WO2020020469A1 - Energieerzeuger-anlage - Google Patents

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Marvin TANNHÄUSER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to an energy generator system according to the preamble of claim 1.
  • the energy generator system comprises one or more solar systems, each having one or more solar panels and one or more inverters assigned to the solar panels. Furthermore, the energy generation ger system one or more battery storage systems, each with a battery storage and a converter assigned to the battery storage.
  • the battery storage system and solar system are connected at common connections. It goes without saying that the solar panel or panels are connected on the input side to the inverter or inverters and the inverters are connected on the output side to the common connections and likewise the battery storage are connected on the input side to the converter and the converter is connected on the output side to the common connections.
  • the energy generator system has a common protective circuit for protecting the energy generator system and a connected supply network in accordance with national or international requirements, the common protective circuit being connected on the input side to the common connections and on the output side being connectable to the supply network.
  • standards such as VDE-AR-N4105, DIN VDE 0126, the European "Requirements for Generators” or UL-1741.
  • the protective circuits which are usually present separately for the network and system protection of the battery storage system and solar system (s) can be combined to form a single, common protective circuit. This advantageously saves installation space and the design of the common protective circuit can take place for the greatest possible individual load from the energy generator system. In the case of separate protective circuits, on the other hand, the design must be carried out for each individual device, which means that a total of considerably more components are required.
  • the inverters can be micro-solar inverters.
  • the solar system can include a separate inverter for each solar panel or for groups of solar panels.
  • the common protection circuit can include an EMC filter. Since these are usually also available individually for each system part, installation space and electronic components can be saved again by means of a common EMC filter.
  • the common protective circuit can be designed as part of a combiner box.
  • the converters of the battery storage system can convert the DC voltage of the battery storage into a three-phase AC voltage, which is connected to the common protective circuit by at least three phase conductors. If the energy generator system has a plurality of solar systems, then these can be evenly connected to the phase lines.
  • FIG. 1 shows a solar system with battery storage and common network and system protection
  • FIG. 2 shows a solar system with battery storage and common network and system protection and a common EMC filter
  • 3 shows a solar system with battery storage and common network and system protection which is connected in three phases
  • Figure 4 shows a schematic structure for a circuit for network and system protection.
  • FIG. 1 shows schematically an energy generator system 10 with electrical storage as an embodiment of the inven tion.
  • the energy generator system 10 includes, for example, a first solar system 12A and a second solar system 12B.
  • the solar systems 12A, 12B each have a solar panel 13A, 13B, which is connected to an inverter 14A, 14B.
  • 12A, 12B These can each have a single solar panel 13A, 13B, two, three or more solar panels 13A, 13B.
  • An inverter 14A, 14B can also be provided per solar panel 13A, 13B or the solar panels 13A, 13B can be grouped and only one inverter 14A, 14B can be present per group.
  • the AC voltage outputs of the inverters 14A, 14B are brought together and connected to common connections 18. At these common connections 18 also connects the AC voltage output of the battery changer 17.
  • the DC voltage output of the battery inverter 17 is connected to the battery storage 16. Battery inverters 17 and battery storage 16 together form the battery storage system 15.
  • the energy generator system 10 further comprises a circuit 20 for the network and system protection. This is connected on the input side to the common connections 18 and on the output side to the public electrical supply network 22.
  • the circuit 20 comprises means for detecting an invalid one or inadmissible operating status. Such impermissible operating states include, for example, deviations in the frequency of the AC voltage that is present at the common connections from the frequency required in the supply network 22 or an overvoltage or undervoltage, that is to say a voltage at the common connections, that is outside of the supply network 22 acceptable voltage range. Another criterion for the operating state is the voltage quality, for example as a multi-minute mean value of the voltage.
  • the circuit 20 includes means for separating the electrical connection between the supply network 22 and the common connections 18.
  • the circuit 20 is in its electrical characteristics, for example, the measurement performance, on the jointly connected solar systems 12A, 12B and battery storage system 15 designed. These key figures correspond significantly less than the sum of the key figures of the individual systems, that is to say the sum of the key figures from battery storage system 15 and solar systems 12A, 12B. As a result, a saving with respect to the power electronic components is achieved by the circuit 20 used in common.
  • FIG. 2 shows an energy generator system 30 according to a second embodiment of the invention.
  • the energy generator system 30 is largely constructed in the same way as the energy generator system 10 according to FIG. 1.
  • the energy generator system 30 has an EMC filter 34, which is analogous to the circuit 20 as a common EMC filter 34 is designed for the solar systems 12A, 12B as well as for the battery storage system 15. Therefore, the need for individual EMC filters for these systems, which each have an at least similar structure to the common EMC filter 34, is also advantageously eliminated.
  • the EMC filter 34 is arranged between the common connections 18 and the circuit 20.
  • FIG 3 shows an energy generator system 40 according to a third embodiment of the invention.
  • the energy generator system 40 is largely similar construction as the power generator system 10 according to figure 1.
  • the power generator system 40 comprises, for example but ⁇ way of three solar systems 12A ... C.
  • the battery storage system 15 comprises an inverter with a three-phase output, which is connected via three phase conductors LI... 3 and a neutral conductor N to the circuit 46, which is likewise designed as a three-phase circuit, for network and system protection.
  • the circuit has four common connections 44 in the phase conductors LI ... 3 and the neutral conductor N.
  • the single-phase outputs of the solar systems 12A ... C each connect to one of the phase conductors LI ... 3 and the neutral conductor, the exemplary three solar systems 12A ... C being evenly distributed over the phase conductors LI ... 3, ie each the Pha ⁇ senleiter LI ... 3 is connected to a solar system 12A ... C. It goes without saying that with a larger number of solar systems 12A ... C, these can also be distributed uniformly over the phase conductors LI ... 3, that is to each of the phase conductors LI ... 3 exactly or about a third of the solar systems 12A ... C may ⁇ be Schlos sen.
  • FIG. 4 shows an exemplary and schematic structure for the circuit 20, 46 for the network and system protection.
  • terminals 51, 52 are ⁇ , wherein the line illustrated stellvertre ⁇ tend for two or more lines.
  • terminals 51, 52 are ⁇ , wherein the line illustrated stellvertre ⁇ tend for two or more lines.
  • release switches 53, 54 switches in series ⁇ ge. Both are controlled by a control device 55, which monitors the line (s) for invalid operating states .

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieerzeuger-Anlage, umfassend - wenigstens eine Solaranlage mit einem oder mehreren Solarpanels und einem oder mehreren den Solarpanels zugeordneten Wechselrichtern und - wenigstens eine Batteriespeicheranlage mit einem Batteriespeicher und einem dem Batteriespeicher zugeordneten Batteriewechselrichter, wobei Batteriespeicheranlage und Solaranlage an gemeinsamen Anschlüssen zusammengeschlossen sind, aufweisend ferner eine gemeinsame Schutzschaltung zum Schutz der Energieerzeuger-Anlage und eines angeschlossenen Versorgungsnetzes nach nationalen oder internationalen Normen, wobei die gemeinsame Schutzschaltung eingangsseitig mit den gemeinsamen Anschlüssen verbunden ist und ausgangsseitig mit dem Versorgungsnetz verbindbar ist.

Description

Beschreibung
Energieerzeuger-Anläge
Die Erfindung betrifft eine Energieerzeuger-Anlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Nationale Regelungen, internationale Regelungen und Indust riestandards, also alle Arten von Normen, können vorsehen, dass eine elektrische Anlage zur Energieerzeugung und Ener gieeinspeisung Maßnahmen zum Schutz der Anlage und zum Schutz des angeschlossenen öffentlichen elektrischen Versorgungsnet zes aufweisen. Photovoltaik-Anlagen, die in das öffentliche elektrische Versorgungsnetz einspeisen, müssen daher laut Norm einen sogenannten NA-Schutz (Netz- und Anlagenschutz) enthalten. Dieser überwacht den Netzanschlusspunkt und trennt die Anlage vom Netz, wenn ein ungültiger Betriebszustand wie Überspannung, Unterspannung oder Frequenzabweichung eintritt. Beispiele für relevante Normen sind die VDE-AR-N4105, DIN VDE 0126, die europäischen "Requirements for Generators" oder UL- 1741.
Bei kombinierten Systemen aus einer Solaranlage mit einem oder mehreren Solarpanels und einem oder mehreren den Solar panels zugeordnete Wechselrichtern sowie mit einer Batterie speicheranlage ist ein entsprechender Netz- und Anlagenschutz für jede der Komponenten vorhanden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energieerzeuger-Anlage umfassend eine Solaranlage und eine Batteriespeicheranlage anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Energieerzeuger-Anlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst .
Die erfindungsgemäße Energieerzeuger-Anlage umfassend eine oder mehrere Solaranlagen, die jeweils ein oder mehrere So larpanels und ein oder mehrere den Solarpanels zugeordnete Wechselrichter aufweisen. Weiterhin umfasst die Energieerzeu- ger-Anlage einen oder mehrere Batteriespeicheranlagen mit je weils einem Batteriespeicher und einem dem Batteriespeicher zugeordneten Umrichter.
Batteriespeicheranlage und Solaranlage sind dabei an gemein samen Anschlüssen zusammengeschlossen. Es versteht sich, dass das oder die Solarpanels dabei eingangsseitig an dem oder den Wechselrichtern angeschlossen sind und die Wechselrichter ausgangsseitig mit den gemeinsamen Anschlüssen verbunden sind und ebenso der Batteriespeicher eingangsseitig an den Umrich ter angeschlossen sind und der Umrichter ausgangsseitig mit den gemeinsamen Anschlüssen verbunden ist.
Die Energieerzeuger-Anlage weist eine gemeinsame Schutzschal tung zum Schutz der Energieerzeuger-Anlage und eines ange schlossenen Versorgungsnetzes nach nationalen oder internati onalen Vorgaben auf, wobei die gemeinsame Schutzschaltung eingangsseitig mit den gemeinsamen Anschlüssen verbunden ist und ausgangsseitig mit dem Versorgungsnetz verbindbar ist. Beispiele für solche Vorgaben sind Normen wie die VDE-AR- N4105, DIN VDE 0126, die europäischen "Requirements for Gene rators" oder UL-1741.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass die üblicherweise ge trennt vorhandenen Schutzschaltungen für den Netz- und Anla genschutz von Batteriespeicheranlage und Solaranlage (n) zu sammengefasst werden können zu einer einzigen, gemeinsamen Schutzschaltung. Vorteilhaft wird dadurch Bauraum gespart und die Auslegung der gemeinsamen Schutzschaltung kann auf die größtmögliche Einzelbelastung aus der Energieerzeuger-Anlage erfolgen. Bei getrennten Schutzschaltungen hingegen muss die Auslegung für jedes einzelne Gerät erfolgen, wodurch in Summe wesentlich mehr Bauelemente erforderlich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Energieer zeuger-Anlage gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Da bei kann die Ausführungsform nach den unabhängigen Ansprüchen mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert wer den. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorge sehen sein:
Die Wechselrichter können Mikro-Solarinverter sein. Die Solaranlage kann für jedes Solarpanel oder für Gruppen von Solarpaneln einen eigenen Wechselrichter umfassen.
Die gemeinsame Schutzschaltung kann einen EMC-Filter um fassen. Da diese üblicherweise auch für jeden Anlagenteil einzeln vorliegen, können mittels eines gemeinsamen EMC- Filters wieder Bauraum und elektronische Bauelemente ein gespart werden.
Die gemeinsame Schutzschaltung kann als Teil einer Combi- ner-Box ausgestaltet sein.
Die Umrichter der Batteriespeicheranlage können zur Wand lung der Gleichspannung des Batteriespeichers in eine dreiphasige Wechselspannung, die zumindest mittels drei Phasenleitern mit der gemeinsamen Schutzschaltung verbun den ist. Weist die Energieerzeuger-Anlage eine Mehrzahl von Solaranlagen auf, dann können diese gleichmäßig ver teilt an die Phasenleitungen angeschlossen sein.
Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Solaranlage mit Batteriespeicher und gemeinsa mem Netz- und Anlagenschutz,
Figur 2 eine Solaranlage mit Batteriespeicher und gemeinsa mem Netz- und Anlagenschutz sowie gemeinsamem EMC- Filter, Figur 3 eine Solaranlage mit Batteriespeicher und gemeinsa mem Netz- und Anlagenschutz, der dreiphasig ange schlossen ist,
Figur 4 einen schematischen Aufbau für eine Schaltung für den Netz- und Anlagenschutz.
Figur 1 zeigt schematisch eine Energieerzeuger-Anlage 10 mit elektrischem Speicher als Ausführungsbeispiel für die Erfin dung. Die Energieerzeuger-Anlage 10 umfasst beispielhaft eine erste Solaranlage 12A und eine zweite Solaranlage 12B. Die Solaranlagen 12A, 12B weisen jeweils ein Solarpanel 13A, 13B auf, das mit jeweils einem Wechselrichter 14A, 14B verbunden ist .
Es versteht sich, dass die Anzahl an Solarpanels und Wechsel richtern auch völlig anders sein kann. Es können eine einzige Solaranlage 12A, 12B oder zwei, drei oder mehr Solaranlagen
12A, 12B vorhanden sein. Diese können - jeweils - ein einzi ges Solarpanel 13A, 13B, zwei, drei oder mehr Solarpanels 13A, 13B aufweisen. Ebenfalls kann pro Solarpanel 13A, 13B ein Wechselrichter 14A, 14B vorhanden sein oder aber die So larpanels 13A, 13B können gruppiert sein und nur pro Gruppe ein Wechselrichter 14A, 14B vorhanden sein.
Gemäß Figur 1 sind die Wechselspannungsausgänge der Wechsel richter 14A, 14B zusammengeführt und mit gemeinsamen An schlüssen 18 verbunden. An diese gemeinsamen Anschlüsse 18 schließt auch der Wechselspannungsausgang des Batteriewech selrichters 17 an. Der Gleichspannungsausgang des Batterie wechselrichters 17 ist mit dem Batteriespeicher 16 verbunden. Batteriewechselrichter 17 und Batteriespeicher 16 bilden zu sammen die Batteriespeicher-Anlage 15.
Die Energieerzeuger-Anlage 10 umfasst ferner eine Schaltung 20 für den Netz- und Anlagenschutz. Diese ist eingangsseitig mit den gemeinsamen Anschlüssen 18 verbunden und ausgangssei tig mit dem öffentlichen elektrischen Versorgungsnetz 22. Die Schaltung 20 umfasst Mittel zur Erkennung eines ungültigen oder unzulässigen Betriebszustands. Solche unzulässigen Be triebszustände umfassen beispielsweise Abweichungen der Fre quenz der Wechselspannung, die an den gemeinsamen Anschlüssen anliegt, von der im Versorgungsnetzwerk 22 geforderten Fre quenz oder eine Über- oder Unterspannung, also eine Spannung an den gemeinsamen Anschlüssen, die außerhalb des für das Versorgungsnetzwerk 22 akzeptablen Spannungsbandes liegt. Ein weiteres Kriterium für den Betriebszustand ist die Spannungs qualität, beispielsweise als mehrminütiger Mittelwert der Spannung. Weiterhin umfasst die Schaltung 20 Mittel zur Tren nung der elektrischen Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz 22 und den gemeinsamen Anschlüssen 18. Die Schaltung 20 ist in ihren elektrischen Kennzahlen, also beispielsweise der Be messungsleistung, auf die gemeinsam angeschlossenen Solaran lagen 12A, 12B und Batteriespeicher-Anlage 15 ausgelegt. Die se Kennzahlen entsprechen deutlich weniger als der Summe der Kennzahlen der einzelnen Anlagen, also der Summe der Kennzah len aus Batteriespeicher-Anlage 15 und Solaranlagen 12A, 12B. Dadurch wird durch die gemeinsam verwendete Schaltung 20 eine Einsparung bzgl. der leistungselektronischen Komponenten er reicht .
Figur 2 zeigt eine Energieerzeuger-Anlage 30 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Energieer zeuger-Anlage 30 ist weitgehend gleichartig aufgebaut wie die Energieerzeuger-Anlage 10 gemäß Figur 1. Im Unterschied zu dieser weist jedoch die Energieerzeuger-Anlage 30 einen EMC- Filter 34 auf, der analog zur Schaltung 20 als gemeinsamer EMC-Filter 34 sowohl für die Solaranlagen 12A, 12B als auch für die Batteriespeicher-Anlage 15 gestaltet ist. Daher ent fällt auch hier vorteilhaft der Bedarf für einzelne EMC-Fil ter für diese Anlagen, die jeder für sich einen zumindest ähnlichen Aufbau zum gemeinsamen EMC-Filter 34 hätten. In diesem Ausführungsbeispiel ist der EMC-Filter 34 zwischen den gemeinsamen Anschlüssen 18 und der Schaltung 20 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine Energieerzeuger-Anlage 40 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Energieer- zeuger-Anlage 40 ist weitgehend gleichartig aufgebaut wie die Energieerzeuger-Anlage 10 gemäß Figur 1. Im Unterschied zu dieser umfasst die Energieerzeuger-Anlage 40 jedoch beispiel¬ haft drei Solaranlagen 12A...C. Die Batteriespeicher-Anlage 15 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Wechselrichter mit dreiphasigem Ausgang, der über drei Phasenleiter LI...3 und einen Neutralleiter N mit der hier ebenfalls dreiphasig aus gestalteten Schaltung 46 für den Netz- und Anlagenschutz ver bunden ist.
In diesem Fall weist die Schaltung vier gemeinsame Anschlüsse 44 in den Phasenleitern LI...3 sowie dem Neutralleiter N auf. Die einphasigen Ausgänge der Solaranlagen 12A...C schließen an jeweils einen der Phasenleiter LI...3 und den Neutralleiter an, wobei die beispielhaften drei Solaranlagen 12A...C gleichmäßig verteilt sind auf die Phasenleiter LI...3, d.h. jeder der Pha¬ senleiter LI...3 ist mit einer Solaranlage 12A...C verbunden. Es versteht sich, dass bei einer größeren Zahl von Solaranlagen 12A...C diese ebenfalls gleichmäßig auf die Phasenleiter LI...3 verteilt sein können, also an jeden der Phasenleiter LI...3 ge nau oder etwa ein Drittel der Solaranlagen 12A...C angeschlos¬ sen sein können.
Einen beispielhaften und schematischen Aufbau für die Schal tung 20, 46 für den Netz- und Anlagenschutz zeigt Figur 4.
Die elektrischen Leitungen sind an Anschlüsse 51, 52 ange¬ schlossen, wobei die eine dargestellte Leitung stellvertre¬ tend für zwei oder mehr Leitungen ist. Zwischen die beiden Anschlüsse 51, 52 sind zwei Trennschalter 53, 54 in Serie ge¬ schaltet. Beide werden gesteuert von einer Steuereinrichtung 55, die die Leitung (en) auf ungültige Betriebszustände über¬ wacht . Bezugszeichenliste
10, 30, 40 Energieerzeuger-Anläge 12A...C Solaranlagen
13A, 13B Solarpanel
14A, 14B Wechselrichter
15 Batteriespeieher-Anlage
16 Batteriespeieher
17, 42 Batteriewechselrichter 18, 44 gemeinsame Anschlüsse
20, 46 Schaltung
22 Versorgungsnetzwerk
LI...3 Phasenleiter
N Neutralleiter
51, 52 Anschlüsse
53, 54 Trennschalter
55 Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40), umfassend
wenigstens eine Solaranlage (12A...C) mit einem oder mehre¬ ren Solarpanels (13A, 13B) und einem oder mehreren den So larpanels (13A, 13B) zugeordneten Wechselrichtern (14A, 14B) und
wenigstens eine Batteriespeicheranlage (15) mit einem Bat¬ teriespeicher (16) und einem dem Batteriespeicher (16) zu geordneten Batteriewechselrichter (17),
wobei Batteriespeicheranlage (15) und Solaranlage (12A...C) an gemeinsamen Anschlüssen (18, 44) zusammengeschlossen sind, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Schutzschaltung (20, 46) zum Schutz der Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40) und eines angeschlossenen Versorgungsnetzes (22) nach nationalen oder internationalen Normen, wobei die gemeinsame Schutzschaltung (20, 46) eingangsseitig mit den gemeinsamen Anschlüssen (18, 44) verbunden ist und ausgangsseitig mit dem Versorgungsnetz (22) verbindbar ist.
2. Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40) nach Anspruch 1, bei der die Wechselrichter (14A, 14B) Mikro-Solarinverter sind.
3. Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die gemeinsame Schutzschaltung (20, 46) einen EMC- Filter (34) umfasst.
4. Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40) nach einem der voran¬ gehenden Ansprüche, bei der die gemeinsame Schutzschaltung (20, 46) als Teil einer Combiner-Box ausgestaltet ist.
5. Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40) nach einem der voran¬ gehenden Ansprüche, bei der der Batteriewechselrichter (17) ausgestaltet ist zur Wandlung der Gleichspannung des Batte riespeichers (16) in eine dreiphasige Wechselspannung, die zumindest mittels drei Phasenleitern (LI...3) mit der gemeinsa¬ men Schutzschaltung (46) verbunden ist.
6. Energieerzeuger-Anlage (10, 30, 40) nach Anspruch 7 mit einer Mehrzahl von Solaranlagen (12A...C), die gleichmäßig ver¬ teilt an die Phasenleitungen (LI...3) angeschlossen sind.
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