DE102020130539B4

DE102020130539B4 - Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems, Energieversorgungssystem und Steuerungseinheit für ein Energieversorgungssystem

Info

Publication number: DE102020130539B4
Application number: DE102020130539.7A
Authority: DE
Inventors: Claus Allert
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: DE102020130539A1

Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems (1) mit- einer lokalen Energieerzeugungsanlage (10),- einem Netzanschluss (2) zum Anschließen eines öffentlichen Energieversorgungsnetzes (EVN) (20), und- einem Lastanschluss (3) zum Anschließen einer Last (30).In einem ersten Betriebszustand (BZ1) des Energieversorgungssystems (1) ist die Last (30) mit der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) galvanisch verbunden , wohingegen in einem zweiten Betriebszustand (BZ2) des Energieversorgungssystems (1) die Last (30) mit dem EVN (20) galvanisch verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet die Schritte:- Bestimmung einer verfügbaren Leistung PEAder lokalen Energieerzeugungsanlage (10),- Vergleich der verfügbaren Leistung PEAder lokalen Energieerzeugungsanlage (10) mit einem Leistungsbedarf PLder Last (30), wobei- wenn die verfügbare Leistung PEAder lokalen Energieerzeugungsanlage den Leistungsbedarf PLder Last (30) überschreitet: Betreiben des Energieversorgungssystems (1) bei ordnungsgemäß operierendem EVN (20) und spannungsstellendem Betrieb des DC/AC-Wandlers (13) in dem ersten Betriebszustand (BZ1), und- andernfalls: Betreiben des Energieversorgungssystems (1) in dem zweiten Betriebszustand (BZ2).Beschrieben wird zudem ein Energieversorgungssystem (1) und eine Steuerungseinheit (8) für ein derartiges Energieversorgungssystem (1).

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems, sowie ein Energieversorgungssystem, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinheit für ein derartiges Energieversorgungssystem. Mittels des Energieversorgungssystems kann ein Leistungsbezug einer an das Energieversorgungssystem angeschlossenen Last gesteuert werden. Konkret kann dabei die Last entweder über eine lokale Energieerzeugungsanlage oder über einen öffentliches Energieversorgungsnetz versorgt werden.
Stand der Technik
Eine Vergütung für eine von einer dezentralen regenerativen Energieerzeugungsanlage, beispielsweise einer Photovoltaik-Anlage, in ein öffentliches Energieversorgungsnetz (EVN) eingespeiste Energiemenge bewegt sich auf einem niedrigen Niveau. Im Gegensatz dazu ist ein Energiebezug aus dem EVN üblicherweise signifikant teurer. Nicht allein aus diesem Grund findet ein Eigenverbrauch von Energie, die über eine dezentrale Energieerzeugungsanlage (EEA) erzeugt wird, immer größere Bedeutung. Bei dem Eigenverbrauch wird eine lokale Last mit einer Energiemenge versorgt, die von einer lokalen (am Ort der Last befindlichen) EEA erzeugt wird. Die entsprechende Energiemenge zur Versorgung der Last muss somit nicht teurer über das EVN bezogen werden.
Um den Bedarf von Lasten mit der oft schwankenden Energieerzeugung einer regenerativen EEA zeitlich zu entkoppeln, können Energiespeicher, beispielsweise wiederaufladbare Batterien verwendet werden. In dem Energiespeicher kann überschüssige Energie der regenerativen EEA, die aktuell von der lokalen Last nicht benötigt wird, zwischengespeichert und bei Bedarf der Last zugeführt werden. Auch für den Eigenverbrauch ist jedoch oftmals eine energiemengenbezogene Umlage, beispielsweise in Deutschland die sogenannte EEG-Umlage, zu entrichten, sofern die EEA mit einem EVN verbunden ist. Der selbst erzeugte und lokal verbrauchte Strom ist somit zwar günstiger, aber nicht kostenfrei. Neben der Umlage selbst fallen zudem Kosten an, um diese Umlage überhaupt zu ermitteln (Zählertechnik sowie Kosten für die Abrechnung selbst). Aus Sicht des Anlagenbetreibers wäre es wünschenswert, wenn die von der lokalen EEA erzeugte und dem Eigenverbrauch zugeführte Energiemenge tatsächlich kostenfrei wäre.
Mit Erreichen ihrer maximalen Förderdauer fallen dezentrale EEA üblicherweise aus der staatlichen Förderung. Dies ist beispielsweise in Deutschland durch das erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) geregelt und nach Überschreiten von 20 Betriebsjahren der Fall. Entsprechend alte Anlagen erhalten dann für den von ihnen in das Energieversorgungsnetz (EVN) eingespeisten Strom keine, allenfalls nur noch eine sehr geringfügige Vergütung. Zusätzlich kann es sein, dass die Einspeisung ins EVN nur dann noch erlaubt ist, wenn ein Betreiber einer dezentralen EEA den durch seine EEA eingespeisten Strom einer Direktvermarktung zuführt. Gerade für Betreiber kleinerer dezentraler EEA bedeutet das jedoch einen unverhältnismäßig hohen Aufwand.
Aus der Druckschrift DE 10 2019 001 641 A1 ist ein Energiemanagementsystem für ein Gebäudestromnetz offenbart, in das wenigstens ein Energieverbraucher und eine einen Wechselrichter aufweisende PV-Anlage als Energieerzeuger integriert sind. Das Gebäudestromnetz ist über einen Stromzähler mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz verbunden. Der Energieverbraucher ist mit einem elektrischen Verbraucheranschluss, der zwischen einem Wechselrichter und einem Stromzähler liegt, an das Gebäudestromnetz angeschlossen ist. Ein Regler des Energiemanagementsystems regelt den Verbraucher so, dass möglichst keine Energie an das EVN abgegeben wird.
Falls zu bestimmten Zeiten ein Eigenverbrauch die von der regenerativen EEA erzeugte Leistung unterschreitet und auch eventuell vorhandene Energiespeicher vollgeladen sind, kann die EEA abgeregelt werden, um zu vermeiden, dass überschüssig erzeugte Leistung der lokalen EEA in das EVN eingespeist wird. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift DE 102013106216 B4 offenbart, bei dem mittels einer Abregelung einer PV-Anlage als dezentrale EEA eine Einspeisung von Leistung in das EVN verhindert wird.
Die Druckschrift DE 10 2012 023 424 A1 offenbart eine Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung, an die eine elektrische Energiequelle und ein elektrischer Energiespeicher anschließbar ist. Die Steuervorrichtung weist Spannungswandler auf, die die von der Energiequelle und dem Energiespeicher eingespeisten Spannungen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, und die aus der Spannung der Energiequelle eine Spannung zum Laden des Energiespeichers generieren. Eine lokale Installation ist im Netzbetrieb über eine Umschaltvorrichtung mit dem Spannungsversorgungsnetz oder im Inselbetrieb mit einer aus der Energie von Energiequelle und/oder Energiespeicher von den Spannungswandlern generierten Wechselspannung verbindbar. Die Spannungswandler umfassen einen einzigen Wechselrichter. Im Netzbetrieb verbindet die Umschaltvorrichtung die lokale Installation mit dem Spannungsversorgungsnetz und ein Trennschalter verbindet den Ausgang des Wechselrichters mit dem Spannungsversorgungsnetz. Im Inselbetrieb verbindet die Umschaltvorrichtung die lokale Installation mit dem Ausgang des Wechselrichters und der Trennschalter trennt den Ausgang des Wechselrichters vom Spannungsversorgungsnetz.
Die Druckschrift DE 197 52 148 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur automatischen/manuellen Umschaltung einer zu einem elektrischen Verbraucher führenden gemeinsamen Stromversorgungsschiene zwischen einer Netzspeisespannung und einem Hilfsstromgenerator. Die Schaltungsanordnung besteht aus einem ersten und einem zweiten motorbetriebenen Leistungstrennschalter und einem automatisch und/oder manuell betätigbaren Bypass-Schalter. Ein mechanisches und elektromechanisches Verriegelungssystem sorgt dafür, dass die beiden Leistungstrennschalter immer nur alternativ schaltbar sind, dass der Bypass-Schalter keine andere Speisespannung mit der Last verbinden kann als der jeweilige Leistungstrennschalter und dass der Bypass-Schalter betätigbar bleibt, auch wenn einer oder beide Leistungstrennschalter zu Service- oder Wartungszwecken aus ihrem Schaltrahmen entnommen sind.
Unter Berücksichtigung dessen ist es wünschenswert, eine von einer regenerativen EEA erzeugte Energie für einen Betreiber der EEA möglichst kostengünstig und sicher als Eigenverbrauch zu verwerten. Das Verfahren soll es ermöglichen, auch eine regenerative EEA sicher weiter zu betreiben, deren maximale Förderungsdauer erreicht und/oder überschritten ist, ohne dass ein Betreiber der regenerativen EEA den Aufwand einer Direktvermarktung von in das EVN eingespeister Energie treiben muss.
Aufgabe der Erfindung
Unter Berücksichtigung der o.g. Aspekte liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems mit einer lokalen regenerativen Energieerzeugungsanlage anzugeben, das eine regenerativ erzeugte Energie auf möglichst einfache Weise und möglichst kostengünstig als Eigenverbrauch verwertet. Das Verfahren soll es insbesondere ermöglichen, auch eine regenerative Energieerzeugungsanlage sicher weiter zu betreiben, deren maximale Förderungsdauer erreicht und/oder überschritten ist, ohne dass ein Betreiber der regenerativen Energieerzeugungsanlage den Aufwand einer Direktvermarktung einer in das Energieversorgungsnetz eingespeisten Energie treiben oder mit der Anlage Netzfunktionen entsprechend der Anschlussbedingungen für Erzeugungsanlagen und/oder Speicher ausführen muss. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Energieversorgungssystem und eine Steuerungseinheit zur Steuerung eines derartigen Energieversorgungssystems aufzuzeigen.
Lösung
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Energieversorgungssystem aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst. Die Aufgabe, eine Steuerungseinheit für ein derartiges Energieversorgungssystem aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 wiedergegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen des Energieerzeugungssystems sind in den Ansprüchen 11 bis 17 genannt.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt auf einen Betrieb eines Energieversorgungssystems (EVS) mit einer lokalen Energieerzeugungsanlage (EEA), die eine regenerative Energiequelle und einen spannungsstellend betreibbaren DC/AC-Wandler aufweist. Das Energieversorgungssystem umfasst ferner einen Netzanschluss zum Anschließen eines öffentlichen Energieversorgungsnetzes (EVN) und einen Lastanschluss zum Anschließen einer Last. Das Verfahren umfasst einen ersten Betriebszustand (BZ1) des Energieversorgungssystems, bei dem die Last mit der lokalen Energieerzeugungsanlage galvanisch verbunden ist und bei dem die Last sowie die lokale Energieerzeugungsanlage von dem EVN galvanisch getrennt sind. Das Verfahren umfasst zudem einen zweiten Betriebszustand (BZ2) des Energieversorgungssystems, bei dem die Last mit dem EVN galvanisch verbunden ist und bei dem die lokale Energieerzeugungsanlage sowohl von der Last als auch von dem EVN galvanisch getrennt ist. Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:

- Bestimmung einer verfügbaren Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage,
- Vergleich der verfügbaren Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage mit einem Leistungsbedarf P_L der Last, wobei
- wenn auf Basis des Vergleiches die verfügbare Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage den Leistungsbedarf P_L der Last überschreitet: Betreiben des Energieversorgungssystems bei ordnungsgemäß operierendem EVN in dem ersten Betriebszustand BZ1 und Betreiben des DC/AC-Wandlers in einem spannungsstellenden Betrieb, sodass die Last über den DC/AC-Wandler mit Leistung aus der lokalen Energieerzeugungsanlage und nicht durch eine dem EVN entnommene Leistung versorgt wird, und
- andernfalls, d.h. wenn die verfügbare Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage den Leistungsbedarf P_L der Last unterschreitet: Betreiben des Energieversorgungssystems in dem zweiten Betriebszustand BZ2, sodass die Last durch eine dem EVN entnommene Leistung und nicht durch eine der lokalen Energieerzeugungsanlage entnommene Leistung versorgt wird.

Der Leistungsbedarf P_L der Last kann eine aktuell von der Last gerade bezogene Leistung aufweisen. Er kann jedoch auch eine Leistung aufweisen, die die Last in einem zukünftigen Zeitraum, beispielsweise einem Zeitraum von einigen Minuten oder Stunden, zukünftig benötigen wird. Dies kann beispielsweise aufgrund von aus der Vergangenheit bekannten und/oder typischen Leistungsverläufen der betreffenden Last im Rahmen einer Lastprognose ermittelt werden. Auch die verfügbare Leistung P_EA der lokalen EEA kann eine aktuell gerade erzeugte Leistung der regenerativen Energiequelle beschreiben. Sie kann jedoch alternativ oder kumulativ auch eine zukünftig zu erwartende Leistungserzeugung der regenerativen Energiequelle umfassen. Um die zukünftig zu erwartende Leistungserzeugung der EEA, insbesondere deren regenerativer Energiequelle zu ermitteln, können Wetterprognosen genutzt werden, die dem EVS, insbesondere einer Steuerungseinheit des EVS, bekannt sind, oder dem EVS übermittelt werden.
Unter einem ordnungsgemäß operierenden EVN ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass charakterisierende Parameter für das EVN, beispielsweise Spannungsamplitude und Frequenz - zumindest am Netzanschluss des EVS - sich innerhalb von dem EVN zugeordneten erlaubten Toleranzbereichen bewegen.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, den ersten Betriebszustand BZ1 nicht unmittelbar nach einem gerade erfolgten Überschreiten des Leistungsbedarfs P_L der Last durch die verfügbare Leistung P_EA der EEA einzunehmen. Vielmehr ist es auch möglich, den ersten Betriebszustand BZ1 erst dann einzunehmen, wenn die verfügbare Leistung P_EA der EEA den Leistungsbedarf P_L der Last um einen vordefinierten Toleranzwert überschreitet. Ist dies nicht der Fall, so kann das EVS weiterhin im zweiten Betriebszustand BZ2 betrieben werden. Es liegt zudem im Rahmen der Erfindung, den ersten Betriebszustand BZ1 zusätzlich zur oben definierten Bedingung auch unter anderen Rahmenbedingungen anzunehmen. Beispielsweise kann der erste Betriebszustand BZ1 auch dann angenommen werden, wenn das EVN nicht ordnungsgemäß operiert, beispielsweise weil Spannungsamplitude und/oder Frequenz des EVN außerhalb der erlaubten Toleranzbereiche liegen.
Die Erfindung nutzt den Effekt, dass die Last im ersten Betriebszustand BZ1 vollständig durch eine der lokalen EEA entnommene Leistung und nicht - auch nicht anteilig - durch eine dem EVN entnommene Leistung versorgt wird. Hierzu wird der DC/AC-Wandler der lokalen EEA spannungsstellend betrieben. Der erste Betriebszustand BZ1 und der spannungsstellende Betrieb des DC/AC-Wandlers der EEA wird also bei - und auch trotz - ordnungsgemäß operierendem EVN eingenommen. Hingegen wird die Last im zweiten Betriebszustand BZ2 vollständig durch eine dem öffentlichen EVN entnommene Leistung und nicht - auch nicht anteilig - durch eine der lokalen EEA entnommene Leistung versorgt. Dabei ist die lokale EEA sowohl im ersten Betriebszustand als auch im zweiten Betriebszustand galvanisch von dem EVN isoliert. Ein Leistungsaustausch zwischen der lokalen EEA und dem EVN ist somit sowohl in dem ersten Betriebszustand BZ1 als auch in dem zweiten Betriebszustand BZ2 sicher verhindert. Die lokale EEA bildet ein von dem EVN in jedem der Betriebszustände BZ1, BZ2 getrenntes Inselnetz. Sofern eine in dem Inselnetz durch die lokale EEA verfügbare Leistung P_EA den Leistungsbedarf P_L der Last überschreitet, kann die Last durch eine galvanische Trennung der Last von dem EVN und Bereitstellen einer galvanischen Verbindung der Last mit der lokalen EEA vollständig von der lokalen EEA versorgt werden. Reicht hingegen die verfügbare Leistung der lokalen EEA nicht aus, die Last zu versorgen, so wird durch das EVS einen galvanische Trennung der Last von der lokalen EEA und eine galvanische Verbindung der Last mit dem EVN bereitgestellt. In diesem Fall wird die Last vollständig durch das EVN versorgt.
In beiden Betriebszuständen ist es alternativ oder kumulativ auch möglich, einen Verbrauch der Last zu regeln, sofern die Last dafür ausgelegt ist. Konkret kann ein Verbrauch P_L der Last einer verfügbaren Leistung P_EA der lokalen EEA nachgeführt werden und mit dieser in Übereinstimmung gebracht werden. Bei der Last kann es sich um lediglich eine oder auch um mehrere Lasten handeln. In beiden Fällen ist ein Nachführen der von der Last verbrauchten Leistung P_L auch über ein Einschalten und/oder Ausschalten der Last oder einzelner Lasten der mehreren Lasten möglich. Gleichfalls ist es im ersten Betriebszustand BZ1 möglich, eine überschüssige Leistung der regenerativen Energiequelle dem Energiespeicher zuzuführen und diesen aufzuladen.
Da in jedem der zwei Betriebszustände BZ1, BZ2 die lokale EEA ein von dem öffentlichen EVN getrenntes Inselnetz bildet, ist eine Einspeisung von Leistung der lokalen EEA in das EVN sicher ausgeschlossen. Vielmehr wird die erzeugte Leistung P_EA der lokalen EEA durch eine entsprechende Steuerung der Betriebszustände des EVS vollständig für eine Deckung des Eigenbedarfs der lokalen Last verwendet, wobei gegebenenfalls auch weitere lokale Lasten an das EVS angeschlossen werden können. Da die lokale EEA somit in Form eines Inselnetzes vorliegt, ist insbesondere eine ansonsten in Deutschland erforderliche und auf den Eigenbedarf gerichtete EEG-Umlage nicht zu entrichten, da Inselanlagen von dieser Umlage ausgeschlossen sind. Dadurch ist die Deckung des Eigenbedarfes für den Betreiber der lokalen EEA günstiger relativ zu einer Situation, bei der die lokale EEA zum Leistungsaustausch mit dem EVN galvanisch verbunden wäre. Die Bereitstellung und die Änderung der Betriebszustände BZ1, BZ2 erfolgt dabei automatisch und je nach Verhältnis von verfügbarer Leistung P_EA der lokalen EEA und Leistungsbedarf P_L der Last mittels einer geeigneten Steuerungseinheit des EVS erfolgt, so dass kein Eingriff seitens des Betreibers der EEA erforderlich ist. Da zu keinem Zeitpunkt Leistung der EEA in das EVN eingespeist wird, muss ein Betreiber einer aus der Förderung herausgelaufenen EEA auch keine Direktvermarktung betreiben.
Ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem (EVS) umfasst eine lokale Energieerzeugungsanlage (EEA) mit einer regenerativen Energiequelle und einem spannungsstellend betreibbaren DC/AC-Wandler, einen Netzanschluss zum Anschluss eines öffentlichen Energieversorgungsnetzes (EVN), und einen Lastanschluss zum Anschließen einer Last. Das Energieversorgungssystem umfasst ferner eine Koppelschaltung, die ausgelegt ist, in einem ersten Betriebszustand BZ1 des Energieversorgungssystem den Lastanschluss mit der lokalen Energieerzeugungsanlage zu verbinden und in einem zweiten Betriebszustand BZ2 des Energieversorgungssystems den Lastanschluss mit dem Netzanschluss zu verbinden. Dabei ist die Koppelschaltung ausgelegt, eine galvanische Verbindung zwischen der lokalen Energieerzeugungsanlage und dem Netzanschluss in jedem der zwei Betriebszustände BZ1, BZ2 sowie während eines Wechsels zwischen den Betriebszustanden BZ1, BZ2 sicher zu verhindern. Das Energieversorgungssystem weist zudem eine Steuerungseinheit auf und ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet.
Bei der der lokalen Energieerzeugungsanlage zugeordneten regenerativen Energiequelle kann es sich um einem PV-Generator und/oder einen Windgenerator handeln. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren aufgeführten Vorteile.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie auch des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
Zum Bereitstellen der Betriebszustände, wie auch zum Wechsel zwischen den Betriebszuständen kann die Koppelschaltung des Energieversorgungssystem einen elektromechanischen Wechselschalter und/oder zwei Schalteinheiten mit jeweils einer Mehrzahl von untereinander gekoppelten elektromechanischen Schaltern aufweisen. Die zwei Schalteinheiten können verriegelbar zueinander angeordnet oder verschaltet sein, um unerwünschte Kombinationen von Schaltzuständen der Schalteinheiten sicher zu verhindern. Bei verriegelbar angeordneten oder miteinander verschalteten Schalteinheiten kann z.B. durch eine mechanische oder eine elektrische Blockade der jeweiligen Schalteinheiten sichergestellt sein, dass die zweite der verriegelbar angeordneten Schalteinheiten erst dann geschlossen werden kann, wenn die erste der verriegelbar angeordneten Schalteinheiten geöffnet wurde. Gleichfalls kann sichergestellt sein, dass die erste der verriegelbar angeordneten Schalteinheiten erst dann geschlossen werden kann, wenn die zweite der verriegelbar angeordneten Schalteinheiten geöffnet wurde. Bei einem elektromechanischen Wechselschalter erfolgt allein aufgrund des Schaltertyps stets erst ein galvanisches Trennen eines bestehenden Schaltzustandes, bevor ein galvanisches Verbinden eines zukünftigen Schaltzustandes hergestellt wird.
Die zwei elektromechanischen Schalteinheiten der Koppelschaltung können zudem untereinander gekoppelt verschaltet sein. Das bedeutet, dass eine Schalthandlung der ersten Schalteinheit über die untereinander herrschende Kopplung automatisch eine Schalthandlung der zweiten Schalteinheit bewirkt. Eine derartige Kopplung kann beispielsweise über eine dritte Schalteinheit herbeigeführt werden, die zwei miteinander gekoppelte elektromechanische Schalter aufweist, wobei jeder der zwei Schalter mit einer individuellen der ersten und der zweiten Schalteinheit verschaltet ist. Dabei ermöglicht die Kopplung der beiden Schalteinheiten untereinander, dass sie mit lediglich einem gemeinsamen Steuersignal angesteuert werden können, während ohne bestehende Kopplung der beiden Schalteinheiten untereinander jeweils ein separates Steuersignal für jeden der Schalteinheiten nötig wäre.
Weiterhin kann jedem der zwei verriegelbar zueinander angeordneten elektromechanischen Schalteinheiten jeweils ein Zeitverzögerungsglied zugeordnet sein. Die Zeitverzögerungsglieder sind ausgelegt, eine Wirkung eines Einschaltsignales oder eines Ausschaltsignales auf die ihr zugeordnete Schalteinheit für eine vordefinierte Zeitdauer zu verzögern. Dabei ist es möglich, dass die Verzögerung des Zeitverzögerungsglieds lediglich auf das Einschaltsignal, nicht aber auf das Ausschaltsignal wirkt, oder dass die Verzögerung lediglich auf das Ausschaltsignal, nicht aber auf das Einschaltsignal wirkt. Durch die Zeitverzögerungsglieder, gegebenenfalls in Kombination mit den zwei verriegelbar zueinander angeordneten oder verschalteten Schalteinheiten ist sichergestellt, dass auch beim Wechsel der Betriebszustände kein Zustand auftreten kann, bei dem die lokale EEA mit dem Netzanschluss des EVS verbunden ist. Über die Zeitverzögerungsglieder kann zudem eine erforderliche Zeitdauer zum Beseitigen einer bestehenden mechanischen Blockade abgewartet werden, bis eine Durchführung der Schalthandlung freigegeben wird.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann ein Wechsel von dem ersten Betriebszustand BZ1 in den zweiten Betriebszustand BZ2 und umgekehrt so erfolgen, dass auch während des Wechsels eine galvanische Verbindung der lokalen EEA mit dem EVN sicher unterdrückt ist. Beispielsweise kann ein Wechsel von dem ersten Betriebszustand BZ1 in den zweiten Betriebszustand BZ2 so erfolgen, dass ein Verbinden der Last mit dem EVN erst nach erfolgtem Trennen der Last von der lokalen Energieerzeugungsanlage und insbesondere nach Ablauf einer ersten Zeitdauer Δt₁ erfolgt. Alternativ oder kumulativ dazu kann ein Wechsel von dem zweiten Betriebszustand BZ2 in den ersten Betriebszustand BZ1 des EVS so erfolgen, dass ein Verbinden der Last mit der lokalen EEA erst nach erfolgtem Trennen der Last von dem EVN und insbesondere nach Ablauf einer zweiten Zeitdauer Δt₂ erfolgt. In beiden Varianten erfolgt also erst ein Trennen der galvanischen Verbindung, die einem aktuell herrschenden Betriebszustand zugeordnet ist, bevor eine andere galvanische Verbindung hergestellt wird, die dann einem zukünftigen Betriebszustand zugeordnet ist. Dabei können die erste Zeitdauer Δt₁, sowie die zweite Zeitdauer Δt₂ jeweils einen Wert zwischen 0,1s und 5s, bevorzugterweise zwischen 0,5s und 3s aufweisen. Die erste Zeitdauer Δt₁ und die zweite Zeitdauer Δt₂ bilden Totzeiten für die Last, da sie in diesen Zeitdauern weder durch das EVN noch durch die lokale EEA versorgt wird. Dies ist insbesondere unkritisch für Lasten, die eine derartig begrenzte Versorgungslücke tolerieren und auch nach Durchlaufen der Versorgungslücke ordnungsgemäß operieren. Derartig tolerable Lasten sind oftmals resistiver Art, wie zum Beispiel ein Kühlschrank, ein Herd, ein Heizelement, etc. Die Lasten können außerdem einen internen Energiespeicher umfassen, dessen Energiegehalt ausreicht, die Lasten während der Zeitdauern Δt₁, Δt₂ zu versorgen. Bevorzugterweise können daher die oben genannten Lasten an den Lastanschluss des EVS angeschlossen werden.
Da die Zeitdauer Δt₁ bzw. Δt₂ nicht alleine dazu dient, die Umschaltung zwischen Versorgung durch EVN bzw. EEA ohne Überlappung zu gewährleisten, sondern auch dazu, die Auswirkungen eines möglichen Phasensprungs der Versorgungsquelle für die Last zu minimieren, kann in einer weiteren vorteilhaften Variante eine Synchronisation der Phasenlage und Spannungen von EVN und EEA erfolgen, sodass mit minimaler Unterbrechungszeit eine nicht-überlappende Umschaltung gewährleistet wird. Hierzu kann die EEA Informationen zur Spannungs- und Phasenlage des EVN verwenden.
In einer vorteilhaftem Ausführungsform kann die Koppelschaltung des EVS Mittel zur Phasenkopplung aufweisen, um einen Phasenleiterausgang des DC/AC-Wandlers mit mehreren Phasenleitern des Lastanschlusses zu verbinden. Auf diese Weise können auch einphasige Lasten, die an verschiedenen Phasenleitern angeschlossen sind, gemeinsam im ersten Betriebszustand BZ1 des EVS über die lokale EEA und in Verbindung mit einem lediglich einphasigen spannungsstellenden DC/AC-Wandler versorgt werden. Zudem ist es mittels der Phasenkopplung möglich, solche dreiphasigen Lasten zu versorgen, deren Leistungsflüsse für jeden der Phasenleiter stets zwischen dem entsprechendem Phasenleiter und dem Neutralleiter N, nicht aber zwischen den Phasenleitern untereinander erfolgen, und die keine Phasenverschiebung unter den Phasenleitern erfordern.
In einer vorteilhaften Variante kann die lokale EEA des EVS einen Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie beinhalten. Dabei kann die Batterie über einen bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandler an einen DC-Eingang des DC/AC-Wandlers angeschlossen sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Batterie über einen bidirektional betreibbaren weiteren DC/AC-Wandler mit einem AC-Anschluß des DC/AC-Wandlers verbunden ist.
Wenn die lokale EEA einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie aufweist, kann bei der Bestimmung der verfügbaren Leistung P_EA der lokalen EEA ein verfügbarer Energiegehalt des Energiespeichers berücksichtigt werden. Gleichfalls ist es möglich, bei der Bestimmung der verfügbaren Leistung P_EA der EEA eine zukünftige Energieerzeugung der regenerativen Energiequelle der EEA abzuschätzen. Die Abschätzung kann mittels geeigneter Wetterprognosen erfolgen, die einer Steuereinheit des EVS bekannt sind oder an diese kommuniziert werden, oder auf die die Steuereinheit des EVS zugreifen kann. Mit dem Energiegehalt des Energiespeichers kann eine Unsicherheit in der Abschätzung für die zukünftige erzeugbare Leistung der regenerativen Energiequelle kompensiert werden, d.h. unvorhergesehene Leistungsschwankungen der Energiequelle der EEA können mittels des Energiespeichers ausgeglichen werden und energetisch gesehen an sich unnötige Umschaltungen zwischen den Betriebszuständen können vermieden werden.
Ein Aufladen des Energiespeichers kann beispielsweise durch überschüssige Leistung erfolgen, die von der regenerativen Energiequelle während des ersten Betriebszustandes des EVS erzeugt wird. Hierbei wird die der regenerativen Energiequelle entnommene Leistung nur teilweise der Last zugeführt, während die restliche der regenerativen Energiequelle entnommene Leistung dem Energiespeicher zugeführt wird. Alternativ oder kumulativ dazu kann der Energiespeicher aber auch in dem zweiten Betriebszustand BZ2 des EVS aufgeladen werden, bei dem die lokale EEA, die die regenerative Energiequelle und den Energiespeicher umfasst, von der Last getrennt ist. In diesem Fall kann die der regenerativen Energiequelle entnommene Leistung bevorzugt vollständig dem Energiespeicher zugeführt werden. Hierzu kann der DC/AC-Wandler in dem zweiten Betriebszustand BZS2 ebenfalls spannungsstellend operieren.
Es kann vorteilhaft sein, die Anzahl der Wechsel der Betriebszustände innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf einen vordefinierten Schwellwert zu begrenzen, so dass ein Wechsel der Betriebszustände möglichst selten erfolgt. Hierdurch können beispielsweise unnötige Schalthandlungen elektromechanischer Schalter, über die der Wechsel der Betriebszustände erfolgt, vermieden und die Schalter somit geschont werden. Zusätzlich wird hierdurch die Anzahl der mit der Umschaltung verbundenen Versorgungsunterbrechungen der Last reduziert, die mit der ersten Zeitdauer Δt₁ und der zweiten Zeitdauer Δt₂ verbunden sind.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann für einen Wechsel von einem aktuellen der Betriebszustände BZ1, BZ2 in einen zukünftigen der Betriebszustände BZ2, BZ1 eine Prognose für einen Verbrauch der Last und/oder eine Prognose für eine Energieerzeugung der regenerativen Energiequelle berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann bei dem Vergleich der verfügbaren Leistung P_EA der lokalen EEA mit dem Leistungsbedarf P_L der Last die Prognose für den Verbrauch der Last mit der Prognose für die Energieerzeugung der regenerativen Energiequelle und/oder dem Energiegehalt des Energiespeichers verglichen werden. Dabei erfolgt ein Wechsel von einem aktuellen in einen zukünftigen der Betriebszustände BZ2, BZ1 bevorzugt nur dann, wenn der Vergleich indiziert, dass der zukünftige Betriebszustand BZ2, BZ1 ohne einen erneuten Wechsel der Betriebszustände zumindest über einen vorgegebenen Zeitraum tmin hin eingehalten werden kann. Auf diese Weise wird die Anzahl der Wechsel der Betriebszustände in dem vorgebbaren Zeitraum tmin minimiert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann das Energieversorgungssystem zusätzlich zu dem Lastanschluss zumindest einen weiteren Lastanschluss aufweisen, der zum Anschluss einer weiteren Last ausgelegt ist. Auch ist es möglich, dass das EVS eine Mehrzahl weiterer Lastanschlüsse aufweist, wobei einer der weiteren Lastanschlüsse, einzelne der weiteren Lastanschlüsse oder alle weiteren Lastanschlüsse jeweils über eine weitere Koppelschaltung unabhängig voneinander selektiv mit der lokalen Energieerzeugungsanlage oder mit dem EVN verbindbar sind. Dabei kann die zumindest eine weitere Last dann, wenn das EVS in dem ersten Betriebszustand BZ1 betrieben wird, auswählbar oder nicht auswählbar mit dem EVN galvanisch verbunden sein, während sie von der lokalen EEA auswählbar oder nicht auswählbar galvanisch getrennt ist. Dabei ist der Begriff „auswählbar“ so zu interpretieren, dass die weitere Last über geeignete Schalter mit einer ihr zugeordneten Versorgungsquelle galvanisch verbindbar ist. Entsprechend ist der Begriff „nicht auswählbar“ so zu interpretieren, dass die weitere Last direkt, und insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Schalters mit der ihr zugeordneten Versorgungsquelle, insbesondere mit dem Netzanschluss des EVS und darüber mit dem EVN galvanisch verbunden ist.
Konkret kann also die zumindest eine weitere Last in dem ersten Betriebszustand BZ1 vollständig durch eine von dem EVN und nicht durch eine von der lokalen EEA entnommene Leistung versorgt werden, während die Last in dem ersten Betriebszustand vollständig durch die lokale EEA versorgt wird. Im Falle von einer Mehrzahl weiterer Lasten kann es ebenso sein, dass einzelne der weiteren Lasten in dem ersten Betriebszustand BZ1 vollständig durch das EVN versorgt werden, während die restlichen der weiteren Lasten vollständig durch die lokale EEA versorgt werden. Auch ein Wechsel der Versorgung einer weiteren Last während des ersten Betriebszustandes BZ1 von deren vollständiger Versorgung durch das EVN auf deren vollständige Versorgung durch die lokale EEA ist möglich.
Eine erfindungsgemäße Steuerungseinheit ist ausgelegt und eingerichtet, als Steuerungseinheit für ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem zu operieren. Hierzu ist die Steuerungseinheit zur Steuerung der Koppelschaltung und zur Steuerung der EEA, gegebenenfalls auch zur Steuerung einer Leistungsaufnahme der an das Energieversorgungssystem angeschlossenen Last und/oder weiteren Last ausgelegt. Dabei ist die Steuerungseinheit als Steuerungseinheit des Energieversorgungssystems operierend eingerichtet, das Energieversorgungssystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems;
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 eine Koppelschaltung des Energieversorgungssystems in einer Ausführungsform.
4 ein Schaltdiagramm von Schaltern der Koppelschaltung aus 3.

Figurenbeschreibung
In 1 ist eine Ausführungsform eines Energieversorgungssystems (EVS) 1 dargestellt. Das EVS 1 umfasst einen Netzanschluss 2, der mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz (EVN) 20 sowie innerhalb des EVS 1 mit Anschlussleitungen eines Netz-Busses 6 verbunden ist. Das EVS 1 umfasst ferner eine lokale Energieerzeugungsanlage (EEA) 10 mit einem PV-Generator 12 als regenerative Energiequelle 11 und einem daran angeschlossenen DC/AC-Wandler 13 sowie eine Batterie 15 als Energiespeicher 14 und einen daran angeschlossenen bidirektional betreibbaren weiteren DC/AC-Wandler 16.
In dem dargestellten Beispiel sind beide DC/AC-Wandler 13, 16 spannungsstellend betreibbar und mit ihren jeweiligen AC-Anschlüssen mit Anschlussleitungen eines Energieerzeugungsanlagen-Busses (EEA-Busses) 7 verbunden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der Energiespeicher, hier die Batterie 15, über einen bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandler mit einem DC-Anschluss des spannungsstellend betreibbaren DC/AC-Wandlers verbunden ist. In diesem Fall entfällt der weitere DC/AC-Wandler zugunsten des bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandlers.
Das EVS 1 umfasst zudem einen Lastanschluss 3, an den eine Last 30 angeschlossen ist. Der Lastanschluss 3 ist über eine Koppelschaltung 40 auswählbar mit den Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 oder mit denen des Netz-Busses 6 verbindbar. Hierzu weist die Koppelschaltung 40 beispielhaft einen elektromechanischen Wechselschalter S5 auf.
Weitere Lasten 31, 32, sind an weiteren Lastanschlüsse 4, 5 des EVS 1 angeschlossen. Von den weiteren Lastanschlüssen 4, 5 ist ein erster weiterer Lastanschluss 4 mit der weiteren Last 31 über eine weitere Koppelschaltung 45 ebenfalls auswählbar entweder mit den Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 oder mit denen des Netz-Busses 6 verbindbar. Ein zweiter weiterer Lastanschluss 5 mit der daran angeschlossenen weiteren Last 32 ist direkt mit den Anschlussleitungen des Netz-Busses 6 verbunden.
Das EVS 1 umfasst weiterhin eine Steuerungseinheit 8 zur Steuerung der lokalen EEA 10, insbesondere des DC/AC-Wandlers 13 und des weiteren DC/AC-Wandlers 16 sowie der Koppelschaltung 40 und der weiteren Koppelschaltung 45. Die Steuerungseinheit 8 kann einen aktuellen Energiegehalt der Batterie 15 abfragen. Zudem hat sie Zugriff auf Wetterinformationen 35, die eine Prognose über eine zukünftig erzeugbare Leistung der regenerativen Energiequelle 11 ermöglichen.
In 1 ist exemplarisch ein EVS 1 illustriert, das hinsichtlich seines Lastanschlusses 3, seiner weiteren Lastanschlüssen 4, 5, des DC/AC-Wandlers 13 und des weiteren DC/AC-Wandlers 16 jeweils dreiphasig ausgelegt ist. Das EVS 1 ist zudem mit seinem dreiphasig ausgelegten Netzanschluss 2 mit dem dreiphasigen EVN 20 verbunden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der DC/AC-Wandler 13 und der weitere DC/AC-Wandler 16 lediglich als einphasige DC/AC-Wandler ausgelegt sind, die mit der einphasig ausgelegten Last 30 oder den einphasig ausgelegten weiteren Lasten 31, 32 kooperieren. Um bei einphasig ausgelegten DC/AC-Wandlern dennoch eine mehrphasig ausgelegte Last 30 bzw. weitere Lasten 31, 32 versorgen zu können, kann die Koppelschaltung 40 und gegebenenfalls auch die Koppelschaltung 45 Mittel für eine Phasenkopplung aufweisen. Dies wird in Zusammenhang mit 3 näher erläutert.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert, wie es beispielsweise mit dem EVS 1 gemäß 1 durchgeführt werden kann. Das Verfahren startet mit dem Schritt A1. In dem Schritt A2 wird seitens der Steuerungseinheit 8 eine verfügbare Leistung P_EA der EEA 10 sowie ein Leistungsbedarf P_L der Last 30 bestimmt. Hierzu können neben der aktuell produzierten Leistung des PV-Generators 12 auch Wetterinformationen 35 berücksichtigt werden, die eine Prognose der zukünftig erzeugbaren Leistung des PV-Generators 12 erlauben. Gegebenenfalls kann auch ein aktueller Energiegehalt der Batterie 15 berücksichtigt werden. Zur Ermittlung des Leistungsbedarfes P_L der Last 30 können neben einem aktuellen Leistungsverbrauch auch bekannte historische Verbrauchsdaten der Last 30 genutzt werden.
In dem Schritt A3 wird die verfügbare Leistung P_EA der EEA 10 mit dem Leistungsbedarf P_L der Last 30 verglichen. Überschreitet die verfügbare Leistung P_EA den Leistungsbedarf der Last 30 um einen vordefinierten Toleranzwert TW = α * P_L, so verzweigt das Verfahren in einen Schritt A4, bei dem das EVS 1 in dem ersten Betriebszustand BZ1 betrieben wird. Der Faktor a kann bevorzugterweise bei 0,3 liegen.
Beim Übergang in den ersten Betriebszustand BZ1 wird der Lastanschluss 3 über die Koppelschaltung 40 mit den Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 galvanisch verbunden, gegebenenfalls nachdem er zuvor von den Anschlussleitungen des Netz-Busses 6 galvanisch getrennt wurde. In dem ersten Betriebszustand BZ1 wird die Last 30 sodann vollständig durch eine der lokalen EEA 10 entnommene Leistung versorgt.
Überschreitet die verfügbare Leistung P_EA hingegen den Leistungsbedarf P_L der Last 30 nicht um den Toleranzwert TW = α * P_L, so verzweigt das Verfahren zu einem Schritt A5, bei dem der Lastanschluss 3 und somit die Last 30 über die Koppelschaltung 40 galvanisch mit den Anschlussleitungen des Netz-Busses 6 verbunden wird. Sofern der Lastanschluss 3 zuvor mit dem EEA-Bus 7 verbunden war, erfolgt die galvanische Verbindung erst nachdem der Lastanschluss 3 von den Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 galvanisch getrennt wurde.
In dem Schritt A5 wird das EVS 1 in dem zweiten Betriebszustand BZ2 betrieben und die Last 30 wird vollständig durch eine dem EVN 20 entnommene Leistung versorgt. Nach Schritt A4 bzw. Schritt A5 schließt sich ein Schritt A6 an, bei dem überprüft wird, ob eine vordefinierte Abbruchbedingung erfüllt ist. Falls dies nicht der Fall ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt A2, bei dem wiederum die verfügbare Leistung P_EA wie auch der Leistungsbedarf P_L der Last 30 ermittelt wird. Ist hingegen die Abbruchbedingung erfüllt, so wird das Verfahren in einem Schritt A7 beendet. Als Abbruchbedingung kann beispielsweise das Erreichen einer bestimmten Uhrzeit dienen, da nachts ohnehin nicht mit einer Energieerzeugung des PV-Generators zu rechnen ist. Dies kann gegebenenfalls mit der Anforderung gekoppelt werden, dass der Energiegehalt des Energiespeichers einen vordefinierten Schwellwert unterschreitet, um eine Tiefentladung der Batterie zu verhindern. Ein Abbruch kann jedoch auch über eine manuelle Eingabe eines Betreibers, beispielsweise aufgrund einer bevorstehenden Wartung von Komponenten des EVS 1 initiiert werden. In Verbindung mit dem Beenden des Verfahrens im Schritt A7 kann der zweite Betriebszustand BZ2 eingenommen werden, sofern dieser nicht ohnehin schon vorliegt (In 2 nicht explizit dargestellt).
In 3 ist eine Ausführungsform einer Koppelschaltung 40 dargestellt, wie sie in dem erfindungsgemäßen EVS 1 verwendet werden kann. In dem in 3 dargestellten Fall weist die lokale EEA 10 einen lediglich einphasigen DC/AC-Wandler 13 auf, dessen AC-Anschluß auf der linken Seite der 3 durch die Anschlussleitungen L, N symbolisiert ist. Zudem ist ein Pfeil dargestellt, der auf das Bezugszeichen der EEA 10 zeigt. Im unteren Bereich von 3 sind die Anschlussleitungen L1, L2, L3, N des Netz-Busses 6 dargestellt. Der Netz-Bus 6 wird über den Netzanschluss 2 mit dem EVN 20 verbunden, was in 3 über einen Pfeil symbolisiert ist, der auf das EVN 20 weist. Die im rechten Bildrand dargestellten Anschlussleitungen führen zu dem Lastanschluss 3 und zu der daran angeschlossenen Last 30, was ebenfalls über einen auf die Last 30 weisenden Pfeil symbolisiert ist.
Der bereichsweise einphasig ausgelegte EEA-Bus 7 kann vor oder innerhalb der Koppelschaltung 40 eine Phasenkopplung 46 aufweisen. Durch die Phasenkopplung 46 wird der Phasenleiter L des einphasig ausgelegten Bereiches des EEA-Busses 7 mit den Leitungsabschnitten 46.1, 46.2 46.3 verbunden. Hierdurch entsteht nach der Phasenkopplung 46 ein dreiphasiger Bereich des EEA-Busses 7. Die Phasenkopplung 46 ermöglicht es, eine einphasige Last 30 unabhängig davon zu versorgen, an welchem der Phasenleiter L1, L2, L3 diese einphasige Last 30 gerade angeschlossen ist. Zudem ist es über die Phasenkopplung 46 möglich, solche dreiphasigen Lasten zu versorgen, deren Leistungsflüsse für jeden der Phasenleiter stets zwischen dem entsprechendem Phasenleiter L1, L2, L3 und dem Neutralleiter N erfolgen, nicht aber zwischen den Phasenleitern L1, L2, L3 untereinander, und die keine Phasenverschiebung zwischen den in den Phasenleitern L1, L2, L3 herrschenden Wechselspannungen benötigen. Die Phasenkopplung 46 ist in 3 fest und unlösbar dargestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Phasenkopplung 46 schaltbar zu gestalten. Weiterhin ist an einem dem DC/AC-Wandler 13 zugewandten Ende des EEA-Busses 7 ein Fehlerstromschutzschalter vorgesehen, um einen eventuellen Fehlerstrom bei Versorgung der Last 30 durch die EEA 10 zu detektieren.
Die Koppelschaltung 40 umfasst zudem drei elektromechanische Schalteinheiten S1, S2, S3, beispielsweise Schütze und/oder Relais. Jede der Schalteinheiten weist ein als Rechteck dargestelltes Betätigungselement auf, welches als Aktuator auf die Schalter der jeweiligen Schalteinheit wirkt. Die betätigende Wirkung sowie die Kopplung der Schalter untereinander ist in den Schalteinheiten S1, S2, S3 jeweils über eine gestrichelte Linie illustriert. Die erste Schalteinheit S1 beinhaltet fünf untereinander gekoppelte Schalter S1.1-S1.5, von denen einer relativ zu den anderen eine invertierende Schalthandlung durchführt. Der invertierend ausgelegte Schalter S1.5 kann als ein zwangsgeführter Hilfsschalter ausgelegt sein und eine geringere Stromtragfähigkeit als die übrigen der Schalter S1.1 - S1.4 aufweisen. Die vier Hauptschalter S1.1 - S1.4 sind in den dem Lastanschluss 3 zugeordneten Phasenleitern L1, L2, L3, und einem Neutralleiter N angeordnet und gemäß ihrer Verschaltung ausgelegt, eine Verbindung zwischen den Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 und dem Lastanschluss 3 galvanisch zu verbinden oder zu trennen. Die zweite elektromechanische Schalteinheit S2 beinhaltet ebenfalls 5 untereinander gekoppelte Schalter S2.1-S2.5 und weist einen gleichen Aufbau wie die erste Schalteinheit S1 auf. Die Hauptstromschalter S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2 sind zwischen den Anschlussleitungen des Netz-Busses 6 und dem Lastanschluss 3 angeordnet und daher ausgelegt, eine Verbindung zwischen dem Netz-Bus 6 und dem Lastanschluss 3 galvanisch zu verbinden oder zu trennen.
Eine dritte Schalteinheit S3 umfasst lediglich zwei gekoppelte Schalter S3.1, S3.2, die invertierend zueinander schalten. Dabei ist ein erster S3.1 Schalter zusammen mit einem ersten Zeitverzögerungsglied 41 in einen Steuerkreis 43 zur Ansteuerung der ersten Schalteinheit S1 angeordnet, während der zweite Schalter S3.2 der dritten Schalteinheit S3 zusammen mit einem zweiten Zeitverzögerungsglied 42 in einem Steuerkreis 44 der zweiten Schalteinheit S2 verschaltet ist. Die Zeitverzögerungsglieder 41, 42 sind eingerichtet, einen Einschaltzeitpunkt des ihnen zugeordneten Schalters zu verzögern, während der Ausschaltzeitpunkt des jeweiligen Schalters unverändert bleibt.
Der zwangsgeführte und invertierend ausgelegte Schalter S1.5 der ersten Schalteinheit S1 ist in Serie zu dem zweiten Schalter S3.2 der dritten Schalteinheit S3 in dem Steuerkreis 44 der zweiten Schalteinheit S2 angeordnet und ist geöffnet, sofern die vier Hauptschalter S1.1-S1.4 geschlossen sind. Dies ist der Fall, wenn die Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 mit dem Lastausgang 3 bzw. der Last 30 verbunden sind. Da der geöffnete Hilfskontakt S1.5 der ersten Schalteinheit S1 einen Stromfluss in dem Steuerkreis 44 der zweiten Schalteinheit S2 sicher verhindert, ist ein Schließen der Hauptschalter S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2 bei geschlossen vorliegenden Hauptschaltern S1.1 - S1.4 der ersten Schalteinheit S1 in dem ersten Betriebszustand BZ1 des EVS 1 sicher verhindert. In analoger Weise ist bei geschlossenen Hauptschaltern S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2 der zwangsgeführte Hilfsschalter S2.5 stets geöffnet. Da der geöffnete Hilfsschalter S2.5 einen Stromfluss in dem ersten Steuerkreis 43 der ersten Schalteinheit S1 sicher verhindert, wird somit ein Schließen der Hauptschalter S1.1-S1.4 der ersten Schalteinheit S1 bei geschlossen vorliegenden Hauptschaltern S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2 im zweiten Betriebszustand BZ2 des EVS 1 sicher verhindert. Hierdurch sind die erste Schalteinheit S1 und die zweite Schalteinheit S2 sicher gegeneinander verriegelt.
Ein Betrieb der Kupplungseinheit 40 und die dabei ablaufenden Schalthandlungen werden in Zusammenhang mit 4 detaillierter erläutert.
In 4 ist ein Schaltdiagramm der Schalteinheiten S1, S2, S3, der Koppelschaltung 40 aus 3 illustriert, wie sie bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand BZ2 zum ersten Betriebszustand BZ1 und umgekehrt auftreten können. Das Diagramm zeigt konkret die Verläufe von Steuersignal 9 der Steuerungseinheit 8, erstem S3.1 und zweitem Schalter S3.2 der dritten Schalteinheit S3, den Hauptschaltern S1.1 - S1.4 der erstem Schalteinheit S1 und den Hauptschaltern S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2. Weiterhin ist schematisch ein Zeitverlauf für einen Leistungsbezug P_L einer an dem Lastanschluss 3 angeschlossenen Last 30 dargestellt.
Ausgangspunkt der Betrachtung ist ein Zeitpunkt to, bei dem das EVS 1 in seinem zweiten Betriebszustand BZ2 vorliegt. Das der Schalteinheit S3 übermittelte Steuersignal 9 steht auf „low (0)“. Entsprechend ist der erste Schalter S3.1 der dritten Schalteinheit S3 geöffnet, während deren zweiter Schalter S3.2 geschlossen ist. Die Hauptschalter S1.1 - S1.4 der ersten Schalteinheit S1 sind geöffnet („0“), während die Hauptschalter S2.1-S2.4 der zweiten Schalteinheit S2 geschlossen („1“) sind. Über den Lastanschluss 3 des EVS 1 fließt eine Leistung als Leistungsbezug P_L an die Last 30, die vollständig von dem Netz-Bus 6, und damit vom EVN 20, entnommen wird. Der Hilfsschalter S1.5 der ersten Schalteinheit S1 weist aufgrund seiner Kopplung mit den Hauptschaltern S1.1 - S1.4 der ersten Schalteinheit S1 stets einen invertierten Schaltzustand relativ zu den ihm zugeordneten Hauptschaltern S1.1 - S1.4 auf. (In 4 nicht explizit dargestellt). Analoges gilt für den Hilfsschalter S2.5 der zweiten Schalteinheit S2 in Bezug auf die Hauptschalter S2.1-S2.4 der zweiten Schalteinheit S2.
Zum Zeitpunkt t₁ wechselt das Steuersignal 9 aufgrund eines Vergleiches der verfügbaren Leistung P_EA der EEA 10 mit dem Leistungsbedarf P_L der Last 30 auf „High (1)“. In Reaktion darauf ändern der erste Schalter S3.1 und der zweite Schalter S3.2 der dritten Schalteinheit S3 ihre Schaltzustände, wodurch der erste Schalter S3.1 geschlossen und der zweite Schalter S3.2 geöffnet wird. Hierdurch wird ein Schaltwechsel der ersten S1 und der zweiten Schalteinheit S2 initiiert. Dabei öffnen zuerst, quasi zeitgleich mit dem Wechsel des Steuersignales 9 bei t₁, die Hauptschalter S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2. Entsprechend wird der Lastausgang 3 von den Anschlussleitungen des Netz-Busses 6 galvanisch getrennt. Zum Zeitpunkt t₁ wird auch der in dem Steuerkreis 43 der ersten Schalteinheit S1 angeordnete Hilfskontakt S2.5 der zweiten Schalteinheit S2 geschlossen, wodurch ein Stromfluss durch das Betätigungselement der ersten Schalteinheit ermöglicht wird. Aufgrund des ersten Zeitverzögerungsgliedes 41 wird jedoch der Stromfluss und damit das Schließen der Hauptschalter S1.1 - S1.4 der ersten Schalteinheit S1 um die erste Zeitdauer Δt₁ verzögert, so dass diese erst zum Zeitpunkt t₂>t₁ schließen, den Lastanschluss 3 mit dem EEA-Bus 7 galvanisch verbinden und somit das EVS 1 in den ersten Betriebszustand BZ1 versetzen. In dem ersten Betriebszustand BZ1 wird die Last 30 vollständig durch die der EEA 10 entnommene Leistung versorgt.
Während eines Vorliegens des ersten Betriebszustandes BZ1 - wie auch während des Vorliegens des zweiten Betriebszustandes BZ2 - wird in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt ein Vergleich der verfügbaren Leistung P_EA der lokalen EEA 10 mit dem Leistungsbedarf P_L der Last 30 durchgeführt. Zum Zeitpunkt t₃ ergibt der Vergleich, dass die verfügbare Leistung der lokalen EEA 10 den Leistungsbedarf P_L der Last 30 nicht mehr um den Toleranzwert TW = α * P_L überschreitet. Entsprechend wird zum Zeitpunkt t₃ der dritten Schalteinheit S3 das auf „low (0)“ geänderte Steuersignal 9 durch die Steuerungseinheit 8 übermittelt, wodurch unmittelbar der erste Schalter S3.1 geöffnet und der zweite Schalter S3.2 der dritten Schalteinheit S3 geschlossen wird. Hierdurch werden die Hauptschalter S1.1-S1.4 der ersten Schalteinheit S1 zum Zeitpunkt t₃ unverzögert geöffnet, wodurch der Lastanschluss 3 von den Anschlussleitungen des EEA-Busses 7 galvanisch getrennt wird. Gleichzeitig wird der Hilfsschalter S1.5 der ersten Schalteinheit S1, der in dem Steuerkreis 44 der zweiten Schalteinheit S2 angeordnet ist, geschlossen. Hierdurch wird ein Stromfluss in dem Steuerkreis 44 der zweiten Schalteinheit S2 prinzipiell ermöglicht. Der Stromfluss erfolgt jedoch nicht unmittelbar, sondern durch das zweite Zeitverzögerungsglied 42 um eine zweite Zeitdauer Δt₂ verzögert. Daher wird zum Zeitpunkt t₄ der Lastanschluss 3 über ein Schließen der Hauptschalter S2.1 - S2.4 der zweiten Schalteinheit S2 mit dem Netzanschluss 2 und damit mit dem EVN 20 verbunden. Ab dem Zeitpunkt t₄ wird das EVS 1 wieder in dem zweiten Betriebszustand BZ2 betrieben und die Last 30 wird vollständig über das EVN 20 mit dem Leistungsbedarf P_L versorgt. Während des zweiten Betriebszustandes BZ2 kann die Batterie 15 über die regenerative Energiequelle 11 aufgeladen werden.
Insgesamt ist sichergestellt, dass die lokale EEA 10 stets im Inselbetrieb operiert und zu keiner Zeit, also weder bei Betreiben des EVS 1 im ersten Betriebszustand BZ1, noch bei Betreiben des EVS 1 im zweiten Betriebszustand BZ2, noch während eines Wechsels der Betriebszustände mit dem EVN 20 galvanisch verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Energieversorgungssystem (EVN)
2: Netzanschluss
3: Lastanschluss
4: Lastanschluss
5: Lastanschluss
6: Netz-Bus
7: Energieerzeugungsanlagen-Bus (EEA-Bus)
8: Steuerungseinheit
9: Steuersignal
10: Energieerzeugungsanlage
11: regenerative Energiequelle
12: PV-Generator
13: DC/AC-Wandler
14: Energiespeicher
15: Batterie
16: DC/AC-Wandler
17: Fehlerstromschutzschalter (RCD)
18 30: Last
31, 32: weitere Last
35: Wetterinformation
40: Koppelschaltung
41, 42: Zeitverzögerungsglied
43: Phasenkopplung
S5: Wechselschalter
S1, S2: Schalteinheit
S3: Schalteinheit
BZ1, BZ2: Betriebszustand
A1 -A7: Verfahrensschritt

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems (1) mit - einer lokalen Energieerzeugungsanlage (10) umfassend eine regenerative Energiequelle (11) und einen spannungsstellend betreibbaren DC/AC-Wandler (13), - einem Netzanschluss (2) zum Anschließen eines öffentlichen Energieversorgungsnetzes (EVN) (20), und - einem Lastanschluss (3) zum Anschließen einer Last (30), umfassend - einen ersten Betriebszustand (BZ1) des Energieversorgungssystems (1), bei dem die Last (30) mit der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) galvanisch verbunden ist und bei dem die Last (30) sowie die lokale Energieerzeugungsanlage (10) von dem EVN (20) galvanisch getrennt sind, und - einen zweiten Betriebszustand (BZ2) des Energieversorgungssystems (1), bei dem die Last (30) mit dem EVN (20) galvanisch verbunden ist und bei dem die lokale Energieerzeugungsanlage (10) sowohl von der Last (30) als auch von dem EVN (20) galvanisch getrennt ist, mit den Schritten: - Bestimmung einer verfügbaren Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage (10), - Vergleich der verfügbaren Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) mit einem Leistungsbedarf P_L der Last (30), wobei - wenn die verfügbare Leistung P_EA der lokalen Energieerzeugungsanlage den Leistungsbedarf P_L der Last (30) überschreitet: Betreiben des Energieversorgungssystems (1) bei ordnungsgemäß operierendem EVN (20) in dem ersten Betriebszustand (BZ1) und Betreiben des DC/AC-Wandlers (13) in einem spannungsstellenden Betrieb, sodass die Last (30) über den DC/AC-Wandler (13) mit Leistung aus der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) versorgt wird, und - andernfalls: Betreiben des Energieversorgungssystems (1) in dem zweiten Betriebszustand (BZ2), sodass die Last (30) durch eine dem EVN (20) entnommene Leistung versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Wechsel von dem ersten Betriebszustand (BZ1) in den zweiten Betriebszustand (BZ2) und umgekehrt so erfolgt, dass währenddessen eine galvanische Verbindung der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) mit dem EVN (20) sicher unterdrückt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Wechsel von dem ersten Betriebszustand (BZ1) in den zweiten Betriebszustand (BZ2) so erfolgt, dass ein Verbinden der Last (30) mit dem EVN (20) erst nach erfolgtem Trennen der Last (30) von der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) und Ablauf einer ersten Zeitdauer Δt₁ erfolgt, und/oder wobei ein Wechsel von dem zweiten Betriebszustand (BZ2) in den ersten Betriebszustand (BZ1) so erfolgt, dass ein Verbinden der Last (30) mit der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) erst nach erfolgtem Trennen der Last (30) von dem EVN (20) und Ablauf einer zweiten Zeitdauer Δt₂ erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Zeitdauer Δt_i, sowie die zweite Zeitdauer Δt₂ jeweils einen Wert zwischen 0,1s und 5s, bevorzugterweise zwischen 0,5s und 3s aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Energieerzeugungsanlage (10) einen Energiespeicher (14), z.B. eine Batterie (15) beinhaltet, und wobei die verfügbare Leistung der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) unter Berücksichtigung eines verfügbaren Energiegehaltes des Energiespeichers (14) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für einen Wechsel von einem aktuellen der Betriebszustände (BZ1, BZ2) in einen zukünftigen der Betriebszustände (BZ2, BZ1) eine Prognose für einen Verbrauch der Last (30) und/oder eine Prognose für eine Energieerzeugung der regenerativen Energiequelle (11) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, soweit zurückbezogen auf Anspruch 5, wobei bei dem Vergleich die Prognose für den Verbrauch der Last (30) mit der Prognose für die Energieerzeugung der regenerativen Energiequelle (11) und/oder dem Energiegehalt des Energiespeichers (14) verglichen wird, und wobei der Wechsel von einem aktuellen in einen zukünftigen der Betriebszustände (BZ2, BZ1) nur dann erfolgt, wenn der Vergleich indiziert, dass der zukünftige Betriebszustand (BZ2, BZ1) ohne einen erneuten Wechsel der Betriebszustände zumindest über einen vorgegebenen Zeitraum tmin hin eingehalten werden kann.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungssystem (1) zusätzlich zu dem Lastanschluss (3), zumindest einen weiteren Lastanschluss (4, 5) zum Anschluss zumindest einer weiteren Last (31, 32) beinhaltet, wobei die zumindest eine weitere Last (31, 32) in dem ersten Betriebszustand (BZ1) durch eine von dem EVN (20) und nicht durch eine von der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) entnommene Leistung versorgt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, soweit zurückbezogen auf Anspruch 5, wobei in dem zweiten Betriebszustand (BZ2) die der regenerativen Energiequelle (11) entnommene Leistung vollständig dem Energiespeicher (14) zugeführt wird, und/oder wobei in dem ersten Betriebszustand (BZS1) die der regenerativen Energiequelle (11) entnommene Leistung zumindest teilweise dem Energiespeicher (14) zugeführt wird.
Energieversorgungssystem (1) umfassend - eine lokale Energieerzeugungsanlage (10) mit einer regenerativen Energiequelle (11), insbesondere einem PV-Generator (12), und einem spannungsstellend betreibbaren DC/AC-Wandler (13), - einen Netzanschluss (2) zum Anschluss eines öffentlichen Energieversorgungsnetzes (EVN) (20), und - einen Lastanschluss (3) zum Anschließen einer Last (30), und - eine Koppelschaltung (40), die ausgelegt ist, in einem ersten Betriebszustand (BZ1) des Energieversorgungssystems (1) den Lastanschluss (3) mit der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) zu verbinden, und in einem zweiten Betriebszustand (BZ2) des Energieversorgungssystems (1) den Lastanschluss (3) mit dem Netzanschluss (2) zu verbinden, und wobei die Koppelschaltung (40) ausgelegt ist, eine galvanische Verbindung zwischen der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) und dem Netzanschluss (2) in jedem der zwei Betriebszustände (BZ1, BZ2) sowie während eines Wechsels zwischen den Betriebszustanden (BZ1, BZ2) sicher zu verhindern, und - eine Steuerungseinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgelegt und eingerichtet ist.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelschaltung (40) einen elektromechanischen Wechselschalter (S5) oder zwei Schalteinheiten (S1, S2) mit jeweils einer Mehrzahl untereinander gekoppelter elektromechanischer Schalter (S1.1- S1.5, S2.1 - S2.5) aufweist, wobei die zwei Schalteinheiten (S1, S2) zueinander verriegelbar angeordnet oder verschaltet sind.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelschaltung (40) zwei untereinander gekoppelte, elektromechanische Schalteinheiten (S1, S2) aufweist, die aufgrund ihrer Kopplung untereinander mit nur einem Steuersignal (9) angesteuert werden können, wobei optional jeder der zwei elektromechanischen Schalteinheiten (S1, S2) jeweils ein Zeitverzögerungsglied (41, 42) zugeordnet ist, welches ausgelegt ist, eine Schalthandlung der ihr zugeordneten Schalteinheit für eine vordefinierte Zeitdauer zu verzögern.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelschaltung (40) Mittel zur Phasenkopplung (46) aufweist, um einen Phasenleiterausgang (L1) des DC/AC-Wandlers (13) mit mehreren Phasenleitern (L1, L2, L3) des Lastanschlusses (3) zu verbinden.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14) der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) eine Batterie (15) aufweist, die über einen bidirektional betreibbaren DC/DC-Wandler mit einem DC-Eingang des DC/AC-Wandlers (13), oder über einen bidirektional betreibbaren weiteren DC/AC-Wandler (16) mit einem AC-Ausgang des DC/AC-Wandlers (13) verbunden ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zusätzlich umfassend zumindest einen weiteren Lastanschluss (4, 5), der zum Anschluss einer weiteren Last (31, 32) ausgelegt ist.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) eine Mehrzahl an weiteren Lastanschlüssen (4, 5) aufweist, wobei einer der weiteren Lastanschlüsse (4, 5), einzelne der weiteren Lastanschlüsse (4, 5) oder alle weiteren Lastanschlüsse (4, 5) jeweils über eine weitere Koppelschaltung (45) unabhängig voneinander selektiv mit der lokalen Energieerzeugungsanlage (10) oder mit dem EVN (20) verbindbar sind.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der weiteren Lastanschlüsse (4, 5) direkt, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Schalters (S1, S2, S5) mit dem Netzanschluss (2) verbunden ist.
Steuerungseinheit (8) für ein Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (8) derart ausgelegt und eingerichtet ist, als Steuerungseinheit (8) des Energieversorgungssystems (1) operierend das Energieversorgungssystem (1) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu betreiben.