WO2014083082A1 - Energieverteilungsanlage mit einer steuervorrichtung - Google Patents

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WO2014083082A1
WO2014083082A1 PCT/EP2013/074908 EP2013074908W WO2014083082A1 WO 2014083082 A1 WO2014083082 A1 WO 2014083082A1 EP 2013074908 W EP2013074908 W EP 2013074908W WO 2014083082 A1 WO2014083082 A1 WO 2014083082A1
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Ralf Bartling
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Kostal Industrie Elektrik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a power distribution system with a
  • a power distribution system may in particular be connected to a regenerative energy source, and then forms a part of, for example, a photovoltaic or a wind turbine.
  • a regenerative energy source for example, a photovoltaic or a wind turbine.
  • the following explanation relates purely by way of example and without limiting the general public to a photovoltaic system.
  • Photovoltaic systems for the at least supportive energy supply of buildings are becoming increasingly widespread.
  • the electric power output of a photovoltaic generator is subject to strong over the course of the day
  • a photovoltaic system can generate an electric power during the light hours of the day, which goes far beyond the electrical power requirements of the local installation, so that excess electrical energy can be fed into a public power grid. In the rest of the time it may be necessary to compensate
  • Photovoltaic systems with a so-called self-consumption optimization have accumulators as energy storage, which several
  • Buffering capacity of the energy storage is exceeded or if this is profitable due to daytime electricity tariffs.
  • German Offenlegungsschrift DE 101 62 955 A1 discloses an arrangement for the energy management of an uninterruptible power supply.
  • the arrangement is connected to a power supply network and also has a generator and a DC storage.
  • the arrangement operates in various modes in which a load is supplied either from the power grid, through the generator or through the DC storage, or is fed into the power grid at the power generated by the generator. To make this possible, the arrangement has two independent ones
  • Inverter One of these inverters, referred to in the document as a grid-parallel inverter, operates as a power source and supplies power to the power grid. Its tension follows the tension of the net.
  • a second inverter serves as one
  • an inverter which can operate in different modes as a current or voltage source.
  • Such an inverter, which can change its operating mode, is in this document.
  • Voltage transformers a single inverter includes, which feeds power in the network operation as a power source in the power supply network and the island in the operation as a power source, the local installation that in the network operation, the switching device, the local installation with the
  • Power supply network connects and a disconnector connects the output of the inverter to the power supply network, and that in stand-alone operation, the switching device connects the local installation with the output of the inverter and the disconnector disconnects the output of the inverter from the power supply network.
  • the switching device connects the local installation with the output of the inverter and the disconnector disconnects the output of the inverter from the power supply network.
  • the island operation allows in a power failure operation of consumers of a local installation over a period of time from the energy of a generator and / or an energy storage.
  • the invention provides at least one circuit breaker, which the
  • Disconnect power supply network as well as a switching device, which connects the local installation either to the power supply network or to the inverter output.
  • Both the circuit breaker and the switching device are formed by controllable electromechanical switch, which connect or disconnect said compounds all poles.
  • controllable electromechanical switch which connect or disconnect said compounds all poles.
  • electromechanical switches By the sole use of electromechanical switches, it can when switching between network and island operation each to a short-term (on the order of about one second) interruption of
  • the invention expressly dispenses with the provision of a completely uninterruptible
  • FIGS. 1 to 3 each show the structure of a block diagram in the form of a block diagram
  • FIG. 4 explains various possibilities for locking in a circuit diagram
  • Power distribution system is a control device 5, to which a
  • Solar generator 10 consists of a plurality of, not shown here in detail, photovoltaic modules, which in turn each have a plurality of solar cells.
  • the solar generator 10 converts radiant energy of the sun into electrical energy, wherein the output electrical power can vary depending on the current incidence of light during the day.
  • the energy storage 1 1 is provided, which preferably consists of an interconnection of batteries with a total capacity in the order of several kilowatt hours.
  • the energy storage device 1 1 can be charged by the electrical energy emitted by the solar generator 10.
  • Both the solar generator 10 and the energy storage 1 1 is within the control device 5 each have a DC / DC converter 8, 9 associated with which the output from the solar generator 10 and the energy storage 1 1 voltages to that for feeding into the public
  • the output voltages of the DC / DC converters 8, 9 are from a DC / AC converter 7, hereinafter referred to as the inverter 7, in one for supplying the local installation 3 or for feeding into the
  • Power supply 1 suitable multi-phase AC voltage transformed.
  • the DC / DC converter 9 is bidirectional in order to allow charging of the energy storage device 1 1 from the output voltage of the DC / DC converter 8.
  • the output voltage of the inverter 7 is fed to an output line 18, which via a solar energy meter 4 with a
  • Connection node 16 of the main line 15 is connected.
  • Solar energy meter 4 is used to determine the of the solar generator 10 and the energy storage 1 1 in the local installation 3 or
  • Power supply network 1 fed amount of energy.
  • a bidirectional measuring electronic energy meter 2 is looped in, both fed from the public power grid 1 and fed into the public power grid 1
  • the output of the inverter 7 is also connected to a backup line 17, which leads to switching contacts of an electromechanical switch 22 of a switching device 20.
  • a backup line 17 also switching contacts of a residual current relay 14 are inserted.
  • the residual current relay 14 is turned on by the control device 5 and interrupts the backup line 17 automatically in the event of fault currents occurring during island operation.
  • the alternating current and voltage-carrying lines 15, 17, 18 shown in simplified form in FIGS. 1 to 3 include, in addition to a
  • the control device 5 has sensors 12, 13 for a plurality of electrical variables, including at least the voltage U on the output line 18 and the output current I of the inverter 7.
  • the current sensor 12 and the voltage sensor 13 give their output signals to inputs of a microcontroller, not shown here, as Component of the control device 5 controls the inner and outer processes of the control device 5.
  • the current sensor 12 is provided for fault current detection, that is, when the sum of all currents flowing through it are not equal to zero, a measurement signal for driving the fault current relay 14 is generated.
  • control device 5 controls a switching device 20, which has two controllable electromechanical switches 21, 22, designed as contactors or relays, as well as a disconnecting switch 30 which is connected to the output line 18 and which consists of at least two
  • the number of poles of the electromechanical switches 21, 22, 31, 32 corresponds at least to the number of conductors of the connected lines 15, 17, 18, so that the switches 21, 22, 31, 32, the lines 15, 17, 18 disconnect all poles or interconnect can.
  • FIG. 1 shows the power distribution system in an inactive state, in which only the closed switch 21 of the switching device 20 connects the local installation 3 to the power supply network 1.
  • the switch 22 of the switching device 20, as well as the switches 31 and 32 of the circuit breaker 30 are not driven and therefore open, so that the
  • Control device 5 and thus also the photovoltaic generator 10 and the accumulator 1 1 are completely separated from the main line 15.
  • Operating mode is rather uncommon and may be at a fault of the control device 5, the photovoltaic generator 10 or the accumulator 1 1 may be provided as an emergency mode.
  • FIG. 2 illustrates the network operation of the standard mode
  • Connection node 16 of the main line 15 is connected.
  • the inverter 7 behaves like a power source
  • Mains voltage and mains frequency are impressed by the power supply network 1. In this respect, a control or regulation of the mains voltage and mains frequency is not required and not at all possible.
  • the task of the inverter 7 is its output current I in phase to
  • Mains voltage waveform in the power supply network 1 feed.
  • the inverter 7 must also be able to feed reactive power into the power supply network 1, so that between the mains voltage and the output current I a
  • FIG. 3 is intended to clarify the island operation of the energy distribution system, in which the consumers of the local installation 3 are operated completely independently of the power supply network 1.
  • the local installation 3 must be completely disconnected from the power supply network 1, because in the case of a failure of the generation units in
  • Power supply network 1 the on the power supply network. 1
  • Residual current relay 14 the local installation 3 is connected in isolated mode directly to the output of the inverter 7.
  • the inverter 7 is operated as a voltage source, which means that the grid voltage and grid frequency are now controlled by the inverter 7. Only the same amount of electricity is needed in the local area
  • Error controls the simultaneous switching on certain combinations of switches 21, 22, 31, 32 excluded by a lock.
  • a locking of the mutually switching switches 21 and 22 of the switching device 20 is to be provided in particular. It is particularly advantageous to carry out these switches 21, 22 as contactors, which have a mutual mechanical closing lock. A lock against common switching should also be provided for the circuit breaker 30 and the residual current relay 14.
  • the two switches 31, 32 of the disconnecting switch 30 always turn on and off together, they are controlled independently of one another by the control device 5 in order to ensure a high level of fail-safety through complete redundancy.
  • An advantageous way to Function test of such a circuit breaker 30 is not in the
  • FIG. 4 shows the principle of the multiple locking of controllable switches against a simultaneous switch-on.
  • Two electromechanical switches R1, R2, which can be embodied as relays or contactors, each having a plurality of normally open contacts K1, K2, are shown sketched.
  • the working contacts K1, K2, which are shown unconnected here, are used in an energy distribution system for disconnecting and connecting phase and neutral conductors.
  • each switch R1, R2 has at least one normally closed contact VK1, VK2, via which the drive voltage U + of the respective other switch R2, R1 is guided.
  • the control contacts SK1, SK2 are designed as changeover contacts of an auxiliary relay HR, which is controlled by the control device 5.
  • the control contacts SK1, SK2 cause depending on the control state of the auxiliary relay HR only one of the two switches R1, R2 is always connected to the control voltage U +.
  • the switches R1, R2 against each other to lock so to prevent joint activation of certain switches R1, R2, is required for a correct and safe operation of a power distribution system. It is particularly advantageous to repeatedly lock switches R1, R2 against each other, so that errors that occur can not lead to safety-critical conditions.
  • Locking of switches can be achieved as a single-fault or even beyond security level.
  • VK1, VK2 normally closed contacts

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Abstract

Beschrieben wird eine Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung, an die mindestens eine elektrische Energiequelle und mindestens ein elektrischer Energiespeicher anschließbar ist, die Spannungswandler aufweist, die die von der Energiequelle und dem Energiespeicher eingespeiste Spannungen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, deren Spannungshöhe und Frequenz derart ist, dass die Wechselspannung zur Versorgung einer lokalen Installation und zur Einspeisung in ein Spannungsversorgungsnetz geeignet ist, und die aus der Spannung der Energiequelle eine Spannung zum Laden des Energiespeichers generieren, wobei die lokale Installation über eine Umschaltvorrichtung mit dem Spannungsversorgungsnetz „Netzbetrieb" oder mit einer aus der Energie von Energiequelle und/oder Energiespeicher von den Spannungswandlern generierten Wechselspannung „Inselbetrieb" verbindbar ist, wobei zu den Spannungswandlern ein einziger Wechselrichter gehört, der im Netzbetrieb als Stromquelle Energie in das Spannungsversorgungsnetz einspeist und der im Inselbetrieb als Spannungsquelle die lokale Installation versorgt, wobei im Netzbetrieb die Umschaltvorrichtung die lokale Installation mit dem Spannungsversorgungsnetz verbindet und ein Trennschalter den Ausgang des Wechselrichters mit dem Spannungsversorgungsnetz verbindet, und wobei im Inselbetrieb die Umschaltvorrichtung die lokale Installation mit dem Ausgang des Wechselrichters verbindet und der Trennschalter den Ausgang des Wechselrichters vom Spannungsversorgungsnetz trennt.

Description

Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Energieverteilungsanlage mit einer
Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Eine Energieverteilungsanlage kann insbesondere mit einer regenerativen Energiequelle verbunden sein, und bildet dann einen Teil beispielsweise einer Photovoltaik- oder eine Windkraftanlage aus. Die folgende Erläuterung bezieht sich rein beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Photovoltaikanlage.
Photovoltaikanlagen zur zumindest unterstützenden Energieversorgung von Gebäuden finden zunehmende Verbreitung. Die elektrische Leistungsabgabe eines Photovoltaikgenerators unterliegt über den Tagesverlauf starken
Schwankungen und entspricht daher praktisch nie genau dem momentanen Energiebedarf der im Gebäude installierten Verbraucher, welche im
Folgenden zusammenfassend mit einem lokalen Leitungsnetz als lokale Installation bezeichnet werden. So kann eine Photovoltaikanlage während der hellen Tagesstunden eine elektrische Leistung erzeugen, die weit über den elektrischen Leistungsbedarf der lokalen Installation hinausgeht, so dass überschüssige elektrische Energie in ein öffentliches Spannungsversorgungsnetz eingespeist werden kann. In der übrigen Zeit kann es dagegen notwendig sein, zum Ausgleich von
Energiedefiziten, dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz elektrische Energie zu entnehmen.
Photovoltaikanlagen mit einer sogenannten Eigenverbrauchsoptimierung weisen als Energiespeicher Akkumulatoren auf, welche mehrere
Kilowattstunden elektrischer Energie speichern können. Die Einspeisung bzw. Entnahme elektrischer Energie aus dem öffentlichen
Spannungsversorgungsnetz erfolgt hier nur noch dann, wenn das
Pufferungsvermögen des Energiespeichers überschritten wird oder wenn dies aufgrund von tageszeitbezogenen Stromtarifen einträglich ist.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 62 955 A1 ist eine Anordnung für das Energiemanagement einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bekannt. Die Anordnung ist mit einem Spannungsversorgungsnetz verbunden und weist zudem einen Generator und einen Gleichstromspeicher auf. Die Anordnung arbeitet in verschiedenen Betriebsarten, bei der eine Last entweder aus dem Spannungsversorgungsnetz, durch den Generator oder durch den Gleichstromspeicher versorgt wird, oder bei der vom Generator erzeugte Energie in das Spannungsversorgungsnetz eingespeist wird. Um dieses zu ermöglichen, besitzt die Anordnung zwei eigenständige
Wechselrichter. Einer dieser Wechselrichter, in dem Dokument als Netz- Parallel-Wechselrichter bezeichnet, arbeitet als Stromquelle und speist Strom in das Spannungsversorgungsnetz ein. Seine Spannung folgt dabei der Spannung des Netzes. Ein zweiter Wechselrichter dient als eine
Spannungsquelle und versorgt bei einem Netzausfall die Last aus der
Spannung des Generators oder des Gleichstromspeichers.
In dieser Schrift wird zudem ein Wechselrichter erwähnt, der in verschiedenen Betriebsarten als Strom- oder als Spannungsquelle arbeiten kann. Ein solcher Wechselrichter, der seine Betriebsart wechseln kann, wird in diesem
Dokument jedoch als gefährlich beschrieben, weil durch eine solche
Auslegung eine Spannung auf das Spannungsversorgungsnetz geschaltet werden kann, während dieses abgeschaltet ist und gewartet wird. Hierdurch können Personen, die am vermeintlich spannungsfrei geschalteten Netz arbeiten, gefährdet werden. Energieverteilungsanlagen, welche zur Realisierung unterschiedlicher
Betriebsarten mehrere Wechselrichter aufweisen, besitzen jedoch einen relativ komplexen Aufbau und sind daher relativ kostenaufwändig. Es stellte sich die Aufgabe, eine Energieverteilungsanlage zu schaffen, die einerseits einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist, andererseits aber einen hohen Sicherheitslevel garantiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zu den
Spannungswandlern ein einziger Wechselrichter gehört, der im Netzbetrieb als Stromquelle Energie in das Spannungsversorgungsnetz einspeist und der im Inselbetrieb als Spannungsquelle die lokale Installation versorgt, dass im Netzbetrieb die Umschaltvorrichtung die lokale Installation mit dem
Spannungsversorgungsnetz verbindet und ein Trennschalter den Ausgang des Wechselrichters mit dem Spannungsversorgungsnetz verbindet, und dass im Inselbetrieb die Umschaltvorrichtung die lokale Installation mit dem Ausgang des Wechselrichters verbindet und der Trennschalter den Ausgang des Wechselrichters vom Spannungsversorgungsnetz trennt. Für den Betrieb der Energieverteilungsanlage sind zwei mögliche
Betriebsarten vorgesehen, nämlich erstens der Betrieb mit Ankopplung an das Spannungsversorgungsnetz, im vorliegenden Text kurz als Netzbetrieb bezeichnet, und zweitens der vom Spannungsversorgungsnetz abgekoppelte Betrieb, der hier als Inselbetrieb benannt ist. Der Inselbetrieb ermöglicht bei einem Netzausfall einen Betrieb von Verbrauchern einer lokalen Installation über einen gewissen Zeitraum aus der Energie eines Generators und/oder eines Energiespeichers.
Der Erfindung sieht mindestens einen Trennschalter vor, welcher den
Ausgang des einzigen Wechselrichters sicher vom
Spannungsversorgungsnetz trennen kann, sowie eine Umschaltvorrichtung, welche die lokale Installation entweder mit dem Spannungsversorgungsnetz oder mit dem Ausgang des Wechselrichters verbindet.
Sowohl der Trennschalter als auch die Umschaltvorrichtung sind durch steuerbare elektromechanische Schalter ausgebildet, welche die genannten Verbindungen allpolig herstellen oder trennen. In einer bevorzugten
Ausführung sind sowohl der Trennschalter als auch die Umschaltvorrichtung durch jeweils zwei unabhängig voneinander steuerbare Schütze realisiert. Für einen besonders sicheren Betrieb ist es vorteilhaft, wenn das gleichzeitige Einschalten bestimmter elektromechanischer Schalter ausgeschlossen (verriegelt) ist. Die Verriegelung kann, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, auf mechanischem oder elektrischem Weg erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, mehrere unabhängig wirkende Verriegelungsarten
vorzusehen und miteinander zu kombinieren.
Durch die alleinige Verwendung elektromechanischer Schalter kann es beim Umschalten zwischen Netz- und Inselbetrieb jeweils zu einer kurzzeitigen (in der Größenordnung von etwa einer Sekunde) Unterbrechung der
Spannungsversorgung der lokalen Installation kommen, die für die
allermeisten Verbraucher akzeptabel ist. Die Erfindung verzichtet hier ausdrücklich auf die Schaffung einer vollständig unterbrechungsfreien
Stromversorgung zugunsten eines einfachen Aufbaus und einer hohen Betriebssicherheit.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils in Form eines Blockschaltbilds den Aufbau einer
Energieverteilungsanlage, die elektrische Energie zur Versorgung einer lokalen Installation, welche etwa durch die Gesamtheit der elektrischen Anlagen und Verbraucher eines Gebäudes gegeben sein kann, bereitstellt und die darüber hinaus elektrische Energie in ein öffentliches Spannungsversorgungsnetz einspeisen kann. Die Figur 4 erläutert in einer Schaltskizze verschiedene Möglichkeiten zur Verriegelung
elektromechanischer Schalter. Zentrales Element der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten
Energieverteilungsanlage ist eine Steuervorrichtung 5, an die ein
Solargenerator 10 und ein Energiespeicher 1 1 anschließbar sind. Der
Solargenerator 10 besteht aus einer Vielzahl von, hier nicht im Einzelnen dargestellten, Photovoltaikmodulen, welche wiederum jeweils eine Vielzahl von Solarzellen aufweisen. Der Solargenerator 10 wandelt Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um, wobei die abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit vom momentanen Lichteinfall im Tagesverlauf variieren kann. Um die Leistungsabgabe der Energieverteilungsanlage besser an den Bedarf der lokalen Installation 3 anzupassen, ist der Energiespeicher 1 1 vorgesehen, der vorzugsweise aus einer Zusammenschaltung von Akkumulatoren mit einer Gesamtkapazität in der Größenordnung mehrerer Kilowattstunden besteht. Der Energiespeicher 1 1 kann durch die vom Solargenerator 10 abgegebene elektrische Energie geladen werden. Darüber hinaus kann er in Zeiten, in denen der Leistungsbedarf der lokalen Installation 3 die abgegebene Leistung des Solargenerators 10 überschreitet, die fehlende Leistung ausgleichen. Sowohl dem Solargenerator 10 als auch dem Energiespeicher 1 1 ist innerhalb der Steuervorrichtung 5 jeweils ein DC/DC-Wandler 8, 9 zugeordnet, welche die vom Solargenerator 10 beziehungsweise dem Energiespeicher 1 1 abgegebenen Spannungen auf das zur Einspeisung in das öffentliche
Spannungsversorgungsnetz 1 erforderliche Spannungsniveau bringen. Die Ausgangsspannungen der DC/DC-Wandler 8, 9 werden von einem DC/AC- Wandler 7, der nachfolgend als Wechselrichter 7 bezeichnet ist, in eine zur Versorgung der lokalen Installation 3 oder zur Einspeisung in das
Spannungsversorgungsnetz 1 geeignete mehrphasige Wechselspannung umgewandelt. Der DC/DC-Wandler 9 ist bidirektional ausgeführt, um ein Laden des Energiespeichers 1 1 aus der Ausgangsspannung des DC/DC- Wandlers 8 zu ermöglichen. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 7 wird auf eine Ausgangsleitung 18 geführt, die über einen Solarenergiezähler 4 mit einem
Verbindungsknotenpunkt 16 der Hauptleitung 15 verschaltet ist. Der
Solarenergiezähler 4 dient zur Ermittlung der von dem Solargenerator 10 und dem Energiespeicher 1 1 in die lokale Installation 3 bzw. das
Spannungsversorgungsnetz 1 eingespeisten Energiemenge.
In die Hauptleitung 15, welche die Verbindung zwischen dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz 1 und der der lokalen Installation 3 herstellt, ist ein bidirektional messender elektronischer Energiezähler 2 eingeschleift, der sowohl die aus dem öffentlichen Spannungsversorgungsnetz 1 bezogene als auch die in das öffentliche Spannungsversorgungsnetz 1 eingespeiste
Energiemenge erfasst.
Der Ausgang des Wechselrichters 7 ist außerdem mit einer Backupleitung 17 verbunden, die zu Schaltkontakten eines elektromechanischen Schalters 22 einer Umschaltvorrichtung 20 führt. In die Backupleitung 17 sind zudem Schaltkontakte eines Fehlerstromrelais 14 eingefügt. Das Fehlerstromrelais 14 wird durch die Steuervorrichtung 5 eingeschaltet und unterbricht im Falle auftretender Fehlerströme während des Inselbetriebs die Backupleitung 17 selbsttätig. Im Netzbetrieb wird der Trennschalter 30 für eine
Fehlerstromabschaltung genutzt.
Die in den Figuren 1 bis 3 vereinfacht dargestellten Wechselstrom- und -spannungsführenden Leitungen 15, 17, 18 umfassen neben einem
Neutralleiter sämtliche zur Energieverteilungsanlage gehörenden Phasenleiter und sind daher für die üblichen dreiphasigen Spannungsnetze vieradrig ausgeführt.
Die Steuervorrichtung 5 besitzt Sensoren 12, 13 für mehrere elektrische Größen, darunter zumindest die Spannung U auf der Ausgangsleitung 18 und der Ausgangsstrom I des Wechselrichters 7. Der Stromsensor 12 und der Spannungssensor 13 geben ihre Ausgangssignale auf Eingänge eines hier nicht dargestellten MikroControllers, der als Bestandteil der Steuervorrichtung 5 die inneren und äußeren Abläufe der Steuervorrichtung 5 kontrolliert. Der Stromsensor 12 ist zur Fehlerstromerkennung vorgesehen, das heißt, wenn die Summe aller Ströme, die durch ihn hindurch fließen, ungleich null sind, wird ein Messsignal zur Ansteuerung des Fehlerstromrelais 14 generiert.
Die Steuervorrichtung 5 steuert insbesondere eine Umschaltvorrichtung 20 an, welche zwei steuerbare elektromechanische Schalter 21 , 22, ausgeführt als Schütze oder Relais, aufweist, sowie auch einen in die Ausgangsleitung 18 geschalteten Trennschalter 30, welcher aus mindestens zwei
elektromechanischen Schaltern 31 , 32 mit in Reihe geschalteten
Schaltkontakten besteht. Die Polzahl der elektromechanischen Schalter 21 , 22, 31 , 32 entspricht mindestens der Leiteranzahl der daran angeschlossenen Leitungen 15, 17, 18, so dass die Schalter 21 , 22, 31 , 32 die Leitungen 15, 17, 18 allpolig trennen bzw. miteinander verbinden können.
Die Figur 1 zeigt die Energieverteilungsanlage in einem inaktiven Zustand, in dem lediglich der geschlossene Schalter 21 der Umschaltvorrichtung 20 die lokale Installation 3 mit dem Spannungsversorgungsnetz 1 verbindet. Der Schalter 22 der Umschaltvorrichtung 20, sowie die Schalter 31 und 32 des Trennschalters 30 sind nicht angesteuert und daher offen, so dass die
Steuervorrichtung 5 und damit auch der Photovoltaikgenerator 10 und der Akkumulator 1 1 vollständig von der Hauptleitung 15 getrennt sind. Diese
Betriebsart ist eher unüblich und kann bei einem Fehler der Steuervorrichtung 5, des Photovoltaikgenerator 10 oder des Akkumulators 1 1 als Notbetriebsart vorgesehen sein.
Die Figur 2 verdeutlicht als Standardbetriebsart den Netzbetrieb der
Energieverteilungsanlage. Der Trennschalter 30 ist hier geschlossen, so dass der Ausgang des Wechselrichters 7 nun über den Zähler 4 am
Verbindungsknotenpunkt 16 der Hauptleitung 15 angeschlossen ist.
Im Netzbetrieb verhält sich der Wechselrichter 7 wie eine Stromquelle;
Netzspannung und Netzfrequenz werden vom Spannungsversorgungsnetz 1 eingeprägt. Insofern ist eine Steuerung oder Regelung der Netzspannung und Netzfrequenz nicht erforderlich und auch gar nicht möglich. Die Aufgabe des Wechselrichters 7 ist es, seinen Ausgangsstrom I in Phase zum
Netzspannungsverlauf in das Spannungsversorgungsnetz 1 einzuspeisen. Je nach den Anforderungen des Netzbetreibers muss der Wechselrichter 7 auch Blindleistung in das Spannungsversorgungsnetz 1 einspeisen können, so dass sich zwischen der Netzspannung und dem Ausgangsstrom I eine
Phasenverschiebung einstellen kann. Die Figur 3 soll den Inselbetrieb der Energieverteilungsanlage verdeutlichen, in welchem die Verbraucher der lokalen Installation 3 vollständig unabhängig vom Spannungsversorgungsnetz 1 betrieben werden. Für den Inselbetrieb muss die lokale Installation 3 vollständig vom Spannungsversorgungsnetz 1 getrennt sein, weil im Falle eines Ausfalls der Erzeugungseinheiten im
Spannungsversorgungsnetz 1 die am Spannungsversorgungsnetz 1
verbliebenen Lasten (außerhalb der lokalen Installation 3) die
Ausgangsspannung des Wechselrichters 7 sonst kurzschließen würden.
Diese vollständige Trennung wird erstens durch den geöffneten Trennschalter 30 bewirkt, der die Hauptleitung 15 vom Ausgang des Wechselrichters 7 trennt und zweitens durch die Umschaltung der beiden gekoppelten Schalter 21 , 22 der Umschaltvorrichtung 20. Über den geschlossenen Schalter 22 der Umschaltvorrichtung 20 sowie die geschlossenen Kontakte des
Fehlerstromrelais 14 ist die lokale Installation 3 im Inselbetrieb direkt an den Ausgang des Wechselrichters 7 angeschaltet.
Im Inselbetrieb wird der Wechselrichter 7 als Spannungsquelle betrieben, was bedeutet, dass Netzspannung und Netzfrequenz nun vom Wechselrichter 7 geregelt werden. Dabei wird nur noch genau soviel Strom in die lokale
Installation 3 eingespeist, dass sich der gewünschte Spannungsverlauf in der jeweiligen Lastsituation einstellt.
Zur Erfüllung gesetzlicher Vorgaben und darüber hinausgehender
Sicherheitsanforderungen ist es vorteilhaft oder sogar notwendig, die verwendeten elektromechanischen Schalter 21 , 22, 31 , 32 einerseits redundant auszuführen und andererseits zur Vermeidung von
Fehlsteuerungen das gleichzeitige Einschalten bestimmter Kombinationen von Schaltern 21 , 22, 31 , 32 durch eine Verriegelung auszuschließen.
Bei der erfindungsgemäßen Energieverteilungsanlage gemäß den Figuren 1 bis 3 ist besonders eine Verriegelung der wechselseitig schaltenden Schalter 21 und 22 der Umschalteinrichtung 20 vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es, diese Schalter 21 , 22 als Schütze auszuführen, die eine gegenseitige mechanische Einschaltverriegelung aufweisen. Eine Verriegelung gegen gemeinsames Einschalten sollte zudem für den Trennschalter 30 und das Fehlerstromrelais 14 vorgesehen werden.
Die beiden Schalter 31 , 32 des Trennschalters 30 schalten zwar stets gemeinsam ein und aus, werden aber durch die Steuervorrichtung 5 dazu unabhängig voneinander angesteuert, um durch vollständige Redundanz eine hohe Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Funktionsprüfung eines derartigen Trennschalters 30 ist in der nicht
vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 018 41 1 dargelegt. Figur 4 zeigt soll das Prinzip der mehrfachen Verriegelung von steuerbaren Schaltern gegen ein gleichzeitiges Einschalten verdeutlichen. Skizzenhaft dargestellt sind zwei elektromechanische Schalter R1 , R2, die als Relais oder Schütze ausführbar sind, welche jeweils mehrere Arbeitskontakte K1 , K2 aufweisen. Die hier unbeschaltet dargestellten Arbeitskontakte K1 , K2 werden bei einer Energieverteilungsanlage zum Trennen und Verbinden von Phasen- und Neutralleitern verwendet.
Darüber hinaus besitzt jeder Schalter R1 , R2 wenigstens einen Öffnerkontakt VK1 , VK2, über die die Ansteuerspannung U+ des jeweils anderen Schalters R2, R1 geführt ist. Die Ansteuerung der Schalter R1 , R2 erfolgt über jeweils einen Steuerkontakt SK1 , SK2, der in Reihe mit dem Öffnerkontakt VK2, VK1 des jeweils anderen Schalters R2, R1 geschaltet ist. Die Steuerkontakte SK1 , SK2 sind als Umschaltkontakte eines Hilfsrelais HR ausgeführt, welches durch die Steuereinrichtung 5 angesteuert wird. Die Steuerkontakte SK1 , SK2 bewirken, dass je nach Ansteuerungszustand des Hilfsrelais HR immer nur einer der beiden Schalter R1 , R2 mit der Ansteuerspannung U+ verbunden ist.
Durch die umschaltenden Steuerkontakte SK1 , SK2 ergibt sich eine erste Verriegelung der Schalter R1 , R2 bereits bei der Ansteuerung durch das Hilfsrelais. Eine zweite Verriegelung der Schalter R1 , R2 wird dadurch erzielt, dass der bei einem angesteuerten Schalter R1 , R2 offene Öffnerkontakt VK1 , VK2 das Anziehen des jeweils anderen Schalters R2, R1 verhindert. Diese zweite Verriegelung ist auch dann wirksam, wenn die erste Verriegelung durch die Steuerkontakte SK1 , SK2 durch einen technischen Defekt ausfallen sollte. Als weitere Maßnahme kann eine mechanische Verriegelung vorgesehen werden. Bei räumlich nebeneinander angeordneten Schaltern R1 , R2 bewirkt eine Zwangskopplung M der Schaltmechaniken, dass immer nur eines der beiden Schalter R1 , R2 sich im eingeschalteten Zustand befinden kann.
Die Schalter R1 , R2 gegeneinander zu verriegeln, also eine gemeinsame Aktivierung bestimmter Schalter R1 , R2 zu verhindern, ist für eine korrekte und sichere Funktion einer Energieverteilungsanlage erforderlich. Besonders vorteilhaft ist es, Schalter R1 , R2 mehrfach gegeneinander zu verriegeln, so dass auch auftretende Fehler nicht zu sicherheitskritischen Zuständen führen können. Durch eine doppelte oder sogar dreifache
Verriegelung von Schaltern kann so eine Einfehlersicherheit oder ein sogar darüber hinausgehender Sicherheitslevel erreicht werden.
Bezugszeichen Spannungsversorgungsnetz Energiezähler (bidirektional) lokale Installation
Solarenergiezähler
Steuervorrichtung
Phasenleiter
Wechselrichter (DC/AC-Wandler) DC/DC-Wandler
DC/DC-Wandler (bidirektional), 8, 9 Spannungswandler
0 Photovoltaikgenerator (Generator) 1 Akkumulator (Energiespeicher)2 Stromsensor
3 Spannungssensor
2, 13 Sensoren
4 Fehlerstromrelais(kontakte)5 Hauptleitung
6 Verbindungsknotenpunkt
7 Backupleitung
8 Ausgangsleitung
5, 17, 18 Leitungen
0 Umschaltvorrichtung
1 , 22 (elektromechanische) Schalter0 Trennschalter
1 , 32 (elektromechanische) Schalter HR Hilfsrelais
I Ausgangsstrom
K1 , K2 Arbeitskontakte
M Mechanische Verriegelung R1 , R2 (elektromechanische) Schalter
SK1 , Sk2 Steuerkontakte
U Ausgangsspannung
U+ Ansteuerspannung
VK1 , VK2 Öffnerkontakte

Claims

Patentansprüche Energieverteilungsanlage mit einer Steuervorrichtung (5), an die mindestens eine elektrische Energiequelle (1 0) und mindestens ein elektrischer Energiespeicher (1 1 ) anschließbar ist, die Spannungswandler (7, 8, 9) aufweist, die die von der Energiequelle (10) und dem Energiespeicher (1 1 ) eingespeiste Spannungen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung wandeln, deren Spannungshöhe und Frequenz derart ist, dass die Wechselspannung zur Versorgung einer lokalen Installation (3) und zur Einspeisung in ein
Spannungsversorgungsnetz (1 ) geeignet ist, und die aus der Spannung der Energiequelle (10) eine Spannung zum Laden des Energiespeichers (1 1 ) generieren, wobei die lokale Installation (3) über eine Umschaltvorrichtung (20) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1 ) („Netzbetrieb") oder mit einer aus der Energie von Energiequelle (10) und/oder Energiespeicher (1 1 ) von den Spannungswandlern (7, 8, 9) generierten Wechselspannung
(„Inselbetrieb") verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Spannungswandlern (7, 8, 9) ein einziger Wechselrichter (7) gehört, der im Netzbetrieb als Stromquelle Energie in das
Spannungsversorgungsnetz (1 ) einspeist und der im Inselbetrieb als Spannungsquelle die lokale Installation (3) versorgt, dass im Netzbetrieb die Umschaltvorrichtung (20) die lokale Installation (3) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1 ) verbindet und ein Trennschalter (30) den Ausgang des Wechselrichters (7) mit dem
Spannungsversorgungsnetz (1 ) verbindet, und dass im Inselbetrieb die Umschaltvorrichtung (20) die lokale Installation (3) mit dem Ausgang des Wechselrichters (7) verbindet und der Trennschalter (30) den Ausgang des Wechselrichters (7) vom
Spannungsversorgungsnetz (1 ) trennt.
Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (20) aus einem ersten und einem zweiten steuerbaren elektromechanischen Schalter (21 , 22) besteht, die gegen gleichzeitiges Einschalten mehrfach gegeneinander verriegelt sind.
Energieverteilungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Ansteuerspannung (U+) des ersten bzw. des zweiten
steuerbaren Schalters (21 , 22, R1 , R2) über jeweils einen Öffnerkontakt (VK2, VK1 ) des zweiten bzw. ersten steuerbaren Schalters (22, 21 , R2, R1 ) geführt ist.
Energieverteilungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmechaniken des ersten und des zweite steuerbaren Schalters (21 , 22, R1 , R2) durch eine mechanische Verriegelungsvorrichtung (M) miteinander verbunden sind.
Energieverteilungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Software- und/oder hardwaremäßig realisierte Ansteuerlogik eine Ansteuerung des ersten bzw. zweiten steuerbaren Schalters (21 , 22, R1 , R2) immer zusammen mit einer Abschaltung des zweiten bzw. ersten steuerbaren Schalters (22, 21 , R2, R1 ) ausführt.
6. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerlogik durch wechselseitig schaltende Steuerkontakte (SK1 , SK2) eines Hilfsrelais (HR) ausgebildet ist. 7. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit Schaltkontakten des zweiten steuerbaren Schalter (22) der Umschaltvorrichtung (20) die Schaltkontakte eines Fehlerstromrelais (14) geschaltet sind. 8. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (30) aus einem dritten und einem vierten steuerbaren elektromechanischen Schalter (31 , 32) besteht, die parallel gesteuert werden, und dass zur Ausbildung von Schaltkontakten des Trennschalters (30) Schließerkontakte des dritten und vierten Trennschalters (31 , 32) in Reihe geschaltet sind.
9. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Schalter (21 , 22, 31 , 32, R1 , R2) Phasen- und Neutralleiter allpolig trennen bzw. verbinden.
10. Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (10) ein Photovoltaikgenerator ist.
1 1 . Energieverteilungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1 1 ) ein elektrischer Akkumulator ist.
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