-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter zur Umformung von Gleich- in Wechselstrom. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Leistungsverteilung mittels eines Wechselrichters.
-
Das Problem der Verteilung lokal erzeugter Energie stellt sich beispielsweise bei Mehrfamilienhäusern, wenn mehrere Familien oder Nutzergruppen eine gemeinsame lokale Energiequelle nutzen wollen, beispielsweise eine Photovoltaikanlage auf dem Dach des Hauses. Die Verteilung der Energieflüsse auf die Nutzergruppen, die Erfassung jeweils der verbrauchten Energiemengen, sowie administrative Regelungen der Verbundnetzbetreiber machen die gemeinsame Nutzung von dezentralen, insbesondere erneuerbaren Energiequellen aufwändig und in der Folge kostenintensiv. Bisher werden daher entweder lokale Energieerzeugungsanlagen für nur eine Nutzergruppe betrieben oder große Anlagen speisen in ein größeres Verbundnetz ein, um über die bereits existierenden Verbundnetze und Energiezähler verteilt und erfasst zu werden. Da in vielen Ländern die Einspeisung von regenerativer Energie in die Verbundnetze finanziell immer weniger attraktiv ist, wird der Eigenverbrauch aus lokalen, erneuerbaren Energiequellen interessanter. Gleichzeitig ist dies aber auch sinnvoll, da so die Verbundnetze mit der schwankenden Menge an regenerativer Energie nicht belastet werden, mithin lokale Erzeugung und lokaler Verbrauch zusammenkommen.
-
Die gemeinsame Nutzung einer lokalen, regenerativen Energiequelle bleibt daher bislang meist aus, obwohl gerade durch die gemeinsame Nutzung beispielsweise einer Photovoltaikanlage auf dem Dach eines Mehrfamilienhauses die Eigenverbrauchsquote deutlich erhöht werden kann. Mit der Anzahl der unterschiedlichen Nutzer steigt die Variation der Energiebezugsgewohnheiten an, wie auch in den Verbundnetzen sich Lastspitzen und -tiefs durch die große Anzahl der Verbraucher statistisch ausgleichen. Analog dazu kann in einem Mehrfamilienhaus lokal erzeugte Energie durch die verteilte Nutzung von tag- oder nachtaktiven Einzelpersonen, Familien mit unterschiedlichen Gewohnheiten zu kochen, waschen oder andere elektrische oder elektronische Geräte zu benutzen, eine Vergleichmäßigung der Verbräuche bewirken und so dazu führen, dass die Erträge einer lokalen Energieerzeugungsanlage optimal genutzt werden können. Bleibt trotzdem noch ein Energieüberschuss, so kann ein Energiespeicher vorgesehen werden. Dieser kann jedoch wesentlich kleiner und damit kostengünstiger ausfallen als dies bei einer einzeln genutzten Anlage oder eben mehreren einzeln genutzten Anlage in Summe der Fall wäre.
-
Ein erfindungsgemäßer mehrphasiger Wechselrichter soll in kompakter und kostengünstiger Weise die von einem Gleichstromgenerator gewonnene Energie umformen und für mehrere Nutzer, beispielsweise drei Wohnungen eines Mehrfamilienhauses, bereitstellen.
-
Mehrphasige Wechselrichter sind an sich bekannt, oft sind sie mit einem DC/DC-Wandler und mehreren Wandlerbrücken ausgestattet, vor allem, wenn eine größere Photovoltaikanlage angeschlossen und in ein mehrphasiges Netz eingespeist werden soll. Ein solcher Aufbau kann dann sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden, da ein DC/DC-Wandler und ein gemeinsamer DC-Zwischenkreis für alle Wandlerbrücken ausreichen kann. Solche Wechselrichter werden aber bevorzugt verwendet, um bezüglich der mehreren Phasen symmetrische Leistungsflüsse auszugeben.
-
Es besteht daher Bedarf nach Wechselrichtern, die bei kompakter und kostengünstiger Bauweise mehrere unterschiedliche Nutzergruppen aus einer gemeinsamen lokalen Energieversorgungsanlage versorgen können.
-
Ein erfindungsgemäßer mehrphasiger Wechselrichter umfasst dabei mindestens einen DC/DC-Wandler (DC = direct current) mit einem DC-Eingang und einem DC-Ausgang, wobei der DC-Eingang mit einem Gleichstromgenerator, insbesondere einem PV-Generator, verbindbar und eingerichtet ist, den angeschlossenen Gleichstromgenerator im Punkt maximaler Leistung zu betreiben. Ein DC-Zwischenkreis ist mit dem DC-Ausgang des DC/DC-Wandlers verbunden, meist handelt es sich dabei um mindestens einen Kondensator zur Pufferung von kurzzeitigen Schwankungen. Desweiteren umfasst der Wechselrichter mehrere Wandlerbrücken mit jeweils einem Brückeneingang, angeschlossen an den DC-Zwischenkreis, und einem Brückenausgang jeweils verbindbar mit einer AC-Verteilung. Die Wandlerbrücken wandeln eine von dem Gleichstromgenerator erzeugte DC-Leistung in eine AC-Leistung zur Abgabe an die AC-Verteilungen um. Bei diesen AC-Verteilungen kann es sich in einem Ausführungsbeispiel um eine Phasen-Leitung einer Wohnung eines Mehrfamilienhauses handeln, so dass zumindest ein Teil der in der Wohnung genutzten Verbraucher direkt mit elektrischer Leistung aus der gemeinsam genutzten Energieerzeugungsanlage versorgt werden kann.
-
Jeweils einer Wandlerbrücken zugeordnete Schnittstellen sind mit jeweils einem saldierenden Zähler verbindbar. Solche Zähler befinden sich meist in den Haus- oder Wohnungsanschlusskästen und messen den Bezug von elektrischer Leistung aus einem übergeordneten Verbundnetz.
-
Der Wechselrichter umfasst ferner eine Steuerung zur Ansteuerung der Wandlerbrücken und DC/DC-Wandler, wobei die Steuerung eine Kommunikationsverbindung zu den Schnittstellen aufweist und eingerichtet ist, eine Aufteilung der von dem Gleichstromgenerator erzeugten DC-Leistung in Abhängigkeit der über die Schnittstellen empfangenen Zählerdaten zu bestimmen und die mehreren Wandlerbrücken entsprechend anzusteuern.
-
Unter dem Begriff „saldierender Zähler“ soll hier ein handelsüblicher mehrphasiger Zähler verstanden werden, wie er gegenwärtig in Haus- oder Wohnungsanschlusskästen gebräuchlich ist. Bei diesen Zählern wird eine richtungsabhängige Leistungssumme der (meist drei) Phasen gebildet. Werden alle Phasen einer Verbrauchseinheit, beispielsweise einer Wohnung, aus einem Verbundnetz versorgt, fließt die elektrische Leistung auf allen Phasen in dieselbe Richtung, nämlich aus dem Verbundnetz in die Wohnung, um dort verbraucht zu werden. Wird erfindungsgemäß auf einer Phasenleitung elektrische Leistung vom Gleichstromgenerator in die Wohnung geleitet, muss diese Leistung nicht aus dem Verbundnetz bezogen werden und wird daher vom Zähler nicht erfasst. Soll eventueller lokaler Überschuss an Leistung vom Gleichstromgenerator auch in das Verbundnetz eingespeist werden, fließt diese Leistung in gegenläufiger Richtungdurch den Zähler. Die saldierende Eigenschaft des Zählers führt dann dazu, dass sich der Bezug einer Leistung X aus dem Verbundnetz auf einer Phase bei gleichzeitiger Einspeisung einer gleich großen Leistung X aus der lokalen Gleichstromquelle in das Verbundnetz auf einer anderen Phase ausgleicht, das heißt bei Durchleitung durch denselben Zähler als Leistungssumme Null dargestellt wird.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters weist dieser drei baugleiche Wandlerbrücken auf, wodurch ein besonders kostengünstiger Aufbau ermöglicht wird. Es ist auch denkbar, die Anzahl der Wandlerbrücken des Wechselrichters identisch zu gestalten mit der Anzahl der Nutzergruppen beziehungsweise Wohnungen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters sind mehrere DC/DC-Wandler enthalten, wobei mit jedem DC/DC-Wandler jeweils ein Gleichstromgenerator verbindbar ist. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn ein angeschlossener Photovoltaikgenerator auf zwei unterschiedlich ausgerichtete Dachflächen montiert ist. In diesem Fall ist es sinnvoll den Photovoltaikgenerator in zwei sogenannte Strings aufzuteilen und für jeden der beiden Photovoltaikgeneratoren einen eigenen DC/DC-Wandler mit MPP-Tracker (Steuerung mit einem Algorithmus zu Auffinden des Punktes maximaler Leistung) vorzusehen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters versorgt jede Wandlerbrücke eine Phase einer Wohnung eines Mehrfamilienhauses. Ist der Wechselrichter beispielsweise mit drei Wandlerbrücken ausgestattet, so können drei Wohnungen jeweils mit einer Phasenleitung an einen Brückenausgang des erfindungsgemäßen Wechselrichters angeschlossen werden, bevorzugt werden die drei Brückenausgänge mit unterschiedlichen Phasen verbunden. Die Steuerung würde in diesem Fall über drei Schnittstellen mit den zu den Wohnungen zugehörenden Zählern kommunizieren und so den Leistungsbedarf der jeweiligen Wohnung ermitteln und eine entsprechende Aufteilung der von dem Gleichstromgenerator beziehbaren Leistung ermitteln. Entsprechend dieser Aufteilung werden die Wandlerbrücken angesteuert, wandeln die bedarfsgerechte AC-Leistung für die jeweilige Wohnung und stellen sie am Brückenausgang zur Verfügung. Nach einer weiteren Ausführungsform können die saldierenden Zähler auch in den Wechselrichter integriert sein, was zu einer noch kompakteren Ausgestaltung des Aufbaues und Reduktion von zu verlegenden elektrischen Leitungen führt.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters werden an die jeweiligen AC-Verteilungen abgegebenen AC-Leistungen im Wechselrichter gespeichert und zu Abrechnungszwecken weiterverarbeitet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Heranziehung von Zeichnungen beschrieben, aus denen sich, in Zusammenschau mit den Merkmalen der Ansprüche, weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit daran anschließbarer Peripherie
-
1 zeigt einen Wechselrichter 1 mit einem Gehäuse 9 umfassend einen DC/DC-Wandler 3, drei Wandlerbrücken 4, 5, 6, einen DC-Zwischenkreis 7 und eine Steuerung 8. An den DC-Eingang 11 des DC/DC-Wandler 3, der gleichzeitig auch den DC-Eingang 11 des Wechselrichters 1 darstellt, ist in diesem Beispiel ein Photovoltaikgenerator 2 angeschlossen, es könnten jedoch auch andere Gleichstromgeneratoren anschließbar sein. Der DC/DC-Wandler 3 regelt den Photovoltaikgenerator 2 in einen Arbeitspunkt maximaler Leistung (MPP), indem er nach einem an sich bekannten Verfahren den MPP ermittelt und immer wieder überprüft. Der DC-Ausgang 12 des DC/DC-Wandler 3 ist mit dem DC-Zwischenkreis 7 verbunden. Der DC-Zwischenkreis 7 ist im Beispiel als Kondensator ausgeführt, er kann aber auch aus mehreren Kondensatoren bestehen. Aus diesem DC-Zwischenkreis 7 speisen sich über Brückeneingänge 10, 10', 10" in diesem Beispiel drei Wandlerbrücken 4, 5, 6, die auf an sich bekannte Art, beispielsweise als H-Brücke, aufgebaut sein können und die die vom Photovoltaikgenerator 2 über den DC/DC-Wandler 3 und den Zwischenkreis 7 fließende DC-Leistung in eine AC-Leistung wandeln. Die AC-Leistung wird an den Ausgängen 14, 15, 16 des Wechselrichters 1 ausgegeben. Die Steuerung 8 steuert die Wandlerbrücken 4, 5, 6 und den DC/DC-Wandler 3.
-
In diesem Beispiel sind an die drei Ausgänge 14, 15, 16 des Wechselrichters 1 drei AC-Verteilungen 24, 25, 26 angeschlossen. Bei diesen AC-Verteilungen 24, 25, 26 kann es sich beispielsweise um Unterverteilungen von Wohnungen eines Mehrfamilienhauses handeln, die wiederum mit einem übergeordneten Netz 20 verbunden sind. In diesem Fall würde der Wechselrichters 1 zu dem Netz 20 konforme AC-Leistung ausgeben, bevorzugt würden in einem dreiphasigen Netz 20 die Wandlerbrücken 4, 5, 6 drei um 120° versetzte Phasenleistungen ausgeben, um eine gleichmäßigere Belastung des Zwischenkreises 7 zu erreichen. Der Photovoltaikgenerator 2 könnte sich auf dem Dach des Mehrfamilienhauses befinden und die dort lokal generierte Leistung über den Wechselrichter 1 auf die Wohnungen 24, 25, 26 aufgeteilt werden.
-
In der Figur ist Ausgang 14 mit Unterverteilung bzw. Wohnung 24 verbunden. In Wohnung 24 ist ein Herd 21 mit dem Ausgang 14 des Wechselrichters 1 und über einen Zähler 44 mit der Phase L3 des Netzes 20 verbunden. Stellt der Photovoltaikgenerator 2 ausreichend Leistung zur Verfügung und wird der Herd 21 benutzt, kann dieser aus dem Photovoltaikgenerator 2 versorgt werden. Eine Waschmaschine 22 und Leuchten 23 sollen hier mit L2 und L1 des Netzes 20 verbunden sein und können damit nicht von dem Photovoltaikgenerator 2 gespeist werden. Die auf allen drei Phasen L1, L2, L3 des Netzes 20 verbrauchten Leistungen werden vom Zähler 44 erfasst, der mit der Steuerung 8 des Wechselrichters 1 über eine Schnittstelle 34 in Kommunikationsverbindung 27 (gestrichelte Linie) steht. Zähler 44 ist ein saldierender Zähler, was bedeutet, dass die durch ihn fließenden elektrischen Leistungen nicht phasenselektiv gemessen werden, sondern eine Summe über alle durchfließenden Leistungen gebildet wird. Der Wert der von Wohnung 24 aus dem Netz 20 bezogenen Leistung wird an die Steuerung 8 als Bedarf von Wohnung 24 kommuniziert.
-
In Wohnung 25 kann die Waschmaschine über Ausgang 15 von Wechselrichter 1 versorgt werden. Gleichzeitig ist die Waschmaschine auch über Zähler 45 an Phase L2 des Netzes 20 angebunden. Die anderen Verbraucher sind mit L1 und L3 verbunden.
-
In Wohnung 26 ist wiederum der Herd über Ausgang 16 von Wechselrichter 1 mit dem Photovoltaikgenerator 2 verbunden, dieser ist auch an L1 des Netzes 20 angeschlossen. Die anderen Verbraucher sind mit L2 und L3 verbunden. Zähler 46 kommuniziert den Bedarf von Wohnung 26 über die Schnittstelle 36 an die Steuerung des Wechselrichters 1.
-
Über die Schnittstellen 34, 35, 36 empfängt die Steuerung 8 die Bedarfe der Wohnungen 24, 25, 26 und teilt im Idealfall die zur Verfügung stehende Photovoltaik-Leistung entsprechend dieser Bedarfe auf die Wohnungen 24, 25, 26 auf. Unter der Annahme, dass in Wohnung 24 und 26 zu unterschiedlichen Zeiten gekocht wird, und wiederum anderen Zeiten in Wohnung 25 gewaschen wird, können diese größeren Verbraucher abwechselnd/nacheinander direkt von dem Photovoltaikgenerator 2 versorgt werden. Sind die Bedarfe der drei Wohnungen 24, 25, 26 insgesamt nur so groß wie die aktuelle Leistung des Photovoltaikgenerator 2 kann die Leistung einfach entsprechend dem Bedarf aufgeteilt werden. Liegen die Bedarfe der drei Wohnungen 24, 25, 26 unter dem Leistungsangebot des Photovoltaikgenerators 2, kann auch in das Netz 20 eingespeist werden. Aus diesem Grund ist die Anbindung der Brückenausgänge 14, 15, 16 an unterschiedliche Phasen L1, L2, L3 der Netzes 20 bevorzugt: in vielen Netzen gibt es eine Schieflast-Grenze, was bedeutet, dass Bezug und Einspeisung in das Netz möglichst gleichmäßig auf die Phasen aufgeteilt werden soll. Durch die Anbindung an unterschiedliche Phasen kann, in dem Fall, dass vor Ort keine Leistung benötigt wird, die gesamte Leistung des Photovoltaikgenerator 2 in das Netz 20 eingespeist werden.
-
Da die saldierenden Zähler 44, 45, 46 die Leistungsflüsse nicht nach Phasen unterscheiden, aber nur ein Teil der Verbraucher an die Phase angebunden ist, die vom Wechselrichter 1 versorgt werden kann, wird der Teil des Bedarfes einer Wohnung, der über die anderen Phasen abgedeckt wird, durch Einspeisung in das Netz 20 durch die jeweils an den Wechselrichter 1 angebundene Phase kompensiert. Für die saldierenden Zähler findet damit kein Leistungsbezug aus dem Netz 20 statt.
-
Die an den Brückenausgängen 14, 15, 16 ausgegebenen Leistungen können in der Steuerung 8 gespeichert oder auch in einem externen Speichermedium, beispielsweise über eine Internetverbindung (nicht gezeigt) in einer externen Datenbank, abgelegt werden, falls die von den Wohnungen 24, 25, 26 bezogenen Leistungen des Photovoltaikgenerator 2 den jeweiligen Bewohnern in Rechnung gestellt werden sollen.
-
Alternativ kann auch ein Batterie-Speicher angebunden werden, parallel an die Anschlüsse 11 oder auch parallel an den Zwischenkreis 7 des Wechselrichters 1 (nicht gezeigt), um überschüssige Leistung nicht ins Netz 20 einzuspeisen, sondern lokal zu speichern und bei späterem Bedarf ebenfalls lokal zu verbrauchen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wechselrichter
- 2
- Gleichstromgenerator
- 3
- DC/DC-Wandler
- 4, 5, 6
- Wandlerbrücke
- 7
- DC-Zwischenkreis
- 8
- Steuerung
- 9
- Gehäuse
- 10, 10', 10"
- Brückeneingang
- 11
- DC-Eingang
- 12
- DC-Ausgang
- 14, 15, 16
- Brückenausgang
- 20
- Netz
- 21
- Herd
- 22
- Waschmaschine
- 23
- Leuchten
- 24, 25, 26
- AC-Verteilungen
- 27
- Kommunikationsverbindung
- 34, 35, 36
- Schnittstellen
- 44, 45, 46
- Zähler
- L1, L2, L3, N
- Phasen
