DE20002237U1 - Modular battery converter for power supply in stand-alone grids - Google Patents
Modular battery converter for power supply in stand-alone gridsInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betrieb eines mindestens einen Energieerzeuger aufweisenden Energieversorgungsnetzes mit wenigstens einem, mit einer elektrischen Gleichspannung (DC Bus) betriebenen ersten Netzabschnitt, und wenigstens einem, mit einer elektrischen Wechselspannung bzw. Drehspannung (AC-Bus) betriebenen zweiten Netzabschnitt, wobei die Umwandlung der Gleichspannungen in die Wechselspannungen mittels Wechselrichtern erfolgt.The invention relates to a device for operating an energy supply network having at least one energy generator with at least one first network section operated with an electrical direct voltage (DC bus) and at least one second network section operated with an electrical alternating voltage or three-phase voltage (AC bus), wherein the conversion of the direct voltages into the alternating voltages takes place by means of inverters.
Die Einspeisung alternativer Energien in regionale Energieversorgungsnetze (sogenannter Inselnetze) erfolgt, beispielsweise durch Ankopplung photovoltaischer (PV) Energieerzeuger an diese Netze. Die Inselnetze werden dazu für jeden speziellen Anwendungsfall konfiguriert bzw. projektiert, wobei jeweils bestimmte Konfigurationen von Stromrichtern bzw. deren Zusammenschaltung zum Einsatz kommen. Für die Realisierung verschiedener notwendiger Funktionen, z.B. des Ladens eines Batteriespeichers, werden jeweils speziell dafür entwickelte bzw. vorkonfigurierte Einzelgeräte eingesetzt, z. B. Regelung von Amplitude und Frequenz der Wechselspannung auf dem AC-Bus.Alternative energies are fed into regional energy supply networks (so-called island networks), for example, by connecting photovoltaic (PV) energy generators to these networks. The island networks are configured or designed for each specific application, with specific configurations of power converters or their interconnection being used in each case. To implement various necessary functions, e.g. charging a battery storage system, specially developed or pre-configured individual devices are used, e.g. regulating the amplitude and frequency of the alternating voltage on the AC bus.
Die Kopplung mehrerer solcher alternativer Energieerzeuger erfolgt dabei immer auf der Gleichspannungsebene (DC-Bus). So werden z.B. PV-Generatoren über Laderegler (Gleichspannungswandler) an die jeweilige Batterie angeschlossen.The coupling of several such alternative energy generators always takes place at the direct current level (DC bus). For example, PV generators are connected to the respective battery via charge controllers (DC converters).
Solche anwendungsspezifischen Stromversorgungsanlagen erfordern daher einen hohen Kostenaufwand bei deren Projektierung. Zudem stellen solche Anlagen Unikate dar und können demnach nur den jeweils spezifizierten Anforderungen genügen. Anpassungen bspw. in Form einer Erhöhung oder Verringerung der Verbraucherleistung oder eine Hinzunahme bzw. ein Wegfall eines oder mehrerer Energieerzeuger sind nur mit hohem Entwicklungsaufwand, d.h. hohen Kosten, oder eine aufwendige Anpassungsentwicklung einzelner Systemkomponenten möglich.Such application-specific power supply systems therefore require a high level of investment in their design. In addition, such systems are unique and can therefore only meet the specified requirements. Adjustments, for example in the form of an increase or decrease in consumer power or the addition or removal of one or more energy generators, are only possible with a high level of development effort, i.e. high costs, or a complex adaptation development of individual system components.
Es sind ferner unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) bekannt, die dazu dienen, eine von Netzstörungen unbeeinträchtigte Energiezufuhr für kritische Verbraucher bereitzustellen. Die in USV-Anlagen eingesetzten Stromrichter (Wechselrichter) weisen allerdings lediglich einen unidirektionalen Leistungsfluß auf und können daher verbraucherseitig nicht mit anderen Energieerzeugern, beispielsweise PV-Wechselrichter, Dieseloder Windgeneratoren, gekoppelt werden. Ferner können USV-Anlagen verbraucherseitig nicht parallel betrieben werden. Die Anlagen sind daherUninterruptible power supplies (UPS) are also known, which serve to provide a power supply for critical consumers that is unaffected by mains disturbances. However, the power converters (inverters) used in UPS systems only have a unidirectional power flow and therefore cannot be coupled with other energy generators on the consumer side, such as PV inverters, diesel or wind generators. Furthermore, UPS systems cannot be operated in parallel on the consumer side. The systems are therefore
nicht modular erweiterbar, d.h. bei Erhöhung der Verbraucherleistung müssen diese vollständig durch eine neue Anlage ersetzt werden.cannot be expanded modularly, i.e. if the consumer power is increased, these must be completely replaced by a new system.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Energieversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine möglichst frei konfigurierbare, baukastenartige Anordnung von (kleinen) dezentralen Energieerzeugern, insbesondere solchen im Leistungsbereich unterhalb von 3 kW bis 30 kW wie z.B. Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen), Windenergieanlagen oder kleinen Dieselgenerator-Aggregaten ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide an energy supply device of the type mentioned at the outset, which avoids the aforementioned disadvantages and in particular enables a modular arrangement of (small) decentralized energy generators that can be configured as freely as possible, in particular those in the power range below 3 kW to 30 kW, such as photovoltaic systems (PV systems), wind turbines or small diesel generator units.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der beiden Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angeführt.This object is achieved according to the invention by the features of the two main claims. Advantageous embodiments are set out in the subclaims.
Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, die Kopplung aller Energieerzeuger bzw. deren Systemkomponenten auf der Wechselspannungs- bzw. Drehspannungsebene (AC-Bus) zu bewerkstelligen. Dies wird durch eine hochdynamische Steuerung bzw. Regelung eines insbesondere vorgesehenen Batteriewechselrichters ermöglicht, die durch den Einsatz modernster Mikroprozessortechnik und schneller leistungselektronischer Stellglieder realisierbar ist. Insbesondere sind dabei ein Batteriewechselrichter zur Umwandlung einer auf dem DC-Bus anliegenden Batteriespannung in eine auf dem AC-Bus anliegende Wechselspannung, einen Energiespeicher (z. B. Batterieeinheit) zur Versorgung des Batteriewechselrichters mit der Gleichspannung, sowie eine Regeleinheit zur Steuerung von Nenngrößen der auf dem AC-Bus vorliegenden Wechselspannung vorgesehen, wobei der oder die Energieerzeuger über den AC-Bus an das Energieversorgungsnetz ankoppelbar ist (sind).The special feature of the invention is that it enables all energy generators or their system components to be coupled at the alternating voltage or three-phase voltage level (AC bus). This is made possible by a highly dynamic control or regulation of a specially provided battery inverter, which can be implemented using the latest microprocessor technology and fast power electronic actuators. In particular, a battery inverter is provided for converting a battery voltage on the DC bus into an alternating voltage on the AC bus, an energy storage device (e.g. battery unit) for supplying the battery inverter with the direct voltage, and a control unit for controlling nominal values of the alternating voltage on the AC bus, whereby the energy generator or generators can be coupled to the energy supply network via the AC bus.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der konsequenten Modularität des vorgeschlagenen Batteriestromrichter-Konzeptes. Der BatteriestromrichterOne advantage of the invention lies in the consistent modularity of the proposed battery converter concept. The battery converter
kann in Form eines Baukastenprinzips zur Stromversorgung von Inselnetzen beliebig modular und universell eingesetzt und beliebig erweitert werden. Aufgrund dieser Eigenschaften läßt sich der Batteriestromrichter zudem für den Abbau in einer Anlage und den nachfolgenden Einbau in eine neue Anlage einfach rekonfigurieren. Mit dem modularen Konzept lassen sich auch die übrigen Komponenten einer hier betroffenen Energieversorgungsanlage wiederverwenden.can be used in a modular and universal manner and expanded as required in the form of a modular system to supply power to island networks. Due to these properties, the battery converter can also be easily reconfigured for removal from a system and subsequent installation in a new system. The modular concept also allows the other components of the energy supply system concerned to be reused.
Insgesamt erlaubt die Erfindung erhebliche Kosteneinsparungen bei der Konzeption (Planungskosten) sowie dem Betrieb von Inselnetzen der eingangs beschriebenen Art und damit auch eine Reduzierung von Stromentstehungskosten.Overall, the invention allows considerable cost savings in the design (planning costs) and operation of island networks of the type described above and thus also a reduction in electricity generation costs.
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.The invention is described below using embodiments with reference to drawings from which, in conjunction with the features of the claims, further features, properties and advantages of the invention emerge.
Im einzelnen zeigen:In detail:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Betrieb eines Energieversorgungsnetzes;Fig. 1 is a block diagram of a device according to the invention for operating a power supply network;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines eine erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 1 aufweisenden, einphasig betriebenen Inselnetzes;Fig. 2 shows an embodiment of a single-phase island network having a device according to the invention as shown in Fig. 1;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden, dreiphasig betriebenen Inselnetzes.Fig. 3 shows an embodiment of a corresponding three-phase island network.
Die zentrale Komponente einer erfindungsgemäß modularen und baukastenartigen Versorgungstechnik für Inselnetze 1 ist ein Batteriestromrichter 2. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Stromrichters 2 zeigt Fig. 1. Der Batteriestromrichter 2 sorgt auf derThe central component of a modular and modular supply technology for island networks 1 according to the invention is a battery converter 2. An embodiment of such a converter 2 is shown in Fig. 1. The battery converter 2 ensures on the
Wechselspannungsseite 3 für konstante Netzgrößen, insbesondere Spannung und Frequenz, und nutzt dazu eine Batterie als Puffer. Eine intelligente Betriebsführung und Regelung, die mittels zweier Mikroprozessoren 5, 8 realisiert ist, ermöglicht zum einen eine Versorgung unterschiedlicher Verbraucher 6 und andererseits die Ankopplung verschiedener Generatoren, z.B. PV-Anlagen, Windenergieanlagen oder Dieselaggregate zur Einspeisung alternativer Energien in das Energieversorgungsnetz 1. Auf der Wechselspannungsseite 3 des Batteriestromrichters 2 ist zu diesem Zweck eine Spannungs- Frequenz-, Wirk- und Blindleistungsregelung vorgesehen. Zum Aufbau eines dreiphasigen Inselnetzes müssen drei Stromrichter verwendet werden, die miteinander synchronisiert werden müssen. Zudem gestattet eine direkte Parallelschaltung von mehreren Stromrichtern an einer Phase eine entsprechende Leistungserhöhung. An der Wechselspannungsseite ist eine Trennstelle mit Schütz 18 vor dem Generator bzw. öffentlichen Netz 19 angeordnet.AC voltage side 3 for constant network variables, in particular voltage and frequency, and uses a battery as a buffer for this purpose. Intelligent operational management and control, which is implemented using two microprocessors 5, 8, enables the supply of different consumers 6 on the one hand and the connection of various generators, e.g. PV systems, wind turbines or diesel generators to feed alternative energies into the energy supply network 1 on the other. For this purpose, voltage, frequency, active and reactive power control is provided on the AC voltage side 3 of the battery power converter 2. To set up a three-phase island network, three power converters must be used, which must be synchronized with one another. In addition, a direct parallel connection of several power converters on one phase allows a corresponding increase in power. On the AC voltage side, a separation point with contactor 18 is arranged in front of the generator or public network 19.
Auf der Gleichstromseite 7 fällt dem Batteriestromrichter 2 die Aufgabe eines möglichst schonenden Batteriebetriebs zu. Dies umfaßt die Einhaltung temperatur- und stromabhängiger Spannungsgrenzen, die Durchführung regelmäßiger Volladungen sowie die Anpassung der Ladeverfahren an den jeweiligen Batterietyp und die jeweiligen Einsatzgegebenheiten. Zu diesem Zweck wird der Betriebsführung 5 ein Temperaturmesswert 13 zugeführt.On the direct current side 7, the battery converter 2 is responsible for operating the battery as gently as possible. This includes complying with temperature and current-dependent voltage limits, carrying out regular full charges and adapting the charging process to the respective battery type and the respective application conditions. For this purpose, a temperature measurement value 13 is fed to the operating control 5.
Damit ein flexibel einsetzbares Gerät entsteht, werden hohe Anforderungen an die Dynamik der Regelung 8 und an die Vielseitigkeit der lokalen Betriebsführung 5 gestellt. Um diesen Anforderungen, die Voraussetzung für ein Gerät der "modularen Systemtechnik" sind, gerecht zu werden, sind für die Regelung 8 und die Betriebsführung 5 jeweils ein eigener Prozessor vorgesehen. Die schnelle Regelung ermöglicht den Betrieb der Anlage in verschiedenen Betriebsmodi wie z.B. Inselnetzbetrieb - Batterieladebetrieb - Netzparallelbetrieb sowie ein schnelles Umschalten zwischen diesen. Insbesondere wird durch diese Regelung eine Parallelschaltung mehrererIn order to create a device that can be used flexibly, high demands are placed on the dynamics of the control 8 and the versatility of the local operation control 5. In order to meet these requirements, which are a prerequisite for a device with "modular system technology", a separate processor is provided for the control 8 and the operation control 5. The fast control enables the system to be operated in various operating modes, such as island network operation - battery charging operation - parallel network operation, as well as a fast switchover between these. In particular, this control enables parallel connection of several
das Batteriemanagement, ermöglicht ein begrenztes Lastmanagement und stellt Kommunikationsschnittstellen 9 für optionale Betriebsführungsgeräte 10 wie z.B. ein Display oder ein Eingabegerät für Daten zur Verfügung.battery management, enables limited load management and provides communication interfaces 9 for optional operational management devices 10 such as a display or an input device for data.
Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler 11 bedingt eine galvanisch getrennte Verbindung zwischen dem Batteriestromricher 2 und der Batterie 4 und erlaubt somit die Verwendung von Batteriesätzen mit niedrigen Nennspannungen verglichen mit der Netzspannung. Ferner ermöglicht der Batteriestromrichter 2 mittels einer einstellbaren Lasterkennung mit Selbstabschaltung einen energiesparenden Betrieb. Durch den DC/DC-Wandler 11 kann ferner auf einen Netztransformator verzichtet werden, was den Betrieb der Geräte vereinfacht und insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung beiträgt. Die Umwandlung der von der Batterie 4 gelieferten Gleichspannung in eine Wechselspannung geschieht mittels eines herkömmlichen Wechselrichters 12.A bidirectional DC/DC converter 11 requires a galvanically isolated connection between the battery converter 2 and the battery 4 and thus allows the use of battery sets with low nominal voltages compared to the mains voltage. The battery converter 2 also enables energy-saving operation by means of an adjustable load detection with automatic shutdown. The DC/DC converter 11 also means that a mains transformer can be dispensed with, which simplifies the operation of the devices and in particular contributes to a reduction in weight. The conversion of the direct voltage supplied by the battery 4 into an alternating voltage takes place by means of a conventional inverter 12.
Ein in Fig. 2 gezeigtes einphasiges Inselnetz 20 kann mit einem erfindungsgemäßen Batteriestromrichter 21 ohne ein etwa zusätzlich erforderliches Betriebsführungsgerät aufgebaut werden. Die vorgeschlagene Regelung ermöglicht durch Parallelschaltung von bis zu drei Stromrichtern 21 an einer Phase eine entsprechende Leistungserhöhung. Es können herkömmliche Netzwechselrichter 23 zur Einspeisung alternativer Energien, beispielsweise von mittels einer Photovoltaikanlage gewonnenem Strom, angeschlossen werden, um Verbraucher 22 zu versorgen.A single-phase island network 20 shown in Fig. 2 can be set up with a battery power converter 21 according to the invention without any additional operating control device being required. The proposed control enables a corresponding increase in power by connecting up to three power converters 21 in parallel on one phase. Conventional grid inverters 23 can be connected to feed in alternative energies, for example electricity generated by a photovoltaic system, in order to supply consumers 22.
Weiterhin ist der Betrieb am Netz (öffentliches Verbundnetz oder Dieselgenerator) möglich; das erfindungsgemäß vorgesehene Lastmanagement generiert Signale für das Zu- und Abschalten von Dieselgenerator bzw. Netz. Es wird hervorgehoben, daß der erfindungsgemäße Batteriestromrichter 21 nicht zur Einspeisung der alternativen Energien selbst dient, sondern lediglich mit einer Batterieeinheit 24 verbunden ist, um die o.g. Funktionen ausführen zu können. Der von Energieerzeugern 25 - 28 gelieferte Strom wird dagegen mittels derFurthermore, operation on the grid (public grid or diesel generator) is possible; the load management provided according to the invention generates signals for switching the diesel generator or grid on and off. It is emphasized that the battery converter 21 according to the invention does not serve to feed in the alternative energies itself, but is only connected to a battery unit 24 in order to be able to carry out the above-mentioned functions. The electricity supplied by energy generators 25 - 28, on the other hand, is fed into the grid by means of the
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genannten herkömmlichen Stromrichter 22, 23 in das Inselnetz 20 eingespeist, das mit einem oder mehreren Verbrauchern in Verbindung steht.The power is fed into the island network 20 by the conventional power converters 22, 23, which are connected to one or more consumers.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Aufbau eines dreiphasigen Inselnetzes 30 mit Netzwechselrichtern 31 - 33, die mit in Reihe geschalteten Solargeneratoren 45 - 47 gekoppelt sind. Hierzu werden drei miteinander synchronisierte Stromrichter 38 - 41 verwendet. Dreiphasige Systeme vereinfachen die Einbindung von größeren Dieselgeneratoren 34 oder Kleinwindkraftanlagen 35, da diese meist dreiphasig ausgeführt sind. Die Zuordnung der Batterien 36, 37 zu den einzelnen Stromrichtern ist frei wählbar. Beispielsweise können mehrere Stromrichter 38 - 40 eine einzelne Batteriebank 36 nutzen.Fig. 3 shows an example of how to set up a three-phase island network 30 with grid inverters 31 - 33 that are coupled to solar generators 45 - 47 connected in series. Three power converters 38 - 41 that are synchronized with one another are used for this. Three-phase systems simplify the integration of larger diesel generators 34 or small wind turbines 35, since these are usually three-phase. The allocation of the batteries 36, 37 to the individual power converters is freely selectable. For example, several power converters 38 - 40 can use a single battery bank 36.
Mittels der vorgeschlagenen modularen Konzeption des Batteriestromrichters sind durch Parallelschaltung im einphasigen oder dreiphasigen Betrieb Leistungsbereiche von bis zu 30 kW abdeckbar. Außerdem ist es möglich, bestehende Anlagen nach dem Baukastenprinzip zu erweitern oder einphasige Systeme nachträglich dreiphasig auszubilden.Using the proposed modular design of the battery converter, power ranges of up to 30 kW can be covered by parallel connection in single-phase or three-phase operation. It is also possible to expand existing systems using the modular principle or to subsequently convert single-phase systems into three-phase systems.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20000817 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20021217 |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SMA SOLAR TECHNOLOGY AG, DE Free format text: FORMER OWNER: SMA REGELSYSTEME GMBH, 34266 NIESTETAL, DE Effective date: 20050112 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20051222 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20080218 |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SMA SOLAR TECHNOLOGY AG, DE Free format text: FORMER OWNER: SMA TECHNOLOGIE AG, 34266 NIESTETAL, DE Effective date: 20080702 |
|
| R071 | Expiry of right |