DE202011110684U1

DE202011110684U1 - Vorrichtung zum Anschluss eines Akkumulators und/oder eines Stromerzeugers

Info

Publication number: DE202011110684U1
Application number: DE202011110684.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2021-09-23
Also published as: DE102011114190A1

Abstract

Vorrichtung zum Anschluss eines Akkumulators (4) und/oder eines Stromerzeugers (2) an ein elektrisches Stromnetz (1), dadurch gekennzeichnet, dass je nach Schaltung ein Leonard-Satz (13) oder ein Einankerumformer (17) zwischen den Akkumulator (4) und das Stromnetz (1) oder den Stromerzeuger (2) und das Stromnetz (1) geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anschluss eines Akkumulators und/oder eines Stromerzeugers, wie beispielsweise aus der EP 0 824 779 B1 bekannt. Gemäß einem bekannten Verfahren sind an ein elektrisches Stromnetz Verbraucher und Erzeuger angeschlossen, von denen wenigstens ein Teil mit Akkumulatoren zusammenwirkt. Auch ist es bekannt, solche dezentrale Energiequellen als alternative Stromversorgungseinrichtung zur normalen Netzversorgung zuzuschalten (Ersatzstrom/Notstrom).
Bei Vorliegen eines Bedarfs des Verbrauchernetzes (Verbundnetz) an zusätzlicher Energie, kann ein Bruchteil der Energie aus den Akkumulatoren über einen Umwandler in das Stromnetz eingespeist werden. Außerdem kann bei Wegfall der Netzversorgung die gespeicherte Energie in die lokal vorhandene Elektroinstallation eingespeist werden.
Akkumulatoren werden als Energiespeicher zur Integration dezentraler, fluktuierender Energiequellen genutzt (Bodach: Energiespeicher in Niederspannungsnetz zur Integration dezentraler, fluktuierender Energiequellen. Dissertationsschrift, TU Chemnitz, 2006). Die in dem oben genannten Verfahren als Umwandler verwendeten Wechselrichter für den Einsatz in Speichersystemen für dezentrale Einspeiser sind gemäß Bodach, Seite 26 nicht als bi-direktionale Wechselrichter verfügbar.
Auch sei es selbstverständlich, nur Wechselrichter Typologien zu verwenden, die einen hohen Wirkungsgrad erreichen, da der Wirkungsgrad hier beim Laden und beim Entladen in die Berechnung eingeht. Gemäß Bodach, Seite 35 ist es ein Trend, unterschiedliche Technologien miteinander zu kombinieren, die über eine Leistungselektronik miteinander verbunden werden, um das Speichersystem zu optimieren. Andere Umwandler sind hiermit nicht gemeint.
1 zeigt ein Diagramm aus dem Stand der Technik (Mohr, Fuchs), in welches Verläufe von Eingangsstrom, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom im gesteuerten Betrieb zur Darstellung eines Spannungsverlaufs eines Wechselrichters mit Filter eingetragen sind. Oberschwingungen werden demnach immer von nichtlinearen Verbrauchern und Umrichtern erzeugt. Durch entsprechende Filterregelungen können die Oberschwingungen zwar vermindert jedoch nie ganz vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Anschluss eines Akkumulators und/oder eines Stromerzeugers an ein elektrisches Stromnetz zur Verfügung zu stellen, wobei Nachteile bisheriger Kombinationen bekannter Technologien, zu vermeiden sind. Insbesondere soll eine Netzstabilisierung durch Zwischenspeicherung überschüssiger Energie und deren Abgabe nach Bedarf erreicht werden.
Es wird daher vorgeschlagen bei einem kurzzeitigen Spitzenbedarf des Stromnetzes einen Bruchteil der Energie aus den Akkumulatoren über einen Leonard-Satz oder einen Einankerformer solange in das Stromnetz einzuspeisen, wie ein Spitzenbedarf vorliegt und in den Akkumulatoren noch ausreichend Energie, beispielsweise für eine Notstromversorgung, zur Verfügung steht.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Anschluss eines Akkumulators und eines Stromerzeugers an ein elektrisches Stromnetz, zur Verwendung in einem Gebäude mit oder ohne lokal vorhandener Stromerzeugung, weist je nach Schaltung einen Leonard-Satz oder einen Einankerformer zwischen dem Akkumulator und dem Stromnetz oder dem Stromerzeuger und dem Stromnetz auf.
Der Leonard-Satz oder der Einankerumformer wird erfindungsgemäß bidirektional verwendet.
Die Erfindung ermöglicht eine Kompensierung von Energieengpässen und eine Speicherung von überschüssiger Energie zur Stabilisierung eines Verbundnetzwerkes. Die Errichtung eines virtuellen Großspeichers wird durch Zusammenschaltung vieler Kleinspeicher zu einem Netzwerk ermöglicht. Durch die Verwendung des Leonard-Satzes bzw. des Einankerumformers zur Einspeisung der elektrischen Energie in das Verbundnetz werden – verglichen mit der Verwendung eines Wechselrichters – Oberschwingungen vermieden. Nachteile im Vergleich zum Wechselrichter bestehen in niedrigeren Wirkungsgraden, wobei ähnliche Eigenschaften wie bei Großkraftwerken erreicht werden, beispielsweise ein gutes Kurzschlussverhalten. Die im Verbundnetz anfallende Blindleistung kann durch die Verwendung eines Synchron-Motor/Generators zum Teil kompensiert werden.
Das Verwenden von nichtlinearen Verbrauchern führt zu Oberschwingungen, die Störungen an Einrichtungen des Verbundnetzes oder an angeschlossene elektrischen Geräten hervorrufen können. Diese Störungen müssen nicht unbedingt im Stromnetz selbst ihre Ursache haben, sondern können durch Oberschwingungen von Geräten eines an das Stromnetz angeschlossenen Nachbarbetriebs in das Stromnetz eingespeist werden. Wechselrichter verschärfen diese Problematik. Die in 1 dargestellten Abbildungen zeigen, das Oberschwingungen von nichtlinearen Verbrauchern und Umrichtern erzeugt werden. Durch entsprechende Filterregelungen können diese Oberschwingungen zwar vermindert, jedoch nie ganz vermieden werden (Mohr, Fuchs: Wechselrichter mit eingeprägtem Strom zur Netzeinspeisung elektrischer Energie aus Brennstoffzellen, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Internet-Donload 2011).
Die Erfindung ermöglicht gegenüber modernen Blindleistungsregelungen effizienter Wechselrichter die Vermeidung von störenden Oberwellen und eine fünfmal höhere Kurzschlussleistung, einen Dauerkurzschlusstrom, und damit eine Verbesserung der Netzstabilität. Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind für Spitzenstrom bei täglichem Einsatz geeignet, wobei kurze Anlaufzeiten gewährleistet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform überwacht eine Vorrichtung zum Anschluss des Akkumulators das Stromnetz mittels einer integrierten Überwachungseinrichtung auf Störungen. Die Vorrichtung aktiviert im Millisekunden-Bereich nach Auftreten der Störung die dezentrale Speichereinrichtung als eine Notstromversorungseinrichtung. Nach Wegfall der Störung deaktiviert die Vorrichtung die Notstromversorgungseinrichtung, um wieder auf einen Normalbetrieb umzuschalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird mittels einer Logik-Steuerung ein Signal aus dem Stromnetz, insbesondere von einer Netzleitstelle, empfangen. Alternativ oder zusätzlich wird mittels der Logik-Steuerung ein Signal in das Stromnetz oder an die Netzleitstelle gesendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform aktiviert die Logik-Steuerung auf ein Signal „Energie speichern” hin einen Synchronmotor des Leonard-Satzes oder des Einankerumformers und schaltet bei Erreichen einer Nenndrehzahl des Synchronmotors einen Ladebetrieb des Akkumulators ein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sendet die Logik-Steuerung bei Erreichen einer vollen Ladekapazität des Akkumulators ein Signal „Energiespeicher 100% geladen” in das Stromnetz oder an die Leitstelle. Aber jederzeit kann durch die Leitstelle der Ladezustand abgefragt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform aktiviert die Logik-Steuerung auf ein Signal „Energie abgeben” hin einen Synchrongenerator des Leonard-Satzes oder des Einankerumformers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Laderegler zwischen den Erzeuger und den Akkumulator geschaltet, der in Abhängigkeit eines Ladezustands des Akkumulators einen Energiefluss von dem Erzeuger in den Akkumulator oder den Energiefluss von dem Erzeuger in das Stromnetz leitet.
Die Umformung der Energie-Speicherung und -Entnahme wird mit einer Gleichstrom-/Drehstromumformereinheit realisiert, die eine bi-direktionale Speicherung bzw. Entnahme von Energie durch elektromechanische Kopplung eines Gleichstromteils und eines Drehstromteils ermöglicht. Im Speicherbetrieb treibt der Drehstromanteil des Umformers den Gleichstromteil als Motor an, der wiederum in diesem Fall als DC-Generator die Energie an den Akkumulator abgibt. Beim Einspeisebetrieb in das Verbundnetz arbeitet der Gleichstromteil als Motor, der den Drehstromteil des Umformers antreibt, der dann als Generator die gespeicherte Energie synchron in das öffentliche Netz einspeist.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen werden vorteilhaft in vorhandenen Elektroinstallationen privater oder öffentlicher Haushalte/Einrichtungen als unmittelbar nach dem Hausanschlusskasten in die Elekroinstallation integriertes Gerät verwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, in welches Verläufe von Eingangsstrom, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom im gesteuerten Betrieb zur Darstellung eines Spannungsverlaufs eines Wechselrichters mit Filter eingetragen sind (Mohr, Fuchs),
2 ein Prinzipschema einer in ein Gebäude installierten Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Leonard-Satz Variante,
3 ein Prinzipschema gemäß 2 zu einer Einankerumformer-Variante und
4 einen Stromschaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den 2 bis 4 sind zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. 2 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel die Verwendung eines Leonard-Satzes 13 als Umformer bzw. Synchron-Motor/Generator.
Der Leonard-Satz 13 weist gemäß 2 verbundnetzseitig 1 einen 400 V 3~/50 Hz AC-Motor/Generator 8 und akkumulatorseitig 4 einen 178 V DC-Motor/Generator 10 als Synchron-Motor/Generator auf. Der 400 V 3~/50 Hz AC-Motor/Generator 8 ist über eine mechanische Verbindungswelle 9 mit dem 178 V DC-Motor/Generator 10 verbunden.
Eine Akkumulatorzuleitung 11 stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem Leonard-Satz 13 und dem Akkumulator 4 her. Als Akkumulatoren kommen Batterien mit 42 kWh Speicherkapazität zum Einsatz, je nach Leistungsbedarf.
Verbundnetzseitig 1 ist der Leonard-Satz 13 über Netzleitungen 7 mit einem Hauptverteilerschrank 12b mit Zähler verbunden, der mit einem Hausanschlusskasten 12a in Verbindung steht oder als ein gemeinsamer Schrank ausgeführt ist.
Vorhandene lokale Stromerzeuger 2, beispielsweise Photovoltaik, Kleinwindanlagen, speisen elektrischen Strom nach lokaler Anforderung über einen eingebauten Laderegler 2b direkt in die Akkumulatoren 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Es besteht die Möglichkeit, die lokal erzeugte, über den Laderegler 2b in den Akkumulator 4 gespeicherte Energie über den Leonard-Satz 13 und den Hauptverteilerschrank 12b in das Verbundnetz 1 (Normalbetrieb) oder bei Wegfall des Verbundnetzes in die vorhandene lokale Elektroinstallation (Notstrombetrieb) einzuspeisen.
Bei bestehender lokaler Stromerzeugung 2 kann alternativ der lokale Stromerzeuger über Verbindungsleitungen 18 Einspeisewechselrichter 19 des Stromerzeugers 2 über den Hauptverteilerschrank 12b in das Verbundnetz 1 eingespeist werden.
Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit dem lokalen Stromerzeuger 2 kann auf die Einspeisung mittels des nicht linearen Einspeisewechselrichters 19 (2) verzichtet (3) werden, sodass störende Oberwellen vermieden sind.
Wie üblich führt ein Hausanschlusskabel 3 aus dem Verbundnetz 1 zu dem Hausanschlusskasten 12a. Für die Erfindung ist es zudem erforderlich, dass zwischen einer Netzleitstelle 16 des Verbundnetzes 1 und einer Logik-Steuerung 5 der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Datenübertragungsleitung 6 geschaltet ist. Bestehende Verbindungsarten sind nutzbar, insbesondere das bereits installierte Telefonnetz eines Gebäudes 15, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung installiert ist.
Auch wenn die Wirtschaftlichkeit besonders dann gegeben ist, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem Gebäude 15 mit dem lokalen Stromerzeuger 2 für elektrische Energie installiert ist. Diese Wirtschaftlichkeitsüberlegungen außer Betracht lassend ist im Rahmen der Erfindung ein dezentraler Energiespeicher 14 durchaus auch ohne am Gebäude 15 installierten Stromerzeuger 2 umsetzbar.
In 3 ist das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Einbausituation in das Gebäude 15 dargestellt. Statt des Leonard-Satzes 13 des ersten Ausführungsbeispiels (2) ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (3) ein Einankerumformer 17 zwischen den Akkumulator 4 und das Verbundnetz 1 geschaltet. Der Einankerumformer 17 wird auch oft als Einwellenaggregat bezeichnet und ist als solches ausgeführt, auch wenn sich die schematischen Darstellungen der 2 und 3 kaum unterscheiden.
In 4 ist ein Stromschaltplan gezeigt, der sowohl das erste wie auch das zweite Ausführungsbeispiel berücksichtigt.
Von dem Verbundnetz 1 bzw. einem beliebigen Stromnetz ausgehend ist mit einer strichpunktierten Linie die Datentransferleitung 6 zu der Logik-Steuerung 5 dargestellt. Die Logik-Steuerung 5 ist mit einem Statusdisplay 30 auf einer Schaltschranktür des dezentralen Energiespeichers 14 verbunden. Die Logik-Steuerung 5 steuert einen AC-Hauptschütz 31 für den 400 V 3~/50 Hz AC-Motor/Generator 8 und ebenso einen DC-Leistungsschütz 32 für den 178 V DC-Motor/Generator 10. Meldeleitungen 38 führen von der Logik-Steuerung 5 zu Batteriesträngen 33 des Akkumulators 4, greifen Messungen von Batteriestrom von entsprechenden Batteriesensoren 22 ab, ebenso die Batteriespannung von weiteren Batteriesensoren 23. Weitere Meldeleitungen 38 sind mit Meldekontakten 20 des DC-Leistungsschütz 32, dem 178 V DC-Motor/Generator 10, dem 400 V 3~/50 Hz AC-Motor/Generator 8 sowie einem Drehzahlaufnehmer 34 für die mechanische Verbindungswelle zwischen den 400 V 3~/50 Hz AC-Motor/Generator 8 und dem 178 V DC-Motor/Generator 10 verbunden. Verbleibende Meldeleitungen 38 sind mit einem Meldekontakt für Vorsicherungen 35 des dezentralen Energiespeichers 14 und mit einem AC-Meldekontakt 36 des AC-Hauptschützes 31 verbunden. Ferner besteht eine Datenübertragungsleitung zu einer Netzüberwachungseinrichtung 29, die mit der Logik-Steuerung 5 beispielsweise Vektorsprung, Spannungsdifferenz und/oder Frequenzüberwachungsdaten austauscht.
Zwischen dem 400 V 3~/50 Hz AC-Motor/Generator 8 und der Logik-Steuerung 5 sind Vorsicherungen 25, ein Steuertransformator 26 und Steuersicherungen 27 über eine interne Verdrahtung 43 der Steuerstromkreise angeschlossen.
Zwischen dem 178 V DC-Motor/Generator 10 und dem DC-Leitungsschütz 32 sind eine Spannungsüberwachung 45 sowie Vorsicherungen 46 angeschlossen.
Verbundnetzseitig 1 führt das Hausanschlusskabel 3 zum Gebäude 15 und dem darin befindlichen Hausanschlusskasten 12a. In dem Hauptverteilerschrank 12b mit Zähler sind im Anschluss zu dem Hauptanschlusskasten 12a ein Zählerklemmstein 12c, Zählervorsicherungen 12d, ein normaler Hausstromzähler 12e, ein bi-direktionaler Zähler 12f, Verbrauchervorsicherungen 12g und Verbraucherabgangssicherungen 39 zu Verbraucherabgängen 12h angeordnet. Von dem bi-direktionalen Zähler 12f führt die Netzleitung 7 zu dem Leonard-Satz 13 bzw. Einankerumformer 17.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0824779 B1 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bodach: Energiespeicher in Niederspannungsnetz zur Integration dezentraler, fluktuierender Energiequellen. Dissertationsschrift, TU Chemnitz, 2006 [0003]
Bodach, Seite 35 [0004]
Mohr, Fuchs: Wechselrichter mit eingeprägtem Strom zur Netzeinspeisung elektrischer Energie aus Brennstoffzellen, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Internet-Donload 2011 [0011]

Claims

Vorrichtung zum Anschluss eines Akkumulators (4) und/oder eines Stromerzeugers (2) an ein elektrisches Stromnetz (1), dadurch gekennzeichnet, dass je nach Schaltung ein Leonard-Satz (13) oder ein Einankerumformer (17) zwischen den Akkumulator (4) und das Stromnetz (1) oder den Stromerzeuger (2) und das Stromnetz (1) geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Laderegler (2b) zwischen den Erzeuger (2) und den Akkumulator (4) geschaltet ist, der in Abhängigkeit eines Ladezustands des Akkumulators einen Energiefluss von dem Erzeuger in den Akkumulator oder den Energiefluss von dem Erzeuger in das Stromnetz (1) leitet.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 in vorhandenen Elektroinstallationen privater oder öffentlicher Haushalte/Einrichtungen als unmittelbar nach einem Hauanschlusskasten (12a) in die vorhandenen Elektroinstallationen eines Hausnetzes integriertes Gerät.