EP3146607A1 - System zur einspeisung elektrischer energie in ein stromversorgungsnetz und betriebsverfahren für ein solches system - Google Patents

System zur einspeisung elektrischer energie in ein stromversorgungsnetz und betriebsverfahren für ein solches system

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EP3146607A1
EP3146607A1 EP15720261.5A EP15720261A EP3146607A1 EP 3146607 A1 EP3146607 A1 EP 3146607A1 EP 15720261 A EP15720261 A EP 15720261A EP 3146607 A1 EP3146607 A1 EP 3146607A1
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EP
European Patent Office
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power
power supply
voltage
converter
output
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15720261.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Gause
Bernhard Pfaff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AMK Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG filed Critical AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG
Publication of EP3146607A1 publication Critical patent/EP3146607A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/388—Arrangements for the handling of islanding, e.g. for disconnection or for avoiding the disconnection of power

Definitions

  • the invention relates to a system for feeding electrical energy into a power supply network and an operating method for such a system.
  • Such systems are used, for example, for feeding the electrical energy generated by a photovoltaic system into the low-voltage power supply network.
  • each solar module is assigned as part of the photovoltaic system, an inverter which converts the photovoltaic DC voltage into a power grid synchronous
  • the invention has for its object to provide an improved system and associated operating method, which makes it possible to feed electrical energy that can be obtained as DC or AC voltage from different energy sources in an efficient manner in the power grid.
  • the technical apparatus and control engineering effort for the supply of electrical energy obtained from different energy sources to be reduced while still ensuring a high availability of the system and high reliability of the process with reduced external control effort.
  • This object is achieved by the system defined in claim 1 and by the method defined in the independent claim.
  • Particular embodiments of the invention are defined in the subclaims.
  • the system has an intermediate circuit, with the input side of which several current generators and / or current accumulators can be connected via a respective converter, and whose output side can be connected to the power supply network via an inverter.
  • the system has a voltage supply connected to the intermediate circuit and fed by the intermediate circuit for the operation of at least part of the electrical equipment of the system.
  • the power generators may be, for example, photovoltaic modules or fuel cells, or mechanically-electric generators, for example, wind turbines, water wheels or
  • Internal combustion engines which may also be part of a combined heat and power plant or a biogas plant.
  • In the power storage can be
  • the converters on the input side of the DC link may be
  • DC converters act, in particular for the connection of photovoltaic modules or electrochemical energy stores, or to inverters, preferably bidirectional inverters / or rectifiers, in particular for the connection of mechanical-electric generators.
  • a particular advantage of the system according to the invention is that the electrical energy obtained from different energy carriers is combined on a common intermediate circuit. This allows a central control of the feed of the various energy carriers.
  • Power supply system is self-sufficient and preferably no external power supply needed. Furthermore, the system recognizes autarkic when one of the power generators feeds energy into the system and can thus turn on automatically and switch off again automatically in the absence of energy input. The switching on can be effected exclusively by the introduction of energy into the system via the current generators, in particular triggered by the occurrence of a sufficiently high, possibly even unstabilized, voltage on the DC link. In one embodiment, the electrical voltage is on the
  • DC link which is preferably a DC link, more than 200 V, in particular more than 300 V and preferably more than 400 V.
  • the voltage is between 500 V and 800 V, in particular about 600 V.
  • the electrical energy obtained from different energy sources is particularly advantageous in the
  • Power supply grid feedable For example, the
  • the power converters and / or the output-side power converters and / or a control unit of the system is connected to the voltage supply supplied by the DC link.
  • the power supply can be the supply of all controllable components and resources of the system
  • Power supply the power consumption of the system is essentially zero.
  • the system preferably removes the electrical energy necessary for its operation by more than 50% or even
  • the output converter converts, in particular in a stabilized DC voltage.
  • the voltage supply provides at least one stabilized DC voltage with a rated voltage of less than 120 V, in particular less than 60 V and preferably 24 V.
  • all components of the system essential for the control can be supplied with electrical energy from the power supply.
  • the invention also relates to a method for operating such
  • system wherein in one embodiment, the system based on a turned off state, in particular starting from a
  • the system After activation of the power supply, the system takes a synchronization of the output side converter with the
  • the power grid includes a public power grid and a local area network, both with the
  • Inverters are connectable.
  • the system has a controllable disconnecting switch arranged between the inverter and the public power grid, by means of which the inverter
  • the system can be self-sufficient, for example when detecting a fault on the public power grid or failure of the
  • the system switches in the case of island operation, in which the output-side converter from the public
  • Power supply network is disconnected and the system feeds electrical energy into the local network, the occurrence of an electrical overload on the output side converter from and preferably after a predetermined period of time also automatically on again. This enables the system to autonomously respond to an overload and automatically disconnect from the grid and then start up again. It is advantageous if the generator is operated by the system during the shutdown of the system from the grid at idle, even to provide the system with electrical energy.
  • the output side stabilizes in particular
  • the DC link is used as a short-term energy storage, also to even the load on the power generator to equalize.
  • the speed control of the power generator is preferably carried out via the input-side converter. occurring
  • FIG. 1 shows an embodiment of a system according to the invention
  • Figs. 2 to 4 show different operating states of another
  • Fig. 1 shows an embodiment of a system 1 according to the invention for feeding electrical energy into a power grid 2.
  • the power grid 2 consists in the embodiment of a public three-phase power grid 4 and a local three-phase network 6, for example, for the supply of a residential building or a farm.
  • Both subnetwork 4, 6 have a matching low voltage level 230/380 V.
  • the system 1 has an electrical intermediate circuit 10, in
  • Embodiment a DC intermediate circuit, with its input side in the embodiment, two current generators 12, 14 and a current memory 16 via a respective power converter 22, 24, 26 are connected, and its output side via an output side converter 20, in the case of a DC link via a
  • the system 1 has a modular design and can be extended, in particular in the manner of a construction kit, by further power converters for the connection of further current generators or current storages.
  • the first power generator 12 has two solar modules 18, the
  • the second power generator 14 is a preferably permanent-magnet synchronous generator, which may be convection-cooled or liquid-cooled; Alternatively or additionally, an asynchronous generator can be used as a current generator.
  • the second power generator 14 may be driven, for example, by an internal combustion engine, which in turn may be operated with biogas or other biologically produced or even a fossil fuel.
  • the second power generator 14 may also be driven, for example, by a wind turbine or a water turbine.
  • the second current generator 14 supplies a three-phase in the exemplary embodiment
  • the second power converter 24 may have a load-dependent vector control of the second generator 14 sensorless for optimum energy utilization.
  • the power storage 16 is in the embodiment to a battery of electrochemical energy storage, for example, a high-voltage battery with a rated voltage of more than 100 V in
  • the power storage 16 is via the third power converter 26, which is a bidirectional
  • DC-DC converter is connected to the intermediate circuit 10.
  • the intermediate circuit 10 On the output side, the intermediate circuit 10 via an output-side converter 20, which in the exemplary embodiment is a
  • Inverter is that converts the DC voltage of the DC link 10 in a three-phase AC voltage with the
  • the output-side converter 20 can be any within its power range
  • the System 1 can automatically regulate.
  • Power supply network 2 is fully automatic. To compensate for an optionally phase unbalanced load of
  • Power supply network 2 the system can have 1 balancing elements. Between the output-side converter 20 and the power supply network 2, a transformer 28 is arranged.
  • the system 1 has a control unit 30, which is connected via unidirectional or bidirectional control lines to the input-side converters 22, 24, 26 and to the output-side converter 20.
  • the control unit 30 is directly on
  • control unit 30 is further connected via a
  • Network connection line 32 is connected to the public power grid 4 and therefore can detect a failure or failure of the public power grid 4.
  • the control unit 30 is connected to a circuit breaker 34 and can disconnect the system 1 in a fault, preferably all-pole from the public power grid 4.
  • the control unit 30 has an optionally wireless interface 36 for connection to a public data network 38. Via the public data network 38, the control unit 30 can preferably exchange bidirectional data with a terminal 40 that is connected to the public data network 38.
  • Parallel to the electrical intermediate circuit 10, the system 1 may have a heat circuit, not shown in FIG. 1, which may be branched similar to the electrical intermediate circuit 10, in particular may be connected to the heat circuit several or even all power converters 20, 22, 24, 26 be and dissipate their waste heat to the heat circuit.
  • Power storage 16 may be connected to the heat circuit.
  • the heat circle The system 10 can be used as a thermal energy source either only within the system 1 or have a connection to a secondary heating network, in particular to a local heating network, for example, supply of living space or hot water provision.
  • FIGS. 2 to 4 show different operating states of a further exemplary embodiment of the system 1 according to the invention.
  • FIG. 2 shows the system 1, for example in an off state, in which the system 1 does not require an external power supply.
  • Disconnector 34 is open, recognizes the system 1 via the
  • Network link 32 the presence of a public
  • Power supply network 4 In the network connection line 32, a manually or automatically operated by the control unit 30 of the system 1 switch 44 is arranged, which is closed in the state of Fig. 2. The closed state of the switch 44 gives the control unit 30 the possibility to synchronize to the mains voltage after starting the system 1 and to close the circuit breaker 34 and thus to run a grid parallel operation. In contrast, an open switch 44 indicates that no network parallel operation is possible or desired, but an isolated operation of the local area network 6 by the system 1 is connected only to the local network 6.
  • the second power generator 14 is connected to the system 1 via the second power converter 24, which in the illustrated
  • Embodiment of an internal combustion engine 46 is driven.
  • a power supply 42 is connected, which on your output side a DC voltage of in
  • Embodiment provides 24 V as a system voltage, with which the various components and electrical equipment of the system 1 are supplied with electrical energy.
  • the exemplary embodiment is at the power supply 42 to a switching power supply.
  • the second current generator 14 initially generates an electrical voltage on the intermediate circuit 10 uncontrolled activated, which in turn provides the output side, the supply voltage for the components and resources of the system 1, including the control unit 30. Then recognizes the control unit 30 via the network connection line 32 the queuing of the public power grid 4 and closes after synchronization of the output side converter 20th generated AC voltage to the public
  • the system 1 is thus able to start autonomously and to connect to the public power grid 4.
  • the second power generator 14 may also be set in motion, for example, by the advent of wind or by the flow of water through a water turbine connected to the second power generator 14.
  • Internal combustion engine 46 comes to a standstill or the solar radiation or the wind subsides, the electric voltage drops to the
  • the output-side converter 20 is switched off by the control unit 30. Accordingly, no Energy is fed into the power grid 2. If the voltage drops to the intermediate circuit 10 below a second voltage value, the power supply 42 is turned off and thus the system 1 is switched off altogether, which then goes into a stand-by mode, the power consumption of the system 1 in stand-by mode preferably is essentially zero.
  • the system 1 detects a loss of the public power supply network 4, or if such a failure is simulated by opening the switch 44 or the separation is to be controlled by the public power supply network 4, the system 1 opens the circuit breaker 34 and thus separates the system 1 from the public power grid 4.
  • Power generators 12, 14 or by the power storage 16 on the input side sufficient electrical energy is provided. This corresponds to the operating state of FIG. 4.
  • the further supply of the local network 6 when disconnected from the public power grid 4 takes place without appreciable load interruption, in particular the duration of the switching operation is less than 1 second, in particular less than 0.5 seconds, and preferably less than 0 , 1 second.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz (2), wobei das System (1) einen elektrischen Zwischenkreis (10) aufweist, mit dessen Eingangsseite mehrere Stromgeneratoren (12, 14) und/oder Stromspeicher (16) über jeweils einen Stromrichter (22, 24, 26) verbindbar sind, und dessen Ausgangsseite über einen ausgangsseitigen Stromrichter (20) mit dem Stromversorgungsnetz (2) verbindbar ist, und wobei das System (1) weiterhin eine an den Zwischenkreis (10) angeschlossene und vom Zwischenkreis (10) gespeiste Spannungsversorgung (42) für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Komponenten und Betriebsmittel des Systems (1) aufweist, sowie ein Betriebsverfahren für ein solches System.

Description

System zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz und Betriebsverfahren für ein solches System
Die Erfindung betrifft ein System zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz sowie ein Betriebsverfahren für ein solches System. Derartige Systeme werden beispielsweise eingesetzt für die Einspeisung der mit einer Photovoltaikanlage gewonnenen elektrischen Energie in das Niederspannungs-Stromversorgungsnetz. Dabei wird jedem Solarmodul als Teil der Photovoltaikanlage ein Wechselrichter zugeordnet, der die photovoltaische Gleichspannung in eine stromnetzsynchrone
Wechselspannung umwandelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes System und ein zugehöriges Betriebsverfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, elektrische Energie, die als Gleichspannung oder Wechselspannung aus verschiedenen Energieträgern gewonnen werden kann, auf effiziente Weise in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen. In einer Ausführungsart soll der apparatetechnische und steuerungstechnische Aufwand für die Einspeisung der aus verschiedenen Energieträgern gewonnenen elektrischen Energie reduziert sein und dabei dennoch mit reduziertem externen Steueraufwand eine hohe Verfügbarkeit des Systems und eine hohe Betriebssicherheit des Verfahrens gewährleistet sein. Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte System sowie durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt. In einer Ausführungsart weist das System einen Zwischenkreis auf, mit dessen Eingangsseite mehrere Stromgeneratoren und/oder Stromspeicher über jeweils einen Stromrichter verbindbar sind, und dessen Ausgangsseite über einen Wechselrichter mit dem Stromversorgungsnetz verbindbar ist. Weiterhin weist das System eine an den Zwischenkreis angeschlossene und vom Zwischenkreis gespeiste Spannungsversorgung für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Betriebsmittel des Systems auf.
Bei den Stromgeneratoren kann es sich beispielsweise um Photovoltaik- Module oder Brennstoffzellen handeln, oder um mechanisch-elektrische Generatoren beispielsweise von Windkraftanlagen, Wasserrädern oder
Brennkraftmaschinen, die auch Teil eines Blockheizkraftwerkes oder einer Biogasanlage sein können. Bei den Stromspeichern kann es sich
beispielsweise um vorzugsweise wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis handeln. Bei den Stromrichtern auf der Eingangsseite des Zwischenkreises kann es sich um
Gleichspannungswandler handeln, insbesondere für den Anschluss von Photovoltaikmodulen oder elektrochemischen Energiespeichern, oder um Wechselrichter, vorzugsweise bidirektionale Wechselrichter/oder um Gleichrichter, insbesondere für den Anschluss von mechanisch-elektrischen Generatoren.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass die aus verschiedenen Energieträgern gewonnene elektrische Energie auf einem gemeinsamen Zwischenkreis zusammengeführt ist. Dies ermöglicht eine zentrale Steuerung der Einspeisung der aus verschiedenen
Energieträgern gewonnenen elektrischen Energie. Dadurch kann die Verfügbarkeit des Systems erhöht werden, insbesondere kann mit einem solchen System tagsüber die photovoltaisch gewonnene Energie eingespeist werden und nachts oder bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung können vom System autark andere Energieformen zur Einspeisung herangezogen werden, beispielsweise durch Verbrennen von Biogas oder sonstigen Biokraftstoffen und Betrieb eines mechanisch-elektrischen
Generators, oder auch durch Entnahme von Energie aus einem
elektrochemischen Energiespeicher. Hinzu kommt, dass durch die an den Zwischenkreis angeschlossene
Spannungsversorgung das System autark ist und vorzugsweise keine externe Spannungsversorgung benötigt. Weiterhin erkennt das System autark, wenn einer der Stromgeneratoren Energie in das System einspeist und kann sich so selbsttätig einschalten und bei Wegfall des Energieeintrages auch wieder selbstständig abschalten. Das Einschalten kann ausschließlich durch den Eintrag von Energie in das System über die Stromgeneratoren erfolgen, insbesondere getriggert durch Auftreten einer ausreichend hohen, gegebenenfalls auch nur unstabil isierten Spannung auf dem Zwischenkreis. In einer Ausführungsart beträgt die elektrische Spannung auf dem
Zwischenkreis, bei dem es sich vorzugsweise um einen Gleichspannungs- Zwischenkreis handelt, mehr als 200 V, insbesondere mehr als 300 V und vorzugsweise mehr als 400 V. In einer besonderen Ausführungsart beträgt die Spannung zwischen 500 V und 800 V, insbesondere etwa 600 V.
Dadurch ist besonders vorteilhaft die aus verschiedenen Energieträgern gewonnene elektrische Energie auf effiziente Weise in das
Stromversorgungsnetz einspeisbar. So beträgt beispielsweise die
Spannungsebene der in Elektroautos eingesetzten Hochvolt-Batterien zwischen 400 V und 600 V. Auch die mechanisch-elektrischen
Generatoren können problemlos Spannungen in dieser Höhe generieren. Dadurch können die Wandlerverluste beim Anschluss der Stromgeneratoren an den Zwischenkreis minimiert werden. Außerdem sind die Wandlerverluste auf der Wechsel richterseite des Hochvolt- Gleichspannungs-Zwischenkreises für das Einspeisen der elektrischen Energie in das Stromversorgungsnetz, das beispielsweise ein öffentliches 230/380 V Niederspannungsnetz sein kann, ebenfalls minimal.
In einer Ausführungsart ist mindestens ein Teil der Stromrichter und/oder der ausgangsseitige Stromrichter und/oder eine Steuereinheit des Systems an die vom Zwischenkreis gespeiste Spannungsversorgung angeschlossen. Die Spannungsversorgung kann insbesondere die Versorgung aller steuerungsfähigen Komponenten und Betriebsmittel des Systems
übernehmen. Damit ist auch erreicht, dass mit dem Abschalten der
Spannungsversorgung die Leistungsaufnahme des Systems im Wesentlich gleich Null ist. Das System entnimmt die für seinen Betrieb notwendige elektrische Energie vorzugsweise zu mehr als 50 % oder sogar
ausschließlich den eingangsseitig an das System angeschlossenen
Stromgeneratoren und/oder Stromspeichern.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Spannungsversorgung eine am
Zwischenkreis anstehende unstabil isierte Zwischenkreisspannung in eine stabilisierte Spannung für den Betrieb der Stromrichter und des
ausgangsseitigen Stromrichters wandelt, insbesondere in eine stabilisierte Gleichspannung. Vorzugsweise stellt die Spannungsversorgung mindestens eine stabilisierte Gleichspannung mit einer Nennspannung von weniger als 120 V bereitstellt, insbesondere weniger als 60 V und vorzugsweise 24 V. Damit können alle für die Steuerung wesentlichen Komponenten des Systems von der Spannungsversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen
Systems, wobei in einer Ausführungsart das System ausgehend von einem ausgeschalteten Zustand , insbesondere ausgehend von einem
ausgeschalteten Zustand des ausgangsseitigen Stromrichters, im Falle eines Energieeintrags durch einen der Stromgeneratoren in das System hinein im Zwischenkreis eine zunächst ungeregelte Spannung erzeugt, durch welche die Spannungsversorgung für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Betriebsmittel des Systems aktiviert wird. Dadurch ergibt sich ein energieautarker Hochlauf des Systems aus dem Stillstand oder einem Stand-by-Zustand, ohne dass das System eine externe Energieversorgung benötigt.
Nach erfolgter Aktivierung der Spannungsversorgung nimmt das System eine Synchronisierung des ausgangsseitigen Stromrichters mit dem
Stromversorgungsnetz vor und verbindet anschließend den
ausgangsseitigen Stromrichter mit dem Stromversorgungsnetz.
Vorzugsweise erst jetzt erfolgen eine elektrische Belastung des
Zwischenkreises und damit eine Leistungsentnahme aus dem
Stromgenerator. Dadurch werden ein sehr stabiler Einspeisebetrieb und eine verbesserte Energieausnutzung erreicht. In einer Ausführungsart umfasst das Stromversorgungsnetz ein öffentliches Stromversorgungsnetz und ein lokales Netz, die beide mit dem
Wechselrichter verbindbar sind. Das System weist einen zwischen dem Wechselrichter und dem öffentlichen Stromversorgungsnetz angeordneten steuerbaren Trennschalter auf, mittels dem der Wechselrichter
vorzugsweise allpolig vom öffentlichen Stromversorgungsnetz trennbar ist. Dadurch kann das System autark, beispielsweise bei Erkennen einer Störung auf dem öffentlichen Stromversorgungsnetz oder bei Ausfall des
öffentlichen Stromversorgungsnetzes, und/oder manuell oder automatisch gesteuert das System vom öffentlichen Stromversorgungsnetz trennen und anschließend in eih m Inselnetz-Betriebsmodus die elektrische Energie lediglich in das lokale Netz einspeisen. In einer Ausführungsart schaltet das System im Falle eines Inselbetriebes, bei dem der ausgangsseitige Stromrichter vom öffentlichen
Stromversorgungsnetz getrennt ist und das System elektrische Energie in das lokale Netz einspeist, beim Auftreten einer elektrischen Überlast den ausgangsseitigen Stromrichter ab und vorzugsweise nach einer vorgebbaren Zeitdauer auch selbsttätig wieder ein. Damit ist das System autark in der Lage, auf eine Überlast zu reagieren und sich selbsttätig vom Netz zu nehmen und anschließend wieder hochzufahren. Vorteilhaft ist dabei, wenn der Generator von dem System auch während des Abschaltens des Systems vom Netz im Leerlauf betrieben wird, auch um das System mit elektrischer Energie zu versorgen.
In einer Ausführungsart stabilisiert insbesondere der ausgangsseitige
Stromrichter die Spannung im Zwischenkreis auf einen vorgebbaren Wert. Bei einer einphasigen Last wird der Zwischenkreis als Kurzzeit- Energiespeicher eingesetzt, auch um die Last auf den Stromgenerator zu vergleichmäßigen. Die Drehzahl regelung des Stromgenerators erfolgt vorzugsweise über den eingangsseitigen Stromrichter. Auftretende
Schwankungen des Drehmoments können durch Drehzahlschwankungen oder elektrisch durch den Zwischenkreis gepuffert werden. Entsprechende Kennfelder zur Steuerung können in der Steuereinheit des Systems gespeichert werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, und
Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Betriebszustände eines weiteren
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems.
Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz 2. Das Stromversorgungsnetz 2 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem öffentlichen dreiphasigen Stromversorgungsnetz 4 und einem lokalen dreiphasigen Netz 6, beispielsweise für die Versorgung eines Wohnhauses oder eines landwirtschaftlichen Betriebes. Beide Teilnetze 4, 6 weisen eine übereinstimmende Niederspannungsebene 230/380 V auf.
Das System 1 weist einen elektrischen Zwischenkreis 10 auf, im
Ausführungsbeispiel einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, mit dessen Eingangsseite im Ausführungsbeispiel zwei Stromgeneratoren 12, 14 und ein Stromspeicher 16 über jeweils einen Stromrichter 22, 24, 26 verbunden sind, und dessen Ausgangsseite über einen ausgangsseitigen Stromrichter 20, im Falle eines Gleichspannungs-Zwischenkreises über einen
Dreiphasen-Wechselrichter, mit dem Stromversorgungsnetz 2 verbindbar ist. Das System 1 ist modular aufgebaut und kann insbesondere in der Art eines Baukastens um weitere Stromrichter für den Anschluss weiterer Stromgeneratoren oder Stromspeicher erweitert werden. Der erste Stromgenerator 12 weist zwei Solarmodule 18 auf, die
gemeinsam an einen ersten Stromrichter 22 angeschlossen sind, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Gleichspannungswandler (DC/DC) handelt, der die von den Solarmodulen 18 erzeugte Gleichspannung unidirektional an den Zwischenkreis 10 angekoppelt. Bei dem zweiten Stromgenerator 14 handelt es sich um einen vorzugsweise permanenterregten Synchrongenerator, der konvektionsgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt sein kann; alternativ oder ergänzend kann auch ein Asynchrongenerator als Stromgenerator eingesetzt werden. Der zweite Stromgenerator 14 kann beispielsweise durch eine Brennkraftmaschine angetrieben sein, die wiederum mit Biogas oder einem sonstigen biologisch erzeugten oder auch einem fossilen Brennstoff betrieben sein kann.
Alternativ hierzu kann der zweite Stromgenerator 14 auch beispielsweise durch einen Windrad oder eine Wasserturbine angetrieben sein. Der zweite Stromgenerator 14 liefert im Ausführungsbeispiel eine dreiphasige
Wechselspannung, die mittels des zweiten Stromrichters 24 in eine
Gleichspannung gewandelt wird, wobei der zweite Stromrichter 24 mit seinem Gleichspannungsausgang an den Zwischenkreis 10 angeschlossen ist. Der zweite Stromrichter 24 kann zur optimalen Energieausnutzung sensorlos eine lastabhängige Vektorregelung des zweiten Generators 14 aufweisen.
Bei dem Stromspeicher 16 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Batterie von elektrochemischen Energiespeichern, beispielsweise um eine Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von mehr als 100 V, im
Ausführungsbeispiel von etwa 400 V. Der Stromspeicher 16 ist über den dritten Stromrichter 26, bei dem es sich um einen bidirektionalen
Gleichspannungswandler handelt, mit dem Zwischenkreis 10 verbunden. Ausgangsseitig ist der Zwischenkreis 10 über einen ausgangsseitigen Stromrichter 20, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen
Wechselrichter handelt, der die Gleichspannung des Zwischenkreises 10 in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt, mit dem
Energieversorgungsnetz 2 verbunden. Der ausgangsseitige Stromrichter 20 kann dabei innerhalb seines Leistungsbereiches einen beliebigen
Blindleistungsanteil für das St ömversorgungsnetz 2 bereitstellen, den das System 1 automatisch regeln kann. Die Aufschaltung auf das
Stromversorgungsnetz 2 erfolgt vollautomatisch. Zur Kompensation einer gegebenenfalls phasenunsymmetrischen Belastung des
Strom Versorgungsnetzes 2 kann das System 1 Symmetrierelemente aufweisen. Zwischen dem ausgangsseitigen Stromrichter 20 und dem Stromversorgungsnetz 2 ist ein Transformator 28 angeordnet.
Das System 1 weist eine Steuereinheit 30 auf, die über unidirektionale oder bidirektionale Steuerleitungen mit den eingangsseitigen Stromrichtern 22, 24, 26 und mit dem ausgangsseitigen Stromrichter 20 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 30 unmittelbar am
ausgangsseitigen Stromrichter 20 angeordnet oder sogar in Baueinheit mit diesem ausgebildet. Die Steuereinheit 30 ist weiterhin über eine
Netzverbindungsleitung 32 mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 verbunden und kann daher eine Störung oder einen Ausfall des öffentlichen Stromversorgungsnetzes 4 detektieren. Außerdem ist die Steuereinheit 30 mit einem Trennschalter 34 verbunden und kann in einem Störungsfall das System 1 vorzugsweise allpolig vom öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 trennen. Weiterhin weist die Steuereinheit 30 eine gegebenenfalls auch drahtlose Schnittstelle 36 für den Anschluss an ein öffentliches Datennetz 38 auf. Über das öffentliche Datennetz 38 kann die Steuereinheit 30 vorzugsweise bidirektional Daten mit einem Terminal 40 austauschen, das mit dem öffentlichen Datennetz 38 verbunden ist. Parallel zu dem elektrischen Zwischenkreis 10 kann das System 1 einen in der Fig. 1 nicht dargestellten Wärmekreis aufweisen, der ähnlich verzweigt sein kann wie der elektrische Zwischenkreis 10, insbesondere können an den Wärmekreis mehrere oder sogar alle Stromrichter 20, 22, 24, 26 angeschlossen sein und ihre Abwärme an den Wärmekreis abführen.
Ergänzend können auch die Stromgeneratoren 12, 14 und/oder der
Stromspeicher 16 an den Wärmekreis angeschlossen sein. Der Wärmekreis des Systems 10 kann als thermische Energiequelle entweder lediglich innerhalb des Systems 1 eingesetzt sein oder einen Anschluss an ein weiterführendes Wärmenetz aufweisen, insbesondere an ein lokales Wärmenetz, zur Versorgung beispielsweise von Wohnräumen oder zur Warmwasserbereitstellung.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen verschiedene Betriebszustände eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems 1. Die Fig. 2 zeigt das System 1 beispielsweise in einem ausgeschalteten Zustand, in dem das System 1 keine externe Energieversorgung benötigt. Obwohl der
Trennschalter 34 geöffnet ist, erkennt das System 1 über die
Netzverbindungsleitung 32 das Vorhandensein eines öffentlichen
Stromversorgungsnetzes 4. In der Netzverbindungsleitung 32 ist ein manuell oder automatisch von der Steuereinheit 30 des Systems 1 zu betätigender Schalter 44 angeordnet, der im Zustand der Fig. 2 geschlossen ist. Der geschlossene Zustand des Schalters 44 gibt der Steuereinheit 30 die Möglichkeit, nach dem Anlaufen des Systems 1 auf die Netzspannung zu synchronisieren und den Trennschalter 34 zu schließen und damit einen Netzparallelbetrieb zu fahren. Demgegenüber signalisiert ein geöffneter Schalter 44, dass kein Netzparallel betrieb möglich oder gewünscht ist, sondern ein isolierter Betrieb des lokalen Netzes 6, indem das System 1 lediglich mit dem lokalen Netz 6 verbunden ist.
Eingangsseitig ist an das System 1 über den zweiten Stromrichter 24 der zweite Stromgenerator 14 angeschlossen, der im dargestellten
Ausführungsbeispiel von einer Brennkraftmaschine 46 angetrieben ist. An den Zwischenkreis 10 ist eine Spannungsversorgung 42 angeschlossen, welche auf Ihre Ausgangsseite eine Gleichspannung von im
Ausführungsbeispiel 24 V als Systemspannung bereitstellt, mit der die verschiedenen Komponenten und elektrischen Betriebsmittel des Systems 1 mit elektrischer Energie versorgt werden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Spannungsversorgung 42 um ein Schaltnetzteil.
Wenn ausgehend vom Betriebszustand der Fig. 2 die Brennkraftmaschine 46 anläuft und Energie in das System 1 einträgt, vergleichbar mit der Einstrahlung von Sonnenlicht auf ein Photovoltaikmodul, erzeugt der zweite Stromgenerator 14 zunächst ungesteuert eine elektrische Spannung auf den Zwischenkreis 10. Daraufhin wird die Spannungsversorgung 42 aktiviert, die wiederum ausgangsseitig die Versorgungsspannung für die Komponenten und Betriebsmittel des Systems 1 bereitstellt, unter anderem für die Steuereinheit 30. Daraufhin erkennt die Steuereinheit 30 über die Netzverbindungsleitung 32 das Anstehen des öffentlichen Stromnetzes 4 und schließt nach erfolgter Synchronisation der von dem ausgangsseitigen Stromrichter 20 erzeugten Wechselspannung an das öffentliche
Stromversorgungsnetz 4 den Trennschalter 34. Damit ist der
Betriebszustand der Fig. 3 erreicht. Erst jetzt wird der zweite Stromgenerator 14 und damit die Brennkraftmaschine 46 leistungsmäßig belastet.
Das System 1 ist somit in der Lage, autark zu starten und sich an das öffentliche Stromversorgungsnetz 4 anzuschließen. Alternativ zu dem Starten der Brennkraftmaschine 46 kann der zweite Stromgenerator 14 auch beispielsweise durch das Aufkommen von Wind in Bewegung gesetzt werden oder durch das Fließen von Wasser über eine mit dem zweiten Stromgenerator 14 verbundene Wasserturbine.
Wenn ausgehend von dem Betriebszustand der Fig. 3 die Leistung des zweiten Stromgenerator 14 abfällt, beispielsweise weil die
Brennkraftmaschine 46 zum stehen kommt oder die Sonneneinstrahlung oder der Wind nachlässt, sinkt die elektrische Spannung auf den
Zwischenkreis 10. Wenn die Spannung auf den Zwischenkreis 10 einen ersten Spannungswert unterschreitet, wird der ausgangsseitige Stromrichter 20 von der Steuereinheit 30 abgeschaltet. Dementsprechend wird keine Energie in das Stromversorgungsnetz 2 eingespeist. Sinkt die Spannung auf den Zwischenkreis 10 unter einen zweiten Spannungswert, wird auch die Spannungsversorgung 42 abgeschaltet und damit das System 1 insgesamt abgeschaltet, das daraufhin in einen Stand-by-Betrieb übergeht, wobei der Energieverbrauch des Systems 1 im Stand-by-Betrieb vorzugsweise im Wesentlichen Null beträgt.
Wenn ausgehend vom Betriebszustand der Fig. 3 das System 1 einen Wegfall des öffentlichen Stromversorgungsnetzes 4 detektiert, oder wenn durch Öffnen des Schalters 44 ein solcher Ausfall simuliert wird oder die Trennung von dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 gesteuert herbeigeführt werden soll, öffnet das System 1 den Trennschalter 34 und trennt damit das System 1 vom öffentlichen Stromversorgungsnetz 4.
Daraufhin versorgt das System 1 weiterhin das lokale Netz 6 mit
elektrischer Energie, solange dem System 1 durch einen der
Stromgeneratoren 12, 14 oder durch den Stromspeicher 16 eingangsseitig ausreichend elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird. Dies entspricht dem Betriebszustand der Fig. 4. Die Weiterversorgung des lokalen Netzes 6 bei Trennung von dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 4 erfolgt ohne nennenswerte Lastunterbrechung, insbesondere beträgt die Zeitdauer des Umschaltvorgangs weniger als 1 Sekunde, insbesondere weniger als 0,5 Sekunden und vorzugsweise weniger als 0,1 Sekunden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
System (1 ) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein
Stromversorgungsnetz (2), wobei das System (1 ) einen elektrischen Zwischenkreis (10) aufweist, mit dessen Eingangsseite mehrere Stromgeneratoren (1 2, 14) und/oder Stromspeicher (16) über jeweils einen Stromrichter (22, 24, 26) verbindbar sind, und dessen
Ausgangsseite über einen ausgangsseitigen Stromrichter (20) mit dem Strom Versorgungsnetz (2) verbindbar ist, und wobei das System (1) weiterhin eine an den Zwischenkreis (10) angeschlossene und vom Zwischenkreis (10) gespeiste Spannungsversorgung (42) für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Komponenten und Betriebsmittel des Systems (1 ) aufweist.
System (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vom Zwischenkreis (10) gespeiste Spannungsversorgung (42) ausgehend von einem ausgeschalteten Zustand des Systems (1 ) automatisch einschaltbar ist.
System (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Stromrichter (22, 24, 26) und/oder der ausgangsseitige Stromrichter (20) und/oder eine
Steuereinheit (30) des Systems (1) an die vom Zwischenkreis (10) gespeiste Spannungsversorgung (42) angeschlossen ist.
System (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (42) eine am
Zwischenkreis (10) anstehende unstabil isierte Zwischenkreisspannung in eine stabilisierte Spannung für den Betrieb der Stromrichter (22, 24, 26) und des ausgangsseitigen Stromrichters (20) wandelt,
insbesondere in eine stabilisierte Gleichspannung. System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (42) mindestens eine stabilisierte Gleichspannung mit einer Nennspannung von weniger als 120 V bereitstellt, insbesondere weniger als 60 V und vorzugsweise 24 V.
Verfahren zum Betrieb eines System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem ausgeschalteten Zustand des Systems (1 ), insbesondere ausgehend von einem ausgeschalteten Zustand des ausgangsseitigen Stromrichters (20), das System (1 ) im Falle eines Energieeintrags eines der
Stromgeneratoren (12, 14) im Zwischenkreis (10) eine zunächst ungeregelte Spannung erzeugt, durch welche die
Spannungsversorgung (42) für den Betrieb mindestens eines Teils der elektrischen Betriebsmittel des Systems (1 ) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) nach erfolgter Aktivierung der Spannungsversorgung (42) eine Synchronisierung des ausgangsseitigen Stromrichters (20) mit dem Stromversorgungsnetz (2) vornimmt und den ausgangsseitigen
Stromrichter (20) mit dem Stromversorgungsnetz (2) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungsnetz (2) ein öffentliches Stromversorgungsnetz (4) und ein lokales Netz (6) umfasst, die beide mit dem ausgangsseitigen Stromrichter (20) verbindbar sind, und dass das System (1) im Falle einer Störung oder eines Wegfalls des öffentlichen
Stromversorgungsnetzes (4) den ausgangsseitigen Stromrichter (20) durch einen zwischen dem ausgangsseitigen Stromrichter (20) und dem öffentlichen Stromversorgungsnetz (4) angeordneten steuerbaren Trennschalter (34) vom öffentlichen Stromversorgungsnetz (4) trennt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Inselbetriebes des Systems (1), bei dem der ausgangsseitige Stromrichter (20) vom öffentlichen Stromversorgungsnetz (4) getrennt ist und das System (1 ) elektrische Energie in das lokale Netz (6) einspeist, das System (1 ) beim Auftreten einer elektrischen Überlast den ausgangsseitigen Stromrichter (20) abschaltet und nach einer vorgebbaren Zeitdauer selbsttätig wieder einschaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der ausgangsseitige Stromrichter (20) die Spannung im Zwischenkreis (10) auf einen vorgebbaren Wert stabilisiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das System (1) im Falle einer nur einphasigen Last, oder einer nur zweiphasigen Last, oder einer
phasenunsymmetrischen Last auf der Ausgangsseite des
ausgangsseitigen Stromrichters (20) den Zwischenkreis (10) als Kurzzeitspeicher für elektrische Energie einsetzt.
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