang des Eingangsanschlusses verbunden, der sich von dem Phaseneingang, an dem das kombinierte Laderegler/Wechselrichter-Gerät angeschlossen ist, unterscheidet. Die Nennleistung des Stromerzeugers kann besser genutzt werden und das Drehstromsystem wird symmetrischer belastet.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist zur Messung der Impedanz, der Lastanforderung und zur Überwachung des Ladezustands der Speichereinrichtung eingerichtet. Hierzu weist die Messeinrichtung die Impedanzmesseinheit auf, die dazu dient, die Impedanz eines über die Leitungstrenneinrichtung galvanisch getrennten nachgelagerten Netzabschnittes, insbesondere Drehstromkreises, zu erfassen und ein hierfür kennzeichnendes Signal zu liefern. Die gemessene Impedanz wird von der Steuereinrichtung zur Erkennung, wenn Verbraucher in dem nachgelagerten Netzabschnitt eingeschaltet werden und der Stromerzeuger automatisch gestartet und zugeschaltet werden soll, verwendet.
Die Steuereinrichtung weist hierzu die Logik auf, die ein Einschalten des Stromerzeugers und ein Zuschalten desselben bei Erkennen einer entsprechenden Lastanforderung im nachgelagerten Netzabschnitt ermöglicht und dabei Schutz für den Benutzer vor Gefahren bietet, die durch die plötzliche Spannungswiederkehr in dem Netzabschnitt herrühren können.
Die Logik der Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, ein Einschalten des Stromerzeugers zu veranlassen, wenn die von der Impedanzmesseinrichtung gemessene Impedanz eine Impedanzverringerung bzw. einen Impedanzsprung unter eine vorbestimmte Mindestschwelle zeigt, die anzeigt, dass mindestens ein leistungsstarker Verbraucher in dem nachgelagerten Netzabschnitt eingeschaltet worden ist. Die Logik gibt aber nicht sofort die Leitungstrenneinrichtung frei, um ein Schließen der ersten Leitungsverbindung zum Zuschalten des Stromerzeugers zuzulassen. Vielmehr wird die Leitungstrenneinrichtung erst freigegeben, wenn erkannt ist, dass der Benutzer den betreffenden Verbraucher wieder abgeschaltet hat. Die Steuerlogik überwacht fortdauernd die Impedanz und gibt die Leitungstrenneinrichtung erst dann frei, wenn die gemessene Impedanz nach der Impedanzverringerung unter die Mindestschwelle wieder ein vorbestimmtes höheres Mindestniveau für mindestens einen ersten bestimmten Zeitraum übersteigt. Es wird so sichergestellt, dass die Netzspannung erst dann vollständig wiederkehrt bzw. anliegt, wenn der Verbraucher abgeschaltet ist. Ein Benutzer kann anschließend den Verbraucher wieder einschalten, woraufhin dieser sofort startet bzw. zu laufen beginnt. Ein unvorhersehbares plötzliches Starten des Verbrauchers aufgrund einer plötzlichen Spannungswiederkehr nach Hochlaufen des Generators wird somit vermieden, was die Sicherheit für den Benutzer erhöht.
Der erste bestimmte Zeitraum kann vorbestimmt sein und im Bereich von etwa 1 bis 60 Sekunden liegen. Vorzugsweise liegt er im Bereich von 3 bis 30 Sekunden und noch mehr bevorzugt bei 5–15 Sekunden. Der erste Zeitraum hängt von der gewünschten Sicherheit, dem verwendeten Stromerzeuger und gegebenenfalls auch von den zu versorgenden Verbrauchern ab. Es kann auch die geschätzte oder empirisch ermittelte Zeitdauer, bis der Stromerzeugergenerator seine Nennfrequenz von 50 oder 60 Hz erreicht, berücksichtigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste bestimmte Zeitraum der hohen Impedanz, also der Impedanz auf dem vorbestimmten höheren Mindestniveau, einem zweiten Zeitraum nachgeführt, den der Stromerzeuger bei den aktuellen Betriebs- und Umgebungstemperaturen benötigt, um eine Netznennfrequenz von bspw. 50 Hz bei voller Belastbarkeit zu erreichen. Der Zeitpunkt des Erreichens der Nennfrequenz wird erfasst und der Stromerzeuger erst zugeschaltet, wenn in dem ersten bestimmten Zeitraum unmittelbar vor diesem Zeitpunkt (oder auch nach diesem Zeitpunkt oder um diesen Zeitpunkt herum) der betreffende Verbraucher wieder ausgeschaltet war. Um dies zu bewerkstelligen, weist die Messeinrichtung vorzugsweise eine Frequenzmesseinheit auf, die die Frequenz mindestens einer Phase am Ausgang des Stromerzeugers misst und ein hierfür kennzeichnendes Messsignal an die Steuereinrichtung liefert.
Vorzugsweise unterbindet die Logik der Steuereinrichtung ein Freigeben der Leitungstrenneinrichtung sofort, wenn innerhalb des Beobachtungszeitraums die gemessene Impedanz wieder sinkt, was anzeigt, dass ein Benutzer den Verbraucher wiederholt eingeschaltet hat, während die Netzspannung noch nicht vollständig anliegt.
Um einen effizienten Betrieb des Stromerzeugers und der Komponenten der Zusatzeinrichtung steuern zu können, weist die Messeinrichtung vorzugsweise ferner eine Lastanforderungsmesseinheit auf, die dazu dient, eine Lastanforderung eines an den ersten Ausgangsanschluss angeschlossenen Netzabschnittes zu erfassen und ein hierfür kennzeichnendes Lastmesssignal zu liefern. Die Steuereinrichtung weist dann eine Logik auf, die anhand des Lastmesssignals ein Unterschreiten einer einstellbaren Mindestlastschwelle erkennt und vorzugsweise nach einer einstellbaren Wartezeit von vorzugsweise mindestens 5 Sekunden ein Abschalten des Stromerzeugers veranlasst. Die Wartezeit kann je nach Anforderungen auch 10, 15 oder 20 Sekunden oder sogar eine oder mehrere Minuten betragen. Im Allgemeinen wird die Wartezeit festgelegt, um die Dauer eines Leerlaufbetriebs des Stromerzeugers zu minimieren, aber ein zu häufiges Ein- und Ausschalten des Stromerzeugers zu vermeiden.
Für einen effizienten Betrieb weist die Steuereinrichtung ferner eine Logik auf, die den Laderegler in Abhängigkeit von der momentanen Lastanforderung an dem nachgelagerten Netzabschnitt und dem momentanen Ladezustand der Speichereinrichtung steuert. Die Logik veranlasst den Laderegler möglichst so viel Leistung zum Batterieladen zu entnehmen, dass der Generator zumindest annähernd Nennleistung liefern kann. Indem der Stromerzeuger gleichzeitig leistungsstarke Verbraucher versorgt und die Speichereinrichtung speist, kann der Stromerzeuger veranlasst werden, meist im oberen Teillastbereich oder bei Volllast zu arbeiten. Die Logik der Steuereinrichtung veranlasst aber vorzugsweise, dass der Ladestrom des Ladereglers begrenzt oder unterbunden wird, wenn das gemessene Lastanforderungsmesssignal anzeigt, dass die Summe aus der Last des Ladereglers und der leistungsstarken Verbraucher an dem ersten Ausgangsanschluss eine Nennlast des Stromerzeugers übersteigt. Eine Überlastung des Generators des Stromerzeugers wird dadurch vermieden. Es wird nur überschüssige Energie in der Speichereinrichtung gespeichert und der Stromerzeuger in einem kraftstoffeffizienten Betriebspunkt betrieben.
Die hybride Zusatzeinrichtung kann in den Stromerzeuger integriert sein oder eine von diesem gesonderte externe Vorrichtung bilden. Im letzteren Fall weist die Zusatzeinrichtung vorzugsweise eine Schnittstelle auf, über die verschiedene Parameter eingebbar sind, wozu auch die spezifische Nennleistung des Stromerzeugers gehört, die von der Logik der Steuereinrichtung zur Steuerung des Ladereglers benötigt wird. Die Zusatzeinrichtung kann auch eingerichtet sein, um verschiedene Parameter, einschließlich der spezifischen Nennleistung, direkt von dem angeschlossenen Stromerzeuger abzufragen.
Zur Kommunikation mit dem Stromerzeuger kann die Zusatzeinrichtung eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsschnittstelle aufweisen. Diese kann auch auf vielfältigen Kommunikationstechnologien basieren, einschließlich Funk, ZigBee, Infrarot, Laser, Akustiksignale, Ultraschall, W-LAN, SMS, E-Mail, XML, Bluetooth, Telefon und dgl. oder einer Kombination derselben, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Insel-Netzsystem, insbesondere zur Versorgung von Verbrauchern auf Baustellen, mit einem Stromerzeuger, der eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen diesel- und benzinbetriebenen Verbrennungsmotor, und einen mit der Brennkraftmaschine gekoppelten Generator aufweist, der an seinem elektrischen Ausgang ein- oder mehrphasige Wechselstromenergie liefert, und mit einer hybriden Zusatzeinrichtung geschaffen, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert sein kann. Die Zusatzeinrichtung ist entweder in den Stromerzeuger integriert oder bildet eine mit dem Stromerzeuger koppelbare externe Vorrichtung. Die Vorteile der Zusatzeinrichtung kommen auch dem gesamten Insel-Netz-System zugute, so dass diesbezüglich generell auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Vorteilhafterweise kann der Stromerzeuger mehrere Betriebsmodi mit unterschiedlicher Nenndrehzahl, z.B. mit niedriger, mittlerer und hoher Drehzahl, aufweisen. Die Steuereinrichtung kann dann eingerichtet sein, um eine Wahl eines je nach momentanen Betriebsbedingungen geeigneten, effizienten Betriebsmodus zu veranlassen. Bspw. kann die Steuereinrichtung für den Fall der ausschließlichen Ladung der Speichereinrichtung einen Betriebsmodus mit niedriger Drehzahl wählen, während ansonsten je nach angeschlossenen leistungsstarken Verbrauchern eine mittlere oder hohe Drehzahl passend sein kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das Insel-Netzsystem auch mehrere Stromerzeugereinheiten mit unterschiedlicher Nennleistung der jeweiligen Generatoren aufweisen, und die Steuereinrichtung kann in Abhängigkeit von der aktuellen Höhe eines Impedanz- oder Lastanforderungssprungs den Betrieb einer oder mehrerer geeigneter Stromerzeugereinheiten veranlassen. Außerdem können mehrere Stromerzeugereinheiten eine vorteilhafte Redundanz schaffen, die es ermöglicht, auf einen anderen Stromerzeuger zu wechseln, wenn erkannt wird, dass ein Erzeuger störungsbedingt nicht hochläuft.
Die hybride Zusatzeinrichtung ermöglicht auch eine Einbindung erneuerbarer Energien. Bspw. kann die hybride Zusatzeinrichtung einen integrierten DC/DC-Wandler, der eingerichtet ist, um mit einem Photovoltaikgenerator gekoppelt zu werden, und einen MPP-Tracker-Algorithmus für den Photovoltaikgenerator aufweisen, um diesen in dem Punkt seiner maximalen Leistungsabgabe (Maximum Power Point, MPP) zu betreiben. Das Insel-Netzsystem kann dann um einen Photovoltaikgenerator mit einem oder mehreren Strings von Photovoltaikmodulen ergänzt werden, wobei der Photovoltaikgenerator vorzugsweise angeschlossen wird, um die Speichereinrichtung direkt zu speichern. Die Ankopplung an andere erneuerbare Energiequellen, wie bspw. Wind- oder Wasserkraftanlagen oder dgl., ist ebenfalls möglich.
Optional kann die Zusatzeinrichtung für den Einsatz unter Kältebedingungen eine Heizeinrichtung aufweisen, die angeschlossen und eingerichtet ist, um die Speichereinrichtung bedarfsweise zu erwärmen. Damit kann die Leistung der hybriden Zusatzeinrichtung auch unter tiefen Umgebungstemperaturen sichergestellt bzw. verbessert werden. Bspw. kann eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen sein, die entweder von dem Stromerzeuger über den Eingangsanschluss, von der Speichereinrichtung selbst oder von einer Hilfsenergiequelle, wie bspw. einem Photovoltaikgenerator, oder einer Kombination von diesen gespeist wird. Die elektrische Heizeinrichtung kann bspw. ein oder mehrere Heizelemente und einen Umwälzlüfter aufweisen. Über ein Start- und Stoppsignal kann der Generator auch zu Heizzwecken bei niedrigen Temperaturen gestartet und angehalten werden. Alternativ kann auch eine Heizeinrichtung verwendet werden, die den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors oder erwärmte Abluft der Kühleinrichtung des Verbrennungsmotors bei niedrigen Umgebungstemperaturen nutzt und dadurch die Verlustwärme des Stromerzeugers ausnutzen kann.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, Beschreibung oder Unteransprüchen. In der Zeichnung sind lediglich zu Veranschaulichungszwecken Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, die diese in keiner Weise beschränken. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Insel-Netzsystems mit einer hybriden Zusatzeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, in einer stark schematisierten Darstellung;
2a und 2b grafische Darstellungen, die beispielhafte Zeitverläufe der Impedanz zur Veranschaulichung von Ausführungsformen einer Steuerlogik der Zusatzeinrichtung gemäß der Erfindung zeigen;
3 eine weitere Ausführungsform eines Insel-Netzsystems und einer hybriden Zusatzeinrichtung, in stark schematisierter Blockschaltdarstellung, ähnlich 1; und
4 eine noch weitere Ausführungsform eines Insel-Netzsystems und einer hybriden Zusatzeinrichtung, in stark schematisierter Blockschaltdarstellung, ähnlich 1.
1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein Blockschaltbild eines Insel-Netzsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Insel-Netzsystem 1 kann bspw. ein lokales Netz einer Baustelle sein, auf der unterschiedliche Verbraucher, wie Maschinen und Gerätschaften, mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Das Insel-Netzsystem 1 weist einen auch als Stromaggregat bezeichneten Stromerzeuger 2 auf, der in herkömmlicher Weise mit einer schematisch angezeigten Brennkraftmaschine 3, z.B. einem Diesel- oder Benzinkolbenmotor, und einem Generator 4, im Allgemeinen einem Synchrongenerator, ausgestattet ist, der mit einer Ausgangswelle des Motors 3 gekoppelt ist, um mechanische Energie der Abtriebswelle des Motors 3 in elektrische Energie umzuwandeln. Wie veranschaulicht, kann der Stromerzeuger 2 ein dreiphasiger Stromerzeuger sein, der Drehstrom an seinem dreiphasigen Ausgang 6 liefert. Ferner kann der Stromerzeuger eine Kommunikationsschnittstelle 7 zur Kommunikation mit externen Geräten und Steuerungen aufweisen.
Wie ferner aus 1 hervorgeht, sind an den elektrischen Ausgang 6 des Stromerzeugers 2 über eine erfindungsgemäße hybride Zusatzeinrichtung 8 mehrere elektrische Verbraucher 9 angeschlossen. Die Verbraucher 9 sind hier in zwei Gruppen 11, 12 gruppiert. Zu der Gruppe 11 gehören relativ leistungsstarke dreiphasige Verbraucher 11a, 11b, 11c etc., während zu der Gruppe 12 relativ leistungsschwache einphasige Verbraucher 12a, 12b, 12c etc. gehören, deren Nennleistung jeweils relativ niedriger als diejenige der Verbraucher 11a–c der ersten Gruppe 11 ist. Bei der Anwendung für Baustellen, können bspw. zu der ersten Verbrauchergruppe 11 Lastkräne, Hebevorrichtungen, Pumpen, Presslufthammer, Luftkompressoren, Betonrüttler, Kreissäge oder dgl. gehören, während zu der zweiten Verbrauchergruppe 12 eher kleinere Arbeits- und Bearbeitungsmaschinen, wie bspw. Bohrmaschinen, sowie auch Leuchten, Radios oder dgl. gehören können.
Die hybride Zusatzeinrichtung 8, von der eine erste Ausführungsform in 1 dargestellt ist, bildet eine Schnittstelle zwischen dem Stromerzeuger 2 und den Verbrauchern 9, die dazu eingerichtet ist, eine hinreichende Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 9 sicherzustellen und dabei die Kraftstoffeffizienz des Stromerzeugers 2 sowie auch die Sicherheit für (hier nicht näher dargestellte) Benutzer der elektrischen Verbraucher 9 zu verbessern. Die hybride Zusatzeinrichtung 8 kann eine von dem Stromerzeuger 2 gesonderte, externe Vorrichtung bilden, die mit dem Stromerzeuger 2 bspw. über Stromversorgungs- und Steuerungskabel gekoppelt wird, oder kann auch in den Stromerzeuger 2 integriert und im Innern eines hier nicht näher dargestellten Gehäuses des Stromerzeugers untergebracht sein.
Im Übrigen ist der Stromerzeuger im Unterschied zu Verbrennungsmotoren, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden, ein stationärer Stromerzeuger, insofern als er im Betrieb ortsfest verbleibt. Nichtsdestoweniger kann der Stromerzeuger aber auch insofern mobil sein, als er bspw. von einer Baustelle zu einer anderen transportiert und dort aufgestellt und wieder in Betrieb genommen werden kann.
Die hybride Zusatzeinrichtung 8 weist einen Eingangsanschluss 13, hier einen dreiphasigen Eingangsanschluss 13 mit der Phaseneingängen 13a, 13b, 13c und einem Neutraleingang 13d zur Verbindung mit dem Ausgang 6 des Stromerzeugers 2, einen ersten, hier insbesondere dreiphasigen Ausgangsanschluss 14 zur Verbindung mit einem oder mehreren Verbrauchern der ersten Verbrauchergruppe 11 und einen zweiten Ausgangsanschluss 16 auf, der zur Verbindung mit einem oder mehreren zweiten Verbrauchern der zweiten Verbrauchergruppe 12 vorgesehen ist. Zwischen dem Eingangsanschluss 13 und dem ersten Ausgangsanschluss 8 erstreckt sich eine erste Leitungsverbindung 17 mit drei Phasenleitungen 17a, 17b, 17c, die die jeweiligen Phasen der von dem Stromerzeuger 2 gelieferten dreiphasigen Wechselspannung führen, und einem Neutralleiter 17d. Eine zweite Leitungsverbindung 18 erstreckt sich zwischen dem Eingangsanschluss 13 und dem hier einphasigen zweiten Ausgangsanschluss 16.
In der ersten Leitungsverbindung 17 ist eine ansteuerbare Leitungstrenneinrichtung 19 zur Zu- und Abschaltung des Stromerzeugers 2 zu bzw. von den Verbrauchern 11a–c angeordnet. Die Leistungstrenneinrichtung 19 weist einen in jeder Phasenleitung 17a, 17b, 17c angeordneten Schalter 21a, 21b, 21c auf, denen ein ansteuerbares Relais oder Schütz 20 zum Schalten zugeordnet ist. Wenn die Leitungstrenneinrichtung 19 ausgelöst bzw. getrennt ist, sind die Schalter 21a–c geöffnet, so dass der Eingangsanschluss 13 von dem ersten Ausgangsanschluss 14 galvanisch getrennt und ein Stromfluss über die erste Leitungsverbindung 17 zu den Verbraucher 11a–c unterbunden ist.
Die zweite Leitungsverbindung 17 weist eine Speichereinrichtung 22, einen der Speichereinrichtung 22 zugeordneten Laderegler 23, einen Gleichspannungswandler 24 und einen Wechselrichter 26 auf, die in Reihe geschaltet zwischen dem Eingangsanschluss 13 und dem zweiten Ausgangsanschluss 16 angeordnet sind.
Die Speichereinrichtung 22 ist durch eine wiederaufladbare Batterie (einen Akkumulator) gebildet, die bspw. auf Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Basis ausgebildet oder von einer sonstigen geeigneten Bauart ist, die sich für die hier vorliegenden Zwecke zur vorübergehenden Zwischenspeicherung und bedarfsweisen Wiederabgabe elektrischer Energie an die Verbraucher 12a–c eignet. Die Speichereinrichtung 22 sollte in der Lage sein, hohe Ladeströme schnell aufzunehmen, und eine möglichst geringe Selbstentladung aufweisen. Bei einem Stromerzeuger 2 der Nennleistung im Bereich von 10–20 kW, insbesondere 15 kW, kann die Kapazität der Speichereinrichtung etwa 1,5 bis 4 kWh, insbesondere 2 kWh, betragen, während die maximale Spannung der Speichereinrichtung vorzugsweise 120 VDC nicht überschreitet, um einen Berührungsschutz für an dem Insel-Netzsystem 1 arbeitendes Wartungspersonal sowie Benutzer der elektrischen Verbraucher 9 sicherzustellen. Die Wahl dieser Spannungsgrenze erleichtert auch Wartungsarbeiten am Batteriesatz.
Der Laderegler 23 ist eingangsseitig an den Eingangsanschluss 13 der Zusatzeinrichtung 8 angeschlossen, um Drehstromenergie von dem Stromerzeuger 2 zu empfangen und diese in geeignete Gleichstromenergie zum Speisen der Speichereinrichtung 22 umzuwandeln. Insbesondere erzeugt der Laderegler 23 an seinem einphasigen Ausgang 27, an dem die Speichereinrichtung 22 angeschlossen ist, eine variable Gleichspannung und einen variablen Gleichstrom, die sich unter den momentan gegebenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen, einschließlich des momentanen Ladezustands der Batterie 22, deren Temperatur, die über einen hier nicht näher dargestellten Temperaturfühler erfasst wird, und den Energieflüssen in dem Insel-Netzsystem 1 momentan zum Laden der Speichereinrichtung 22 eignen. Der Laderegler 23 kann ein elektronischer Laderegler mit Leistungsschaltern sein, die von einer nachstehend beschriebenen Steuereinrichtung angesteuert werden, um den jeweils passenden Ladestrom und die jeweils passende Ladespannung für die Batterie 22 einzustellen. Der Laderegler kann auch von einer Bauart sein, die ein Akkumanagement aufweist, um Akkus zu überwachen, um bspw. Parameter, wie Ladeschlussspannung, Tiefentladung, maximalen Ladestrom, Temperatur, Akkutyp zu berücksichtigen, um unzulässige Akkuzustände, bspw. eine Überladung oder Überschreitung eines zulässigen Ladestromes, der Temperatur oder dgl. zu detektieren und zu vermeiden. Der Laderegler 23 kann eine elektronische Baugruppe mit einem speziellen integrierten Schaltkreis oder einem Mikrocontroller sein.
Der Gleichspannungswandler 24 ist zwischen der Speichereinrichtung bzw. Batterie 22 und dem Wechselrichter 26 angeordnet und dazu vorgesehen, die über die Pole der Batterie 22 abgegriffene Batteriegleichspannung in eine Gleichspannung mit einem geeigneten höheren Spannungsniveau umzuwandeln, das ausreicht, damit der Wechselrichter 26 daraus eine einphasige Wechselspannung von bspw. 230 VAC erzeugen kann. Der Gleichspannungs- bzw. Aufwärtswandler 24 kann eine elektronische Baueinheit sein, die auf Leistungsschaltern basiert, die angesteuert werden können, um die Aufwärtswandlung der Gleichspannung zu bewerkstelligen. Die aufwärtsgewandelte Gleichspannung wird am Eingang des Wechselrichters 26, bspw. in einem hier nicht näher veranschaulichten Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellt.
Der Wechselrichter 26 dient dazu, aus der an seinem Eingang bereitgestellten Gleichspannung eine Wechselspannung mit einer gewünschten Frequenz, bspw. 50 Hz, zu erzeugen, die dann an dem zweiten Ausgangsanschluss 16 ausgegeben wird, um die Verbraucher der zweiten Verbrauchergruppe 12 mit Energie zu versorgen. Der Wechselrichter 26 kann eine elektronische Baueinheit sein, die auf Halbleiter- bzw. Leistungsschaltern basiert, die angesteuert werden können, um die Wechselrichterfunktion zu erfüllen.
Zur Überwachung und Steuerung der Zusatzeinrichtung 8 und des Insel-Netzsystems 1 sind eine Messeinrichtung 28 und eine Steuereinrichtung 29 vorgesehen, die hier schematisch in Form von Funktionsblöcken 28 und 29 dargestellt sind. Die Messeinrichtung 28 ist zur Messung einer Impedanz und einer Lastanforderung des oder der Verbraucher 9 der ersten Verbrauchergruppe 11 und der zweiten Verbrauchergruppe 12 und eines Ladezustands der Speichereinrichtung 22 eingerichtet und liefert hierfür kennzeichnende Messsignale an die Steuereinrichtung 29. Die Messeinrichtung 28 weist hierzu unterschiedliche Messeinheiten auf, die die jeweiligen Messfunktionen erfüllen.
Zu den Messeinheiten der Messeinrichtung 28 gehört eine Batteriemesseinheit 31, die den Ladezustand und Betriebsbedingungen der Batterie 22, insbesondere den Lade- und Entladestrom der Batterie, die über der Batterie anliegende Batteriespannung, die Umgebungstemperatur, etc. überwacht, wie dies schematisch durch die Messleitungen 32 angezeigt ist.
Ferner weist die Messeinrichtung 28 eine Frequenzmesseinheit 33 auf, die die Frequenz wenigstens einer an mindestens einer Phasenleitung 17a–c anliegenden, durch den Stromerzeuger 2 erzeugten Wechselspannung über eine Messleitung 24 erfasst. Die Frequenzmesseinheit 33 kann auch die Frequenz von allen Phasen der dreiphasigen Wechselspannung erfassen. Wenn sichergestellt ist, dass nur dreiphasige Verbraucher an dem ersten Ausgangsanschluss 14 der ersten Leitungsverbindung 17 angeschlossen sind, genügt die Erfassung der Frequenz der Netzspannung an lediglich einer der Phasenleitungen 17a–c.
Die Messeinrichtung 28 weist ferner eine Lastanforderungs- bzw. Laststrommesseinheit 36 auf, die den Laststrom in den jeweiligen Phasenleitungen 17a, 17b und 17c bei geschlossenen Schaltern 21a–c der Leitungstrenneinrichtung 19 erfasst, wie dies anhand der Messleitungen 37 schematisch angezeigt ist.
Ferner ist eine Impedanzmesseinheit 38 vorgesehen, die die Impedanz des Drehstromkreises erfasst. Entsprechende Messleitungen 39 der Impedanzmesseinheit 38 sind an den der Leitungstrenneinrichtung 19 nachgelagerten Netzabschnitt angeschlossen, um die Impedanz dieses Netzabschnitts mit den angeschlossenen Verbrauchern der ersten Verbrauchergruppe 11 auch bei getrennter Leitungstrenneinrichtung 19 erfassen zu können. Die Impedanzmessung kann darauf beruhen, dass die Impedanzmesseinheit 38 Impulssignale an die einzelnen Phasenleitungen 17a–c angelegt und die Reaktion auf diese über die Neutralleitung 17d erfasst.
Wie ferner aus 1 ersichtlich, weist die Messeinrichtung 28 außerdem eine Messeinheit 41 auf, die hier lediglich schematisiert mit repräsentativen Messleitungen 42 dargestellt ist und dazu dient, entsprechende Parameter in der zweiten Leitungsverbindung 18, wie bspw. den Strom zu dem zweiten Ausgangsanschluss 16 und die an diesem anliegende Ausgangsspannung, zu erfassen. Alle Messsignale, die die erfassten Parameter kennzeichnen, werden der Steuereinrichtung 29 von der Messeinrichtung 28 über eine geeignete Kommunikationsverbindung zu Steuerungszwecken zugeführt.
Die Steuereinrichtung 29 ist dazu eingerichtet, die von der Messeinrichtung 28 gelieferten aktuellen Messsignale entgegenzunehmen und den Betrieb des Insel-Netzsystems 1 basierend darauf zu steuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 29 dazu eingerichtet, den Betrieb des Stromerzeugers 2, der Leitungstrenneinrichtung 19, des Ladereglers 23, des Gleichspannungswandlers 24 und des Wechselrichters 26 in Abhängigkeit von den gemessenen Parametern zu steuern. Die Steuereinrichtung 29 kann in Hardware, in Software oder als Kombination aus Hard- und Software realisiert sein und kann bspw. einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor umfassen, der die Messsignale kennzeichnenden Daten verarbeitet, um Steuerparameter zu bestimmen. Wenngleich hier ein einziger Block 29 dargestellt ist, der die Steuereinrichtung repräsentiert, versteht es sich, dass die Steuereinrichtung 29 auch auf mehrere Steuereinrichtungen verteilt sein kann und Teile der Steuereinrichtung 29 auch in anderen Steuerungen, wie bspw. dem Motorcontroller des Stromerzeugers 2 implementiert sein können.
Außerdem weist die Zusatzeinrichtung 8 eine der Steuereinrichtung 29 zugeordnete Kommunikationsschnittstelle 43 auf, die mit der Kommunikationsschnittstelle 7 des Stromerzeugers 2 in Kommunikationsverbindung steht, um Befehlssignale an den Stromerzeuger 2 zu senden und Rückmeldungen oder Parameter von diesem zu empfangen. Es kann eine drahtgebundene Kommunikationsverbindung zwischen dem Stromerzeuger 2 und der Zusatzeinrichtung 8 vorgesehen sein. Alternativ kann auch eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle gewählt werden, die auf beliebiger geeigneter Kommunikationstechnologie, wie bspw. Funk, ZigBee, Infrarotsignalen, Lasersignalen, Akustiksignalen, Ultraschall, W-LAN, SMS, E-Mail, XML, Bluetooth, Telefon, etc. basieren kann.
Das soweit beschriebene Insel-Netzsystem 1 eignet sich für viele stationäre Anwendungen, insbesondere für Baustellen, an denen vielfältige Maschinen und Gerätschaften unterschiedlicher Leistung durch ein Stromaggregat mit Energie versorgt werden müssen, wobei meist über weite Zeiträume lediglich leistungsschwache einphasige Verbraucher und nur über seltene und kurze Zeiträume leistungsstarke dreiphasige Verbraucher versorgt werden müssen. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße hybride Zusatzeinrichtung 8 ein hohes Potential zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs des Stromerzeugers 2 und der damit verbundenen Geräusch-, Abgas- und CO₂-Emissionen auf. Dies, indem die Verbraucher 9 hier in zwei Gruppen und auf gesonderte Stromkreise aufgeteilt werden, nämlich in leistungsstarke dreiphasige Verbraucher, z.B. 11a–c, die bedarfsweise direkt von dem Stromerzeuger 2 gespeist werden, und in leistungsschwächere einphasige Verbraucher, die von der Batterie 22 gespeist werden. Das Insel-Netzsystem funktioniert dann wie folgt:
Wenn an dem ersten Ausgangsanschluss 14, also dem Drehstromausgang eine Lastanforderung vorliegt, die durch die Laststrommesseinheit 26 bzw. die Impedanzmesseinheit 38 erfasst wird, wird die Leitungstrenneinrichtung 19 zum Schließen angesteuert oder bleibt geschlossen, um den oder die angeschlossenen Verbraucher 11a–c direkt von dem Stromerzeuger 2 zu speisen. Über die an den Phasenleitungen 17a–c abgegriffenen Strom- und Spannungsmesssignale, die von der Messeinrichtung 28 erfasst werden, bestimmt die Steuereinrichtung 29 die Größe der Leistung, die momentan den Verbrauchern 11a–c zugeführt wird, und bestimmt die Differenz zwischen der zugeführten Leistung und der Nennleistung des Stromerzeugers 2. Sofern die Batterie 22 geladen werden kann, veranlasst die Steuereinrichtung 29, dass dieser Differenzbetrag zwischen der zugeführten Leistung und der Nennleistung des Stromerzeugers 2 zusätzlich dem Stromerzeuger 2 zum Laden der Batterie 22 entnommen wird. Die Steuereinrichtung 29 steuert den Laderegler 23 geeignet an, um diese überschüssige Energie des Stromerzeugers 2 zum Batterieladen zu nutzen. Vorteilhafterweise kann der Stromerzeuger 2 dadurch nahe an seiner Nennleistung betrieben werden, was der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu Gute kommt.
Wenn festgestellt wird, dass keine Lastanforderung an dem Drehstromausgang 14 mehr vorliegt, wird nach einer vorgegebenen Zeitdauer von bspw. 5–20 Sekunden oder einigen Minuten ein Stoppsignal an den Stromerzeuger 2 gesandt und bei Verlassen der üblichen Frequenz- und Spannungsgrenzen die Leitungstrenneinrichtung 19 veranlasst zu öffnen. Leistungsschwache Verbraucher 12a–c können weiterhin von der Batterie 22 gespeist werden. Da in den meisten Betriebsfällen, häufig und über ausgedehnte Zeiträume hinweg nur leistungsschwache einphasige Verbraucher versorgt werden müssen, kann dies durch die Batterie 22 bei abgeschaltetem Stromerzeuger 2 mit maximaler Kraftstoffersparnis bewerkstelligt werden. Der Stromerzeuger wird bedarfsweise kurzzeitig gestartet, um die Batterie 22 wieder aufzuladen. Durch eine starke Dimensionierung des Ladereglers 23 kann der Stromerzeuger 2 auch in diesem Fall äußerst effizient bei oder annähernd bei seiner Nennleistung betrieben werden.
Nachdem der Stromerzeuger 2 nur einen Teil aller Verbraucher 9 direkt versorgen muss, kann im Vergleich zu dem Fall, wenn alle Verbraucher 9 versorgt werden müssen, ein kleinerer Stromerzeuger gewählt werden, was weiterhin zur Steigerung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit beiträgt und die Anschaffungs- und/oder Betriebskosten senkt. Die deutlich reduzierten Einsatzdauern des Stromerzeugers 2 haben auch weniger Verschleiß zur Folge, so dass Wartungsintervalle verlängert werden können. Da die Batterie 22 nur leistungsschwache einphasige Verbraucher versorgt, kann der Wechselrichter 26 relativ klein dimensioniert werden, was die Anschaffungs- und Betriebskosten senkt und weiter zur Rentabilität des Insel-Netzsystems 1 beiträgt.
2a zeigt eine bevorzugte Steuerlogik der Steuereinrichtung 29 zur Steuerung des Betriebs des erfindungsgemäßen Insel-Netzsystems 1. Dargestellt ist ein beispielhafter, stark vereinfachter Verlauf der Impedanz, wie sie von der Impedanzmesseinheit 38 der Messeinrichtung 28 gemessen werden kann. Als anschauliches Beispiel soll das Ein- und Ausschalten eines einzigen Verbrauchers 9, hier bspw. einer Kreissäge, betrachtet werden, die einen leistungsstarken Verbraucher aus der ersten Verbrauchergruppe 11 repräsentieren soll. Es versteht sich, dass im Allgemeinen auf einer Baustelle vielfältige Verbraucher vorhanden sind, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden, so dass die Impedanz die Impedanz all dieser Verbraucher 9 gemeinsam darstellt.
Wie aus 2a ersichtlich, ist in dem Zeitraum von 0 bis t₀ die Impedanz relativ hoch und liegt jedenfalls oberhalb einer ersten Schwelle M1, was anzeigt, dass die Kreissäge ausgeschaltet ist (bzw. der oder die Verbraucher 9 ausgeschaltet ist/sind). Zum Zeitpunkt t₀ wird die Kreissäge eingeschaltet, so dass die Impedanz sprunghaft sinkt. Der Impedanzsprung unter eine vorbestimmte zweite Schwelle, die Mindestschwelle M2 wird von der Messeinrichtung 28 erkannt und von der Steuereinrichtung 29 als ein Einschalten des Verbrauchers interpretiert, der von dem Stromerzeuger 2 über die erste Leitungsverbindung 17 direkt mit Energie versorgt werden soll. Die Steuereinrichtung 29 sendet daraufhin einen Startbefehl über die Kommunikationsschnittstelle 43, 7 an den Stromerzeuger 2, um diesen einzuschalten bzw. zu starten. Daraufhin läuft der Stromerzeuger 2 an, so dass seine Drehzahl kontinuierlich zunimmt. Die Leitungstrenneinrichtung 19 bleibt aber geöffnet, so dass die erste Leitungsverbindung 17 unterbrochen ist. Der Verbraucher, bspw. die Kreissäge, kann somit auch bei eingeschaltetem Einschalter nicht loslaufen.
Zum Zeitpunkt t₁ schaltet der Benutzer die Kreissäge wieder aus, woraufhin die Impedanz wieder bis über die erste Schwelle M1 ansteigt. Dies wird von der Messeinrichtung 28 und der Steuereinrichtung 29 registriert. Die Steuereinrichtung 29 startet daraufhin einen Timer und wartet den Zeitraum T1 bis zu dem Zeitpunkt t₂ ab, bevor sie den Stromerzeuger 2 zuschaltet, indem sie die Leitungstrenneinrichtung 19 freigibt und die erste Leitungsverbindung 17 leitend schaltet. Dann liegt an dem ersten Ausgangsanschluss 14 die von dem Generator 4 des Stromerzeugers 2 momentan erzeugte Netzspannung an. Die Kreissäge ist zu diesem Zeitpunkt noch ausgeschaltet.
Zum Zeitpunkt t₃ schaltet der Benutzer die Kreissäge erneut ein, was sich in einem negativen Impedanzsprung in 2a äußert. Nachdem die Netzspannung wiederhergestellt ist und anliegt, läuft die Kreissäge in gewohnter Weise sofort an.
Die erfindungsgemäße Steuerlogik wartet also nach dem Einschalten des Stromerzeugers 2, wenn die Impedanz unter die vorbestimmte Mindestschwelle M2 fällt, bis die Impedanz für mindestens den bestimmten Zeitraum T1 wieder das vorbestimmte höhere Mindestniveau M1 übersteigt, was anzeigt, dass der oder die Verbraucher über diesen Zeitraum T1 hinweg wieder ausgeschaltet war bzw. waren. Erst dann wird der Stromerzeuger 2 zugeschaltet und ein Anliegen der Netzspannung zugelassen. Sobald in dem Beobachtungszeitraum zwischen dem Zeitpunkt t₁ und t₂ wieder ein negativer Impendanzsprung registriert wird, ein Verbraucher also eingeschaltet wird, wird der Timer von der Steuereinrichtung 29 erneut gestartet, so dass das Zuschalten erst nach Ablauf eines nächsten Zeitraums T1 mit abgeschaltetem Verbraucher, also erst nach dem Zeitpunkt t₂ erfolgt. Es wird sichergestellt, dass beim Zuschalten des Stromerzeugers 2 der oder die Verbraucher stets über den Mindestzeitraum T1 hinweg ausgestaltet war bzw. waren. Dadurch können Gefahren für Benutzer der Maschinen und Arbeitsgeräte auf ein Minimum reduziert werden.
Der Zeitraum T1 wird je nach Bedingungen und Sicherheitsanforderungen geeignet gewählt. Er kann zwischen 1 und 60 Sekunden betragen und beträgt vorzugsweise zwischen 3 und 30 Sekunden. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Zeitraum T1 etwa 5–15 Sekunden. Der Zeitraum T1 kann insbesondere größer als die empirisch bestimmte Zeitdauer gewählt werden, die ein Stromerzeuger benötigt, um die Nennfrequenz von 50 Hz zu erreichen.
Wie ferner aus 2a ersichtlich, steigt die Impedanz im Zeitpunkt t₄ wieder über die Schwelle M1 sprunghaft an, weil bspw. die Kreissäge wieder ausgeschaltet wurde. Die Steuereinrichtung 29 startet in diesem Fall einen zweiten Timer und wartet eine einstellbare Wartezeit T3 ab, bevor sie zum Zeitpunkt t₅ ein Abschalten des Stromerzeugers 2 über einen Stoppbefehl und im Wesentlichen gleichzeitig ein Trennen der Leitungstrenneinrichtung 19 veranlasst, um den ersten Ausgangsanschluss 14 von dem Eingangsanschluss 13 galvanisch zu trennen. Die Wartezeit T3 kann je nach Anforderung etwa 5 Sekunden oder 10 bis 20 Sekunden betragen oder sogar im Bereich von 1 bis 10 Minuten liegen und wird vorzugsweise so gewählt, dass ein Betrieb des Stromerzeugers 2 im Leerlauf ebenso wie die Häufigkeit von Ein- und Ausschaltvorgängen möglichst minimiert werden. Bei der Festlegung von T3 kann auch der erhöhte Kraftstoffverbrauch beim Anlaufen des Stromerzeugers 2 berücksichtigt werden.
Beim anschließenden Wiedereinschalten der Kreissäge oder eines sonstigen Verbrauchers wiederholt sich der vorstehend beschriebene Prozess zum Zuschalten des Stromerzeugers 2.
In 2b ist eine Modifikation der in 2a dargestellten Steuerlogik veranschaulicht. Hier wird der erste bestimmte Zeitraum T1 der hohen Impedanz, einem zweiten Zeitraum T2 nachgeführt, den der Stromerzeuger 2 tatsächlich bei den aktuellen Betriebs- und Umgebungstemperaturen benötigt, um die Nennfrequenz von 50 Hz (bzw. 60 Hz) bei voller Belastbarkeit zu erreichen. Nach dem Einschalten des Stromerzeugers 2 zum Zeitpunkt t₀, nachdem ein negativer Impulssprung unter die Mindestschwelle M2 erfasst wurde, wird also erstmals abgewartet, bis der Generator 4 des Stromerzeugers 2 die Netzfrequenz von 50 Hz erreicht. Dies ist in 2b bspw. zum Zeitpunkt t₂ der Fall. Das Erreichen der Netzfrequenz wird anhand der Frequenzmesseinheit 33 der Messeinrichtung 28 erkannt. Die Steuereinrichtung 29 überprüft daraufhin, ob in dem Zeitraum T1 vor dem Zeitpunkt t₂ des Erreichens der Netzfrequenz die Impedanz über der Schwelle M1 lag, der Verbraucher, z.B. die Kreissäge, also ausgeschaltet war. Falls dies der Fall ist, wird zum Zeitpunkt t₂ der Stromerzeuger 2 zugeschaltet, indem die Leitungstrenneinrichtung 19 freigegeben wird. Ansonsten wird abgewartet, bis ein derartiger Zeitraum T1 seit dem letzten Wiederausschalten des Verbrauchers verstrichen ist, wie in 2b mit punktierter Impedanzkurve angezeigt. Der Stromerzeuger 2 wird *dann erst zum späteren Zeitpunkt t₂ zugeschaltet. Das Netz liegt jedenfalls zum Zeitpunkt t₃ des Wiedereinschaltens des Verbrauchers sicher an, so dass dieser unmittelbar loslaufen kann.
3 und 4 zeigen modifizierte Ausführungsformen der Erfindung. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion mit der Ausführungsform nach 1 besteht, wird unter Verwendung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Im Übrigen kann die Darstellung in den 3 und 4 insofern vereinfacht sein, als einige Details, wie bspw. Messleitungen, Steuerleitungen und Verbraucher, weggelassen sein können, um die Übersichtlichkeit und Anschaulichkeit zu verbessern.
Die in 3 veranschaulichte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach 1 insbesondere darin, dass die hybride Zusatzeinrichtung 8 hier zusätzlich einen integrierten DC/DC-Wandler 44 aufweist, der zwischen einem zusätzlichen Photovoltaik(PV)-Generatoreingang 46 der Zusatzeinrichtung 8 und der Speichereinrichtung bzw. Batterie 22 angeschlossen ist. Außerdem sind in der Steuereinrichtung 29 alle notwendigen Funktionen zur Steuerung bzw. Regelung eines Photovoltaikgenerators, einschließlich eines Maximum-Power-Point(MPP)-Tracker-Algorithmus, integriert, um einen Photovoltaikgenerator unter den gegebenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen möglichst an seinem optimalen Betriebspunkt mit maximaler Leistung betreiben zu können.
Wie ferner aus 3 ersichtlich, ist an den PV-Generatoreingang 46 ein PV-Generator 47 mit einem oder mehreren Strings von PV-Modulen angeschlossen, um die Batterie mit Photovoltaikenergie zu speisen. Die Batterie 22 wird, gesteuert durch die Steuereinrichtung 29, von dem PV-Generator 47 über den DC/DC-Wandler 44 unmittelbar gespeist, wobei der DC/DC-Wandler 44 für eine geeignete Anpassung der vom PV-Generator 47 gelieferten Spannung zum Laden der Batterie sorgt. Ein Einspeisen von Photovoltaikleistung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Insel-Netzsystem 1 ermöglich es, die Einsatzzeiten des Stromerzeugers 2 weiter zu reduzieren, um noch mehr Kraftstoff einzusparen, und kann einen großen Anteil der Energie abdecken, die zum Speisen der einphasigen Verbraucher 12a–c benötigt wird. Im Übrigen funktioniert die Ausführungsform nach 3 in ähnlicher Weise wie diejenige nach 1 und verwendet die gleiche Steuerlogik, wie vorstehend im Zusammenhang mit 2 im Detail beschrieben.
In 3 ist ferner eine weitere mögliche Modifikation der Erfindung dargestellt, die alternativ oder zusätzlich zu der optionalen Einspeisung von PV-Leistung genutzt werden kann. Wie ersichtlich, kann in unmittelbarer Nähe der Speichereinrichtung 22 eine Heizeinrichtung 48 vorgesehen sein, die die Eignung der Speichereinrichtung 22 für den Einsatz unter Kältebedingungen verbessert. Die Heizeinrichtung 48 kann, wie beispielhaft veranschaulicht, eine elektrische Heizeinrichtung sein, die bspw. spulenförmig gewickelte Heizdrähte 49 und ein oder mehrere Umwälzlüfter 51 enthalten kann, um die Speichereinrichtung 22 und weitere Komponenten der hybriden Zusatzeinrichtung 8 unter tiefen Umgebungstemperaturen zu erwärmen. Die Heizeinrichtung 48 kann von dem Stromerzeuger 2 gespeist werden, der über ein Start- und Stoppsignal über die Kommunikationsschnittstelle 7, 43 zu Heizzwecken bei niedrigen Temperaturen gestartet werden kann. Alternativ kann die Heizeinrichtung 48 auch an die Batterie 22 selbst gekoppelt sein. Noch weiter kann die Heizeinrichtung 48 durch den PV-Generator 47 gespeist sein. Es könnte auch eine fluidische Heizeinrichtung unter Ausnützung der Abwärme des Stromerzeugers 2 eingesetzt werden.
In 4 ist eine vorteilhafte Realisierung der erfindungsgemäßen hybriden Zusatzeinrichtung 8 dargestellt. Hier ist im Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 und 3 in der zweiten Leitungsverbindung 18 ein kombiniertes Laderegler/ Wechselrichter-Gerät 52 vorgesehen, in dem der Laderegler 23 und der Wechselrichter 26 und eine Überwachungs- und Steuerlogik bereits in einem gemeinsamen Gehäuse 53 untergebracht und zu einem eigenständigen, parametrierbaren, anschluss- und funktionsfähigen Gerät 52 integriert sind. Wie veranschaulicht, weist das Gerät 52 ferner Eingangsklemmen 54a, 54b auf, die an einen Phaseneingang, hier den Phaseneingang 13a, und den Neutraleingang 13d des Eingangsanschlusses 13 angeschlossen sind, um eine Phase der dreiphasigen Wechselspannung des Stromerzeugers 2 abzugreifen. Außerdem weist das Gerät 52 Ausgangsklemmen 56a, 56b, die mit dem zweiten Ausgangsanschluss 16 der Zusatzeinrichtung 8 verbunden sind, um eine einphasige Wechselspannung zur Versorgung des oder der zweiten Verbraucher 12a, 12b, etc. zu liefern. Noch weiter weist das Gerät 52 Anschlussklemmen 57a, 57b auf, die mit den Polen der Batterie bzw. Speichereinrichtung 22 verbunden sind, um diese mit einer von dem Laderegler 23 erzeugten Gleichstromenergie zu laden bzw. dieser bedarfsweise Gleichstromenergie zu entnehmen, um sie wechselzurichten und den oder die zweiten Verbraucher 12a, 12b zu speisen.
Das Gerät 52 weist ferner eine integrierte Einrichtung 58 zur Lasterkennung auf. Ähnlich wie die Lastanforderungsmesseinheit 36 und/oder Impedanzmesseinheit 38 kann die Lasterkennungseinrichtung 58 erkennen, ob eine Lastanforderung an den Ausgangsklemmen 56a, b durch den oder die zweiten Verbraucher 12 vorliegt oder ein Impedanzabwärtssprung auftritt, der anzeigt, dass ein Verbraucher 12 gerade eingeschaltet worden ist. Eine weitere integrierte Einrichtung 59 dient der Überwachung des Ladezustands und der Temperatur der Speichereinrichtung 22. Eine noch weitere integrierte Einrichtung 61 überwacht die Eingangsspannung an den Eingangsklemmen 54a, b. Ferner sind integrierte Steuermittel 62 zur Steuerung des Betriebs des Ladereglers 23 zum Laden und Entladen der Speichereinrichtung 22 und des Wechselrichters 26 zur Versorgung des oder der einphasigen zweiten Verbraucher 12 enthalten.
Das kombinierte Laderegler/Wechselrichter-Gerät 52 weist ferner eine in 4 lediglich angedeutete Umschalteinrichtung 63 auf, die ansteuerbar ist, um zwischen einem Wechselrichterbetrieb, in dem der oder die zweiten Verbraucher ausschließlich durch den Wechselrichter 26 über die Speichereinrichtung 22 mit Energie versorgt werden, und einem Betriebsmodus umzuschalten, in dem die Eingangsklemmen 54a, b unmittelbar mit den Ausgangsklemmen 56a, b verbunden sind, um die Spannungsphase des Stromerzeugers 2 durchzuschleifen und den zweiten Verbrauchern zuzuführen. Parallel dazu kann bedarfsweise die Speichereinrichtung 22 geladen werden.
Ein derartiges kombiniertes Laderegler/Wechselrichter-Gerät 52 mit den vorerwähnten Funktionalitäten ist z.B. von der Firma Studer Innotec SA, Schweiz, unter dem Handelsnamen Xtender XTM kommerziell erhältlich.
Die hybride Zusatzeinrichtung 8 nach 4 funktioniert im Wesentlichen wie diejenige nach 1 oder 3. Allerdings erfasst hier die Lasterkennungseinrichtung 58 die Lastanforderung an dem zweiten Ausgangsanschluss 16, und die integrierten Steuermittel 62 betreiben den integrierten Wechselrichter 26 selbstständig, um die zweiten Verbraucher 12 zu versorgen. Ferner erkennt das Gerät 52 selbstständig die Notwendigkeit, die Speichereinrichtung 22 aufzuladen, und meldet diese Anforderung an die übergeordnete Steuereinrichtung 29, die dann bedarfsweise den Stromerzeuger 2 einschaltet. Der Ladevorgang selbst wird aber durch den integrierten Laderegler 23 des Gerätes 52 selbst bewerkstelligt. Die integrierten Steuermittel 62 können ferner nach vorgegeben Kriterien, bspw. bei einem zu niedrigen Ladezustand der Speichereinrichtung 22, die Umschalteinrichtung 63 aktivieren, um die zweiten Verbraucher 12 direkt mit der abgegriffenen Wechselspannung des Stromerzeugers 2 zu speisen. Ansonsten verwendet die übergeordnete Steuereinrichtung 29 im Wesentlichen die gleiche Steuerlogik, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit 2 im Detail beschrieben worden ist, um den Stromerzeuger 2 ein- und auszuschalten und durch Öffnen bzw. Schließen der Lasttrenneinrichtung 19 zu- bzw. wegzuschalten.
Wie ferner aus 4 ersichtlich, kann die hybride Zusatzeinrichtung 8 optional wenigstens ein Schaltnetzteil, vorzugsweise zwei Schaltnetzteile 64, 66 aufweisen, die zwischen dem Eingangsanschluss 13 und der Speichereinrichtung 22 angeschlossen sind, um eine Ladespannung für die Speichereinrichtung 22 zu generieren. Insbesondere sind die Schaltnetzteile 64 hier an die Phaseneingänge 13b, 13c angeschlossen, die sich von dem Phaseneingang 13a, an dem das Kombi-Gerät 52 angeschlossen ist, unterscheiden, um andere Phasen der dreiphasigen Wechselspannung des Stromerzeugers 2 abzugreifen und alle Phasen möglichst gleichmäßig zu belasten. Werden die Schaltnetzteile 64, 66 angesteuert, um die Speichereinrichtung 22 zu laden, zusätzlich zu der Ladung über den Laderegler 23 des Gerätes 52, kann eine höhere, insbesondere dreifache Ladeleistung erzielt und der Stromerzeuger 2 auch ohne Versorgung der ersten Verbraucher 11 kraftstoffeffizient im oberen Teillastbereich oder annähernd bei Volllast betrieben werden.
Die Schaltnetzteile 64, 66 sind vorzugsweise primär getaktete Schaltnetzteile, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte bei geringer Masse und Größe auszeichnen. Außerdem sind vorzugsweise in den Eingangsanschlussleitungen der Schaltnetzteile 64, 66 von der Steuereinrichtung 29 ansteuerbare Schaltermittel 67, 68 vorgesehen, um die Schaltnetzteile 64, 66 bedarfsweise von den Phaseneingängen 13b, 13c galvanisch trennen zu können.
Im Übrigen kann die hybride Zusatzeinrichtung 8 zusätzlich einen eigenen PV-DC/DC-Wandler 44 und PV-Generatoreingang 46 zur alternativen Speisung der Speichereinrichtung 22 durch einen PV-Generator 47 und/oder eine (in 4 nicht veranschaulichte) Heizeinrichtung 48 für die Speichereinrichtung 22 enthalten, wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche weitere Modifikationen möglich. Bspw. kann, wenn der Stromerzeuger 2 gemeinsam mit der Zusatzeinrichtung 8 eine einzelne integrale Vorrichtung bilden, die Steuerlogik der Steuereinrichtung 29 zumindest zum Teil auch in dem Controller des Stromerzeugers 2 integriert sein. Bei der Ausführung als ein gesondertes externes Modul ist vorzugsweise an der Zusatzeinrichtung 8 eine Eingabeschnittstelle zur Eingabe von Parametern des Stromerzeugers 2, wie Nennleistung, Nennfrequenz, Zeitdauer bis zum Erreichen der Netzfrequenz, Batterieparameter oder dgl., vorgesehen. Es kann auch eine Ausgabeschnittstelle mit bspw. einer Anzeige oder einer grafischen Bedienoberfläche vorgesehen sein. Auch verbraucherbezogene Parameter sowie weitere Angaben über die momentanen oder gewünschten Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen können ein- und/oder ausgegeben werden. Wenngleich in den Figuren die erste Leitungsverbindung 17 als eine dreiphasige Verbindung dargestellt ist, was die bevorzugte Realisierung darstellt, ist es außerdem möglich, diese Leitungsverbindung 17 auch ein- oder zweiphasig auszuführen. Umgekehrt könnte die zweite Leitungsverbindung 18 auch zwei oder dreiphasig ausgeführt sein, und es könnten zwei oder drei einphasige Wechselrichter 26 zur Speisung der leistungsschwachen Verbraucher integriert werden. Alternativ könnte auch ein einzelner zwei- oder dreiphasiger Wechselrichter 26 verwendet werden. Ferner ist es möglich, auch einen direkten Durchgang zwischen dem Stromerzeuger 2 und dem zweiten Ausgangsanschluss 16 für die leistungsschwachen Verbraucher 12a–c vorzusehen. Dann sind zusätzliche Maßnahmen zur Überwachung und Steuerung des Betriebs erforderlich. Der Stromerzeuger 2 könnte auch einen Motor mit variabler Drehzahl oder mehreren Betriebsmodi mit unterschiedlicher Drehzahl aufweisen, und die Steuereinrichtung 29 könnte dann die Einrichtung einer je nach momentanen Betriebsbedingungen geeigneten, effizienten Motordrehzahl bzw. eines geeigneten Betriebsmodus veranlassen. Alternativ könnten auch zwei oder mehrere Stromerzeugereinheiten mit unterschiedlicher Nennleistung vorgesehen werden, unter denen die Steuereinrichtung 29 dann in Abhängigkeit von der aktuellen Höhe eines Impedanzsprunges oder Lastanforderungssprunges eine oder mehrere geeignete auswählen könnte. Im Übrigen kann die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung 8 für unterschiedliche netzferne Hybridsysteme und mobile Anlagen angewandt werden, könnte aber auch in Verbindung mit einem bspw. öffentlichen Stromnetz anstelle des kraftstoffbetriebenen Stromaggregats 2 genutzt werden. Darüber hinaus könnten anstelle eines PV-Generators 47 auch andere erneuerbare Energiequellen, wie z.B. eine Windkraft- oder Kleinwasserkraftanlage, integriert werden.
Es ist eine hybride Zusatzeinrichtung 8 für einen kraftstoffbetriebenen Stromerzeuger 2 geschaffen, die einen Eingangsanschluss 13 zur Verbindung mit einem Ausgang 6 des Stromerzeugers 2, eine erste Leitungsverbindung 17, die als Direktverbindung zwischen dem Eingangsanschluss 13 und einem ersten Ausgangsanschluss 14 verläuft und in der eine ansteuerbare Leitungstrenneinrichtung 19 angeordnet ist, und eine zweite Leitungsverbindung 18 aufweist, die zwischen dem Eingangsanschluss 13 und einem von dem ersten Ausgangsanschluss 14 gesonderten zweiten Ausgangsanschluss 16 verläuft. Die erste Leitungsverbindung 17 ist zur Speisung leistungsstarker dreiphasiger Verbraucher vorgesehen, während die zweite Leitungsverbindung 18 zur Speisung leistungsschwächerer, vorzugsweise einphasiger Verbraucher dient. Die zweite Leitungsverbindung 17 weist eine wiederaufladbare Speichereinrichtung 22, einen Laderegler 23 für die Speichereinrichtung 22 und einen Wechselrichter 26 auf, der in der Speichereinrichtung 22 gespeicherte Gleichstromenergie in Wechselstromenergie zur Bereitstellung an dem zweiten Ausgangsanschluss 16 wandelt. Eine Messeinrichtung 28 dient zur Messung einer Impedanz und Lastanforderung insbesondere an der ersten Leitungsverbindung 17 und eines Ladezustands der Speichereinrichtung 22. Eine Steuereinrichtung 29 ist zur Steuerung des Betriebs des Stromerzeugers 2, des Ladereglers 23 und des Wechselrichters 26 in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz und Lastanforderung und dem Ladezustand der Speichereinrichtung 22 im Sinne einer Minimierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Stromerzeugers 2 eingerichtet. Die Steuereinrichtung 29 weist ferner eine Logik zum Schutz von Benutzern gegen Gefahren bei plötzlicher Spannungswiederkehr nach Zuschaltung des Stromerzeugers 2 auf.

Claims

Hybride Zusatzeinrichtung für einen Stromerzeuger (2), der einen mit einer Brennkraftmaschine (3) gekoppelten Generator (4) und einen elektrischen Ausgang (6) aufweist, um Verbraucher (9) mit Wechselstromenergie zu versorgen: mit einem Eingangsanschluss (13) zur Verbindung mit dem Ausgang (6) des Stromerzeugers (2), um die Wechselstromenergie von dem Stromerzeuger (2) zu empfangen; mit einer ersten Leitungsverbindung (17), die zwischen dem Eingangsanschluss (13) und einem ersten Ausgangsanschluss (14) zur Verbindung mit einem oder mehreren ersten Verbrauchern (11a–c) angeschlossen ist und eine ansteuerbare Leitungstrenneinrichtung (19) aufweist, um den Eingangsanschluss (13) bedarfsweise mit dem ersten Ausgangsanschluss (14) leitend zu verbinden bzw. von diesem galvanisch zu trennen; mit einer zweiten Leitungsverbindung (18), die zwischen dem Eingangsanschluss (13) und einem von dem ersten Ausgangsanschluss (14) gesonderten zweiten Ausgangsanschluss (16) zur Verbindung mit einem oder mehreren zweiten Verbrauchern angeschlossen ist und in der angeordnet sind: eine wiederaufladbare Speichereinrichtung (22) zur gesteuerten Zwischenspeicherung und bedarfsweisen Wiederabgabe elektrischer Energie; ein Laderegler (23) für die Speichereinrichtung (22), wobei der Laderegler (23) mit dem Eingangsanschluss (13) elektrisch verbunden ist; und ein Wechselrichter (26), der eingerichtet ist, um Gleichspannungsenergie der Speichereinrichtung (22) in Wechselspannungsenergie zur Bereitstellung an dem zweiten Ausgangsanschluss (16) umzuwandeln; mit einer Messeinrichtung (28), die zur Messung einer Impedanz und einer Lastanforderung des einen oder der mehreren ersten und zweiten Verbraucher (11, 12) und eines Ladezustands der Speichereinrichtung (22) und zur Lieferung hierfür kennzeichnender Messsignale eingerichtet ist, wobei die Messeinrichtung (28) eine Impedanzmesseinheit (38) aufweist, die dazu dient, die Impedanz eines der Leitungstrenneinrichtung (19) nachgelagerten Netzabschnittes zu erfassen und ein hierfür kennzeichnendes Signal zu liefern; und mit einer Steuereinrichtung (29) zur Steuerung des Betriebs des Stromerzeugers (2), des Ladereglers (23) und des Wechselrichters (26) in Abhängigkeit von von der Messeinrichtung (28) gelieferten aktuellen Messsignalen, die die Impedanz und die Lastanforderung des einen oder der mehreren ersten und zweiten Verbraucher (11, 12) und den Ladezustand der Speichereinrichtung (22) kennzeichnen, wobei die Steuereinrichtung (29) eine Logik aufweist, um ein Einschalten des Stromerzeugers (2) zu veranlassen, wenn die von der Impedanzmesseinheit (38) gemessene Impedanz eine Impedanzverringerung unter eine vorbestimmte Mindestschwelle (M2) zeigt, und die Leitungstrenneinrichtung (19) freizugeben, wenn die gemessene Impedanz nach der Impedanzverringerung unter die Mindestschwelle (M2) wieder ein vorbestimmtes höheres Mindestniveau (M1) für mindestens einen ersten bestimmten Zeitraum (T1) übersteigt.
Hybride Zusatzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (2) ein Drehstromerzeuger ist, der Eingangsanschluss (13), die erste Leitungsverbindung (17) und der erste Ausgangsanschluss (14) eine dreiphasige Konfiguration aufweisen, und der Laderegler (23) mit einem oder mehreren Phaseneingängen (13a, 13b, 13c) des Eingangsanschlusses (13) verbunden und eingerichtet ist, um aus der von dem Stromerzeuger (2) gelieferten Wechselstrom- bzw. Drehstromenergie eine variable Gleichspannung und einen variablen Gleichstrom zum Laden der Speichereinrichtung (22) zu erzeugen.
Hybride Zusatzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (26) in der zweiten Leitungsverbindung (18) und der zweite Ausgangsanschluss (16) eine einphasige Konfiguration aufweisen.
Hybride Zusatzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitungsverbindung zwei oder mehrere einphasige Wechselrichter (26) aufweist, die eingerichtet sind, um aus der Gleichspannung der Speichereinrichtung (22) zwei oder mehrere einphasige Wechselspannungen, die insbesondere einen Phasenversatz von 120° aufweisen, zu erzeugen.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wechselrichter (26) eingangsseitig ein Gleichspannungswandler (24) zugeordnet ist, der eine Gleichspannung der Speichereinrichtung (22) in eine Gleichspannung mit einem für den Wechselrichter (26) geeigneten höheren Spannungsniveau umwandelt.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laderegler (23) und der Wechselrichter (26) in einem kombinierten Laderegler/Wechselrichter-Gerät (52) implementiert sind, das Eingangsklemmen (54a, 54b), die an einen Phaseneingang (13a, 13b, 13c) und einen Neutraleingang (13d) des Eingangsanschlusses (13) angeschlossen sind, Wechselspannungs-Ausgangsklemmen (56a, 56b), die mit dem zweiten Ausgangsanschluss (16) zur Versorgung des oder der einphasigen zweiten Verbraucher verbunden sind, Gleichspannungs-Anschlussklemmen (57a, 57b), die mit Polen der Speichereinrichtung (22) verbunden sind, integrierte Mittel (58, 59, 61) zur Erkennung der Last an den Ausgangsklemmen (56a, 56b), zur Überwachung des Ladezustands der Speichereinrichtung (22) und zur Überwachung der Eingangsspannung sowie Steuermittel (62) zur Steuerung eines Lade- und Entladebetrieb der Speichereinrichtung (22) und der Versorgung des oder der einphasigen zweiten Verbraucher aufweist.
Hybride Zusatzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kombiniertes Laderegler/Wechselrichter-Gerät (52) eine ansteuerbare Umschalteinrichtung (63) aufweist, die es ermöglicht, zwischen einem Wechselrichterbetrieb, bei dem der oder die zweiten Verbraucher ausschließlich durch den Wechselrichter (26) über die Speichereinrichtung (22) mit Strom versorgt werden, und einem Betriebsmodus umzuschalten, bei dem die an den Eingangsklemmen (54a, 54b) anliegende Spannung direkt an den Ausgangsklemmen (56a, 56b) zur Versorgung des oder der zweiten Verbraucher bereitgestellt und bedarfsweise parallel die Speichereinrichtung (22) geladen wird.
Hybride Zusatzeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, die ferner wenigstens ein Schaltnetzteil (64, 66) aufweist, das zwischen dem Eingangsanschluss (13) und der Speichereinrichtung (22) angeschlossen ist, um bedarfsweise eine Ladespannung für die Speichereinrichtung (22) zu generieren, wobei das wenigstens eine Schaltnetzteil (64, 66) mit einem Phaseneingang (13b, 13c) des Eingangsanschlusses (13) verbunden ist, der sich von dem Phaseneingang (13a), an dem das kombinierte Laderegler/Wechselrichter-Gerät (52) angeschlossen ist, unterscheidet.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste bestimmte Zeitraum (T1) im Bereich von etwa 1 bis 60 Sekunden, insbesondere 3–30 Sekunden, vorzugsweise 5–15 Sekunden, liegt.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste bestimmte Zeitraum T1 der Impedanz über dem vorbestimmten höheren Mindestniveau M1 einem zweiten Zeitraum (T2) nachgeführt ist, den der Stromerzeuger (2) bei den aktuellen Betriebs- und Umgebungstemperaturen benötigt, um eine Nennfrequenz bei voller Belastbarkeit zu erreichen.
Hybride Zusatzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (28) eine Frequenzmesseinheit (33) aufweist, um eine Spannungsfrequenz auf mindestens einer Phasenleitung (17a–c) an dem Ausgang (6) des Stromerzeugers (2) zu messen und ein hierfür kennzeichnendes Messsignal an die Steuereinrichtung (29) zu liefern, und die Logik der Steuereinrichtung (29) eingerichtet ist, um anhand dieses Messsignals ein Erreichen der Nennfrequenz durch den Stromerzeuger (2) zu erkennen.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik der Steuereinrichtung (29) ein Freigeben der Leitungstrenneinrichtung (19) unterbindet, wenn die gemessene Impedanz innerhalb des Beobachtungszeitraum wieder sinkt.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (28) eine Lastanforderungsmesseinheit (36) aufweist, die dazu dient, eine Lastanforderung eines an den ersten Ausgangsanschluss (14) angeschlossenen Netzabschnittes zu erfassen und ein hierfür kennzeichnendes Lastmesssignal zu liefern, und die Steuereinrichtung (29) eine Logik aufweist, die anhand des Lastmesssignals ein Unterschreiten einer einstellbaren Mindestlastschwelle (M2) erkennt und vorzugsweise nach einer einstellbaren Wartezeit (T3) von vorzugsweise mindestens 5 Sekunden ein Abschalten des Stromerzeugers (2) und ein Trennen der Leitungstrenneinrichtung (19) veranlasst.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (29) eine Logik aufweist, die dazu dient, zu veranlassen, dass der Ladestrom des Ladereglers (23) begrenzt oder unterbunden wird, wenn ein gemessenes Lastanforderungsmesssignal anzeigt, dass die Summe aus der Last des Ladereglers (23) und eines Netzabschnitts an der ersten Verbindungsleitung (17) eine Nennlast des Stromerzeugers (2) übersteigt.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (29) ein Startsignal für den Stromerzeuger (2) erzeugt, wenn es der Ladezustand der Speichereinrichtung (22) erfordert oder wenn eine Impedanzmessung der Messeinrichtung (28) eine Mindeststromanforderung anzeigt, und ein Stoppsignal erzeugt, wenn kein Laden der Speichereinrichtung (22) erforderlich ist und nicht eine Mindeststromanforderung vorliegt.
Hybride Zusatzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit dem Stromerzeuger (2) aufweist.
Insel-Netzsystem, insbesondere zur Versorgung von Verbrauchern (9) auf Baustellen, mit einem Stromerzeuger (2), der eine Brennkraftmaschine (3), insbesondere einen diesel- oder benzinbetriebenen Verbrennungsmotor, und einen mit der Brennkraftmaschine (3) gekoppelten Generator (4) aufweist, der an seinem elektrischen Ausgang (6) ein- oder mehrphasige Wechselstromenergie liefert; und mit einer hybriden Zusatzeinrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zusatzeinrichtung (8) in den Stromerzeuger (2) integriert ist oder eine mit dem Stromerzeuger (8) koppelbare externe Vorrichtung bildet.
Insel-Netzsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (2) mehrere Betriebsmodi mit unterschiedlicher Drehzahl aufweist und die Steuereinrichtung (29) eine Wahl eines je nach momentanen Betriebsbedingungen geeigneten, effizienten Betriebsmodus veranlasst.
Insel-Netzsystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (2) zwei oder mehrere Stromerzeugereinheiten mit unterschiedlicher Nennleistung aufweist und die Steuereinrichtung (29) in Abhängigkeit von der aktuellen Höhe eines Impedanzsprunges oder Lastanforderungssprunges den Betrieb einer geeigneten Stromerzeugereinheit veranlasst.
Insel-Netzsystem nach einem der Ansprüche 17–19, das ferner einen Photovoltaikgenerator (46) mit einem oder mehreren Strings von Photovoltaikmodulen aufweist, wobei die hybride Zusatzeinrichtung (8) einen integrierten DC-Wandler (44), der eingerichtet ist, um mit dem Photovoltaikgenerator (46) gekoppelt zu werden, und einen MPP-Tracker für den Photovoltaikgenerator (46) aufweist und angeschlossen ist, um direkt die Speichereinrichtung (22) zu speisen.
Insel-Netzsystem nach einem der Ansprüche 17–20, das ferner eine Heizeinrichtung (48) für die Speichereinrichtung (22) aufweist, die es ermöglicht, die Speichereinrichtung (22) bedarfsweise zu erwärmen, wobei die Heizeinrichtung (48) vorzugsweise eine elektrische Heizeinrichtung ist, die von dem Stromerzeuger (2) über den Eingangsanschluss (13), von der Speichereinrichtung (22), von einem Photovoltaikgenerator (46) oder von einer Kombination von diesen gespeist wird.