WO2002033801A1 - Verteilungssystem für elektrische energie - Google Patents

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WO2002033801A1
WO2002033801A1 PCT/EP2001/011037 EP0111037W WO0233801A1 WO 2002033801 A1 WO2002033801 A1 WO 2002033801A1 EP 0111037 W EP0111037 W EP 0111037W WO 0233801 A1 WO0233801 A1 WO 0233801A1
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WO
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voltage
medium
inverter
distribution system
busbar
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PCT/EP2001/011037
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Lothar Heinemann
Andreas Diwes
Jean-Jacques Maillet
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Abb Research Ltd.
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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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
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a needs-based distribution system for electrical energy, for example for supplying a medium-sized industrial company or a larger administration building with a large number of critical consumers (computers, sensitive manufacturing processes) and e.g. of electric drives can be used, and at the same time enables an efficient integration of modern distributed power generators.
  • UPS systems which can either be arranged decentrally close to the consumer to be protected (e.g. a small data center) or centrally at the entry point near the switchgear and the low-voltage distribution UPS systems are performed either with power electronic converters or regulated generator / motor sets on the low voltage side, see the references [1] and [2].
  • UPS centrally located UPS systems.
  • the power range of such systems ranges from less than 100 kW to a few MW.
  • Batteries are usually used as short-term energy storage devices to bridge short power failures (less than a second to a few minutes), but they must be accommodated in a separate room with air conditioning.
  • flywheels and capacitors with a high storage density are also available to bridge short power outages.
  • Diesel generators are usually used for longer power outages.
  • the use of diesel generators for the constant generation of electrical energy and the use of waste heat to cover the heat requirement on the customer side is not very widespread, since diesel generators are not considered to be very environmentally friendly. Nevertheless, such systems are offered on the market, especially for higher outputs (from approx. 300 KW).
  • the small gas turbines (so-called ⁇ -turbines) or fuel cells, which are classified as environmentally friendly, are much more interesting for the constant generation of electrical energy and the use of waste heat for heating needs. Due to technical innovations in recent years, they are now also economically attractive, so that a boom for these environmentally friendly energy producers can be expected in the near future.
  • the disadvantage here is that such energy generators always force a multi-stage power electronic conversion of the electrical energy generated, since the frequency of the electrical energy generated and the voltage level do not match that of the network.
  • the active filter functions and the actual UPS function can also be combined.
  • the "Line -Interactive "UPS system act as an active filter and compensate current harmonics of the load. In this case, the converter behaves like a current source.
  • the "Line Interactive” UPS system then functions as a voltage source and generates its own network for the consumers to be protected; see [5] and [6].
  • the invention is therefore based on the object of specifying a distribution system for electrical energy which, in addition to the usual functions, such as providing electrical energy from a medium-voltage network, voltage conversion from the medium-voltage to the low-voltage side, standard protective functions in the event of short-circuits on the low-voltage side, and also an additional function for improving the Supply quality realized in undisturbed and in disturbed network operation, as well as an integrated interface for modern distributed power generators.
  • This object is achieved by a distribution system for electrical energy, which has the features specified in claim 1.
  • Advantageous refinements are specified in further claims.
  • the proposed distribution system has a DC intermediate circuit to which energy stores and / or energy generators are connected.
  • the distribution system also has a second busbar to which critical consumers are connected. Different system variants are specified, however, energy supply from the DC link to the second busbar is possible with all variants.
  • Fig. 1a, Fig. 1b and Fig. 1c needs-based distribution systems for electrical
  • Fig. 3 needs-based distribution system for electrical energy, with a low-voltage side second variant of an arrangement according to the invention
  • Fig. 4 needs-based distribution system for electrical energy, with a third variant on the low voltage side of an arrangement according to the invention.
  • 1a to 1c show different distribution systems according to the prior art.
  • 1a shows a needs-based distribution system for electrical energy, in which a medium-voltage network 80 feeds into a conventional medium-voltage / low-voltage (MV / LV) local network station 10.
  • the local network station 10 contains as standard an MV switch disconnector 11 with MV fuses, one MV / LV distribution transformer 12 and an LV busbar 13.
  • MV / LV medium-voltage / low-voltage
  • the UPS system 30 contains a rectifier 31, an inverter 32 and a short-term energy store 33
  • the bridged circuit breaker 34 is open in normal operation and is only closed in the event of a fault within the UPS system 30 or in the event of maintenance work ..
  • a diesel generator 20 can be switched on in the event of a longer mains failure time to be bridged a circuit breaker closed to the generator, and at the same time a circuit breaker opened to the mains.
  • a disadvantage of such an “online UPS system” is the high losses (overall efficiency usually 90-92%), which have to be dissipated as heat.
  • the switch 34 can be closed in normal operation and the UPS system can only be operated in stand-by mode. In this case one speaks of an "offline UPS system", see also [1] and [5].
  • FIG. 1 b shows a known distribution system for electrical energy, with a conventional MV / LV local network station 10, analogous to FIG. 1 a, with a “line interactive UPS system” 40 and a modern distributed power generator 60.
  • the UPS system 40 consists of an inverter 41, a short-term energy store 42, a circuit breaker 43 and an inductor 44 for decoupling a busbar 45 for critical loads 46 from the mains.
  • the circuit breaker 43 is normally closed and is designed either as a fast mechanical switch or as a thyristor switch In the event of a fault within the supply network 80, the switch 43 is opened.
  • the inverter 41 then generates its own network and continues to supply the critical loads 46 with electrical energy.
  • V A disadvantage of a "line interactive UPS system” are the low losses (overall efficiency is usually 97-98%), which also lead to a significant reduction in costs during operation.
  • the modern distributed power generator 60 shown in FIG. 1b can be, for example, a small gas turbine. This usually consists of a rapidly rotating generator 61 which, depending on the operating point, outputs a variable AC voltage with a frequency of more than 1 kHz. This In order to be able to feed the electrical energy into the network, AC voltage is first rectified with a rectifier 62, and then converted again into a 50 Hz AC voltage with an inverter 63. In the case of undisturbed mains operation, the inverter 63 functions as a current source. In the event of a grid failure, the distributed power generator can also be used as a voltage source if appropriately regulated and disconnected to the medium-voltage side.
  • FIG. 1c finally shows a needs-based distribution system for electrical energy with a conventional MV / LV local network station 10, analogous to FIG. 1a, with an “active filter” 50 and a distributed power generator 60, analogous to FIG. 1b.
  • the active filter 50 consists of an inverter 52, a short-term energy store 53 and a choke coil 51.
  • An example of a drive 70 is connected here as a consumer, which usually consists of a rectifier 71, an intermediate circuit capacitor 72, an inverter 73 and a motor 74.
  • the active filter has the task of compensating for the mains-side harmonics caused by the drive.
  • FIG. 2 shows a first arrangement variant according to the invention, in which all positive properties of the circuits described with reference to FIGS. 1a, 1b and 1c are combined.
  • a medium-voltage network 190 into a conventional MV / LV local network station 100, with which the standard functions, such as connection to the medium-voltage network, voltage conversion and protection, are implemented.
  • An MV switch-disconnector 110 with MV fuses, an MV / LV distribution transformer 111 and a first LV busbar 112 are used for this purpose, with which normal first loads 160, for example lamps, are supplied, which can be switched off in the event of a network fault.
  • a second busbar 115 is arranged to supply critical consumers 170.
  • a “line interactive UPS system” is used, which is constructed analogously to the UPS system in FIG. 1b.
  • DC voltage consumers 150 can also be supplied directly or by means of downstream DC voltage converters with potential isolation, for example also for providing DC voltage with a different voltage level, from the DC voltage intermediate circuit 180.
  • a small gas turbine can be connected as the energy generator 121, and a fuel cell arrangement or a photovoltaic system as the energy generator 122.
  • a motor / generator with a flywheel can be connected as short-term energy store 140, or a capacitor with high energy density, for example, can be connected as short-term energy store 141.
  • DC consumers 150 can also be connected via a separate DC bus, e.g. in administration buildings in which distributed consumers are fed or distributed small power generators (e.g. small fuel cell units on each floor of the administration building) are connected.
  • distributed small power generators e.g. small fuel cell units on each floor of the administration building
  • the inverter 116 can act as an active filter and compensate the current harmonics of the consumers connected to the busbar 115, possibly also 112, or even enable a sinusoidal current consumption at the medium voltage level on the mains side by adjusting the current harmonic content.
  • the inverter 116 on the DC side either electrical energy from the power supply for the supply of the drives or other downstream consumers, or it can feed the information provided by the distributed power generators energy into the grid. This can be done in both energy flow directions in such a way that a sinusoidal current is always reached on the network side, regardless of how harmonic the current on the second busbar 115 of the downstream consumers 170 is. This also applies if the load current is not evenly distributed over all three phases.
  • the inverter 116 may be also operated such that the phase angle between current and voltage on the network side can be arbitrarily set (integrated power factor correction), and that current harmonics, which are caused by the downstream components 160 of the first bus bar 112 can be compensated. In this way, a sinusoidal current or harmonic content can always be drawn from the medium-voltage network. This eliminates reactive power compensation systems on the medium voltage side.
  • the inverter 216 is not connected directly to a busbar 215 for supplying critical loads 270, but the connection is realized by means of a third winding of the distribution transformer 211.
  • the inverter 216 again functions as an active filter, with which all current harmonics can be compensated directly in this arrangement. Accordingly, a sinusoidal current is always consumed on the medium-voltage side, regardless of whether the harmonics are generated by the critical consumers 270 or the normal consumers 260.
  • reactive power compensation is of course also possible on the medium-voltage side, which on the network side reacts with a defined phase angle between current and voltage. can be lized.
  • the disconnection from the medium-voltage network is carried out with the load-break switch 210 in the event of malfunction.
  • the inverter then takes over the supply to the consumers on the low-voltage side.
  • the busbar 212 of the normal consumer 260 can remain switched on, depending on the load.
  • the fast circuit breaker 213 can also disconnect the busbar 212 for the normal consumers 260 and the busbar 215 for the critical consumers 270 in the event of a fault. All the other functions and possibilities already mentioned resulting on the DC voltage side of the inverter 216 are directly comparable to the configuration according to FIG. 2.
  • An advantage of the embodiment according to FIG. 3 compared to the embodiment according to FIG. 2 is that the level of the DC voltage intermediate circuit can be freely determined.
  • FIG. 4 A further embodiment of the needs-based distribution system is finally shown in FIG. 4.
  • the function of the system is ensured by directly connecting the inverter 316 to the primary or secondary side of the transformer 311, or via a second transformer 317 for voltage adjustment.
  • the function of the system is otherwise identical to the version according to FIG. 3.

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verteilungssystem für elektrische Energie, das aufweist: a) Schaltmittel (110, 210, 310) zur Entnahme elektrischer Energie aus einem Mittelspannungsnetz (190, 290, 390), wenigtens einen Mittelspannungs/Niderspannungs-Transformator (111, 211, 311), eine erste Sammelschiene (112, 212, 312), an die erste Verbraucher (160, 260, 360) angeschlossen sind, eine zweite Sammelschiene (115, 215, 315), an die zweite Verbraucher (170, 270, 370) angeschlossen sind, die hohe Anforderungen an die Versorgungsqualität haben, Schaltmittel (113, 213, 313) zur elektrischen Verbindung der beiden Sammelschienen (112 und 115, 212 und 215, 312 und 315) vorhanden sind, wobei der Mittelspannungs/Niederspannungs-Transformator (111, 211, 311) in die erste Sammelschiene (112, 212, 312) oder in die zweite Sammelschiene (115, 215, 315) einspeist, b) einen Gleichspannungszwischenkreis (180, 280, 380), an den mindestens ein elektrischer Energieerzeuger (120, 121, 122, 220, 221, 222, 320, 321, 322, 140, 240, 340) und/oder mindestens ein elektrischer Energiespeicher (140, 240, 340, 141, 241, 341) angeschlossen ist, und c) Mittel (116, 216, 316, 211, 317) zur Umformung der Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis (180, 280, 380) und zur Einspeisung wenigstens in die zweite Sammelschiene (115, 215, 315).

Description

Verteilunqssvstem für elektrische Energie
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein bedarfsgerechtes Verteilungssystem für elektrische Energie, das beispielsweise zur Versorgung eines mittleren Industrieunternehmens oder eines größeren Verwaltungsgebäudes mit einer Vielzahl von kritischen Verbrauchern (Computer, sensible Herstellungsprozesse) und z.B. von elektrischen Antrieben verwendet werden kann, sowie gleichzeitig eine effiziente Einbindung von modernen verteilten Stromerzeugern ermöglicht.
Durch die Deregulierung des Energiemarktes verändern sich Kundenanforderungen an Produkte und Systeme, die für die Verteilung, die Überwachung und die Einhaltung einer gewissen Versorgungsqualität der elektrischen Energie notwendig sind. D.h., waren zuvor Standardkomponenten, wie konventionelle Mittelspannungsschaltanlagen ausschließlich gefragt, zeigt sich jetzt ein vermehrter Bedarf an technisch anspruchsvollen Lösungen, mit denen einerseits die Übertragungsfähigkeit der Netze gesteigert (z.B. durch erhöhten Einsatz verteilter Stromerzeuger mit gleichzeitiger Nutzung der Abwärme zur Deckung des Heizbedarfs) und andererseits die Versorgungsqualität verbessert werden kann.
Zur Verbesserung der Versorgungsqualität sind unterschiedliche Systeme bekannt, die je nach Kundenbedürfnis angepaßt werden können. Weit verbreitet sind die verschiedenen Ausführungsformen der „Unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen" = USV-Anlagen, die entweder dezentral direkt in der Nähe des zu schützenden Verbrauchers (z.B. ein kleines Rechenzentrum) oder zentral am Einspeisepunkt in der Nähe der Schaltanlage und der Niederspannungsverteilung angeordnet werden können. Derartige USV-Anlagen werden entweder mit leistungselektronischen Umrichtern oder mit geregelten Generator/Motorsätzen auf der Niederspannungsseite ausgeführt, siehe hierzu die Literaturstellen [1] und [2]. Erst bei sehr großen Leistungen (üblicherweise , größer als 1 MW) werden USV-Anlagen oder Anlagen mit ähnlichen Funktionen (z.B. der dynamische Spannungsstabilisator = DVR) auf der Mittelspannungsseite angeordnet; siehe hierzu auch [3]. Durch die steigende Anzahl kritischer elektrischer Verbraucher auf der Kundenseite, ist ein deutlicher Trend zu zentral angeordneten USV-Anlagen zu erkennen. Der Leistungsbereich solcher Anlagen erstreckt sich dabei von weniger als 100 kW bis hin zu einigen MW. Zur Überbrückung kurzer Netzausfälle (weniger als eine Sekunde bis hin zu einigen Minuten) werden dabei als Kurzzeitenergiespeicher üblicherweise Batterien verwendet, die allerdings in einen separatem Raum mit Klimaanlage untergebracht werden müssen. Neben Batterien stehen allerdings auch Schwungräder (sogenannte Flywheels) und Kondensatoren mit hoher Speicherdichte (sogenannte Super- oder Ultrakondensatoren) zur Überbrückung kurzer Netzausfallzeiten zur Verfügung.
Für längere Netzausfallzeiten werden üblicherweise Dieselgeneratoren verwendet. Die Verwendung von Dieselgeneratoren zur ständigen Erzeugung elektrischer Energie und die Verwendung der Abwärme zur Deckung des Wärmebedarfs auf der Kundenseite ist allerdings nicht sehr weit verbreitet, da Dieselgeneratoren als nicht sehr umweltfreundlich gelten. Gleichwohl werden solche Systeme aber am Markt, insbesondere bei höheren Leistungen (ab ca. 300 KW) angeboten.
Weitaus interessanter zur ständigen Erzeugung von elektrischer Energie und der Nutzung der Abwärme für den Heizbedarf sind die als umweltfreundlich eingestuften kleinen Gasturbinen (sogenannte μ-turbinen) oder Brennstoffzellen anzusehen. Sie sind, bedingt durch technische Innovationen in den letzten Jahren, mittlerweile auch ökonomisch attraktiv, so dass in naher Zukunft mit einem Boom für diese umweltfreundlichen Energieerzeuger gerechnet werden kann. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass derartige Energieerzeuger immer eine mehrstufige leistungselektronische Konvertierung der erzeugten elektrischen Energie erzwingen, da die Frequenz der erzeugten elektrischen Energie und die Spannungshöhe nicht mit der des Netzes übereinstimmen.
Neben den oben beschriebenen typischen USV-Anlagen zur sicheren Versorgung kritischer Verbraucher existiert auf der Niederspannungsebene noch eine zweite Klasse von Anlagen zur Verbesserung der Versorgungsqualität. Dies sind entweder aktive oder passive Filter, welche die durch eine nichtlineare Last erzeugten Stromoberschwingungen kompensieren, netzseitig für einen sinusförmigen Strom ohne Oberschwingungen oder mit nur geringem Oberschwingungsgehalt sorgen und damit auch die Spannungs- qualität verbessern. Passive Filter sind dabei üblicherweise als zuschaltbare Reihenoder Parallelschwingkreise ausgeführt, die auf die verschiedenen Frequenzen der Oberschwingungen abgestimmt werden. Bei aktiven Filtern werden die Stromoberschwingungen mit Hilfe eines leistungselektronischen Umrichters herausgefiltert; siehe hierzu auch [4].
Bei der als sogenannte „Line-Interactive" bekannten USV-Anlage lassen sich die aktiven Filterfunktionen und die eigentliche USV-Funktion auch kombinieren. Im Falle des ungestörten Lastflusses (Energie wird vom Netz bereitgestellt, USV-Funktion nicht erforderlich), kann die „Line-Interactive" USV-Anlage als aktiver Filter fungieren und Stromoberschwingungen der Last kompensieren. Der Umrichter verhält sich in diesem Fall wie eine Stromquelle. Im Falle einer Netzstörung übernimmt dann die „Line- Interactive" USV-Anlage die Funktion einer Spannungsquelle und generiert ein eigenes Netz für die zu schützenden Verbraucher; siehe hierzu [5] und [6].
Sowohl die verteilten Energieerzeuger als auch die verschiedenen Formen der USV- Anlagen und der aktiven Filter benötigen zum Anschluß an das Netz, bzw. im Falle der USV-Anlage zum Anschluß an die zu schützende Last, immer den gleichen Umrichtertyp. Da die Umrichterkosten einen wesentlichen Anteil an den Gesamtkosten der jeweiligen Produkte ausmachen, erscheint es wenig sinnvoll, bei einer Kombination der verschiedenen Produkte (verteilte Energieerzeuger, USV-Anlagen, aktive Filter) jeweils die kompletten Umrichtersätze zu installieren. Viel sinnvoller wäre die gemeinschaftliche Nutzung der gleichen Umrichtertypen (z.B. die Umrichter zur Netzanbindung) und die Realisierung der Funktionen mit einer Regelung zu erfüllen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verteilungssystem für elektrische Energie anzugeben, das neben den üblichen Funktionen, wie Bereitstellung elektrischer Energie aus einem Mittelspannungsnetz, Spannungskonvertierung von der Mittelspannungs- zur Niederspannungsseite, Standardschutzfunktionen bei Kurzschlüssen auf der Niederspannungsseite, auch zusätzliche Funktion zur Verbesserung der Versorgungsqualität im ungestörten und im gestörten Netzbetrieb realisiert, sowie eine integrierte Schnittstelle für moderne verteilte Stromerzeuger aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Verteilungssystem für elektrische Energie gelöst, das die im Anspruch 1 angegeben Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Das vorgeschlagene Verteilungssystem weist als integrierte Schnittstelle einen Gleichspannungszwischenkreis auf, an den Energiespeicher und/oder Energieerzeuger angeschlossen sind. Das Verteilungssystem weist neben einer ersten Sammelschiene, an die "normale" Verbraucher angeschlossen sind, auch eine zweite Sammelschiene auf, an die kritische Verbraucher angeschlossen sind. Es sind unterschiedliche Systemvarianten angegeben, eine Energieeinspeisung aus dem Gleichspannungszwischenkreis in die zweite Sammelschiene ist jedoch bei allen Varianten möglich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a, Fig. 1b und Fig. 1c Bedarfsgerechte Verteilungssysteme für elektrische
Energie nach dem Stand der Technik, mit niederspannungsseitig unterschiedlichen Schaltungsanordnungen,
Fig. 2 Bedarfsgerechtes Verteilungssystem für elektrische Energie, mit einer niederspannungsseitig ersten Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 3 Bedarfsgerechtes Verteilungssystem für elektrische Energie, mit einer niederspannungsseitig zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung, und
Fig. 4 Bedarfsgerechtes Verteilungssystem für elektrische Energie, mit einer niederspannungsseitig dritten Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Fig.1a bis 1c zeigen verschiedene Verteilungssysteme nach dem Stand der Technik. Fig. 1a zeigt dabei ein bedarfsgerechtes Verteilungssystem für elektrische Energie, bei dem ein Mittelspannungsnetz 80 in eine übliche Mittelspan- nungs/Niederspannungs(MV/LV)-Ortsnetzstation 10 einspeist. Die Ortsnetzstation 10 enthält standardmäßig einen MV-Lasttrennschalter 11 mit MV-Sicherungen, einen MV/LV-Verteilertransformator 12 und eine LV-Sammelschiene 13. Zur Versorgung kritischer Verbraucher ist niederspannungsseitig eine sogenannte „Online USV-Anlage" 30 aufgeführt. Die USV-Anlage 30 enthält einen Gleichrichter 31 , einen Wechselrichter 32 und einen Kurzzeitenergiespeicher 33. Ein zur Überbrückung angeordneter Leistungsschalter 34 ist im Normalbetrieb geöffnet, und wird nur im Falle einer Störung innerhalb der USV-Anlage 30, oder im Falle von Wartungsarbeiten geschlossen. Ein Dieselgenerator 20 ist im Falle einer längeren zu überbrückenden Netzausfallzeit zuschaltbar. Hierzu wird nach dem Hochfahren des Generators ein Leistungsschalter zum Generator hin geschlossen, und gleichzeitig ein Leistungsschalter zum Netz hin geöffnet. Nachteilig bei einer solchen „Online USV-Anlage" sind die hohen Verluste (Gesamtwirkungsgrad üblicherweise bei 90-92%), die als Wärme abgeführt werden müssen.
Alternativ kann der Schalter 34 im Normalbetrieb geschlossen sein, und die USV- Anlage nur im Stand-by Modus betrieben werden. In diesem Fall spricht man von einer „Offline USV-Anlage", siehe hierzu auch [1] und [5].
Fig. 1 b zeigt ein bekanntes Verteilungssystem für elektrische Energie, mit einer üblichen MV/LV-Ortsnetzstation 10, analog Fig. 1a, mit einer „Line-Interactive USV-Anlage" 40 und einem modernen verteilten Stromerzeuger 60. Die USV-Anlage 40 besteht aus einem Wechselrichter 41 , einem Kurzzeitenergiespeicher 42, einem Leistungsschalter 43 und einer Drosselspule 44 zur Entkopplung einer Sammelschiene 45 für kritische Verbraucher 46 vom Netz. Der Leistungsschalter 43 ist normalerweise geschlossen. Er wird entweder als schneller mechanischer Schalter oder als Thyristorschalter ausgeführt. Im Falle einer Störung innerhalb des speisenden Netzes 80 wird der Schalter 43 geöffnet. Der Wechselrichter 41 generiert dann ein eigenes Netz und versorgt die kritischen Verbraucher 46 weiter mit elektrischer Energie. Analog dem gezeigten Beispiel in Fig. 1a kann auch hier ein Dieselgenerator 61 im Falle einer längeren zu überbrückenden Netzausfallzeit zugeschaltet werden; siehe hierzu [7]. Vorteilhaft bei einer „Line- Interactive USV-Anlage" sind die niedrigen Verluste (Gesamtwirkungsgrad üblicherweise bei 97-98%), die auch zu einer deutlichen Reduzierung der Kosten während des Betriebes führen. Bei dem in Fig. 1b dargestellten modernen verteilten Stromerzeuger 60 kann es sich beispielsweise um eine kleine Gasturbine handeln. Diese besteht üblicherweise aus einem schnell rotierendem Generator 61 , der je nach Betriebspunkt eine variable Wechselspannung mit einer Frequenz von mehr als 1 kHz abgibt. Diese Wechselspannung wird, um die elektrische Energie ins Netz einspeisen zu können, zunächst mit einem Gleichrichter 62 gleichgerichtet, und anschließend mit einem Wechselrichter 63 wieder in eine 50Hz Wechselspannung umgeformt. Der Wechselrichter 63 fungiert bei ungestörtem Netzbetrieb als Stromquelle. Bei Netzstörung kann der verteilte Stromerzeuger bei entsprechender Regelung und bei einer Freischaltung zur Mittelspannungsseite hin aber auch als Spannungsquelle eingesetzt werden.
Fig. 1c zeigt schließlich ein bedarfsgerechtes Verteilungssystem für elektrische Energie mit einer üblichen MV/LV-Ortsnetzstation 10, analog Fig. 1a, mit einem „aktiven Filter" 50 und einem verteilten Stromerzeuger 60, analog Fig. 1b. Das aktive Filter 50 besteht aus einem Wechselrichter 52, einem Kurzzeitenergiespeicher 53 und einer Drosselspule 51. Als Verbraucher ist hier beispielhaft ein Antrieb 70 angeschlossen, der üblicherweise aus einem Gleichrichter 71 , einem Zwischenkreiskondensator 72, einem Wechselrichter 73 und einem Motor 74 besteht. Denkbar ist aber auch, dass an den Gleichspannungszwischenkreis mehrere Wechselrichter 73 und Motoren 74 angeschlossen werden, wobei der Zwischenkreis nur mit einem Gleichrichter 71 netzseitig verbunden wird. Das aktive Filter hat im vorliegenden Beispiel die Aufgabe, die durch den Antrieb verursachten netzseitigen Stromoberschwingungen zu kompensieren.
Fig. 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnungsvariante, bei der alle positiven Eigenschaften der anhand der Figuren 1a, 1b und 1c beschriebenen Schaltungen vereinigt sind.
Auch beim erfindungsgemäßen Verteilungssystem für elektrische Energie erfolgt eine Einspeisung aus einem Mittelspannungsnetz 190 in eine übliche MV/LV-Ortsnetzstation 100, mit der die standardmäßigen Funktionen, wie Anbindung an das Mittelspannungsnetz, Spannungskonvertierung und Schutz realisiert sind. Hierzu dienen ein MV- Lasttrennschalter 110 mit MV-Sicherungen, ein MV/LV-Verteilertransformator 111 und eine erste LV-Sammelschiene 112, mit der normale erste Verbraucher 160, z.B. Lampen versorgt werden, die im Falle einer Netzstörung abgeschaltet werden können. Zur Versorgung kritischer Verbraucher 170 ist eine zweite Sammelschiene 115 angeordnet. Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit der kritischen Verbraucher ist eine „Line-Interactive USV-Anlage" verwendet, die analog der USV-Anlage in Fig. 1b aufgebaut ist. Sie enthält einen Wechselrichter 116, einen Leistungsschalter 113 und eine Dros- seispule 114 zur Entkopplung zwischen der Sammelschiene 115 für die kritischen Verbraucher 170 und der Sammelschiene 112 für die normalen Verbraucher 160. Im Gegensatz zu den in den Figuren 1a, 1b und 1c dargestellten Verteilungssystemen, sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 2 alle verteilten Energieerzeuger 120, 121 , 122, Kurzzeitenergiespeicher 140, 141 , der Wechselrichter 116 und gegebenenfalls Antriebe 130, 131 und 132 über einen Gleichspannungszwischenkreis 180 miteinander verbunden. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis 180 können auch Gleichspannungsverbraucher 150 direkt oder mittels nachgeschalteter Gleichspannungswandler mit Potentialtrennung gespeist werden, beispielsweise auch zur Bereitstellung von Gleichspannung mit einem anderen Spannungsniveau.
Als Energieerzeuger 121 kann beispielsweise eine kleine Gasturbine angeschlossen sein, als Energieerzeuger 122 eine Brennstoffzellenanordnung oder ein Photovoltaiksy- stem.
Als Kurzzeitenergiespeicher 140 kann ein Motor/Generator mit Schwungrad, oder als Kurzzeitenergiespeicher 141 beispielsweise ein Kondensator mit hoher Energiedichte angeschlossen sein.
Gleichspannungsverbraucher 150 können auch über eine separate Gleichspannungs- sammelschiene angeschlossen sein, z.B. in Verwaltungsgebäuden, in denen verteilte Verbraucher gespeist oder auch verteilte kleine Stromerzeuger (z.B. kleine Brennstoffzelleneinheiten auf jeder Etage des Verwaltungsgebäudes) verbunden werden.
Mit der vorgeschlagenen Anordnung mit Gleichspannungszwischenkreis 180 kann eine Vielzahl von Umrichtern im Vergleich zu konventionellen Anordnungen eingespart werden, und damit können auch deutlich Kosten eingespart werden. Zudem wird ein deutlich besserer Wirkungsgrad erreicht.
Mit einer entsprechenden Regelung des Wechselrichters 116 sind eine Vielzahl von
Funktionen möglich:
■ Spannungsregelung des gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreises, um Schwingungen bei den sich ständig ändernden Belastungen durch Antriebe oder andere nachgeschaltete Verbraucher oder verteilte Stromerzeuger zu vermeiden. ■ Der Wechselrichter 116 kann im ungestörten Netzbetrieb als aktives Filter fungieren und die Stromoberschwingungen der an der Sammelschiene 115, gegebenenfalls auch 112 angeschlossenen Verbraucher kompensieren bzw. sogar durch Einstellen des Stromoberschwingungsgehaltes netzseitig eine sinusförmige Stromaufnahme auf Mittelspannungsebene ermöglichen.
■ Gleichzeitig kann der Wechselrichter 116 auf der Gleichspannungsseite entweder elektrische Energie aus dem Netz für die Versorgung der Antriebe oder anderer nachgeschalteter Verbraucher bereitstellen, oder er kann die von den verteilten Stromerzeugern bereitgestellte Energie in das Netz einspeisen. Dies kann in beiden Energieflußrichtungen so erfolgen, dass immer ein sinusförmiger Strom auf der Netzseite erreicht wird, und zwar unabhängig davon, wie oberschwingungsbehaftet der Strom an der zweiten Sammelschiene 115 der nachgeschalteten Verbraucher 170 ist. Dies gilt auch dann, wenn der Laststrom nicht über alle drei Phasen gleichmäßig verteilt ist.
■ Der Wechselrichter 116 kann zudem so betrieben werden, dass die Phasenlage zwischen Strom und Spannung auf der Netzseite beliebig eingestellt werden kann (integrierte Blindleistungskompensation), und dass auch Stromoberschwingungen, die durch die nachgeschalteten Verbraucher 160 der ersten Sammelschiene 112 verursacht sind, kompensiert werden. Auf diese Weise kann dem Mittelspannungsnetz immer ein sinusförmiger Strom oder Oberschwingungsgehalt entnommen werden. Blindleistungskompensationsanlagen auf der Mittelspannungsseite können dadurch entfallen.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des bedarfsgerechten Verteilungssystems gemäß Fig. 2. Der Wechselrichter 216 wird in diesem Beispiel allerdings nicht direkt mit einer Sammelschiene 215 zur Versorgung kritischer Verbraucher 270 verbunden, sondern es wird die Verbindung mittels einer dritten Wicklung des Verteilertransformators 211 realisiert. Im Falle des ungestörten Betriebes fungiert der Wechselrichter 216 wieder als aktives Filter, mit dem in dieser Anordnung direkt alle Stromoberschwingungen kompensiert werden können. Mittelspannungsseitig wird demzufolge immer ein sinusförmiger Strom aufgenommen, unabhängig davon, ob die Oberschwingungen durch die kritischen Verbraucher 270 oder die normalen Verbraucher 260 generiert werden. Des weiteren ist natürlich auch eine Blindleistungskompensation auf der Mittelspannungsseite möglich, was netzseitig mit einem definierten Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung rea- lisiert werden kann. Im Gegensatz zu dem in Figur 2 dargestellten System wird im Falle des gestörten Betriebes die Trennung vom Mittelspannungsnetz mit dem Lasttrennschalter 210 vorgenommen. Der Wechselrichter übernimmt dann die Speisung der Verbraucher auf der Niederspannungsseite. Bei dieser Ausführungsform kann die Sammelschiene 212 der normalen Verbraucher 260 - je nach Belastung - zugeschaltet bleiben. Gegebenenfalls kann der schnelle Leistungsschalter 213 die Sammelschiene 212 für die normalen Verbraucher 260 und die Sammelschiene 215 der kritischen Verbraucher 270 im Störungsfall aber auch trennen. Alle übrigen bereits erwähnten Funktionen und Möglichkeiten resultierend auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters 216 sind direkt vergleichbar mit der Konfiguration nach Figur 2. Vorteilhaft bei der Ausführung nach Figur 3 gegenüber der Ausführung nach Figur 2 ist, dass das Niveau des Gleichspannungszwischenkreises frei festgelegt werden kann.
Eine weitere Ausführung des bedarfsgerechten Verteilungssystem zeigt schließlich Figur 4. Statt einer dritten Wicklung des MV/LV Verteilertransformators 311 wird die Funktion des Systems durch direkten Anschluß des Wechselrichters 316 an die Primäroder Sekundärseite des Transformators 311 , oder über einen zweiten Transformator 317 zur Spannungsanpassung sichergestellt. Die Funktion des Systems ist ansonsten identisch mit der Version nach Figur 3.
Literatur:
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DSP-based Active Power-Line Conditioning"; IEEE Power Electronics Conference [6] S.A.O. Da Silva, P.F. Donoso-Garcia, P.C. Cortizo; "A three Phase Series-Parallel Compensated Line-Interactive with Sinusoidal Input Current and Sinusoidal Output Voltage"; IEEE Industrial Society Annual meeting 1999
[7] Caterpillar, 250 kVA UPS system, Produktinformation

Claims

Patentansprüche
1. Verteilungssystem für elektrische Energie, das aufweist:
a) Schaltmittel (110, 210, 310) zur Entnahme elektrischer Energie aus einem Mittelspannungsnetz (190, 290, 390), wenigstens einen Mittelspan- nungs/Niederspannungs-Transformator (111 , 211 , 311), eine erste Sammelschiene (112, 212, 312), an die erste Verbraucher (160, 260, 360) angeschlossen sind, eine zweite Sammelschiene (115, 215, 315), an die zweite Verbraucher (170, 270, 370) angeschlossen sind, die hohe Anforderungen an die Versorgungsqualität haben, Schaltmittel (113, 213, 313) zur elektrischen Verbindung der beiden Sammelschienen (112 und 115, 212 und 215, 312 und 315) vorhanden sind, wobei der Mit- telspannungs/Niederspannungs-Transformator (111 , 211 , 311) in die erste Sammelschiene (112, 212, 312) oder in die zweite Sammelschiene (115, 215, 315) einspeist,
b) einen Gleichspannungszwischenkreis (180, 280, 380), an den mindestens ein elektrischer Energieerzeuger (120, 121 , 122, 220, 221 , 222, 320, 321 , 322, 140, 240, 340) und/oder mindestens ein elektrischer Energiespeicher (140, 240, 340, 141 , 241 , 341) angeschlossen ist, und
c) Mittel (116, 216, 316, 211 , 317) zur Umformung der Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis (180, 280, 380) und zur Einspeisung wenigstens in die zweite Sammelschiene (115, 215, 315).
2. Verteilungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselrichter (116) zur Verbindung des Gleichspannungszwischenkreises (180) mit der zweiten Sammelschiene (115) angeordnet ist, wobei der Wechselrichter (116) dafür eingerichtet ist, Energie in die zweite Sammelschiene (115) einzuspeisen, bzw. im Fall einer Einspeisung - über das geschlossene Schaltmittel (113) - aus dem Mittelspannungsnetz (190) als Aktivfilter zu wirken.
3. Verteilsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sammelschiene (115) über eine Drosselspule (114) mit dem Schaltmittel (113) verbunden ist.
4. Verteilsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungszwischenkreis (280) über einen Wechselrichter (216) an eine dritte Wicklung des Mittelspannungs/Niederspannungs-Transformators (211) angeschlossen ist, wobei der Wechselrichter (216) dafür eingerichtet ist, Energie in die Sammelschienen (215, 212) einzuspeisen, bzw. im Fall einer Einspeisung aus dem Mittelspannungsnetz (290) als Aktivfilter zu wirken.
5. Verteilsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungszwischenkreis (380) über einen Wechselrichter (316) an die Primär- oder Sekundärseite des Mittelspannungs/Niederspannungs-Transformators (311) angeschlossen ist, wobei der Wechselrichter (316) dafür eingerichtet ist, Energie in die Sammelschienen (315, 312) einzuspeisen, bzw. im Fall einer Einspeisung aus dem Mittelspannungsnetz (390) als Aktivfilter zu wirken.
6. Verteilsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (316) unter Zwischenschaltung eines weiteren Transformators (317) an die Primär- oder Sekundärseite des Mittelspannungs/Niederspannungs-Transformators (311) angeschlossen ist.
7. Verteilsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gleichspannungsverbraucher (150, 250, 350) direkt, oder unter Zwischenschaltung eines Gleichspannungswandlers an den Gleichspannungszwischenkreis (180, 280, 380) angeschlossen ist.
8. Verteilsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wechsel- oder Drehstromverbraucher (130, 230, 330) unter Zwischenschaltung eines Wechselrichters an den Gleichspannungszwischenkreis (180, 280, 380) angeschlossen ist.
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