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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung umfassend eine regenerative Energiequelle zur Erzeugung elektrischer Energie und eine elektrische Verbindung der Energiequelle mit einem Wechselrichter zur Einspeisung der elektrischen Energie in ein öffentliches Stromnetz. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Regenerative Energien sind Energien aus Energiequellen, deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Quelle beiträgt. Zu den regenerativen Energien gehören insbesondere Wasserkraft, Windenergie sowie Sonnenenergie.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere durch Photovoltaik-Anlagen erzeugte elektrische Energie. In einer Photovoltaik-Anlage wird mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt. Die Energiequelle in Form der Solarzellen ist mit einem öffentlichen Stromnetz verbunden. Bei derartigen netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen ist durch die Verbindung zu dem öffentlichen Stromnetz grundsätzlich sichergestellt, dass zu jedem Zeitpunkt genügend Verbraucher vorhanden sind, die die erzeugte elektrische Energie nutzen können. Eine Zwischenspeicherung der elektrischen Energie ist daher bei derartigen Anlagen nicht vorgesehen.
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Aus verschiedenen Gründen kann es jedoch notwendig, wünschenswert oder wirtschaftlich sinnvoll sein, die zur Verfügung stehende elektrische Energie nicht oder nicht vollständig in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.
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Zum Beispiel bei einer Überspannung im öffentlichen Stromnetz, einem Sicherungsausfall oder einem Defekt des Wechselrichters ist es notwendig, dass die erzeugte elektrische Energie zeitweilig nicht in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
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Sofern die elektrische Energie zeitweilig für andere Anwendungen, beispielsweise eine Notstromversorgung, eingesetzt werden soll, kann es wünschenswert sein, die erzeugte elektrische Energie nicht oder nicht vollständig in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.
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Schließlich kann es wirtschaftlich nicht sinnvoll sein, die zur Verfügung stehende elektrische Energie vollständig in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen, wenn die Einspeisungsvergütung des Netzbetreibers geringer als der Einkaufspreis für die elektrische Leistung ist und der aktuelle Eigenverbrauch unter der zur Verfügung stehenden Leistung ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich überschüssige elektrische Energie zwischenspeichern und bedarfsgerecht abrufen lässt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass an die Verbindung zwischen der Energiequelle und den Wechselrichter ein bidirektionaler mit einem Speicher verbundener Regler angeschlossen ist, der elektrische Energie der Energiequelle in den Speicher speichert oder elektrische Energie aus dem Speicher über die elektrische Verbindung und den Wechselrichter in das öffentliche Stromnetz einspeist. Der Regler wird insbesondere im Parallelbetrieb an die elektrische Verbindung zwischen der Energiequelle und den Wechselrichter angeschlossen.
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Ein Verfahren zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie mit einer netzgekoppelten Anlage ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Entsprechend der momentanen Anforderung für die Einspeisung elektrischer Energie in den Speicher entnimmt der bidirektionale mit dem Speicher verbundene Regler elektrische Energie aus der Energiequelle, speichert sie in dem Speicher oder speist sie über den Wechselrichter in das Stromnetz ein. Als Speicher kommen insbesondere Akkumulatoren, Wasserstoffspeicher oder andere Speicher für elektrische Energie in Betracht. Die Anforderung für die Einspeisung elektrischer Energie in den Speicher kann vom Anwender direkt oder über eine zentrales Gebäudemanagement oder vom Regler selbst, wenn dieser feststellt, dass der Energiequelle vom Stromnetz nicht die maximal verfügbare Leistung entnommen wird, oder eine andere, integrierte oder externe Steuerung, vorgegeben werden.
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Sofern der Energiequelle vom Stromnetz nicht die maximal verfügbare Leistung entnommen wird, wird der Regler die Anforderung vorzugsweise derart vorgeben, dass die nicht benötigte elektrische Energie in den Speicher eingespeist wird, während die restliche Energie über den Wechselrichter in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
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Sofern die Energiequelle die vom Stromnetz geforderte Leistung nicht vollständig liefern kann, wird der Regler die Anforderung vorzugsweise derart vorgeben, dass elektrische Energie aus dem Speicher in das Stromnetz eingespeist wird. Die Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz erfolgt mit einer dem Wechselrichter vertrauten Kennlinie. Um jedoch eine Tiefentladung des Speichers zu verhindern, wird die Anforderung unabhängig von der vom Stromnetz geforderten Leistung bei Unterschreiten eines unteren Ladezustands erhöht, so dass ein Teil der elektrischen Energie der Energiequelle zur Erhaltung der Ladung des Speichers zur Verfügung steht.
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Der Speicher kann jedoch nicht nur zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie und der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz, sondern auch für andere Anwendungen benutzt werden. Eine derartige Anwendung ist beispielsweise eine Notstromversorgung für den Haushalt des Betreibers der Photovoltaikanlage. Um eine Notstromversorgung fortlaufend gewährleisten zu können, ist es erforderlich, dass der bidirektionale Regler elektrische Energie aus der regenerativen Energiequelle automatisch in den Speicher einspeist, sofern der Speicher einen unteren Ladezustand unterschreitet.
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Für die praktische Umsetzung des bidirektionalen Reglers ist das Prinzip des CUK-Wandlers besonders geeignet. Ein CUK-Wandler ist eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Gleichspannung in eine betragsmäßig andere elektrische Gleichspannung unabhängig von der Höhe der Ein- und Ausgangsspannung transformiert.
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Alternativ weist der Spannungswandler einen Tief- und einen Hochsetzsteller auf. Bei einem Hochsetzsteller ist die Ausgangsspannung stets größer als der Betrag der Eingangsspannung; bei einem Tiefsetzsteller ist der Betrag der Ausgangsspannung stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung. Durch die Kombination von Hoch- und Tiefsetzsteller lassen sich die Klemmenspannungsunterschiede von Speicher und elektrischer Energiequelle in beiden Richtungen transformieren, je nachdem ob elektrische Energie in den Speicher oder vom Speicher in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
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Um in dem Speicherstromkreis eine Sicherheit vor dem Berühren der Netzspannung herzustellen, können die Ein- und Ausgänge des Spannungswandlers galvanisch voneinander getrennt sein.
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Die galvanische Trennung wird insbesondere als induktive Trennung ausgeführt.
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Als Spannungswandler kommen schließlich auch ein Gegentaktwandler, Flusswandler oder ein Sperrwandler in Betracht. Diese Spannungswandler sind schaltungstechnisch aufwendiger. Bei allen drei Wandlern erfolgt die Spannungsumsetzung durch einen Hochfrequenztransformator. Die Ausgangsspannung kann daher nahezu beliebige Größen annehmen, da sie nicht durch die Topologie des Wandlers, wie es beispielsweise bei einem herkömmlichen Hoch- und Tiefsetzsteller der Fall ist, begrenzt ist. Aufgrund der durch den Hochfrequenztransformator potenzialfreien Ausgangsspannung gehören alle drei Wandler zu der Gruppe der Gleichspannungswandler, deren Ein- und Ausgänge galvanisch voneinander getrennt sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung sowie der Stand der Technik anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine netzgekoppeltes Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer regenerativen Energiequelle in ein öffentliches Stromnetz,
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2 eine Schaltungsanordnung nach 1 mit einem bidirektionalen Regler und einem Speicher für elektrische Energie,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers eines bidirektionalen Reglers einer Schaltungsanordnung nach 2,
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers eines bidirektionalen Reglers einer Schaltungsanordnung nach 2 mit Potentialtrennung und
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5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers eines bidirektionalen Reglers einer Schaltungsanordnung nach 2.
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1 zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung umfassend eine regenerative Energiequelle (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere Solarzellen und eine elektrische Verbindung (2) der Energiequelle (1) mit einem Wechselrichter (3) zur Einspeisung der elektrischen Energie in ein öffentliches Stromnetz (4).
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Aus den eingangs erläuterten Gründen kann es notwendig, wünschenswert oder ökonomisch sinnvoll sein, die von der Energiequelle (1) erzeugte elektrische Energie nicht vollständig in das öffentliche Stromnetz (4) einzuspeisen. Um die überschüssige elektrische Energie zwischenzuspeichern und bedarfsgerecht abzurufen, ist zwischen die Energiequelle (1) und den Wechselrichter (3) ein bidirektionaler Regler (5) geschaltet, der mit einem Speicher für elektrische Energie (6), insbesondere einem Akkumulator elektrisch leitend verbunden ist.
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Der bidirektionale Regler (5) speist elektrische Energie aus der regenerativen Energiequelle (1) in den Speicher (6) ein, sofern die vom Verbrauch im Stromnetz (4) vorgegebene Anforderung für die Einspeisung in den Speicher (6) geringer als die von der Energiequelle (1) zur Verfügung gestellte Leistung ist. Wenn beispielsweise aufgrund des aktuellen Verbrauchs im Stromnetz nur 30% der von der Energiequelle (1) zur Verfügung gestellten Leistung benötigt werden, gibt der Regler (5) die Anforderung für die Einspeisung in den Speicher (6) mit 70% der momentan von der Energiequelle (1) zur Verfügung gestellten Leistung vor. Die restlichen 30% der zur Verfügung gestellten Leistung werden in das Stromnetz eingespeist.
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Steigt indes der Verbrauch im Stromnetz (4) an, kann die Anforderung für die Einspeisung in den Speicher (6) auf 0% der von der Energiequelle (1) zur Verfügung gestellten Leistung sinken. Sofern der Verbrauch im Stromnetz über die von der Energiequelle (1) zur Verfügung gestellte Leistung ansteigt, speist der bidirektionale Regler (5) die darüber hinaus benötigte Energie aus dem Speicher (6) in das Stromnetz (4) ein.
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Als Ist-Größe wird dem bidirektionalen Regler der momentan fließende Strom zwischen der elektrischen Energiequelle (1) und dem Wechselrichter zugeführt. Dieser Ist-Wert wird mit einem aus der Anforderung für die Einspeisung elektrischer Energie in den Speicher resultierenden Soll-Wert verglichen. Abhängig von der Regelabweichung wird die elektrische Energie bedarfsgerecht von dem Regler (5) in den Speicher (6) eingespeist oder aus dem Speicher (6) abgerufen. Die Anforderung für die Einspeisung elektrischer Energie in den Speicher können vom Anwender direkt oder über eine zentrales Gebäudemanagement oder vom Regler selbst, wenn dieser feststellt, dass der Energiequelle nicht die maximal verfügbare Leistung entnommen wird, oder eine andere, integrierte oder externe Steuerung, vorgegeben werden.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Höhe der Klemmenspannung des Speichers (6) geringer als die Klemmenspannung an der elektrischen Energiequelle (1). Bei einer Einspeisung der elektrischen Energie in den Speicher (6), muss der bidirektionale Regler daher als Tiefsetzsteller arbeiten. Bei einer Einspeisung elektrischer Energie aus dem Speicher in das öffentliche Stromnetz, muss der bidirektionale Regler (5) indes als Hochsetzsteller arbeiten.
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3 zeigt einen hierfür geeigneten CUK-Wandler der von dem bidirektionalen Regler (5) umfasst ist. Die Eingänge (E1 und E2) des CUK-Wandlers sind mit der elektrischen Energiequelle (1) verbunden. Die Ausgänge (A1, A2) sind indes mit dem Speicher (6) verbunden. Der CUK-Wandler verwendet für die Spannungswandlung drei aktive Energiespeicher, nämlich zwei magnetisch gekoppelte Spulen (L1, L2) sowie einen Kondensator (C), die mit Hilfe von Schaltern (S1, S2), insbesondere Halbleiterschaltern, kontinuierlich mit elektrischer Energie geladen und entladen werden.
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4 zeigt einen CUK-Wandler nach 3, jedoch mit galvanischer Trennung zwischen den Eingängen (E1, E2) und den Ausgängen (A1, A2), wobei die galvanische Trennung durch einen Transformator (T) erfolgt. Abweichend zu der Ausführung nach 3 weist der CUK-Wandler nach 4 primärseitig einen Kondensator (C1) und sekundärseitig einen Kondensator (C2) auf.
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5 zeigt schließlich einen Spannungswandler, der eine Kombination aus einem Tief- und einem Hochsetzsteller aufweist. Der Spannungswandler umfasst einen ersten Schalter (S1), insbesondere einen Halbleiterschalter und einen zweiten Schalter (S2), insbesondere einen Halbleiterschalter sowie eine Induktivität (L1). Durch Betätigen des Schalters (S1) arbeitet die Induktivität (L1) in Richtung der Ausgänge (A1, A2) als Tiefsetzsteller. Durch Betätigen des Schalters (S2) arbeitet die Induktivität (L1) in Richtung der Eingänge (E1, E2) als Hochsetzsteller.
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Ferner kommen als Spannungswandler noch die schaltungstechnisch aufwendigeren Gegentaktflusswandler, Flusswandler und Sperrwandler in Betracht. Bezugszeichenliste
| Nr. | Bezeichnung |
| 1 | Energiequelle |
| 2 | elektrische Verbindung |
| 3 | Wechselrichter |
| 4 | öffentliches Stromnetz |
| 5 | bidirektionaler Regler |
| 6 | Speicher |
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| E1, E2 | Eingänge |
| A1, A2 | Ausgänge |
| T | Transformator |
| L1, L2 | Induktivität (Spulen) |
| S1, S2 | Schalter |
| C1, C2 | Kondensatoren |