EP4010956A1 - Energieversorgungsanlage mit einer koppeleinrichtung - Google Patents

Energieversorgungsanlage mit einer koppeleinrichtung

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Publication number
EP4010956A1
EP4010956A1 EP20749867.6A EP20749867A EP4010956A1 EP 4010956 A1 EP4010956 A1 EP 4010956A1 EP 20749867 A EP20749867 A EP 20749867A EP 4010956 A1 EP4010956 A1 EP 4010956A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
energy supply
transmission line
supply system
switch
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP20749867.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Allert
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.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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 SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of EP4010956A1 publication Critical patent/EP4010956A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02J3/007—Arrangements for selectively connecting one or more loads to one or more power sources or power lines
    • H02J3/0073—Arrangements for selectively connecting one or more loads to one or more power sources or power lines by providing alternative feeding paths when the main path fails
    • 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
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in networks by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in networks by storage of energy using batteries or super capacitors with converting means
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
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    • 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
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    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/062—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for AC powered loads
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies

Definitions

  • the invention relates to a local energy supply system for the optional supply of consumers from a connected energy supply network or an arrangement of energy stores.
  • the invention also relates to a method for operating a local energy supply system.
  • the invention relates to so-called emergency power, backup power or backup systems, which protect grid-connected energy supply systems in the event of a power failure, i.e. to be able to continue to supply at least part of the connected loads, for example according to predetermined priorities.
  • a series of switching operations must be carried out, for example disconnection from the network, starting up a network generator and connecting it to the supply lines.
  • the state of the network must be monitored, for example to initiate synchronization of the local producers when the network returns and to be able to reconnect the system to the network.
  • EP 266870581 B1 shows in FIG. 1 a disconnection device by means of which the transmission line can be divided into two electrically isolated sections, a feed line section and a discharge section.
  • a network builder is in the derivation section for Construction of a local power supply network for supplying an arrangement of consumers provided after the separation device has been disconnected from the network.
  • the disadvantage here is that both the network generator (comprising a battery and an inverter) and the consumers are located in the same discharge section, which means that the separator must be dimensioned significantly larger, since it must be designed for the entire maximum possible power.
  • DE 102012 113016 B4 shows in FIG. 1 a PV generator, the energy of which can be fed into a higher-level energy supply network via the PV inverter and the network disconnection device.
  • the local energy distribution network is separated from the superordinate energy supply network and the emergency power system sets up a local network into which the PV inverter can continue to feed.
  • consumers, producers and backup systems are arranged in the same feed line. Since in many countries there are narrower limits for feeders with regard to the permitted network parameters (voltage, frequency) than for consumers, a disconnection from the network may have to take place here, although the network status would still allow the consumers to operate. This is disadvantageous.
  • a local energy supply system that is connected to an energy supply network via a network transfer point and has a first transmission line for transmitting electrical energy to an arrangement of consumers and a second transmission line for transmitting electrical energy from and to an arrangement of energy storage devices and the energy supply network .
  • the first transmission line is arranged between the network transfer point and a first connection to which the arrangement of loads can be connected.
  • a first separation point is located in the first transmission line between the network transfer point and the first connection.
  • the second transmission line is arranged between the Network transfer point and a second connection to which an arrangement of energy storage devices can be connected.
  • a second separation point is located in the second transmission line between the network transfer point and the second connection.
  • the local energy supply system has a coupling device which is electrically connected to the first connection and the second connection.
  • the coupling device has a first switch and a second switch connected in series with it.
  • a coupling element which has at least one element from a group of devices, is connected between the two switches connected in series.
  • This group of devices comprises a grounding device, a phase connection device, a neutral conductor connection device, a connection device to a diesel generator and a device for generating a neutral conductor potential.
  • the central separation point customary in the prior art is divided into a separation point for energy storage and a separation point for loads. This is made possible by separating the common transmission line into one transmission line each to these two arrangements. This is advantageous since different requirements often apply to a separation point for storage systems than for a separation point for loads, as has already been explained above. Nevertheless, in normal operation it is possible both to supply the consumers from the network and to implement a local energy supply from the arrangement of energy stores, namely via both transmission lines.
  • the local energy supply system is suitable for being connected to any energy supply network.
  • Single-phase or three-phase networks, with or without a neutral conductor, as well as so-called split-phase networks are mentioned here as examples.
  • the energy supply network can be monitored by sensors at a point beyond the separation points, for example at the network transfer point.
  • the values determined by network monitoring can be sent to a central control unit, which can be located in the local energy supply system.
  • the central control unit can, however, also be designed as part of the converters / inverters belonging to the energy stores.
  • the first and the second transmission line are separated by means of the first and the second separation point, which means that the arrangement of consumers and the arrangement of energy stores are separated from the energy supply network.
  • the respective switches can also be controlled by the central control unit.
  • the separation from the energy supply network is a prerequisite for the arrangement of energy storage systems to be able to set up a local, independent network.
  • the first switch and the second switch of the coupling device are closed, so that a local network is created and the arrangement of consumers is supplied by the arrangement of energy stores via the coupling device.
  • the battery inverter can, for example, be designed as a network generator, ie it is able to independently set up an island network, also called backup operation here.
  • the arrangement of energy stores can consist of one or more energy stores, and the arrangement of consumers can also consist of one or more consumers.
  • the coupling device has a grounding device between the two switches.
  • earthed neutral conductors are mandatory (star point earthing).
  • the grounding connection for backup operation can be lost due to the disconnection from the mains.
  • the neutral conductor must be grounded in backup mode.
  • this grounding of the neutral conductor is provided by the coupling element, i.e. the coupling element can contain a fixed connection from the neutral conductor to earth (PE).
  • the local energy supply system comprises the arrangement of energy stores. This is particularly advantageous if the arrangement of energy stores also has the central control unit or the central control unit present in the local energy supply system also controls the functions of the arrangement of energy stores.
  • the arrangement of energy stores includes further energy generators, which - particularly preferably - can be fed from renewable energy sources. It can turn out to be for example photovoltaic, wind power or biogas plants.
  • renewable energy sources can turn out to be for example photovoltaic, wind power or biogas plants.
  • the advantage here is that the consumers can also be supplied from locally generated energy, both in normal operation (parallel to the energy supply network) and in backup operation (e.g. in the event of a power failure). In the event of a longer power failure, the consumers can be supplied with energy for longer, and if there is an excess of energy, the battery can also be charged from the local energy generation system.
  • the first switch of the coupling device is connected between the first connection and the coupling element and the second switch of the coupling device is connected between the second connection and the coupling element.
  • the first transmission line has a first number of external conductors, for example three
  • the first switch can have a corresponding first number of switching contacts and a switching contact for the neutral conductor; in the example, the first switch would therefore have four contacts. This all-pole separation is mandatory in some countries.
  • the first transmission line has a first number of external conductors
  • the first switch has a corresponding first number of switching contacts
  • the neutral conductor is not switched by the first switch. Since it is normatively forbidden in some countries in North America to disconnect the neutral conductor, the first switch in a "split-phase" network with two switching contacts, for example, would get by here, the neutral conductor can be looped through.
  • the second transmission line has a second number of external conductors
  • the second switch has a corresponding second number of switching contacts and a switching contact for the neutral conductor.
  • the coupling element can have a phase connection device which connects a plurality of outer conductors of the first transmission line to an outer conductor of the second transmission line.
  • Single-phase loads that are connected to a - for example three-phase - first transmission line can still be supplied from a single-phase arrangement of energy storage devices: the three outer conductors of the first transmission line are connected by the coupling element to one outer conductor of the second transmission line.
  • the coupling element has a grounding device that establishes a connection between the neutral conductor N and ground.
  • the two disconnection points may cause the neutral conductor to be disconnected from the grid.
  • RCD FI switch
  • the first transmission line is designed as a single-phase three-wire network (“split phase”), and the coupling element has a device for generating a neutral conductor potential as an inductive voltage divider in the form of an autotransformer (“autotransformer”).
  • autotransformer an autotransformer
  • the coupling element has a connection device to a diesel generator.
  • the connecting device can contain further switches for coupling the generator as required.
  • diesel generator should be understood here to represent generators that can generate alternating voltages by rotors driven by internal combustion engines.
  • Diesel generators are often integrated into emergency power or backup systems when large amounts of energy are required in a backup case, in particular to be prepared for longer-lasting power failures, for example when the supply of energy from regenerative sources is not always adequately guaranteed.
  • the generator is then started when required (usually depending on the state of charge of the battery in the battery inverter) and synchronized with the system and connected. When the battery is sufficiently charged again, the generator can be stopped and disconnected.
  • This embodiment advantageously enables the loads to be supplied directly by activating the first switch with the generator voltage applied to the coupling element, if the generator was started manually, for example, in the event of a network failure and the battery system being switched off or down and / or failure of the entire operational control of the energy supply system .
  • the central neutral conductor earthing can also be implemented successfully in emergency operation and the safety measures for the electrical safety of the loads (e.g. use of residual current circuit breakers) remain functional.
  • This embodiment also enables the loads to be supplied with power from the generator, for example, while the energy store is charged by a regenerative generator integrated in the arrangement of energy stores by opening the second switch and closing the first.
  • the local energy supply system according to the invention can be easily adapted to regional conditions and regulations by adapting the coupling element.
  • the first separation point, the second separation point, the first switch and the second switch each have auxiliary contacts, by means of which an electromechanical locking is set up in such a way that the required safety functions are guaranteed even if a central control unit fails.
  • it is important to interlock the network separation points and the connection via the coupling device i.e. the network separation points must be open if the loads are connected to the arrangement of energy storage devices via the coupling device.
  • This can be implemented in a manner that is known in principle by controlling one relay via the auxiliary contacts of the "opposing" relays required for locking.
  • the first switch and the first separation point are locked against each other and the second switch and the second separation point against each other.
  • This can be so be carried out so that, for example, the isolating points are routed with mains voltage via the respective control contact and the respective auxiliary contact (signal contact) of the associated switch.
  • auxiliary contacts are designed so that the separation point can only be closed when mains voltage is present, the coupling switch is open and the auxiliary contact is therefore closed.
  • the coupling switch is controlled with the stand-alone grid voltage (backup case) if the associated separation point is open at the same time, the auxiliary contact is closed and of course the control signal is activated. This ensures that only the isolating point or the coupling switch is closed, not both at the same time.
  • This also makes it possible to switch the network to the loads via the first isolating point when the backup system is switched off and mains voltage is present.
  • the coupling element has a connection for a generator.
  • the generator is only integrated in backup mode. This is particularly advantageous in connection with the electromechanical locking described above. For example, when the backup system is switched off and there is no energy supply network, a generator can be started manually and this can then be connected to the consumers via an appropriate circuit. However, it must now be ensured that this switchover to the generator is not automatically disconnected again when the power supply network is available, as otherwise phase jumps (unsynchronized switchover) occur at the consumers, which could damage or destroy them. An electromechanical lock can ensure that the generator must first be stopped and then the power supply network is reconnected to the consumers.
  • the switches of the coupling device and the two disconnection points can be designed as two switching components, for example as two contactors with 4 contacts each (2 NC contacts and 2 NO contacts). So can the The first separation point and the first switch of the coupling device are built together in such a contactor and the second separation point together with the second switch of the coupling device as well.
  • the invention also provides a method for operating a local energy supply system.
  • the local energy supply system has a first transmission line for transmitting electrical energy from a network transfer point to a first connection, to which an arrangement of consumers can be connected, and a second transmission line for transmitting electrical energy between the network transfer point to a second connection, to which an arrangement of energy stores is connectable.
  • a first separation point is located in the first transmission line between the network transfer point and the first connection.
  • In the second transmission line there is a second separation point between the network transfer point and the second connection.
  • the local energy supply system also has a coupling device which is electrically connected to the first connection and the second connection, the coupling device having a first switch and a second switch connected in series thereto and a coupling element being arranged between the two switches connected in series.
  • the local energy supply system also has a central control unit. The method comprises the following steps: for normal operation, the central control unit closes the first and second disconnection points and opens the two switches of the coupling device, and for backup operation, the central control unit opens the first and second disconnection points and the two switches the coupling device closed, whereby the coupling element is activated.
  • the activation of the coupling element solves the technical problem of the different normative requirements between normal operation and backup operation, as described in detail above.
  • the first and the second separation point and the two switches connected in series are switched simultaneously. This enables an uninterrupted power supply to the consumer to be achieved.
  • network parameters of an energy supply network are measured at the network transfer point and transmitted to the central control unit.
  • the central control unit controls the opening and closing of the first and second separation point, as well as the two switches of the coupling device according to the measured network parameters.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a coupling element according to the invention
  • FIG. 1 shows schematically a local energy supply system 1, which is connected to an energy supply network 5 via a network transfer point 4.
  • a first transmission line 2 for transmitting electrical energy leads from the network transfer point 4 to a first connection 16.
  • An arrangement of loads 6 can be connected to the first connection 16.
  • a first separation point 7 is located in the first transmission line 2 between the network transfer point 4 and the first connection 16.
  • a second transmission line 3 runs between the network transfer point 4 and a second connection 18.
  • An arrangement of energy stores 8 can be connected to the connection 18. Energy can be exchanged bidirectionally via the second transmission line 3 between the energy supply network 5 and the arrangement of energy stores 8.
  • a second separation point 9 is located in the second transmission line 3 between the network transfer point 4 and the second connection 18.
  • a coupling device 10 is electrically connected to the first connection 16 and the second connection 18.
  • the coupling device 10 has a first switch 11 and a second switch connected in series 13 on.
  • a coupling element 12 is arranged between the two switches 11, 13 connected in series.
  • the coupling device 10 is connected to the first transmission line 2 between the first separation point 7 and the first connection 16 and to the second transmission line 3 between the second separation point 9 and the second connection 18.
  • FIG 2 shows a local energy supply system 1 according to a preferred embodiment.
  • the energy supply network 5 is designed as a three-phase network with external conductors L1, L2, L3 and neutral conductor N.
  • the separation points 7 and 9 are closed, switches 11 and 13 are open, the coupling element 12 is ineffective in this operating state.
  • the arrangement of consumers 6 is supplied from the energy supply network 5.
  • the arrangement of energy stores 8 can be charged from the energy supply network 5 or feed into the energy supply network 5, for example in order to provide network services.
  • the arrangement of energy stores 8 comprises a battery 20 and generator 21.
  • the generator 21 can comprise regenerative energy sources.
  • the generator 21 and the battery 20 can each have independent converters 25 or can be operated with a common converter 25.
  • Combined heat and power plants with combined heat and power, for example operated with biogas, can also be integrated in the arrangement of energy stores 8 as generators 21; these then may not require a converter.
  • the isolating point 9 is opened in order to separate the arrangement of energy stores 8 from the energy supply network 5.
  • the arrangement of consumers 6 can generally continue to be operated on the energy supply network 5.
  • the separation point 7 can therefore remain closed.
  • the battery 20 can be charged by the generator 21 within the arrangement of energy stores 8. If the energy supply network 5 fails, for example if the network voltage falls below a permissible limit, in addition to the separation point 9, the separation point 7 can also be opened in order to initiate backup operation.
  • the second switch 13 of the coupling device 10 can first be closed in order to connect the coupling element 12, which in this embodiment is designed as a grounding device 22, to the arrangement of energy stores 8.
  • the coupling element 12 which in this embodiment is designed as a grounding device 22, to the arrangement of energy stores 8.
  • a star point grounding can be established for the arrangement of energy stores 8, which allows the use of protective devices for the arrangement of loads 6 after the first switch 11 has been closed. This may be required regionally.
  • the arrangement of loads 6 from the arrangement of energy stores 8 can be supplied with energy.
  • the arrangement of energy stores 8 contains at least one network generator (not shown); for example, this function can be taken over by the converter 25 of the battery 20. This means that the converter 25 can independently set up an island network.
  • the network status is detected by sensors at the network transfer point 4 and transmitted to a central controller (not shown).
  • This control can be located in the network generator or also be part of the local energy supply system 1.
  • the energy supply network 5 has returned to a state that allows the arrangement of loads 6 to be supplied, a return to the normal state can be initiated.
  • the network generator is synchronized to the frequency, phase position and voltage of the network 5.
  • the values transmitted by the sensors can be used for this purpose.
  • the separation point 7 can now be closed and at the same time or before the first switch 11 can be opened in order to supply the arrangement of loads 6 from the energy supply network 5.
  • the second switch 13 can also be opened and then or at the same time the isolating point 9 can be closed.
  • This condition can include limits with regard to mains voltage and frequency, which must be adhered to within defined periods of time. For an uninterrupted switchover you can alternatively, all switches described above can be switched simultaneously in the manner described.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a coupling device 10 according to the invention.
  • the first transmission line 2 is equipped with three external conductors L1, L2, L3 and a neutral conductor N.
  • the coupling element 12 has a phase connection device 23.
  • the loads divided between the outer conductors L1, L2, L3 can be supplied by the single-phase arrangement of energy stores 8 when connected via the first and second switches 11, 13 and the phase connection device 23.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a coupling device 10 according to the invention.
  • the coupling element 12 has a device 24 for generating a neutral conductor potential in the form of an autotransformer or an autotransformer.
  • the first transmission line 2 is designed with two outer conductors L1, L2 and a neutral conductor N for a single-phase three-wire network.
  • the second transmission line 3 and thus also the connection 18, via which the arrangement of energy stores 8 can feed into the local energy supply system 1, is designed in two phases without a neutral conductor N. Therefore, a neutral conductor potential must be generated by the device 24 in the backup mode. This is required for the connection of single-phase loads between one phase and the neutral conductor N.
  • a Switching of the neutral conductor N is prohibited by regulations, which is why the first switch 11 is only equipped with two switching contacts for the two outer conductors L1, L2.

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Abstract

Eine lokale Energieversorgungsanlage (1) mit einem Netzübergabepunkt (4) zum Anschluss eines Energieversorgungsnetzes (5) weist eine erste Übertragungsleitung (2) zur Übertragung elektrischer Energie von dem Netzübergabepunkt (4) zu einem ersten Anschluss (16) zum Anschließen einer Anordnung von Verbrauchern (6), und eine zweite Übertragungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie von dem Netzübergabepunkt (4) zu einem zweiten Anschluss (18) zum Anschließen einer Anordnung von Energiespeichern (8) auf. Eine erste Trennstelle (7) ist in der ersten Übertragungsleitung (2) zwischen dem Netzübergabepunkt (4) und dem ersten Anschluss (16), und eine zweite Trennstelle (9) in der zweiten Übertragungsleitung (3) zwischen dem Netzübergabepunkt (4) und dem zweiten Anschluss (18) angeordnet. Eine den ersten Anschluss (16) und den zweiten Anschluss (18) elektrisch verbindende Koppeleinrichtung (10), weist einen ersten Schalter (11) und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Schalter (13) auf, wobei zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltern (11, 13) ein Koppelelement (12) angeordnet ist, das eine Erdungsvorrichtung, eine Phasenverbindungsvorrichtung, eine Neutralleiterverbindungsvorrichtung, eine Verbindung zu einem Dieselgenerator und/oder eine Vorrichtung zur Generierung eines Neutralleiterpotentials aufweist. Ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage ist ebenfalls beschrieben.

Description

Energieversorgungsanlage mit einer Koppeleinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine lokale Energieversorgungsanlage zur wahlweisen Versorgung von Verbrauchern aus einem angeschlossenen Energieversorgungsnetz oder einer Anordnung von Energiespeichern.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer lokalen Energieversorgungsanlage.
Im spezielleren betrifft die Erfindung sogenannte Notstrom-, Ersatzstrom oder Backup-Systeme, die netzgekoppelte Energieversorgungsanlagen bei Netzausfall absichern, d.h. zumindest einen Teil der angeschlossenen Lasten, beispielsweise nach vorgegebenen Prioritäten, weiter versorgen zu können. Dazu sind eine Reihe an Schalthandlungen auszuführen, beispielsweise die Netztrennung, das Aufstarten eines Netzbildners, dessen Aufschaltung auf die Versorgungsleitungen. Des Weiteren muss der Zustand des Netzes überwacht werden, um beispielsweise bei Rückkehr des Netzes eine Synchronisation der lokalen Erzeuger einzuleiten und um die Anlage wieder mit dem Netz verbinden zu können. Diese und viele weitere Anforderung sind zu erfüllen, und deren Erfüllung ist in verschiedenen Ländern mit unterschiedlichsten Richtlinien, Normen und Standards belegt.
Speziell die Erfüllung der Anforderungen an den zentralen Netz- und Anlagenschutz im Zusammenhang mit solchen Notstromanlagen ist aufwändig und kostenintensiv. So ist beispielsweise in einigen Ländern eine allpolige Trennung der Versorgungsleitungen vor Umschaltung auf einen Notbetrieb gefordert, während in anderen die Trennung des Neutralleiters absolut verboten ist. Daraus erwächst für einen Anbieter von Notstromanlagen das Problem einer riesigen Variantenvielfalt und der damit verbundenen Kosten. Eine Vereinheitlichung, oder zumindest eine modulartige Austauschbarkeit von Komponenten je nach Land und Anforderungen, wäre wünschenswert.
Im Stand der Technik werden zumeist gemeinsame Netztrennstellen für Verbrauch und Backup-Anlage beschrieben, so zeigt die EP 266870581 B1 in Fig. 1 eine Trenneinrichtung, mittels welcher die Übertragungsleitung in zwei voneinander elektrisch isolierte Abschnitte, einen Zuleitungsabschnitt und einen Ableitungsabschnitt unterteilbar ist. Ein Netzbildner ist im Ableitungsabschnitt zum Aufbau eines lokalen Energieversorgungsnetzes zur Versorgung einer Anordnung von Verbrauchern vorgesehen, nachdem durch die Trenneinrichtung eine Trennung vom Netz stattgefunden hat. Nachteilig ist hier, dass sowohl der Netzbildner (umfassend eine Batterie und einen Wechselrichter) als auch die Verbraucher sich in demselben Ableitungsabschnitt befinden, wodurch die Trenneinrichtung deutlich größer dimensioniert werden muss, da sie für die gesamte maximal mögliche Leistung ausgelegt werden muss.
Die DE 102012 113016 B4 zeigt in Fig. 1 einen PV-Generator, dessen Energie über den PV-Wechselrichter und die Netztrenneinrichtung in ein übergeordnetes Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann. Bei Netzausfall wird das lokale Energieverteilungsnetz vom übergeordneten Energieversorgungsnetz getrennt und die Netzersatzanlage baut ein lokales Netz auf, in das der PV-Wechselrichter weiterhin einspeisen kann. Auch hier sind Verbraucher, Erzeuger und Backup- Anlage in derselben Zuleitung angeordnet. Da in vielen Ländern für Einspeiser engere Grenzen bezüglich der erlaubten Netzparameter (Spannung, Frequenz) gelten als für Verbraucher, muss hier gegebenenfalls eine Trennung vom Netz stattfinden, obwohl der Netzzustand den Betrieb der Verbraucher noch ermöglichen würde. Dies ist nachteilig.
Es ist Aufgabe der Erfindung, oben beschriebene Nachteile zu überwinden, die Erfüllung weiter oben beschriebener Anforderungen zu vereinfachen und damit eine lokale Energieversorgungsanlage anzugeben, die leichter an die jeweiligen örtlichen Vorschriften und Gegebenheiten angepasst werden kann und in der Folge kostengünstiger zu produzierende Backup-Systeme möglich macht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine lokale Energieversorgungsanlage, die über einen Netzübergabepunkt an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen ist und eine erste Übertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Energie zu einer Anordnung von Verbrauchern und eine zweite Übertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Energie von und zu einer Anordnung von Energiespeichern und dem Energieversorgungsnetz aufweist. Dabei ist die erste Übertragungsleitung angeordnet zwischen dem Netzübergabepunkt und einem ersten Anschluss, an den die Anordnung von Verbrauchern anschließbar ist. Eine erste Trennstelle befindet sich in der ersten Übertragungsleitung zwischen dem Netzübergabepunkt und dem ersten Anschluss. Die zweite Übertragungsleitung ist angeordnet zwischen dem Netzübergabepunkt und einem zweiten Anschluss an den eine Anordnung von Energiespeichern anschließbar ist. Eine zweite Trennstelle befindet sich in der zweiten Übertragungsleitung zwischen dem Netzübergabepunkt und dem zweiten Anschluss. Des Weiteren weist die lokale Energieversorgungsanlage eine Koppeleinrichtung auf, die mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist. Die Koppeleinrichtung weist einen ersten Schalter und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Schalter auf.
Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltern ist ein Koppelelement geschaltet, das mindestens ein Element aus einer Gruppe von Vorrichtungen aufweist. Diese Gruppe von Vorrichtungen umfasst eine Erdungsvorrichtung, eine Phasenverbindungsvorrichtung, eine Neutralleiterverbindungsvorrichtung, eine Verbindungsvorrichtung zu einem Dieselgenerator und eine Vorrichtung zur Generierung eines Neutralleiterpotentials. Bei der Erfindung wird die im Stand der Technik übliche zentrale Trennstelle aufgeteilt in eine Trennstelle für Energiespeicher und eine Trennstelle für Lasten. Möglich wird dies durch die Trennung der gemeinsamen Übertragungsleitung in je eine Übertragungsleitung zu diesen beiden Anordnungen. Dies ist vorteilhaft, da für eine Trennstelle für Speicher oft andere Anforderungen gelten als für eine Trennstelle für Lasten, wie weiter oben bereits ausgeführt wurde. Trotzdem ist es im Normalbetrieb möglich, sowohl die Verbraucher aus dem Netz zu versorgen, als auch eine lokale Energiezufuhr aus der Anordnung von Energiespeichern, nämlich über beide Übertragungsleitungen, zu realisieren.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße lokale Energieversorgungsanlage geeignet an beliebige Energieversorgungsnetz angeschlossen zu werden. Hier seien beispielhaft einphasige oder dreiphasige Netze, mit oder ohne Neutralleiter, sowie sogenannte Split-Phase-Netze genannt. Um eine Netzstörung oder einen Netzausfall zu detektieren, kann das Energieversorgungsnetz an einem Punkt jenseits der Trennstellen, beispielsweise am Netzübergabepunkt, mittels Sensoren überwacht werden. Die von der Netzüberwachung ermittelten Werte können an eine zentrale Steuereinheit gesendet werden, die sich in der lokalen Energieversorgungsanlage befinden kann. Die zentrale Steuereinheit kann sich aber auch als Teil der zu den Energiespeichern gehörenden Konvertern/Wechselrichtern ausgeführt sein. Wird eine Netzstörung/Netzausfall detektiert, werden die erste und die zweite Übertragungsleitung mittels der ersten und der zweiten Trennstelle aufgetrennt, was bedeutet, dass die Anordnung von Verbrauchern und die Anordnung von Energiespeichern vom Energieversorgungsnetz getrennt sind. Die Ansteuerung der jeweiligen Schalter kann ebenfalls durch die zentrale Steuereinheit erfolgen. Die Trennung vom Energieversorgungsnetz ist Voraussetzung dafür, dass seitens der Anordnung von Energiespeichern ein lokales eigenständiges Netz aufgebaut werden kann. Dazu werden der erste Schalter und zweite Schalter der Koppeleinrichtung geschlossen, so dass ein lokales Netz entsteht und die Anordnung von Verbrauchern über die Koppeleinrichtung von der Anordnung von Energiespeichern versorgt wird. Um ein lokales Netz aufbauen zu können, kann beispielsweise der Batterie- Wechselrichter als Netzbildner ausgebildet sein, d.h. er ist in der Lage, selbständig ein Inselnetz aufzubauen, hier auch Backup-Betrieb genannt.
Grundsätzlich kann die Anordnung von Energiespeichern aus einem oder mehreren Energiespeichern bestehen, ebenso kann auch die Anordnung von Verbrauchern aus einem oder mehreren Verbrauchern bestehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Koppeleinrichtung zwischen den beiden Schaltern eine Erdungsvorrichtung auf. In den meisten Energieversorgungsnetzen sind geerdete Neutralleiter vorgeschrieben (Sternpunkterdung). Je nachdem, wo die Erdung des Neutralleiters für den Normalbetrieb vorgenommen wurde, kann die Erdungsverbindung für den Backup- Betrieb durch die Trennung vom Netz verloren gehen. Dann muss im Backup-Betrieb eine Erdung des Neutralleiters realisiert werden. Diese Erdung des Neutralleiters wird in einer bevorzugten Ausführungsform vom Koppelelement bereitgestellt, d.h. das Koppelelement kann eine feste Verbindung vom Neutralleiter zu Erde (PE) enthalten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die lokale Energieversorgungsanlage die Anordnung von Energiespeichern. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Anordnung von Energiespeichern auch die zentrale Steuereinheit aufweist oder die in der lokalen Energieversorgungsanlage vorhandene zentrale Steuereinheit auch die Funktionen der Anordnung von Energiespeichern mitsteuert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung von Energiespeichern weitere Energieerzeuger, die sich -besonders bevorzugt- aus erneuerbaren Energiequellen speisen können. Es kann sich dabei beispielsweise um Photovoltaik-, Windkraft- oder Biogasanlagen handeln. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Versorgung der Verbraucher auch aus lokal erzeugter Energie möglich ist, und dies sowohl im Normalbetrieb (parallel zum Energieversorgungsnetz) als auch im Backup-Betrieb (also z.B. bei Netzausfall). Bei längerem Netzausfall können die Verbraucher länger mit Energie versorgt werden, und bei Energieüberschuss kann auch die Batterie aus der lokalen Energieerzeugungsanlage geladen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Schalter der Koppeleinrichtung zwischen dem ersten Anschluss und dem Koppelelement angeschlossen und der zweite Schalter der Koppeleinrichtung zwischen dem zweiten Anschluss und dem Koppelelement. Weist die erste Übertragungsleitung eine erste Anzahl Außenleiter auf, -beispielweise drei- kann der erste Schalter eine entsprechende erste Anzahl Schaltkontakte, sowie einen Schaltkontakt für den Neutralleiter aufweisen, im Beispiel würde der erste Schalter also vier Kontakte aufweisen. Diese allpolige Trennung ist im einigen Ländern vorgeschrieben. in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Übertragungsleitung eine erste Anzahl Außenleiter, der erste Schalter eine entsprechende erste Anzahl Schaltkontakte auf, und der Neutralleiter wird nicht vom ersten Schalter geschaltet. Da es in einigen Ländern Nordamerikas normativ verboten ist, den Neutralleiter zu trennen, würde hier der erste Schalter beispielsweise in einem dort üblichen „split-phase“ Netz mit zwei Schaltkontakten auskommen, der Neutralleiter kann durchgeschleift werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die zweiten Übertragungsleitung eine zweite Anzahl Außenleiter auf, und der zweite Schalter weist eine entsprechende zweite Anzahl Schaltkontakte, sowie einen Schaltkontakt für den Neutralleiter auf.
Ist die erste Anzahl größer ist als die zweite Anzahl, kann das Koppelelement eine Phasenverbindungsvorrichtung aufweisen, die mehrere Außenleiter der ersten Übertragungsleitung mit einem Außenleiter der zweiten Übertragungsleitung verbindet. So können einphasige Verbraucher, die an eine -beispielsweise dreiphasige- erste Übertragungsleitungsleitung angeschlossen sind, trotzdem aus einer beispielsweise einphasigen Anordnung von Energiespeichern versorgt werden: die drei Außenleiter der ersten Übertragungsleitung werden von dem Koppelelement mit dem einen Außenleiter der zweiten Übertragungsleitung verbunden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Koppelelement eine Erdungsvorrichtung auf, die eine Verbindung zwischen dem Neutralleiter N und Erde herstellt. Im Backup-Betrieb kann durch die Trennung vom Netz durch die beiden Trennstellen der Erdbezug des Neutralleiters verloren gehen. In diesem Fall ist meist gewünscht oder vorgeschrieben, dass die Verbindung des Neutralleiters zur Erde wiederhergestellt wird, damit Schutzmaßnahmen wie beispielsweise RCD (Fl-Schalter) greifen können, insbesondere dass die Schutzmaßnahmen, die im Netzbetrieb vorhanden sind, im Backup-Fall weiterhin verwendet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste Übertragungsleitung als ein Einphasen-Dreileiternetz („Split-Phase“) ausgeführt, und das Koppelelement weist eine Vorrichtung zur Generierung eines Neutralleiterpotentials als induktiven Spannungsteiler in Form eines Spartransformators („Autotransformer“) auf. Auf diese Weise kann eine Anordnung von Energiespeichern mit einem zweiphasigen Außenleiteranschluss ohne Neutralleiter mit einer „Split-Phase“-Übertragungsleitung zur Versorgung der einphasigen Verbraucher gekoppelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Koppelelement eine Verbindungsvorrichtung zu einem Dieselgenerator auf. Dies ermöglicht eine Einbindung des Dieselgenerators in die Stromversorgung der Verbraucher im Backup-Fall. Die Verbindungsvorrichtung kann weitere Schalter zur bedarfsweisen Ankopplung des Generators enthalten. Der Begriff Dieselgenerator soll hier stellvertretend für Generatoren verstanden werden, die durch Verbrennungsmaschinen angetriebene Rotoren Wechselspannungen erzeugen können.
Dieselgeneratoren werden oft in Notstrom- oder Backupsysteme integriert, wenn große Energiemengen im Backup-Fall benötigt werden, insbesondere um für länger andauernde Netzausfälle gerüstet zu sein, wenn beispielsweise die Versorgung mit Energie aus regenerativen Quellen nicht immer ausreichend sichergestellt ist. Der Generator wird dann bei Bedarf (üblicherweise abhängig vom Ladezustand der Batterie des Batteriewechselrichters) gestartet und mit dem System synchronisiert und verbunden. Wenn die Batterie wieder einen ausreichenden Ladezustand hat, kann der Generator wieder gestoppt und getrennt werden.
Vorteilhaft ermöglicht es diese Ausführungsform, dass bei ausgefallenem Netz und abgeschaltetem oder ausgefallenem Batteriesystem und/oder Ausfall der gesamten Betriebssteuerung der Energieversorgungsanlage durch Ansteuerung des ersten Schalters mit der am Koppelelement anliegenden Generatorspannung, die Lasten direkt zu versorgen, wenn der Generator beispielsweise von Hand gestartet wurde. Auch die zentrale Neutralleitererdung kann im Notbetrieb erfolgreich umgesetzt werden und die Sicherheitsmaßnahmen zur elektrischen Sicherheit der Verbraucher (z.B. Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern) bleiben funktionsfähig.
Diese Ausführungsform ermöglicht weiterhin, dass beispielsweise die Verbraucher mit Leistung aus dem Generator zu versorgt werden können, während die Energiespeicher von einem in die Anordnung von Energiespeichern integrierten regenerativen Erzeuger aufgeladen wird, indem der zweite Schalter geöffnet und der erste geschlossen wird.
Durch den modulartigen Aufbau der Koppeleinrichtung mit erstem und zweitem Schalter sowie Koppelelement lässt sich die erfindungsgemäße lokale Energieversorgungsanlage leicht durch Anpassung des Koppelelements an regionale Gegebenheiten und Vorschriften anpassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die erste Trennstelle, die zweite Trennstelle, der erste Schalter und der zweite Schalter jeweils Hilfskontakte auf, mittels derer eine elektromechanische Verriegelung dergestalt aufgebaut wird, so dass auch bei Ausfall einer zentralen Steuereinheit geforderte Sicherheitsfunktionen gewährleistet sind. Grundsätzlich gilt es, die Netztrennstellen und die Verbindung über die Koppeleinrichtung gegeneinanderzu verriegeln, d.h. die Netztrennstellen müssen offen sein, wenn über die Koppeleinrichtung die Verbraucher mit der Anordnung von Energiespeichern verbunden werden. Dies kann auf prinzipiell bekannte Art und Weise durch eine Ansteuerung des einen Relais über die Hilfskontakte der jeweils zur Verriegelung nötigen „Gegenspieler“-Relais realisiert werden.
Verriegelt werden jeweils der erste Schalter und die erste Trennstelle gegeneinander sowie der zweite Schalter und die zweite Trennstelle gegeneinander. Dies kann so ausgeführt werden, dass z.B. die Trennstellen mit Netzspannung über den jeweiligen Ansteuerkontakt und den jeweiligen Hilfskontakt (Signalkontakt) des zugehörigen Schalters geführt wird. Diese Hilfskontakte sind so ausgeführt, so dass die Trennstelle nur geschlossen werden kann, wenn Netzspannung vorliegt, der Koppelschalter geöffnet und damit der Hilfskontakt geschlossen ist. Gleiches gilt umgekehrt: Hier wird der Koppelschalter mit der Inselnetzspannung (Backup-Fall) angesteuert, wenn gleichzeitig die zugehörige Trennstelle geöffnet ist, der Hilfskontakt damit geschlossen und natürlich das Ansteuersignal aktiviert ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass nur jeweils die Trennstelle oder der Koppelschalter geschlossen sind, nicht beide gleichzeitig.
Hierdurch ist es auch möglich, bei abgeschaltetem Backup-System und Vorhandensein von Netzspannung das Netz über die erste Trennstelle auf die Verbraucher zu schalten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Koppelelement einen Anschluss für einen Generator auf. Hierdurch wird der Generator nur im Backup- Betrieb eingebunden. Besonders vorteilhaft ist dies im Zusammenhang mit der oben beschriebenen elektromechanischen Verriegelung. So kann bei abgeschaltetem Backup-System ohne vorhandenes Energieversorgungsnetz ein Generator beispielsweise manuell gestartet werden und dieser dann über eine entsprechende Verschaltung mit den Verbrauchern verbunden werden. Nun muss aber sichergestellt werden, dass diese Umschaltung auf den Generator nicht bei vorhandenem Energieversorgungsnetz automatisch wieder getrennt wird, da es sonst zu Phasensprüngen (nicht synchronisierte Umschaltung) an den Verbrauchern kommt, die diese beschädigen oder zerstören könnte. Durch eine elektromechanische Verriegelung kann sichergestellt werden, dass zunächst der Generator gestoppt werden muss und dann das Energieversorgungsnetz wieder mit den Verbrauchern verbunden wird.
In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einphasig ausgeführtem Lastanschluss, d.h. die Anordnung von Verbrauchern ist an einem Außenleiter und den Neutralleiter angeschlossen, und einem einphasigen Anschluss der Anordnung von Energiespeichern können die Schalter der Koppeleinrichtung und der beiden Trennstellen als zwei Schaltkomponenten ausgeführt sein, beispielsweise als zwei Schütze mit jeweils 4 Kontakten (2 Öffner und 2 Schließer). So kann die erste Trennstelle und der erste Schalter der Koppeleinrichtung gemeinsam in einem solchen Schütz aufgebaut werden und die zweite Trennstelle zusammen mit dem zweiten Schalter der Koppeleinrichtung ebenso.
Zur Lösung der weiter oben beschriebenen Aufgabe gibt die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer lokalen Energieversorgungsanlage an. Die lokale Energieversorgungsanlage weist dabei eine erste Übertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Netzübergabepunkt zu einem ersten Anschluss, an dem eine Anordnung von Verbrauchern anschließbar ist und eine zweite Übertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem Netzübergabepunkt zu einem zweiten Anschluss, an den eine Anordnung von Energiespeichern anschließbar ist, auf. In der ersten Übertragungsleitung befindet sich eine erste Trennstelle zwischen dem Netzübergabepunkt und dem ersten Anschluss. In der zweiten Übertragungsleitung befindet sich eine zweite Trennstelle zwischen dem Netzübergabepunkt und dem zweiten Anschluss. Die lokale Energieversorgungsanlage weist weiter eine Koppeleinrichtung auf, die elektrisch verbunden ist mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss, wobei die Koppeleinrichtung einen ersten Schalter und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Schalter aufweist und zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltern ein Koppelelement angeordnet ist. Die lokale Energieversorgungsanlage weist weiter eine zentrale Steuereinheit auf. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: für einen Normalbetrieb werden durch die zentrale Steuereinheit die erste und die zweite Trennstelle geschlossen und die beiden Schalter der Koppeleinrichtung geöffnet und für einen Backup-Betrieb werden durch die zentrale Steuereinheit die erste und die zweite Trennstelle geöffnet und die beiden Schalter der Koppeleinrichtung geschlossen, wodurch das Koppelelement aktiviert wird. Die Aktivierung des Koppelelementes löst das technische Problem der unterschiedlichen normativen Anforderungen zwischen Normalbetrieb und Backup-Betrieb, wie weiter oben im Einzelnen beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Methode werden die erste und die zweite Trennstelle und die beiden in Reihe geschalteten Schalter gleichzeitig geschaltet. Hierdurch kann eine unterbrechungsfreie Energieversorgung der Verbraucher realisiert werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden Netzparameter eines Energieversorgungsnetzes an dem Netzübergabepunkt gemessen und an die zentrale Steuereinheit übermittelt. Die zentrale Steuereinheit steuert das Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Trennstelle, sowie der beiden Schalter der Koppeleinrichtung entsprechend der gemessenen Netzparameter.
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.
Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen lokalen
Energieversorgungsanlage mit daran angeschlossenen Einheiten
Fig. 2 eine beispielhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Energieversorgungsanlage
Fig. 3 eine beispielhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Koppelelementes
Fig. 4 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Koppelelementes
Figur 1 zeigt schematisch eine lokale Energieversorgungsanlage 1, die über einen Netzübergabepunkt 4 an ein Energieversorgungsnetz 5 angeschlossen ist. Eine erste Übertragungsleitung 2 zur Übertragung elektrischer Energie führt von dem Netzübergabepunkt 4 zu einem ersten Anschluss 16. An den ersten Anschluss 16 kann eine Anordnung von Verbrauchern 6 angeschlossen werden. Eine erste Trennstelle 7 befindet sich in der ersten Übertragungsleitung 2 zwischen dem Netzübergabepunkt 4 und dem ersten Anschluss 16. Eine zweite Übertragungsleitung 3 verläuft zwischen dem Netzübergabepunkt 4 und einem zweiten Anschluss 18. An den Anschluss 18 kann eine Anordnung von Energiespeichern 8 angeschlossen werden. Über die zweite Übertragungsleitung 3 kann bidirektional Energie zwischen dem Energieversorgungsnetz 5 und der Anordnung von Energiespeichern 8 ausgetauscht werden. Eine zweite Trennstelle 9 befindet sich in der zweiten Übertragungsleitung 3 zwischen dem Netzübergabepunkt 4 und dem zweiten Anschluss 18. Eine Koppeleinrichtung 10 ist elektrisch verbunden mit dem ersten Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18. Die Koppeleinrichtung 10 weist einen ersten Schalter 11 und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Schalter 13 auf. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltern 11, 13 ist ein Koppelelement 12 angeordnet. Die Koppeleinrichtung 10 ist an die erste Übertragungsleitung 2 zwischen der ersten Trennstelle 7 und dem ersten Anschluss 16 und an die zweite Übertragungsleitung 3 zwischen der zweiten Trennstelle 9 und dem zweiten Anschluss 18 angebunden.
Figur 2 zeigt eine lokale Energieversorgungsanlage 1 entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform. Hier ist das Energieversorgungsnetz 5 als dreiphasiges Netz mit Außenleiter L1, L2, L3 und Neutralleiter N ausgeführt. Im Normalbetrieb sind die Trennstellen 7 und 9 geschlossen, Schalter 11 und 13 sind geöffnet, das Koppelelement 12 ist in diesem Betriebszustand unwirksam. Die Anordnung von Verbrauchern 6 wird aus dem Energieversorgungsnetz 5 versorgt.
Die Anordnung von Energiespeichern 8 kann aus dem Energieversorgungsnetz 5 geladen werden oder ins Energieversorgungsnetz 5 einspeisen, beispielsweise um Netzdienstleistungen zu erbringen. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung von Energiespeichern 8 eine Batterie 20 und Erzeuger 21. Bevorzugt können die Erzeuger 21 regenerative Energiequellen umfassen. Die Erzeuger 21 und die Batterie 20 können jeweils eigenständige Konverter 25 aufweisen oder mit gemeinsamem Konverter 25 betrieben werden. Es können auch Blockheizkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung, beispielsweise mit Biogas betrieben, in der Anordnung von Energiespeichern 8 als Erzeuger 21 eingebunden werden, diese benötigen dann gegebenenfalls keinen Konverter.
Ist das Energieversorgungsnetz 5 gestört, liegt beispielsweise eine Netzfrequenz oberhalb einer für Erzeuger und Batterie zulässigen Grenze, wird die Trennstelle 9 geöffnet, um die Anordnung von Energiespeichern 8 vom Energieversorgungsnetz 5 zu trennen. Die Anordnung von Verbrauchern 6 kann in der Regel weiter am Energieversorgungsnetz 5 betrieben werden. Daher kann die Trennstelle 7 geschlossen bleiben. Trotz der Trennung vom Energieversorgungsnetz 5 kann innerhalb der Anordnung von Energiespeichern 8 die Batterie 20 durch die Erzeuger 21 geladen werden. Ist das Energieversorgungsnetz 5 ausgefallen, sinkt beispielsweise die Netzspannung unter eine zulässige Grenze, kann zusätzlich zur Trennstelle 9 auch die Trennstelle 7 geöffnet werden, um den Backup-Betrieb einzuleiten. Nach dem Öffnen von Trennstelle 7 kann zunächst der zweite Schalter 13 der Koppeleinrichtung 10 geschlossen werden, um das Koppelelement 12, welches in dieser Ausführungsform als Erdungsvorrichtung 22 ausgeführt ist, mit der Anordnung von Energiespeichern 8 zu verbinden. Hierdurch kann eine Sternpunkterdung für die Anordnung von Energiespeichern 8 hergestellt werden, die die Verwendung von Schutzeinrichtungen für die Anordnung von Verbrauchern 6 nach dem Schließen des ersten Schalters 11 zulässt. Dies kann regional so vorgeschrieben sein. Nach dem Schließen des ersten Schalters 11 kann die Anordnung von Verbrauchern 6 aus der Anordnung von Energiespeichern 8 mit Energie versorgt werden. Die Anordnung von Energiespeichern 8 enthält mindestens einen Netzbildner (nicht gezeigt), beispielsweise kann diese Funktion vom Konverter 25 der Batterie 20 übernommen werden. Dies bedeutet, dass der Konverter 25 selbständig ein Inselnetz aufbauen kann.
Der Netzzustand wird am Netzübergabepunkt 4 durch Sensoren erfasst und an eine zentrale Steuerung (nicht gezeigt) übermittelt. Diese Steuerung kann sich im Netzbildner befinden oder auch Teil der lokalen Energieversorgungsanlage 1 sein.
Ist das Energieversorgungsnetz 5 wieder in einen Zustand zurückgekehrt, der eine Versorgung der Anordnung von Verbrauchern 6 zulässt, kann eine Rückführung in den Normalzustand eingeleitet werden. Hierzu wird der Netzbildner auf Frequenz, Phasenlage und Spannung des Netzes 5 synchronisiert. Dazu können die übermittelten Werte der Sensoren verwendet werden. Nun kann die Trennstelle 7 geschlossen und gleichzeitig oder davor der erste Schalter 11 geöffnet werden, um die Anordnung von Verbrauchern 6 aus dem Energieversorgungsnetz 5 zu versorgen.
Wenn auch die Bedingungen für die Betrieb der Anordnung von Energiespeichern 8 erfüllt sind, kann auch der zweite Schalter 13 geöffnet und danach oder gleichzeitig Trennstelle 9 geschlossen werden. Diese Bedingung können Grenzen bezüglich Netzspannung und -Frequenz umfassen, die innerhalb festgelegter Zeiträume eingehalten werden müssen. Für eine unterbrechungsfreie Umschaltung können auch alternativ alle oben beschriebenen Schalter gleichzeitig in der beschriebenen Weise geschaltet werden.
Bisher bekannte lokale Energieversorgungsanlagen sind oft mit einem Schalter in der Verbindung zwischen Neutralleiter N und Erde ausgeführt. Dieser muss aufwändig überwacht werden oder ist aufwändig ausgeführt. Durch die Verwendung des Koppelelements 12 wird dies vereinfacht, da die Verbindung zwischen Neutralleiter N und Erde fest installiert ist und bei der Verbindungsprozedur zum Backup-Betrieb automatisch richtig mitverbunden wird. Ein zusätzlicher Nutzen ergibt sich durch die Möglichkeit, die Anordnung von Verbrauchern 6 mit dem Energieversorgungsnetz 5 zu verbinden und aus diesem zu versorgen, auch wenn die Bedingungen an die Verbindung der Speicheranordnung 8 nicht oder noch nicht erfüllt sind.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Koppeleinrichtung 10. Hierbei ist die erste Übertragungsleitung 2 mit drei Außenleitern L1, L2, L3 und einem Neutralleiter N ausgestattet. Die zweite Übertragungsleitung 3 und damit auch der Anschluss 18, über den die Anordnung von Energiespeichern 8 in die lokale Energieversorgungsanlage einspeisen, ist einphasig ausgeführt (hier beispielhaft an L3 angeschlossen). Das Koppelelement 12 weist in dieser Ausführungsform eine Phasenverbindungsvorrichtung 23 auf. Bei Netzausfall können die auf die Außenleiter L1 , L2, L3 aufgeteilten Verbraucher bei Verbindung über den ersten und zweiten Schalter 11, 13 und die Phasenverbindungsvorrichtung 23 von der einphasigen Anordnung von Energiespeichern 8 versorgt werden.
Figur 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Koppeleinrichtung 10. In dieser Ausgestaltung weist das Koppelelement 12 eine Vorrichtung 24 zur Generierung eines Neutralleiterpotentials in Form eines Autotransformers oder auch Spartransformators auf. Die erste Übertragungsleitung 2 ist mit zwei Außenleitern L1 , L2 und einem Neutralleiter N für ein Einphasen-Dreileiternetz ausgeführt. Die zweite Übertragungsleitung 3 und damit auch der Anschluss 18, über den die Anordnung von Energiespeichern 8 in die lokale Energieversorgungsanlage 1 einspeisen kann, ist hierbei zweiphasig ohne Neutralleiter N ausgeführt. Daher muss im Backup- Betrieb ein Neutralleiterpotential durch die Vorrichtung 24 generiert werden. Dies wird zum Anschluss von einphasigen Verbrauchern zwischen einer Phase und dem Neutralleiter N benötigt. Im Beispiel ist des Weiteren angenommen, dass ein Schalten des Neutralleiters N regulatorisch verboten ist, weshalb der ersten Schalter 11 nur mit zwei Schaltkontakten für die zwei Außenleiter L1 , L2 ausgestattet ist.
Bezugszeichenliste
1 Energieversorgungsanlage
2, 3 Übertragungsleitung
4 Netzübergabepunkt
5 Energieversorgungsnetz
6 Anordnung von Verbrauchern
7, 9 Trennstelle
8 Anordnung von Energiespeichern
10 Koppeleinrichtung
11 , 13 Schalter 12 Koppelelement 20 Batterie 21 Erzeuger 22 Erdungsvorrichtung
23 Phasenverbindungsvorrichtung
24 Vorrichtung zur Generierung eines Neutralleiterpotentials
25 Konverter

Claims

Ansprüche
1. Lokale Energieversorgungsanlage (1) mit einem Netzübergabepunkt (4) zum
Anschluss eines Energieversorgungsnetzes (5), aufweisend
• eine erste Übertragungsleitung (2) zur Übertragung elektrischer Energie von dem Netzübergabepunkt (4) zu einem ersten Anschluss (16) zum Anschließen einer Anordnung von Verbrauchern (6), wobei sich eine erste Trennstelle (7) in der ersten Übertragungsleitung (2) zwischen dem Netzübergabepunkt (4) und dem ersten Anschluss (16) befindet,
• eine zweite Übertragungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie von dem Netzübergabepunkt (4) zu einem zweiten Anschluss (18) zum Anschließen einer Anordnung von Energiespeichern (8), wobei sich eine zweite Trennstelle (9) in der zweiten Übertragungsleitung (3) zwischen dem Netzübergabepunkt (4) und dem zweiten Anschluss (18) befindet,
• eine den ersten Anschluss (16) und den zweiten Anschluss (18) elektrisch verbindende Koppeleinrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (10) einen ersten Schalter (11) und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Schalter (13) aufweist und zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltern (11, 13) ein Koppelelement (12) angeordnet ist, das mindestens ein Element aus folgender Gruppe aufweist: eine Erdungsvorrichtung, eine Phasenverbindungsvorrichtung, eine Neutralleiterverbindungsvorrichtung, eine Verbindungsvorrichtung zu einem Dieselgenerator und eine Vorrichtung zur Generierung eines Neutralleiterpotentials.
2. Lokale Energieversorgungsanlage (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Energiespeichern (8) Bestandteil der Energieversorgungsanlage (1) ist.
3. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Energiespeichern (8) weitere Energieerzeuger, bevorzugt aus erneuerbaren Energiequellen, umfasst.
4. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (11) angeschlossen ist zwischen dem ersten Anschluss (16) und dem Koppelelement (12), der zweite Schalter (13) angeschlossen ist zwischen dem zweiten Anschluss (18) und dem Koppelelement (12).
5. Lokale Energieversorgungsanlage (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Übertragungsleitung (2) eine erste Anzahl Außenleiter aufweist und der erste Schalter (11 ) eine entsprechende erste Anzahl Schaltkontakte, sowie einen Schaltkontakt für den Neutralleiter (N) aufweist.
6. Lokale Energieversorgungsanlage (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Übertragungsleitung (2) eine erste Anzahl Außenleiter aufweist und der erste Schalter (11 ) eine entsprechende erste Anzahl Schaltkontakte aufweist und der Neutralleiter (N) nicht durch den ersten Schalter (11 ) geschaltet wird.
7. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Übertragungsleitung (3) eine zweite Anzahl Außenleiter aufweist und der zweite Schalter (13) eine entsprechende zweite Anzahl Schaltkontakte, sowie einen Schaltkontakt für den Neutralleiter (N) aufweist.
8. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (12) eine Erdungsvorrichtung (22) aufweist, die eine Verbindung zwischen dem Neutralleiter (N) und Erde herstellt.
9. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche soweit rückbezogen auf Anspruch 5, 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anzahl größer ist als die zweite Anzahl und das Koppelelement (12) eine Phasenverbindungsvorrichtung (23) aufweist, die mehrere Außenleiter der ersten Übertragungsleitung (2) mit einem Außenleiter der zweiten Übertragungsleitung (3) verbindet.
10. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Übertragungsleitung (2) für ein Einphasen-Dreileiternetz geeignet ausgeführt ist und das Koppelelement (12) eine Vorrichtung zur Generierung eines Neutralleiterpotentials (24) in Form eines Spartransformators aufweist.
11. Lokale Energieversorgungsanlage (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trennstelle (7), die zweite Trennstelle (9), der erste Schalter (11) und der zweite Schalter (13) jeweils Hilfskontakte aufweisen und mittels der Hilfskontakte eine elektromechanische Verriegelung dergestalt aufgebaut wird, so dass auch bei Ausfall einer zentralen Steuereinheit eine Umschaltung in einen Backup-Betrieb möglich ist.
12. Lokale Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (12) einen Anschluss für einen Generator aufweist.
13. Verfahren zum Betrieb einer lokalen Energieversorgungsanlage (1) aufweisend
• eine erste Übertragungsleitung (2) zur Übertragung elektrischer Energie von einem Netzübergabepunkt (4) zu einem ersten Anschluss (16) zum Anschließen einer Anordnung von Verbrauchern (6), wobei sich eine erste Trennstelle (7) in der ersten Übertragungsleitung (2) zwischen dem Netzübergabepunkt (4) und dem ersten Anschluss (16) befindet,
• eine zweite Übertragungsleitung (3) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem Netzübergabepunkt (4) zu einem zweiten Anschluss (18) zum Anschließen einer Anordnung von Energiespeichern (8), wobei sich eine zweite Trennstelle (9) in der zweiten Übertragungsleitung (3) zwischen dem Netzübergabepunkt (4) und dem zweiten Anschluss (18) befindet,
• eine Koppeleinrichtung (10) elektrisch verbunden mit dem ersten Anschluss (16) und dem zweiten Anschluss (18), wobei die Koppeleinrichtung (10) einen ersten Schalter (11) und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Schalter (13) aufweist und zwischen die beiden in Reihe geschalteten Schaltern (11, 13) ein Koppelelement (12) geschaltet ist, und
• eine zentrale Steuereinheit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
■ in einem Normalbetrieb werden durch die zentrale Steuereinheit die erste und die zweite Trennstelle (7, 9) geschlossen und die beiden Schalter (11 , 13) der Koppeleinrichtung (10) geöffnet, ■ in einem Backup-Betrieb werden durch die zentrale Steuereinheit die erste und die zweite Trennstelle (7, 9) geöffnet und die beiden Schalter (11, 13) der Koppeleinrichtung (10) geschlossen, wodurch das Koppelelement (12) aktiviert wird.
14. Verfahren zum Betrieb einer lokalen Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 13, wobei die erste und die zweite Trennstelle (7, 9) und die beiden in Reihe geschalteten Schalter (11, 13) gleichzeitig geschaltet werden.
15. Verfahren zum Betrieb einer lokalen Energieversorgungsanlage (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei an dem Netzübergabepunkt (4) Netzparameter eines Energieversorgungsnetzes (5) gemessen werden und an die zentrale Steuereinheit übermittelt werden und die zentrale Steuereinheit das Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Trennstelle (7, 9), sowie der beiden Schalter (11, 13) der Koppeleinrichtung (10) steuert.
EP20749867.6A 2019-08-06 2020-07-30 Energieversorgungsanlage mit einer koppeleinrichtung Pending EP4010956A1 (de)

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