DE102015000916A1

DE102015000916A1 - Netzkopplungselement zur Übertragung eines Wirkleistungsflusses

Info

Publication number: DE102015000916A1
Application number: DE102015000916.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Schramm; Andreas Eberhardt
Original assignee: Hochschule Munchen
Current assignee: Hochschule Munchen
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Es wird ein Netzkopplungselement zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen lokalen Netzen beschrieben. Das Netzkopplungselement umfasst eine Reihenschaltung eines AC/DC-Umsetzers, eines DC/DC-Umsetzers und eines DC/AC-Umsetzers, wobei eine AC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers mit einem ersten lokalen Netz verbindbar ist, wobei eine DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers mit einer ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers verbunden ist, wobei eine zweite DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers mit einer DC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers verbunden ist, und wobei eine AC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers mit einem zweiten lokalen Netz verbindbar ist. Der DC/DC-Umsetzer umfasst einen Transformator, der mit einer Mittelfrequenz im Bereich zwischen 400 Hz und 200 kHz betrieben wird und der eine galvanische Trennung zwischen der ersten DC-Spannungsseite und der zweiten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzkopplungselement zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Leistung sowie ein netzgekoppeltes System. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einem ersten lokalen Netz und einem zweiten lokalen Netz.
Erneuerbare Energien wie beispielsweise Solarenergie, Energie aus Windkraftanlagen, Energie aus Biogasanlagen, etc. werden in Zukunft mit stetig zunehmendem Anteil zur gesamten Energieversorgung beitragen. Für die Erzeugung von erneuerbaren Energien ist es charakteristisch, dass die Energie dezentral durch eine Vielzahl von Erzeugungsanlagen von jeweils vergleichsweise geringer Leistung erzeugt wird. Ein gewisser Anteil der lokal erzeugten Energie wird für den Eigenverbrauch verwendet. Überschüssige Energie kann in das öffentliche Netz eingespeist werden, wobei die Stromversorgungsunternehmen dem Betreiber einer lokalen Erzeugungsanlage für die Einspeisung von überschüssiger Energie bislang eine Einspeisevergütung bezahlen. Diese Einspeisevergütung ist jedoch im Vergleich zu den Energiebezugskosten vergleichsweise gering.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die lokale Nutzung von überschüssiger Energie zu erleichtern.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Netzkopplungselement zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Leistung gemäß Anspruch 1, durch ein netzgekoppeltes System gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einem ersten lokalen Netz und einem zweiten lokalen Netz gemäß Anspruch 17 gelöst.
Ein Netzkopplungselement entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen lokalen Netzen. Das Netzkopplungselement umfasst eine Reihenschaltung eines AC/DC-Umsetzers, eines DC/DC-Umsetzers und eines DC/AC-Umsetzers, wobei eine AC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers mit einem ersten lokalen Netz verbindbar ist, wobei eine DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers mit einer ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers verbunden ist, wobei eine zweite DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers mit einer DC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers verbunden ist, und wobei eine AC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers mit einem zweiten lokalen Netz verbindbar ist. Der DC/DC-Umsetzer umfasst einen Transformator, der mit einer Mittelfrequenz im Bereich zwischen 400 Hz und 200 kHz betrieben wird und der eine galvanische Trennung zwischen der ersten DC-Spannungsseite und der zweiten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers bewirkt.
Durch die Hintereinanderschaltung eines AC/DC-Umsetzers, eines DC/DC-Umsetzers und eines DC/AC-Umsetzers können sowohl die Höhe als auch die Richtung des Wirkleistungsflusses durch das Netzkopplungselement beliebig eingestellt werden. Dadurch eignet sich das Netzkopplungselement für eine flexible Leistungskopplung zwischen lokalen Netzen, und insbesondere für eine Verteilung lokal erzeugter Energie innerhalb von räumlich benachbarten lokalen Netzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung der privaten Netzkopplung;
2A das Impedanz-Netzwerk von zwei an ein öffentliches Netz angeschlossenen lokalen Netzen, wobei die beiden lokalen Netze durch eine einfache Verbindung mit fester Impedanz gekoppelt sind;
2B einen Ausschnitt des in 2A gezeigten Impedanz-Netzwerks, wobei die beiden lokalen Netze jetzt durch ein leistungselektronisches Stellglied von variabler Impedanz gekoppelt sind;
3 ein Beispiel für ein Netzkopplungselement für eine unidirektionale Leistungsübertragung;
4 ein Beispiel für ein Netzkopplungselement für eine bidirektionale Leistungsübertragung;
5A ein Schaltbild eines DC/AC-Umsetzers;
5B ein Schaltbild eines DC/DC-Umsetzers;
6 eine Darstellung des alternierenden Spannung V_AC1 an der Primärseite des Transformators, der alternierenden Spannung V_AC2 an der Sekundärseite des Transformators sowie des Spulenstroms i_L als Funktion der Zeit;
7 eine Übersicht, in der die Vorzeichen für die Bezeichnung der Leistungsflüsse P1, P2 und P3 festgelegt sind;
8 ein Ablaufdiagramm, aus dem hervorgeht, wie die Übertragungsleistung des Netzkopplungselements eingestellt wird;
9 ein Netzkopplungssystem für die Kopplung von drei lokalen Netzen;
10 ein Netzkopplungselement, an dessen Zwischenkreis ein Hochvoltspeicher angeschlossen ist; und
11 ein Netzkopplungselement, an dessen Zwischenkreis ein Hochvoltspeicher und eine Schnellladestation angeschlossen sind.
Eine Möglichkeit zur Nutzung von überschüssig erzeugter Energie ist, die überschüssig erzeugte Energie über private Leitungen bzw. ein privates Verteilnetz an benachbarte lokale Netze zu verteilen. Dieses Prinzip der privaten Netzkopplung ist in 1 schematisch dargestellt. 1 zeigt ein erstes lokales Netz 100, an das eine lokale Energieerzeugungseinheit 101 (z. B. eine Photovoltaik-Anlage) an geschlossen ist. Das erste lokale Netz 100 ist über einen Zähler 102 mit dem öffentlichen Netz 103 verbunden. In der näheren Umgebung des ersten lokalen Netzes 100 befinden sich weitere lokale Netze, darunter das zweite lokale Netz 104, das dritte lokale Netz 105 sowie das vierte lokale Netz 106. Das zweite lokale Netz 104, das dritte lokale Netz 105 und das vierte lokale Netz 106 sind jeweils über zugeordnete Zähler 107, 108, 109 an das öffentliche Netz 103 angeschlossen. Auf diese Weise kann jedes der lokalen Netze 101, 104, 105, 106 Wirkstrom vom öffentlichen Netz 103 beziehen. Zusätzlich ist in der in 1 gezeigten schematischen Darstellung eine private Netzkopplung vorgesehen. Die vier lokalen Netze 100, 104, 105, 106 sind über private Netzleitungen 110 bis 113 mit einem Netzkoppler 114 verbunden. Über die privaten Netzleitungen 110 bis 113 und den Netzkoppler 114 kann Strom in beliebiger Richtung zwischen den angeschlossenen lokalen Netzen 100, 104, 105, 106 übertragen werden. Als Beispiel soll angenommen werden, dass die lokale Energieerzeugungsanlage 101 mehr Strom erzeugt, als innerhalb des ersten lokalen Netzes 100 verbraucht wird. Dieser überschüssige Strom kann über die private Netzleitung 110, den Netzkoppler 114 und die privaten Netzleitungen 111, 112, 113 zu denjenigen lokalen Netzen übertragen werden, die gerade Strom benötigen und aus dem öffentlichen Netz entnehmen. Die lokalen Netze 104, 105, 106 in der Nachbarschaft des ersten lokalen Netzes 100 würden daher in erster Linie überschüssige Energie vom ersten lokalen Netz 100 beziehen und erst in zweiter Linie auf die teurere Energie aus dem öffentlichen Netz 103 zurückgreifen. Ein Teil der bisher vom öffentlichen Netz 103 bezogenen Energie würde also durch die vom ersten lokalen Netz 100 zur Verfügung gestellte überschüssige Energie ersetzt, so dass infolge der privaten Netzkopplung die Eigenverbrauchsquote steigt und der Energiebezug aus dem öffentlichen Netz 103 abgesenkt wird.
Eine derartige private Netzkopplung in der näheren Umgebung einer Energieerzeugungsanlage ist für alle Beteiligten von Vorteil. Der Betreiber der Energieerzeugungsanlage bekommt für die Bereitstellung des überschüssigen Stroms von seinen Nachbarn eine Vergütung, die gleich oder sogar größer ist als die Einspeisevergütung, die er bei Einspeisung ins öffentliche Netz 103 erhalten würde. Die Nachbarn erhalten die Möglichkeit, einen Teil des vergleichsweise teuren Energiebezugs aus dem öffentlichen Netz 103 durch einen günstigeren Bezug vom Betreiber der Energieerzeugungsanlage 101 zu ersetzen und auf diese Weise Geld zu sparen. Aber auch für das Energieversorgungsunternehmen, das das öffentliche Netz 103 betreibt, ist die private Netzkopplung unter dem Gesichtspunkt der Netzstabilität von Vorteil. Die private Netzkopplung führt zu einer Erhöhung des Eigenverbrauchs, die bei entsprechender Bezugsoptimierung zu einer Absenkung der von den lokalen Energieerzeugungsanlagen eingespeisten Leistungsspitzen führt, so dass die Versorgungsnetze sowie die Ortsnetztransformatoren entlastet werden. Dies ist insbesondere im Bereich der Photovoltaik-Anlagen von Bedeutung, wo es bei starker Sonnenschein zu entsprechenden Leistungsspitzen bei der Einspeisung ins öffentliche Netz 103 kommt. Die private Netzkopplung ermöglicht eine lokale Verteilung der überschüssigen Leistung, so dass die Belastung des öffentlichen Netzes durch Leistungsspitzen verringert wird.
Die rechtlichen Grundlagen für die Nutzung und Einspeisung von lokal erzeugten regenerativen Energien sind im deutschen „Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien" (Kurztitel: Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG 2014) geregelt.
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz regelt die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Quellen ins Stromnetz und garantiert deren Erzeugern feste Einspeisevergütungen. Unter rechtlichen Aspekten ist es erlaubt, Strom an Dritte in unmittelbarer räumlicher Nähe zur Energieerzeugungsanlage über eine private Stromleitung zu liefern, sofern die Stromlieferung über eine private Stromleitung erfolgt. Dies geht aus dem Leitsatz des Empfehlungsverfahrens 2011/2 der Clearing-Stelle EEG hervor.
Im Folgenden soll untersucht werden, wie durch die private Netzkopplung das Impedanz-Netzwerk des Verteilnetzes beeinflusst wird. Hierzu ist in 2 das Impedanz-Netzwerk des Verteilnetzes schematisch dargestellt. Das öffentliche Netz umfasst einen Transformator 200, der eine eingangsseitig anliegende Mittelspannung von 20 kV auf eine Niederspannung von 400 V herunter transformiert. Die Impedanz 201 bezeichnet die Impedanz bis zum Abzweigungspunkt 202, an dem der Strom für das erste lokale Netz 100 abgezweigt wird. Die Impedanz 203 bezeichnet die Impedanz zwischen dem Abzweigungspunkt 202 und dem Zähler 102, während die Impedanz 204 die Impedanz zwischen dem Zähler 102 und dem ersten lokalen Netz 100 angibt. Wie in 2A erkennbar ist, ist an das erste lokale Netz 100 die Energieerzeugungsanlage 101 angeschlossen.
Die Impedanz 205 bezeichnet die Impedanz zwischen dem ersten Abzweigungspunkt 202 und dem zweiten Abzweigungspunkt 206, der zur Abzweigung des Stroms für das zweite lokale Netz 104 vorgesehen ist. Die Impedanz 207 bezeichnet die Impedanz zwischen dem zweiten Abzweigungspunkt 206 und dem Zähler 107, und die Impedanz 208 bezeichnet die Impedanz zwischen dem Zähler 107 und dem zweiten lokalen Netz 104. Wenn nun zwischen dem ersten lokalen Netz 100 und dem zweiten lokalen Netz 104 eine passive private Netzkopplung mit einer festen Impedanz 209 eingeführt wird, dann wird die bislang bestehende Sterntopologie in eine Ringtopologie umgewandelt. Eine einfache Netzverbindung, wie sie in 2A durch die feste Impedanz 209 veranschaulicht ist, resultiert in einem nicht steuerbaren Energiefluss zwischen dem ersten lokalen Netz 100 und dem zweiten lokalen Netz 104. Außerdem hat eine derartige Netzkopplung mit der festen Impedanz 209 eine undefinierte und nicht beeinflussbare Veränderung des Energiebezugs an den beiden Stromzählern 102 und 107 beider Parteien zur Folge. Mittels einer festen Impedanz 209 lässt sich also keine sinnvolle private Netzkopplung realisieren.
Für die Realisierung einer sinnvollen privaten Netzkopplung muss daher ein Netzkopplungselement von variabler Impedanz verwendet werden. Ein derartiges Netzkopplungselement von variabler Impedanz ist in 2B gezeigt. An den ersten Zähler 102 ist über die Impedanz 204 das erste lokale Netz 100 mit der Energieerzeugungsanlage 101 angeschlossen. Außerdem ist der zweite Zähler 107 zu erkennen, der über die Impedanz 208 mit dem zweiten lokalen Netz 104 verbunden ist. Die Netzkopplung zwischen dem ersten lokalen Netz 100 und dem zweiten lokalen Netz 104 ist in 2B mittels einer variablen Impedanz 210 realisiert, welche beispielsweise mittels eines leistungselektronischen Stellglieds realisiert werden kann. Wie in 2B durch die beiden Pfeile 211, 212 veranschaulicht ist, kann in Abhängigkeit von der verwendeten Topologie und von der eingesetzten Regelung der Wirkleistungsfluss zwischen den beiden lokalen Netzen 100, 104 sowohl unidirektional (also nur in eine Leistungsflussrichtung) als auch bidirektional beliebig in der Amplitude gesteuert werden.
In Abhängigkeit von der benötigten Leistung und von weiteren Funktionsmerkmalen wie beispielsweise Inselfähigkeit oder der Möglichkeit zur Anbindung einer Batterie im Zwischenkreis sind als Netzkopplungselemente sowohl einphasige als auch drei- oder vierphasige Umrichter einsetzbar. Dabei kann durch die Verwendung von geeigneten Transformatoren eine galvanische Trennung zwischen dem ersten lokalen Netz 100 und dem zweiten lokalen Netz 104 erreicht werden, wobei hierzu entweder konventionelle 50/60 Hertz-Transformatoren oder aber Mittelfrequenz-Transformatoren mit einer Grundfrequenz im Bereich von beispielsweise 400 Hz bis 200 kHz eingesetzt werden können. Je nach gewählter Netzkoppler-Topologie kann die Netzkopplung entweder mittels einer ein- oder dreiphasigen Wechselstromverbindung oder aber mittels einer Gleichspannungsverbindung realisiert werden.
In 3 ist ein Beispiel für ein Netzkopplungselement für eine unidirektionale Leistungsübertragung gezeigt, bei dem die Energieübertragung über eine Gleichspannungsverbindung erfolgt. Es soll angenommen werden, dass von einem ersten lokalen Netz 300 überschüssige Energie zur Verfügung gestellt wird, die mittels des Netzkopplungselements zu einem zweiten lokalen Netz 301 übertragen werden soll. Das Netzkopplungselement umfasst eine übertragerseitige Einheit 302, die an das erste lokale Netz 300 angeschlossen ist. Die übertragerseitige Einheit 302 umfasst einen elektromagnetisch betätigten Relaiskontakt, mit der Leistungsteil der übertragerseitigen Einheit 302 im Standby-Betrieb vom lokalen Netz 300 getrennt werden kann, sowie einen Transformator 303, der für 50 Hz Netzspannung ausgelegt ist und die Wechselspannung beispielsweise im Verhältnis 1:2 umsetzt. Die transformierte Wechselspannung wird anschließend durch den Diodengleichrichter 304, der mit einer Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) ausgestattet ist, in eine Gleichspannung umgesetzt. Die so erzeugte Gleichspannung wird durch einen Kondensator 305 geglättet und anschließend über ein Gleichspannungs-Übertragungskabel 306, das für die Übertragung von 700 V Gleichspannung ausgelegt ist, zu einem Stromverbraucher in der Nachbarschaft übertragen. Dort ist das Gleichspannungs-Übertragungskabel 306 an eine empfängerseitige Einheit 307 angeschlossen, welche die übertragene Gleichspannung mittels eines Kondensators 308 glättet und anschließend mittels eines geschalteten DC/AC-Umsetzers 309 in eine Wechselspannung umsetzt. Diese Wechselspannung wird vom DC/AC-Umsetzer 309 in einer an die Wechselspannung im zweiten lokalen Netz 301 geeignet angepassten Phasenlage erzeugt, um die gewünschten Amplitude des Energieflusses vom ersten lokalen Netz 300 in das zweite lokale Netz 301 zu ermöglichen.
Während das in 3 gezeigte Netzkopplungselement lediglich für eine unidirektionale Energieübertragung ausgelegt ist, ist in 4 ein weiteres Beispiel für ein Netzkopplungselement gezeigt, das insbesondere auch für eine bidirektionale Energieübertragung geeignet ist. Das in 4 gezeigte Netzkopplungselement umfasst drei hintereinander geschaltete Umsetzerstufen, nämlich einen AC/DC-Umsetzer 400, einen DC/DC-Umsetzer 401 mit galvanischer Trennung sowie einen DC/AC-Umsetzer 402. Die AC-Seite des AC/DC-Umsetzers 400 ist mit dem ersten lokalen Netz 403 verbunden, und die AC-Seite des DC/AC-Umsetzers 402 ist mit dem zweiten lokalen Netz 404 verbunden. Zwischen dem AC/DC-Umsetzer 400 und dem DC/DC-Umsetzer 401 sowie zwischen dem DC/DC-Umsetzer 401 und dem DC/AC-Umsetzer 402 können optional Kondensatoren 405, 406 zur Glättung der Gleichspannung vorgesehen sein.
Der AC/DC-Umsetzer 400 kann als einphasiger oder mehrphasiger Umrichter ausgelegt sein. Bevorzugt wird der AC/DC-Umsetzer 400 mit Hilfe von aktiven Schaltelementen wie beispielsweise IGBTs oder MOSFETs realisiert, er kann allerdings auch mit passiven Schaltelementen, insbesondere Dioden, realisiert werden.
Ebenso kann der DC/AC-Umsetzer 402 als einphasiger oder mehrphasiger Umrichter ausgelegt sein.
Der DC/DC-Umsetzer 401 umfasst einen Transformator und sorgt so für eine galvanische Trennung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite und somit zwischen den beiden lokalen Netzen. Vorzugsweise wird der Transformator in einem Mittelfrequenzbereich betrieben, vorzugsweise bei einer Frequenz zwischen 400 Hz und 200 kHz. Dies hat den Vorteil, dass die Kernfläche des Transformators und somit auch der gesamte Transformator signifikant kleiner sind, als dies bei der Verwendung eines für 50 Hz ausgelegten Transformators der Fall wäre.
Das in 4 gezeigte Netzkopplungselement ermöglicht einen energiesparenden Standby-Betrieb, wobei unter anderem der DC/DC-Umsetzer 401 im Standby-Betriebs abgeschaltet werden kann.
Bei dem in 4 gezeigten Netzkopplungselement wird über den AC/DC-Umsetzer 400 die Verbindung zum ersten lokalen Netz 403 hergestellt, während über den DC/AC-Umsetzer 402 die Verbindung zum zweiten lokalen Netz 404 hergestellt wird. Die beiden Umsetzer 400 und 402, mit denen die Verbindung zu den Wechsel- oder Drehstromnetzen hergestellt wird, können dabei absolut identisch aufgebaut und geregelt sein. Dadurch ergibt sich eine vollkommen spiegelsymmetrische Auslegung des Netzkopplungselements. Eine derartige symmetrische Auslegung ist insbesondere bei gleichberechtigten lokalen Netzen vorteilhaft.
Alternativ dazu können der AC/DC-Umsetzer 400 und der DC/AC-Umsetzer 402 aber auch unterschiedlich ausgelegt sein, um unterschiedliche Netzverbindungen realisieren zu können. Abhängig von der verwendeten Topologie kann der AC/DC-Umsetzer 400 beispielsweise dreiphasig ausgelegt sein, während der DC/AC-Umsetzer 402 einphasig ausgelegt sein kann, oder umgekehrt. Dadurch wird insbesondere eine Leistungsübertragung zwischen heterogenen und asynchronen Netzen ermöglicht. Beispielsweise kann über ein derartiges Netzkopplungselement eine Verbindung zwischen einem Inselnetz und einem Verbundnetz hergestellt werden.
Die Steuerung oder Regelung der vom Netzkopplungselement übertragenen Leistung erfolgt vorzugsweise auf Seiten des DC/DC-Umsetzers 401. Dabei kann die Höhe und Richtung des Wirkleistungsflusses durch das Netzkopplungselement insbesondere über die Schaltzeiten von Schaltelementen des DC/DC-Umsetzers gesteuert oder geregelt werden. Wenn die Steuerung oder Regelung des Wirkleistungsflusses allein über den DC/DC-Umsetzer 401 erfolgt, können sowohl für den AC/DC-Umsetzer 400 als auch für den DC/AC-Umsetzer 402 Standardprodukte eingesetzt werden, die kostengünstig erhältlich sind.
Alternativ dazu wäre es jedoch auch möglich, die Steuerung oder Regelung des Wirkleistungsflusses auf Seiten des AC/DC-Umsetzers 400 oder auf Seiten des DC/AC-Umsetzers 402 vorzunehmen. Insbesondere könnte auf Seiten des AC/DC-Umsetzers 400 die Höhe und Richtung des aus dem ersten lokalen Netz 403 ausgekoppelten bzw. in das erste lokale Netz 403 eingespeisten Stroms gesteuert oder geregelt werden. Auf Seiten des DC/AC-Umsetzers 402 könnte die Höhe und Richtung des in das zweite lokale Netz 404 eingespeisten bzw. aus dem zweiten lokalen Netz 404 ausgekoppelten Stroms gesteuert oder geregelt werden.
In 5A ist ein Schaltplan eines einphasigen DC/AC-Umsetzers gezeigt. An der Eingangsseite des DC/AC-Umsetzers liegt eine Gleichspannung an den beiden Anschlussklemmen 500, 501 an. Diese Gleichspannung wird durch einen Kondensator 502 geglättet. Mittels einer ersten Halbbrücke, welche zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente 503, 504 sowie jeweils parallel geschaltete Freilaufdioden 505, 506 umfasst, kann entweder der am Anschluss 500 anliegende Pol der Eingangsspannung oder der am Anschluss 501 anliegende Pol der Eingangsspannung zum ausgangsseitigen Anschluss 507 durchgeschaltet werden. Entsprechend kann durch eine zweite Halbbrücke, welche die beiden in Reihe geschalteten Schaltelemente 508, 509 sowie die parallel dazu geschalteten Freilaufdioden 510, 511 umfasst, entweder der am Anschluss 500 anliegende Pol oder der am Anschluss 501 anliegende Pol der Eingangsspannung zum ausgangsseitigen Anschluss 512 durchgeschaltet werden. Bei den Schaltelementen 503, 504 sowie 508, 509 kann es sich beispielsweise um IGBTs oder um MOSFETs handeln. In diese IGBTs oder MOSFETs können die Freilaufdioden bereits integriert sein.
Der in 5A gezeigte DC/AC-Umsetzer umfasst eine Steuerung 513, mit der die Schaltelemente der beiden Halbbrücken jeweils so angesteuert werden, dass man an den Ausgangsanschlüssen 507, 512 eine alternierend umgepoltes pulsweitenmodulierte Spannung erhält. Durch das Tastverhältnis dieser pulsweitenmodulierten alternierenden Spannung wird ein Sinussignal möglichst genau nachbildet. Über diese alternierende pulsweitenmodulierte Spannung erfolgt die Kopplung zum lokalen Netz. Dabei wird durch die Phasenlage der pulsweitenmodulierten Spannung relativ zur Wechselspannung des lokalen Netzes festgelegt, ob Leistung in das lokale Netz eingespeist oder aus dem lokalen Netz entnommen wird.
Die Phasenlage der vom DC/AC-Umsetzer an der AC-Spannungsseite erzeugten alternierenden Spannung bestimmt also die Wirkleistungsflussrichtung. Wenn die Phasenlage der alternierenden Spannung relativ zur lokalen Netzspannung beispielsweise positiv ist, dann wird Leistung in das lokale Netz eingespeist, und der DC/AC-Umsetzer verhält sich wie ein Wechselrichter. Wenn die Phasenlage der alternierenden Spannung relativ zur lokalen Netzspannung dagegen negativ ist, dann ergibt sich eine entgegengesetzte Wirkleistungsflussrichtung, und aus dem lokalen Netz wird Leistung entnommen. In diesem Fall verhält sich der DC/AC-Umsetzer wie ein Gleichrichter.
Abhängig von der Phasenlage der erzeugten AC-Spannung kann der in 5A gezeigte Umsetzer daher sowohl für die DC/AC-Umsetzung als auch für die AC/DC-Umsetzung verwendet werden.
In 5B ist ein Schaltplan für einen DC/DC-Umsetzer gezeigt. An den beiden Anschlüssen 514, 515 liegt eine Gleichspannung V_DC1 an, die durch den Kondensator 516 geglättet wird. Diese Gleichspannung V_DC1 wird mit Hilfe von zwei Halbbrücken in eine alternierende Spannung V_AC1 umgesetzt. Hierzu umfasst die erste Halbbrücke zwei Schaltelemente 517, 518 sowie parallel geschaltete Freilaufdioden 519, 520. Entsprechend umfasst die zweite Halbbrücke zwei Schaltelemente 521, 522 sowie parallel geschaltete Freilaufdioden 523, 524. Die Schaltelemente der beiden Halbbrücken werden z. B. durch von der Steuerung 525 erzeugte Ansteuersignale so gesteuert, dass eine alternierende Spannung V_AC1 erzeugt wird. Diese alternierende Spannung V_AC1 liegt an der primärseitigen Wicklung des Transformators 526 an.
Auf der gegenüberliegenden Seite des DC/DC-Umsetzers liegt an den beiden Anschlüssen 527, 528 eine Gleichspannung V_DC2 an, die durch einen Kondensator 529 geglättet wird. Diese Gleichspannung V_DC2 wird mit Hilfe einer dritten Halbbrücke und einer vierten Halbbrücke in eine alternierende Spannung V_AC2 umgesetzt, die an der sekundärseitigen Wicklung des Transformators 526 anliegt. Hierzu umfasst die dritte Halbbrücke zwei Schaltelemente 530, 531 sowie parallel geschaltete Freilaufdioden 532, 533. Die vierte Halbbrücke umfasst zwei Schaltelemente 534, 535 sowie dazu parallel geschaltete Freilaufdioden 536, 537. Die Schaltelemente der dritten und vierten Halbbrücke werden entsprechend den von der Steuerung 525 erzeugten Ansteuersignalen geschaltet, um die Gleichspannung V_DC2 in die alternierende Spannung V_AC2 umzusetzen. Diese alternierende Spannung V_AC2 liegt an der sekundärseitigen Wicklung des Transformators 526 an.
Die Steuerung 525 dient zur Erzeugung der von den einzelnen Schaltelementen benötigten Ansteuerungssignale. Die Ansteuerungssignale können dabei so aufgesetzt werden, dass sich ein Phasenversatz zwischen der Ansteuerung der ersten und zweiten Halbbrücke gegenüber der Ansteuerung der dritten und vierten Halbbrücke ergibt. Durch geeignete Festlegung dieses Phasenversatzes lassen sich sowohl die Amplitude als auch die Richtung des Leistungsflusses zwischen der ersten DC-Spannungsseite und der zweiten DC-Spannungsseite des in 5B gezeigten DC/DC-Umsetzers einstellen. Somit kann in Abhängigkeit von der Phasenlage der Spannungen V_AC1 und V_AC2 der Wirkleistungsfluss festgelegt werden, der von dem Netzkopplungselement zwischen den beiden lokalen Netzen übertragen wird.
Wie der Wirkleistungsfluss durch den DC/DC-Umsetzer gesteuert oder geregelt werden kann, ist in 6 veranschaulicht. Die Kurve 600 zeigt den zeitlichen Verlauf der an der primärseitigen Wicklung anliegenden alternierenden Spannung V_AC1, während die Kurve 601 den zeitliche Verlauf der an der sekundärseitigen Wicklung anliegenden alternierenden Spannung V_AC2 multipliziert mit dem Übertragungsverhältnis n des Trafos zeigt. Mit Hilfe der Streuinduktivität L des Transformators 526 lässt sich der Strom i_L durch den Transformator 526 wie folgt beschreiben:
In dieser Gleichung bezeichnet V_AC1 die primärseitig anliegende alternierende Spannung, V_AC2 die an der Sekundärseite des Transformators anliegende alternierende Spannung, n das Übertragungsverhältnis des Transformators 526 und L die wirksame Streuinduktivität des Transformators.
Der zeitliche Verlauf 602 des Spulenstroms i_L ist in 6 ebenfalls mit eingezeichnet. Solange V_AC1 > n·V_AC2 gilt, ergibt sich nach obiger Gleichung ein Anstieg des Spulenstroms i_L. Dies ist in 6 zwischen t₀ und t₁ zu erkennen. Wenn dagegen V_AC1 < n·V_AC2 gilt, ergibt sich nach obiger Gleichung ein Absinken des Spulenstroms i_L. Dies ist in 6 zwischen t₁ und t₂, zwischen t₂ und t₃ sowie zwischen t₃ und t₄ zu erkennen. Ab dem Zeitpunkt t₄ ergibt sich wieder ein Ansteigen des Stroms i_L.
In 6 ist auch der Phasenversatz 603 zwischen der Kurve 600 und der Kurve 601 eingezeichnet. Über diesen Phasenversatz 603, der durch das zeitliche Schaltverhalten der Schaltelemente des DC/DC-Wandlers einstellbar ist, lässt sich die Höhe des Wirkleistungsflusses festlegen. Darüber hinaus lässt sich mittels des Phasenversatzes 603 aber auch die Richtung des Wirkleistungsflusses festlegen. Dies soll im Folgenden kurz erläutert werden. In 6 ist zu erkennen, dass die alternierenden Spannungen V_AC1, V_AC2 und der Strom i_L stets das gleiche Vorzeichen haben. Hier ergibt sich ein Wirkleistungsfluss in einer ersten Richtung. Durch geeignetes zeitliche s Schalten der Schaltelemente lässt sich jedoch auch erreichen, dass der Strom ein zur Spannung entgegengesetztes Vorzeichen besitzt. Da sich die Leistung als Produkt von Strom und Spannung ergibt, ergibt sich in diesem Fall ein Wirkleistungsfluss in entgegengesetzter Richtung. Insofern lässt sich mittels eines geeigneten zeitlichen Schaltschemas für die Schaltelemente nicht nur die Höhe, sondern auch die Richtung des Wirkleistungsflusses festlegen. Die Steuerung oder Regelung des Wirkleistungsflusses kann also über das zeitliche Schaltschema für die Schaltelemente bzw. über den Phasenversatz der an der Primär- und Sekundärseite des Transformators anliegenden alternierenden Spannungen V_AC1 und V_AC2 in Hinblick auf Höhe und Richtung beliebig eingestellt werden.
In 7 ist eine Übersicht gezeigt, in der die Vorzeichen für die Bezeichnung der Leistungsflüsse P1, P2 und P3 festgelegt sind. In 7 ist ein erstes lokales Netz 700 gezeigt, an das eine Energieerzeugungsanlage 701 angeschlossen ist. Das erste lokale Netz 700 ist über den Zähler 702 an das öffentliche Netz 703 angeschlossen. Außerdem ist in 7 ein zweites lokales Netz 704 zu erkennen, das über einen Zähler 705 mit dem öffentliche Netz 703 verbunden ist. Darüber hinaus ist das erste lokale Netz 700 über ein Netzkopplungselement 706 mit dem zweiten lokalen Netz 704 gekoppelt.
Der Wirkleistungsfluss vom öffenltichen Netz 703 zum ersten lokalen Netz 700 ist mit P1 bezeichnet. Wenn das lokale Netz 700 Strom vom öffentlichen Netz 703 bezieht, ist P1 positiv (siehe Pfeilrichtung). Wenn das lokale Netz 700 dagegen Strom ins öffentliche Netz 703 einspeist, dann ist P1 negativ.
Der Wirkleistungsfluss vom öffentlichen Netz 703 zum zweiten lokalen Netz 704 ist mit P2 bezeichnet. Wenn das zweite lokale Netz 704 Strom vom öffentlichen Netz 703 bezieht, ist P2 positiv (siehe Pfeilrichtung). Bei einer Stromeinspeisung in das öffentliche Netz wäre P2 negativ.
Der Wirkleistungsfluss über das Netzkopplungsglied 706 wird mit P3 bezeichnet. Wenn Strom vom ersten lokalen Netz 700 zum zweiten lokalen Netz 704 übertragen wird, ist P3 positiv (siehe Pfeilrichtung). Wenn dagegen Strom vom zweiten lokalen Netz 704 zum ersten lokalen Netz 700 übertragen wird, dann ist P3 negativ.
Im Folgenden soll anhand des in 8 gezeigten Ablaufdiagramms erläutert werden, wie der Wirkleistungsfluss P3 für das Netzkopplungselement 706 eingestellt wird.
Nach dem Start des Verfahrens in Schritt 800 befindet sich das Netzkopplungselement 706 im Schritt 801 im Standby-Modus. Im Standby-Modus wird kein Wirkleistungsfluss vom ersten lokalen Netz 700 zum zweiten lokalen Netz 704 übertragen, und dementsprechend ist P3 = 0.
Im darauffolgenden Schritt 802 wird abgefragt, ob die Bedingung ((P1 < P_lim AND P2 > P_lim) OR P3 > 0) erfüllt ist. Dabei bezeichnet P_lim einen sehr kleinen Regelungsgrenzwert, P_lim kann beispielsweise auf 10 W festgesetzt werden. Durch die Einführung des Regelungsgrenzwerts P_lim wird ein Hin- und Herspringen des Regelungsalgorithmus verhindert.
Mit dem ersten Teil der Bedingung wird geprüft, ob das erste lokale Netz 700 Strom ins öffentliche Netz 703 einspeist (dann ist P1 < P_lim) und zugleich das zweite lokale Netz 704 Strom aus dem öffentlichen Netz bezieht (dann ist P2 > P_lim). Es wird also geprüft, ob im ersten lokalen Netz 700 zuviel Strom erzeugt wird, der sinnvollerweise über das Netzkopplungselement 706 zum zweiten lokalen Netz 704 übertragen werden könnte.
Mit dem zweiten Teil der Bedingung wird geprüft, ob P3 > 0 ist, also ob das Netzkopplungselement 706 gerade Leistung vom ersten lokalen Netz 700 zum zweiten lokalen Netz 704 überträgt. Wenn dies der Fall ist, wenn also P3 > 0 ist, dann kann man das Netzkopplungselement 706 nicht abrupt abschalten, sondern müsste die Leistung zunächst schrittweise herunterregeln.
Wenn beide Teile der Bedingung ((P1 < P_lim AND P2 > P_lim) OR P3 > 0) nicht erfüllt sind, geht das Netzkopplungselement 706 in den Standby-Modus (Schritt 801) über. Wenn zumindest einer der beiden Teile der Bedingung erfüllt ist, geht es mit Schritt 803 weiter.
Im darauffolgenden Schritt 803 wird abgefragt, ob die Bedingung (P1 < P_lim AND P2 > P_lim) erfüllt ist, ob also das erste lokale Netz 700 Strom ins öffentliche Netz 703 einspeist (dann ist P1 < P_lim) und zugleich das zweite lokale Netz 704 Strom aus dem öffentlichen Netz bezieht (dann ist P2 > P_lim).
Wenn dies nicht der Fall ist, muss der Leistungsfluss des Netzkopplungselements 706 heruntergeregelt werden. Dies geschieht in Schritt 804, wo dem Wirkleistungsfluss P3 der verringerte Wert P3 – ΔP zugewiesen wird: P3 = P3 – ΔP.
Wenn dagegen in Schritt 803 die Bedingung (P1 < P_lim AND P2 > P_lim) erfüllt ist, wenn also das erste lokale Netz 700 zuviel Strom erzeugt, der vom zweiten lokalen Netz 704 genutzt werden könnte, dann wird der Leistungsfluss des Netzkopplungselements 706 hochgeregelt. Hierzu wird im Schritt 805 zunächst geprüft, ob P3 < P_Nenn ist, wobei P_Nenn die Nennleistung des Netzkopplungselements 706 bezeichnet.
Wenn sich der Wirkleistungsfluss P3 noch unterhalb des oberen Limits P_Nenn befindet (P3 < P_Nenn), dann wird der Wirkleistungsfluss weiter erhöht. Dementsprechend wird dem Wirkleistungsfluss P3 in Schritt 806 der erhöhte Wert P3 + ΔP zugewiesen: P3 = P3 + ΔP.
Wenn sich der Wirkleistungsfluss P3 dagegen bereits am oberen Limit P_Nenn oder sogar oberhalb des oberen Limits P_Nenn befindet, dann kann der Wirkleistungsfluss nicht mehr weiter erhöht werden, und dementsprechend wird in Schritt 807 der bisherige Wert von P3 unverändert beibehalten: P3 = P3.
Nachdem der Wirkleistungsfluss P3 in einem der Schritte 804, 806 oder 807 angepasst wurde, springt das in 8 gezeigte Verfahren zum Schritt 802 zurück, um die nächste Iterationsrunde durchzuführen.
Die in 4 dargestellte Netzkopplung kann auch auf drei oder mehr teilnehmende lokale Netze erweitert werden. Eine derartige Lösung ist in 9 gezeigt. Dabei ist ein AC/DC-Umsetzer 900 mit einem ersten lokalen Netz 901 verbunden. Der Gleichspannungsausgang dieses AC/DC-Umsetzers 900 wird durch einen Kondensator 902 geglättet und über Gleichspannungsübertragungsstrecken sowohl einem ersten DC/DC-Umsetzer 903 mit galvanischer Trennung als auch einem zweiten DC/DC-Umsetzer 904 mit galvanischer Trennung zugeführt. Am Ausgang des ersten DC/DC-Umsetzers 903 erhält man eine Gleichspannung, die durch den Kondensator 905 geglättet und anschließend durch den DC/AC-Umsetzer 906 in eine Wechselspannung umgesetzt wird. Diese Wechselspannung wird in ein zweites lokales Netz 907 eingespeist. Eine Leistungsübertragung in umgekehrter Richtung vom zweiten lokalen Netz 907 zum ersten lokalen Netz 901 ist ebenfalls möglich. Vorzugsweise sind der erste DC/DC-Umsetzer 903 sowie der erste DC/AC-Umsetzer 906 in einer gemeinsamen empfängerseitigen Einheit 908 integriert, die auf Seiten des zweiten lokalen Netzes 907 angeordnet ist.
Am Ausgang des zweiten DC/DC-Umsetzers 904 erhält man eine Gleichspannung, die durch den Kondensator 909 geglättet und anschließend durch den zweiten DC/AC-Umsetzer 910 in eine Wechselspannung umgesetzt wird. Diese Wechselspannung wird dann in das dritte lokale Netz 911 eingespeist. Ebenso kann in umgekehrter Richtung eine Leistungsübertragung vom dritten lokalen Netz 911 zum ersten lokalen Netz 901 stattfinden. Der zweite DC/DC-Umsetzer 904 sowie der zweite DC/AC-Umsetzer 910 sind vorzugsweise in einer gemeinsamen empfängerseitigen Einheit 912 integriert, die auf Seiten des dritten lokalen Netzes 911 angeordnet ist.
Eine Leistungsübertragung vom zweiten lokalen Netz 907 zum dritten lokalen Netz 911 und umgekehrt ist über die Umsetzer 906, 903, 904 und 910 ebenfalls möglich.
Anhand von 9 ist klar, dass eine bidirektionale Leistungsübertragung über einen AC/DC-Umsetzer, einen DC/DC-Umsetzer sowie einen DC/AC-Umsetzer auch auf drei oder mehr teilnehmende lokale Netze erweitert werden kann.
In 10 ist gezeigt, wie das in 4 dargestellte Netzkopplungselement mit einem im Zwischenkreis angeordneten Hochvoltspeicher kombiniert werden kann. Hierzu ist in 10 ein AC/DC-Umsetzer 1000 an ein erstes lokales Netz 1001 angeschlossen. Die am Ausgang des AC/DC-Umsetzers 1000 erhaltene Gleichspannung wird durch einen Kondensator 1002 geglättet und anschließend dazu verwendet, je nach DC-Spannungsniveau einen Batteriespeicher 1003 aufzuladen oder zu entladen, der über eine Impedanz 1004 und eine Sicherung 1005 an den Gleichspannungsausgang des AC/DC-Umsetzers 1000 angeschlossen ist.
Der Gleichspannungsausgang des AC/DC-Umsetzers 1000 ist außerdem mit dem Eingang eines DC/DC-Umsetzers 1006 mit galvanischer Trennung verbunden. Die am Ausgang des DC/DC-Umsetzers 1006 erhaltene Gleichspannung wird durch einen Kondensator 1007 geglättet und dem Gleichspannungseingang eines DC/AC-Umsetzers 1008 zugeführt, und die am Ausgang des DC/AC-Umsetzers 1008 erhaltene Wechselspannung wird in das zweite lokale Netz 1009 eingespeist. Auch in 10 ist eine Leistungsübertragung in umgekehrter Richtung vom zweiten lokalen Netz 1009 zum ersten lokalen Netz 1001 möglich, wobei die dem zweiten lokalen Netz 1009 entnommene elektrische Leistung zusätzlich auch zur Aufladung des Batteriespeichers 1003 eingesetzt werden kann. Die im Batteriespeicher 1003 gespeicherte elektrische Energie kann dann sowohl vom ersten lokalen Netz 1001 als auch vom zweiten lokalen Netz 1009 genutzt werden.
In 11 ist ein Netzkopplungselement gezeigt, an dessen Zwischenkreis sowohl ein Hochvoltspeicher als auch eine Schnellladestation angeschlossen sind. Das in 11 gezeigte System umfasst einen AC/DC-Umsetzer 1100, der an ein erstes lokales Netz 1101 angeschlossen ist. Die am Ausgang des AC/DC-Umsetzers 1100 erhaltene Gleichspannung wird durch einen Kondensator 1102 geglättet und dient außerdem zur Aufladung eines Batteriespeichers 1103, der über eine Impedanz 1104 und eine Sicherung 1105 mit dem Ausgang des AC/DC-Umsetzers 1100 verbunden ist.
Die am Ausgang des AC/DC-Umsetzers 1100 erhaltene Gleichspannung wird außerdem einem ersten DC/DC-Umsetzer 1106 mit galvanischer Trennung zugeführt. Am Ausgang dieses ersten DC/DC-Umsetzers 1106 erhält man eine Gleichspannung, die nach Glättung durch einen Kondensator 1107 dem DC/AC-Umsetzer 1108 zugeführt wird. Der DC/AC-Umsetzer 1108 setzt diese Gleichspannung in eine entsprechende Wechselspannung um, welche dann in das zweite lokale Netz 1109 eingespeist wird.
Zusätzlich zum Batteriespeicher 1103 und zum ersten DC/DC-Umsetzer 1106 ist an den Zwischenkreis ein zweiter DC/DC-Umsetzer 1110 mit galvanischer Trennung angeschlossen, der die vom AC/DC-Umsetzer 1100 erhaltene Gleichspannung in eine für den Schnellladebetrieb geeignete Gleichspannung umsetzt, die an den Anschlüssen 1111 abgreifbar ist. Bei dem in 11 gezeigten System kann zusätzlich zur Leistungsübertragung vom ersten lokalen Netz 1101 zum zweiten lokalen Netz 1109 bzw. zur Schnellladestation 1110 auch eine Leistungsübertragung vom zweiten lokalen Netz 1109 zum ersten lokalen Netz 1101, zum Batteriespeicher 1103 und zur Schnellladestation 1110 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien” (Kurztitel: Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG 2014) [0023]
Empfehlungsverfahrens 2011/2 der Clearing-Stelle EEG [0024]

Claims

Netzkopplungselement (114, 706) zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen lokalen Netzen (100, 104, 403, 404), – wobei das Netzkopplungselement (706) eine Reihenschaltung eines AC/DC-Umsetzers (400), eines DC/DC-Umsetzers (401) und eines DC/AC-Umsetzers (402) aufweist, – wobei eine AC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers (400) mit einem ersten lokalen Netz (100, 403) verbindbar ist, – wobei eine DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers (400) mit einer ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers (401) verbunden ist, – wobei eine zweite DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers (401) mit einer DC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers (402) verbunden ist, – wobei eine AC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers (402) mit einem zweiten lokalen Netz (104, 404) verbindbar ist, und – wobei der DC/DC-Umsetzer (401) einen Transformator (526) umfasst, der mit einer Mittelfrequenz im Bereich zwischen 400 Hz und 200 kHz betrieben wird und der eine galvanische Trennung zwischen der ersten DC-Spannungsseite und der zweiten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers (401) bewirkt.
Netzkopplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzkopplungselement dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung außerhalb eines öffentlichen Netzes zu übertragen.
Netzkopplungselement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzkopplungselement dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung in der Größenordnung bis hin zu einigen hundert kW zu übertragen.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – der DC/DC-Umsetzer ist zur Beeinflussung von Höhe und Richtung der übertragenen Leistung ausgelegt; – Höhe und Richtung eines Wirkleistungsflusses durch das Netzkopplungselement sind über den DC/DC-Umsetzer steuerbar bzw. regelbar; – eine Steuerung oder Regelung von Richtung und Höhe der über das Netzkopplungselement übertragenen Leistung erfolgt durch Variieren von Steuersignalen für Schaltelemente des DC/DC-Umsetzers; – Höhe und Richtung eines Wirkleistungsflusses durch das Netzkopplungselement sind durch Variieren von Schaltzeiten von Schaltelementen des DC/DC-Umsetzers steuerbar oder regelbar.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Umsetzer erste Schaltelemente für die Umsetzung der an der ersten DC-Spannungsseite anliegenden ersten DC-Spannung in eine primärseitig am Transformator anliegende erste alternierende Spannung umfasst, und dass der DC/DC-Umsetzer zweite Schaltelemente für die Umsetzung der an der zweiten DC-Spannungsseite anliegenden zweiten DC-Spannung in eine sekundärseitig am Transformator anliegende zweite alternierende Spannung umfasst.
Netzkopplungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Einstellung einer Phasenlage zwischen der ersten alternierenden Spannung und der zweiten alternierenden Spannung Richtung und Höhe des Wirkleistungsflusses für die Leistungsübertragung festlegbar sind.
Netzkopplungselement nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schaltelemente und die zweiten Schaltelemente durch Steuersignale ansteuerbar sind, wobei durch geeignete Einstellung der Schaltzeiten für die ersten und zweiten Schaltelemente die Phasenlage zwischen der ersten alternierenden Spannung und der zweiten alternierenden Spannung einstellbar ist.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – bei dem AC/DC-Umsetzer und dem DC/AC-Umsetzer handelt es sich um identische Umsetzer; – bei dem AC/DC-Umsetzer und dem DC/AC-Umsetzer handelt es sich um Standardkomponenten.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – der AC/DC-Umsetzer oder der DC/AC-Umsetzer sind zur Beeinflussung von Höhe und Richtung der übertragenen Leistung ausgelegt; – Höhe und Richtung eines Wirkleistungsflusses durch das Netzkopplungselement sind über den AC/DC-Umsetzer oder den DC/AC-Umsetzer steuerbar bzw. regelbar; – eine Steuerung oder Regelung von Richtung und Höhe der über das Netzkopplungselement übertragenen Leistung erfolgt durch Variieren von Steuersignalen für Schaltelemente des AC/DC-Umsetzers oder des DC/AC-Umsetzers; – Höhe und Richtung eines Wirkleistungsflusses durch das Netzkopplungselement sind durch Variieren von Schaltzeiten von Schaltelementen des AC/DC-Umsetzers oder des DC/AC-Umsetzers steuerbar oder regelbar.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – an eine DC-Übertragungsstrecke zwischen der DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers und der ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers ist ein Batteriespeicher angeschlossen; – an eine DC-Übertragungsstrecke zwischen der DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers und der ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers ist ein Batteriespeicher angeschlossen, wobei der Batteriespeicher sowohl vom ersten lokalen Netz als auch vom zweiten lokalen Netz aus aufladbar ist; – an eine DC-Übertragungsstrecke zwischen der DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers und der ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers ist ein Batteriespeicher angeschlossen, wobei der Batteriespeicher gespeicherte Energie sowohl an das erste lokale Netz als auch an das zweite lokale Netz abgeben kann.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an eine DC-Übertragungsstrecke zwischen der DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers und der ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers ein weiterer DC/DC-Umsetzer angeschlossen ist, der dazu ausgelegt ist, eine an der DC-Übertragungsstrecke anliegende DC-Spannung in eine für eine Schnellladestation geeignete Ladespannung umzusetzen.
Netzkopplungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – an eine DC-Übertragungsstrecke zwischen der DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers und der ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers sind ein zweiter DC/DC-Umsetzer sowie ein zum zweiten DC/DC-Umsetzer in Reihe geschalteter zweiter DC/AC-Umsetzer angeschlossen, wobei die AC-Spannungsseite des zweiten DC/AC-Umsetzers mit einem dritten lokalen Netz verbunden ist; – an eine DC-Übertragungsstrecke zwischen der DC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers und der ersten DC-Spannungsseite des DC/DC-Umsetzers sind ein zweiter DC/DC-Umsetzer sowie ein zum zweiten DC/DC-Umsetzer in Reihe geschalteter zweiter DC/AC-Umsetzer angeschlossen, wobei die AC-Spannungsseite des zweiten DC/AC-Umsetzers mit einem dritten lokalen Netz verbunden ist, und wobei über den AC/DC-Umsetzer, den zweiten DC/DC-Umsetzer und den zweiten DC/AC-Umsetzer eine bidirektionale Leistungsübertragung zwischen dem ersten lokalen Netz und dem dritten lokalen Netz durchführbar ist.
Netzgekoppeltes System, welches aufweist: – ein erstes lokales Netz (100), das mit einem öffentlichen Netz (103) verbunden ist, wobei an das erste lokale Netz (100) eine Energieerzeugungsanlage (101) angeschlossen ist, – ein zweites lokales Netz (104), das ebenfalls mit dem öffentlichen Netz (103) verbunden ist, – ein Netzkopplungselement (114, 706) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, das dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung zwischen dem ersten lokalen Netz (100) und dem zweiten lokalen Netz (104) zu übertragen.
Netzgekoppeltes System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – bei der Energieerzeugungsanlage handelt es sich um eine Energieerzeugungsanlage zur Erzeugung regenerativer Energie; – das Netzkopplungselement ist dazu vorgesehen, lokal erzeugte elektrische Leistung an benachbarte lokale Netze zu übertragen; – die Übertragung von elektrischer Leistung zwischen dem ersten lokalen Netz und dem zweiten lokalen Netz durch das Netzkopplungselement erfolgt außerhalb des öffentlichen Netzes; – das Netzkopplungselement ist für eine netzparallele Leistungsübertragung zwischen dem ersten lokalen Netz und dem zweiten lokalen Netz ausgelegt; – das Netzkopplungselement ist für eine Kopplung des ersten lokalen Netzes und des zweiten lokalen Netzes parallel zum öffentlichen Netz ausgelegt.
Netzgekoppeltes System nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung oder Regelung von Höhe und Richtung eines durch das Netzkopplungselement übertragenen Wirkleistungsflusses in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen erfolgt: – Strombezug oder Stromeinspeisung des ersten lokalen Netzes aus dem öffentlichen Netz oder in das öffentliche Netz; – Strombezug des zweiten lokalen Netzes aus dem öffentlichen Netz; – Stromerzeugung auf Seiten des ersten lokalen Netzes abzüglich des Stromverbrauchs im ersten lokalen Netz; – Stromverbrauch im zweiten lokalen Netz.
Netzgekoppeltes System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – das Netzkopplungselement ist dazu ausgelegt, dass keine aus dem öffentlichen Netz in das erste lokale Netz eingespeiste Leistung über das Netzkopplungselement zum zweiten lokalen Netz übertragen wird; – das Netzkopplungselement ist dazu ausgelegt, dass keine aus dem öffentlichen Netz in das zweite lokale Netz eingespeiste Leistung über das Netzkopplungselement zum ersten lokalen Netz übertragen wird; – das Netzkopplungselement ist dazu ausgelegt, dass maximal die innerhalb des ersten lokalen Netzes erzeugte Leistung abzüglich der dort verbrauchten Leistung über das Netzkopplungselement zum zweiten lokalen Netz übertragen wird.
Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einem ersten lokalen Netz und einem zweiten lokalen Netz mittels eines Netzkopplungselements (114, 706), das eine Reihenschaltung eines AC/DC-Umsetzers (400), eines DC/DC-Umsetzers (401) und eines DC/AC-Umsetzers (402) umfasst, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: – Koppeln des ersten lokalen Netzes (100, 403) mit einer AC-Spannungsseite des AC/DC-Umsetzers (400), – Koppeln des zweiten lokalen Netzes (104, 404) mit einer AC-Spannungsseite des DC/AC-Umsetzers (402), – Steuern von Höhe und Richtung der über das Netzkopplungselement (114, 706) übertragenen Leistung durch Variieren von Steuersignalen für Schaltelemente des DC/DC-Umsetzers (401) oder des AC/DC-Umsetzers (400) oder des DC/AC-Umsetzers (402).
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: – Steuern von Höhe und Richtung einer über das Netzkopplungselement übertragenen Leistung durch Variieren von Schaltzeiten von Schaltelementen des DC/DC-Umsetzers oder des AC/DC-Umsetzers oder des DC/AC-Umsetzers.