Gleichspannungsnetz mit variabler Spannung

Die Erfindung betrifft ein Gleichspannungsnetz, wobei das Gleichspannungsnetz mit einer Gleichspannung betreibbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Windpark sowie ein Ver fahren zum Betreiben eines derartigen Gleichspannungsnetzes oder Windparks .

Bei einem Energieverteilungsnetz wird elektrischen Verbrau chern elektrische Energie bereitgestellt. Dabei liegt an den Versorgungsleitungen, auch allgemein als Leiter bezeichnet, des Energieverteilungsnetzes eine Spannung an. Bei Anschluss eines Verbrauchers kann dieser den Versorgungsleitungen einen Strom entnehmen. Dabei wird elektrische Energie innerhalb des Energieverteilungsnetzes verteilt. Bei der Spannung kann es sich um eine Wechselspannung eines Wechselspannungsnetzes o- der um die Gleichspannung eines Gleichstromnetzes, auch als DC-Netz bezeichnet, handeln.

Heutzutage sind Energieverteilungsnetze als Wechselspannungs netze ausgebildet. Diese bieten die Möglichkeit, auf einfache Weise mittels Transformatoren unterschiedliche Spannungsebe nen zu generieren. Bei einem DC Netz wird der Einfachheit halber die Gleichspannung auf einen konstanten Wert gehalten und den Verbrauchern zur Verfügung gestellt. Dafür wird meis tens der maximal zulässige Nominalwert zugrunde gelegt. Damit können die elektrischen Verbraucher bei konstanter Leistung mit einem geringen Strom versorgt werden. Elektrische Verlus te sind dabei aufgrund des geringen Stroms gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichspan nungsnetz zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Gleichspannungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch einen Windpark mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gleich spannungsnetzes oder Windparks mit den Merkmalen des An spruchs 7 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich das Gleichspannungsnetz dadurch verbessern lässt, dass die Span nung des Gleichspannungsnetzes variabel ist und den Zustand des Gleichspannungsnetzes wiedergibt. Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung der Spannungsregelung in dem Gleichspan nungsnetz. Es geht darum, einen Zustand oder mehrere Zustände des Gleichspannungsnetzes anhand der Gleichspannung des Net zes zu beschreiben. Somit ist dann jedem Verbraucher, jeder Quelle und jedem Speicher der Zustand des Gleichspannungsnet zes unmittelbar bekannt und kann darauf angemessen und bei spielsweise stabilisierend reagieren.

Bei dem Gleichspannungsnetz werden die daran angeschlossenen elektrischen Komponenten mittels eines Leiters elektrisch verbunden. Bei dem Leiter kann es sich beispielsweise um Ka bel oder Stromschienen handeln. Der Leiter weist dabei bei einem Gleichspannungsnetz mindestens zwei Teile auf, zwischen denen die Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes anliegt.

Durch den Betrag der Gleichspannung lässt sich auf einfache Weise der Zustand des Gleichspannungsnetzes beschreiben.

Liegt beispielsweise ein Überangebot an erzeugter Energie vor oder weisen die Energiespeicher, die mit dem Gleichspannungs netz verbunden sind, einen hohen Füllstand (SoC State of Charge) auf, so steigt die Netzspannung. Das geschieht dadurch, dass der Steller die Gleichspannung im Gleichspan nungsnetz anhebt. Damit wird beispielsweise der Zustand aus gedrückt, dass das Netz eine gute Abgabefähigkeit von Energie und Leistung aufweist. Andererseits soll durch eine niedrige Gleichspannung ausgedrückt werden, dass die Abgabefähigkeit von elektrischer Energie beschränkt ist. Die elektrischen Verbraucher können auf diese Zustände durch ein angepasstes Betriebsverhalten angemessen darauf reagieren.

Eine hohe Gleichspannung zeigt den Energiequellen, dass sie ihre erzeugte Leistung reduzieren können oder den Energie speichern, dass sie Energie aus dem Netz aufnehmen sollen. Alternativ oder ergänzend kann ein hoher Füllgrad der Ener giespeicher auch durch eine hohe Spannung im Gleichspannungs netz ausgedrückt werden. Dies zeigt den Quellen an, ihre er zeugte Leistung zu reduzieren, um das Netz vor Ausfall durch ein Überangebot von elektrischer Energie zu schützen.

Denkbar sind auch ein erster oberer Schwellwert, bei dem die Energiespeicher Energie aufnehmen sollen und ein darüber lie gender zweiter oberer Schwellwert, bei dem die Energieerzeu ger ihre erzeugte Leistung (evtl, zu Lasten des Wirkungsgra des) reduzieren. Das gleiche gilt für ein zu geringes Angebot an elektrischer Energie. Ab einem ersten unteren Schwellwert werden die Energieerzeuger dazu aufgefordert, ihre erzeugte Leistung zu erhöhen und ab einem unteren zweiten Schwellwert speisen die Energiespeicher elektrische Energie in das Ener gieverteilungsnetz ein. Dabei kann der erste untere Schwell wert kleiner oder größer sein als der zweite untere Schwell wert. Darüber hinaus kann auch ein weiterer unterer Schwell wert eingeführt werden, bei dem die elektrischen Verbraucher ihre aufgenommene Leistung reduzieren.

Auf eine übergeordnete Steuerung/Regelung kann verzichtet werden, die dafür sorgt, dass den Verbrauchern hinreichend elektrische Energie zur Verfügung steht und das Gleichspan nungsnetz vor Überlastung schützt. Jede elektrische Komponen te des Gleichspannungsnetzes, sei es Verbraucher, Erzeuger oder Speicher ist durch die Höhe der Netzspannung über den Zustand des DC Netzes informiert und kann so gezielt zur Sta bilität des DC Netzes beitragen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich aufgrund des Zustands des Gleichspannungsnetzes das Betriebsverhalten der elektri- sehen Komponenten ändert. Die Information über einen oder mehrere Zustände im Gleichspannungsnetz kann dazu genutzt werden, Schutzeinrichtungen zu aktivieren oder das Betriebs verhalten zu optimieren. Beispielsweise können dadurch Ener giespeicher optimal genutzt werden und/oder die Lebensdauer der aller oder zumindest eines Teils der elektrischen Kompo nenten zu erhöhen. Ebenso ist es beispielsweise in einer Pro duktion möglich, den Output an produzierten Einheiten zu ma ximieren .

Durch die vorgeschlagene Vorrichtung bzw. durch das vorge schlagene Verfahren ist es möglich, einen sicheren Schutz des Gleichspannungsnetzes zu erreichen und gleichzeitig die Ver sorgungssicherheit der elektrischen komponenten zu erhöhen.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des vorgeschlagenen Gleichspannungsnetzes für einen Windpark mit einer Vielzahl von Windenergieanlagen. Erreicht das Gleichspannungsnetz, über das die einzelnen Windenergieanlagen miteinander verbun den sind, seine Kapazitätsgrenze, so kann dies über Variation der Spannung den einzelnen Windenergieanlagen mitgeteilt wer den, die dann auf Grundlage dieser Information ihre einge speiste Leistung beispielsweise durch die Verstellung ihrer Flügel (Pitchverstellung) reduzieren. Ebenso kann ein sich abzeichnender zukünftiger kritischer Netzzustand, beispiels weise aufgrund von Windprognosen bereits als Zustand des Gleichspannungsnetzes berücksichtigt werden und über die Gleichspannung an die Windenergieanlagen übertragen werden. Diese Kommunikation ist sehr sicher und eignet sich insbeson dere für den Schutz von Windenergieanlagen, die aufgrund ih res hohen Gefährdungspotentials im Fehlerfall hohe Anforde rungen an eine sicher Übertragen von Daten haben.

Ebenso ist die Anwendung des Gleichspannungsnetzes in einem Fahrzeug besonders vorteilhaft, da auch dort eine sichere Kommunikation sichergestellt werden kann und ein sicherer Be trieb des Fahrzeugs realisiert werden kann. Ebenso kann bei spielsweise durch Anpassung des Betriebsverhaltens wie bei- spielsweise seines Beschleunigungsvermögens, die Ausnutzung der Energiespeicher und damit die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden.

Der Steller kann als DC/DC Steller ausgebildet sein, um eine vorhandene Gleichspannung in eine variable Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes umzuwandeln. Allerdings ist es alterna tiv oder ergänzend auch möglich, das Gleichspannungsnetz aus einem Wechselspannungsnetz wie einem Energieversorgungsnetz oder einem Drehstromgenerator zu versorgen. In diesem Fall kommt dann ein Stromrichter, auch als AC/DC Steller bezeich net, zum Einsatz. Ebenso ist es möglich, eine Kombination aus DC/DC Steller und Stromrichter vorzusehen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt eine der elektrischen Komponenten eine Schutzeinrichtung des Gleichspannungsnetzes dar. Für eine Schutzeinrichtung eignet sich die Kommunikation über den Zustand des Gleichspannungs netzes besonders, da diese Kommunikation sehr sicher ist. Der Zustand wird beim Betrieb dauerhaft übermittelt und ist im Vergleich zu Datenübertragungen auch unempfindlich gegenüber Störungen. Und bei Ausfall der Gleichspannung, d.h. der Kom munikation, wird im Gleichspannungsnetz keine Energie mehr verteilt und die elektrischen Komponenten gehen dadurch in den sicheren Zustand über.

Bekannte Datenübertragungen unterliegen gerade im industriel len Umfeld mit beispielsweise Stromrichtern als elektrische Verbraucher einem hohen Maß an elektromagnetischen Störgrö ßen. Bei der Realisierung von Datenübertragungen, beispiels weise in Form eines Bussystems müssen Maßnahmen zur Sicherung gegenüber diesen Störungen ergriffen werden. Zudem muss auch ein sicherer Betrieb bei Ausfall der Datenleitung realisier bar sein. Dies ist bei der vorgeschlagenen Lösung bereits konstruktiv erreicht, da mit Ausfall der Gleichspannung auch die Versorgung der elektrischen Verbraucher sicher unterbro chen ist. Bei der Schutzeinrichtung kann es sich beispielsweise um ei nen Bremswiderstand handeln, der überschüssige Energie des Gleichspannungsnetzes in Wärme umwandelt. Das Ansteuern, auch Aktivieren, des Bremswiderstandes kann besonders einfach und damit sicher mittels eines Komparators geschehen, der die Gleichspannung im Gleichspannungsnetz mit einem Grenzwert vergleicht. Wird der Grenzwert Überschritten oder Unter schritten kann die Schutzeinrichtung, beispielsweise der Bremssteller, aktiviert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzeinrichtung in einem Abstand von mehr als 10m, insbesondere in einem Abstand von mehr als 100m, zu den übri gen elektrischen Komponenten angeordnet. Durch die Kommunika tion über die Versorgungsspannung kann die Kommunikation auch über weite Strecken sicher erfolgen. Insbesondere kann die Schutzeinrichtung, beispielsweise zur Verbesserung der Küh lung, außerhalb eines Gebäudes angeordnet sein. Beispielswei se kann ein Bremswiderstand in einem flüssigen Kühlmedium an geordnet sein, so dass eine gute Wärmeabgabe an die Umgebung gewährleistet ist. Gerade auch die einfache Ansteuerbarkeit, beispielsweise wie oben beschrieben mittels eines Kompara tors, erlaubt die Anordnung in einem flüssigen Kühlmedium.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die elektrischen Komponenten, einen Energiespeicher und einen elektrischen Verbraucher umfassen. Gerade für den Fall, bei dem Energiespeicher und Verbraucher, sowie gegebe nenfalls auch noch Energiequellen Zusammenwirken, kann ein Austausch über den Energieinhalt der Energiespeicher vorteil haft sein, um das Betriebsverhalten zu optimieren und ein Leerlaufen der Energiespeicher zu verhindern.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Gleichspannung mit steigendem Füllgrad der Energie speicher angehoben. Der Füllgrad eines Energiespeichers wird oftmals als SoC (State of Charge) angegeben. Es kann über den Füllgrad aller im Gleichspannungsnetz befindlicher Energie- Speicher ein mittlerer Füllgrad ermittelt werden. Dieser Mit telwert kann dabei noch mit der durch den entsprechenden Energiespeicher speicherbaren Energiemenge gewichtet werden. Je höher dieser Wert ist desto höher wird die Gleichspannung im Netz gesteuert oder geregelt. Den elektrischen Verbrau chern wird mit der hohen Gleichspannung die hohe Leistungsfä higkeit des Gleichspannungsnetzes gezeigt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird wobei die Gleichspannung mit sinkender Auslastung der Energiequellen angehoben. Je geringer die Auslastung der Energiequellen ist, desto größer ist die Fähigkeit, Leistung in das Gleichspannungsnetz zu liefern. Unter Auslastung der Energiequelle ist das Verhältnis von eingespeister Leistung zu maximal einspeisbarer Leistung der entsprechenden Energie quelle gemeint. Somit wird bei einer niedrigen Auslastung der Energiequellen der Betrag der Spannung heraufgesetzt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Überschreiten eines ersten Grenzwertes ein Teil der Energiequellen des Gleichspannungsnetzes abgeschaltet. Hier bei handelt es sich um eine Maßnahme, wie die Information über den Zustand des Gleichspannungsnetz vorteilhaft für den Betrieb des Gleichspannungsnetzes genutzt werden kann. Wenn die Lieferfähigkeit von elektrischer Leistung derart groß ist, dass diese einen ersten Grenzwert überschreitet, können einzelne Energiequellen abgeschaltet werden. Dies ist unter anderem auch dann möglich, wenn die Energiespeicher einen ho hen Füllgrad, beispielsweise oberhalb von 80%, aufweisen. Durch das Abschalten von Energiequellen wird das Gleichspan nungsnetz wirtschaftlich betrieben, da mit höherer Auslastung der Energiequellen auch oftmals ein höherer Wirkungsgrad ver bunden ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Unterschreiten eines zweiten Grenzwertes zumindest ein Teil der Energiespeicher entladen. Wenn die Gleichspan nung niedrig ist und unter einen zweiten Grenzwert abfällt, lässt das darauf schließen, dass das Angebot an Leistung von den Energiequellen nicht ausreicht, um den Bedarf der elek trischen Verbraucher zu decken. In diesem Fall ist es vor teilhaft, die Energiespeicher zu entladen und damit den elektrischen Verbrauchern zusätzlich Energie im Gleichspan nungsnetz bereitzustellen. Dies wirkt sich stabilisierend auf das Zusammenspiel von Energiequellen und elektrischen Ver brauchern aus .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Unterschreiten eines dritten Grenzwertes ein Teil der elektrischen Verbraucher mit reduzierter Leistung betrie ben oder abgeschaltet. Wenn die gelieferte Leistung hinter dem Bedarf der Verbraucher zurückbleibt und auch schon die Energiequellen mit einer hohen Auslastung von beispielsweise mehr als 90% oder sogar 100% betrieben werden, dann ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Verbraucher diesen Zustand anhand des Betrages der Gleichspannung erkennen und ihre Leistung reduzieren. Sollte das nicht ausreichen, können die se, beispielsweise bei Unterschreiten eines weiteren Grenz wertes, auch abgeschaltet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 ein Gleichspannungsnetz,

FIG 2 den Zusammenhang zwischen Füllgrad des Energiespei chers und erstem Spannungsanpassungsfaktor und FIG 3 den Zusammenhang zwischen Auslastung der Energiequel len und zweitem Spannungsanpassungsfaktor.

Die FIG 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Gleichspan nungsnetz 1. Dieses weist eine oder mehrere Energiequellen 3, und elektrische Verbraucher 5 auf. Zusätzlich kann das

Gleichspannungsnetz 1 auch Energiespeicher 4 und eine Schutz eirichtung 7 aufweisen. Die Gleichspannung Ui des Gleichspan nungsnetzes 1 ist variabel und liegt zwischen den beiden Tei- len 61, 62 des Leiters 6 an, der die einzelnen elektrischen

Komponenten 3, 4, 5, 7 miteinander verbindet. Diese Gleich spannung Ui kann durch den Steller 2 angepasst, d.h. vari iert, werden, um den Zustand des Gleichspannungsnetzes 1 zu beschreiben. Gespeist wird der Steller 2 aus einer Spannungs quelle 10 mit einer Spannung U2. Bei der Spannungsquelle han delt es sich um eine Energiequelle, die über den Steller 2 die Gleichspannung Ui im Gleichspannungsnetz 1 vorgibt. Diese Spannungsquelle 10 kann beispielsweise durch ein Energiever sorgungsnetz gebildet werden, dem Energie zur Speisung der elektrischen Verbraucher 5 entnommen wird oder in das Energie von Windenergieanlagen eingespeist wird. Ebenso kann es sich um einen Generator eines Fahrzeugs handeln.

Die FIG 2 zeigt ein Diagramm für die Anpassung der Gleich spannung Ui in Abhängigkeit vom Füllgrad SoC des Energiespei chers 4. Je voller der Energiespeicher 4, desto höher der erste Spannungsanhebungsfaktor . Die Gleichspannung Ui ergibt aus der Spannung U2 der Spannungsquelle 10 durch Mul tiplikation mit dem ersten Spannungsanpassungsfaktor zu

U1 — U ₂ ct .

Dabei kann der Zusammenhang zwischen Füllgrad SoC und erstem Spannungsanpassungsfaktor linear sein, kann aber auch durch jede andere monotone Funktion gebildet werden.

Die FIG 3 zeigt ein Diagramm für die Anpassung der Gleich spannung Ui in Abhängigkeit von der Auslastung a der Energie quellen 3. Je geringer die Auslastung der Energiequellen, desto höher der zweite Spannungsanhebungsfaktor ß. Die

Gleichspannung Ui ergibt aus der Spannung U2 der Spannungs quelle 10 durch Multiplikation mit dem zweiten Spannungsan passungsfaktor ß zu u ₁ = u ₂ ·b. Dabei kann der Zusammenhang zwischen Auslastung a und zweitem Spannungsanpassungsfaktor ß linear sein, kann aber auch durch jede andere monotone Funktion gebildet werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn über einen bestimmten Bereich der Aus lastung a der zweite Spannungsanpassungsfaktor ß konstant ist .

Wird sowohl ein erster als auch ein zweiter Spannungsanpas sungsfaktor durch Einbeziehung des Füllgrades SoC und der Auslastung a verwendet, so ergibt sich die Gleichspannung Ui aus der Spannung U2 der Spannungsquelle 10 durch Multiplika tion mit dem ersten Spannungsanpassungsfaktor und dem zwei ten Spannungsanpassungsfaktor ß zu

U ₁ = U ₂ - cc ß .

Die einzelnen Werte cg, cg, ßi, ß2 des ersten und zweiten Spannungsanpassungsfaktors ergeben sich durch die Auslegung des Gleichspannungsnetzes 1. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch die Werte cg, cg, ßi, ß2 das Gleichspannungsnetz 1 weder spannungsmäßig noch strommäßig überlastet wird.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Gleichspannungs netz, wobei das Gleichspannungsnetz mit einer Gleichspannung betreibbar ist. Zur Verbesserung des Gleichspannungsnetzes wird vorgeschlagen, dass das Gleichspannungsnetz einen Stel ler aufweist, mit dem die Gleichspannung des Gleichspannungs netzes variierbar ist, wobei der Betrag der Gleichspannung vom Zustand der Energiequellen und/oder der Energiespeicher und/oder der elektrischen Verbraucher abhängt. Ferner be trifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derar tigen Gleichspannungsnetzes, wobei die Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes in Abhängigkeit vom Zustand der Ener giequellen und/oder der Energiespeicher und/oder der elektri schen Verbraucher gesteuert oder geregelt wird.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein Gleichspan nungsnetz aufweisend elektrische Komponenten, die mittels ei- nes Leiters miteinander elektrisch verbunden sind, wobei das Gleichspannungsnetz mit einer Gleichspannung zwischen Teilen des Leiters betreibbar ist. Zur Verbesserung des Gleichspan nungsnetzes wird vorgeschlagen, dass das Gleichspannungsnetz einen Steller aufweist, mit dem die Gleichspannung des

Gleichspannungsnetzes derart variierbar ist, dass der Wert der Gleichspannung von mindestens einem Zustand des Gleich spannungsnetzes abhängt und eine Information über den Zustand mittels der Gleichspannung an die elektrischen Komponenten des Gleichspannungsnetzes übertragen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Windpark mit einem derartigen Gleichspan nungsnetz mit Windenergieanlagen. Die Erfindung betrifft wei ter ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gleichspan nungsnetzes oder eines derartigen Windparks, wobei die

Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes in Abhängigkeit von einem Zustand des Gleichspannungsnetzes gesteuert oder gere gelt wird.