WO2013083521A1 - System for using and storing electrical energy from different types of energy sources - Google Patents

System for using and storing electrical energy from different types of energy sources Download PDF

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WO2013083521A1
WO2013083521A1 PCT/EP2012/074253 EP2012074253W WO2013083521A1 WO 2013083521 A1 WO2013083521 A1 WO 2013083521A1 EP 2012074253 W EP2012074253 W EP 2012074253W WO 2013083521 A1 WO2013083521 A1 WO 2013083521A1
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voltage
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battery
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Joachim ARB
Jochen Hantschel
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Refusol Gmbh
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    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a system for using and storing electrical energy of various energy sources.
  • Energy generation plants the electrical energy from re ⁇ generative energy, eg. Of solar generators, wind power or hydropower generators and the like. Produce in order o in a network, for example.
  • a public power to feed the connected and isolated operation consumer versor ⁇ gen, are well known and increasingly widespread.
  • the energy supplied by the respective generator can vary greatly depending on the ambient and operating conditions.
  • the power delivered by a photovoltaic generator depends strongly on the solar radiation, temperature, etc. On warm, sunny summer days at lunchtime, the generator can deliver the maximum power, while under cloudy, shaded conditions or in cold winter time the generator power drops. At night, a photovoltaic generator delivers no power. Accordingly, the output power of a wind power generator is dependent on the respective current wind conditions.
  • the instantaneous generator power may be greater than the power currently being consumed by connected loads or fed into a grid.
  • This operating point is currently the highest performance than the MPP point (maximum power point).
  • Hybrid means in this context that several crizarti ⁇ ge energy sources in the same system or network can be used. For example, can this be photovoltaic generators, wind power generators, hydropower generators, cogeneration and / or diesel generators.
  • the main generator for example a photovoltaic generator
  • the battery provided for storing excess energy, and to increase the battery life.
  • the battery must be fully charged by some Batte ⁇ rietechnologien at regular intervals, eg what voltaikspeisung or during the winter months by pure photon is not possible in relatively calm times for wind power plants.
  • an additional device for switching between a public power grid and a power system wherein the Zu sat z founded several consumers are connected, which are optionally supplied by the power generation plant or from the supply network with energy ⁇ .
  • an accumulator in the form of an inverter is connected to the satellite device via an inverter connected to the AC side of the system.
  • the battery is charged in times of high energy delivery by the photovoltaic generator and used in times of lower energy supply by the power generation plant to provide power for consumers whozu ⁇ .
  • the battery can be charged from the public power grid via a separate Batteriela ⁇ de réelle.
  • an additional generator for example an electric generator, can be connected to the auxiliary device as an alternative power supply.
  • the battery coupled to the power plant makes it possible, as needed, to balance the differential energy between the energy produced and the energy consumed.
  • By coupling to the AC side of the power generating installation relatively high conversion losses arise in ⁇ predominant power generation by the power generation plant.
  • DC power For charging the battery as supplied by the Photovoltaikge ⁇ erator DC power must first by an inverter into an AC power with conformal to the supply mains voltage, eg the rms value of 230V and a frequency of 50 Hz are converted. Thereafter, this voltage is adjusted by the rectifier associated with the battery to a suitable for the battery DC voltage of, for example, only 12 or 24 volts, generally max. 48V, converted. This leads to high conversion losses.
  • the AC-side coupling of storage batteries results in a relatively complex system, which has many individual components, including an inverter for the photovoltaic generator, an additional AC / DC rectifier for the storage battery and numerous switches for switching the Strom Equipmentspfade, and is relatively expensive ⁇ play.
  • the effort increases significantly. For each phase at least one Alternator / rectifier are kept over which the battery is charged and discharged.
  • the battery can only be alternatively charged either from the photovoltaic generator or from the public power grid or the additional generator.
  • a simultaneous charging of the battery by a plurality of generators or energy sources would be to better use of the power of a generator and better utilization of a change ⁇ judge advantageous.
  • men Hybridsyste ⁇ a flexible, efficient and simultaneous charge of a memory by a plurality of different types of generators or
  • an inverter is known in particular for a photovoltaic system for feeding into an AC voltage network, wherein the inverter has a first, low DC link with capacitors for storing energy, a second, high DC link with capacitors for storing energy, is the second intermediate circuit is a boost converter associated with the up converts the clamping ⁇ voltage of the first intermediate circuit to a magnitude higher potential of the second intermediate circuit, and with so-called egg ⁇ ner.
  • multilevel inverter arrangement is known that is based on the half-bridge configuration and having switching elements which enable to supply energy from the first or the second DC link to the grid, if desired.
  • the Desi ⁇ judge arrangement is bidirectional, so that it also allows a Ent ⁇ measure of power from the grid for charging the capacitors of the second, high intermediate circuit.
  • Another object of the present invention is to provide such a system for the use and storage of electrical energy, which makes it possible to integrate at least one to ⁇ sharmlichen direct-voltage generator and to simultaneously charge a battery in parallel with a main generator and / or an AC voltage source and to use an AC generator.
  • a system for using and storing electrical energy of various types of energy sources comprising a first and a second DC voltage generator branch connected to a first or a second DC voltage generator terminal for a
  • DC generator are connected, a battery device which is connected between the first and the second generator branch to store energy as needed or to make the stored energy usable, a first
  • a first intermediate circuit which is arranged to temporarily store energy between the first and the second input branch, has a second intermediate circuit which is arranged and arranged for temporarily storing energy in such a way that it generates its voltage by boosting the DC input voltage of the first intermediate circuit can be, and has an inverter, whose input is connected to the first and the second DC link and the input for converting AC input side DC voltage energy in the output side AC power and the conversion AC side AC energy in the input side
  • the system further comprises a separator, a first bypass device and a second bypass device.
  • the separating device is set up to branch ⁇ -demand production and separation of a pipe connection between at least the first generator and the first input branch.
  • a generator connected to the generator via the first generator branch optionally selectively connected to the first input branch or isolated from this.
  • the first bypass branch means is arranged to selectively establishing and disconnection of a line connecting between at least the first terminal and the generator ers ⁇ th input bypassing the first generator branch.
  • With a disengaged means comprises a bypass connection between the first generator terminal and the first input branch Herge ⁇ represents may be so via the first bypass device.
  • the second bypass device is set up for the selective production and disconnection of a line connection between at least one connection of the second intermediate circuit and the first generator branch, bypassing the first input two .
  • This can be connected via a bypass connection optionally to the first generator branch with open disconnecting device, the second intermediate circuit.
  • the invention enables a flexible, efficient, and may be ⁇ as simultaneous charge of the battery means by at least one DC voltage generator and / or an AC voltage source or an alternating voltage generator which is connected to the output of the inverter or. With the invention, it is possible to use several energy sources for charging the battery device by appropriate switching by means of the separator and the bypass devices.
  • DC voltage generators such as, for example, a photovoltaic generator or a rectified energy generated by the wind power generator
  • An AC power network such as a public utility grid, or an alternator, such as a combined heat and power plant, diesel generator, wind or hydropower turbine, or another photovoltaic or wind generator with a separate inverter, can be AC-coupled with no additional battery charger to charge the storage. This is supported by the bidirectional inverter, which also allows AC power from an AC grid or generator, and which has the first, low DC link and the second, high DC link with boost converter.
  • the battery unit preferably comprises a reconstruction chargeable battery unit and a battery unit zugeord ⁇ designated DC-DC converter assembly having a combined up and down converter preferably based getak- Teter switch.
  • the battery unit may consist of a plurality of electrical Batte ⁇ rien, which are connected in series to allow a total maximum battery voltage which is suitable for the particular application.
  • a total maximum battery voltage which is suitable for the particular application.
  • a battery device In a preferred embodiment of a battery device according to the invention this has at least a first Bat ⁇ terie Rhein with a first battery unit and one of said associated first DC-DC converter arrangement, a second battery device having a second battery unit and one of said associated second DC-DC converter arrangement, and a switch arrangement, which is adapted and arranged to selectively connect the first and second battery ⁇ unit either electrically in parallel or in series with each other and the parallel or series circuit with the generator branches.
  • the battery unit optionally and depending on the operating conditions are either coupled in parallel to the generator to give a state of low voltage across the battery units, in which the battery units can be charged even at low generator voltage.
  • the battery units can then also be discharged symmetrically with low voltage from both parallel branches of the battery units.
  • the battery units can also be connected in series to the generator. This makes it possible to achieve a high voltage across the series-connected memory devices which are close to the optimum operating points of an inverter, even up to 200-700V. This can also minimize conversion losses when feeding from the battery.
  • the series connection of the battery units can be discharged with high voltage, which also largely avoids conversion losses. This further increases the flexibility and efficiency of the system according to the invention.
  • a charge balance between the two battery units can be performed. This allows a safe full charge of a battery unit or serves so that a same charge state results in both battery units, which is necessary or conducive to optimal operation when unloading in series.
  • a simple implementation of the switch assembly may include a first switch for establishing or canceling a connection between a first pole of the first battery unit and an opposite second pole of the second battery unit and a second switch arranged and connected to connect between the opposite second pole the second battery unit and the second generator branch to establish or cancel.
  • any battery units may be used, which are also referred to as accumulators.
  • electrochemical cells such as lithium-ion battery ⁇ mulatoren, nickel-cadmium storage batteries or nickel-metal hydride batteries, conventional lead-acid batteries and the like. be used.
  • Suitable accumulators have a high energy absorption capacity with low self-discharge.
  • storage capacitors for example so-called ultra capsules, can also be used as battery units in the sense of the invention.
  • the first generator branch may have a protective diode, which is connected in the direction of flow between the first generator connection and the battery device.
  • the diode prevents discharge of the battery device by a generator connected to the generator terminals. With sufficient energy of the generator, it is possible to bridge the Dio ⁇ de with a switch to avoid passage losses through the diode.
  • the first and the second DC link are preferably each DC voltage intermediate circuits, each having one or more storage capacitors connected in series.
  • the second intermediate circuit which can also be referred to as a high intermediate circuit, a DC-DC converter is assigned, which serves to increase the input DC voltage of the first, low DC link to a magnitude higher potential ⁇ tial of the second intermediate circuit.
  • This provides an increased voltage potential for a multilevel inverter, which can be used in particular if the DC voltage of the generator or of the battery device for generating AC power would not be sufficient.
  • It is the use of the increased voltage potential of the two ⁇ th intermediate circuit preferably periods, so Bruchtei- le of the half-waves of the AC voltage, limited with insufficient input DC voltage. In the remaining periods, the lower DC voltage is used at the first DC link for AC generation. As a result, voltage jumps, switching losses, ripple currents and electromagnetic interference can be kept low.
  • the DC / DC converter according to the invention for the second DC link on an up-converter part includes a Rei ⁇ henscnies of an inductance whose primary side is connected to the first DC input branch, and a free wheeling diode whose cathode is connected to the terminal or positive pole of the second intermediate circuit, and a clockable switch on the one hand at the connection point between the inductance and the freewheeling diode and on the other ⁇ is connected to a neutral conductor (or at a training without center tap to the second DC voltage input branch).
  • the inverter according to the invention has a one- to three-phase, preferably transformerless inverter ⁇ circuit with high-frequency tactile electronic switch elements and freewheeling paths, which are designed to selectively feeding AC energy from the first or second intermediate circuit or a withdrawal of AC energy for charging the second high DC link in a controlled manner to educate ⁇ len.
  • the inverter can therefore also serve as a controllable rectifier.
  • the disconnecting device for selectively connecting the first generator branch to the first input branch has a controllable switch which has a forward direction from the first generator branch to the first Having the first input branch, and arranged in series with the scarf ⁇ ter, in the same direction of passage rectifier diode, which protects the switch against reverse currents.
  • the first bypass device of the invention has Wenig ⁇ least a first one of the first generator connection to the first A ⁇ branch passage leading bypass line in which a is disposed at ⁇ controllable switch in series with a rectifier diode, which has the same conducting direction as the scarf ⁇ ter. By closing the switch, a generator can be coupled to the first input branch, bypassing the first generator branch.
  • the second bypass device has at least one further bypass line leading from the positive connection or pole of the second intermediate circuit to the first generator branch, in which a controllable switch is arranged. By closing the switch, the intermediate circuit is coupled to the first generator branch bypassing the first input branch.
  • the system according to the invention preferably has a ⁇ telanzapfung With the first and second intermediate circuit, the guided through a through the inverter
  • the aforementioned devices including the driver with the controllable switch between the generator branch and the input branch, the first bypass line with the tactile switch and the rectifier diode and the second bypass line with the controllable switch and the anti-parallel diode, the DC link capacitors and the DC / DC Converter also provided in an analo ⁇ ger manner between the second, negative generator terminal and the neutral conductor.
  • the system can also be realized without center tapping, in which case the aforementioned components are omitted.
  • the aforementioned generator connections and branches are used to connect a main or primary Gleichtheseserzeu ⁇ gers or generator.
  • the system can also be extended to at least one further, preferably to integrate andersarti ⁇ gen DC voltage generator as needed.
  • the system may further include at least first and second secondary generator terminals for a secondary DC voltage generator, first and second secondary DC voltage generator branches respectively connected to the first and second secondary generator terminals, and a switch circuit including allows at least the first secondary generator branch to be selectively connected to the first primary generator branch or to the first input branch.
  • the secondary generator can optionally be coupled to the first primary generator branch or bypassing it, with the disconnector open to the first input branch, to charge the battery device possibly parallel to the charge by mains current drain and / or feeding to achieve.
  • This can provide a flexible hybrid system that is suitable for various applications, in particular different DC clamping ⁇ voltage generator and an efficient and simultaneous La ⁇ dung of the battery memory by the primary and secondary generator and from the network permits.
  • the switching circuit at least a first and a second switch path, said first switch path connects the first secondary generator branch with the first primary generator path and having a first switch unit, while the second switch path to the first secondary genera ⁇ torzweig connects to the first input branch and has a two ⁇ te switch unit.
  • the second switch unit can also have a clockable switch to made ⁇ handy to operate, if necessary, a low reduction of the potential of the secondary generator the secondary generator in all modes of operation as possible in its optimum MPP operating point.
  • the system according to the invention further comprises a sensor device for detecting operating parameters, which include at least the voltages at the primary and optionally the secondary generator (s), the battery unit (s) and the intermediate circuits, and a control device which controls the operation of the system, including the inverter, generator (s), battery units, switch and bypass devices, etc., depending on the detected operating parameters.
  • operating parameters include at least the voltages at the primary and optionally the secondary generator (s), the battery unit (s) and the intermediate circuits
  • a control device which controls the operation of the system, including the inverter, generator (s), battery units, switch and bypass devices, etc., depending on the detected operating parameters.
  • control means may comprise a control logic that allows it to perform a function of the detected operating parameters of one of the following modes of operation: supplying AC power either from at least one connected to the Gene ⁇ ratoran Why direct current generator and / or from the battery means (preferably both when the generator voltage less than the battery voltage and vice versa), charge the battery device either from at least one of the existing DC generators, AC generator with rectifier and / or AC power taken from the AC side of the inverter, or a combination of such feed and charge operations.
  • supplying AC power either from at least one connected to the Gene ⁇ ratoran
  • direct current generator and / or from the battery means preferably both when the generator voltage less than the battery voltage and vice versa
  • charge the battery device either from at least one of the existing DC generators, AC generator with rectifier and / or AC power taken from the AC side of the inverter, or a combination of such feed and charge operations.
  • the one or more generators provided on the hybrid system according to the invention may be selected from a group including photovoltaic generators, wind generators with rectifiers, hydropower or wind turbines with rectifiers, fuel cells and generators with internal combustion engines, such as diesel generators and cogeneration units. works, with rectifiers.
  • FIG. 1 is a highly simplified block diagram of a he ⁇ inventive hybrid system according to the invention.
  • FIG. 2 is a simplified circuit diagram illustrating a modified embodiment of the hybrid system of FIG. 1 in more detail; FIG. and
  • Fig. 3 is a circuit arrangement illustrating another modifi ed ⁇ embodiment of a hybrid system according to the invention.
  • a power generating installation 1 in a schematic manner having a DC voltage genes ⁇ rator 2, an AC generator or an AC power source 3 and an interposed Invention ⁇ invention system 4 for the production, use and storage having electrical energy.
  • the power generation plant can be, for example, a photovoltaic system that converts solar energy into alternating current electrical energy, which is then either fed into a grid, eg a public grid, or used to supply local AC consumers.
  • the power generation plant can also ei ⁇ ne wind turbine, a hydropower plant, a fuel ⁇ cell based plant or any other suitable
  • An ⁇ location be that generates electricity preferably from renewable energy.
  • the power generation plant has the generator 2, which supplies a variable DC voltage U G at its output depending on ambient and / or operating conditions.
  • generator 2 may be a photovoltaic generator that converts solar energy into electrical energy whose magnitude depends on solar radiation, cloudiness, shading, season, time of day, temperature and other influencing factors as well as the respective operating state.
  • the generator 2 can also be a rectified wind generator, a wind turbine coupled to a DC generator, or a generator based on fuel cells or an internal combustion engine, for example a diesel generator or cogeneration plant, depending on the type of plant.
  • the AC voltage generator or the AC voltage source 3 may be, for example, a public utility network into which the AC power generated is fed, or any AC voltage generator capable of supplying a voltage of, for example, 230V RMS and 50Hz frequency, such as For example, a combined heat and power plant, a diesel generator o- and also another photovoltaic or wind turbine with separate inverter.
  • the plant 1 on the DC or AC side can also Connected to consumers (not illustrated) who use the generated or provided energy.
  • the system 4 for generating, using and storing energy of the various energy sources 2, 3 essentially comprises a battery device 6 and an inverter arrangement 7, which are connected in parallel to the output of the generator.
  • the battery device 6 serves to temporarily store the energy provided by the DC voltage generator 2 and / or the AC voltage generator 3 in order to make it usable at a later time. Furthermore, the battery device 6 serves to assist or replace the generator 2 in the provision of energy for the inverter arrangement 7 if the generator energy is insufficient for this purpose.
  • the Batterieeinrich ⁇ device 6 is explained in more detail below.
  • the inverter arrangement 7 has a first intermediate circuit 8 for temporarily storing energy, a second intermediate circuit 9 for temporarily storing energy, the voltage of which can be generated by boosting the DC input voltage of the first intermediate circuit 8, and an inverter 11.
  • the inverter 11 is connected with its input to the first and the second intermediate circuit 8, 9 and set up for converting input side DC ⁇ energy in the output side AC power and for converting the output side AC power in the input side DC power.
  • the change ⁇ judge arrangement 7 is explained in more detail below.
  • the generator 2 provides its DC voltage U G to a first and second DC voltage generator terminal 13, 13 ', from which a first and a second generator branch 14, 14' extend.
  • a protective diode 16, 16 ' is arranged, which prevents Entla ⁇ tion of the battery device 6 via the generator 2.
  • As needed 'bridging of the protective diode 16, 16' is parallel to a respective switch 17, 17 'vorgese ⁇ hen.
  • the battery device 6 is connected, which has a battery unit 18 and a DC voltage converter arrangement 19 arranged in series therewith.
  • the DC-DC converter arrangement 19 serves to transform the voltage applied between the generator branches 14, 14 'to the battery voltage U B and vice versa.
  • the DC-DC converter arrangement 19 is connected to the positive pole of the battery unit 18, whose negative pole is connected to the second generator branch 14 '.
  • the first and the second generator branch 14, 14 ' are via disconnectors 21, 21' with a first and a second
  • the first DC intermediate circuit 8 is connected between the input branches 22, 22 'and has a series connection of two storage capacitors 23, 23', which have substantially the same capacitance.
  • the mid-point 24 between the capacitors 23, 23 ' is connected via a tap to a neutral conductor, not shown here, which is passed through the inverter 11.
  • the second DC link 9 has a series arrangement of two substantially equal sized storage capacitors 26, 26 'which are connected between a first and a second DC voltage input line 27, 27' and whose connection point is connected to the center tap line 24 is.
  • the input lines 27, 27 ' are used to provide a magnitude increased voltage potential for the inverter 11.
  • a first DC / DC converter 28 is arranged between the first input branch 22 and the first input line 27, which is adapted to that at the first input branch 22 be ⁇ provisioned potential of the first intermediate circuit voltage U ZK i up to an absolute higher potential of the voltage applied across the storage ⁇ capacitor 26 second intermediate circuit voltage U ZK 2.
  • a second DC / DC converter 28 ' is a boost converter between the second, negative
  • the erfindungsge ⁇ Permitted System 4 a decoupling / coupling device which makes it possible selectively either the direct voltage generator 2 or the alternating voltage generator 3 or both to be used for charging the battery device 6.
  • the coupling / decoupling device 29 includes a separating device 31, which is essentially formed by the disconnecting switches 21, 21 ', and a first and a second bypass device 32, 33.
  • the first bypass device 32 has a first bypass line 34, which essentially leads from the first generator connection 13 to the first input branch 22 in parallel with the first generator branch 14 and the switch 21 connected thereto.
  • a preferably controllable first switch 36 is arranged, depending on the state, a current flow through the bypass line 34 either allows or prevents.
  • a second bypass line 34 ' is connected to the negative DC voltage connection 13' of the generator 2, which is connected to the second input branch 22 'and has a switch 36' for producing and disconnecting the line connection.
  • the second bypass device 33 has a first By- to pass path 37, the leads 27 of the positive terminal 25 of the SpeI ⁇ cherkondensators 26 and the first input line to the first branch generator fourteenth In the bypass path 37, a controllable switch 38 and an antiparallel connected to this diode 39 are arranged.
  • a second bypass path 37 ' connects the terminal 25' of the storage capacitor 26 'and the second input line 27' to the second generator branch 14 'and includes a switch 38' with an anti-parallel diode 39 '.
  • the plant 1 has a sensor device 41 and a control device 42 ⁇ .
  • the sensor device 41 has (not shown here) sensor means, such as voltage and Strommony ⁇ ler, which make it possible to detect signals at different points of the power generation plant 1.
  • the output voltage of the generator 2, U G the voltage across the battery unit 18, U B , the first and the two ⁇ te DC link voltage U ZK i, U ZK 3 and U ZK 2, U ZK 4 and the change ⁇ voltage at the output of the inverter 11 are detected.
  • Au ⁇ ßerdem can also flows, such as, the output current of the generator 2 or the alternating current at the output of the inverter 11 are detected.
  • the sensor device may also further parameters, such as in a photovoltaic system the mo ⁇ mentane radiation performance, ambient temperature, etc., as Detect input signals 43 and report in the form of sensor signals 44 to the controller 42 to allow this to control the operation of the power generation plant 1 aptly.
  • the control device 42 controls the operation of the energy ⁇ generation system 1, in particular of the generator 2, the Batte ⁇ rie coupled 6, the inverter assembly 7 and the coupling / decoupling device 29, depending on the current operating conditions and according to a predetermined control logic different operating modes
  • the controller may selectively supply AC power either from the generator 2 and / or from the battery device 6 or charge the battery device 6 either from the generator 2 and / or through AC power takeoff or a combination of such power supply and Charges cause.
  • the fiction, contemporary ⁇ System 4 works as follows:
  • the system 1 is a photo-voltaic system is that is attached to an AC voltage network 3 ⁇ closed.
  • the switches 21, 21 'of the separator 31 are closed and the switches 36, 36' and 38, 38 'of the first and second bypass means 32, 33 are opened .
  • the generator 2 now feeds the inverter 11 via the generator branches 14, 14 'and the input branches 22, 22' as well as via the DC / DC converters 28, 28 'serving as boost converters and the input lines 27, 27'.
  • the example may be an inverter, as described in more detail in DE 10 2006 010 694 B4, uses the voltage U ZK i and stored energy of the first intermediate circuit 8 and the high voltage U ZK 2 and stored energy of the second intermediate ⁇ circle 9, at its output a matching to the network 3 AC voltage, for example.
  • the inverter 11 can be fed in the same way from the battery unit 18, wherein the DC voltage ⁇ converter assembly 19 is operated as an up-converter to raise the battery voltage U B to the required intermediate circuit voltage U ZK i + U ZK 3.
  • the inverter 11 can also be fed both from the generator 2 and from the battery device 6. In this case, if the voltage U G of the generator 2 is greater than the voltage U B of the battery unit 18, the DC-DC converter ⁇ arrangement 19 is operated properly to raise the potential of the battery ⁇ gigarge voltage U B to that of the generator voltage U G. If, in the opposite case, the generator voltage U G is lower than the battery voltage U B , then the disconnecting switches 21, 21 'can be opened and the switches 36 and 36' of the first bypass device 32 can be closed.
  • the battery unit 18 then feeds the second intermediate circuit 9 via the diodes 39, 39 'of the bypass path 37, 37' with the switch 39, 39 'open, while the generator 2 is supplied via the bypass lines 34, 34' and the input branches 22, 22 '.
  • the first intermediate circuit 8 feeds and where ⁇ in the generator voltage via the boost converter 28, 28 'is increased to the voltage of the second intermediate circuit 9.
  • the battery unit 18 may also be charged regularly or as needed. Charging by the generator 2 takes place via the DC-DC converter arrangement 19, which is operated as a step-down converter. At the same time, the generator 2 can also feed the inverter 11 in the manner explained above.
  • the battery unit 18 may also from the alternating voltage network clamping ⁇ 3 of removed energy ER of one or more of alternating voltage in the alternating voltage network witnesses being loaded. To make this possible, it must be 9 charged to the system peak voltage in preparation for a network current draw of the second, high Zvi ⁇ intermediate circuit. This is preferably done from the battery unit 18 through the DC-DC converter assembly 19, which operates as a boost converter. It is also possible to charge the second intermediate circuit 9 via the boost converters 28, 28 'from the generator 2. The charging of the second, high DC link to the mains peak voltage is required so that when switching the AC mains high pulse currents are avoided.
  • the switches 38, 38 of the separation device 31 are 'of the second direction Bypassein- 33 are closed and the switches 21, 21' open.
  • the inverter 11 can now transfer energy between the alternating voltage network 3 and the second, high intermediate circuit 9 via its functionality of the mains current drain and thus charge the battery unit 18 via the bypass paths 37, 37 'with the closed switches 38, 38'.
  • the DC-DC converter arrangement 19 provides the required potential matching by acting as buck converter.
  • the switches 38, 38 'of the second bypass device 33 are closed, the disconnectors 21, 21' are opened and the switches 36, 36 'of the first bypass device 32 are closed.
  • the energy through the mains current drain can now flow through the closed switches 38, 38 '.
  • the clamping ⁇ tion of the generator 2 via the DC / DC converter 28, 28' in this case as a buck converter working to deepen the potential of the second DC link.
  • the system 4 of the invention allows a flexible, efficient and time ⁇ same charge the battery device 6 by the different types of energy sources 2 and 3 and an equally flexible and efficient use of battery energy time ⁇ same with the energy from the generator. 2
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that here a modified, preferred embodiment of the battery device 6 and concrete embodiments of the coupling / decoupling device 29 and the inverter assembly 7 are indicated.
  • these are only exemplary execution ⁇ forms, so that there are other possibilities for implementation.
  • the preferred embodiment of the battery device 6 illustrated in FIG. 2 has a first battery device 6a and a second battery device 6b.
  • the first Bat ⁇ terie Marie 6a has a first battery unit 18a and the associated first DC-DC converter assembly 19a.
  • DC-DC converter assembly 19a is an inductive converter formed by a combined boost converter and buck converter.
  • the first DC-DC converter arrangement 19a has a first electronic switch unit 47a with a switch 48a and a freewheeling diode 49a connected in antiparallel to it, a second electronic switch unit
  • Switch unit 51a with a switch 52a and an antipa ⁇ parallel freewheeling diode 53a and an inductor 54a.
  • the inductor 54a is connected to a connection point between the switch units 47a, 51a and to the positive terminal of the battery ⁇ unit 18a.
  • the negative pole of the battery unit 18a is connected to the second, negative generator branch 14 ', to which the second switch unit 51a is also connected.
  • the first switch unit 47a is in turn connected to the first generator branch 14 Ge ⁇ .
  • the second battery device 6b has a second battery unit 18b and a DC-DC converter arrangement 19b associated therewith, which is arranged between the generator branches 14, 14 '.
  • the DC ⁇ transducer assembly 19b comprises a first and a second electro ⁇ African switch unit 47b, 51b, each having a scarf ⁇ ter 48b, 52b, and this anti-parallel freewheeling diode 49b have 53b, and an inductor 54b.
  • the first switch unit 47b is angeord ⁇ net between the positive generator branch 14 and a terminal of the second switch unit 51b, whose other terminal to the negative generator branch 14 ' connected is.
  • the inductor 54b is connected to the connection point between the ⁇ switch units 47b, 51b and to the positive pole of the battery unit 18b.
  • a switch assembly 56 is provided, which is adapted to the first and the second Batterieein ⁇ unit 18a, 18b either electrically connected either in parallel or in series with each other and with the generator branches 14, 14 '.
  • the switch arrangement 56 has a first switch 57 and a second switch 58.
  • Switch 57 is disposed in a connection branch connecting the connection point between the inductance 54a and the positive pole of the first battery unit 18a to the negative pole of the second battery unit 18b.
  • the second switch 58 is disposed in a branch, which connects the negative pole of the second battery ⁇ unit 18b to the negative branch generator 14 '.
  • both battery means 6a, 6b connected to each other parallel to the generator. 2
  • the two Batterieein ⁇ units 18a, 18b connected in series.
  • the battery units 18a, 18b can now be charged or discharged either in series or in parallel in the manner already explained above in connection with FIG. 1 from the generator 2 and / or by mains current drain.
  • the battery units 18a, 18b closed parallel to each other is carried out charging via the DC ⁇ transducer assemblies 19a, 19b, which operate in this operating case as a buck converter.
  • the first switch units 48a, 48b being ⁇ controlled with a duty ratio suitable to a suitable battery charging voltage for charging the battery units 18a, 18b provide.
  • the freewheeling current here passes over the freewheeling diodes 53a, 53b of the second switch units 51a, 51b.
  • the battery units 18a, 18b can also be charged in series connection.
  • the switch 57 is closed and the switch 58 is opened, and the second DC-DC converter arrangement 19b is used by appropriate clocking of the switch 48b as enquiriessetz ⁇ actuator.
  • the DC-DC converter arrangement 19b is used as a step-up converter by the switch 52b is driven with a suitable duty cycle.
  • the generator voltage is lower than the voltage of the series connection of the battery units 18a, 18b, they are discharged symmetrically in parallel through the first and second DC voltage converter arrangements 19a, 19b and boosted to the intermediate circuit level of the intermediate circuit 8.
  • the scarf ⁇ ter 52a, 52b of the second switch units 51a, 51b connected with the appropriate setting for the high duty cycle.
  • the battery units 18a, 18b can also be used together with the generator 2 for feeding the inverter 11.
  • a concrete embodiment of the coupling / decoupling device 29 according to the invention is further illustrated.
  • the switches 21, 21 'of the separator 31 as electronic switches with a in Series with the switch 21, 21 'and disposed in the same conducting direction rectifier diode 61, 61' illustrates that the switches 21, 21 'against any reverse currents Schütting ⁇ zen.
  • rectifier diodes 62, 62 ' are also provided in series with the switches 36, 36' of the first and second bypass lines 34, 34 'of the first bypass device 32.
  • the coupling / decoupling device 29 illustrated in FIG. 2 corresponds in terms of its structure and functionality to the coupling / decoupling device illustrated in FIG. 1.
  • Fig. 2 shows a concrete, preferred exporting ⁇ approximate shape of a DC / DC converter 28, 28 ', which is suitable for wetting Hochset ⁇ a voltage.
  • the first DC / DC converter 28 has an up-converting part 73.
  • the up-converter portion 73 is an inductive converter with an inductance 76, whose primary side is connected to the first input branch 22 and whose secondary side is ver ⁇ connected in series with a free-wheeling diode 77, whose cathode is connected to the terminal 25 or the A ⁇ output line 27 ,
  • a switchable switch 78 is connected to the secondary side of the inductance 76 and via the center ⁇ tap 24 to a neutral conductor 79.
  • the switch 78 is switched in a known manner with a duty cycle suitable for boosting.
  • the DC / DC converter 28 ' has a step-up converter part 73', wherein the boost converter part 73 'an inductance 76', the primary side to the second A ⁇ branch passage 22 'is connected in series with a freewheeling diode 77', which Cathode is connected to the terminal 25 'of the second intermediate circuit 9, and a clockable switch 78' which is connected between the secondary side of the inductor 76 'and the neutral conductor 79.
  • the thus-formed DC / DC converter 28, 28 'can including the DC link capacitors 23, 23', carried out in duplicate and be parallel connected zuei ⁇ Nander. These can then be clocked in time or nested for upward or downward conversion. As a result, ripple currents due to the switching of the DC / DC converter switches can be reduced.
  • the inverter 11 is illustrated in more detail in FIG. 2 in the already mentioned multilevel inverter circuit arrangement, which uses the two input voltages of the first and the second DC link 8, 9.
  • the inverter 11 has parallel to the capacitors 23, 23 'of the first intermediate circuit 8, a half bridge circuit having two connected in Rei ⁇ he switch elements 82, 83, may be to those connected in parallel and in the opposite conducting direction, a freewheeling diode (not ver ⁇ anschaubit) to protect these anti-lock currents.
  • rectifier diodes 84, 86 are provided which are arranged in the same passage direction as the switch elements 82, 83.
  • switch elements 87, 88 each provided with antiparallel freewheeling diodes 89, 91 and in series with each other.
  • the switch elements 87, 88 are connected to the output terminals 25, 25 'of the respective DC / DC converters 28, 28', respectively.
  • the other terminal of the Wegerele ⁇ elements 87, 88 is connected to each other and a center tap 90 of the half-bridge with the switches 58, 59.
  • the inverter 11 further includes two freewheeling paths 92, 93 which extend parallel to each other between the center tap 90 and the neutral conductor 79.
  • Each freewheeling path 92, 93 has a switch element 94 or 96 with an optional anti-parallel to this freewheeling diode and a in Row arranged on this rectifier diode 97 and 98, which has the same passage direction as the associated scarf ⁇ terelement 94 and 96, respectively.
  • the DC ⁇ rectifier diodes 97, 98 connected in each freewheel paths 92, 93 in the opposite forward direction to each other.
  • the center tap 90 of the half-bridge is connected via a connecting line 99, in which a storage inductor 101 is provided to temporarily store energy supplied by the half-bridge and, for example, to an AC voltage network 3 or a consumer, connected to an AC voltage terminal 102 of an AC voltage circuit.
  • a smoothing capacitor can be inserted processing 103 to filter out high-frequency voltage components.
  • the system can also be three-phase.
  • the inverter 11 can be selectively either the low intermediate circuit voltage U ZK i + U ZK 3 of the first intermediate circuit or insufficient voltage of the direct voltage generator 2 or the battery device 6, the boosted by the DC / DC converter voltage U ZK 2 + U ZK 4 of the second, higher intermediate circuit 9 use.
  • the freewheeling current as needed at the timing of the half-bridge switch elements 82, 83 via the freewheeling paths 92, 93 and when clocking the
  • Switch elements 82, 83 flow. Then corresponding voltage strokes on the center tap 90 can be reduced and associated switching and re-magnetization losses can be reduced.
  • DE 10 2006 010 694 B4 which describes the structure and operation of the inverter circuit shown here in FIG. 2 in detail.
  • the inverter arrangement 7 shown in FIG. 2 also permits a controlled removal of the alternating current for charging the capacitors 26, 26 '.
  • alternating current for charging the capacitors 26, 26 '.
  • 92 energy can be transferred from the AC ⁇ side to the capacitor 26 'by switching the switch element 94 in the second free-wheeling path.
  • This Ener ⁇ energy can then, if necessary, 18b are used in the manner described above to charge the battery units 18a.
  • FIG. 1 and 2 Another embodiment of a system according to the invention for generating, using and storing energy is illustrated in FIG. 1 and 2, the illustrated in Fig. 3 exporting ⁇ approximate shape different from those of FIG. Substantially only in that here with a primary
  • DC generator 104 is connected to the system 4. If, for example, the generator 2 is a photovoltaic generator, in addition or as a substitute for times of low power of the photovoltaic generator, for example, generated by Windkraftgenera ⁇ tor rectified energy or a DC voltage generator ⁇ or alternator with rectifier by an internal combustion engine, eg. A diesel ⁇ generator or a combined heat and power plant, to the DC link 8, 9 and the battery device 6 of the system 4 are connected. As a result, the security of supply increases or ei ⁇ ne full charge of the battery even at night or during the Winter months are possible.
  • the generator 2 will be referred to as the primary generator and the generator 104 as the secondary generator.
  • the secondary generator 4 is connected analogously to the generator 2 to a first and a second secondary generator terminal 106, 106 ', of which a first and a second secondary DC voltage generator branch 107, 107' lead away.
  • a switch circuit 108 serves to selectively connect the first and second secondary generator branches to either the first and second primary generator branches 14, 14 ', respectively, or to the first and second DC input branches 22, 22', respectively.
  • the switch circuit has switch paths 109, 109 ', 111, 111' arranged therein
  • a first switch path 109 with a first switch 112 is arranged between the first secondary generator branch 107 and the first primary generator branch 14.
  • a second switch path 109 'with a second switch 112' is arranged between the second secondary generator branch 107 'and the second primary generator branch 14'.
  • a third switch path 111 with a third switch 113 and a fourth switch path 111 'with a fourth switch 113' between the first and second secondary generator branch 107 and 107 'and the first and second input branch 22 and 22' are connected.
  • Rectifier diodes 110, 110 ' are in the generator branches 107 or 107' in the direction of flow between the respective generator terminal 106 or 106 'and the Verbin ⁇ dung node between the switch paths 109, 11, and 109' are arranged, 111 '.
  • the operation and operation of the secondary Genera ⁇ sector 104 are also by the controller 42 in Dependence of signals detected by the sensor device 41, including the voltage to the secondary generator 104 controlled. This can be used as follows:
  • the generator 104 may, for example, be used to charge the battery device 6.
  • Fig. 3 two battery units 18 a, 18 b are illustrated, which, as already explained in connection with ⁇ hang with Fig. 2, depending on the state of the switches 57, 58 of the switch assembly 56 can be loaded either in series or in parallel.
  • a DC-DC converter arrangement 19 and a battery unit 18 will be referred to generally.
  • the first and second switches 112, 112 ' are closed and the switch 17, 17' bridging the protection diode 16, 16 'is opened.
  • the current flows through the first and the second switch path 109, 109 'with the closed switches 112, 112' and the DC-DC converter arrangement 19, which works as a step-down converter, to the battery unit 18.
  • the switches 112, 112 'of the first and second switch paths 109, 109' and the switches 21, 21 'of the separator 31 are opened, while the switches 38 , 38 'of the bypass paths 37, 37' and the switches 113, 113 'of the third and fourth switch paths 111, 111' are closed.
  • the current now flows through the third and fourth switch path 111, 111 'in the low intermediate circuit 8 and is used by the DC / DC converters 28, 28' ge ⁇ exploited to the voltage of the low intermediate circuit 8 on egg ne higher voltage than the voltage of the battery unit 18 to increase. From the high intermediate circuit 9, the current via the closed switch 38, 38 'and the buck converter 19 to the battery unit 18 drain.
  • the current now flows from the secondary generator 104 through the closed third and fourth switch path 111, 111 'into the low DC link 9 and is boosted by the DC / DC converters 28, 28' to the voltage of the primary generator 2.
  • the energy from the pri ⁇ mary generator 2 flows through the closed switch 17 or alternatively via the diode 16 to the working as a buck converter DC-DC converter arrangement 19, the MPP- Tracking for the primary generator 2, to the battery unit 18.
  • the MPP tracking of the secondary generator 104 is accomplished by the DC / DC converters 28, 28 '.
  • the secondary generator 104 may be used in a conventional manner for feeding the inverter 11 via the third and fourth switch paths 111, 111 'with then closed switches 113, 113'.
  • the primary generator 2 with sufficient energy in the manner explained in connection with FIG. 2 in parallel charge the battery unit 18 when all the switches 21, 21 ', 36, 36', 38, 38 'of the coupling / decoupling device 29 are opened ,
  • the secondary generator 104 can be on the Wei ⁇ chenpfade 109, 109 'with the closed switches 112, 112' also charge the battery unit 18, while the primary generator 2 pass means the inverter 11 via the first By- 32 fed.
  • the switches 21, 21 ', 38, 38' are open.
  • the simultaneous use of the primary and secondary DC voltage generator 2, 104 for feeding is possible ⁇ limited. If the voltage of the primary generator 2 is high enough, it can be directly integrated into the second, high intermediate circuit 9 via the free-wheeling diodes 39, 39 ', which are connected in antiparallel with the switches 38, 38'. The switches 21, 21 'of the separator 31 are open. The secondary generator 104 is switched into the first, low intermediate circuit 8 via the closed switches 113, 113 'of the third and fourth switch paths 111, 111'.
  • the secondary generator 104 can be activated via the switches 112, 112 'of the first and second switch paths 109, 109' and to the switches 38, 38 '. parallel freewheeling diodes 39, 39 'are connected in the second, high intermediate circuit 9.
  • the primary generator 2 is switched via the closed switches 36, 36 'of the first bypass device 32 into the first, low intermediate circuit 8.
  • the switches 21, 21 'of the separator 31 are open in both cases.
  • the inventive coupling / decoupling means 29 and the optional filter circuit 108 can be provided a hybrid system with different energy sources to a power system or network that allows both a generator and the Speicherbatte ⁇ rien economically be dimensioned and ensure long battery life. Even in a photovoltaic system and at night or in the winter months, it is always possible to fully charge the battery, if necessary.
  • the system 4 according to the present invention enables a flexible, efficient and simultaneous feed and / or charge the battery unit 18 or units by a plurality of generator ⁇ ren. It is possible, through intelligent switching over the separator 31, the bypass devices 32, 33 and the switch circuit 108 to use various energy sources 2, 3, 104 for charging the battery units 18.
  • DC generators such as photovoltaic generators or rectified wind energy generators can be coupled on the DC side, so that additional inverters with associated conversion losses can be avoided.
  • alternators with, for example network conforming 230 V 50 Hz voltage, and cogeneration, diesel generators or more photovoltaic can taik- or wind systems with separate inverters, AC can be coupled voltage side having to use for loading the memory without additional Batte ⁇ rielader.
  • the system 4 can be flexibly extended by one or more secondary DC voltage generators of different types.
  • the battery device 6 can also optionally in the advantageous embodiment of FIG. 2 with the ability to easily and quickly either a series or parallel connection of two or more battery units 18a, 18b to create realized.
  • Inverters of different configurations can be used provided that they have a low DC link as well as a high DC link and enable a net current drain.
  • the midpoint 24 is connected to the neutral conductor 79. This is not necessary.
  • the illustrated and other circuits may be implemented without center tap 24. This eliminates the components referred to as "second” whose reference numerals are here provided with a "'", in particular the DC link capacitors 23', 36 ', the DC / DC converter 28', the second bypass line 34 'with the switch 36', the second bypass path 37 'with the switch 38' and the diode 39 '.
  • the DC link capacitors 23, 26 are connected directly to the potential of the negative pole of the generator 2 ⁇ .
  • a system 4 for use and storage of electrical energy by a plurality of different types of energy sources including at least one DC voltage generator 2 and an AC voltage network 3.
  • the system 4 has a battery device 6 for the temporary storage of energy and an inverter 11, which has a low and a high intermediate circuit 8, 9 and is also set up for the exchange of current from the grid 3 ⁇ .
  • a coupling / decoupling device 29 is between the at least a DC voltage generator 2, the battery device 6, and the intermediate circuits 8, 9 are arranged and adapted to selectively allow for efficient and simultaneous charging of the battery ⁇ device 6 through the at least one DC voltage genes ⁇ rator 2 as well as by network current drain.

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Abstract

What has been produced is: a system (4) for using and storing electrical energy by means of a plurality of different types of energy sources including at least one DC voltage generator (2) and an AC voltage power supply system (3). The system (4) has a battery device (6) for temporarily storing energy and an inverter (11), which has a low intermediate circuit and a high intermediate circuit (8, 9) and is also designed for drawing alternating current from the power supply system (3). A coupling/decoupling device (29) is arranged between the at least one DC voltage generator (2), the battery device (6) and the intermediate circuits (8, 9) and is designed to enable optionally efficient and simultaneous charging of the battery device (6) by the at least one DC voltage generator (2) and by drawing current from the power supply system.

Description

System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen System for using and storing electrical energy of various energy sources
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen . The present invention relates to a system for using and storing electrical energy of various energy sources.
Energieerzeugungsanlagen, die elektrische Energie aus re¬ generativer Energie, bspw. von Solargeneratoren, Windkraftoder Wasserkraftgeneratoren und dgl . , erzeugen, um sie in ein Netz, bspw. ein öffentliches Versorgungsnetz, einzuspeisen o- der auch im Inselbetrieb angeschlossene Verbraucher zu versor¬ gen, sind allgemein bekannt und zunehmend verbreitet. Energy generation plants, the electrical energy from re ¬ generative energy, eg. Of solar generators, wind power or hydropower generators and the like. Produce in order o in a network, for example. A public power to feed the connected and isolated operation consumer versor ¬ gen, are well known and increasingly widespread.
Die von dem jeweiligen Generator gelieferte Energie kann dabei je nach Umgebungs- und Betriebsbedingungen stark variieren. Z.B. hängt die von einem Photovoltaikgenerator gelieferte Leistung stark von der Sonneneinstrahlung, Temperatur, etc. ab. An warmen, sonnigen Sommertagen zur Mittagszeit kann der Generator die maximale Leistung liefern, während unter bewölkten, abgeschatteten Bedingungen oder in der kalten Winterzeit die Generatorleistung absinkt. In den Nachtstunden liefert ein Photovoltaikgenerator gar keine Leistung. Entsprechend ist auch die Ausgangsleistung eines Windkraftgenerators von den jeweiligen momentanen Windverhältnissen abhängig. The energy supplied by the respective generator can vary greatly depending on the ambient and operating conditions. For example, The power delivered by a photovoltaic generator depends strongly on the solar radiation, temperature, etc. On warm, sunny summer days at lunchtime, the generator can deliver the maximum power, while under cloudy, shaded conditions or in cold winter time the generator power drops. At night, a photovoltaic generator delivers no power. Accordingly, the output power of a wind power generator is dependent on the respective current wind conditions.
Die momentane Generatorleistung kann größer sein als die Leistung, die gerade von angeschlossenen Verbrauchern abgenommen oder in ein Netz eingespeist werden kann. Es besteht aber der Wunsch, die Energieerzeugungsanlage stets leistungsopti- miert derart zu betreiben, dass der Generator immer die nach den momentanen Verhältnissen größtmögliche Leistung abgibt. Dieser Betriebspunkt momentan größter Leistung wird als der MPP-Punkt (Maximum-Power-Point) bezeichnet. The instantaneous generator power may be greater than the power currently being consumed by connected loads or fed into a grid. However, there is a desire to always operate the power generation plant in an optimized way so that the generator always delivers the highest possible power according to the current conditions. This operating point is currently the highest performance than the MPP point (maximum power point).
Soll eine Energieerzeugungsanlage leistungs- und ertrags¬ optimiert arbeiten, muss eine evtl. überschüssige Generator¬ energie zwischenzeitlich gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann dann in Zeiten geringerer Energielieferung genutzt werden. If a power generation plant performance and work income ¬ optimized, suggested excess generator ¬ energy must be saved in the meantime. The stored energy can then be used in times of lower energy supply.
Damit eine derartige Energieerzeugungsanlage mit Speicher wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden kann, kann es erforderlich sein, das System als Hybridsystem auszuführen. „Hybrid" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mehrere verschiedenarti¬ ge Energiequellen im selben System bzw. Netz eingesetzt werden. Bspw. können dies Photovoltaikgeneratoren, Windkraftgeneratoren, Wasserkraftgeneratoren, Blockheizkraftwerke und/oder Diesel-Generatoren sein. In order for such a power plant with memory can be used economically useful, it may be necessary to run the system as a hybrid system. "Hybrid" means in this context that several verschiedenarti ¬ ge energy sources in the same system or network can be used. For example, can this be photovoltaic generators, wind power generators, hydropower generators, cogeneration and / or diesel generators.
Durch den Einsatz einer weiteren Energiequelle ist es möglich, den Hauptgenerator, bspw. einen Photovoltaikgenerator , und die zur Speicherung überschüssiger Energie vorgesehene Batterie wirtschaftlich zu dimensionieren sowie die Batterielebensdauer zu erhöhen. Die Batterie muss bei manchen Batte¬ rietechnologien in regelmäßigen Abständen vollständig aufgeladen werden, was z.B. in den Wintermonaten durch reine Photo- voltaikspeisung oder in relativ windstillen Zeiten bei Windkraftanlagen nicht möglich ist. By using a further energy source, it is possible to economically dimension the main generator, for example a photovoltaic generator, and the battery provided for storing excess energy, and to increase the battery life. The battery must be fully charged by some Batte ¬ rietechnologien at regular intervals, eg what voltaikspeisung or during the winter months by pure photon is not possible in relatively calm times for wind power plants.
Aus der EP 1 965 483 AI ist eine Zusatzeinrichtung zur Schaltung zwischen einem öffentlichen Energieversorgungsnetz und einer Energieversorgungsanlage bekannt, wobei an die Zu- sat zeinrichtung mehrere Verbraucher angeschlossen sind, die wahlweise von der Energieerzeugungsanlage oder von dem Versor¬ gungsnetz mit Energie versorgt werden. Ferner ist an die Zu- sat zeinrichtung über einen auf der Wechselspannungsseite der Anlage angeschlossenen Wechselrichter ein Speicher in Form ei- ner Batterie angeschlossen. Die Batterie wird in Zeiten hoher Energielieferung durch den Photovoltaikgenerator geladen und in Zeiten geringerer Energielieferung durch die Energieerzeugungsanlage genutzt, um Energie für die Verbraucher bereitzu¬ stellen. Alternativ zu der Versorgung aus dem Photovoltaikgenerator kann die Batterie auch über ein separates Batteriela¬ degerät aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz geladen werden. Ferner kann ein zusätzlicher Generator, z.B. elektrischer Generator, als Ersatzstromversorgung an die Zusatzeinrichtung angeschlossen werden. From EP 1 965 483 AI an additional device for switching between a public power grid and a power system is known, wherein the Zu sat zeinrichtung several consumers are connected, which are optionally supplied by the power generation plant or from the supply network with energy ¬ . Furthermore, an accumulator in the form of an inverter is connected to the satellite device via an inverter connected to the AC side of the system. ner battery connected. The battery is charged in times of high energy delivery by the photovoltaic generator and used in times of lower energy supply by the power generation plant to provide power for consumers bereitzu ¬. As an alternative to the supply from the photovoltaic generator, the battery can be charged from the public power grid via a separate Batteriela ¬ degerät. Furthermore, an additional generator, for example an electric generator, can be connected to the auxiliary device as an alternative power supply.
Die an die Energieerzeugungsanlage angekoppelte Batterie ermöglicht es, bedarfsweise die Differenzenergie zwischen der erzeugten und der verbrauchten Energie auszugleichen. Durch die Ankopplung an die Wechselspannungsseite der Energieerzeu¬ gungsanlage entstehen jedoch bei überwiegender Energieerzeugung durch die Energieerzeugungsanlage relativ hohe Wandlungs¬ verluste. Zum Laden der Batterie muss die vom Photovoltaikge¬ nerator bereitgestellte Gleichspannungsleistung zunächst durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannungsleistung mit zu dem Versorgungsnetz konformer Spannung, z.B. mit dem Effektivwert von 230V und der Frequenz von 50 Hz, umgewandelt werden. Danach wird diese Spannung durch den der Batterie zugeordneten Gleichrichter auf eine für die Batterie passende Gleichspannung von bspw. nur 12 oder 24 Volt, im Allgemeinen max . 48V, gewandelt. Dies führt zu hohen Wandlungsverlusten. The battery coupled to the power plant makes it possible, as needed, to balance the differential energy between the energy produced and the energy consumed. By coupling to the AC side of the power generating installation, however, relatively high conversion losses arise in ¬ predominant power generation by the power generation plant. For charging the battery as supplied by the Photovoltaikge ¬ erator DC power must first by an inverter into an AC power with conformal to the supply mains voltage, eg the rms value of 230V and a frequency of 50 Hz are converted. Thereafter, this voltage is adjusted by the rectifier associated with the battery to a suitable for the battery DC voltage of, for example, only 12 or 24 volts, generally max. 48V, converted. This leads to high conversion losses.
Außerdem ergibt die wechselspannungsseitige Ankopplung von Speicherbatterien ein relativ aufwendiges System, das viele Einzelkomponenten, einschließlich eines Wechselrichters für den Photovoltaikgenerator, eines zusätzlichen Wechsel-/Gleich- richters für die Speicherbatterie und zahlreicher Schalter zur Umschaltung der Stromführungspfade, aufweist und relativ kost¬ spielig ist. Insbesondere bei einem dreiphasigen System steigt der Aufwand erheblich. Für jede Phase muss wenigstens ein Wechsel-/Gleichrichter vorgehalten werden, über den die Batterie geladen und entladen wird. In addition, the AC-side coupling of storage batteries results in a relatively complex system, which has many individual components, including an inverter for the photovoltaic generator, an additional AC / DC rectifier for the storage battery and numerous switches for switching the Stromführungspfade, and is relatively expensive ¬ play. Especially in a three-phase system, the effort increases significantly. For each phase at least one Alternator / rectifier are kept over which the battery is charged and discharged.
Außerdem kann die Batterie nur alternativ entweder aus dem Photovoltaikgenerator oder aus dem öffentlichen Energiestromnetz oder dem zusätzlichen Generator geladen werden. Eine gleichzeitige Ladung der Batterie durch mehrere Generatoren oder Energiequellen wäre aber zur besseren Nutzung der Leistung eines Generators und besseren Auslastung eines Wechsel¬ richters von Vorteil. Es besteht der Wunsch, bei Hybridsyste¬ men eine flexible, effiziente und zeitgleiche Ladung eines Speichers durch mehrere verschiedenartige Generatoren bzw. In addition, the battery can only be alternatively charged either from the photovoltaic generator or from the public power grid or the additional generator. A simultaneous charging of the battery by a plurality of generators or energy sources but would be to better use of the power of a generator and better utilization of a change ¬ judge advantageous. There is a desire in men Hybridsyste ¬ a flexible, efficient and simultaneous charge of a memory by a plurality of different types of generators or
Quellen zu ermöglichen. To allow sources.
Aus der DE 10 2006 010 694 B4 ist ein Wechselrichter insbesondere für eine Photovoltaikanlage zur Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz bekannt, wobei der Wechselrichter einen ersten, niedrigen Zwischenkreis mit Kondensatoren zur Speicherung von Energie, einen zweiten, hohen Zwischenkreis mit Kondensatoren zur Speicherung von Energie, wobei dem zweiten Zwischenkreis ein Hochsetzsteller zugeordnet ist, der die Span¬ nung des ersten Zwischenkreises auf ein betragsmäßig höheres Potential des zweiten Zwischenkreises heraufsetzt, und mit ei¬ ner sog. Multilevel-Wechselrichteranordnung bekannt, die auf der Halbbrückenbauweise basiert und Schalterelemente aufweist, die es ermöglichen, wahlweise aus dem ersten oder dem zweiten Zwischenkreis Energie in das Netz einzuspeisen. Die Wechsel¬ richteranordnung ist bidirektional, so dass sie auch eine Ent¬ nahme von Strom aus dem Netz zur Aufladung der Kondensatoren des zweiten, hohen Zwischenkreises ermöglicht. From DE 10 2006 010 694 B4 an inverter is known in particular for a photovoltaic system for feeding into an AC voltage network, wherein the inverter has a first, low DC link with capacitors for storing energy, a second, high DC link with capacitors for storing energy, is the second intermediate circuit is a boost converter associated with the up converts the clamping ¬ voltage of the first intermediate circuit to a magnitude higher potential of the second intermediate circuit, and with so-called egg ¬ ner. multilevel inverter arrangement is known that is based on the half-bridge configuration and having switching elements which enable to supply energy from the first or the second DC link to the grid, if desired. The Wechsel ¬ judge arrangement is bidirectional, so that it also allows a Ent ¬ measure of power from the grid for charging the capacitors of the second, high intermediate circuit.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Nachteile und Unzulänglichkei¬ ten herkömmlicher Systeme zu überwinden und ein System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenarti- ger Energiequellen zu schaffen, das eine zeitgleiche Ladung eines Speichers durch mehrere Generatoren oder Energiequellen ermöglicht. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges System zu schaffen, das ein Laden einer Speicherbatterie wahlweise entweder aus einem Gleich¬ spannungsgenerator und/oder aus einer Wechselspannungsquelle bzw. einem Wechselspannungserzeuger mit möglichst geringem Aufwand und bei hoher Effizienz und Flexibilität ermöglicht. Insbesondere sollten hierzu möglichst wenige Komponenten benö¬ tigt und Verluste durch Umwandlungen vermieden oder weitgehend reduziert werden. Starting herefrom, it is an object to overcome the disadvantages mentioned above and Unzulänglichkei ¬ th of conventional systems of the present invention, and a system for the use and storage of electrical energy verschiedenarti- ger energy sources, which allows a simultaneous charging of a memory by multiple generators or energy sources. In particular, it is an object of the present invention to provide such a system that allows charging of a storage battery selectively either of a direct ¬ voltage generator and / or from an AC voltage source or an alternating voltage generator having the lowest possible cost and with high efficiency and flexibility. Especially as few components should provide more Need Beer ¬ Strengthens and losses avoided through conversions or largely reduced.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie zu schaffen, das es ermöglicht, wenigstens einen zu¬ sätzlichen Gleichspannungserzeuger zu integrieren und zur zeitgleichen Ladung einer Batterie parallel zu einem Hauptgenerator und/oder einer Wechselspannungsquelle bzw. einem Wechselspannungsgenerator einzusetzen. Another object of the present invention is to provide such a system for the use and storage of electrical energy, which makes it possible to integrate at least one to ¬ sätzlichen direct-voltage generator and to simultaneously charge a battery in parallel with a main generator and / or an AC voltage source and to use an AC generator.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch das System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the present invention by the system having the features of claim 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen geschaffen, das einen ersten und einen zweiten Gleichspannungs-Generatorzweig, die mit einem ersten bzw. ei¬ nem zweiten Gleichspannungs-Generatoranschluss für einen According to the present invention, there is provided a system for using and storing electrical energy of various types of energy sources, comprising a first and a second DC voltage generator branch connected to a first or a second DC voltage generator terminal for a
Gleichspannungsgenerator verbunden sind, eine Batterieeinrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Generatorzweig angeschlossen ist, um bedarfsweise Energie zu speichern oder die gespeicherte Energie nutzbar zu machen, einen ersten DC generator are connected, a battery device which is connected between the first and the second generator branch to store energy as needed or to make the stored energy usable, a first
Gleichspannungs-Eingangszweig, der mit dem ersten Generator¬ zweig verbindbar ist, einen zweiten Gleichspannungs-Eingangs¬ zweig, der mit dem zweiten Generatorzweig verbindbar oder ver- bunden ist, einen ersten Zwischenkreis, der zur Zwischenspei- cherung von Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangszweig angeordnet ist, einen zweiten Zwischenkreis, der zur Zwischenspeicherung von Energie derart eingerichtet und angeordnet ist, dass seine Spannung durch Hochsetzung der Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises erzeugt werden kann, und einen Wechselrichter aufweist, dessen Eingang an den ersten und den zweiten Zwischenkreis angeschlossen ist und der zur Umwandlung eingangsseitiger Gleichspannungsenergie in aus- gangsseitige Wechselspannungsenergie und zur Umwandlung aus- gangsseitiger Wechselspannungsenergie in eingangsseitige DC input branch, which is ¬ branch connected to the first generator, a second DC input ¬ branch comparable connectable to the second branch or generator In addition, a first intermediate circuit, which is arranged to temporarily store energy between the first and the second input branch, has a second intermediate circuit which is arranged and arranged for temporarily storing energy in such a way that it generates its voltage by boosting the DC input voltage of the first intermediate circuit can be, and has an inverter, whose input is connected to the first and the second DC link and the input for converting AC input side DC voltage energy in the output side AC power and the conversion AC side AC energy in the input side
Gleichspannungsenergie eingerichtet ist. DC power is set up.
Gemäß der Erfindung weist das System ferner eine Trenneinrichtung, eine erste Bypasseinrichtung und eine zweite Bypass- einrichtung auf. Die Trenneinrichtung ist zur bedarfsweisen Herstellung und Trennung einer Leitungsverbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatorzweig und dem ersten Eingangs¬ zweig eingerichtet. Damit kann ein an die Generatoranschlüsse angeschlossener Generator über den ersten Generator zweig wahlweise mit dem ersten Eingangszweig leitend verbunden oder von diesem isoliert werden. Die erste Bypasseinrichtung ist zur wahlweisen Herstellung und Trennung einer Leitungsverbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatoranschluss und dem ers¬ ten Eingangs zweig unter Umgehung des ersten Generatorzweiges eingerichtet. Bei geöffneter Trenneinrichtung kann so über die erste Bypasseinrichtung eine Bypassverbindung zwischen dem ersten Generatoranschluss und dem ersten Eingangszweig herge¬ stellt werden. Die zweite Bypasseinrichtung ist zur wahlweisen Herstellung und Trennung einer Leitungsverbindung zwischen wenigstens einem Anschluss des zweiten Zwischenkreises und dem ersten Generatorzweig unter Umgehung des ersten Eingangszwei¬ ges eingerichtet. Damit kann bei geöffneter Trenneinrichtung der zweite Zwischenkreis über eine Bypassverbindung wahlweise an den ersten Generatorzweig angeschlossen werden. Die Erfindung ermöglicht eine flexible, effiziente und be¬ darfsweise zeitgleiche Ladung der Batterieeinrichtung durch wenigstens einen Gleichspannungsgenerator und/oder eine Wechselspannungsquelle oder einen Wechselspannungsgenerator, die bzw. der am Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist. Mit der Erfindung ist es möglich, durch passendes Umschalten mittels der Trenneinrichtung und der Bypasseinrichtungen mehrere Energiequellen zum Laden der Batterieeinrichtung zu verwenden. According to the invention, the system further comprises a separator, a first bypass device and a second bypass device. The separating device is set up to branch ¬-demand production and separation of a pipe connection between at least the first generator and the first input branch. Thus, a generator connected to the generator via the first generator branch optionally selectively connected to the first input branch or isolated from this. The first bypass branch means is arranged to selectively establishing and disconnection of a line connecting between at least the first terminal and the generator ers ¬ th input bypassing the first generator branch. With a disengaged means comprises a bypass connection between the first generator terminal and the first input branch Herge ¬ represents may be so via the first bypass device. The second bypass device is set up for the selective production and disconnection of a line connection between at least one connection of the second intermediate circuit and the first generator branch, bypassing the first input two . This can be connected via a bypass connection optionally to the first generator branch with open disconnecting device, the second intermediate circuit. The invention enables a flexible, efficient, and may be ¬ as simultaneous charge of the battery means by at least one DC voltage generator and / or an AC voltage source or an alternating voltage generator which is connected to the output of the inverter or. With the invention, it is possible to use several energy sources for charging the battery device by appropriate switching by means of the separator and the bypass devices.
Gleichspannungsgeneratoren, wie bspw. ein Photovoltaikge- nerator oder eine vom Windkraftgenerator erzeugte gleichgerichtete Energie, können DC-gekoppelt angebunden werden, so dass keine zusätzlichen Wechselrichter benötigt und unnötige Verluste durch Umwandlungen weitgehend vermieden werden. Ein Wechselspannungsnetz, bspw. ein öffentliches Versorgungsnetz, oder ein Wechselstromgenerator, wie z.B. ein Blockheizkraftwerk, Dieselgenerator, eine Wind- oder Wasserkraftturbine oder eine weiterer Photovoltaik- oder Windgenerator mit separatem Wechselrichter lassen sich AC-gekoppelt ohne zusätzlichen Batterielader zum Laden des Speichers verwenden. Dies wird durch den bidirektionalen Wechselrichter, der auch eine Wechselstromentnahme aus einem Wechselstromnetz oder -erzeuger ermöglicht und der über den ersten, niedrigen Zwischenkreis sowie den zweiten, hohen Zwischenkreis mit Hochsetzsteller verfügt, unterstützt. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung und den Bypasseinrichtungen lässt sich dadurch ein sehr flexibles und effizientes System mit einer hohen In¬ tegrationsdichte realisieren, so dass ein kompaktes, aufwands¬ armes und kostengünstiges System erhalten wird, das flexibel im Aufbau und im Betrieb ist und sich modular, durch Bestü¬ ckungsvarianten, leicht individuell an Kundenwünsche anpassen lässt. Außerdem lässt sich die Erfindung auch mit geringem Aufwand in bereits bestehenden Energieerzeugungsanlagen nachrüsten . Die Batterieeinrichtung weist vorzugsweise eine wiederauf- ladbare Batterieeinheit und eine der Batterieeinheit zugeord¬ nete Gleichspannungswandleranordnung auf, die einen kombinierten Aufwärts- und Abwärtswandler vorzugsweise auf Basis getak- teter Schalter aufweist. Dadurch ist ein Laden der Batterieeinheit bei hoher Energielieferung und ein Entladen der Batterieeinheit in Zeiten geringerer Energielieferung durch einen primären Generator, bspw. Photovoltaikgenerator , möglich. DC voltage generators, such as, for example, a photovoltaic generator or a rectified energy generated by the wind power generator, can be connected DC-coupled, so that no additional inverters are needed and unnecessary losses due to transformations are largely avoided. An AC power network, such as a public utility grid, or an alternator, such as a combined heat and power plant, diesel generator, wind or hydropower turbine, or another photovoltaic or wind generator with a separate inverter, can be AC-coupled with no additional battery charger to charge the storage. This is supported by the bidirectional inverter, which also allows AC power from an AC grid or generator, and which has the first, low DC link and the second, high DC link with boost converter. In combination with the memory device according to the invention and the bypass means, a very flexible and efficient system having a high in ¬ can be characterized tegrationsdichte realize, so as to obtain a compact, expense ¬ poor and cost-effective system that is similar in structure and in operation flexible and modular, assembly plants ¬ ckungsvarianten, can be customized to customer requirements easily. In addition, the invention can be retrofitted with little effort in existing power generation plants. The battery unit preferably comprises a reconstruction chargeable battery unit and a battery unit zugeord ¬ designated DC-DC converter assembly having a combined up and down converter preferably based getak- Teter switch. As a result, charging of the battery unit with high energy supply and discharging of the battery unit in times of lower energy supply by a primary generator, for example. Photovoltaic generator, possible.
Die Batterieeinheit kann aus mehreren elektrischen Batte¬ rien bestehen, die in Serie geschaltet sind, um eine gesamte maximale Batteriespannung zu ermöglichen, die für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Bspw. können zur wirtschaftlichen Nutzung der Batterieeinrichtung in Photovoltaikanlagen zur Einspeisung in das öffentliche Versorgungsnetz Batteriebänke geeignet sein, die eine maximale Batteriespannung von wenigs¬ tens etwa 100V bis etwa 500V oder sogar mehr ermöglichen. The battery unit may consist of a plurality of electrical Batte ¬ rien, which are connected in series to allow a total maximum battery voltage which is suitable for the particular application. For example. may be useful in photovoltaic systems for feeding into the public grid battery banks for the economic use of the battery means that allow for maximum battery voltage of Wenig ¬ least about 100V to about 500V or more.
Durch das erfindungsgemäße System kann stets sichergestellt werden, dass die Batterieeinheiten in regelmäßigen Abständen vollständig aufgeladen werden, und zwar auch in sonnenarmen Zeiten bei einer Speisung durch einen Photovoltaikgenerator oder in windstillen Zeiten bei einem Windkraftgenerator. By the system according to the invention can always be ensured that the battery units are fully charged at regular intervals, even in low-sun times when fed by a photovoltaic generator or windless times in a wind turbine generator.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung weist diese wenigstens eine erste Bat¬ terieeinrichtung mit einer ersten Batterieeinheit und einer dieser zugeordneten ersten Gleichspannungswandleranordnung, eine zweite Batterieeinrichtung mit einer zweiten Batterieeinheit und einer dieser zugeordneten zweiten Gleichspannungswandleranordnung, und eine Schalteranordnung auf, die eingerichtet und angeordnet ist, um die erste und zweite Batterie¬ einheit wahlweise elektrisch entweder parallel oder in Reihe miteinander und die Parallel- bzw. Reihenschaltung mit den Generatorzweigen zu verbinden. Somit können die Batterieeinhei- ten wahlweise und je nach Betriebsbedingungen entweder in Parallelschaltung an den Generator angekoppelt werden, um einen Zustand mit geringer Spannung über den Batterieeinheiten zu ergeben, in dem die Batterieeinheiten auch bei niedriger Generatorspannung aufgeladen werden können. Die Batterieeinheiten können dann auch symmetrisch mit niedriger Spannung aus beiden parallelen Zweigen der Batterieeinheiten entladen werden. Alternativ können die Batterieeinheiten auch in Reihenschaltung an den Generator angeschlossen werden. Dies ermöglicht es, eine hohe Spannung über den in Reihe geschalteten Speichereinrichtungen zu erreichen, die nahe an den optimalen Betriebspunkten eines Wechselrichters liegen, sogar bis zu 200-700V betragen kann. Dadurch lassen sich auch Umwandlungsverluste beim Einspeisen aus der Batterie minimieren. Außerdem kann je nach Betriebsbedingung die Reihenschaltung der Batterieeinheiten auch mit hoher Spannung entladen werden, was ebenfalls Umwandlungsverluste weitgehend vermeidet. Dies steigert weiter die Flexibilität und Effizienz des erfindungsgemäßen Systems. In a preferred embodiment of a battery device according to the invention this has at least a first Bat ¬ terieeinrichtung with a first battery unit and one of said associated first DC-DC converter arrangement, a second battery device having a second battery unit and one of said associated second DC-DC converter arrangement, and a switch arrangement, which is adapted and arranged to selectively connect the first and second battery ¬ unit either electrically in parallel or in series with each other and the parallel or series circuit with the generator branches. Thus, the battery unit optionally and depending on the operating conditions are either coupled in parallel to the generator to give a state of low voltage across the battery units, in which the battery units can be charged even at low generator voltage. The battery units can then also be discharged symmetrically with low voltage from both parallel branches of the battery units. Alternatively, the battery units can also be connected in series to the generator. This makes it possible to achieve a high voltage across the series-connected memory devices which are close to the optimum operating points of an inverter, even up to 200-700V. This can also minimize conversion losses when feeding from the battery. In addition, depending on the operating condition, the series connection of the battery units can be discharged with high voltage, which also largely avoids conversion losses. This further increases the flexibility and efficiency of the system according to the invention.
Auch kann durch das System ein Ladungsausgleich zwischen beiden Batterieeinheiten durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine sichere Volladung einer Batterieeinheit oder dient dazu damit sich ein gleicher Ladungszustand in beiden Batterieeinheiten ergibt, was für einen optimalen Betrieb bei Entladung in Reihenschaltung notwendig bzw. förderlich ist. Also, through the system, a charge balance between the two battery units can be performed. This allows a safe full charge of a battery unit or serves so that a same charge state results in both battery units, which is necessary or conducive to optimal operation when unloading in series.
Eine einfache Realisierung der Schalteranordnung kann einen ersten Schalter zur Herstellung oder Aufhebung einer Verbindung zwischen einem ersten Pol der ersten Batterieeinheit und einem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und einen zweiten Schalter aufweisen, der eingerichtet und angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen dem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und dem zweiten Generatorzweig herzustellen oder aufzuheben. Im Übrigen können beliebige Batterieeinheiten verwendet werden, die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden. Z.B. können elektrochemische Zellen, wie bspw. Lithium-Ionen-Akku¬ mulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, herkömmliche Bleiakkumulatoren und dgl . verwendet werden. Geeignete Akkumulatoren weisen eine hohe Energieaufnahmekapazität bei geringer Selbstentladung auf. Prinzipiell sind auch Speicherkondensatoren, bspw. sog. Ultra- Kaps, als Batterieeinheiten im Sinne der Erfindung verwendbar. A simple implementation of the switch assembly may include a first switch for establishing or canceling a connection between a first pole of the first battery unit and an opposite second pole of the second battery unit and a second switch arranged and connected to connect between the opposite second pole the second battery unit and the second generator branch to establish or cancel. Incidentally, any battery units may be used, which are also referred to as accumulators. For example, electrochemical cells, such as lithium-ion battery ¬ mulatoren, nickel-cadmium storage batteries or nickel-metal hydride batteries, conventional lead-acid batteries and the like. be used. Suitable accumulators have a high energy absorption capacity with low self-discharge. In principle, storage capacitors, for example so-called ultra capsules, can also be used as battery units in the sense of the invention.
Der erste Generatorzweig kann eine Schutzdiode aufweisen, die in Durchflussrichtung zwischen dem ersten Generatoran- schluss und der Batterieeinrichtung angeschlossen ist. Die Diode verhindert eine Entladung der Batterieeinrichtung durch einen an die Generatoranschlüsse angeschlossenen Generator. Bei genügender Energie des Generators ist es möglich, die Dio¬ de mit einem Schalter zu überbrücken, um Durchlassverluste durch die Diode zu vermeiden. The first generator branch may have a protective diode, which is connected in the direction of flow between the first generator connection and the battery device. The diode prevents discharge of the battery device by a generator connected to the generator terminals. With sufficient energy of the generator, it is possible to bridge the Dio ¬ de with a switch to avoid passage losses through the diode.
Der erste und der zweite Zwischenkreis sind vorzugsweise jeweils Gleichspannungszwischenkreise, die jeweils einen oder mehrere in Reihe miteinander verbundene Speicherkondensatoren aufweisen . The first and the second DC link are preferably each DC voltage intermediate circuits, each having one or more storage capacitors connected in series.
Dem zweiten Zwischenkreis, der auch als hoher Zwischenkreis bezeichnet werden kann, ist ein DC-DC-Wandler zugeordnet, der dazu dient, die Eingangsgleichspannung des ersten, niedrigen Zwischenkreises auf ein betragsmäßig höheres Poten¬ tial des zweiten Zwischenkreises hochzusetzen. Damit wird ein erhöhtes Spannungspotential für einen Multilevel-Wechselrich- ter bereitgestellt, das insbesondere dann genutzt werden kann, wenn die Gleichspannung des Generators oder der Batterieeinrichtung zur Wechselstromerzeugung nicht ausreichen würde. Dabei ist der Einsatz des erhöhten Spannungspotentials des zwei¬ ten Zwischenkreises vorzugsweise auf Zeiträume, also Bruchtei- le der Halbwellen der Wechselspannung, mit unzureichender Eingangsgleichspannung beschränkt. In den übrigen Zeiträumen wird die niedrigere Gleichspannung am ersten Zwischenkreis zur Wechselstromerzeugung verwendet. Dadurch können Potantial- sprünge, Schaltverluste, Rippelströme und elektromagnetische Störungen gering gehalten werden. The second intermediate circuit, which can also be referred to as a high intermediate circuit, a DC-DC converter is assigned, which serves to increase the input DC voltage of the first, low DC link to a magnitude higher potential ¬ tial of the second intermediate circuit. This provides an increased voltage potential for a multilevel inverter, which can be used in particular if the DC voltage of the generator or of the battery device for generating AC power would not be sufficient. It is the use of the increased voltage potential of the two ¬ th intermediate circuit preferably periods, so Bruchtei- le of the half-waves of the AC voltage, limited with insufficient input DC voltage. In the remaining periods, the lower DC voltage is used at the first DC link for AC generation. As a result, voltage jumps, switching losses, ripple currents and electromagnetic interference can be kept low.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler für den zweiten Zwischenkreis einen Aufwärtswandlerteil auf. Der Aufwärtswandlerteil weist eine Rei¬ henschaltung aus einer Induktivität, deren Primärseite mit dem ersten Gleichspannungs-Eingangszweig verbunden ist, und einer Freilaufdiode, deren Kathode mit dem Anschluss bzw. positiven Pol des zweiten Zwischenkreises verbunden ist, sowie einen taktbaren Schalter auf, der einerseits an dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität und der Freilaufdiode und anderer¬ seits an einen Neutralleiter (bzw. bei einer Ausbildung ohne Mittelpunktanzapfung an den zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig) angeschlossen ist. In a preferred embodiment, the DC / DC converter according to the invention for the second DC link on an up-converter part. The boost converter part includes a Rei ¬ henschaltung of an inductance whose primary side is connected to the first DC input branch, and a free wheeling diode whose cathode is connected to the terminal or positive pole of the second intermediate circuit, and a clockable switch on the one hand at the connection point between the inductance and the freewheeling diode and on the other ¬ is connected to a neutral conductor (or at a training without center tap to the second DC voltage input branch).
Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist eine ein- bis dreiphasige, vorzugsweise transformatorlose Wechselrichter¬ schaltung mit hochfrequent taktbaren elektronischen Schalterelementen und Freilaufpfaden auf, die ausgelegt sind, um wahlweise ein Einspeisen von Wechselspannungsenergie ausgehend von Energie aus dem ersten oder zweiten Zwischenkreis oder eine Entnahme von Wechselspannungsenergie zur Aufladung des zweiten hohen Zwischenkreises in gesteuerter Weise zu erzie¬ len. Der Wechselrichter kann also auch als steuerbarer Gleichrichter dienen. The inverter according to the invention has a one- to three-phase, preferably transformerless inverter ¬ circuit with high-frequency tactile electronic switch elements and freewheeling paths, which are designed to selectively feeding AC energy from the first or second intermediate circuit or a withdrawal of AC energy for charging the second high DC link in a controlled manner to educate ¬ len. The inverter can therefore also serve as a controllable rectifier.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Trenneinrichtung zur wahlweisen Verbindung des ersten Generatorzweigs mit dem ersten Eingangszweig einen ansteuerbaren Schalter, der eine Durchlassrichtung von dem ersten Generatorzweig zu dem ersten Eingangszweig aufweist, und eine in Reihe zu dem Schal¬ ter, in gleicher Durchlassrichtung angeordnete Gleichrichterdiode auf, die den Schalter gegen Sperrströme schützt. In one embodiment of the invention, the disconnecting device for selectively connecting the first generator branch to the first input branch has a controllable switch which has a forward direction from the first generator branch to the first Having the first input branch, and arranged in series with the scarf ¬ ter, in the same direction of passage rectifier diode, which protects the switch against reverse currents.
Die erfindungsgemäße erste Bypasseinrichtung weist wenigs¬ tens eine von dem ersten Generatoranschluss zu dem ersten Ein¬ gangszweig führende erste Bypassleitung auf, in der ein an¬ steuerbarer Schalter in Reihe mit einer Gleichrichterdiode angeordnet ist, die die gleiche Durchlassrichtung wie der Schal¬ ter aufweist. Durch Schließen des Schalters kann ein Generator unter Umgehung des ersten Generatorzweigs an den ersten Eingangszweig angekoppelt werden. The first bypass device of the invention has Wenig ¬ least a first one of the first generator connection to the first A ¬ branch passage leading bypass line in which a is disposed at ¬ controllable switch in series with a rectifier diode, which has the same conducting direction as the scarf ¬ ter. By closing the switch, a generator can be coupled to the first input branch, bypassing the first generator branch.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Bypasseinrichtung wenigstens eine von dem positiven Anschluss bzw. Pol des zweiten Zwischenkreises zu dem ersten Generatorzweig führende weitere Bypassleitung auf, in der ein ansteuerbarer Schalter angeordnet ist. Durch Schließen des Schalters wird der Zwischenkreis unter Umgehung des ersten Eingangszweiges an den ersten Generatorzweig angekoppelt. In a preferred embodiment of the invention, the second bypass device has at least one further bypass line leading from the positive connection or pole of the second intermediate circuit to the first generator branch, in which a controllable switch is arranged. By closing the switch, the intermediate circuit is coupled to the first generator branch bypassing the first input branch.
Das erfindungsgemäße System weist vorzugsweise eine Mit¬ telanzapfung des ersten und des zweiten Zwischenkreises auf, die mit einem durch den Wechselrichter hindurchgeführten The system according to the invention preferably has a ¬ telanzapfung With the first and second intermediate circuit, the guided through a through the inverter
Neutralleiter verbunden ist. Dann sind die vorerwähnten Einrichtungen, einschließlich der Trenneinrichtung mit dem ansteuerbaren Schalter zwischen dem Generatorzweig und dem Eingangszweig, der ersten Bypassleitung mit dem taktbaren Schalter und der Gleichrichterdiode und der zweiten Bypassleitung mit dem ansteuerbaren Schalter und der antiparallelen Diode, der Zwischenkreiskondensatore und des DC/DC-Wandlers in analo¬ ger Weise auch zwischen dem zweiten, negativen Generatoranschluss und dem Neutralleiter vorgesehen. Alternativ kann das System auch ohne Mittelpunktanzapfung realisiert werden, wobei dann die vorerwähnten Komponenten entfallen. Die vorerwähnten Generatoranschlüsse und -zweige dienen dem Anschluss eines Haupt- oder primären Gleichspannungserzeu¬ gers bzw. -generators. Das System kann zusätzlich erweitert werden, um wenigstens einen weiteren, vorzugsweise andersarti¬ gen Gleichspannungsgenerator bedarfsweise zu integrieren. Zu diesem Zweck kann das System ferner wenigstens einen ersten und einen zweiten sekundären Generatoranschluss für einen sekundären Gleichspannungsgenerator, einen ersten und einen zweiten sekundären Gleichspannungs-Generatorzweig, die jeweils mit dem ersten bzw. zweiten sekundären Generatoranschluss verbunden sind, und eine Weichenschaltung aufweisen, die es ermöglicht, wenigstens den ersten sekundären Generatorzweig wahlweise mit dem ersten primären Generatorzweig oder mit dem ersten Eingangszweig zu verbinden. In ähnlicher Weise wie der primäre Generator kann auch der sekundäre Generator wahlweise an den ersten primären Generatorzweig oder unter Umgehung desselben, bei geöffneter Trenneinrichtung an den ersten Eingangszweig angekoppelt werden, um ein Laden der Batterieeinrichtung evtl. parallel zur Ladung durch Netzstromentnahme und/oder ein Einspeisen zu erzielen. Dadurch kann ein flexibles Hybridsystem geschaffen werden, das sich für unterschiedliche Anwendungen, insbesondere unterschiedliche Gleichspan¬ nungserzeuger eignet und eine effiziente und zeitgleiche La¬ dung der Batteriespeicher durch den primären und sekundären Generator sowie aus dem Netz ermöglicht. Neutral conductor is connected. Then, the aforementioned devices, including the driver with the controllable switch between the generator branch and the input branch, the first bypass line with the tactile switch and the rectifier diode and the second bypass line with the controllable switch and the anti-parallel diode, the DC link capacitors and the DC / DC Converter also provided in an analo ¬ ger manner between the second, negative generator terminal and the neutral conductor. Alternatively, the system can also be realized without center tapping, in which case the aforementioned components are omitted. The aforementioned generator connections and branches are used to connect a main or primary Gleichspannungserzeu ¬ gers or generator. The system can also be extended to at least one further, preferably to integrate andersarti ¬ gen DC voltage generator as needed. To this end, the system may further include at least first and second secondary generator terminals for a secondary DC voltage generator, first and second secondary DC voltage generator branches respectively connected to the first and second secondary generator terminals, and a switch circuit including allows at least the first secondary generator branch to be selectively connected to the first primary generator branch or to the first input branch. In a manner similar to the primary generator, the secondary generator can optionally be coupled to the first primary generator branch or bypassing it, with the disconnector open to the first input branch, to charge the battery device possibly parallel to the charge by mains current drain and / or feeding to achieve. This can provide a flexible hybrid system that is suitable for various applications, in particular different DC clamping ¬ voltage generator and an efficient and simultaneous La ¬ dung of the battery memory by the primary and secondary generator and from the network permits.
In einer bevorzugten, einfachen Ausführungsform der Erfindung weist die Weichenschaltung wenigstens einen ersten und einen zweiten Weichenpfad auf, wobei der erste Weichenpfad den ersten sekundären Generatorzweig mit dem ersten primären Generatorzweig verbindet und eine erste Schaltereinheit aufweist, während der zweite Weichenpfad den ersten sekundären Genera¬ torzweig mit dem ersten Eingangszweig verbindet und eine zwei¬ te Schaltereinheit aufweist. Die zweite Schaltereinheit kann auch einen taktbaren Schalter aufweisen, um eine bedarfsweise Tiefsetzung des Potentials des sekundären Generators zu ermög¬ lichen, um den sekundären Generator in sämtlichen Betriebsmodi möglichst in seinem optimalen MPP-Betriebspunkt zu betreiben. In a preferred, simple embodiment of the invention, the switching circuit at least a first and a second switch path, said first switch path connects the first secondary generator branch with the first primary generator path and having a first switch unit, while the second switch path to the first secondary genera ¬ torzweig connects to the first input branch and has a two ¬ te switch unit. The second switch unit can also have a clockable switch to made ¬ handy to operate, if necessary, a low reduction of the potential of the secondary generator the secondary generator in all modes of operation as possible in its optimum MPP operating point.
Das erfindungsgemäße System weist ferner eine Sensorein¬ richtung zur Erfassung von Betriebsparametern, zu denen wenigstens die Spannungen an dem primären und optional dem oder den sekundären Generatoren, der oder den Batterieeinheiten und den Zwischenkreisen gehören, und eine Steuereinrichtung auf, die den Betrieb des Systems, einschließlich des Wechselrichters, des oder der Generatoren, der Batterieeinheiten, der Schalter- und Bypasseinrichtungen, etc., in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern steuert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung eine Steuerlogik aufweisen, die es ermöglicht, in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern einen der folgenden Betriebsmodi auszuführen: Einspeisen von Wechselstromenergie entweder aus wenigstens einem an die Gene¬ ratoranschlüsse angeschlossenen Gleichstromgenerator und/oder aus der Batterieeinrichtung (vorzugsweise sowohl wenn die Generatorspannung kleiner ist als die Batteriespannung als auch umgekehrt), Laden der Batterieeinrichtung entweder aus wenigstens einem der vorhandenen Gleichstromgeneratoren, Wechselstromgenerator mit Gleichrichter und/oder aus der Wechselspannungsseite des Wechselrichters entnommener Wechselstromenergie oder eine Kombination derartiger Einspeise- und Ladevorgänge. Damit ist ein hochflexibles und -effizientes Hybridsystem ge¬ schaffen . The system according to the invention further comprises a sensor device for detecting operating parameters, which include at least the voltages at the primary and optionally the secondary generator (s), the battery unit (s) and the intermediate circuits, and a control device which controls the operation of the system, including the inverter, generator (s), battery units, switch and bypass devices, etc., depending on the detected operating parameters. Specifically, the control means may comprise a control logic that allows it to perform a function of the detected operating parameters of one of the following modes of operation: supplying AC power either from at least one connected to the Gene ¬ ratoranschlüsse direct current generator and / or from the battery means (preferably both when the generator voltage less than the battery voltage and vice versa), charge the battery device either from at least one of the existing DC generators, AC generator with rectifier and / or AC power taken from the AC side of the inverter, or a combination of such feed and charge operations. Thus, creating ge ¬ a highly flexible and -Efficient hybrid system.
Der oder die an dem erfindungsgemäßen Hybridsystem vorgesehenen Gleichstromgeneratoren können aus einer Gruppe ausgewählt sein, zu der Photovoltaikgeneratoren, Windgeneratoren mit Gleichrichter, Wasserkraft- oder Windturbinen mit Gleichrichter, Brennstoffzellen und Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Dieselgeneratoren und Blockheizkraft- werke, mit Gleichrichtern gehören. An der Ausgangsseite des Wechselrichters können Wechselstrom-Energiequellen angeschlossen sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der wenigs¬ tens ein Wechselspannungs-Versorgungsnet z , ein Windgenerator, eine Wasserkraft- oder Windturbine mit Wechselstromgenerator und Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerke, gehören. Es können auch Gleichstrom- oder Wechselstromverbraucher einfach an das erfindungsgemäße Hybridsystem angeschlossen werden. The one or more generators provided on the hybrid system according to the invention may be selected from a group including photovoltaic generators, wind generators with rectifiers, hydropower or wind turbines with rectifiers, fuel cells and generators with internal combustion engines, such as diesel generators and cogeneration units. works, with rectifiers. On the output side of the inverter AC power sources can be connected, which are selected from the group to the least ¬ least an AC Versorgungsnet z, a wind generator, a hydroelectric or wind turbine with alternator and generators with internal combustion engines, such as diesel generators and combined heat and power plants , belong. It is also possible to connect DC or AC consumers simply to the hybrid system according to the invention.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung und der Patentansprüche. In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, wobei die Zeichnung lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung dient und diese in keiner Weise beschränkt und wobei gleiche Bezugszei¬ chen der Zeichnung verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen. In der Zeichnung zeigen: Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the drawing, the description and the claims. In the drawings, embodiments of the invention are illustrated, wherein the drawing is merely illustrative of the principles of the invention and this is not limited in any way and wherein like Bezugszei ¬ Chen the drawing are used to designate the same or similar parts. In the drawing show:
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines er¬ findungsgemäßen Hybridsystems gemäß der Erfindung; 1 is a highly simplified block diagram of a he ¬ inventive hybrid system according to the invention;
Fig. 2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung, die eine modifizierte Ausführungsform des Hybridsystems nach Fig. 1 in größeren Einzelheiten veranschaulicht; und FIG. 2 is a simplified circuit diagram illustrating a modified embodiment of the hybrid system of FIG. 1 in more detail; FIG. and
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung, die eine weitere modifi¬ zierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hybridsystems veranschaulicht . Fig. 3 is a circuit arrangement illustrating another modifi ed ¬ embodiment of a hybrid system according to the invention.
In Fig. 1 ist in schematisierter Weise eine Energieerzeu¬ gungsanlage 1 veranschaulicht, die einen Gleichspannungsgene¬ rator 2, einen Wechselspannungsgenerator oder eine Wechselspannungsquelle 3 und ein dazwischen angeordnetes erfindungs¬ gemäßes System 4 zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung elektrischer Energie aufweist. Die Energieerzeugungsanlage kann bspw. eine Photovoltaikanlage sein, die Solarenergie in elektrische Wechselstromenergie umwandelt, die dann entweder in ein Netz, z.B. ein öffentliches Versorgungsnetz, eingespeist oder zur Versorgung lokaler Wechselstromverbraucher verwendet wird. Die Energieerzeugungsanlage kann aber auch ei¬ ne Windkraftanlage, eine Wasserkraftanlage, eine auf Brenn¬ stoffzellen basierende Anlage oder eine sonstige geeignete An¬ lage sein, die Strom vorzugsweise aus erneuerbaren Energien erzeugt . In Fig. 1, a power generating installation 1 in a schematic manner is illustrated having a DC voltage genes ¬ rator 2, an AC generator or an AC power source 3 and an interposed Invention ¬ invention system 4 for the production, use and storage having electrical energy. The power generation plant can be, for example, a photovoltaic system that converts solar energy into alternating current electrical energy, which is then either fed into a grid, eg a public grid, or used to supply local AC consumers. However, the power generation plant can also ei ¬ ne wind turbine, a hydropower plant, a fuel ¬ cell based plant or any other suitable An ¬ location be that generates electricity preferably from renewable energy.
Die Energieerzeugungsanlage weist den Generator 2 auf, der in Abhängigkeit von Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen eine variable Gleichspannung UG an seinem Ausgang liefert. Bspw. kann der Generator 2 ein Photovoltaikgenerator sein, der Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt, deren Größe von der Sonneneinstrahlung, Bewölkung, Abschattung, Jahreszeit, Tageszeit, Temperatur und sonstigen Einflussfaktoren sowie dem jeweiligen Betriebszustand abhängt. Der Generator 2 kann aber auch je nach Anlagenart ein gleichgerichteter Windgenerator, eine mit einem Gleichstromgenerator gekoppelte Wasserturbine oder ein auf Brennstoffzellen oder einer Verbrennungskraftmaschine, bspw. einem Dieselgenerator oder Blockheizkraftwerk, basierender Generator mit Gleichrichter sein. The power generation plant has the generator 2, which supplies a variable DC voltage U G at its output depending on ambient and / or operating conditions. For example. For example, generator 2 may be a photovoltaic generator that converts solar energy into electrical energy whose magnitude depends on solar radiation, cloudiness, shading, season, time of day, temperature and other influencing factors as well as the respective operating state. The generator 2 can also be a rectified wind generator, a wind turbine coupled to a DC generator, or a generator based on fuel cells or an internal combustion engine, for example a diesel generator or cogeneration plant, depending on the type of plant.
Der Wechselspannungsgenerator bzw. die Wechselspannungsquelle 3 (nachfolgend einfach als Wechselspannungsgenerator bezeichnet) kann bspw. ein öffentliches Versorgungsnetz, in das die erzeugte Wechselspannungsleistung eingespeist wird, oder ein beliebiger Wechselspannungserzeuger sein, der eine Spannung von bspw. 230V Effektivwert und 50Hz Frequenz liefern kann, wie z.B. ein Blockheizkraftwerk, ein Dieselgenerator o- der auch eine weitere Photovoltaik- oder Windkraftanlage mit separatem Wechselrichter. Im Übrigen können an der Anlage 1 auf der Gleichspannungs- oder der Wechselspannungsseite auch Verbraucher angeschlossen sein (nicht veranschaulicht) , die die erzeugte bzw. bereitgestellte Energie nutzen. The AC voltage generator or the AC voltage source 3 (hereinafter simply referred to as the AC voltage generator) may be, for example, a public utility network into which the AC power generated is fed, or any AC voltage generator capable of supplying a voltage of, for example, 230V RMS and 50Hz frequency, such as For example, a combined heat and power plant, a diesel generator o- and also another photovoltaic or wind turbine with separate inverter. Incidentally, at the plant 1 on the DC or AC side can also Connected to consumers (not illustrated) who use the generated or provided energy.
Das erfindungsgemäße System 4 zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung von Energie der verschiedenen Energiequellen 2, 3 weist im Wesentlichen eine Batterieeinrichtung 6 und eine Wechselrichteranordnung 7 auf, die parallel an dem Ausgang des Generators angeschlossen sind. Die Batterieeinrichtung 6 dient dazu, die von dem Gleichspannungsgenerator 2 und/oder dem Wechselspannungsgenerator 3 bereitgestellte Energie wahlweise zwischenzuspeichern, um sie zum späteren Zeitpunkt nutzbar zu machen. Ferner dient die Batterieeinrichtung 6 dazu, den Generator 2 bei der Bereitstellung von Energie für die Wechselrichteranordnung 7 zu unterstützen oder zu ersetzen, falls die Generatorenergie hierzu nicht ausreicht. Die Batterieeinrich¬ tung 6 ist nachstehend näher erläutert. The system 4 according to the invention for generating, using and storing energy of the various energy sources 2, 3 essentially comprises a battery device 6 and an inverter arrangement 7, which are connected in parallel to the output of the generator. The battery device 6 serves to temporarily store the energy provided by the DC voltage generator 2 and / or the AC voltage generator 3 in order to make it usable at a later time. Furthermore, the battery device 6 serves to assist or replace the generator 2 in the provision of energy for the inverter arrangement 7 if the generator energy is insufficient for this purpose. The Batterieeinrich ¬ device 6 is explained in more detail below.
Die Wechselrichteranordnung 7 weist einen ersten Zwischenkreis 8 zur Zwischenspeicherung von Energie, einen zweiten Zwischenkreis 9 zur Zwischenspeicherung von Energie, dessen Spannung durch Hochsetzung der Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises 8 erzeugt werden kann, und einen Wechselrichter 11 auf. Der Wechselrichter 11 ist mit seinem Eingang an den ersten und den zweiten Zwischenkreis 8, 9 angeschlossen und zur Umwandlung eingangsseitiger Gleichspannungs¬ energie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie sowie zur Umwandlung ausgangsseitiger Wechselspannungsenergie in ein- gangsseitige Gleichspannungsenergie eingerichtet. Die Wechsel¬ richteranordnung 7 ist nachstehend näher erläutert. The inverter arrangement 7 has a first intermediate circuit 8 for temporarily storing energy, a second intermediate circuit 9 for temporarily storing energy, the voltage of which can be generated by boosting the DC input voltage of the first intermediate circuit 8, and an inverter 11. The inverter 11 is connected with its input to the first and the second intermediate circuit 8, 9 and set up for converting input side DC ¬ energy in the output side AC power and for converting the output side AC power in the input side DC power. The change ¬ judge arrangement 7 is explained in more detail below.
Wie in Fig. 1 veranschaulicht, stellt der Generator 2 seine Gleichspannung UG an einem ersten und zweiten Gleichspan- nungs-Generatoranschluss 13, 13' bereitstellt, von denen aus sich ein erster und ein zweiter Generatorzweig 14, 14' weg erstrecken. In dem mit dem ersten, Generatorzweigen 14, 14' ist jeweils eine Schutzdiode 16, 16' angeordnet, die eine Entla¬ dung der Batterieeinrichtung 6 über den Generator 2 verhindert. Zur bedarfsweisen Überbrückung der Schutzdiode 16, 16' ist parallel zu dieser jeweils ein Schalter 17, 17' vorgese¬ hen . As illustrated in FIG. 1, the generator 2 provides its DC voltage U G to a first and second DC voltage generator terminal 13, 13 ', from which a first and a second generator branch 14, 14' extend. In which with the first, generator branches 14, 14 'is in each case a protective diode 16, 16 'is arranged, which prevents Entla ¬ tion of the battery device 6 via the generator 2. As needed 'bridging of the protective diode 16, 16' is parallel to a respective switch 17, 17 'vorgese ¬ hen.
Zwischen den Generatorzweigen 14, 14' ist die Batterieeinrichtung 6 angeschlossen, die eine Batterieeinheit 18 und eine in Reihe mit dieser angeordnete Gleichspannungswandleranordnung 19 aufweist. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 dient dazu, die zwischen den Generatorzweigen 14, 14' anliegende Spannung auf die Batteriespannung UB und umgekehrt zu transformieren. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 ist mit dem Pluspol der Batterieeinheit 18 verbunden, deren Minuspol mit dem zweiten Generatorzweig 14' verbunden ist. Between the generator branches 14, 14 ', the battery device 6 is connected, which has a battery unit 18 and a DC voltage converter arrangement 19 arranged in series therewith. The DC-DC converter arrangement 19 serves to transform the voltage applied between the generator branches 14, 14 'to the battery voltage U B and vice versa. The DC-DC converter arrangement 19 is connected to the positive pole of the battery unit 18, whose negative pole is connected to the second generator branch 14 '.
Der erste und der zweite Generatorzweig 14, 14' sind über Trennschalter 21, 21' mit einem ersten und einem zweiten The first and the second generator branch 14, 14 'are via disconnectors 21, 21' with a first and a second
Gleichspannungs-Eingangszweig 22, 22' verbunden, an denen die Wechselrichteranordnung 7 angeschlossen ist. Durch Schließen bzw. Öffnen des ersten Trennschalters 21 kann der erste Eingangszweig 22 mit dem ersten Generatorzweig 14 elektrisch lei¬ tend verbunden bzw. von diesem getrennt werden. In gleicher Weise wird durch Schließen bzw. Öffnen des zweiten Trennschalters 21' der zweite Eingangszweig 22' an den zweiten Genera¬ torzweig 14' angekoppelt bzw. von diesem getrennt. DC input branch 22, 22 'connected to which the inverter assembly 7 is connected. By closing or opening the first circuit breaker 21, the first input branch 22 may be electrically connected or lei ¬ tend to be separated from the first generator branch fourteenth Similarly, 'the second input branch 22' to the second genera ¬ is coupled torzweig 14 'and separated from it by closing or opening the second circuit breaker 21st
Der erste Gleichspannungs-Zwischenkreis 8 ist zwischen den Eingangszweigen 22, 22' angeschlossen und weist eine Reihenschaltung aus zwei Speicherkondensatoren 23, 23' auf, die im Wesentlichen die gleiche Kapazität aufweisen. Der Mittelpunkt 24 zwischen den Kondensatoren 23, 23' ist über eine Anzapfung mit einem hier nicht näher dargestellten, durch den Wechselrichter 11 hindurch geführten Neutralleiter verbunden. In ähnlicher Weise weist der zweite Gleichspannungs- Zwischenkreis 9 eine Reihenanordnung zweier im Wesentlichen gleich bemessener Speicherkondensatoren 26, 26' auf, die zwischen einer ersten und einer zweiten Gleichspannungs-Eingangs- leitung 27, 27' angeschlossen sind und deren Verbindungspunkt mit der Mittelanzapfleitung 24 verbunden ist. Die Eingangsleitungen 27, 27' dienen zur Bereitstellung eines betragsmäßig erhöhten Spannungspotentials für den Wechselrichter 11. Hierzu ist zwischen dem ersten Eingangszweig 22 und der ersten Eingangsleitung 27 ein erster DC/DC-Wandler 28 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, das an dem ersten Eingangszweig 22 be¬ reitgestellte Potential der ersten Zwischenkreisspannung UZKi auf ein betragsmäßig höheres Potential der über dem Speicher¬ kondensator 26 anliegenden zweiten Zwischenkreisspannung UZK2 hochzusetzen. In ähnlicher Weise ist ein zweiter DC/DC-Wandler 28' als Hochsetzsteller zwischen dem zweiten, negativen The first DC intermediate circuit 8 is connected between the input branches 22, 22 'and has a series connection of two storage capacitors 23, 23', which have substantially the same capacitance. The mid-point 24 between the capacitors 23, 23 'is connected via a tap to a neutral conductor, not shown here, which is passed through the inverter 11. Similarly, the second DC link 9 has a series arrangement of two substantially equal sized storage capacitors 26, 26 'which are connected between a first and a second DC voltage input line 27, 27' and whose connection point is connected to the center tap line 24 is. The input lines 27, 27 'are used to provide a magnitude increased voltage potential for the inverter 11. For this purpose, a first DC / DC converter 28 is arranged between the first input branch 22 and the first input line 27, which is adapted to that at the first input branch 22 be ¬ provisioned potential of the first intermediate circuit voltage U ZK i up to an absolute higher potential of the voltage applied across the storage ¬ capacitor 26 second intermediate circuit voltage U ZK 2. Similarly, a second DC / DC converter 28 'is a boost converter between the second, negative
Gleichspannungs-Eingangszweig 22' und der zweiten Gleichspan- nungs-Eingangsleitung 27' funktionsmäßig angeordnet. DC input branch 22 'and the second DC input line 27' functionally arranged.
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, weist das erfindungsge¬ mäße System 4 eine Entkopplungs-/Kopplungseinrichtung auf, die es ermöglicht, wahlweise entweder den Gleichspannungsgenerator 2 oder den Wechselspannungsgenerator 3 oder beide zum Laden der Batterieeinrichtung 6 zu verwenden. Zu der Kopplungs-/Ent- kopplungseinrichtung 29 gehören eine Trenneinrichtung 31, die im Wesentlichen durch die Trennschalter 21, 21' gebildet ist, sowie eine erste und eine zweite Bypasseinrichtung 32, 33. As can be seen further from Fig. 1, the erfindungsge ¬ Permitted System 4 a decoupling / coupling device which makes it possible selectively either the direct voltage generator 2 or the alternating voltage generator 3 or both to be used for charging the battery device 6. The coupling / decoupling device 29 includes a separating device 31, which is essentially formed by the disconnecting switches 21, 21 ', and a first and a second bypass device 32, 33.
Die erste Bypasseinrichtung 32 weist eine erste Bypass- leitung 34 auf, die im Wesentlichen von dem ersten Generator- anschluss 13 zu dem ersten Eingangszweig 22 parallel zu dem ersten Generatorzweig 14 und dem daran angeschlossenen Schalter 21 führt. In der ersten Bypassleitung 34 ist ein vorzugsweise ansteuerbarer erster Schalter 36 angeordnet, der je nach Zustand einen Stromfluss durch die Bypassleitung 34 entweder zulässt oder verhindert. The first bypass device 32 has a first bypass line 34, which essentially leads from the first generator connection 13 to the first input branch 22 in parallel with the first generator branch 14 and the switch 21 connected thereto. In the first bypass line 34, a preferably controllable first switch 36 is arranged, depending on the state, a current flow through the bypass line 34 either allows or prevents.
Analog ist an dem negativen Gleichspannungsanschluss 13' des Generators 2 eine zweite Bypassleitung 34' angeschlossen, die mit dem zweiten Eingangszweig 22' verbunden ist und einen Schalter 36' zur Herstellung und Trennung der Leitungsverbindung aufweist. Analogously, a second bypass line 34 'is connected to the negative DC voltage connection 13' of the generator 2, which is connected to the second input branch 22 'and has a switch 36' for producing and disconnecting the line connection.
Die zweite Bypasseinrichtung 33 weist einen ersten By- passpfad 37 auf, der von dem positiven Anschluss 25 des Spei¬ cherkondensators 26 bzw. der ersten Eingangsleitung 27 zu dem ersten Generatorzweig 14 führt. In dem Bypasspfad 37 sind ein ansteuerbarer Schalter 38 und eine antiparallel zu diesem geschaltete Diode 39 angeordnet. The second bypass device 33 has a first By- to pass path 37, the leads 27 of the positive terminal 25 of the SpeI ¬ cherkondensators 26 and the first input line to the first branch generator fourteenth In the bypass path 37, a controllable switch 38 and an antiparallel connected to this diode 39 are arranged.
In analoger Weise verbindet ein zweiter Bypasspfad 37' den Anschluss 25' des Speicherkondensators 26' bzw. die zweite Eingangsleitung 27' mit dem zweiten Generatorzweig 14' und enthält einen Schalter 38' mit einer antiparallelen Diode 39'. Analogously, a second bypass path 37 'connects the terminal 25' of the storage capacitor 26 'and the second input line 27' to the second generator branch 14 'and includes a switch 38' with an anti-parallel diode 39 '.
Wie ferner stark schematisiert in Fig. 1 veranschaulicht, weist die Anlage 1 eine Sensoreinrichtung 41 und eine Steuer¬ einrichtung 42 auf. Die Sensoreinrichtung 41 weist (hier nicht näher dargestellte) Sensormittel, wie Spannungs- und Stromfüh¬ ler auf, die es ermöglichen, Signale an unterschiedlichen Stellen der Energieerzeugungsanlage 1 zu erfassen. Es können insbesondere die Ausgangsspannung des Generators 2, UG, die Spannung an der Batterieeinheit 18, UB, die erste und die zwei¬ te Zwischenkreisspannung UZKi, UZK3 bzw. UZK2, UZK4 und die Wechsel¬ spannung am Ausgang des Wechselrichters 11 erfasst werden. Au¬ ßerdem können auch Ströme, wie bspw. der Ausgangsstrom des Generators 2 oder der Wechselstrom am Ausgang des Wechselrichters 11 erfasst werden. Die Sensoreinrichtung kann ferner weitere Parameter, so z.B. bei einer Photovoltaikanlage die mo¬ mentane Einstrahlungsleistung, Umgebungstemperatur, etc., als Eingangssignale 43 erfassen und in Form von Sensorsignalen 44 an die Steuereinrichtung 42 melden, um dieser zu ermöglichen, den Betrieb der Energieerzeugungsanlage 1 passend zu steuern. As further highly schematically in Fig. 1 illustrates, the plant 1 has a sensor device 41 and a control device 42 ¬. The sensor device 41 has (not shown here) sensor means, such as voltage and Stromfüh ¬ ler, which make it possible to detect signals at different points of the power generation plant 1. In particular, the output voltage of the generator 2, U G , the voltage across the battery unit 18, U B , the first and the two ¬ te DC link voltage U ZK i, U ZK 3 and U ZK 2, U ZK 4 and the change ¬ voltage at the output of the inverter 11 are detected. Au ¬ ßerdem can also flows, such as, the output current of the generator 2 or the alternating current at the output of the inverter 11 are detected. The sensor device may also further parameters, such as in a photovoltaic system the mo ¬ mentane radiation performance, ambient temperature, etc., as Detect input signals 43 and report in the form of sensor signals 44 to the controller 42 to allow this to control the operation of the power generation plant 1 aptly.
Die Steuereinrichtung 42 steuert den Betrieb der Energie¬ erzeugungsanlage 1, insbesondere des Generators 2, der Batte¬ rieeinrichtung 6, der Wechselrichteranordnung 7 und der Kopp- lungs-/Entkopplungseinrichtung 29, um in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen und entsprechend einer vorgegebenen Steuerlogik unterschiedliche Betriebsmodi zu realisie¬ ren. Insbesondere kann die Steuereinrichtung ein Einspeisen von Wechselstromenergie wahlweise entweder aus dem Generator 2 und/oder aus der Batterieeinrichtung 6 oder ein Laden der Batterieeinrichtung 6 wahlweise entweder aus dem Generator 2 und/oder durch Wechselstromentnahme oder eine Kombination derartiger Einspeise- und Ladevorgänge bewirken. Das erfindungs¬ gemäße System 4 funktioniert wie folgt: The control device 42 controls the operation of the energy ¬ generation system 1, in particular of the generator 2, the Batte ¬ rieeinrichtung 6, the inverter assembly 7 and the coupling / decoupling device 29, depending on the current operating conditions and according to a predetermined control logic different operating modes In particular, the controller may selectively supply AC power either from the generator 2 and / or from the battery device 6 or charge the battery device 6 either from the generator 2 and / or through AC power takeoff or a combination of such power supply and Charges cause. The fiction, contemporary ¬ System 4 works as follows:
Es wird bspw. angenommen, dass die Anlage 1 eine Photo- voltaikanlage ist, die an ein Wechselspannungsnetz 3 ange¬ schlossen ist. Zur Einspeisung von Energie in das Netz 3 entweder aus dem Generator 2 oder aus der Batterieeinheit 18 werden die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 geschlossen und die Schalter 36, 36' und 38, 38' der ersten und zweiten Bypasseinrichtung 32, 33 geöffnet. Der Generator 2 speist nun über die Generatorzweige 14, 14' und die Eingangszweige 22, 22' sowie über die hier als Hochsetzsteller dienenden DC/DC- Wandler 28, 28' und die Eingangsleitungen 27, 27' den Wechselrichter 11. Der Wechselrichter 11, der bspw. ein Wechselrichter sein kann, wie er in der DE 10 2006 010 694 B4 näher beschrieben ist, verwendet die Spannung UZKi und gespeicherte Energie des ersten Zwischenkreises 8 sowie die hochgesetzte Spannung UZK2 und gespeicherte Energie des zweiten Zwischen¬ kreises 9, um an seinem Ausgang eine zu dem Netz 3 passende Wechselspannung, bspw. eine 230 V 50 Hz Spannung, und einen hierzu passenden Wechselstrom zu erzeugen. It is, for example, assumed that the system 1 is a photo-voltaic system is that is attached to an AC voltage network 3 ¬ closed. For feeding energy into the network 3 either from the generator 2 or from the battery unit 18, the switches 21, 21 'of the separator 31 are closed and the switches 36, 36' and 38, 38 'of the first and second bypass means 32, 33 are opened , The generator 2 now feeds the inverter 11 via the generator branches 14, 14 'and the input branches 22, 22' as well as via the DC / DC converters 28, 28 'serving as boost converters and the input lines 27, 27'. The example may be an inverter, as described in more detail in DE 10 2006 010 694 B4, uses the voltage U ZK i and stored energy of the first intermediate circuit 8 and the high voltage U ZK 2 and stored energy of the second intermediate ¬ circle 9, at its output a matching to the network 3 AC voltage, for example. A 230 V 50 Hz voltage, and a to generate suitable AC power.
Alternativ kann der Wechselrichter 11 in gleicher Weise aus der Batterieeinheit 18 gespeist werden, wobei die Gleich¬ spannungswandleranordnung 19 als Aufwärtswandler betrieben wird, um die Batteriespannung UB auf die erforderliche Zwi- schenkreisspannung UZKi + UZK3 hochzusetzen. Alternatively, the inverter 11 can be fed in the same way from the battery unit 18, wherein the DC voltage ¬ converter assembly 19 is operated as an up-converter to raise the battery voltage U B to the required intermediate circuit voltage U ZK i + U ZK 3.
Der Wechselrichter 11 kann auch sowohl aus dem Generator 2 als auch aus der Batterieeinrichtung 6 gespeist werden. Ist dabei die Spannung UG des Generators 2 größer als die Spannung UB der Batterieeinheit 18, so wird die Gleichspannungswandler¬ anordnung 19 geeignet betrieben, um das Potential der Batte¬ riespannung UB auf das der Generatorspannung UG heraufzusetzen. Ist im umgekehrten Fall die Generatorspannung UG kleiner als die Batteriespannung UB, so können die Trennschalter 21, 21' geöffnet und die Schalter 36 und 36' der ersten Bypasseinrich- tung 32 geschlossen werden. Die Batterieeinheit 18 speist dann den zweiten Zwischenkreis 9 über die Dioden 39, 39' des By- passpfades 37, 37' bei geöffnetem Schalter 39, 39', während der Generator 2 über die Bypassleitungen 34, 34' und die Eingangszweige 22, 22' den ersten Zwischenkreis 8 speist und wo¬ bei die Generatorspannung über die Hochsetzsteller 28, 28' auf die Spannung des zweiten Zwischenkreises 9 heraufgesetzt wird. The inverter 11 can also be fed both from the generator 2 and from the battery device 6. In this case, if the voltage U G of the generator 2 is greater than the voltage U B of the battery unit 18, the DC-DC converter ¬ arrangement 19 is operated properly to raise the potential of the battery ¬ gigarge voltage U B to that of the generator voltage U G. If, in the opposite case, the generator voltage U G is lower than the battery voltage U B , then the disconnecting switches 21, 21 'can be opened and the switches 36 and 36' of the first bypass device 32 can be closed. The battery unit 18 then feeds the second intermediate circuit 9 via the diodes 39, 39 'of the bypass path 37, 37' with the switch 39, 39 'open, while the generator 2 is supplied via the bypass lines 34, 34' and the input branches 22, 22 '. the first intermediate circuit 8 feeds and where ¬ in the generator voltage via the boost converter 28, 28 'is increased to the voltage of the second intermediate circuit 9.
In weiteren Betriebsmodi kann die Batterieeinheit 18 auch regelmäßig oder je nach Bedarf aufgeladen werden. Ein Laden durch den Generator 2 erfolgt über die Gleichspannungswandleranordnung 19, die als Tiefsetzsteller betrieben wird. Gleichzeitig kann der Generator 2 auch in der vorstehend erläuterten Weise zusätzlich den Wechselrichter 11 speisen. In other modes of operation, the battery unit 18 may also be charged regularly or as needed. Charging by the generator 2 takes place via the DC-DC converter arrangement 19, which is operated as a step-down converter. At the same time, the generator 2 can also feed the inverter 11 in the manner explained above.
Die Batterieeinheit 18 kann auch mit aus dem Wechselspan¬ nungsnetz 3 entnommener Energie, die von einem oder mehreren Wechselspannungsgeneratoren in dem Wechselspannungsnetz er- zeugt wird, geladen werden. Um dies zu ermöglichen, muss zur Vorbereitung für eine Netzstromentnahme der zweite, hohe Zwi¬ schenkreis 9 auf die Netzscheitelspannung aufgeladen werden. Dies erfolgt vorzugsweise aus der Batterieeinheit 18 durch die Gleichspannungswandleranordnung 19, die als Hochsetzsteller arbeitet. Es ist auch möglich, den zweiten Zwischenkreis 9 über die Hochsetzsteller 28, 28' aus dem Generator 2 aufzuladen. Die Aufladung des zweiten, hohen Zwischenkreises auf die Netzscheitelspannung ist erforderlich, damit beim Zuschalten des Wechselspannungsnetzes hohe Impulsströme vermieden werden. The battery unit 18 may also from the alternating voltage network clamping ¬ 3 of removed energy ER of one or more of alternating voltage in the alternating voltage network witnesses being loaded. To make this possible, it must be 9 charged to the system peak voltage in preparation for a network current draw of the second, high Zvi ¬ intermediate circuit. This is preferably done from the battery unit 18 through the DC-DC converter assembly 19, which operates as a boost converter. It is also possible to charge the second intermediate circuit 9 via the boost converters 28, 28 'from the generator 2. The charging of the second, high DC link to the mains peak voltage is required so that when switching the AC mains high pulse currents are avoided.
Ist die Vorbereitung für die Netzstromentnahme abge¬ schlossen, werden die Schalter 38, 38' der zweiten Bypassein- richtung 33 geschlossen und die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 geöffnet. Der Wechselrichter 11 kann nun über seine Funktionalität der Netzstromentnahme Energie zwischen dem Wechselspannungsnetz 3 und dem zweiten, hohen Zwischenkreis 9 transferieren und somit die Batterieeinheit 18 über die By- passpfade 37, 37' mit den geschlossenen Schaltern 38, 38' laden. Die Gleichspannungswandleranordnung 19 sorgt für die erforderliche Potentialanpassung, indem sie als Tiefsetzsteller arbeitet . If the preparation for the mains current draw abge ¬ closed, the switches 38, 38 of the separation device 31 are 'of the second direction Bypassein- 33 are closed and the switches 21, 21' open. The inverter 11 can now transfer energy between the alternating voltage network 3 and the second, high intermediate circuit 9 via its functionality of the mains current drain and thus charge the battery unit 18 via the bypass paths 37, 37 'with the closed switches 38, 38'. The DC-DC converter arrangement 19 provides the required potential matching by acting as buck converter.
Soll die Batterieeinheit 18 gleichzeitig durch Netz¬ stromentnahme und aus dem Generator 2 geladen werden, muss die Vorbereitung für die Netzstromentnahme, wie oben erläutert, erfolgt sein. Danach werden die Schalter 38, 38' der zweiten Bypasseinrichtung 33 geschlossen, die Trennschalter 21, 21' geöffnet und die Schalter 36, 36' der ersten Bypasseinrichtung 32 geschlossen. Die Energie durch die Netzstromentnahme kann nun über die geschlossene Schalter 38, 38' fließen. Wenn das Potential des Generatoranschlusses 13 bzw. 13' betragsmäßig niedriger ist als das der zweiten Zwischenkreisspannung UZK2 + UZK4, fließt die Energie aus dem Generator 2 über die geschlos¬ senen Schalter 36, 36' und wird von den DC/DC-Wandlern 28, 28' auf das Potential des zweiten, hohen Zwischenkreises 9, wie durch den Wechselrichter 11 vorgegeben, hochgesetzt. Durch die DC/DC-Wandler 28, 28' ist dabei stets ein MPP-Tracking an dem Generator 2 möglich. If the battery unit 18 is to be charged at the same time by mains current drain and from the generator 2, the preparation for the mains current drain, as explained above, must have taken place. Thereafter, the switches 38, 38 'of the second bypass device 33 are closed, the disconnectors 21, 21' are opened and the switches 36, 36 'of the first bypass device 32 are closed. The energy through the mains current drain can now flow through the closed switches 38, 38 '. When the potential of generator terminal 13 or 13 'of magnitude is lower than that of the second intermediate circuit voltage U ZK 2 + U ZK 4, the energy flows from the generator 2 via the CLOSED ¬ Senen switch 36, 36' and is used by the DC / DC Converters 28, 28 ' to the potential of the second, high intermediate circuit 9, as specified by the inverter 11, set high. By the DC / DC converter 28, 28 'is always an MPP tracking on the generator 2 possible.
Ist das Potential des Generatoranschlusses 13 bzw. 13' betragsmäßig höher als das der zweiten Zwischenkreisspannung ζκ2, ist in einer weiteren Ausführungsform möglich die Span¬ nung des Generators 2 über die DC/DC-Wandler 28, 28', die in diesem Fall als Tiefsetzsteller arbeiten, auf das Potential des zweiten Zwischenkreises tiefzusetzen . Damit ermöglicht das erfindungsgemäße System 4 eine flexible, effiziente und zeit¬ gleiche Ladung der Batterieeinrichtung 6 durch die verschiedenartigen Energiequellen 2 und 3 sowie eine gleichermaßen flexible und effiziente Nutzung der Batterieenergie auch zeit¬ gleich mit der Energie aus dem Generator 2. If the potential of the generator terminal 13 or 13 'in terms of magnitude higher than that of the second intermediate circuit voltage ζκ2, is possible in a further embodiment, the clamping ¬ tion of the generator 2 via the DC / DC converter 28, 28', in this case as a buck converter working to deepen the potential of the second DC link. Thus, the system 4 of the invention allows a flexible, efficient and time ¬ same charge the battery device 6 by the different types of energy sources 2 and 3 and an equally flexible and efficient use of battery energy time ¬ same with the energy from the generator. 2
In einem weiteren Betriebsmodus kann abwechselnd, zeit¬ versetzt zueinander der Generator 2 Energie in das Netz 3 einspeisen und die Batterieeinrichtung 6 durch Stromentnahme aus dem Netz 3 geladen werden. Die kann z.B. nützlich sein, wenn die Generatorspannung für beide Funktionen nicht ausreicht, eine Aufladung der Batterien 18 aber erforderlich oder sinnvoll ist. In a further operating mode alternately, time ¬ staggered to each other, the generator 2 feed energy into the network 3 and the battery device 6 are charged by current drain from the network 3. This may be useful, for example, if the generator voltage is not sufficient for both functions, but charging the batteries 18 is necessary or expedient.
Eine spezielle, vorteilhafte Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen Systems 4 ist in größeren Einzelheiten in Fig. 2 veranschaulicht. Die Darstellung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 lediglich darin, dass hier eine modifizierte, bevorzugte Ausführungsform der Batterieeinrichtung 6 sowie konkrete Ausführungsformen der Kopplungs-/ Entkopplungseinrichtung 29 und der Wechselrichteranordnung 7 angegeben sind. Dies sind aber nur beispielhafte Ausführungs¬ formen, so dass noch andere Realisierungsmöglichkeiten bestehen. In Bezug auf die weiteren dargestellten Komponenten wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit Fig. 1 Bezug genommen. A special, advantageous embodiment of the inventions ¬ to the invention system 4 is illustrated in greater detail in Fig. 2. The illustration of FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that here a modified, preferred embodiment of the battery device 6 and concrete embodiments of the coupling / decoupling device 29 and the inverter assembly 7 are indicated. However, these are only exemplary execution ¬ forms, so that there are other possibilities for implementation. With respect to the other components illustrated with reference to the same reference numerals to the above statements in connection with FIG. 1 reference.
Die in Fig. 2 veranschaulichte bevorzugte Ausführungsform der Batterieeinrichtung 6 weist eine erste Batterieeinrichtung 6a und eine zweite Batterieeinrichtung 6b auf. Die erste Bat¬ terieeinrichtung 6a weist eine erste Batterieeinheit 18a und eine dieser zugeordnete erste Gleichspannungswandleranordnung 19a auf. Die Gleichspannungswandleranordnung 19a ist ein induktiver Wandler, der durch einen kombinierten Aufwärtswandler und Abwärtswandler gebildet ist. Insbesondere weist die erste Gleichspannungswandleranordnung 19a eine erste elektronische Schaltereinheit 47a mit einem Schalter 48a und einer hierzu antiparallel geschalteten Freilaufdiode 49a, eine zweite The preferred embodiment of the battery device 6 illustrated in FIG. 2 has a first battery device 6a and a second battery device 6b. The first Bat ¬ terieeinrichtung 6a has a first battery unit 18a and the associated first DC-DC converter assembly 19a. DC-DC converter assembly 19a is an inductive converter formed by a combined boost converter and buck converter. In particular, the first DC-DC converter arrangement 19a has a first electronic switch unit 47a with a switch 48a and a freewheeling diode 49a connected in antiparallel to it, a second electronic switch unit
Schaltereinheit 51a mit einem Schalter 52a und einer antipa¬ rallelen Freilaufdiode 53a und eine Induktivität 54a auf. Die Induktivität 54a ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Schaltereinheiten 47a, 51a und mit dem Pluspol der Batterie¬ einheit 18a verbunden. Der Minuspol der Batterieeinheit 18a ist mit dem zweiten, negativen Generatorzweig 14' verbunden, an den auch die zweite Schaltereinheit 51a angeschlossen ist. Die erste Schaltereinheit 47a ist wiederum mit dem ersten Ge¬ neratorzweig 14 verbunden. Switch unit 51a with a switch 52a and an antipa ¬ parallel freewheeling diode 53a and an inductor 54a. The inductor 54a is connected to a connection point between the switch units 47a, 51a and to the positive terminal of the battery ¬ unit 18a. The negative pole of the battery unit 18a is connected to the second, negative generator branch 14 ', to which the second switch unit 51a is also connected. The first switch unit 47a is in turn connected to the first generator branch 14 Ge ¬ .
In ähnlicher Weise weist die zweite Batterieeinrichtung 6b eine zweite Batterieeinheit 18b und eine dieser zugeordnete Gleichspannungswandleranordnung 19b auf, die zwischen den Generatorzweigen 14, 14' angeordnet ist. Die Gleichspannungs¬ wandleranordnung 19b weist eine erste und eine zweite elektro¬ nische Schaltereinheit 47b, 51b auf, die jeweils einen Schal¬ ter 48b, 52b und eine hierzu antiparallele Freilaufdiode 49b, 53b aufweisen, sowie eine Induktivität 54b auf. Die erste Schaltereinheit 47b ist zwischen dem positiven Generatorzweig 14 und einer Klemme der zweiten Schaltereinheit 51b angeord¬ net, deren andere Klemme mit dem negativen Generatorzweig 14' verbunden ist. Die Induktivität 54b ist mit dem Verbindungs¬ punkt zwischen den Schaltereinheiten 47b, 51b und mit dem Pluspol der Batterieeinheit 18b verbunden. Similarly, the second battery device 6b has a second battery unit 18b and a DC-DC converter arrangement 19b associated therewith, which is arranged between the generator branches 14, 14 '. The DC ¬ transducer assembly 19b comprises a first and a second electro ¬ African switch unit 47b, 51b, each having a scarf ¬ ter 48b, 52b, and this anti-parallel freewheeling diode 49b have 53b, and an inductor 54b. The first switch unit 47b is angeord ¬ net between the positive generator branch 14 and a terminal of the second switch unit 51b, whose other terminal to the negative generator branch 14 ' connected is. The inductor 54b is connected to the connection point between the ¬ switch units 47b, 51b and to the positive pole of the battery unit 18b.
Außerdem ist eine Schalteranordnung 56 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die erste und die zweite Batterieein¬ heit 18a, 18b wahlweise elektrisch entweder parallel oder in Reihe miteinander und mit den Generatorzweigen 14, 14' zu verbinden. Die Schalteranordnung 56 weist hierzu einen ersten Schalter 57 und einen zweiten Schalter 58 auf. Der erste In addition, a switch assembly 56 is provided, which is adapted to the first and the second Batterieein ¬ unit 18a, 18b either electrically connected either in parallel or in series with each other and with the generator branches 14, 14 '. For this purpose, the switch arrangement 56 has a first switch 57 and a second switch 58. The first
Schalter 57 ist in einem Verbindungszweig angeordnet, der den Verbindungspunkt zwischen der Induktivität 54a und dem Pluspol der ersten Batterieeinheit 18a mit dem Minuspol der zweiten Batterieeinheit 18b verbindet. Der zweite Schalter 58 ist in einem Zweig angeordnet, der den Minuspol der zweiten Batterie¬ einheit 18b mit dem negativen Generatorzweig 14' verbindet. Switch 57 is disposed in a connection branch connecting the connection point between the inductance 54a and the positive pole of the first battery unit 18a to the negative pole of the second battery unit 18b. The second switch 58 is disposed in a branch, which connects the negative pole of the second battery ¬ unit 18b to the negative branch generator 14 '.
Ist der erste Schalter 57 geöffnet und der zweite Schal¬ ter 58 geschlossen, sind beide Batterieeinrichtungen 6a, 6b parallel zueinander an dem Generator 2 angeschlossen. Im umgekehrten Fall, wenn der erste Schalter 57 geschlossen und der zweite Schalter 58 geöffnet ist, sind die beiden Batterieein¬ heiten 18a, 18b in Reihe miteinander verbunden. Je nach Betriebsbedingungen können die Batterieeinheiten 18a, 18b nun entweder in Reihen- oder in Parallelschaltung in der bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Weise aus dem Generator 2 und/oder durch Netzstromentnahme geladen bzw. entladen werden. If the first switch 57 open and the second shawl ¬ ter 58 is closed, both battery means 6a, 6b connected to each other parallel to the generator. 2 In the opposite case, when the first switch closed 57 and the second switch 58 is opened, the two Batterieein ¬ units 18a, 18b connected in series. Depending on the operating conditions, the battery units 18a, 18b can now be charged or discharged either in series or in parallel in the manner already explained above in connection with FIG. 1 from the generator 2 and / or by mains current drain.
Sind die Batterieeinheiten 18a, 18b parallel zueinander geschlossen, erfolgt die Aufladung über die Gleichspannungs¬ wandleranordnungen 19a, 19b, die in diesem Betriebsfall als Tiefsetzsteller arbeiten. Hierzu werden die ersten Schaltereinheiten 48a, 48b mit einem geeigneten Tastverhältnis ange¬ steuert, um eine geeignete Batterieladespannung zum Aufladen der Batterieeinheiten 18a, 18b bereitzustellen. Der Freilaufstrom verläuft hierbei über die Freilaufdioden 53a, 53b der zweiten Schaltereinheiten 51a, 51b. If the battery units 18a, 18b closed parallel to each other is carried out charging via the DC ¬ transducer assemblies 19a, 19b, which operate in this operating case as a buck converter. For this purpose, the first switch units 48a, 48b being ¬ controlled with a duty ratio suitable to a suitable battery charging voltage for charging the battery units 18a, 18b provide. The freewheeling current here passes over the freewheeling diodes 53a, 53b of the second switch units 51a, 51b.
Bei ausreichender Generatorspannung können die Batterieeinheiten 18a, 18b auch in Reihenschaltung aufgeladen werden. Hierzu wird der Schalter 57 geschlossen und der Schalter 58 geöffnet, und die zweite Gleichspannungswandleranordnung 19b wird durch geeignete Taktung des Schalters 48b als Tiefsetz¬ steller verwendet. With sufficient generator voltage, the battery units 18a, 18b can also be charged in series connection. For this purpose, the switch 57 is closed and the switch 58 is opened, and the second DC-DC converter arrangement 19b is used by appropriate clocking of the switch 48b as Tiefsetz ¬ actuator.
Zum Einspeisen aus den Batterieeinheiten 18a, 18b können diese in Reihe zueinander geschaltet werden, um eine relativ hohe gesamte Batteriespannung zu erhalten, um Umwandlungsverluste auf ein Minimum zu reduzieren. In diesem Fall wird die Gleichspannungswandleranordnung 19b als Hochsetzsteller verwendet, indem der Schalter 52b mit geeignetem Tastverhältnis angesteuert wird. For feeding from the battery units 18a, 18b, these can be connected in series with each other to obtain a relatively high total battery voltage in order to minimize conversion losses. In this case, the DC-DC converter arrangement 19b is used as a step-up converter by the switch 52b is driven with a suitable duty cycle.
Alternativ können, insbesondere wenn die Generatorspannung niedriger ist als die Spannung der Reihenschaltung der Batterieeinheiten 18a, 18b, diese in Parallelschaltung symmetrisch durch die erste und zweite Gleichspannungswandleranord¬ nung 19a, 19b entladen und auf das Zwischenkreisniveau des Zwischenkreises 8 hochgesetzt werden. Hierzu werden die Schal¬ ter 52a, 52b der zweiten Schaltereinheiten 51a, 51b mit dem für die Hochsetzung geeigneten Tastverhältnis geschaltet. In der oben erläuterten Weise können die Batterieeinheiten 18a, 18b auch gemeinsam mit dem Generator 2 zur Speisung des Wechselrichters 11 verwendet werden. Alternatively, in particular if the generator voltage is lower than the voltage of the series connection of the battery units 18a, 18b, they are discharged symmetrically in parallel through the first and second DC voltage converter arrangements 19a, 19b and boosted to the intermediate circuit level of the intermediate circuit 8. For this, the scarf ¬ ter 52a, 52b of the second switch units 51a, 51b connected with the appropriate setting for the high duty cycle. In the manner explained above, the battery units 18a, 18b can also be used together with the generator 2 for feeding the inverter 11.
In Fig. 2 ist ferner eine konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungs-/Entkopplungseinrichtung 29 näher veranschaulicht. Insbesondere sind die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 als elektronische Schalter mit einer in Reihe zu dem Schalter 21, 21' und in gleicher Durchlassrichtung angeordneten Gleichrichterdiode 61, 61' veranschaulicht, die die Schalter 21, 21' gegen eventuelle Sperrströme schüt¬ zen. Ebenso sind auch Gleichrichterdioden 62, 62' in Reihe zu den Schaltern 36, 36' der ersten und zweiten Bypassleitung 34, 34' der ersten Bypasseinrichtung 32 vorgesehen. Im Übrigen entspricht die in Fig. 2 dargestellte Kopplungs-/Entkopplungs- einrichtung 29 hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise der in Fig. 1 veranschaulichten Kopplungs-/Entkopplungs- einrichtung . In Fig. 2, a concrete embodiment of the coupling / decoupling device 29 according to the invention is further illustrated. In particular, the switches 21, 21 'of the separator 31 as electronic switches with a in Series with the switch 21, 21 'and disposed in the same conducting direction rectifier diode 61, 61' illustrates that the switches 21, 21 'against any reverse currents Schütting ¬ zen. Likewise, rectifier diodes 62, 62 'are also provided in series with the switches 36, 36' of the first and second bypass lines 34, 34 'of the first bypass device 32. Incidentally, the coupling / decoupling device 29 illustrated in FIG. 2 corresponds in terms of its structure and functionality to the coupling / decoupling device illustrated in FIG. 1.
Außerdem zeigt Fig. 2 eine konkrete, bevorzugte Ausfüh¬ rungsform eines DC/DC-Wandlers 28, 28', der sich zur Hochset¬ zung einer Spannung eignet. So weist der erste DC/DC-Wandler 28 einen Aufwärtswandlerteil 73 auf. Der Aufwärtswandlerteil 73 ist ein induktiver Wandler mit einer Induktivität 76, deren Primärseite mit dem ersten Eingangszweig 22 verbunden ist und deren Sekundärseite in Reihe mit einer Freilaufdiode 77 ver¬ bunden ist, deren Kathode mit dem Anschluss 25 bzw. der Ein¬ gangsleitung 27 verbunden ist. Ein taktbarer Schalter 78 ist an die Sekundärseite der Induktivität 76 und über die Mittel¬ anzapfung 24 an einen Neutralleiter 79 angeschlossen. Zur Hochsetzung der Spannung UZKi des ersten Zwischenkreises 8 wird der Schalter 78 in bekannter Weise mit einem für die Hochsetzung geeigneten Tastverhältnis geschaltet. In addition, Fig. 2 shows a concrete, preferred exporting ¬ approximate shape of a DC / DC converter 28, 28 ', which is suitable for wetting Hochset ¬ a voltage. Thus, the first DC / DC converter 28 has an up-converting part 73. The up-converter portion 73 is an inductive converter with an inductance 76, whose primary side is connected to the first input branch 22 and whose secondary side is ver ¬ connected in series with a free-wheeling diode 77, whose cathode is connected to the terminal 25 or the A ¬ output line 27 , A switchable switch 78 is connected to the secondary side of the inductance 76 and via the center ¬ tap 24 to a neutral conductor 79. To increase the voltage U ZK i of the first intermediate circuit 8, the switch 78 is switched in a known manner with a duty cycle suitable for boosting.
In analoger Weise weist der DC/DC-Wandler 28' einen Aufwärtswandlerteil 73' auf, wobei der Aufwärtswandlerteil 73' eine Induktivität 76', deren Primärseite mit dem zweiten Ein¬ gangszweig 22' verbunden ist, in Reihe mit einer Freilaufdiode 77', deren Kathode mit dem Anschluss 25' des zweiten Zwischenkreises 9 verbunden ist, und einen taktbaren Schalter 78' aufweist, der zwischen der Sekundärseite der Induktivität 76' und dem Neutralleiter 79 angeschlossen ist. Wie ferner aus Fig. 2 ersichtlich, können die so gebildeten DC/DC-Wandler 28, 28', einschließlich der Zwischenkreis- kondensatoren 23, 23', doppelt ausgeführt und parallel zuei¬ nander angeschlossen sein. Diese können dann zeitlich versetzt bzw. verschachtelt zur Aufwärts- bzw. Abwärtswandlung getaktet werden. Dadurch können auf das Schalten der DC/DC-Wandler- schalter zurückzuführende Rippelströme reduziert werden. In an analogous manner, the DC / DC converter 28 'has a step-up converter part 73', wherein the boost converter part 73 'an inductance 76', the primary side to the second A ¬ branch passage 22 'is connected in series with a freewheeling diode 77', which Cathode is connected to the terminal 25 'of the second intermediate circuit 9, and a clockable switch 78' which is connected between the secondary side of the inductor 76 'and the neutral conductor 79. As can be seen further from FIG. 2, the thus-formed DC / DC converter 28, 28 'can, including the DC link capacitors 23, 23', carried out in duplicate and be parallel connected zuei ¬ Nander. These can then be clocked in time or nested for upward or downward conversion. As a result, ripple currents due to the switching of the DC / DC converter switches can be reduced.
Der Wechselrichter 11 ist in Fig. 2 in der bereits erwähnten Multilevel-Wechselrichterschaltungsanordnung näher veranschaulicht, die die beiden Eingangsspannungen des ersten und des zweiten Zwischenkreises 8, 9 nutzt. Der Wechselrichter 11 weist parallel zu den Kondensatoren 23, 23' des ersten Zwischenkreises 8 eine Halbbrückenschaltung auf, die zwei in Rei¬ he miteinander verbundene Schalterelemente 82, 83 aufweist, zu denen jeweils parallel und in entgegengesetzter Durchlassrichtung eine Freilaufdiode geschaltet sein kann (hier nicht ver¬ anschaulicht) , um diese Gegensperrströme zu schützen. In Reihe zu den jeweiligen Schaltern 82, 83 sind Gleichrichterdioden 84, 86 vorgesehen, die in gleicher Durchlassrichtung wie die Schalterelemente 82, 83 angeordnet sind. The inverter 11 is illustrated in more detail in FIG. 2 in the already mentioned multilevel inverter circuit arrangement, which uses the two input voltages of the first and the second DC link 8, 9. The inverter 11 has parallel to the capacitors 23, 23 'of the first intermediate circuit 8, a half bridge circuit having two connected in Rei ¬ he switch elements 82, 83, may be to those connected in parallel and in the opposite conducting direction, a freewheeling diode (not ver ¬ anschaulicht) to protect these anti-lock currents. In series with the respective switches 82, 83 rectifier diodes 84, 86 are provided which are arranged in the same passage direction as the switch elements 82, 83.
Es sind ferner zwei weitere Schalterelemente 87, 88 mit jeweils antiparallelen Freilaufdioden 89, 91 undin Reihe zueinander vorgesehen. Die Schalterelemente 87, 88 sind an den Ausgangsanschlüssen 25, 25' des jeweiligen DC/DC-Wandlers 28 bzw. 28' angeschlossen. Der andere Anschluss der Schalterele¬ mente 87, 88 ist miteinander und einem Mittelabgriff 90 der Halbbrücke mit den Schaltern 58, 59 verbunden. There are also two further switch elements 87, 88 each provided with antiparallel freewheeling diodes 89, 91 and in series with each other. The switch elements 87, 88 are connected to the output terminals 25, 25 'of the respective DC / DC converters 28, 28', respectively. The other terminal of the Schalterele ¬ elements 87, 88 is connected to each other and a center tap 90 of the half-bridge with the switches 58, 59.
Der Wechselrichter 11 weist ferner zwei Freilaufpfade 92, 93 auf, die parallel zueinander zwischen dem Mittelabgriff 90 und dem Neutralleiter 79 verlaufen. Jeder Freilaufpfad 92, 93 weist ein Schalterelement 94 bzw. 96 mit einer optional zu diesem antiparallel geschalteten Freilaufdiode sowie eine in Reihe zu diesem angeordnete Gleichrichterdiode 97 bzw. 98 auf, die die gleiche Durchlassrichtung wie das zugehörige Schal¬ terelement 94 bzw. 96 aufweist. Im Übrigen sind die Gleich¬ richterdioden 97, 98 in den einzelnen Freilaufpfaden 92, 93 in entgegengesetzter Durchlassrichtung zueinander geschaltet. The inverter 11 further includes two freewheeling paths 92, 93 which extend parallel to each other between the center tap 90 and the neutral conductor 79. Each freewheeling path 92, 93 has a switch element 94 or 96 with an optional anti-parallel to this freewheeling diode and a in Row arranged on this rectifier diode 97 and 98, which has the same passage direction as the associated scarf ¬ terelement 94 and 96, respectively. Incidentally, the DC ¬ rectifier diodes 97, 98 connected in each freewheel paths 92, 93 in the opposite forward direction to each other.
Der Mittelabgriff 90 der Halbbrücke ist über eine Verbindungsleitung 99, in der eine Speicherdrossel 101 vorgesehen ist, um von der Halbbrücke gelieferte Energie zwischenzuspei- chern und bspw. an ein Wechselspannungsnetz 3 oder einen Verbraucher abzugeben, mit einem Wechselspannungsanschluss 102 eines Wechselspannungskreises verbunden. Zwischen dem Wechsel¬ spannungsanschluss 102 und dem Neutralleiter 79 kann ein Glät- tungskondensator 103 eingefügt sein, um hochfrequente Spannungsanteile herauszufiltern . Das System kann auch dreiphasig ausgeführt werden. The center tap 90 of the half-bridge is connected via a connecting line 99, in which a storage inductor 101 is provided to temporarily store energy supplied by the half-bridge and, for example, to an AC voltage network 3 or a consumer, connected to an AC voltage terminal 102 of an AC voltage circuit. Between the AC voltage connection ¬ 102 and the neutral conductor 79 a smoothing capacitor can be inserted processing 103 to filter out high-frequency voltage components. The system can also be three-phase.
Obwohl die in Fig. 2 dargestellte Wechselrichterschal¬ tungsanordnung nur beispielhafter Natur ist, ist sie insofern besonders vorteilhaft, als sie es ermöglicht, auch bei unzu¬ reichenden Generatorspannungen mit hohem Wirkungsgrad Wechselstrom bzw. Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters 11 zu erzeugen. Hierzu kann der Wechselrichter 11 wahlweise entweder die niedrige Zwischenkreisspannung UZKi + UZK3 des ersten Zwischenkreises oder bei unzureichender Spannung des Gleichspannungsgenerators 2 oder der Batterieeinrichtung 6, die über den DC/DC-Wandler hochgesetzte Spannung UZK2 + UZK4 des zweiten, höheren Zwischenkreises 9 nutzen. Dabei kann der Freilaufström je nach Bedarf bei Taktung der Halbbrücken-Schalterelemente 82, 83 über die Freilaufpfade 92, 93 und bei Taktung der Although shown in FIG. 2 inverters scarf ¬ processing arrangement is merely exemplary in nature, it is particularly advantageous insofar as it makes it possible, even with Unzu ¬ reaching generator voltages to produce a high efficiency alternating current or alternating voltage at the output of the inverter. 11 For this purpose, the inverter 11 can be selectively either the low intermediate circuit voltage U ZK i + U ZK 3 of the first intermediate circuit or insufficient voltage of the direct voltage generator 2 or the battery device 6, the boosted by the DC / DC converter voltage U ZK 2 + U ZK 4 of the second, higher intermediate circuit 9 use. In this case, the freewheeling current as needed at the timing of the half-bridge switch elements 82, 83 via the freewheeling paths 92, 93 and when clocking the
Schalterelemente 87, 88 auch über die dann geschlossenen Switch elements 87, 88 also over the then closed
Schalterelemente 82, 83 fließen. Dann können entsprechende Spannungshübe an dem Mittelabgriff 90 reduziert und zugehörige Umschalt- und Ummagnetisierungsverluste verringert werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten wird auf die vorerwähnte DE 10 2006 010 694 B4 ausdrücklich Bezug genommen, die den Aufbau und die Funktionsweise der hier in Fig. 2 dargestellten Wechselrichterschaltung im Detail beschreibt. Switch elements 82, 83 flow. Then corresponding voltage strokes on the center tap 90 can be reduced and associated switching and re-magnetization losses can be reduced. For further details, the above-mentioned DE 10 2006 010 694 B4, which describes the structure and operation of the inverter circuit shown here in FIG. 2 in detail.
Vorteilhafterweise ermöglicht die in Fig. 2 dargestellte Wechselrichteranordnung 7 auch eine gesteuerte Entnahme des Wechselstroms zur Aufladung der Kondensatoren 26, 26'. Bspw. kann durch getaktetes Schalten des Schalterelementes 96 des ersten Freilaufpfades 93 Energie aus der Wechselspannungsseite über die Speicherdrossel 101 und die zu dem Schalterelement 87 antiparallele Freilaufdiode 89 auf den Speicherkondensator 26 des zweiten, hohen Zwischenkreises 9 transferiert werden. In gleicher Weise kann durch Schalten des Schalterelementes 94 in dem zweiten Freilaufpfad 92 Energie aus der Wechselspannungs¬ seite auf den Kondensator 26' transferiert werden. Diese Ener¬ gie kann dann bedarfsweise zur Ladung der Batterieeinheiten 18a, 18b in der vorstehend erläuterten Weise verwendet werden. Advantageously, the inverter arrangement 7 shown in FIG. 2 also permits a controlled removal of the alternating current for charging the capacitors 26, 26 '. For example. can be transferred to the storage capacitor 26 of the second, high intermediate circuit 9 by clocked switching of the switching element 96 of the first freewheeling path 93 energy from the AC side via the storage inductor 101 and the switch element 87 antiparallel freewheeling diode 89. In the same way 92 energy can be transferred from the AC ¬ side to the capacitor 26 'by switching the switch element 94 in the second free-wheeling path. This Ener ¬ energy can then, if necessary, 18b are used in the manner described above to charge the battery units 18a.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung von Energie ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die in Fig. 3 veranschaulichte Ausfüh¬ rungsform unterscheidet sich von denen nach Fig. 1 und 2 im Wesentlichen nur dadurch, dass hier neben einem primären Another embodiment of a system according to the invention for generating, using and storing energy is illustrated in FIG. 1 and 2, the illustrated in Fig. 3 exporting ¬ approximate shape different from those of FIG. Substantially only in that here with a primary
Gleichspannungsgenerator 2 noch ein weiterer sekundärer DC generator 2 still another secondary
Gleichspannungsgenerator 104 an das System 4 angeschlossen ist. Wenn bspw. der Generator 2 ein Photovoltaikgenerator ist, kann ergänzend oder als Ersatz für Zeiten mit niedriger Leistung des Photovoltaikgenerators z.B. eine vom Windkraftgenera¬ tor erzeugte gleichgerichtete Energie oder auch ein Gleich¬ spannungsgenerator bzw. Wechselstromgenerator mit Gleichrichter durch eine Verbrennungskraftmaschine, bspw. einem Diesel¬ generator oder einem Blockheizkraftwerk, an den Zwischenkreis 8, 9 bzw. die Batterieeinrichtung 6 des Systems 4 angebunden werden. Dadurch kann die Versorgungssicherheit erhöht bzw. ei¬ ne Vollladung der Batterie auch z.B. nachts oder während der Wintermonate ermöglicht werden. Hier nachfolgend sollen der Generator 2 als der primäre Generator und der Generator 104 als der sekundäre Generator bezeichnet werden. DC generator 104 is connected to the system 4. If, for example, the generator 2 is a photovoltaic generator, in addition or as a substitute for times of low power of the photovoltaic generator, for example, generated by Windkraftgenera ¬ tor rectified energy or a DC voltage generator ¬ or alternator with rectifier by an internal combustion engine, eg. A diesel ¬ generator or a combined heat and power plant, to the DC link 8, 9 and the battery device 6 of the system 4 are connected. As a result, the security of supply increases or ei ¬ ne full charge of the battery even at night or during the Winter months are possible. Hereinafter, the generator 2 will be referred to as the primary generator and the generator 104 as the secondary generator.
Der sekundäre Generator 4 ist analog zu dem Generator 2 an einen ersten und einen zweiten sekundären Generatoran- schluss 106, 106' angeschlossen, von denen ein erster und ein zweiter sekundärer Gleichspannungs-Generatorzweig 107, 107' wegführen. Eine Weichenschaltung 108 dient dazu, den ersten und zweiten sekundären Generatorzweig wahlweise entweder mit dem ersten bzw. zweiten primären Generatorzweig 14, 14' oder mit dem ersten bzw. zweiten Gleichspannungs-Eingangszweig 22, 22' zu verbinden. The secondary generator 4 is connected analogously to the generator 2 to a first and a second secondary generator terminal 106, 106 ', of which a first and a second secondary DC voltage generator branch 107, 107' lead away. A switch circuit 108 serves to selectively connect the first and second secondary generator branches to either the first and second primary generator branches 14, 14 ', respectively, or to the first and second DC input branches 22, 22', respectively.
Wie in Fig. 3 veranschaulicht, weist die Weichenschaltung Weichenpfade 109, 109', 111, 111' mit darin angeordneten As illustrated in FIG. 3, the switch circuit has switch paths 109, 109 ', 111, 111' arranged therein
Schaltern 112, 112', 113, 113' auf, die die Weichenpfade öff¬ nen und schließen. Ein erster Weichenpfad 109 mit einem ersten Schalter 112 ist zwischen dem ersten sekundären Generatorzweig 107 und dem ersten primären Generatorzweig 14 angeordnet. Ein zweiter Weichenpfad 109' mit einem zweiten Schalter 112' ist zwischen dem zweiten sekundären Generatorzweig 107' und dem zweiten primären Generatorzweig 14' angeordnet. Ferner sind ein dritter Weichenpfad 111 mit einem dritten Schalter 113 und ein vierter Weichenpfad 111' mit einem vierten Schalter 113' zwischen dem ersten bzw. zweiten sekundären Generatorzweig 107 bzw. 107' und dem ersten bzw. zweiten Eingangszweig 22 bzw. 22' angeschlossen. Gleichrichterdioden 110, 110' sind in den Generatorzweigen 107 bzw. 107' in Durchflussrichtung zwischen dem jeweiligen Generatoranschluss 106 bzw. 106 'und dem Verbin¬ dungsknoten zwischen den Weichenpfaden 109, 11, bzw. 109', 111' angeordnet . Switches 112, 112 ', 113, 113' on which the course paths öff ¬ nen and close. A first switch path 109 with a first switch 112 is arranged between the first secondary generator branch 107 and the first primary generator branch 14. A second switch path 109 'with a second switch 112' is arranged between the second secondary generator branch 107 'and the second primary generator branch 14'. Furthermore, a third switch path 111 with a third switch 113 and a fourth switch path 111 'with a fourth switch 113' between the first and second secondary generator branch 107 and 107 'and the first and second input branch 22 and 22' are connected. Rectifier diodes 110, 110 'are in the generator branches 107 or 107' in the direction of flow between the respective generator terminal 106 or 106 'and the Verbin ¬ dung node between the switch paths 109, 11, and 109' are arranged, 111 '.
Der Betrieb und die Funktionsweise des sekundären Genera¬ tors 104 werden ebenfalls durch die Steuereinrichtung 42 in Abhängigkeit von von der Sensoreinrichtung 41 erfassten Signalen, einschließlich der Spannung an dem sekundären Generator 104 gesteuert. Dieser kann wie folgt mit genutzt werden: The operation and operation of the secondary Genera ¬ sector 104 are also by the controller 42 in Dependence of signals detected by the sensor device 41, including the voltage to the secondary generator 104 controlled. This can be used as follows:
Der Generator 104 kann bspw. zum Laden der Batterieeinrichtung 6 verwendet werden. In Fig. 3 sind zwei Batterieeinheiten 18a, 18b veranschaulicht, die, wie bereits im Zusammen¬ hang mit Fig. 2 erläutert, je nach Zustand der Schalter 57, 58 der Schalteranordnung 56 wahlweise in Reihen- oder in Parallelschaltung geladen werden können. Alternativ könnte auch nur eine einzige Batterieeinheit 6 mit einer dieser zugeordneten Gleichspannungswandleranordnung 19 vorgesehen sein (vgl. Fig. 1) . Im Folgenden wird der Einfachheit wegen nur allgemein auf eine Gleichspannungswandleranordnung 19 und eine Batterieeinheit 18 Bezug genommen. The generator 104 may, for example, be used to charge the battery device 6. In Fig. 3, two battery units 18 a, 18 b are illustrated, which, as already explained in connection with ¬ hang with Fig. 2, depending on the state of the switches 57, 58 of the switch assembly 56 can be loaded either in series or in parallel. Alternatively, it would also be possible to provide only a single battery unit 6 with a DC-DC converter arrangement 19 associated with it (compare FIG. 1). Hereinafter, for the sake of simplicity, only a DC-DC converter arrangement 19 and a battery unit 18 will be referred to generally.
Ist die Spannung des sekundären Generators 104 höher als die Spannung der Batterieeinheit 18, werden der erste und der zweite Schalter 112, 112' geschlossen und der die Schutzdiode 16, 16' überbrückende Schalter 17, 17' geöffnet. Der Strom fließt durch den ersten und den zweiten Weichenpfad 109, 109' mit den geschlossenen Schaltern 112, 112' und die Gleichspannungswandleranordnung 19, die als Tiefsetzsteller arbeitet, zur Batterieeinheit 18. If the voltage of the secondary generator 104 is higher than the voltage of the battery unit 18, the first and second switches 112, 112 'are closed and the switch 17, 17' bridging the protection diode 16, 16 'is opened. The current flows through the first and the second switch path 109, 109 'with the closed switches 112, 112' and the DC-DC converter arrangement 19, which works as a step-down converter, to the battery unit 18.
Wenn die Spannung des sekundären Generators 104 niedriger ist als die Spannung UB der Batterieeinheit 18, werden die Schalter 112, 112' des ersten und zweiten Weichenpfades 109, 109' und die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 geöffnet, während die Schalter 38, 38' der Bypasspfade 37, 37' und die Schalter 113, 113' des dritten und vierten Weichenpfades 111, 111' geschlossen werden. Der Strom fließt nun durch den dritten und vierten Weichenpfad 111, 111' in den niedrigen Zwischenkreis 8 und wird von den DC/DC-Wandlern 28, 28' ge¬ nutzt, um die Spannung des niedrigen Zwischenkreises 8 auf ei- ne höhere Spannung als die Spannung der Batterieeinheit 18 hochzusetzen. Vom hohen Zwischenkreis 9 aus kann der Strom über die geschlossenen Schalter 38, 38' und den Tiefsetzsteller 19 zur Batterieeinheit 18 abfließen. When the voltage of the secondary generator 104 is lower than the voltage U B of the battery unit 18, the switches 112, 112 'of the first and second switch paths 109, 109' and the switches 21, 21 'of the separator 31 are opened, while the switches 38 , 38 'of the bypass paths 37, 37' and the switches 113, 113 'of the third and fourth switch paths 111, 111' are closed. The current now flows through the third and fourth switch path 111, 111 'in the low intermediate circuit 8 and is used by the DC / DC converters 28, 28' ge ¬ exploited to the voltage of the low intermediate circuit 8 on egg ne higher voltage than the voltage of the battery unit 18 to increase. From the high intermediate circuit 9, the current via the closed switch 38, 38 'and the buck converter 19 to the battery unit 18 drain.
Es können auch beide Gleichspannungsgeneratoren 2 und 104 zum Laden der Batterieeinheit 18 gleichzeitig verwendet wer¬ den. Ist die Spannung des primären Generators 2 dabei niedriger als die Spannung des sekundären Generators 104, werden die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 geöffnet, und die Schalter 36, 36' der Bypassleitungen 34, 34' sowie die Schalter 38, 38' der Bypasspfade 37, 37' werden geschlossen. Der Strom vom primären Generator 2 fließt über die geschlossenen Schalter 36, 36' zum niedrigen Zwischenkreis 8 und wird von dort von dem DC/DC-Wandler 28, 28' zur Hochsetzung der Spannung auf das Potential des sekundären Generators 104 verwen¬ det. Die Energie des sekundären Generators 104 fließt über die geschlossenen Schalter 112, 112' des ersten und zweiten Weichenpfades 109, 109' zur Batterieeinheit 18. Die Gleichspan¬ nungswandleranordnung 19 übernimmt dabei das MPP-Tracking für den sekundären Generator 104, während die DC/DC-Wandler 28, 28' für das MPP-Tracking für den primären Generator 2 sorgen. It can also both DC voltage generators 2 and 104 simultaneously to charge the battery unit 18 uses the ¬. If the voltage of the primary generator 2 is lower than the voltage of the secondary generator 104, the switches 21, 21 'of the separator 31 are opened, and the switches 36, 36' of the bypass lines 34, 34 'and the switches 38, 38' of the Bypass paths 37, 37 'are closed. The current from the primary generator 2 flows through the closed switches 36, 36 'to the low intermediate circuit 8 and is from there by the DC / DC converter 28, 28' verwen ¬ det for increasing the voltage to the potential of the secondary generator 104. The energy of the secondary generator 104 flows via the closed switches 112, 112 'of the first and second points path 109, 109' to the battery unit 18. The DC voltage ¬ converter converter 19 takes over the MPP tracking for the secondary generator 104, while the DC / DC Converters 28, 28 'provide MPP tracking for the primary generator 2.
Ist die Spannung an dem primären Generator 2 höher als die Spannung an dem sekundären Generator 104, werden die If the voltage at the primary generator 2 is higher than the voltage at the secondary generator 104, the
Schalter 21, 21', die Schalter 36, 36' und die Schalter 112, 112' geöffnet, während die Schalter 38, 38' und die Schalter 113, 113' geschlossen werden. Der Strom fließt von dem sekundären Generator 104 nun durch den geschlossenen dritten und vierten Weichenpfad 111, 111' in den niedrigen Zwischenkreis 9 und wird von den DC/DC-Wandlern 28, 28' auf die Spannung des primären Generators 2 hochgesetzt. Die Energie von dem pri¬ mären Generator 2 fließt durch den geschlossenen Schalter 17 oder alternativ über die Diode 16 zu der als Tiefsetzsteller arbeitenden Gleichspannungswandleranordnung 19, die das MPP- Tracking für den primären Generator 2 übernimmt, zu der Batterieeinheit 18. Das MPP-Tracking von dem sekundären Generator 104 wird durch die DC/DC-Wandler 28, 28' bewerkstelligt. Switches 21, 21 ', the switches 36, 36' and the switches 112, 112 'open while the switches 38, 38' and the switches 113, 113 'are closed. The current now flows from the secondary generator 104 through the closed third and fourth switch path 111, 111 'into the low DC link 9 and is boosted by the DC / DC converters 28, 28' to the voltage of the primary generator 2. The energy from the pri ¬ mary generator 2 flows through the closed switch 17 or alternatively via the diode 16 to the working as a buck converter DC-DC converter arrangement 19, the MPP- Tracking for the primary generator 2, to the battery unit 18. The MPP tracking of the secondary generator 104 is accomplished by the DC / DC converters 28, 28 '.
Der sekundäre Generator 104 kann in üblicher Weise zum Einspeisen des Wechselrichters 11 über den dritten und den vierten Weichenpfad 111, 111' mit dann geschlossenen Schaltern 113, 113' verwendet werden. Dabei kann der primäre Generator 2 bei ausreichender Energie in der im Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Weise parallel die Batterieeinheit 18 aufladen, wenn alle Schalter 21, 21', 36, 36', 38, 38' der Kopplungs-/ Entkopplungseinrichtung 29 geöffnet sind. The secondary generator 104 may be used in a conventional manner for feeding the inverter 11 via the third and fourth switch paths 111, 111 'with then closed switches 113, 113'. In this case, the primary generator 2 with sufficient energy in the manner explained in connection with FIG. 2 in parallel charge the battery unit 18 when all the switches 21, 21 ', 36, 36', 38, 38 'of the coupling / decoupling device 29 are opened ,
Umgekehrt kann der sekundäre Generator 104 über die Wei¬ chenpfade 109, 109' mit den geschlossenen Schaltern 112, 112' auch die Batterieeinheit 18 aufladen, während gleichzeitig der primäre Generator 2 den Wechselrichter 11 über die erste By- passeinrichtung 32 speist. Die Schalter 21, 21', 38, 38' sind dabei geöffnet. Conversely, the secondary generator 104 can be on the Wei ¬ chenpfade 109, 109 'with the closed switches 112, 112' also charge the battery unit 18, while the primary generator 2 pass means the inverter 11 via the first By- 32 fed. The switches 21, 21 ', 38, 38' are open.
Die gleichzeitige Verwendung des primären und sekundären Gleichspannungsgenerators 2, 104 zur Einspeisung ist be¬ schränkt möglich. Wenn die Spannung des primären Generators 2 hoch genug ist, kann dieser direkt in den zweiten, hohen Zwischenkreis 9 über die zu den Schaltern 38, 38' antiparallelen Freilaufdioden 39, 39' eingebunden werden. Die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 sind dabei geöffnet. Der sekundäre Generator 104 wird über die geschlossenen Schalter 113, 113' des dritten und vierten Weichenpfads 111, 111' in den ersten, niedrigen Zwischenkreis 8 geschaltet. The simultaneous use of the primary and secondary DC voltage generator 2, 104 for feeding is possible ¬ limited. If the voltage of the primary generator 2 is high enough, it can be directly integrated into the second, high intermediate circuit 9 via the free-wheeling diodes 39, 39 ', which are connected in antiparallel with the switches 38, 38'. The switches 21, 21 'of the separator 31 are open. The secondary generator 104 is switched into the first, low intermediate circuit 8 via the closed switches 113, 113 'of the third and fourth switch paths 111, 111'.
Ist die Spannung des sekundären Generators 104 höher als die des primären Generators 2, dann kann der sekundäre Genera¬ tor 104 über die Schalter 112, 112' des ersten und zweiten Weichenpfades 109, 109' und die zu den Schaltern 38, 38' anti- parallelen Freilaufdioden 39, 39' in den zweiten, hohen Zwischenkreis 9 geschaltet werden. Der primäre Generator 2 wird über die geschlossenen Schalter 36, 36' der ersten Bypassein- richtung 32 in den ersten, niedrigen Zwischenkreis 8 geschaltet. Die Schalter 21, 21' der Trenneinrichtung 31 sind in beiden Fällen geöffnet. If the voltage of the secondary generator 104 is higher than that of the primary generator 2, then the secondary generator 104 can be activated via the switches 112, 112 'of the first and second switch paths 109, 109' and to the switches 38, 38 '. parallel freewheeling diodes 39, 39 'are connected in the second, high intermediate circuit 9. The primary generator 2 is switched via the closed switches 36, 36 'of the first bypass device 32 into the first, low intermediate circuit 8. The switches 21, 21 'of the separator 31 are open in both cases.
Durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Kopplungs-/Ent- kopplungseinrichtung 29 und der optionalen Weichenschaltung 108 kann ein Hybridsystem mit unterschiedlichen Energiequellen an einem Energiesystem bzw. Netz geschaffen werden, das es ermöglicht, sowohl einen Generator als auch die Speicherbatte¬ rien wirtschaftlich zu dimensionieren und eine lange Batterielebensdauer sicherzustellen. Auch in einer Photovoltaikanlage und in der Nacht bzw. in den Wintermonaten ist es stets möglich, die Batterie bedarfsweise vollständig aufzuladen. Das System 4 gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine flexible, effiziente und zeitgleiche Einspeisung und/oder Ladung der Batterieeinheit 18 bzw. -einheiten durch mehrere Generato¬ ren. Es ist möglich, durch intelligentes Umschalten über die Trenneinrichtung 31, die Bypasseinrichtungen 32, 33 und die Weichenschaltung 108 verschiedenartige Energiequellen 2, 3, 104 zum Laden der Batterieeinheiten 18 zu verwenden. By providing the inventive coupling / decoupling means 29 and the optional filter circuit 108 can be provided a hybrid system with different energy sources to a power system or network that allows both a generator and the Speicherbatte ¬ rien economically be dimensioned and ensure long battery life. Even in a photovoltaic system and at night or in the winter months, it is always possible to fully charge the battery, if necessary. The system 4 according to the present invention enables a flexible, efficient and simultaneous feed and / or charge the battery unit 18 or units by a plurality of generator ¬ ren. It is possible, through intelligent switching over the separator 31, the bypass devices 32, 33 and the switch circuit 108 to use various energy sources 2, 3, 104 for charging the battery units 18.
Es können Gleichstromgeneratoren, wie bspw. Photovoltaik- generatoren oder gleichgerichtete Windenergiegeneratoren gleichspannungsseitig angekoppelt werden, so dass zusätzliche Wechselrichter mit damit verbundenen Umwandlungsverlusten vermieden werden können. Bedarfsweise können auch Wechselstromgeneratoren mit z.B. netzkonformer 230 V 50 Hz Spannung, auch Blockheizkraftwerke, Dieselgeneratoren oder weitere Photovol- taik- oder Windanlagen mit separaten Wechselrichtern, wechsel- spannungsseitig angekoppelt werden, ohne zusätzlichen Batte¬ rielader zum Laden des Speichers verwenden zu müssen. Das System 4 kann flexibel durch einen oder mehrere sekundäre Gleichspannungsgeneratoren unterschiedlicher Art erweitert werden. Ebenso kann die Batterieeinrichtung 6 auch optional in der vorteilhaften Ausführungsform nach Fig. 2 mit der Möglichkeit, einfach und schnell wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung von zwei oder mehreren Batterieeinheiten 18a, 18b zu schaffen, realisiert werden. DC generators, such as photovoltaic generators or rectified wind energy generators can be coupled on the DC side, so that additional inverters with associated conversion losses can be avoided. If necessary, also alternators with, for example network conforming 230 V 50 Hz voltage, and cogeneration, diesel generators or more photovoltaic can taik- or wind systems with separate inverters, AC can be coupled voltage side having to use for loading the memory without additional Batte ¬ rielader. The system 4 can be flexibly extended by one or more secondary DC voltage generators of different types. Likewise, the battery device 6 can also optionally in the advantageous embodiment of FIG. 2 with the ability to easily and quickly either a series or parallel connection of two or more battery units 18a, 18b to create realized.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw. können Wechselrichter unterschiedlicher Konfigurationen eingesetzt werden, sofern sie über einen niedrigen Zwischenkreis sowie einen hohen Zwischenkreis verfügen und ei¬ ne Netzstromentnahme ermöglichen. Außerdem ist in den in den Figuren 1-3 veranschaulichten Ausführungsformen der Mittelpunkt 24 an den Neutralleiter 79 angebunden. Dies ist jedoch nicht erforderlich. Die veranschaulichten und andere Schaltungen können auch ohne Mittelpunktanzapfung 24 realisiert werden. Hierdurch entfallen die als „zweite" bezeichneten Komponenten, deren Bezugszeichen hier mit einem „' " versehen sind, insbesondere die Zwischenkreiskondensatoren 23', 36', der DC/DC-Wandler 28', die zweite Bypassleitung 34' mit dem Schalter 36', der zweite Bypasspfad 37' mit dem Schalter 38' und der Diode 39'. Die Zwischenkreiskondensatoren 23, 26 werden direkt an das Potential des Minuspols des Generators 2 ange¬ schlossen . Numerous modifications are possible within the scope of the invention. For example. Inverters of different configurations can be used provided that they have a low DC link as well as a high DC link and enable a net current drain. In addition, in the embodiments illustrated in FIGS. 1-3, the midpoint 24 is connected to the neutral conductor 79. This is not necessary. The illustrated and other circuits may be implemented without center tap 24. This eliminates the components referred to as "second" whose reference numerals are here provided with a "'", in particular the DC link capacitors 23', 36 ', the DC / DC converter 28', the second bypass line 34 'with the switch 36', the second bypass path 37 'with the switch 38' and the diode 39 '. The DC link capacitors 23, 26 are connected directly to the potential of the negative pole of the generator 2 ¬ .
Es ist ein System 4 zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie durch mehrere verschiedenartige Energiequellen geschaffen, zu denen wenigstens ein Gleichspannungsgenerator 2 und ein Wechselspannungsnetz 3 gehören. Das System 4 weist eine Batterieeinrichtung 6 zur zeitweisen Speicherung von Energie und einen Wechselrichter 11 auf, der über einen niedrigen und einen hohen Zwischenkreis 8, 9 verfügt und auch zur Wech¬ selstromentnahme aus dem Netz 3 eingerichtet ist. Eine Kopp- lungs-/Entkopplungseinrichtung 29 ist zwischen dem wenigstens einen Gleichspannungsgenerator 2, der Batterieeinrichtung 6 und den Zwischenkreisen 8, 9 angeordnet und eingerichtet, um wahlweise eine effiziente und zeitgleiche Ladung der Batterie¬ einrichtung 6 durch den wenigstens einen Gleichspannungsgene¬ rator 2 sowie durch Netzstromentnahme zu ermöglichen. There is provided a system 4 for use and storage of electrical energy by a plurality of different types of energy sources, including at least one DC voltage generator 2 and an AC voltage network 3. The system 4 has a battery device 6 for the temporary storage of energy and an inverter 11, which has a low and a high intermediate circuit 8, 9 and is also set up for the exchange of current from the grid 3 ¬ . A coupling / decoupling device 29 is between the at least a DC voltage generator 2, the battery device 6, and the intermediate circuits 8, 9 are arranged and adapted to selectively allow for efficient and simultaneous charging of the battery ¬ device 6 through the at least one DC voltage genes ¬ rator 2 as well as by network current drain.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. System zur Nutzung und Speicherung elektrischer Energie verschiedenartiger Energiequellen mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungs- Generatorzweig (14, 14'), die mit einem ersten bzw. einem zweiten Gleichspannungs-Generatoranschluss (13, 13') für einen Gleichspannungsgenerator (2) verbunden sind; mit einer Batterieeinrichtung (6), die zwischen dem ersten und dem zweiten Generatorzweig (14, 14') angeschlossen ist, um bedarfsweise Energie zu speichern oder die gespeicher¬ te Energie bereitzustellen; mit einem ersten und einem zweiten Gleichspannungs- Eingangszweig (22, 22') zur Verbindung mit dem ersten bzw. zweiten Generatorzweig (14, 14'); mit einem ersten Zwischenkreis (8), der zur Zwischenspei- cherung von Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangszweig (22, 22') angeschlossen ist; mit einem zweiten Zwischenkreis (9), der zur Zwischen- speicherung von Energie derart eingerichtet und angeordnet ist, dass seine Spannung durch Hochsetzung der Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises (8) erzeugt werden kann; mit einem Wechselrichter (11), dessen Eingang (12) an den ersten und den zweiten Zwischenkreis (8, 9) angeschlossen ist und der zur Umwandlung eingangsseitiger Gleichspannungsenergie in ausgangsseitige Wechselspannungsenergie und zur Umwandlung ausgangsseitiger Wechselspannungsenergie in eingangsseitige Gleichspannungsenergie eingerichtet ist; mit einer Trenneinrichtung (31) zur Herstellung und Trennung einer Verbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatorzweig (14) und dem ersten Eingangszweig (22); mit einer ersten Bypasseinrichtung (32), die eine wahlweise Verbindung zwischen wenigstens dem ersten Generatoran- schluss (13) und dem ersten Eingangszweig (22) unter Umgehung des ersten Generatorzweiges (14) ermöglicht; und mit einer zweiten Bypasseinrichtung (33), die eine wahlweise Verbindung zwischen wenigstens einem Anschluss (25) des zweiten Zwischenkreises (9) und dem ersten Generatorzweig (14) unter Umgehung des ersten Eingangszweiges (22) ermöglicht. 1. A system for using and storing electrical energy of various types of energy sources with a first and a second DC voltage generator branch (14, 14 ') which are connected to a first or a second DC voltage generator connection (13, 13') for a DC voltage generator (2). are connected; a battery means (6) which is connected between the first and the second generator branch (14, 14 ') to store energy as needed, or to provide the gespeicher ¬ te energy; a first and a second DC input branch (22, 22 ') for connection to the first and second generator branches (14, 14'), respectively; a first intermediate circuit (8) connected between the first and second input branches (22, 22 ') for temporary storage of energy; with a second intermediate circuit (9), which is arranged and arranged for the intermediate storage of energy such that its voltage can be generated by boosting the DC input voltage of the first intermediate circuit (8); an inverter (11) whose input (12) is connected to the first and second intermediate circuits (8, 9) and which is arranged to convert input side DC power into output side AC power and to convert output side AC power to input side DC power; a separator (31) for establishing and disconnecting a connection between at least the first generator branch (14) and the first input branch (22); with a first bypass device (32), which allows an optional connection between at least the first generator terminal (13) and the first input branch (22), bypassing the first generator branch (14); and with a second bypass device (33), which allows an optional connection between at least one connection (25) of the second intermediate circuit (9) and the first generator branch (14), bypassing the first input branch (22).
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinrichtung (6) eine wiederaufladbare Batterieeinheit (18) und eine dieser zugeordnete Gleichspannungswandleranordnung (19) aufweist, die einen kombinierten Aufwärtswand¬ ler (52a, 54a) und Abwärtswandler (48a, 54a) aufweist. 2. System according to claim 1, characterized in that the battery device (6) has a rechargeable battery unit (18) and one of these associated DC-DC converter arrangement (19) having a combined up-wall ¬ ler (52 a, 54 a) and down converter (48 a, 54 a) having.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinrichtung (6) wenigstens eine erste Batterieeinrichtung (6a) mit einer ersten Batterieeinheit (18a) und einer dieser zugeordneten ersten Gleichspannungswandleranordnung (19a), eine zweite Batterieeinrichtung (6b) mit einer zweiten Batterieeinheit (18b) und einer dieser zuge¬ ordneten zweiten Gleichspannungswandleranordnung (19b) und eine Schalteranordnung (56) aufweist, die eingerichtet und ange¬ ordnet ist, um die erste und zweite Batterieeinheit (18a, 18b) wahlweise elektrisch entweder parallel oder in Reihe miteinander und die Parallel- bzw. Reihenschaltung mit den Generatorzweigen (14, 14') zu verbinden. 3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the battery device (6) at least a first battery device (6a) with a first battery unit (18a) and one of these associated first DC-DC converter arrangement (19a), a second battery device (6b) with a second battery unit (18b) and one of these supplied ¬ associated second DC-DC converter assembly (19b) and a switch arrangement (56) which is arranged and attached ¬ assigns to the first and second battery unit (18a, 18b) selectively electrically either in parallel or in series to each other and the parallel or series connection with the generator branches (14, 14 ') to connect.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung (56) einen ersten Schalter (57), der eingerichtet und angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen einem ersten Pol der ersten Batterieeinheit (18a) und einem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit (18b) herzustellen oder aufzuheben, und einen zweiten Schalter (58) aufweist, der eingerichtet und angeschlossen ist, um eine Verbindung zwischen dem entgegengesetzten zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit (18b) und dem zweiten Genera¬ torzweig (14') herzustellen oder aufzuheben. 4. System according to claim 3, characterized in that the switch arrangement (56) has a first switch (57), the is arranged and connected to make or break a connection between a first pole of the first battery unit (18 a) and an opposite second pole of the second battery unit (18 b), and a second switch (58) which is set up and connected to a Connection between the opposite second pole of the second battery unit (18b) and the second Genera ¬ gate branch (14 ') produce or cancel.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Zwischenkreis (9) ein DC/DC-Wandler (28, 28') zugeordnet ist, der eingerichtet ist, um die Eingangsgleichspannung des ersten Zwischenkreises (8) auf ein betragsmäßig höheres Potential des zweiten Zwischen¬ kreises (9) hochzusetzen, wobei der DC/DC-Wandler ferner optional eingerichtet ist, um wahlweise die Ausgangsspannung eines Generators (2) auf ein betragsmäßig niedrigeres Potential des zweiten Zwischenkreises (9) herabzusetzen. 5. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the second intermediate circuit (9) is associated with a DC / DC converter (28, 28 ') which is adapted to the DC input voltage of the first intermediate circuit (8) in a magnitude higher potential of the second intermediate ¬ circle (9) hochgesetzt, wherein the DC / DC converter is further optionally configured to selectively reduce the output voltage of a generator (2) to a lower absolute potential of the second intermediate circuit (9).
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem DC/DC-Wandler (28, 28') ein Aufwärtswandlerteil (73, 73'), der eine Induktivität (76, 76'), deren Primärseite mit dem ersten bzw. zweiten Eingangszweig (22, 22') verbunden ist, in Reihenschaltung mit einer Freilaufdiode (77, 77'), deren Kathode mit dem Anschluss (25, 25') des zweiten Zwischenkrei¬ ses (9) verbunden ist, und einen taktbaren Schalter (78, 78') aufweist, der an die Sekundärseite der Induktivität (76, 76') und einen Neutralleiter (79) angeschlossen ist, sowie ein Schalter (36, 36') gehören, der einen Teil der ersten Bypass- einrichtung (32) bildet. 6. System according to claim 5, characterized in that to the DC / DC converter (28, 28 ') an up-converter part (73, 73') having an inductance (76, 76 '), whose primary side with the first or second input branch (22, 22 ') is connected in series with a freewheeling diode (77, 77') whose cathode is connected to the terminal (25, 25 ') of the second intermediate circuit ¬ ses (9), and a clockable switch ( 78, 78 ') which is connected to the secondary side of the inductance (76, 76') and a neutral conductor (79), and a switch (36, 36 ') belonging to a part of the first bypass device (32). forms.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (11) eine ein- bis dreiphasige Wechselrichterschaltung mit hochfrequent takt¬ baren elektronischen Schalterelementen (82, 83, 87, 88) und Freilaufpfaden (92, 93) aufweist, die ausgelegt sind, um wahl¬ weise ein Einspeisen von Energie aus dem ersten Zwischenkreis (8) oder aus dem zweiten Zwischenkreis (9) oder eine Entnahme von Wechselspannungsenergie zur Aufladung des zweiten Zwi¬ schenkreises (9) in gesteuerter Weise zu erzielen. 7. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the inverter (11) has a one- to three-phase inverter circuit with high-frequency tact ¬ ble electronic switch elements (82, 83, 87, 88) and Freewheeling paths (92, 93) which are designed to select ¬ a feeding of energy from the first intermediate circuit (8) or from the second intermediate circuit (9) or a withdrawal of AC energy to charge the second Zwi ¬ schenkreises (9) to achieve in a controlled manner.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (31) einen ansteuerbaren Schalter (21, 21') mit einer Durchlassrichtung von dem Generatorzweig (14, 14') zu dem Eingangszweig (22, 22') und eine in Reihe zu diesem, in gleicher Durchlassrichtung angeordnete Gleichrichterdiode (61, 61') aufweist. 8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the separating device (31) has a controllable switch (21, 21 ') with a passage direction from the generator branch (14, 14') to the input branch (22, 22 ') and a in series with this, arranged in the same passage direction rectifier diode (61, 61 ').
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bypasseinrichtung (32) wenigstens eine von dem ersten Generatoranschluss (13) zu dem ersten Eingangszweig (22) führende erste Bypassleitung (34) aufweist, in der ein ansteuerbarer, vorzugsweise taktbarer Schalter (36) in Reihe mit einer in gleicher Durchlassrichtung geschalteten Gleichrichterdiode (62) angeordnet ist. 9. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the first bypass device (32) at least one of the first generator terminal (13) to the first input branch (22) leading first bypass line (34), in which a controllable, preferably clockable Switch (36) is arranged in series with a rectifier diode (62) connected in the same forward direction.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bypasseinrichtung (33) wenigstens einen von dem Anschluss (25) des zweiten Zwischenkreises (9) zu dem ersten Generatorzweig (14) führenden ersten Bypasspfad (37) aufweist, in dem ein ansteuerbarer Schalter (38) mit einer antiparallelen Diode (39) angeordnet ist. 10. System according to one of the preceding claims, characterized in that the second bypass device (33) has at least one of the terminal (25) of the second intermediate circuit (9) to the first generator branch (14) leading first bypass path (37) in which a controllable switch (38) with an anti-parallel diode (39) is arranged.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Mittelanzapfung (24) des ersten und zweiten Zwischenkreises (8, 9) aufweist, die mit einem durch den Wechselrichter (11) hindurchgeführten Neutralleiter (79) verbunden ist. 11. System according to one of the preceding claims, characterized in that the system comprises a center tap (24) of the first and second intermediate circuit (8, 9) which is connected to a through the inverter (11) passed through neutral conductor (79).
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es primäre Generatoranschlüsse (13, 13') und Generatorzweige (14, 14') für einen primären Gleichspannungsgenerator (2) und ferner wenigstens einen ersten und zweiten sekundären Generatoranschluss (106, 106') für einen sekundären Gleichspannungsgenerator (104), einen ersten und zweiten sekundären Gleichspannungs-Generatorzweig (107, 107'), die jeweils mit dem ersten bzw. zweiten sekundären Generatoranschluss (106, 106') verbunden sind, und eine Weichen¬ schaltung (108) aufweist, die es ermöglicht, wenigstens den ersten sekundären Generatorzweig (107) wahlweise mit dem ers¬ ten primären Generatorzweig (14) oder mit dem ersten Eingangszweig (22) elektrisch leitend zu verbinden. A system according to any one of the preceding claims, characterized in that it includes primary generator terminals (13, 13 ') and generator branches (14, 14') for a primary DC voltage generator (2) and further at least first and second secondary generator terminals (106, 106) ') for a secondary DC voltage generator (104), a first and second secondary DC voltage generator branch (107, 107') which are each connected to the first and second secondary generator connection (106, 106 '), and a switch circuit ¬ ( 108), which makes it possible to connect at least the first secondary branch generator (107) electrically conductive selectively to the ers ¬ th primary generator branch (14) or to the first input branch (22).
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichenschaltung (108) wenigstens eine erste Schal¬ tereinheit (112), die in einem den ersten sekundären Generatorzweig (107) mit dem ersten primären Generatorzweig (14) verbindenden Weichenpfad (109) angeordnet ist, und eine weite¬ re Schaltereinheit (113) aufweist, die in einem den ersten se¬ kundären Generatorzweig (107) mit dem ersten Eingangszweig (22) verbindenden Weichenpfad (111) angeordnet ist. 13. System according to claim 12, characterized in that the point circuit (108) at least a first scarf ¬ tereinheit (112) arranged in a the first secondary generator branch (107) with the first primary generator branch (14) connecting points path (109) , and has a wide ¬ re switch unit (113), the switch path connecting a first SE ¬ ondary generator branch (107) with the first input branch (22) (111) is arranged.
14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Sensoreinrichtung (41) zur Erfassung von Betriebsparametern, zu denen wenigstens die Generator-, Batterie- und Zwischenkreisspannungen gehören, und eine Steuereinrichtung (42) aufweist, die den Betrieb des Systems in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern steuert, wobei die Steuereinrichtung (42) eine Steuerlogik aufweist, die es ermöglicht, in Abhängigkeit von den erfassten Betriebs¬ parametern einen der folgenden Betriebmodi auszuführen: Einspeisen von Wechselstromenergie entweder aus wenigstens einem an die Generatorschlüsse (13, 13'; 106, 106') angeschlossenen Gleichstromgenerator (2; 104) und/oder aus der Batterieein- richtung (6), Laden der Batterieeinrichtung (6) entweder aus wenigstens einem Gleichstromgenerator (2; 104) und/oder durch Wechselstromentnahme durch den Wechselrichter (11) oder eine Kombination derartiger Einspeise- und Ladevorgänge. 14. System according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a sensor device (41) for detecting operating parameters, which include at least the generator, battery and DC link voltages, and a control device (42) which controls the operation of the system in dependence on these operating parameters, wherein the control means (42) comprises a control logic, which makes it possible to carry out in response to the detected operation ¬ parameters one of the following modes of operation: supplying AC power from either at least one (to the generator circuits 13, 13 ', 106, 106') and / or from the battery input. Direction (6), charging the battery device (6) either from at least one DC generator (2; 104) and / or by AC current consumption by the inverter (11) or a combination of such supply and charging processes.
15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit wenigstens einem Gleichstromgenerator (2), der an den ersten und zweiten Generatoranschluss (14, 14'; 106, 106') an¬ geschlossen und aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Photovoltaikgenerator , eine vom Windkraftgenerator erzeugte gleichgerichtete Energie, eine Wasserkraft- oder Windturbine mit Gleichrichter, Brennstoffzellen und gleichgerichtete Generatoren auf Basis von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerken, gehören, und mit einer an der Ausgangsseite des Wechselrichters (11) ange¬ schlossen Wechselstrom-Energiequelle (3), die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Wechselspannungs-Versorgungsnet z , ein Windgenerator, eine Wasserkraft- oder Windturbine, und Wechselstrom-Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselgeneratoren und Blockheizkraftwerke, gehören. 15. System according to one of the preceding claims, further comprising at least one DC generator (2) which is closed to the first and second generator connection (14, 14 ', 106, 106') ¬ and selected from a group, to which a photovoltaic generator , a rectified energy generated by the wind power generator, a hydropower or wind turbine with rectifier, fuel cells and rectified generators based on internal combustion engines, especially diesel generators and combined heat and power plants include, and with an on the output side of the inverter (11) ¬ connected AC power source ( 3) selected from the group consisting of an AC power supply network, a wind generator, a hydropower or wind turbine, and AC generators having internal combustion engines, particularly diesel generators and combined heat and power plants.
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