Elektrisches Energieversorgungsnetz und dessen Betrieb

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungs netz und dessen Betrieb. Das elektrische Energieversorgungs netz ist beispielsweise ein Inselnetz.

Das elektrische Energieversorgungsnetz kann insbesondere stets überwiegend, oft oder nur selten, ein Inselnetz sein bzw. als Inselnetz betrieben sein. Inselnetze gibt es bei spielsweise auf Schiffen, U-Booten, Bohrinseln oder in Kran kenhäusern, etc. Als Energiequelle eines elektrischen Ener gieversorgungsnetzes kann eine Batterie vorgesehen sein, wel che geladen und entladen werden kann.

Auf Schiffen, besonders U-Booten, welche ihre Energien insbe sondere aus mehreren (Teil- ) Batterien beziehen, gibt es die Anforderung, den Ladezustand der einzelnen Teilbatterien auf demselben Spannungslevel zu halten. Ein Potenzialunterschied zwischen den einzelnen, mindestens zwei Teilbatterien kann ein gewünschtes Zuschalten einer ersten Teilbatterie zu einer zweiten Teilbatterie verhindern. Um Potentialunter schiede zu verhindern, um also die Spannungslevels der Teil batterien gleich zu halten, gibt es die Möglichkeit die zu mindest zwei Teilbatterien durch einen Leistungsschalter zu kuppeln. Ferner können Verbraucher im elektrischen Energie versorgungsnetz über Dioden entkoppelt an Teilbatterien an geschlossen werden. Damit wird die benötigte Leistung immer aus der Teilbatterie gezogen, welche die höhere Spannung hat. Damit erfolgt nach einer gewissen Zeit immer eine An gleichung der Ladezustände. Anstelle von Batterien oder zur Ergänzung können als Energiespeicher im Inselnetz auch Brenn stoffzellen-Kondensatoren wie Supercaps oder andere Speicher für elektrische Energie verwendet werden. Auch hier ist ein Ausgleich von Energieniveaus wünschenswert. Aus der DE 10 2007 053 229 Al ist ein U-Boot-Gleichstromnetz für ein U-Boot mit Hochleistungsenergiespeichern bekannt, welches zwei Teilnetze aufweist, die über eine Netzkupplung miteinander verbindbar oder verbunden sind, wobei jedes der Teilnetze zumindest einen Generator zur Erzeugung elektri scher Energie, zumindest eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor zum Antrieb eines Propellers des U-Bootes aufweist, wobei die Batterie mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen um fasst, die wiederum aus jeweils mehreren Strängen aus in Rei he geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen bestehen, wobei in jeden der Stränge jeweils ein stroman- stiegsbegrenzendes Schutzelement geschaltet ist und/oder in Reihe zu jeder der Batteriegruppen jeweils ein Batteriegrup penschalter geschaltet ist, und wobei ein stromanstiegs- begrenzendes Schutzelement für die Summenkurzschlussströme mehrerer Batteriegruppen vorhanden ist.

Aus der DE 10 2004 036 727 Al ist eine elektrische Maschine mit einer in Nuten montierten Wicklung, die zwei galvanisch voneinander getrennte, als Zweischicht-Stabwicklung ausge führte Wicklungssysteme aufweist bekannt, wobei die Wick lungssysteme in den Nuten der elektrischen Maschine derart übereinander geschichtet sind, dass jede Nut vier Leiter auf weist, und jedes Wicklungssystem genau einem eigenen Versor gungssystem zugeordnet ist.

Aus der DE 10 2004 036 728 Al ist ein Ständer für eine zwei polige elektrische Drehfeldmaschine mit einer Anzahl k galva nisch voneinander getrennter mehrphasiger Wicklungssysteme, wobei k größer oder gleich 2 ist und jedes Wicklungssystem die gleiche Anzahl an Strängen aufweist und jedes Wicklungs system derart über den Ständer der Maschine verteilt ist, dass es eine im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Ständers verteilte Drehdurchflutung aufbaut.

Aus der DE 10 2008 022 077 Al ist eine Schaltung zur Speisung einer Antriebsmaschine mit mehreren, vorzugsweise zwei Wiek- lungssystemen, insbesondere Drehstrom-Wicklungssystemen, be kannt, wobei jedem Wicklungssystem ein eigener Umrichter, vorzugsweise ein pulsweitenmodulierter Drehstrom-Umrichter mit Spannungszwischenkreis und einem vorgeschalteten Dioden- Gleichrichter, zugeordnet ist, wobei wenigstens ein Umrichter eingangsseitig mit verschiedenen, nicht synchronisierten Spannungsnetzen verbindbar ist.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es ein elektrisches Energie versorgungsnetz anzugeben, bei welchem bei Energiespeichern ein Ausgleich der Energieniveaus und/oder Spannungsniveaus ermöglicht ist.

Eine Lösung der Aufgabe gelingt beispielsweise bei einem elektrischen Energieversorgungsnetz nach Anspruch 1 bzw. bei einem Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energieversor gungsnetzes nach Anspruch 7. Jeweilige Ausgestaltungen erge ben sich insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 6 bzw. 8 bis 15.

Ein elektrisches Energieversorgungsnetz weist einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher auf. Ener giespeicher können beispielsweise Batterie, Brennstoffzelle, Kondensator, insbesondere Supercaps, sein. Das elektrische Energieversorgungsnetz weist eine elektrische Maschine mit einem ersten Wicklungssystem und einem zweiten Wicklungssys tem auf, wobei das erste Wicklungssystem mit dem ersten Ener giespeicher elektrisch verbindbar ist. Hierfür ist beispiels weise eine erste Schalteinrichtung (mechanisch und/oder mit Halbleiter) vorgesehen. Das zweite Wicklungssystem ist mit dem zweiten Energiespeicher elektrisch verbindbar. Hierfür ist beispielsweise eine zweite Schalteinrichtung (mechanisch und/oder mit Halbleiter). Das elektrische Energieversorgungs netz ist insbesondere ein Inselnetz. Insbesondere ist mittels des ersten Wicklungssystems der elektrischen Maschine ein erster Teilmotor der elektrischen Maschine ausgebildet und mittels des zweiten Wicklungssystem der elektrischen Maschine ein zweiter Teilmotor der elektrischen Maschine ausgebildet. Weist der Energiespeicher eine Batterie auf, kann diese meh rere Teilbatterien aufweisen. Die Batterie kann also auch mo dular aufgebaut sein. Das elektrische Energieversorgungsnetz weist insbesondere ein Fahrnetz auf, welches für ein Schiff oder ein U-Boot vorgesehen ist. Das Fahrnetz weist insbeson dere ein erstes Fahrteilnetz und ein zweites Fahrteilnetz auf. Ein Potenzialunterschied zwischen den einzelnen, min destens zwei Fahrteilnetzen kann ein Zuschalten der Fahrteil netze zueinander verhindern und/oder erschweren. Insbeson dere weist dabei das erste Fahrteilnetz den ersten Energiespeicher auf und das zweite Fahrteilnetz den zweiten Energiespeicher oder ist diesem jeweils zuge ordnet .

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes erfolgt ein Ausgleich von Batterieladezuständen bei ungekuppelten Batterien (Teilbatterien) , beispielsweise auf einem U-Boot oder einem Schiff. Ein Motor welcher zumindest zwei Teilmotoren aufweist und beispielsweise in einem U-Boot als Antriebsmotor fungiert, kann durch unterschiedliche Leistungsaufnahme der Teilmotoren das Niveau der Ladezustän de der Teilbatterien gleich halten. Dabei werden beispiels weise die Spannungen der Teilmotoren gemessen und die Diffe renz einem Ausgleichsregler zugeführt. Der Ausgang des Aus gleichsreglers wird beispielsweise mit dem Ausgang des Dreh zahlreglers addiert und dieser Sollwert dem Teilmotor, wel cher an der höheren Spannung liegt, zugeführt. Beim anderen Teilmotor, welcher an der niedrigeren Spannung liegt, wird der Ausgang des Ausgleichreglers vom Drehzahlregler subtra hiert und als Sollwert diesem Teilmotor zugeführt. So kann die Gesamtleistung an der Propellerwelle erhalten bleiben, nur die Leistungsaufnahme der Teilmotoren ist unterschied lich. Der Motor, insbesondere der als Antriebsmotor für einen Propeller genutzte Motor, kann auch mehr als zwei Teilmotoren und/oder mehr als zwei Teilbatterien aufweisen.

Sind Teilbatterien mittels eines Leistungsschalters gekuppel te, kann es im Kurzschlussfall in einem Teilsystem zu einem Spannungseinbruch nahe Null im Gesamtsystem kommen. Dies kann dazu führen, dass Verbraucher abgeschaltet werden. Nach dem der Leistungsschalter das nicht vom Kurzschluss be troffene Netz (Teilnetz) abgeschaltet hat und die Spannung im fehlerfreien Netz wiederkehrt, müssen die Verbraucher des fehlerfreien Netzes entweder automatisch durch eine soge nannte Black-Out-Automatik oder hündisch wieder zugeschaltet werden. Ist in diesem Fall, bei sehr hohen Kurzschlussströ men, konzeptbedingt zusätzlich zum Kuppelschalter noch eine Sicherung eingebaut werden, können die Netze auch nach Be seitigung des Kurzschlussfalles nicht mehr gekuppelt werden, solange diese Sicherung nicht ausgetauscht wurde. So eine Sicherung weist beispielsweise mehrere verschraubte NH- Sicherungseinsätze auf. Durch die Verbindbarkeit des ersten Energiespeichers mit dem ersten Wicklungssystem und dem zwei ten Energiespeicher mit dem zweiten Wicklungssystem kann das beschriebene Problem behoben werden.

Sind Verbraucher im elektrischen Energieversorgungsnetz über Dioden entkoppelt an Teilbatterien angeschlossen verringert sich das Problem eines Kurzschlussfalles. Über die Dioden wird die benötigte Leistung immer aus der Teilbatterie gezo gen, welche die höhere Spannung hat. Somit kann das Problem, dass es im Kurzschlussfall zu einem Spannungseinbruch des Gesamtsystems kommt umgangen werden. Allerdings fließt über die Dioden immer der komplette Verbraucherstrom, was zu ei nem Leistungsverlust über die Dioden und damit zu einem schlechteren Gesamtwirkungsgrad beispielsweise einer Fahranlage eines Schiffes oder U-Bootes führt. Zusätzlich führt dieser Leistungsverlust zu einer Wärmebildung, welche wiederum rückgekühlt werden muss, was wiederum zusätzliche Energie kostet.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes mit zumindest zwei Wicklungssystemen und den zumindest zwei Energiespeichern ist es beispielsweise möglich, Teilbat terien nicht gekuppelt zu fahren, wie auch einen Verbrau cher oder eine Vielzahl von Verbrauchern nicht über Dioden an beide Teilbatterien anzuschließen, um die Sicherheit des Systems zu verbessern. Dies führt einerseits dazu, dass im Kurzschlussfall nur das betroffene Netz einen Spannungsein bruch hat und anderseits, dass es zu keinen zusätzlichen Verlusten beispielsweise in der Fahranlage kommt. Dies kann die Gesamtfahranlage sowohl sicherer als auch effizienter machen .

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes ist der erste Energiespeicher mit dem zweiten Energie speicher elektrisch trennbar oder elektrisch verbindbar.

Hierfür ist insbesondere zumindest eine Schalteinrichtung (mechanisch und/oder mit Halbleiter) vorgesehen.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes weist dieses ein erstes Teilnetz und ein zweites Teil netz auf. Insbesondere weist dabei das erste Teilnetz einen ersten DC-Bus aufweist, wobei das zweite Teilnetz einen zwei ten DC-Bus aufweist, wobei der erste DC-Bus und der zweite DC-Bus miteinander direkt (gleiche Spannungsebene) koppelbar sind .

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes weist das erste Teilnetz den ersten Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie auf und das zweite Netz werk den zweiten Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie auf.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes weist dieses eine Ausgleichseinrichtung zur Verände rung der Energiespeicherzustände und/oder Ladezustände, des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers auf .

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes weist die Ausgleichseinrichtung einen Ausgleichsregler auf, wobei ein Ausgangssignal des Ausgleichsreglers mit einem drehzahlabhängigen Ausgangssignal eines weiteren Reglers ge- koppelt ist und der gekoppelte Wert einer Regelung zur

Bestromung des ersten Wicklungssystems und/oder des zweiten Wicklungssystems zugeführt ist.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs netzes ist dem ersten Wicklungssystem der erste Energiespei cher zugeordnet und dem zweiten Wicklungssystem der zweite Energiespeicher zugeordnet. Insbesondere sind einer Vielzahl von Wicklungssystemen/Teilmotoren eine Vielzahl von Energie speichern zugeordnet.

In einem Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energiever sorgungsnetzes, welches einen ersten Energiespeicher, bei spielsweise eine Batterie, eine Brennstoffzelle, etc., und einen zweiten Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, eine Brennstoffzelle, etc., aufweist, wobei das elektrische Energieversorgungsnetz eine elektrische Maschine mit einem ersten Wicklungssystem und einem zweiten Wicklungssystem auf weist, wird durch unterschiedliche Leistungsaufnahme der Wicklungssysteme das Energieniveau der Energiespeicher, ab hängig vom Energiespeicher, verändert.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Ausgleichs einrichtung zur Veränderung der Energiespeicherzustände, ins besondere der Ladezustände, des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers verwendet, wobei die Ausgleichseinrichtung einen Ausgleichsregler aufweist.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Ausgang des Ausgleichsreglers mit dem Ausgang eines Drehzahlreglers der elektrischen Maschine addiert und dieser Additionswert als ein Sollwert, ggf. einer von vielen Sollwerten eines Teilmo tors bzw. eines Wicklungssystems, einer Regelung der elektri schen Maschine zugeführt.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Sollwert dem Teilmotor zugeführt, welcher an der höheren Spannung liegt. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einem Teilmo tor der elektrischen Maschine der Ausgang des Ausgleichsreg lers vom Ausgang des Drehzahlreglers der elektrischen Maschi ne subtrahiert und dieser Subtraktionswert als ein Sollwert verwendet .

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einem Teilmo tor der elektrischen Maschine, welcher an einer niedrigeren Spannung liegt, als ein anderer Teilmotor der elektrischen Maschine, der Ausgang des Ausgleichsreglers vom Ausgang des Drehzahlreglers der elektrischen Maschine subtrahiert und dieser Subtraktionswert als ein Sollwert dem Teilmotor der elektrischen Maschine, der an der niedrigeren Spannung liegt, zugeführt .

In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Energiespei cher ungekuppelt betrieben.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Energiespei cher in einem Kurzschlussfall voneinander getrennt betrieben.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein elektrisches Energieversorgungsnetz einer der beschriebenen Art verwendet.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles in der Figur exemplarisch erläutert.

Die Figur zeigt ein elektrisches Energieversorgungsnetz 3, mit einem ersten Energiespeicher 11 in einem ersten Teilnetz 1 und einem zweiten Energiespeicher 12 in einem zweiten Teil netz 2. Eine Ausgleichseinrichtung 30 ist zur Veränderung der Energiespeicherzustände des ersten Energiespeichers 11 und des zweiten Energiespeichers 12 vorgesehen. Die Ausgleichs einrichtung 30 weist als ein erstes Eingangssignal 31 die Istspannung U _Mo tori eines ersten Wicklungssystems eines ersten Teilmotors auf und als ein zweites Eingangssignal 32 die Ist spannung U _Mo tor2 eines zweiten Wicklungssystems eines zweiten Teilmotors auf. Die Spannungen werden subtrahiert und einem Reglerglied zugeführt. Die Ausgleichseinrichtung 30 weist als ein drittes Eingangssignal 33 einen Drehzahlistwert n _actuai und als ein viertes Eingangssignal 34 einen Drehzahlsollwert n _set- point auf. Auch diese Werte werden subtrahiert und einem wei teren Reglerglied zugeführt. Die Ausgänge der Reglerglieder werden miteinander verknüpft, um einen ersten Drehzahlsoll wert 35 (M _setpoint) für einen ersten Stromrichter 37 für das erste Wicklungssystem für einen ersten Motor zu erhalten. Die Ausgänge der Reglerglieder werden ferner miteinander ver knüpft, um einen zweiten Drehzahlsollwert 36 (M _se tpoint) für einen zweiten Stromrichter 38 für ein zweites Wicklungssystem für einen zweiten Motor zu erhalten.