DE102014212832A1

DE102014212832A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE102014212832A1
Application number: DE102014212832.3A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bamberger; Michael Bernhard Buhl; Gopal Mondal; Ulrich Münz; Sebastian Nielebock; Florian Steinke; Jens Weidauer; Jeremy Ralph Wiles
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz. Dabei wird die elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz mit einer vorgegebenen Soll-Spannung eingespeist. Wird zur Aufrechterhaltung dieser vorgegebenen Soll-Spannung von dem Energieversorgungsnetz mehr Energie bezogen, als ein Generator aktuell liefern kann, so wird die zusätzliche elektrische Energie durch einen Energiespeicher kurzfristig bereitgestellt. Auf diese Weise kann auch bei kurzzeitiger Überlast der Generator zur Erzeugung elektrischer Energie weiterhin zumindest annähernd in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz und ein Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz.
Stand der Technik
Regenerative Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, gewinnen aktuell zunehmend an Bedeutung. Dabei ist es bekannt, dass die von einem Photovoltaikmodul erzeugte elektrische Energie neben der Betriebstemperatur des Photovoltaikmoduls und der auf das Modul einfallenden solaren Strahlung in großem Maße auch von der Gleichspannung abhängt, die am Ausgang des Photovoltaikmodules anliegt. 1 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit zwischen Spannung des Photovoltaikmoduls und erzeugter elektrischer Energie für verschiedene Strahlungsintensitäten. Wie dabei zu erkennen ist, weist ein Photovoltaikmodul dabei abhängig von der einfallenden solaren Strahlungsintensität eine optimale Ausgangsspannung auf, bei der ein Maximum an elektrischer Leistung abgegeben werden kann. Dieser optimale Betriebspunkt wird als Maximum Power Point (MPP) bezeichnet.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer Photovoltaikanlage in ein Energieversorgungsnetz. Dabei wird durch ein oder mehrere Photovoltaikmodule 110 die einfallende Strahlung in elektrische Energie umgewandelt und eine Gleichspannung an einem Wechselrichter 120 bereitgestellt. Der Wechselrichter 120 konvertiert die bereitgestellte Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung und speist diese in ein Energieversorgungsnetz 100 ein. Wird der Wechselrichter 120 dabei als Stromquelle betrieben, so kann aus den Photovoltaikmodulen 110 jeweils so viel Energie bezogen werden, dass die Photovoltaikmodule 110 im optimalen Betriebspunkt (MMP) betrieben werden können.
Wird der Wechselrichter 120 dagegen als Spannungsquelle betrieben, so passt sich die durch den Wechselrichter 120 eingespeiste Energie kontinuierlich an die Last im Netz 100 an. Dabei kann es vorkommen, dass in Abhängigkeit von der Last in dem Netz 100 durch den Wechselrichter 120 mehr Energie in das Netz 100 eingespeist wird, als durch die Photovoltaikmodule 110 bereitgestellt werden kann. In diesem Fall muss die zusätzliche Energie beispielsweise durch den Zwischenkreiskondensator 121 bereitgestellt werden. Dieser Kondensator 121 kann die erforderliche Energiemenge sehr rasch bereitstellen, verfügt jedoch auf der anderen Seite nur über eine relativ geringe Speicherkapazität. Sobald der Kondensator 121 nicht mehr ausreichend geladen ist, sinkt damit die Spannung am Ausgang der Photovoltaikmodule und somit können die Photovoltaikmodule 110 nicht mehr im optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Daher ist es in diesem Fall auch nicht möglich, die geforderte Spannung am Netzübergabepunkt weiterhin aufrechtzuerhalten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetzwerk bereitzustellen, bei der ein Generator, wie beispielsweise eine Photovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage als Spannungsquelle betrieben wird und dabei einer Überlastung des Generators auch bei schwankender Netzlast vorgebeugt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz mit einem Generator, einem Netzspannungskonverter und einem Energiespeicher. Der Generator ist dabei dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung an einem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters bereitzustellen. Der Netzspannungskonverter ist dazu ausgelegt, die an dem Eingangsanschluss bereitgestellte elektrische Spannung in eine vorbestimmte Ausgangsspannung zu konvertieren und an einem Netzübergabepunkt des Energieversorgungsnetzes bereitzustellen. Der Energiespeicher ist dazu ausgelegt, elektrische Energie an dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Generators bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz mit den Schritten des Bereitstellens einer elektrischen Spannung von einem Generator an einem Eingangsanschluss eines Netzspannungskonverters; des Vergleiches eines Betriebsparameters der von dem Generator mit einer vorbestimmten Sollgröße; des Bereitstellens elektrischer Energie von einem Energiespeicher an dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters, in Abhängigkeit von dem Vergleich des Betriebsparameters des Generators mit der vorbestimmten Sollgröße; und des Konvertierens der von dem Generator bereitgestellten elektrischen Spannung durch den Netzspannungskonverter in eine vorbestimmte Ausgangsspannung.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Energieversorgungsnetzwerk mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in das Energieversorgungsnetz.
Eine Idee, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, einen elektrischen Generator, wie beispielsweise einer Photovoltaikanlage, als Spannungsquelle zu betreiben und dabei den Generator durch eine zusätzliche Energiequelle zu unterstützen um auf Lastschwankungen im Netz rasch reagieren zu können und einer möglichen Überlastung des Generators vorbeugen zu können. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei kurzfristigen Schwankungen des Energiebedarfs in dem Energieversorgungsnetz über einen Zeitraum die Spannung an einem Netzübergabepunkt zwischen Energieversorgungsnetz und Wechselrichter der Netzeinspeisung konstant zu halten. Durch die zusätzliche Einspeisung von Energie aus der weiteren Energiequelle kann dabei die Generatorspannung zumindest annähernd konstant gehalten werden. Somit kann auch bei schwankender Netzlast über einen adäquaten Zeitraum der Generator in der Nähe des optimalen Betriebspunkt betrieben werden.
Auf diese Weise sinkt die Gefahr, dass bei ansteigender Netzlast und somit durch die zusätzliche Belastung des Generators die Ausgangsspannung des Generators signifikant absinkt und dadurch der Generator außerhalb seines optimalen Betriebspunktes betrieben wird. Außerhalb des optimalen Betriebspunkts kann der Generator bei gleicher Eingangsleistung weniger elektrische Energie bereitstellen. Daher kann die Effizienz des Generators bei schwankender Netzlast gesteigert werden. Darüber hinaus steigen auch die Verfügbarkeit des Energieversorgungsnetzes und die Stabilität des Energieversorgungsnetzes, da auch bei schwankender Netzlast am Netzübergabepunkt eine konstante Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann. Ohne diese zusätzliche Unterstützung des Generators durch eine zusätzliche Energiequelle würde ein Zwischenkreiskondensator eines Wechselrichters bei zu starker Netzlast rasch entleert werden. Der Wechselrichter kann daraufhin die Spannung in dem Energieversorgungsnetz nicht weiter aufrechterhalten und die Spannung in dem Energieversorgungsnetz könnte zusammenbrechen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie ferner einen weiteren Spannungskonverter auf, der dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Strom am Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters einzuspeisen. Der weitere Spannungskonverter wird dabei von dem Energiespeicher mit Energie versorgt.
Durch einen derartigen weiteren Spannungskonverter kann an dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters und somit auch am Ausgang des Generators die Spannung durch eine Stromzufuhr bzw. Stromabfuhr in der Nähe der gewünschten Spannung gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, mindestens einen Betriebsparameter des Generators zu erfassen. Die Steuervorrichtung kann daraufhin den weiteren Spannungskonverter in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsparameter des Generators ansteuern. Betriebsparameter können beispielsweise eine Ausgangsspannung des Generators, eine auf eine Photovoltaikanlage einfallende Strahlungsleistung, eine Betriebstemperatur des Generators, eine Drehzahl des Generators und/oder eine Winkelstellung von einem oder mehreren Rotorblättern einer Windkraftanlage sein. Die Erfassung und Auswertung weiterer Betriebsparameter ist darüber hinaus ebenso möglich.
Eine derartige Steuervorrichtung ist in der Lage, die Variationen der Spannungsverhältnisse rasch zu detektieren und daraufhin die Spannungsverhältnisse so einzuregeln, dass der Generator stets in der Nähe seines optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann. Durch das Erfassen der Betriebsparameter des Generators kann die Steuervorrichtung jeweils den optimalen Betriebspunkt des Generators ermitteln. Daraufhin kann die Spannung am Ausgang des Generators und somit am Eingang des Netzspannungskonverters so beeinflusst werden, dass der Generator jeweils in der Nähe seines optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, den elektrischen Energiespeicher in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter des Generators aufzuladen.
Auf diese Weise ist es möglich, überschüssige Energie, die von dem Generator bereitgestellt wird, in den Energiespeicher zu überführen, wenn das angeschlossene Energieversorgungsnetz aktuell nicht die vollständige von dem Generator bereitgestellte Energie abnehmen kann. Hierdurch kann auch bei geringer Netzlast der Generator weiterhin in der Nähe seines optimalen Betriebspunkt betrieben werden, ohne dass die dabei gelieferte elektrische Energie verloren geht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Generator eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage. Weitere Generatoren, die eine variable Leistungsausbeute aufweisen sind ebenso möglich. Entscheidend hierbei ist, dass die Leistungsausbeute des Generators von dem Zustand eines Energiespeichers abhängt. Im Falle einer Windkraftanlage ist dies z.B. die Rotordrehzahl, im Falle einer Photovoltaikanlage ist dies die Spannung des Zwischenkreiskondensators.
Insbesondere Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen weisen in Abhängigkeit ihrer Betriebsparameter einen optimalen Betriebspunkt auf. Für einen möglichst effizienten Betrieb kann daher die Ausgangsspannung der Photovoltaikmodule und somit die Zwischenkreisspannung eines nachgeschalteten Wechselrichters in Abhängigkeit der weiteren Betriebsparameter angepasst werden. Für Windkraftanlagen existiert beispielsweise für jede Windstärke und Winkelstellung der Rotorblätter eine optimale Rotordrehzahl. Weiterhin ist die Rotordrehzahl bei vorgegebener Winkelstellung der Rotorblätter und konstanter Windstärke auch von der Last am Ausgang der Windkraftanlage abhängig. Durch zusätzliches Einspeisen von elektrischer Energie aus einer weiteren Energiequelle kann die jeweilige Anlage somit auch bei schwankender Netzlast stets in der Nähe des optimalen Betriebspunkt betrieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Energiespeicher eine Batterie, einen Kondensator, ein Schwungrad und/oder einen Druckluftspeicher.
Derartige Energiespeicher sind sehr gut dazu geeignet, größere Energiemengen zu speichern und bei Bedarf kurzfristig wieder abzugeben. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch weitere Energiespeicher möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt der Generator an dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters eine Gleichspannung bereit. Der Netzspannungskonverter umfasst ferner einen Wechselrichter, der die von dem Generator bereitgestellte Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz ferner einen Schritt zum Einspeisen eines vorbestimmten Stroms an dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters in Abhängigkeit der elektrischen Spannung an Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Erfassens von mindestens einem Betriebsparameter des Generators und des Bestimmens der an dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters bereitzustellenden Energie in Abhängigkeit des erfassten Betriebsparameters.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform sind die Betriebsparameter des Generators eine Ausgangsspannung des Generators, eine Betriebstemperatur des Generators, eine auf dem Generator eintreffende solare Strahlungsleistung, eine Drehzahl des Generators und/oder eine Winkelstellung eines Rotorblatts des Generators.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Soll-Spannung am Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters in Abhängigkeit von einem Wirkungsgrad des Generators angepasst.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Aufladen des Energiespeichers in Abhängigkeit des Vergleichs des erfassten Betriebsparameters mit der vorbestimmten Sollgröße.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Diagramms, das für verschiedene Strahlungsleistungen den Zusammenhang zwischen der abgegebenen Leistung eines Photovoltaikmoduls und der Ausgangsspannung darstellt;
2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz gemäß einer Ausführungsform;
3: eine schematische Darstellung einer Kennlinie zur Regelung der Spannung in einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie gemäß einer Ausführungsform;
4: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in einem Energieversorgungsnetz zugrunde liegt; und
5: eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einem Photovoltaikmodul in ein Energieversorgungsnetz.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms, das den Zusammenhang zwischen abgegebener Leistung und Spannung zwischen den Ausgangsklemmen eines Photovoltaikmoduls für verschiedene einfallende Strahlungsleistungen darstellt. Wie dabei zu erkennen ist, existiert für jede einfallende Strahlungsleistung ein optimaler Betriebspunkt, bei dem die abgegebene elektrische Leistung maximal ist. Dieser optimale Betriebspunkt hängt von der jeweiligen Ausgangsspannung des Photovoltaikmoduls ab. Darüber hinaus hängt die abgegebene Leistung des Photovoltaikmoduls noch weiteren Betriebsparametern, wie beispielsweise der Temperatur des Photovoltaikmoduls ab.
In ähnlicher Weise existieren auch für weitere elektrische Generatoren, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen eingesetzt werden, ähnliche Zusammenhänge. Beispielsweise existiert bei Windkraftanlagen für jede Windgeschwindigkeit und/oder für jede Winkelstellung eines Rotorblatts der Windkraftanlage eine optimale Drehzahl, bei der ein Maximum an elektrischer Energie abgegeben werden kann. Schwankt die Belastung am Ausgang der Windkraftanlage, so kann dies auch Einfluss auf die Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage haben. Daher ist es erstrebenswert, die zur Erzeugung elektrischer Energie verwendeten Generatoren jeweils derart zu betreiben, dass in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsparameter, wie solare Einstrahlung, Betriebstemperatur, Drehzahl, Winkelstellung des Rotors, Windgeschwindigkeit, etc. von dem Generator so viel Energie bezogen wird, die einen Betrieb des Generators in der Nähe des optimalen Betriebspunktes ermöglicht. Hierzu kann zum Beispiel durch Einspeisen von zusätzlicher Energie aus einer weiteren Energiequelle eine Spannung am Ausgang des Generators eingestellt werden, die es ermöglicht, zumindest annähernd die größtmögliche elektrische Leistung aus dem Generator beziehen zu können.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz 2, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie umfasst dabei einen elektrischen Generator 10, dessen Ausgang mit einem Eingangsanschluss 21 eines Netzspannungskonverters 20 elektrisch gekoppelt ist. Somit liegt die von dem Generator 10 bereitgestellte Spannung auch am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 an. Bei dem Netzspannungskonverters 20 kann es sich beispielsweise um einen Wechselrichter handeln, der eine am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 bereitgestellte Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert. Zur Stabilisierung der Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 kann dabei am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 ein Kondensator 22 angeordnet sein.
Der Netzspannungskonverter 20 wird dabei vorzugsweise als Spannungsquelle betrieben. Das heißt, dass die Ausgangsspannung des Netzspannungskonverters 20 stets auf eine zumindest annähernd ideal sinusförmigen Ausgangsspannung mit vorgegebener Amplitude, Frequenz und Phasenlage eingeregelt wird, unabhängig von der Eingangsspannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20.
Der Ausgangsanschluss des Netzspannungskonverters 20 ist über einen Netzanschlusspunkt 2a mit dem Energieversorgungsnetz 2 gekoppelt. Auf diese Weise kann, innerhalb gewisser Grenzen, durch die Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie die Spannung innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2 unabhängig von der aktuellen Belastung konstant gehalten werden. Sinkt die Last innerhalb des Energieversorgungsnetz 2, so speist der Netzspannungskonverter 20 entsprechend weniger elektrische Energie von dem Generator 10 in das Energieversorgungsnetz 2 ein. Steigt die Last innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2, so speist der Netzspannungskonverter 20 entsprechend mehr elektrische Energie von dem Generator 10 in das Energieversorgungsnetz 2 ein.
Dabei kann es vorkommen, dass bei einem starken Lastanstieg innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2 durch den Netzspannungskonverter 20 mehr Energie in das Energieversorgungsnetz 2 eingespeist werden muss, als durch den Generator 10 bereitgestellt werden kann. Für sehr kurze Lastspitzen kann dabei durch den Kondensator 22 innerhalb des Netzspannungskonverters 20 zusätzlich elektrische Energie bereitgestellt werden. Für größere Lastspitzen reicht die gespeicherte elektrische Energie des Kondensators 22 innerhalb des Netzspannungskonverters 20 jedoch nicht aus. In diesem Fall würde durch den Energiebezug des Netzspannungskonverters 20 der Kondensator 22 entleert werden und die Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 würde einbrechen. Dabei würde sich, entsprechend dem Diagramm aus 1, der Generator 10 von seinem optimalen Betriebspunkt (MMP) weg bewegen. Da außerhalb des optimalen Betriebspunkt der Generator 10 jedoch weniger elektrische Energie liefern kann, würde die elektrische Spannung am Ausgang des Generators 10 und somit auch am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 weiter einbrechen. Daraufhin besteht die Gefahr, dass die Spannung in den Energieversorgungsnetz 2 einbricht.
Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, ist ein Energiespeicher 30 mit dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 und somit auch mit dem Ausgang des Generators 10 elektrisch gekoppelt. Vorzugsweise ist der Energiespeicher 10 über einen weiteren Spannungskonverter 40 mit dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters und dem Ausgang des Generators 10 elektrisch verbunden. Bei diesem weiteren Spannungskonverter 40 kann es sich beispielsweise um einen stromgeregelten Gleichspannungskonverter (DC-DC-Konverter) handeln, der eine von dem Energiespeicher 30 bereitgestellte elektrische Gleichspannung in einen Ausgangsgleichstrom am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 umwandelt. Auf diese Weise ist es möglich, durch Einspeisung zusätzlicher Energie einem Spannungsabfall am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 und somit auch am Ausgang des Generators 10 entgegenzuwirken. Vorzugsweise erfolgt die Einspeisung der zusätzlichen Energie von dem Energiespeicher 30 an dem Ausgang des Generators 10 bzw. dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 durch Einspeisen eines vorbestimmten Stroms. Dieser vorbestimmte Strom kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit der elektrischen Spannung an dem Ausgang des Generators 10 bzw. dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 bestimmt werden, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit 3 exemplarisch erläutert wird. Hierdurch kann auch bei kurzfristiger starker Belastung des Netzspannungskonverters 20 durch das Energieversorgungsnetz 2 die Ausgangsspannung des Generators 10 so aufrechterhalten werden, dass der Generator 10 ganz oder zumindest annähernd in seinem optimalen Betriebspunkt weiter betrieben werden kann und der Netzspannungskonverter 20 die erforderliche Netzspannung am Netzeinspeisepunkt 2a bereitstellen kann. Der Generator 10 liefert somit auch in diesem Fall annähernd seine maximal mögliche elektrische Leistung. Die zusätzliche elektrische Energie, die zur Aufrechterhaltung des Spannungsniveaus in dem Energieversorgungsnetz 2 bei steigender Last erforderlich ist, wird darüber hinaus durch die in dem Energiespeicher 30 gespeicherte Energie bereitgestellt.
Bei dem Energiespeicher 30 kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder einen sogenannten Super-Cap handeln, die unmittelbar elektrische Energie in Form einer Gleichspannung bereitstellen können. Alternativ sind jedoch auch weitere Energiespeicher möglich, die kurzfristig die zusätzlich benötigte elektrische Energie bereitstellen können, so dass die Spannung am Ausgang des Generators 10 für einen zumindest annähernd optimalen Betrieb aufrecht erhalten werden kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Energiespeicher auch um ein Schwungrad, einen Druckspeicher oder ähnliches handeln. In diesem Fall kann die Energie in Form der Drehbewegung des Schwungrades oder eines Gasdruckes eines Druckluftspeichers gespeichert werden. Bei Bedarf kann diese Energie in elektrische Energie überführt werden, die dann zur Aufrechterhaltung des Spannungsniveaus am Ausgang des Generators 10 bereitgestellt werden kann.
Zur Berechnung des gewünschten Stromes am Ausgang des weiteren Spannungskonverters 40, der mit dem Ausgang des Generators 10 bzw. dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 gekoppelt ist, kann die Soll-Spannung für den aktuellen optimalen Betriebspunkt des Generators 10 bestimmt werden und mit der tatsächlichen Spannung verglichen werden. Diese Soll-Spannung für den optimalen Betriebspunkt kann beispielsweise unter Verwendung der Betriebsparameter des Generators 10 berechnet werden. Hierzu kann im Falle einer Photovoltaikanlage beispielsweise die auf die Photovoltaikmodule einfallende Strahlungsleistung bestimmt werden. Beispielsweise kann diese Strahlungsleistung durch einen zusätzlichen Sensor (nicht dargestellt) sensorisch erfasst werden. Darüber hinaus ist auch die Messung der Temperatur an den Modulen der Photovoltaikanlage zum Beispiel durch einen Temperatursensor möglich. Falls erforderlich können darüber hinaus auch noch weitere Parameter bestimmt werden. Analog kann für eine Windkraftanlage die Drehzahl des Rotors, die Winkeleinstellung der Rotorblätter, gegebenenfalls auch die Windstärke sowie falls erforderlich weitere Parameter erfasst werden.
Die so ermittelten Betriebsparameter können durch eine Steuervorrichtung 50 ausgewertet werden, um daraus den optimalen Betriebspunkt des Generators 10 zu bestimmen. Insbesondere kann aus diesen Betriebsparametern eine Soll-Spannung berechnet oder bestimmt werden, bei der der Generator 10 die maximale elektrische Leistung abgeben kann. Die Berechnung bzw. Ermittlung dieser Soll-Spannung kann beispielsweise anhand einer in der Steuervorrichtung 50 abgelegten Formel berechnet werden. Alternativ kann die optimale Ausgangsspannung des Generators 10 auch basierend auf zuvor bereits berechneten Werten anhand eines Vergleichs mit den erfassten Betriebsparametern bestimmt werden. Beispielsweise können die Zusammenhänge zwischen Betriebsparameter und optimaler Soll-Spannung für den Generator 10 in einer Lookup-Tabelle abgelegt werden. Falls erforderlich kann die optimale Betriebsspannung darüber hinaus durch Interpolation weiter präzisiert werden.
Anhand der so bestimmten Soll-Spannung kann die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom des weiteren Spannungskonverters 40, mit der der Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 bzw. der Ausgang des Generators 10 gespeist wird, entsprechend eingestellt werden. Wird der Ausgang des weiteren Spannungskonverters 40 dabei auf einen konstanten Spannungswert eingestellt, so kann in diesem Fall zwischen dem Ausgang des weiteren Spannungskonverters 40 und der Verbindung zwischen Ausgang des Generators 10 im Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 ein Widerstand (nicht dargestellt) angeordnet werden. Somit kann durch den Spannungsabfall über diesen Widerstand die von dem Energiespeicher 30 zusätzlich bereitgestellte elektrische Energie in Abhängigkeit von der Belastung des Energieversorgungsnetzes 2 angepasst werden.
Alternativ ist auch eine dynamische Regelung der Ausgangsspannung des weiteren Spannungskonverters 40 in Abhängigkeit von der Belastung durch das Energieversorgungsnetz 2 möglich, wie dies beispielsweise in 3 dargestellt ist. Hierzu wird die vom Energiespeicher 30 eingespeiste Leistung in Abhängigkeit der elektrischen Spannung am Ausgang des Generators 10 oder am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 angepasst. Unterschreitet die Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 eine untere Spannungsschwelle I in 3, so wird der weitere Spannungskonverter 40 derart angesteuert, dass elektrische Energie von dem Energiespeicher 30 zu dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 fließt. Dabei ist der elektrische Strom umso größer, je weiter die Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 sinkt. Alternativ zu dem in 3 dargestellten linearen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung sind darüber hinaus auch weitere, gegebenenfalls nicht-lineare Beziehungen möglich. Die Spannungsschwelle I, bei der elektrische Energie von dem Energiespeicher 30 in Richtung des Eingangsanschlusses 21 des Netzspannungskonverters 20 zu fließen beginnt, muss dabei nicht zwangsläufig genau der Spannung für den optimalen Betriebspunkt des Generators 10 entsprechen. Alternativ kann die Spannungsschwelle I, bei der ein elektrischer Strom zu fließen beginnt, auch kleiner sein als die Spannung des optimalen Betriebspunktes des Generators 10.
Wie im rechten Bereich des Diagramms aus 3 zu erkennen ist, ist bei einer geringen Belastung des Energieversorgungsnetzes 2 auch ein Aufladen des Energiespeichers 30 möglich. Wird der Netzspannungskonverter 20 durch das Energieversorgungsnetz 2 nur gering belastet, so wird entsprechend auch der Generator 10 geringer belastet, so dass die elektrische Spannung am Ausgang des Generators 10 und damit auch am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 über die Spannung für den optimalen Betriebspunkt des Generators 10 ansteigt. In diesem Fall kann der weitere Spannungskonverter 40 in umgekehrter Richtung betrieben werden. Somit kann die elektrische Energie vom Generator 10 über den weiteren Spannungskonverter 40 dem Energiespeicher 30 zugeführt werden. Dabei wird der Energiespeicher 30 aufgeladen. Beispielsweise kann, wie in 3 dargestellt, das Aufladen des elektrischen Energiespeichers 30 dann erfolgen, wenn die Spannung am Ausgang des Generators 10 bzw. am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 einen oberen Grenzwert II überschreitet. Dabei kann der obere Grenzwert II für das Aufladen des elektrischen Energiespeichers größer oder gleich der Spannung für den optimalen Betriebspunkt des Generators 10 sein. Der elektrische Energiespeicher 30 wird dabei umso stärker aufgeladen, je höher die elektrische Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 ist. Die Kennlinie für den Ladestrom in den Energiespeicher 30 in Abhängigkeit von der Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 kann hierzu entweder linear oder beliebig anders festgelegt werden.
Die entsprechenden Kennlinien für das Aufladen des Energiespeichers 30 bei geringer Netzlast bzw. Entladen des Energiespeichers 30 bei einer Netzlast, die größer ist als die von dem Generator 10 bereitgestellte Leistung, kann dabei als Tabelle mit diskreten Werten oder als mathematischer Formel in der Steuervorrichtung 50 abgelegt sein. Die Steuervorrichtung 50 bestimmt aus den ermittelten Betriebsparametern des Generators 10 sowie der elektrischen Spannung am Ausgang des Generators 10 oder am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 die Einstellung für den weiteren Spannungskonverter 40 und steuert den weiteren Spannungskonverter 40 entsprechend an. Die Verbindung zwischen dem Ausgang des Generators 10 und dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 weist dabei eine relativ niedrige Impedanz auf, so dass der Spannungsabfall zwischen Ausgang des Generators 10 und dem Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters 20 sehr gering ist und in der Regel vernachlässigt werden kann. Im Falle einer Windkraftanlage erfolgt die Einspeisung von zusätzlicher Energie aus dem Energiespeicher 30 in Abhängigkeit der Rotordrehzahl der Windkraftanlage. Vorzugsweise erfolgt die Einspeisung der zusätzlichen Energie aus dem Energiespeischer 30 dabei in Abhängigkeit der gespeicherten Energie im Zwischenkreiskondensator 22 sowie im mechanischen Teil der Windkraftanlage.
Auf die zuvor beschriebene Weise ist es möglich, den Generator 10 auch bei schwankender Netzlast innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2 stets in der Nähe des optimalen Betriebspunktes zu betreiben. Überschreitet die Last innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2 kurzfristig die von dem Generator 10 bereitgestellte elektrische Leistung, so kann durch den zusätzlichen Energiespeicher 30 für eine gewisse Zeitdauer zusätzlich weitere elektrische Energie bereitgestellt werden. Somit kann am Ausgang des Netzspannungskonverters 20 die elektrische Spannung innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2 und insbesondere am Netzübergabepunkt 2a weiterhin konstant gehalten werden.
Da der Energiespeicher 30 jedoch nur eine begrenzte Menge an elektrischer Energie bereitstellen kann, muss durch weitere Schalthandlungen und gegebenenfalls zusätzliche Energieeinspeisungen die Energiebilanz innerhalb des Energieversorgungsnetzes 2 wieder ausgeglichen werden bevor die Kapazität des Energiespeichers 30 erschöpft ist. Beispielsweise kann hierzu die Steuervorrichtung 50 mit einer Netzleitstelle (nicht dargestellt) oder ähnlichem gekoppelt werden. Erkennt die Steuervorrichtung 50, dass Energie von dem Energiespeicher 30 zu dem Netzspannungskonverter 20 fließt, so kann daraufhin die Netzleitstelle oder ein weiteres Kraftwerk informiert werden, das zusätzlich weitere Energie in das Energieversorgungsnetz eingespeist werden muss. Ebenso kann bei längerfristigem Aufladen des Energiespeichers 30 ein weiteres Kraftwerk des Energieversorgungsnetzes 2 gedrosselt oder gegebenenfalls ganz deaktiviert werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz 2, wie es einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. In Schritt S1 wird zunächst von einem Generator 10 eine elektrische Spannung an einem Eingangsanschluss eines Netzspannungskonverters bereitgestellt. In Schritt S2 kann ein oder mehrere Betriebsparameter des Generators 10 und/oder weitere Betriebsparameter der Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie und/oder des Energieversorgungsnetzes erfasst werden. Basierend auf diesen erfassten Betriebsparametern kann eine Soll-Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 bestimmt werden.
In Schritt S3 wird mindestens ein Betriebsparameter des Generators mit einer vorbestimmten Sollgröße vergleichen. Beispielsweise kann die von dem Generator 10 bereitgestellte elektrische Spannung mit der vorgegebenen Soll-Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters verglichen werden.
In Schritt S4 wird in Abhängigkeit von dem Vergleich des Betriebsparameters des Generators (10) elektrische Energie von dem Energiespeicher 30 an dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 bereitgestellt. Beispielsweise kann die elektrische Energie an dem Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters breitgestellt werden, wenn eine vorgegebene Soll-Spannung unterschritten wird. Hierzu kann in Schritt S4a die von dem elektrischen Energiespeicher 30 bereitgestellte Spannung in eine weitere Spannung konvertiert werden. Die so konvertierte weitere Spannung wird dann am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters eingespeist. Alternativ kann in Schritt S5 der Energiespeicher 30 aufgeladen werden, wenn die elektrische Spannung am Eingangsanschluss 21 des Netzspannungskonverters 20 eine vorgegebene weitere Soll-Spannung überschreitet. Schließlich wird in Schritt S6 die elektrische Spannung am Eingangsanschluss des Netzspannungskonverters 20 auf eine vorbestimmte Ausgangsspannung konvertiert. Die so konvertierte vorbestimmte Ausgangsspannung kann an einem Netzübergabepunkt 2a in ein Energieversorgungsnetz 2 eingespeist werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz. Dabei wird die elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz mit einer vorgegebenen Soll-Spannung eingespeist. Wird zur Aufrechterhaltung dieser vorgegebenen Soll-Spannung von dem Energieversorgungsnetz mehr Energie bezogen, als ein Generator aktuell liefern kann, so wird die zusätzliche elektrische Energie durch einen Energiespeicher kurzfristig bereitgestellt. Auf diese Weise kann auch bei kurzzeitiger Überlast der Generator zur Erzeugung elektrischer Energie weiterhin zumindest annähernd in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden.

Claims

Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz (2), mit einem Generator (10), einem Netzspannungskonverter (20) und einem Energiespeicher (30); wobei der Generator (10) dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung an einem Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20) bereitzustellen; der Netzspannungskonverter (20) dazu ausgelegt ist, die an dem Eingangsanschluss (21) bereitgestellte elektrische Spannung in eine vorbestimmte Ausgangsspannung zu konvertieren und an einem Netzübergabepunkt (2a) des Energieversorgungsnetzes (2) bereitzustellen; und der Energiespeicher (30) dazu ausgelegt ist, elektrische Energie an dem Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20) in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Generators (10) bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter des Generators (10) eine Ausgangsspannung des Generators (10), eine Betriebstemperatur des Generators (10), eine auf den Generator (10) eintreffende solare Strahlungsleistung, eine Drehzahl des Generators (10) und/oder eine Winkelstellung eines Rotorblatts des Generators (10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einen weiteren Spannungskonverter (40), der dazu ausgelegt ist, einen vorbestimmten Strom am Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20) bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, mit einer Steuervorrichtung (50), die dazu ausgelegt ist, mindestens einen Betriebsparameter des Generators (10) zu erfassen und den weiteren Spannungskonverter (40) in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsparameters des Generators (10) anzusteuern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung (50) ferner dazu ausgelegt ist, den elektrischen Energiespeicher (30) in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Generators (10) aufzuladen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Generator (10) eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüch1 1 bis 6, wobei der Energiespeicher (30) eine Kondensator, eine Batterie, ein Schwungrad und/oder einen Druckluftspeicher umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüch1 1 bis 7, wobei der Generator (10) eine Gleichspannung an dem Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20) bereitstellt und der Netzspannungskonverter (20) einen Wechselrichter umfasst, der die von dem Generator (10) bereitgestellte Gleichspannung in eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannung konvertiert.
Energieversorgungsnetz (2) mit einer Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz (2) mit den Schritten: Bereitstellen (S1) einer elektrischen Spannung von einem Generator (10) an einem Eingangsanschluss (21) eines Netzspannungskonverters (20); Vergleichen eines Betriebsparameters des Generators (10) mit einer vorbestimmten Sollgröße; Bereitstellen elektrische Energie von einem Energiespeicher (30) an dem Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20), in Abhängigkeit von dem Vergleich des Betriebsparameters des Generators mit der vorbestimmten Sollgröße; und Konvertieren der von dem Generator (10) bereitgestellten elektrischen Spannung in eine vorbestimmte Ausgangsspannung.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Schritt zum Einspeisen eines vorbestimmten Stroms an dem Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20) in Abhängigkeit des Vergleichs des Betriebsparameters des Generators (10) mit der vorbestimmten Sollgröße.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend die Schritte: Erfassen mindestens eines Betriebsparameters des Generators (10); und Bestimmen der an dem Eingangsanschluss (21) des Netzspannungskonverters (20) bereitzustellenden elektrischen Energie in Abhängigkeit des erfassten Betriebsparameters.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Betriebsparameter des Generators (10) eine Ausgangsspannung des Generators (10), eine Betriebstemperatur des Generators (10), eine auf den Generator (10) eintreffende solare Strahlungsleistung, eine Drehzahl des Generators (10) und/oder eine Winkelstellung eines Rotorblatts des Generators (10) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die vorbestimmte Sollgröße in Anhängigkeit von dem Wirkungsgrad des Generators (10) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, mit einem Schritt zum Aufladen des Energiespeichers (30) in Abhängigkeit des Vergleichs des Betriebsparameters des Generators (10) mit der vorbestimmten Sollgröße.