WO2021144103A1 - Umschaltvorrichtung, nachrüstsatz und verfahren zur elektrischen versorgung einer last - Google Patents

Umschaltvorrichtung, nachrüstsatz und verfahren zur elektrischen versorgung einer last Download PDF

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Sma Solar Technology Ag
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    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies

Definitions

  • the invention relates to a switching device for the optional supply of a load from a superordinate distribution network or from a local energy supply system.
  • the local energy supply system includes an inverter with a voltage-setting function, which is able to set up a local island network.
  • the invention also relates to a retrofit kit with a switching device for a local energy supply system and a method for switching an energy supply to a load.
  • the invention relates to so-called emergency power, backup power or backup systems, which protect grid-connected energy supply systems in the event of a power failure, i.e. to be able to continue to supply at least some of the connected loads, for example according to predetermined priorities, in the event of a power failure.
  • a series of switching operations must be carried out, for example disconnection from the network, starting a network generator and connecting it to the supply lines.
  • the state of the network must be monitored, for example to initiate synchronization of the local producers when the network returns and to be able to reconnect the system to the network.
  • the invention relates to smaller backup power plants with which only a few loads are to be supplied.
  • Such backup power systems are used in particular in networks that have a high level of stability, which means that they ensure that the loads are supplied without interference for more than 90% of the time. Conversely, this means that such reserve power systems are kept permanently ready for operation, but are only used very rarely.
  • the backup power system usually the inverter it contains, usually includes a controller that monitors both the status of the grid monitored and the switches for switching from grid operation to backup power operation controlled.
  • the document DE 102012011708 A1 discloses an inverter device with at least one inverter unit, which can be connected to a regenerative energy source and to an accumulator device and, via a connection device, to a line harness between a public energy network and consumers.
  • the inverter unit is assigned a control unit which interacts with a power meter to measure the voltage applied to the public energy network.
  • a safety circuit is assigned to the inverter unit, comprising a first switch device between the connection device and the public energy network, and a second switch device between the inverter unit and the connection device. If the public power grid fails, the control unit switches the first and the second switch device to a disconnecting state and then connects the inverter unit, which is switched to a voltage-controlled mode, to the consumers via the second switch device for their emergency power supply.
  • Switches that are open in the idle state can be used for switching.
  • a switching device has the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the switching device are described in the dependent claims 2 to 12. A retrofit kit according to the invention is described in claim 13. A method according to the invention is described in claim 14. Claim 15 aims at a preferred embodiment of the method.
  • a switching device is used to optionally supply at least one load from a network or from a bidirectional inverter.
  • a battery or a fuel cell can be connected to the bidirectional inverter and it can be equipped with a voltage-setting function, i.e. it can be capable of expanding a local island network.
  • the switching device comprises an input with a network neutral conductor connection and a network outer conductor connection for connection to the network, a first output with an inverter neutral conductor connection and an inverter outer conductor connection for connecting an inverter output of the bidirectional inverter, and a second output with a load neutral conductor connection and a load outer conductor connection for connecting the load. Furthermore, the switching device according to the invention comprises a switching element, the control of which is connected to a control input of the switching device.
  • the switching element comprises a first and a second normally-closed contact and a normally-open contact, the first normally-closed contact having a first line-side connection and a first inverter-side connection and the second normally-closed contact having a second line-side connection and a first has connection on the load side and the normal
  • the open contact has a second connection on the inverter side and a second connection on the load side.
  • the network external conductor connection is connected to the first network-side connection and the second network-side connection
  • the inverter external conductor connection is connected to the first inverter-side connection.
  • the load external conductor connection is connected to the first load-side connection and the second load-side connection.
  • the switching device can - but does not necessarily have to - additionally include a secure power supply (PLC) connection with a PLC neutral conductor connection and a PLC external conductor connection for connection to a secure power supply (PLC) output of the inverter.
  • PLC secure power supply
  • the PLC connection of the switchover device is therefore typically present when an inverter is to be connected to the switchover device, which in turn provides a PLC output. If the switchover device includes the additional PLC connection, the second connection on the inverter side can be connected to the PLC external conductor connection. In this case, it is not provided that the second connection on the inverter side is connected to the inverter external conductor connection within the switchover device.
  • the switching device according to the invention can be operated both on inverters which in turn have a PLC output and on inverters that do not have such a PLC output.
  • the switching device has the optional PLC connection, while in the latter case it is typically not available.
  • the switching device according to the invention can thus be used regardless of whether the inverter itself has a PLC output or not. This takes into account the fact that both inverters that have a PLC output and inverters that do not have a PLC output are currently available.
  • an inverter with a PLC output is connected to the grid via its inverter output, its PLC output is voltage-free.
  • the inverter with its inverter output is disconnected from the grid, one is located by a DC / AC converter AC voltage provided by the inverter to its PLC output.
  • smaller local loads are connected to the PLC output of the inverter.
  • the local loads can continue to be supplied via the PLC output of the inverter even in the event of a power failure, for example from a battery connected to the inverter on the DC side or from a fuel cell.
  • the PLC output of the inverter is not connected directly to the load, but to the load with the switching device interposed.
  • the second inverter-side connection of the switchover device can be connected to the inverter outer conductor connection of the switchover device.
  • the neutral conductor connection can be connected directly to the load neutral conductor connection and the inverter neutral conductor connection. If, on the other hand, the switching device has the additional PLC connection, then the network neutral conductor connection is advantageously connected directly to the inverter neutral conductor connection, the load neutral conductor connection, and the PLC neutral conductor connection, if all-pole disconnection in the event of a network fault is not specified in the standard Switching device connected. In these cases, the switching device according to the invention manages with only three contacts, which are available integrated in common inexpensive relays or contactors.
  • the control input of the switching device can be designed identically to the PLC outer conductor connection of the switching device.
  • the control of the switching device can be connected with its first connection to the PLC external conductor connection and with its other connection to the PLC neutral conductor connection of the switching device.
  • a control signal applied to the control input - and thus also to the PLC external conductor connection - can simultaneously be a voltage supply for controlling the switching operation of the Provide switching device. This is described in detail in connection with FIG. 3.
  • the switching device according to the invention with the two normally-closed contacts and the one normally-open contact does not require any energy supply in the event that the supply can be from the higher-level distribution network.
  • the de-energized (not switched) basic state of the switching element the supply of the consumers from the grid is guaranteed via the second normally-closed contact, and the inverter is connected to the grid via the first normally-closed contact.
  • the switching element is energized so that the normally-closed contacts are opened and the normally-open contact is closed.
  • the connected bidirectional inverter determines a network status and, in the event of a critical network status, provides a control signal for the control input so that the switching element is actuated and the normally closed contacts are opened and the normally open contact is closed.
  • the connected bidirectional inverter then starts up and provides a voltage at its inverter outer conductor connection or - if the inverter itself has a PLC output - at its PLC output, which via the now closed normally open contact to the load outer conductor connection and is output to the connected loads.
  • a critical network state should be understood here as all states that do not allow the connected loads to function correctly.
  • the switching element can be designed as a relay, for example, but it can also be a contactor with or without feedback contacts.
  • the switching contacts can be integrated in a switching element or distributed over several individually controllable switching elements.
  • the control input of the switching device according to the invention can be connected to the bidirectional inverter, so that the control of the switching element can be triggered directly by the inverter. This is particularly advantageous if the connected inverter also takes over the grid status monitoring. In principle, the network status monitoring can also be taken over by another external controller, which then controls the switching element in the event of a critical network status and instructs the connected inverter to start up and create a local island network.
  • a voltage supply for the control of the switching element can be provided via the control signal.
  • the switching device Due to the compact design of the switching device, it can be designed for installation in a distribution box of a house installation or for installation in an inverter housing.
  • the switching device also has energy supply connections for connecting a further energy source.
  • the further energy source can preferably be a renewable, local energy source, such as a photovoltaic system installed on site.
  • other local energy sources can be integrated into the local installation via the switching device according to the invention and, particularly advantageously, additionally feed into the local island network in the event of a network fault.
  • the switchover device is part of a retrofit kit with which a system for supplying a load in the event of a critical network condition can be upgraded.
  • the system has supply lines to the load to be supplied.
  • a bidirectional inverter with a voltage-setting function to the switching device, an emergency power supply for a load can be subsequently installed in a simple, compact and inexpensive manner.
  • a further advantage of the switching device according to the invention proves here that by being designed as a compact unit separate from the inverter, the dimensioning of the current carrying capacity of the switches included can be selected to match the system or the loads to be supplied and can even be changed subsequently without great effort .
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a local energy supply system according to the prior art
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a first embodiment of a switching device according to the invention with connected components.
  • 3 shows an exemplary configuration of a second embodiment of a switching device according to the invention with connected components.
  • FIG. 4 shows an exemplary configuration of a third embodiment of a switching device according to the invention with connected components.
  • FIG. 1 shows a local energy supply system with an inverter 29 and a battery 26 connected to it, as is known in the prior art.
  • An outer conductor of a higher-level network 4 is connected to a network external conductor connection 6.
  • a switch 27, which is used to separate the outer conductor, is integrated in the inverter 29. In the event of a network fault, the switch 27 is opened and the loads 3, a local energy source 24/25 and the inverter 29 with the connected battery 26 are disconnected from the network 4.
  • the inverter 29 can set up a local network and supply the loads 3.
  • the local energy source consisting of a generator 25 with an inverter 24 can switch on and feed energy into the local network 28.
  • the switch 27 is designed as a normally open switch, which means that energy must be used to keep this switch 27 closed at all times when the network 4 is available without interference. Even in cases in which the network 4 is available without interference, but the inverter 29 would not be functional, the switch 27 is opened and thus the loads 3 are not supplied. This is disadvantageous, particularly in very stable networks 4.
  • the entire current flows from the network into the battery 26 and vice versa, from the photovoltaic generator 25 to the network 4 and from the network 4 to the loads 3 via the switch 27, which must therefore be designed for the maximum possible current. This can mean that very powerful and therefore expensive switches have to be used here.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a switching device 1 according to the invention.
  • the energy supply network 4 is designed as a three-phase network with an external conductor L1, L2, L3 and a neutral conductor N. Only that is exemplary External conductor L1 and the neutral conductor N are connected to the input of the switching device 1 at a network external conductor connection 6 and a network neutral conductor connection 5. Further loads 21 can be connected to the outer conductors L2, L3, which, however, are at least not supplied via the switching device 1 in the event of a power failure.
  • a bidirectional inverter 2 is connected to an inverter neutral conductor connection 7 and an inverter external conductor connection 8.
  • a battery 26 is connected to the bidirectional inverter 2.
  • the battery 26 can be charged from the network 4 and / or from a local energy source, here a photovoltaic generator 25.
  • a load 3 is connected to a load neutral conductor connection 9 and a load external conductor connection 10.
  • the load 3 can comprise several partial loads, e.g. individual consumers, and should continue to be supplied in the event of a power failure or a power failure.
  • a further energy source which comprises a PV inverter 24 and a photovoltaic generator 25, is connected to a PV outer conductor connection 22 and a PV neutral conductor connection 23.
  • the switching device 1 has a switching element 11 with two normally-closed contacts 11a, 11b and one normally-open contact 11c.
  • the first normally closed contact 11a has a first grid-side connection 12 and a first inverter-side connection 14
  • the second normally-closed contact 11b has a second grid-side connection 13 and a first load-side connection 15
  • the normally open contact 11c has a second inverter-side connection 16 and a second load-side connection 17.
  • the external conductor connection 6 is connected to the first network-side connection 12 and the second network-side connection 13
  • the inverter external conductor connection 8 is connected to the first inverter-side connection 14 and the second inverter-side connection 16
  • the load external conductor connection 10 is connected to the first load-side connection 15 and the second load-side terminal 17 connected.
  • the neutral conductor connection 5 is directly connected to the load neutral conductor connection 9, the inverter neutral conductor connection 7 and the PV neutral conductor connection 23, which in many countries that do not require all-pole disconnection from the grid 4 by standards represents possible and particularly inexpensive embodiment. As a result, the switching element 11 only needs three contacts.
  • a control 19 of the switching element 11 is connected to a control input 18 of the switching device 1.
  • a control signal can be applied to the control input so that the switching element 11 picks up, i.e. the normally-closed contacts are opened and the normally-open contact is closed.
  • a controller (not shown), which can be located in the connected inverter 2, uses sensors (not shown in FIG. 2) attached to the external conductor connection 6, for example, to determine a network status and, in the event of a critical network status, provides the control signal for the control input 18.
  • the normally closed contacts 11a, 11b are opened and the connection of the outer conductor connection 6 to the outer conductor connections 8, 9 and 22 is interrupted.
  • the normally open contact 11c closes, so that the inverter external conductor connection 8 is connected to the load external conductor connection 10.
  • the inverter 2 starts up in voltage-setting mode and provides a local network 28 that is suitable for supplying the load 3.
  • the PV inverter 24 is also connected to the second load-side connection 17 via its outer conductor connection 22, now detects the recurring network (provided by the inverter 2), synchronizes with it and can then feed into the local network 28. With this additional energy, connected loads 3 can be supplied and also fed into the battery 26.
  • the switching device 1 can advantageously also contain energy meters (not shown) that detect the respective energy flows at the outer conductor connections 6, 8, 9 and 22 and forward them to a controller (not shown) that processes and / or also forwards this data.
  • the switching device 1 can be used particularly advantageously in supply lines L1 and N of an existing installation to a load 3 by separating the supply lines and connecting them to the outer conductor connections 5, 6 and 9, 10 of the switching device 1. This makes it possible to expand an existing installation with a backup or emergency power function. Since the switching device 1 can be made small and compact, it can be integrated into a house distribution box, for example. New lines may only have to be laid to connect inverter 2. Retrofitting with a local energy source, which includes, for example, a PV inverter 24 and a photovoltaic generator 25, is also easily possible.
  • a second embodiment of the switching device 1 according to the invention is shown with components connected to it.
  • the second embodiment is similar in many respects to the first embodiment of the switching device 1 already shown in FIG. 2.
  • the inverter 2 connected to the battery 26 is designed as such an inverter with a PLC function.
  • the inverter 2 having a PLC function in FIG. 3 comprises a battery connection 34 for connecting the battery 26 and a network connection 35 for connecting an energy supply network 4.
  • the network connection 35 of the inverter 32 is electrically connected to the power supply network 4 via the switching device 1, in particular via the first inverter-side connection 7, 8 and the input 5, 6 of the switching device 1 32, however, also a so-called PLC output 36 for supplying one or more local loads in the event of a failure of the energy supply network.
  • the inverter 32 which has a PLC function, usually comprises two operating modes in its operation.
  • a first operating mode network operation
  • the PLC output 36 is galvanically isolated from both the mains connection 35 and from the battery connection 34.
  • a second operating mode back-up operation
  • the inverter 32 which has a PLC function, is now able to disconnect its mains connection 35 from the mains 4 in the event of a mains failure and to provide an alternating voltage supplied by the battery at its PLC output 36.
  • the inverter 32 can have a switching device 33 with four interconnected switching contacts 33.1 - 33.4, which connect a DC / AC converter of the inverter 32 either to the mains connection 35 of the inverter 32 or to the PLC connection 36 of the inverter 32 associate.
  • the coupling of the switching contacts 33.1-33.4 to one another is symbolized in FIG. 3 by a dashed line. Specifically are the four switch contacts
  • a first switching contact 33.1 and a second switching contact 33.2 are set up to connect or disconnect the DC / AC converter of the inverter 32 to the mains connection 35, while a third switching contact 33.3 and a fourth switching contact 33.4 are set up DC / AC converter with the PLC output 36 of the inverter 2 to connect or disconnect.
  • the third switching contact 33.3 and the fourth switching contact 33.4 are also coupled in the same direction with one another.
  • the first switching contact 33.1 and the third switching contact 33.3 can be inversely coupled to one another. If, for example, the first switching contact 33.1 closes, the third switching contact 33.3 can open at the same time due to the inverse coupling.
  • the same inverse coupling can also be present between the second switching contact 33.2 and the fourth switching contact 33.4.
  • only one pair of the two pairs of switching contacts 33.1-33.4 is closed during operation, while the other pair of switching contacts 33.1-33.4 is open.
  • a state is also possible in which both pairs of switching contacts 33.1, 33.2 and 33.3, 33.4 are open.
  • the switching device 1 in the second embodiment now includes a PLC outer conductor connection 30 and a PLC neutral conductor connection 31.
  • the PLC outer conductor connection 30 and the PLC neutral conductor connection 31 are each included their corresponding conductor connections of the PLC connection 36 of the inverter 32 are connected.
  • the load neutral conductor connection 9 is connected to the PLC neutral conductor connection 31.
  • the load outer conductor connection 10 is connected to the PLC outer conductor connection 30 via the normally open contact 11c of the switching element 11.
  • the control 19 of the switching element 11 is connected with a first connection to the SPS external conductor connection 30 and with a second connection with the SPS neutral conductor connection 31.
  • the network status monitoring can advantageously take place here by controlling the inverter 32 (not explicitly shown in FIG. 3).
  • the first switching contact 33.1 and the second switching contact 33.2 of the switching device 33 are kept closed by the control of the inverter 32.
  • the third switching contact 33.3 and the fourth switching contact 33.4 remain open.
  • the PLC output 36 of the inverter 32 is thus voltage-free. Because of this, the control 19 of the switching element 11 is also voltage-free, which is why the normally closed contacts 11a, 11b of the switching element 11 are closed and the normally open contact 11c is open.
  • the network connection 35 of the inverter 32 is thus connected to the network 4 via the closed first 33.1 and second contact 33.2 of the inverter 32 and via the normally closed contact 11a of the switching device 1.
  • An exchange of power between the battery 26 and the network 4 as well as between the PV generator 25 and the network 4 can take place.
  • the load 3 connected to the switching device 1 is supplied via the network 4.
  • a failure of the network 4 is recognized by the control of the inverter 32.
  • the inverter 32 thus separates its network connection 35 from the first output of the switching device 1 with the inverter neutral conductor connection 7 and the inverter outer conductor connection 8 and thus from the network 4.
  • the DC / AC Converter set a voltage that is fed from the battery 26.
  • the voltage present at the PLC output 36 of the inverter 32 is also present the PLC connection 30, 31 of the switching device 1, and thus to the control 19 of the switching element 11 of the switching device 1.
  • control 19 closes the normally open contact 11c and opens the normally closed contacts 11a, 11b of the switching device 1.
  • the load 3 connected to the load terminal 9, 10 of the switching device 1 is removed from the battery 26 via the inverter 32 and supplied from the PV generator 25 via the PV inverter 24.
  • the second embodiment of the switching device 1 can be used particularly advantageously in connection with an inverter 32 which comprises a PLC function and a corresponding PLC output 36.
  • the inverter 32 disconnects itself from the network 4 in the event of a power failure and, due to its PLC function, also provides a voltage at its PLC output 36.
  • the voltage of the PLC connection 36 of the inverter is transmitted to the switching device 1 at its PLC connection 30, 31 and thus serves as a control signal for the control 19 of the switching element 11.
  • the control signal signals the control 19 of the failure of the network 4, and also serves as a supply voltage for the control 19 of the switching element 33. Therefore, the PLC external conductor connection 31 forms at the same time also the control input 18 of the switching device 1.
  • a separate control input of the switching device 1 can be omitted here.
  • FIG. 3 The description of FIG. 3 was carried out by way of example for the case that the switching device 33 of the inverter 32 has an all-pole separation between the DC / AC converter and the inverter output 35, as well as between the DC / AC converter and the PLC output 36 of the inverter. For this reason, the switching device 33 comprises the four switching contacts 33.1-33.4. If all-pole disconnection is not required, however, the first switching contact 33.1 and the fourth switching contact 33.4 of the inverter 32 can be omitted and replaced by an inseparable (i.e. non-switchable) connection. In order to symbolize this, the first switching contact 33.1 and the fourth switching contact 33.4 are each shown in FIG. 3 with dashed lines.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the switching device 1, which is similar in the second embodiment in FIG. 3.
  • the third embodiment according to FIG. 4 differs from the second embodiment shown in Figure 3 in that the PLC output 36 is connected directly, in particular without the interposition of the third 33.3 and fourth switching contact 33.4, to a bridge output of the DC / AC converter assigned to the inverter 32.
  • the inverter 32 To output the control signal to the switching device 1, the inverter 32 according to FIG. 4 has an additional connection 37 with a neutral conductor connection 37.1 and an outer conductor connection 37.2.
  • the additional external conductor connection 37.2 is connected to the bridge output of the inverter 32 with an additional switching contact 38.1 interposed.
  • the additional connection 37 is connected to the two-pole control input 18 of the switchover device 1.
  • the connection of the inverter 32 to the network 4 is first disconnected by opening the first switching contact 33.1 and the second switching contact 33.2.
  • a control signal for the switching device 1 is output at the additional connection 37 of the inverter 32 by closing the additional switching contact 38.1.
  • the control signal is also applied to the control input 18 of the switchover device 1 connected to the additional connection 37 of the inverter 32.
  • the control signal signals to the switching device 1 the failure of the network 4 and at the same time provides a supply voltage for the control 19, which then switches the switching device 11.
  • the normally closed contacts 11a and 11b of the switching mechanism 11 are opened.

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Abstract

Eine Umschaltvorrichtung (1) zur wahlweisen Versorgung mindestens einer Last (3) aus einem Netz (4) oder einem bidirektionalen Wechselrichter (2) umfasst einen Eingang mit einem Netz-Neutralleiteranschluss (5) und einem Netz- Außenleiteranschluss (6) zum Anschluss an das Netz (4), einen ersten Ausgang mit einem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss (7) und einem Wechselrichter- Außenleiteranschluss (8) zum Anschluss des bidirektionalen Wechselrichters (2), einen zweiten Ausgang mit einem Last-Neutralleiteranschluss (9) und einem Last- Außenleiteranschluss (10) zum Anschluss der Last (3) und ein Schaltorgan (11), dessen Ansteuerung mit einem Ansteuerungseingang (18) der Umschaltvorrichtung (1) verbunden ist. Das Schaltorgan (11) umfasst einen ersten und einen zweiten normal-geschlossenen Kontakt und einen normal-geöffneten Kontakt, die in einer Verschaltung mit dem Netz-Außenleiteranschluss (6), dem Wechselrichter- Außenleiteranschluss (8) und dem Last-Außenleiteranschluss (10) verbunden sind. Ein zugehöriges Verfahren ist ebenfalls offenbart.

Description

Umschaltvorrichtung, Nachrüstsatz und Verfahren zur elektrischen Versorgung einer Last
Die Erfindung bezieht sich auf eine Umschaltvorrichtung zur wahlweisen Versorgung einer Last aus einem übergeordneten Verteilnetz oder aus einer lokalen Energieversorgungsanlage. Die lokale Energieversorgungsanlage umfasst einen Wechselrichter mit spannungsstellender Funktion, der befähigt ist ein lokales Inselnetz aufzubauen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Nachrüstsatz mit einer Umschaltvorrichtung für eine lokale Energieversorgungsanlage und ein Verfahren zur Umschaltung einer Energieversorgung einer Last.
Insbesondere betrifft die Erfindung sogenannte Notstrom-, Ersatzstrom oder Backup- Systeme, die netzgekoppelte Energieversorgungsanlagen bei Netzausfall absichern, d.h. zumindest einen Teil der angeschlossenen Lasten, beispielsweise nach vorgegebenen Prioritäten, bei Netzausfall weiter versorgen zu können. Dazu sind eine Reihe an Schalthandlungen auszuführen, beispielsweise die Netztrennung, das Aufstarten eines Netzbildners und dessen Aufschaltung auf die Versorgungsleitungen. Des Weiteren muss der Zustand des Netzes überwacht werden, um beispielsweise bei Rückkehr des Netzes eine Synchronisation der lokalen Erzeuger einzuleiten und um die Anlage wieder mit dem Netz verbinden zu können. Diese und viele weitere Anforderungen sind zu erfüllen, wobei deren Erfüllung in verschiedenen Ländern in unterschiedlichsten Richtlinien, Normen und Standards reguliert ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung kleinere Ersatzstrom an lagen, mit denen nur wenige Lasten versorgt werden sollen. Solche Ersatzstromanlagen kommen insbesondere in Netzen zum Einsatz, die eine hohe Stabilität besitzen, was bedeutet, dass sie zu mehr als 90% der Zeit störungsfrei die Versorgung der Lasten gewährleisten. Umgekehrt bedeutet dies, dass derart vorgehaltene Ersatzstrom an lagen zwar dauernd betriebsbereit gehalten werden, aber nur sehr selten zum Einsatz kommen. Üblicherweise umfasst die Ersatzstromanlage, meist der enthaltene Wechselrichter, eine Steuerung, die sowohl den Zustand des Netzes überwacht als auch die Schalter zur Umschaltung von Netzbetrieb auf Ersatzstrom betrieb angesteuert.
Die Druckschrift DE 102012011708 A1 offenbart eine Wechselrichtervorrichtung mit wenigstens einer Wechselrichtereinheit, die mit einer regenerativen Energiequelle und mit einer Akkumulatorvorrichtung sowie über eine Verbindungseinrichtung mit einem Leitungsstrang zwischen einem öffentlichen Energienetz und Verbrauchern verbindbar ist. Der Wechselrichtereinheit ist eine Steuereinheit zugeordnet, die mit einem Leistungsmesser zur Messung der an dem öffentlichen Energienetz anliegenden Spannung zusammenwirkt. Der Wechselrichtereinheit ist eine Sicherheitsschaltung zugeordnet, umfassend eine erste Schaltereinrichtung zwischen der Verbindungseinrichtung und dem öffentlichen Energienetz, und eine zweite Schaltereinrichtung zwischen der Wechselrichtereinheit und der Verbindungseinrichtung. Bei einem Ausfall des öffentlichen Energienetzes schaltet die Steuereinheit die erste und die zweite Schaltereinrichtung in einen trennenden Zustand und verbindet anschließend die in einen spannungsgeführten Modus geschaltete Wechselrichtereinheit über die zweite Schaltereinrichtung mit den Verbrauchern zu deren Notstromversorgung.
Zur Umschaltung können im Ruhezustand offene Schalter (sog. normal-geöffnete Schalter, engl „normally-open“) oder im Ruhezustand geschlossene Schalter (sog. normal-geschlossene Schalter, engl „normally-closed“) verwendet werden.
Meist werden aus Sicherheitsgründen im Ruhezustand offene Schalter verwendet, oft integriert in den Wechselrichter wie in Fig. 1 dargestellt. Diese Lösung bringt aber den Nachteil mit sich, dass dieser Schalter in stabilen Netzen zu 98% oder mehr der Zeiten aktiv geschlossen gehalten werden muss, was einen erheblichen Energiebedarf verursacht. Zusätzlich muss der Schalter in dieser Konfiguration für die volle Stromtragfähigkeit aller angeschlossenen Lasten ausgelegt sein, wobei der Schalter auch für den Fall eines Kurzschlusses noch sicher funktionieren muss.
Diese Anforderungen machen die in Fig. 1 gezeigte bekannte Konfiguration aufwändig und teuer. Dies wiegt umso schwerer bei kleinen Anlagen, wo beispielsweise nur ein Verbraucher für den Netzfehlerfall, der zudem nur extrem selten vorkommt, abgesichert werden soll. Daher besteht Bedarf nach Umschaltvorrichtungen für Ersatzstromanlagen, insbesondere in stabilen Netzen, die klein und kostengünstig ausgeführt werden können und auch im Bereitschaftsmodus (stand-by Betrieb) wenig Kosten verursachen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umschaltvorrichtung aufzuzeigen, die kompakt und wenig aufwändig ausgeführt ist, kostengünstig im Unterhalt ist und die sich auch nachträglich noch in bestehende Installationen einfügen lässt.
Eine erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung weist die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 auf. Bevorzugte Ausführungsformen der Umschaltvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 beschrieben. Ein erfindungsgemäßer Nachrüstsatz ist in Anspruch 13 beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in Anspruch 14 beschrieben. Anspruch 15 zielt auf eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens.
Eine erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung dient zur wahlweisen Versorgung mindestens einer Last aus einem Netz oder aus einem bidirektionalen Wechselrichter. An den bidirektionalen Wechselrichter kann beispielsweise eine Batterie oder auch eine Brennstoffzelle angeschlossen sein und er kann mit einer spannungsstellenden Funktion ausgestattet sein, d.h. er kann befähigt sein, ein lokales Inselnetz auszubauen.
Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung umfasst einen Eingang mit einem Netz- Neutralleiteranschluss und einem Netz-Außenleiteranschluss zum Anschluss an das Netz, einen ersten Ausgang mit einem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss und einem Wechselrichter-Außenleiteranschluss zum Anschluss eines Wechselrichter- Ausgangs des bidirektionalen Wechselrichters, sowie einen zweiten Ausgang mit einem Last-Neutralleiteranschluss und einem Last-Außenleiteranschluss zum Anschluss der Last. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung ein Schaltorgan, dessen Ansteuerung mit einem Ansteuerungseingang der Umschaltvorrichtung verbunden ist. Das Schaltorgan umfasst einen ersten und einen zweiten normal-geschlossenen Kontakt und einen normal-geöffneten Kontakt, wobei der erste normal-geschlossene Kontakt einen ersten netzseitigen Anschluss und einen ersten wechselrichterseitigen Anschluss aufweist und der zweite normal-geschlossene Kontakt einen zweiten netzseitigen Anschluss und einen ersten lastseitigen Anschluss aufweist und der normal- geöffnete Kontakt einen zweiten wechselrichterseigen Anschluss und einen zweiten lastseitigen Anschluss besitzt. Der Netz-Außenleiteranschluss ist mit dem ersten netzseitigen Anschluss und dem zweiten netzseitigen Anschluss verbunden, der Wechselrichter-Außenleiteranschluss ist mit dem ersten wechselrichterseitigen Anschluss verbunden.. Weiterhin ist der Last-Außenleiteranschluss mit dem ersten lastseitigen Anschluss und dem zweiten lastseitigem Anschluss verbunden.
Die Umschaltvorrichtung kann - muss aber nicht zwingenderweise - zusätzlich einen Secure-Power-Supply (SPS) -Anschluss mit einem SPS-Neutralleiteranschluss und einem SPS-Außenleiteranschluss zum Anschluss an einen Secure-Power-Supply (SPS) - Ausgang des Wechselrichters umfassen. Typischerweise ist der SPS- Anschluss der Umschaltvorrichtung also dann vorhanden, wenn an die Umschaltvorrichtung ein Wechselrichter angeschlossen werden soll, der seinerseits einen SPS-Ausgang bereitstellt. Sofern die Umschaltvorrichtung den zusätzlichen SPS-Anschluss umfasst, kann der zweite wechselrichterseitige Anschluss mit dem SPS-Außenleiteranschluss verbunden sein. Hierbei ist es nicht vorgesehen, dass der zweite wechselrichterseitige Anschluss innerhalb der Umschaltvorrichtung mit dem Wechselrichter-Außenleiteranschluss verbunden ist.
Über den optional vorhandenen SPS-Anschluss der Umschaltvorrichtung kann die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung sowohl an Wechselrichtern betrieben werden, die ihrerseits einen SPS-Ausgang aufweisen, als auch an Wechselrichtern, die einen derartigen SPS-Ausgang nicht aufweisen. Im ersten Fall weist die Umschaltvorrichtung den optionalen SPS-Anschluss auf, während er im letztgenannten Fall typischerweise nicht vorhanden ist. Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung kann somit unabhängig davon eingesetzt werden, ob der Wechselrichter seinerseits einen SPS-Ausgang aufweist oder nicht. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass derzeit sowohl Wechselrichter, die ihrerseits einen SPS-Ausgang aufweisen, als auch Wechselrichter, die ihrerseits keinen SPS- Ausgang aufweisen, verfügbar sind.
Wenn ein einen SPS-Ausgang aufweisender Wechselrichter über seinen Wechselrichterausgang mit dem Netz verbunden ist, ist sein SPS-Ausgang spannungsfrei. Hingegen liegt dann, wenn der Wechselrichter mit seinem Wechselrichterausgang von dem Netz getrennt ist, eine durch einen DC/AC-Wandler des Wechselrichters gestellte Wechselspannung an seinem SPS-Ausgang an. Herkömmlicherweise werden an den SPS-Ausgang des Wechselrichters beispielsweise kleinere lokale Lasten angeschlossen. Die lokalen Lasten können über den SPS-Ausgang des Wechselrichters selbst bei einem Ausfall des Netzes, beispielsweise aus einer DC-seitig an den Wechselrichter angeschlossenen Batterie oder aus einer Brennstoffzelle, weiter versorgt werden. In dem vorliegenden Fall wird nun der SPS-Ausgang des Wechselrichters nicht direkt mit der Last, sondern unter Zwischenschaltung der Umschaltvorrichtung mit der Last verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform, bei der die Umschaltvorrichtung den zusätzlichen SPS-Anschluss nicht umfasst, kann der zweite wechselrichterseitige Anschluss der Umschaltvorrichtung mit dem Wechselrichter-Außenleiteranschluss der Umschaltvorrichtung verbunden sein.
Sofern die Umschaltvorrichtung frei von einem zusätzlichen SPS-Anschluss ist und eine allpolige Trennung im Netzfehlerfall nicht normativ vorgeschrieben ist, kann der Neutralleiteranschluss direkt mit dem Last-Neutralleiteranschluss und dem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss verbunden sein. Weist hingegen die Umschaltvorrichtung den zusätzlichen SPS-Anschluss auf, so ist vorteilhafterweise dann, wenn eine allpolige Trennung im Netzfehlerfall nicht normativ vorgeschrieben ist, der Netz-Neutralleiteranschluss direkt mit dem Wechselrichter- Neutralleiteranschluss, dem Last-Neutralleiteranschluss, und mit dem SPS- Neutralleiteranschluss der Umschaltvorrichtung verbunden. In diesen Fällen kommt die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung mit nur drei Kontakten aus, die in gebräuchlichen kostengünstigen Relais oder Schützen integriert erhältlich sind.
Sofern die Umschaltvorrichtung den zusätzlichen SPS-Anschluss umfasst, kann der Ansteuerungseingang der Umschaltvorrichtung identisch mit dem SPS- Außenleiteranschluss der Umschaltvorrichtung ausgeführt sein. Dabei kann die Ansteuerung der Umschaltvorrichtung mit ihrem ersten Anschluss mit dem SPS- Außenleiteranschluss und mit ihrem anderen Anschluss mit dem SPS- Neutralleiteranschluss der Umschaltvorrichtung verbunden sein. In einer derartigen Variante kann ein an dem Ansteuerungseingang - und somit ebenfalls an dem SPS- Außenleiteranschluss - anliegendes Ansteuerungssignal gleichzeitig eine Spannungsversorgung für die Ansteuerung des Schaltorgangs der Umschaltvorrichtung bereitstellen. Dies wird detailliert in Verbindung mit der Fig. 3 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung mit den beiden normal-geschlossenen Kontakten und dem einen normal-geöffneten Kontakt benötigt in dem Falle, dass die Versorgung aus dem übergeordneten Verteilnetz erfolgen kann, keine Energieversorgung. Im unbestromten (nicht geschalteten) Grundzustand des Schaltorgans ist die Versorgung der Verbraucher aus dem Netz über den zweiten normal-geschlossenen Kontakt gewährleistet, und der Wechselrichter ist über den ersten normal-geschlossenen Kontakt an das Netz angeschlossen. Nur wenn das übergeordnete Netz ausfällt und die Versorgung der an die Umschaltvorrichtung angeschlossenen Verbraucher durch den ebenfalls an die Umschaltvorrichtung angeschlossenen Wechselrichter erfolgen soll, wird das Schaltorgan bestromt, so dass die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet und der normal-geöffnete Kontakt geschlossen werden. Durch diese Schalthandlungen entsteht ein vom übergeordneten Netz abgetrenntes lokales Netz, in dem der Wechselrichter die angeschlossenen Lasten versorgen kann. Das bedeutet, dass die Umschalteinrichtung, beziehungsweise deren Schaltorgan, nur im seltenen Fall einer Netzstörung oder eines Netzausfalles Energie verbraucht. Damit ist die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung insgesamt energieeffizierter und kostengünstiger als bisher bekannte Umschaltvorrichtungen.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch die Verwendung von normal-geschlossenen Kontakten zur Trennung vom übergeordneten Netz. Bei der im Stand der Technik geläufigen Lösung, wie in Figur 1 skizziert, kann der normal-geöffnete Trennschalter im Falle einer Störung am Wechselrichter nicht weiter angesteuert werden und wird somit geöffnet. Dadurch werden auch bei korrekt funktionierendem Verteilnetz die Lasten nicht versorgt. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung kann zwar bei einer Störung am Wechselrichter bei Netzausfall keine Trennung erfolgen und selbstverständlich auch keine Notstromversorgung durch den Wechselrichter. Bei stabilem Netz können die Lasten aber weiter versorgt werden, da die normal-geschlossenen Kontakte keine Ansteuerung benötigen, um geschlossen zu bleiben. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Umschalten einer Energieversorgung einer Last mittels einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung ermittelt der angeschlossene bidirektionale Wechselrichter einen Netzzustand und stellt bei einem kritischem Netzzustand ein Ansteuersignal für den Ansteuerungseingang bereit, so dass das Schaltorgan betätigt wird und dadurch die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet und der normal-geöffneten Kontakt geschlossen wird. Der angeschlossene bidirektionale Wechselrichter startet sodann auf und stellt an seinem Wechselrichter- Außenleiteranschluss oder - sofern der Wechselrichter seinerseits einen SPS- Ausgang umfasst - an seinem SPS-Ausgang eine Spannung bereit, die über den nun geschlossenen normal-geöffneten Kontakt an den Last-Außenleiteranschluss und an die angeschlossenen Lasten ausgegeben wird.
Unter einem kritischen Netzzustand sollen hier alle Zustände verstanden werden, die keine korrekte Funktion der angeschlossenen Lasten erlauben.
Das Schaltorgan kann beispielsweise als Relais ausgeführt sein, es kann sich aber auch um ein Schütz mit oder ohne Rückmeldekontakte handeln. Die Schaltkontakte können in einem Schaltorgan integriert sein oder auf mehrere einzeln ansteuerbare Schaltorgane aufgeteilt sein.
Der Ansteuerungseingang der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung kann mit dem bidirektionalen Wechselrichter verbunden sein, so dass die Ansteuerung des Schaltorgans direkt von dem Wechselrichter ausgelöst werden kann. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn der angeschlossene Wechselrichter auch die Netzzustandsüberwachung übernimmt. Prinzipiell kann die Netzzustandsüberwachung auch von einer anderen externen Steuerung übernommen werden, die bei kritischem Netzzustand dann das Schaltorgan ansteuert und den angeschlossenen Wechselrichter zum Aufstarten und Bilden eines lokalen Inselnetzes anweist.
In einer Variante des Verfahrens, bei dem die Umschaltvorrichtung einen zusätzlichen SPS-Anschluss aufweist, kann über das Ansteuerungssignal eine Spannungsversorgung für die Ansteuerung des Schaltorgans bereitgestellt werden.
Durch den kompakten Aufbau der Umschaltvorrichtung kann diese zum Einbau in einen Verteilerkasten einer Hausinstallation oder zum Einbau in ein Wechselrichtergehäuse ausgeführt sein. In einer weiteren Ausführungsform weist die Umschaltvorrichtung ferner Energieversorgungsanschlüsse zum Anschluss einer weiteren Energiequelle auf. Bei der weiteren Energiequelle kann es sich bevorzugt um eine erneuerbare, lokale Energiequelle, wie eine vor Ort installierte Photovoltaikanlage handeln. Alternativ oder zusätzlich können andere lokale Energiequellen über die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung in die lokale Installation integriert werden und besonders vorteilhaft im Netzfehlerfall zusätzlich in das lokale Inselnetz einspeisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Umschaltvorrichtung Teil eines Nachrüstsatzes, mit dem eine Anlage zur Versorgung einer Last im Falle eines kritischem Netzzustandes ertüchtigt werden kann. Die Anlage weist dabei Zuleitungen zu der zu versorgenden Last auf. Durch Zwischenschaltung der Umschaltvorrichtung in die Zuleitungen zu der Last und Anschluss eines bidirektionalen Wechselrichters mit spannungsstellender Funktion an die Umschaltvorrichtung kann auf einfache, kompakte und kostengünstige Weise nachträglich eine Notstromversorgung einer Last installiert werden. Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung erweist sich hier, dass durch eine Ausführung als kompakte, vom Wechselrichter getrennte Einheit die Dimensionierung der Stromtragfähigkeit der enthaltenen Schalter passend zu der Anlage bzw. der zu versorgenden Lasten gewählt werden kann und sogar nachträglich ohne großen Aufwand abgeändert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Heranziehung von Zeichnungen beschrieben, aus denen sich, in Zusammenschau mit den Merkmalen der Ansprüche, weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben.
Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung einer lokalen Energieversorgungsanlage nach dem Stand der Technik und
Fig. 2 eine beispielhafte Ausgestaltung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit angeschlossenen Komponenten. Fig. 3 eine beispielhafte Ausgestaltung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit angeschlossenen Komponenten.
Fig. 4 eine beispielhafte Ausgestaltung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit angeschlossenen Komponenten.
Figur 1 zeigt eine lokale Energieversorgungsanlage mit einem Wechselrichter 29 und einer daran angeschlossenen Batterie 26, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. An einen Netz-Außenleiteranschluss 6 ist ein Außenleiter eines übergeordneten Netzes 4 angeschlossen. In den Wechselrichter 29 ist ein Schalter 27 integriert, der zur Trennung des Außenleiters dient. Im Falle einer Netzstörung wird der Schalter 27 geöffnet und die Lasten 3, eine lokale Energiequelle 24 / 25 und der Wechselrichter 29 mit angeschlossener Batterie 26 sind vom Netz 4 getrennt. Der Wechselrichter 29 kann ein lokales Netz aufbauen und die Lasten 3 versorgen. Die lokale Energiequelle bestehend aus einem Generator 25 mit Wechselrichter 24 kann sich zuschalten und Energie in das das lokale Netz 28 einspeisen.
Der Schalter 27 ist als normal-geöffneter Schalter ausgeführt, was bedeutet, dass für das geschlossen-Halten dieses Schalters 27 zu allen Zeiten, in denen das Netz 4 störungsfrei verfügbar ist, Energie aufgewendet werden muss. Auch in Fällen, in denen das Netz 4 störungsfrei verfügbar ist, der Wechselrichter 29 aber nicht funktionsfähig wäre, wird der Schalters 27 geöffnet und damit die Lasten 3 nicht versorgt. Dies ist nachteilig, insbesondere in sehr stabilen Netzen 4.
Zudem fließt der gesamte Strom vom Netz in die Batterie 26 und umgekehrt, vom Photovoltaikgenerator 25 zum Netz 4 und vom Netz 4 zu den Lasten 3 über den Schalter 27, der daher für den maximal möglichen Strom ausgelegt sein muss. Dies kann dazu führen, dass hier sehr leistungsfähige und damit teure Schalter eingesetzt werden müssen.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 1. Das Energieversorgungsnetz 4 ist als dreiphasiges Netz mit Außenleiter L1 , L2, L3 und Neutralleiter N ausgeführt. Beispielhaft ist nur der Außenleiter L1 und der Neutralleiter N an den Eingang der Umschaltvorrichtung 1 an einem Netz-Außenleiteranschluss 6 und einem Netz-Neutralleiteranschluss 5 angeschlossen. An die Außenleiter L2, L3 können weitere Lasten 21 angeschlossen sein, die im Falle eines Netzausfalles jedoch zumindest nicht über die Umschaltvorrichtung 1 versorgt werden.
An einem ersten Ausgang der Umschaltvorrichtung 1 ist ein bidirektionaler Wechselrichter 2 an einen Wechselrichter-Neutralleiteranschluss 7 und einen Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 angeschlossen. An den bidirektionalen Wechselrichter 2 ist eine Batterie 26 angeschlossen. Die Batterie 26 kann aus dem Netz 4 und/oder aus einer lokalen Energiequelle, hier einem Photovoltaikgenerator 25, geladen werden.
An einen zweiten Ausgang der Umschaltvorrichtung 1 ist eine Last 3 an einen Last- Neutralleiteranschluss 9 und einen Last-Außenleiteranschluss 10 angeschlossen. Die Last 3 kann mehrere Teilasten, z.B. einzelne Verbraucher umfassen und soll im Falle einer Netzstörung oder eines Netzausfalles weiter versorgt werden.
Im Beispiel ist an einen PV-Außenleiteranschluss 22 und einen PV- Neutralleiteranschluss 23 eine weitere Energiequelle angeschlossen, die einen PV- Wechselrichter 24 und einen Photovoltaikgenerator 25 umfasst.
Die Umschaltvorrichtung 1 weist ein Schaltorgan 11 mit zwei normal-geschlossenen Kontakten 11a, 11b und einem normal-geöffneten Kontakt 11c auf. Der erste normal geschlossene Kontakt 11a weist einen ersten netzseitigen Anschluss 12 und einen ersten wechselrichterseitigen Anschluss 14 auf, der zweite normal-geschlossene Kontakt 11b weist einen zweiten netzseitigen Anschluss 13 und einen ersten lastseitigen Anschluss 15 auf und der normal-geöffnete Kontakt 11c weist einen zweiten wechselrichterseitigen Anschluss 16 und einen zweiten lastseitigen Anschluss 17 auf. Der Außenleiteranschluss 6 ist mit dem ersten netzseitigen Anschluss 12 und dem zweiten netzseitigen Anschluss 13 verbunden, der Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 ist mit dem ersten wechselrichterseitigen Anschluss 14 und dem zweiten wechselrichterseitigen Anschluss 16 verbunden und der Last-Außenleiteranschluss 10 ist mit dem ersten lastseitigen Anschluss 15 und dem zweiten lastseitigen Anschluss 17 verbunden. Der Neutralleiteranschluss 5 ist direkt mit dem Last-Neutralleiteranschluss 9, dem Wechselrichter- Neutralleiteranschluss 7 und dem PV-Neutralleiteranschluss 23 verbunden, was in vielen Ländern, die keine allpolige Trennung vom Netz 4 normativ fordern, eine mögliche und besonders wenig aufwändige Ausführungsform darstellt. Hierdurch benötigt das Schaltorgan 11 nur drei Kontakte.
Eine Ansteuerung 19 des Schaltorganes 11 ist es mit einem Ansteuerungseingang 18 der Umschaltvorrichtung 1 verbunden. An den Ansteuereingang kann ein Ansteuersignal angelegt werden, so dass das Schaltorganes 11 anzieht, d.h. die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet und der normal-geöffnete Kontakt geschlossen werden. Eine Steuerung (nicht gezeigt), die sich im angeschlossenen Wechselrichter 2 befinden kann, ermittelt mittels einer beispielsweise am Außenleiteranschluss 6 angebrachten Sensorik (in Fig. 2 nicht gezeigt) einen Netzzustand und stellt bei einem kritischem Netzzustand das Ansteuersignal für den Ansteuerungseingang 18 bereit. Dadurch werden die normal-geschlossenen Kontakte 11a, 11b geöffnet und die Verbindung des Außenleiteranschlusses 6 mit den Außenleiteranschlüssen 8, 9 und 22 wird unterbrochen. Gleichzeitig oder leicht verzögert danach schließt der normal-geöffnete Kontakt 11c, so dass der Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 mit dem Last-Außenleiteranschluss 10 verbunden wird. Der Wechselrichter 2 startet im spannungsstellenden Betrieb auf und stellt ein lokales Netz 28, das zur Versorgung der Last 3 geeignet ist. Der PV- Wechselrichter 24 ist über seinen Außenleiteranschluss 22 ebenfalls mit dem zweiten lastseitigen Anschluss 17 verbunden, erkennt nun das wiederkehrende (vom Wechselrichter 2 gestellte) Netz, synchronisiert sich damit und kann anschließend in das lokale Netz 28 einspeisen. Mit dieser zusätzlichen Energie können sowohl angeschlossene Lasten 3 versorgt werden als auch in die Batterie 26 eingespeist werden.
Vorteilhaft kann die Umschaltvorrichtung 1 auch Energiezähler (nicht gezeigt) enthalten, die an den Außenleiteranschlüssen 6, 8, 9 und 22 die jeweiligen Energieflüsse erfassen und an eine Steuerung (nicht gezeigt) weiterleiten, die diese Daten verarbeitet und /oder ebenfalls weiterleitet.
Besonders vorteilhaft kann die Umschaltvorrichtung 1 in Zuleitungen L1 und N einer bestehenden Installation zu einer Last 3 eingesetzt werden, indem die Zuleitungen aufgetrennt und an den Außenleiteranschlüssen 5, 6 und 9, 10 der Umschaltvorrichtung 1 angeschlossen werden. So ist es möglich, eine bestehende Installation um eine Backup- oder Notstrom-Funktion zu erweitern. Da die Umschaltvorrichtung 1 klein und kompakt ausgeführt werden kann, kann sie beispielsweise in einen Hausverteilerkasten integriert werden. Nur zum Anschluss des Wechselrichters 2 müssen gegebenenfalls neue Leitungen verlegt werden. Auch die Nachrüstung mit einer lokalen Energiequelle, die beispielsweise einen PV- Wechselrichter 24 und einen Photovoltaikgenerator 25 umfasst, ist leicht möglich.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 1 mit daran angeschlossenen Komponenten dargestellt. Die zweite Ausführungsform ähnelt in vielen Punkten der bereits in Figur 2 gezeigten ersten Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1. Zu den ähnlichen Aspekten wird daher auf die Figurenbeschreibung der Figur 2 verwiesen. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede der zweiten Ausführungsform von der ersten Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1 dargestellt.
Als Batterie-Wechselrichter sind auch bidirektional operierende Wechselrichter 2 mit einer sogenannten Secure-Power-Supply (SPS) - Funktion bekannt. In Fig. 3 ist der an die Batterie 26 angeschlossene Wechselrichter 2 als ein derartiger Wechselrichter mit einer SPS-Funktion ausgebildet. In Übereinstimmung mit dem Wechselrichter 2 aus Fig. 2 umfasst der eine SPS-Funktion aufweisende Wechselrichter 2 in Fig. 3 einen Batterie-Anschluss 34 zum Anschluss der Batterie 26 und einen Netz- Anschluss 35 zum Anschluss eines Energieversorgungsnetzes 4. Ähnlich der ersten Ausführungsform in Fig. 2 ist in der zweiten Ausführungsform der Netz-Anschluss 35 des Wechselrichters 32 über die Umschaltvorrichtung 1 mit dem Energieversorgungsnetz 4 elektrisch verbunden, insbesondere über den ersten wechselrichterseitigen Anschluss 7, 8 und den Eingang 5, 6 der Umschaltvorrichtung 1. Zusätzlich umfasst der Wechselrichter 32 jedoch auch einen sogenannten SPS- Ausgang 36 zur Versorgung einer oder mehrerer lokaler Lasten bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes.
Der eine SPS-Funktion aufweisende Wechselrichter 32 umfasst in seinem Betrieb üblicherweise zwei Betriebsmodi. In einem ersten Betriebsmodus (Netzbetrieb), der bei ordnungsgemäß operierenden Energieversorgungsnetz 4 angenommen wird, kann ein Leistungsaustausch zwischen dem Batterieanschluss 34 und dem Netzanschluss 35 erfolgen. Hingegen ist der SPS-Ausgang 36 sowohl von dem Netzanschluss 35 als auch von dem Batterieanschluss 34 galvanisch getrennt. In einem zweiten Betriebsmodus (Back-Up-Betrieb) hingegen wird ein Leistungsaustausch zwischen dem Batterieanschluss 34 und dem SPS-Ausgang 36 ermöglicht, während der Netzanschluss 35 sowohl von dem Batterieanschluss 34 als auch von dem SPS-Ausgang 36 galvanisch getrennt ist. Der eine SPS-Funktion aufweisende Wechselrichter 32 ist nun in der Lage, bei einem Netzausfall seinen Netzanschluss 35 von dem Netz 4 zu trennen und eine über die Batterie versorgte Wechselspannung an seinem SPS-Ausgang 36 bereitzustellen.
Zur Umsetzung der SPS-Funktion kann der Wechselrichter 32 eine Schaltvorrichtung 33 mit vier untereinander gekoppelten Schaltkontakten 33.1 - 33.4 aufweisen, die einen DC/AC-Wandler des Wechselrichters 32 entweder mit dem Netzanschluss 35 des Wechselrichters 32 oder mit dem SPS Anschluss 36 des Wechselrichters 32 verbinden. Die Kopplung der Schaltkontakte 33.1 - 33.4 untereinander ist in Figur 3 über eine gestrichelte Linie symbolisiert. Konkret sind von den vier Schaltkontakten
33.1 - 33.4 der Schaltvorrichtung 33 ein erster Schaltkontakt 33.1 und ein zweiter Schaltkontakt 33.2 eingerichtet, den DC/AC-Wandler des Wechselrichters 32 mit dem Netzanschluss 35 zu verbinden oder zu trennen, während ein dritter Schaltkontakt 33.3 und ein vierter Schaltkontakt 33.4 eingerichtet sind, den DC/AC- Wandler mit dem SPS-Ausgang 36 des Wechselrichters 2 zu verbinden oder zu trennen. Dabei weisen der erste Schaltkontakt 33.1 und der zweite Schaltkontakt
33.2 untereinander eine gleichsinnige Kopplung auf, schließen oder öffnen also gemeinsam. Auch der dritte Schaltkontakt 33.3 und der vierte Schaltkontakt 33.4 weisen eine gleichsinnige Kopplung untereinander auf. Hingegen können der erste Schaltkontakt 33.1 und der dritte Schaltkontakt 33.3 invers zueinander gekoppelt sein. Schließt beispielsweise der erste Schaltkontakt 33.1, so kann aufgrund der inversen Kopplung der dritte Schaltkontakt 33.3 gleichzeitig öffnen. Die gleiche inverse Kopplung kann auch zwischen dem zweiten Schaltkontakt 33.2 und dem vierten Schaltkontakt 33.4 vorliegen. Üblicherweise ist im Betrieb jeweils lediglich ein Paar aus den zwei Paaren von Schaltkontakten 33.1 - 33.4 geschlossen, während das jeweils andere Paar der Schaltkontakte 33.1 - 33.4 geöffnet ist. Zudem ist auch ein Zustand möglich, bei dem beide Paare an Schaltkontakten 33.1, 33.2 und 33.3, 33.4 geöffnet sind.
Zusätzlich zu den bereits in Fig. 2 dargestellten Anschlüssen umfasst die Umschalteinrichtung 1 in der zweiten Ausführungsform nun einen SPS- Außenleiteranschluss 30 und einen SPS-Neutralleiteranschluss 31. Der SPS- Außenleiteranschluss 30 und der SPS-Neutralleiteranschluss 31 sind jeweils mit ihren korrespondierenden Leiteranschlüssen des SPS-Anschlusses 36 des Wechselrichters 32 verbunden. Der Last-Neutralleiteranschluss 9 ist mit dem SPS- Neutralleiteranschluss 31 verbunden. Der Last-Außenleiteranschluss 10 ist über den normal-geöffneten Kontakt 11c des Schaltorgans 11 mit dem SPS- Außenleiteranschluss 30 verbunden. Die Ansteuerung 19 des Schaltorgans 11 ist mit einem ersten Anschluss mit dem SPS-Außenleiteranschluss 30 und mit einem zweiten Anschluss mit dem SPS-Neutralleiteranschluss 31 verbunden.
Ein Betrieb der Umschaltvorrichtung 1 ist nun folgendermaßen. Die Netzzustandsüberwachung kann hier vorteilhafterweise durch die Steuerung des Wechselrichters 32 (in Fig. 3 nicht explizit gezeigt) erfolgen. Bei ordnungsgemäß operierendem Netz 4 werden der erste Schaltkontakt 33.1 und der zweite Schaltkontakt 33.2 der Schaltvorrichtung 33 durch die Steuerung des Wechselrichters 32 geschlossen gehalten. Der dritte Schaltkontakt 33.3 und der vierte Schaltkontakt 33.4 hingegen bleiben geöffnet. Der SPS-Ausgang 36 des Wechselrichters 32 ist somit spannungsfrei. Aufgrund dessen ist auch die Ansteuerung 19 des Schaltorgans 11 spannungsfrei, weswegen die normal geschlossenen Kontakte 11a, 11b des Schaltorgans 11 geschlossen sind und der normal geöffnete Kontakt 11c geöffnet ist. Somit ist der Netzanschluss 35 des Wechselrichters 32 über den geschlossenen ersten 33.1 und zweiten Kontakt 33.2 des Wechselrichters 32 und über den normal geschlossenen Kontakt 11a der Umschaltvorrichtung 1 mit dem Netz 4 verbunden. Ein Leistungsaustausch zwischen der Batterie 26 und dem Netz 4 als auch zwischen dem PV-Generator 25 und dem Netz 4 kann erfolgen. Die an die Umschaltvorrichtung 1 angeschlossene Last 3 wird über das Netz 4 versorgt.
Ein Ausfall des Netzes 4 wird von der Steuerung des Wechselrichter 32 erkannt. Diese öffnet nun den ersten Schaltkontakt 33.1 und den zweiten Schaltkontakt 33.2 des Wechselrichters 32 und schließt den dritten Schaltkontakt 33.3 und vierten Schaltkontakt 33.4. Der Wechselrichter 32 trennt somit seinen Netzanschluss 35 von dem ersten Ausgang der Umschaltvorrichtung 1 mit dem Wechselrichter- Neutralleiteranschluss 7 und dem Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 und somit von dem Netz 4. An dem SPS-Ausgang 36 des Wechselrichters 32 wird von dem DC/AC-Wandler eine Spannung gestellt, die aus der Batterie 26 gespeist wird. Die an dem SPS-Ausgang 36 des Wechselrichters 32 anliegende Spannung liegt auch an dem SPS-Anschluss 30, 31 der Umschaltvorrichtung 1, und somit an der Ansteuerung 19 des Schaltorgans 11 der Umschaltvorrichtung 1 an. In Reaktion darauf schließt die Ansteuerung 19 den normal-geöffneten Kontakt 11c und öffnet die normal-geschlossenen Kontakte 11a, 11b der Umschaltvorrichtung 1. Folglich wird die an dem Lastanschluss 9, 10 der Umschaltvorrichtung 1 angeschlossene Last 3 über den Wechselrichter 32 aus der Batterie 26 und über den PV-Wechselrichter 24 aus dem PV-Generator 25 versorgt.
Die zweite Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1 kann besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem Wechselrichter 32 verwendet werden, der eine SPS-Funktion und einen entsprechenden SPS-Ausgang 36 umfasst. Dabei trennt sich der Wechselrichter 32 bei einem Netzausfall von dem Netz 4 und stellt aufgrund seiner SPS-Funktion zudem eine Spannung an seinem SPS-Ausgang 36. Die Spannung des SPS-Anschlusses 36 des Wechselrichters wird der Umschaltvorrichtung 1 an deren SPS-Anschluss 30, 31 übergeben und dient dieser somit als Ansteuerungssignal für die Ansteuerung 19 des Schaltorgans 11. Das Ansteuersignal signalisiert der Ansteuerung 19 den Ausfall des Netzes 4, und dient zudem auch als Versorgungsspannung für die Ansteuerung 19 des Schaltorgans 33. Daher bildet der SPS-Außenleiteranschluss 31 gleichzeitig auch den Ansteuerungseingang 18 der Umschaltvorrichtung 1. Ein separater Ansteuerungseingang der Umschaltvorrichtung 1 kann hier entfallen.
Die Beschreibung von Fig. 3 erfolgte exemplarisch für den Fall, dass die Schaltvorrichtung 33 des Wechselrichters 32 eine allpolige Trennung zwischen dem DC/AC-Wandler und dem Wechselrichter-Ausgang 35, sowie zwischen dem DC/AC- Wandler und dem SPS-Ausgang 36 des Wechselrichters bereitstellt. Aus diesem Grund umfasst die Schaltvorrichtung 33 die vier Schaltkontakte 33.1 - 33.4. Sofern keine allpolige Trennung gefordert ist, können jedoch der erste Schaltkontakt 33.1 und der vierte Schaltkontakt 33.4 des Wechselrichters 32 entfallen und durch eine untrennbare (i.e. nicht schaltbare) Verbindung ersetzt werden. Um dies zu symbolisieren, sind der erste Schaltkontakt 33.1 und der vierte Schaltkontakt 33.4 in Fig. 3 jeweils gestrichelt dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1 , die in der zweiten Ausführungsform in Fig. 3 ähnelt. Auch hier wird auf die gleichartigen Punkte auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen. Die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der in Figur 3 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass der SPS-Ausgang 36 direkt, also insbesondere ohne Zwischenschaltung des dritten 33.3 und vierten Schaltkontaktes 33.4, mit einem Brückenausgang des dem Wechselrichters 32 zugeordneten DC/AC-Wandlers verbunden ist.
Zur Ausgabe des Ansteuersignales an die Umschaltvorrichtung 1 weist der Wechselrichter 32 gemäß Fig. 4 einen zusätzlichen Anschluss 37 mit einem Neutralleiteranschluss 37.1 und einem Außenleiteranschluss 37.2 auf. Der zusätzliche Außenleiteranschluss 37.2 ist unter Zwischenschaltung eines zusätzlichen Schaltkontaktes 38.1 mit dem Brückenausgang des Wechselrichters 32 verbunden. Weiterhin ist der zusätzliche Anschluss 37 mit dem zweipolig ausgebildeten Ansteuerungseingang 18 der Umschaltvorrichtung 1 verbunden.
Im Betrieb der Umschaltvorrichtung wird dann, wenn ein Ausfall des Netzes 4 erkannt wird, zunächst die Verbindung des Wechselrichters 32 mit dem Netz 4 über ein Öffnen des ersten Schaltkontaktes 33.1 und des zweiten Schaltkontaktes 33.2 getrennt. Zudem wird an dem zusätzlichen Anschluss 37 des Wechselrichters 32 über ein Schließen des zusätzlichen Schaltkontaktes 38.1 ein Ansteuersignal für die Umschaltvorrichtung 1 ausgegeben. Das Ansteuersignal liegt auch an dem mit dem zusätzlichen Anschluss 37 des Wechselrichters 32 verbundenen Ansteuerungseingang 18 der Umschaltvorrichtung 1 an. Das Ansteuersignal signalisiert der Umschaltvorrichtung 1 den Ausfall des Netzes 4 und stellt gleichzeitig eine Versorgungsspannung für die Ansteuerung 19 bereit, die daraufhin das Schaltorgang 11 umschaltet. Insbesondere werden dabei die normal-geschlossenen Kontakte 11a und 11b des Schaltorgangs 11 geöffnet. Flierdurch erfolgt eine Trennung des Netz-Außenleiteranschlusses 8 von dem Wechselrichter- Außenleiteranschluss 8 der Umschaltvorrichtung 1 und andererseits eine Trennung des Energieversorgungsanschlusses 22 von dem Netz-Außenleiteranschluss 8. Gekoppelt mit den normal geschlossenen-Kontakten 11a, 11b wird der normal geöffnete Kontakt 11c geschlossen. Hierbei erfolgt eine Verbindung des Last- Außenleiteranschlusses 10 mit dem SPS - Außenleiteranschluss 30 der Umschaltvorrichtung 1, wodurch die Verbindung zwischen dem SPS-Ausgang 36 des Wechselrichters 32 und der Last 3 hergestellt wird. Ähnlich zu Fig. 3 ist auch in Fig. 4 der erste Schaltkontakt 33.1 gestrichelt dargestellt, um zu symbolisieren, dass er lediglich bei Forderung einer allpoligen Trennung erforderlich ist und ansonsten durch eine untrennbare Verbindung ersetzt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Umschaltvorrichtung
2, 29, 32 Wechselrichter
3 Last
4 Netz
5 -10, 12- 18, 22, 23 Anschluss 11 Schaltorgan
11a, 11b, 11c Kontakte 19 Ansteuerung 21 Lasten
24 Wechselrichter
25 Photovoltaikgenerator
26 Batterie
27 Schalter
28 lokales Netz
30 Secure-Power-Supply (SPS) Außenleiteranschluss
31 Secure-Power-Supply (SPS) Neutralleiteranschluss 33 Schaltorgan
33.1 - 33.4 Schaltkontakt
35 Wechselrichter-Ausgang
36 Secure-Power-Supply (SPS) Ausgang
37 Anschluss
37.1 Neutralleiteranschluss
37.2 Außenleiteranschluss 38.1 Schaltkontakt

Claims

Ansprüche
1. Umschaltvorrichtung (1 ) zur wahlweisen Versorgung mindestens einer Last (3) aus einem Netz (4) oder einem bidirektionalen Wechselrichter (2), umfassend
• einen Eingang mit einem Netz-Neutralleiteranschluss (5) und einem Netz-Außenleiteranschluss (6) zum Anschluss an das Netz (4)
• einen ersten Ausgang mit einem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss (7) und einem Wechselrichter-Außenleiteranschluss (8) zum Anschluss eines Wechselrichter-Ausgangs (35) des bidirektionalen Wechselrichters (2, 32)
• einen zweiten Ausgang mit einem Last-Neutralleiteranschluss (9) und einem Last-Außenleiteranschluss (10) zum Anschluss der Last (3)
• ein Schaltorgan (11 ) dessen Ansteuerung mit einem Ansteuerungseingang (18) der Umschaltvorrichtung (1) verbunden ist, wobei das Schaltorgan (11) einen ersten und einen zweiten normal geschlossenen Kontakt und einen normal-geöffneten Kontakt umfasst, wobei der erste normal-geschlossene Kontakt einen ersten netzseitigen Anschluss (12) und einen ersten wechselrichterseitigen Anschluss (14), der zweite normal-geschlossene Kontakt einen zweiten netzseitigen Anschluss (13) und einen ersten lastseitigen Anschluss (15) , sowie der normal-geöffnete Kontakt einen zweiten wechselrichterseitigen Anschluss (16) und einen zweiten lastseitigen Anschluss (17) aufweist, wobei
• der Netz-Außenleiteranschluss (6) mit dem ersten netzseitigen Anschluss (12) und dem zweiten netzseitigen Anschluss (13) verbunden ist,
• der Wechselrichter-Außenleiteranschluss (8) mit dem ersten wechselrichterseitigen Anschluss (14) verbunden ist, und
• der Last-Außenleiteranschluss (10) mit dem ersten lastseitigen Anschluss (15) und dem zweiten lastseitigen Anschluss (17) verbunden ist.
2. Umschaltvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Umschaltvorrichtung (1 ) zusätzlich einen Secure-Power-Supply (SPS) - Anschluss mit einem SPS- Neutralleiteranschluss (31) und einem SPS-Außenleiteranschluss (30) zum Anschluss an einen Secure-Power-Supply (SPS) Ausgang (36) des Wechselrichters (32) umfasst, wobei der zweite wechselrichterseitige Anschluss (16) mit dem SPS-Außenleiteranschluss (30) verbunden ist.
3. Umschaltvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der zweite wechselrichterseitige Anschluss (16) mit dem Wechselrichter- Außenleiteranschluss (8) verbunden ist.
4. Umschaltvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei der Netz- Neutralleiteranschluss (5) direkt mit dem Last-Neutralleiteranschluss (9) und dem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss (7) verbunden ist.
5. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Netz-Neutralleiteranschluss (5) direkt mit dem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss (7), dem Last- Neutralleiteranschluss (9), und mit dem SPS-Neutralleiteranschluss (31) der Umschaltvorrichtung (1) verbunden ist.
6. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, wobei der Ansteuerungseingang (18) identisch mit dem SPS-Außenleiteranschluss (30) ausgeführt ist.
7. Umschaltvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Schaltorgan (11) als Relais ausgeführt ist.
8. Umschaltvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und zweite normal-geschlossene Kontakt und der normal-geöffnete Kontakt in einem Schaltorgan (11) integriert sind.
9. Umschaltvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Ansteuerungseingang (18) mit dem bidirektionalen Wechselrichter (2) verbunden ist.
10. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Umschaltvorrichtung (1) zum Einbau in einen Verteilerkasten einer Hausinstallation eingerichtet ist.
11. Umschaltvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Umschaltvorrichtung (1) in den angeschlossenen bidirektionalen Wechselrichter (2) integriert ist.
12. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner aufweisend Energieversorgungsanschlüsse (22, 23) zum Anschluss einer weiteren Energiequelle (25), insbesondere einer erneuerbaren lokalen Energiequelle.
13. Nachrüstsatz mit einer Umschaltvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche für eine Anlage mit Zuleitungen zu einer Last (3), wobei durch Zwischenschaltung der Umschaltvorrichtung (1) in die Zuleitungen zu der Last (3) und Anschluss eines bidirektionalen Wechselrichter (2) die Anlage zur Versorgung der Last (3) aus dem Wechselrichter (2) im Fall eines kritischem Netzzustandes ertüchtigt wird.
14. Verfahren zum Umschalten einer Energieversorgung einer Last (3) mit einer Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der angeschlossene bidirektionale Wechselrichter (2, 32) einen Netzzustand ermittelt und bei einem kritischem Netzzustand ein Ansteuersignal an dem Ansteuerungseingang (18) bereitstellt, so dass das Schaltorgan (11) anzieht und dadurch die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet werden und der normal-geöffnete Kontakt geschlossen wird.
15. Verfahren zum Umschalten einer Energieversorgung einer Last (3) nach Anspruch 14, wobei über das Ansteuerungssignal eine Spannungsversorgung für die Ansteuerung des Schaltorgans (11 ) bereitgestellt wird.
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