Elektrisches EnergieversorgungsSystem

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungs system, welches insbesondere in einem Inselnetz eingesetzt ist bzw. wird. Ein Beispiel für ein Inselnetz ist ein Schiff, eine Bohrinsel, eine pro Plattform, etc.

Zur elektrischen Energieversorgung im Inselnetz ist bei spielsweise zumindest ein Diesel (Dieselmotor) und/oder eine Gasturbine vorgesehen, mittels derer ein elektrischer Genera tor antreibbar ist. Der elektrische Generator ist beispiels weise ein Asynchrongenerator oder ein Synchrongenerator. Ein Synchrongenerator kann fremderregt oder eigenerregt sein. Ei ne permanent erregte Synchronmaschine ist eine eigene erregte Maschine. Die Synchronmaschine kann sowohl als Generator wie auch als Motor verwendet werden. Dies gilt auch für die Asyn chronmaschine. In einem Inselnetz und kann die elektrische Energie über einen Gleichspannungsbus verteilt bzw. übertra gen werden. Der Gleichspannungsbus kann mittels zumindest ei nes Gleichrichters gespeist werden. Der oder die Gleichrich ter erhalten die elektrische Energie von dem einen bzw. den mehrere Generatoren, welche beispielsweise mittels eines Die sels oder einer Gasturbine antreibbar sind.

Das elektrische Energieversorgungsystem kann beispielsweise bezüglich der Herstellungskosten und/oder bezüglich des Ge wichts und/oder bezüglich der Betriebssicherheit verbessert werden. In diesem Zusammenhang kann nach einem oder mehreren Gleichrichtern für Asynchronmaschinen / Synchronmaschinen ge sucht werden. Dieser Gleichrichter sollte insbesondere bei unterschiedlichen Dieselmotordrehzahlen eine konstante Zwi schenkreisspannung ermöglichen. Die unterschiedlichen Diesel motordrehzahlen werden benötigt, um den Dieselmotor auch bei Teillast in einem Drehzahlbereich mit optimaler Verbrauchs kurve zu fahren. Ein derartiges Problem kann insbesondere bei dieselelektrischen Schiffsantrieben mit Gleichspannungszwi- schenkreis auftreten.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes System zur elektrischen Energieversorgung aufzuzeigen wobei dies insbe sondere ein Inselnetz, insbesondere ein elektrisches Energie versorgungssystem auf einem Schiff betrifft.

Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einem elektrischen Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 bzw. bei einem Ver fahren zum Betrieb eines elektrischen Energieversorgungssys tems nach Anspruch 12. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich beispielsweise gemäß der Ansprüche 2 bis 11 bzw. nach Anspruch 13.

Ein elektrisches Energieversorgungssystem, insbesondere für ein Inselnetz, wobei ein Schiff ein Inselnetz aufweist, weist einen Gleichspannungsbus aufweist, wobei der Gleichspannungs bus segmentierbar, bzw. segmentiert ist, wobei ein erster Gleichrichter und ein zweiter Gleichrichter zur Speisung des Gleichspannungsbusses vorgesehen sind. Der erste Gleichrich ter ist ein Diodengleichrichter und der zweite Gleichrichter ist ein schaltbarer Gleichrichter, weist also schaltbare Leistungshalbleiter auf. Der Diodengleichrichter weist Dio- den-Leistungshalbleiter auf. Schaltbare Leistungshalbleiter sind beispielsweise IGBTs oder Thyristoren. Der Gleichspan nungsbus weist zwei Segmente auf, also insbesondere zumindest zwei Segmente, wobei insbesondere eines der Segmente (31,32,33) nur eine Einspeisung (21,22,23,24,25) aufweist, wobei diese eine Einspeisung eine externe Einspeisung ist. Eine externe Einspeisung ist beispielsweise eine aus einem Verbundnetz oder eine Einspeisung von einer schwimmenden Ein richtung. Diese schwimmende Einrichtung ist örtlich getrennt vom Gleichspannungsbus bzw. örtlich von einer Einrichtung ge trennt, auf welcher sich der Gleichspannungsbus befindet. Ein weiteres Beispiel einer externen Einspeisung ist eine Hafen stromversorgung für ein Schiff. Insbesondere können Segmente des Gleichspannungsbusses getrennt und/oder (bzw.) verbunden werden. Hierfür sind insbesondere Schalter vorgesehen. Ein Schalter kann z.B. mechanisch, mittels eines Leistungshalb leiters und/oder in einer hybriden Art (mechanisch und mit einem Leistungshalbleiter) ausgeführt sein. Zwei Segmente des Gleichspannungsbusses weisen jeweils zumindest eine Einspei sung auf. So können Teile des Gleichspannungsbusses getrennt voneinander betrieben werden. Insbesondere kann auch getrennt eine Einspeisung erfolgen. Beispielsweise kann in nur ein Segment eingespeist werden, wobei ein anderes Segment span nungslos ist, also keine Einspeisung erfolgt. Dies kann bei spielsweise bei Schiffen, die im Hafen oder vor Anker liegen vorteilhaft sein. So können beispielsweise Reparaturen oder Wartungsarbeiten durchgeführt werden ohne dass das gesamte Inselnetz spannungslos ist. Auch kann die getrennte elektri sche Versorgung (also die entsprechende Einspeisung) durch wählbare Segmente vorteilhaft sein, wenn eine bestimmte Be triebsart vorliegt. So kann z.B. in einem Hafen ein Schiff mit einem Inselnetz eine Einspeisung über eine Hafenstromver sorgung erhalten. Auch kann z.B. in einem Hafen eine Einspei sung erfolgen, welche auf einem umweltfreundlichen Energie träger basiert, wie dies z.B ein Diesel ist, der mit Schiffs diesel betrieben wird, oder eine Gastrubine, welche mit Gas betrieben wird. Der erste Gleichrichter und der zweite Gleichrichter sind mittels eines Generators speisbar. Die un terschiedlichen Gleichrichter weisen unterschiedliche Vortei le und Nachteile auf. Der Diodengleichrichter ist beispiels weise preisgünstig in der Herstellung. Der schaltbare Gleich richter erhöht die Flexibilität und die technischen Einsatz möglichkeiten.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems weist das elektrische Energieversorgungssystem eine Vielzahl von Generatoren auf, wobei ein erstes Segment des Gleichspannungsbusses mittels eines ersten Generators speis bar ist und ein zweites Segment des Gleichspannungsbusses mittels eines zweiten Generators speisbar ist, wobei ein Schalter zur Segmentierung vorgesehen ist. Zur Segmentierung von zwei Segmenten können auch mehrere Schalter vorgesehen sein. Ein Schalter, insbesondere ein Schalter, welcher Leis tungshalbleiter aufweist, kann für eine schnelle Trennung vorgesehen sein. Ein weiterer dazu seriell geschaltener me chanischer Schalter kann für eine sichere mechanische Tren nung vorgesehen sein. So kann sichergestellt werden, dass verschiedene Segmente sicher getrennt voneinander mit elek trischer Energie versorgt werden können, wobei dazu eine Ein speisung gewählt werden kann, die eine sichere Versorgung von Verbrauchern gewährleistet. Ist ein Verbraucher (z.B. eine Antriebsmaschine für ein Schiff) mit einem hohen Energiebe darf am Gleichspannungsbus aktiv, so kann z.B. eine Einspei sung, welche einen Diodengleichrichter aufweist, aktiv sein. Wird von Verbrauchern beispielsweise nur wenig Energie ge braucht, so kann beispielsweise nur eine Einspeisung aktiv sein (also einspeisen), welche einen Gleichrichter mit schaltbaren Leistungshalbleitern aufweist. So kann das Insel netz effizient betrieben werden.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems weist dieses einen Netzanschluss auf, wobei insbeson dere das Energieversorgungssystem örtlich vom Netzanschluss distanzierbar ist. Dies betrifft insbesondere ein Schiff mit einem Inselnetz, welches in einem Hafen mittels einer Hafen stromversorgung mit elektrischer Energie versorgbar ist und bei Fahrt von der Hafenstromversorgung getrennt und distan ziert ist.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems ist der Generator mittels einer Gasturbine oder mit tels eines Diesels antreibbar. Zum Antrieb des Generators ist folglich insbesondere eine Gasturbine oder ein Diesel vorge sehen. So basiert die Einspeisung für ein Segment bzw. eines Segmentes des Gleichspannungsbusses auf einem Diesel und/oder auf einer Gasturbine. Beispielsweise kann die Einspeisung aber auch auf einer Hafenstromversorgung basieren. Die Hafen stromversorgung ist beispielsweise mit einem Verbundnetz ver bunden oder weist ihrerseits einen Diesel oder eine Gasturbi ne auf. Sowohl der Diesel wie auch die Gasturbine (im Insel- netz und/oder in der Hafenstromversorgung) können in ver schiedenen Betriebszuständen gefahren werden. Diese Betriebs zustände weisen eine unterschiedliche Effizienz auf. Durch den Einsatz von Gleichrichtern unterschiedlichen Typs kann das System auf die unterschiedlichen Betriebszustände bzw. Betriebspunkte von Diesel oder Gasturbine besser eingestellt werden.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems ist der Generator eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine, wobei der Generator eine offene Schaltung aufweist. Durch die Verwendung der offenen Schaltung (kein Standpunkt) ist es möglich an dem gleichen Generator zwei Gleichrichter anzuschließen, ohne diese parallel zu schalten. Vorteilhaft sind dies Gleichrichter unterschiedlichen Typs, also insbesondere ein schaltbarer Gleichrichter und eine Dio dengleichrichter, der nicht schaltbar ist.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems ist der Gleichspannungsbus ein Gleichspannungsbus ei nes Schiffes, wobei über den Gleichspannungsbus ein Motor zum Antrieb eines Schiffes speisbar ist. Ein Schiff weist unter schiedliche Verbraucher auf. Ein Verbraucher ist der Motor bzw. sind die Motoren zum Antrieb einer oder mehrerer Schiffsschrauben. Weiterhin kann beispielsweise die Bordnetz Versorgung als Verbraucher angesehen werden, wobei das Bord netz beispielsweise zur Versorgung der Kombüse der Steue rungselektronik der Klimaanlage, etc. eingesetzt ist. Bei Kreuzfahrtschiffen ist beispielsweise die als Hotellast be- zeichnete Last im Vergleich zur Antriebslast bei Fähren viel größer. Durch die unterschiedlichen Gleichrichter kann auf die entsprechende erwartete Lastverteilung eines speziellen Schiffes reagiert werden.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems sind unterschiedliche Verbraucher über verschiedene Segmente, insbesondere voneinander getrennt, speisbar. Ver braucher sind beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor, eine Klimaanlage, eine Küche, eine Wäscherei, elektrische Be triebsmittel, wie ein Computer, Beleuchtung, etc.. Abhängig vom Zustand und den Betriebsbedingungen des Inselnetzes und dessen Verbraucher kann eine optimierte Speisung des Gleich spannungsbusses erfolgen.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems weist die elektrische Verbindung des Generators mit dem ersten Gleichrichter und/oder mit dem zweiten Gleichrich ter einen Filter auf. Mit diesem Filter kann der Gleichspan nungsbus stabilisiert werden bzw. kann die Qualität der Gleichspannung im Gleichspannungsbus verbessert werden.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems weist der erste Gleichrichter zumindest 1/3 der Leis tung des zweiten Gleichrichters aufweist und der zweite Gleichrichter weist zumindest 1/3 der Leistung des ersten Gleichrichters auf. Dieser Bereich ist insbesondere bei Schiffen anzustreben, da bei diesen die Antriebsleistung ei nen wesentlichen Anteil an der Gesamtleistung hat.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems weist der zweite Gleichrichter eine IGBT-Drehstrom- brücke auf. Gleichrichter mit IGBT-Drehstrombrücken weisen eine hohe Flexibilität auf.

In einer Ausgestaltung des elektrischen Energieversorgungs systems weist der Gleichspannungsbus eine Kapazität aufweist. Durch diese Kapazität kann die Qualität der Gleichspannung im Gleichspannungsbus verbessert werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren. Nach einem Verfah ren zum Betrieb eines elektrischen Energieversorgungssystems, welches einen segmentierten (segmentierbaren) Gleichspan nungsbus aufweist, wobei insbesondere Schalter (insbesondere ein Schalter) den Gleichspannungsbus segmentieren, dieser al so segmentierbar ist, wobei ein erster Gleichrichter und ein zweiter Gleichrichter zur Speisung des Gleichspannungsbusses vorgesehen sind, wobei der erste Gleichrichter ein Dioden gleichrichter ist und der zweite Gleichrichter schaltbare Leistungshalbleiter aufweist, werden die Gleichrichter zur Speisung des Gleichspannungsbusses abhängig von einer Last zu unterschiedlichen Zeitpunkten zugeschalten. Zwei Segmente des Gleichspannungsbusses weisen insbesondere jeweils zumindest eine Einspeisung auf, wobei die Einspeisungen lastabhängig erfolgen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich unterschiedliche Lasten, also Verbraucher, abhängig vom Be triebszustand des Inselnetzes, ergeben. Die Last ist bei spielsweise eine Hotellast oder eine Antriebslast eines Schiffes. Durch die unterschiedlichen Typen der Gleichrichter ist es möglich die Qualität der Gleichspannung im Gleichspan nungsbus ausreichend hoch zu halten und die Kosten zu redu zieren, welche für die Installation und den Betrieb der Gleichrichter notwendig ist.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein elektrisches Energieversorgungssystem der bereits beschrieben oder im Fol genden beschriebenen Art verwendet.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Figu ren näher dargestellt und erläutert. Die in den Figuren ge zeigten Merkmale können fachmännisch zu neuen Ausführungsfor men kombiniert werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Es zeigen:

FIG 1 ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem Diodengleichrichter;

FIG 2 ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem aktiven Gleichrichter;

FIG 3 ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem passiven Gleichrichter und einem Hochsetzsteller;

FIG 4 ein elektrisches Energieversorgungssystem mit zwei Gleichrichtern, und

FIG 5 ein elektrisches Energieversorgungssystem mit einem Gleichspannungsbus, welcher Segmente aufweist. Die Darstellung nach Figur 1 zeigt ein elektrisches Energie- versorgungssystem 10 mit einem Diodengleichrichter 3. Ein Ge nerator 7 wird mit einem Diesel 8 (Diese-Maschine (DM)) ange trieben. Der Generator ist beispielsweise eine Synchronma schine. Der Generator 7 speist dreiphasig den Diodengleich richter 3. Der Diodengleichrichter 3, welche ein ungesteuer ter Gleichrichter ist, speist den Gleichspannungsbus 20. Bei Volllast bzw. maximaler Dieseldrehzahl kann sich die Maschine im Feldschwächebereich befinden. Bei diesem Gleichspannungs bus 20, wie auch bei anderen Gleichspannungsbussen kann es sich gleichzeitig auch um einen Spannungszwischenkreis han deln. Der Gleichspannungsbus 20 weist eine Kapazität 18 auf. Mittels eines Wechselrichters 12 ist es möglich aus dem Gleichspannungsbus 20 elektrische Energie zu entnehmen und ein Motor 9 anzutreibenden. Der Motor 9 stellt eine Last dar.

Die Darstellung nach Figur 2 zeigt ähnlich wie in Figur 1 ein elektrisches Energieversorgungssystem 20, wobei im Gegensatz zu dem in Figur 1 dargestellten elektrischen Energieversor gungssystems 20 gemäß Figur 2 als Gleichrichter zur Speisung des Gleichspannungsbusses 20 anstelle des Diodengleichrich ters ein aktiver Gleichrichter 4 eingesetzt ist. Der aktive Gleichrichter 4 kann ein klassisches IGBT Sixpack aufweisen (Drehrichter). Als Generator 7 kann beispielsweise eine Asyn chron- / oder Synchronmaschine verwendet werden.

Die Darstellung nach Figur 2 zeigt, ähnlich wie in Figur 1, ein elektrisches Energieversorgungssystem 20, wobei im Ver gleich zu dem in Figur 1 dargestellten elektrischen Energie versorgungssystems 20 gemäß Figur 2 zusätzlich zum passiven Gleichrichter 3 noch ein Hochsetzsteller 19 eingesetzt ist.

Die Darstellung nach Figur 4 zeigt ein elektrisches Energie versorgungssystem 1 mit zwei Gleichrichtern, einem ersten Gleichrichter 3 und einen zweiten Gleichrichter 4. Ein Gene rator 7 wird mit einem Diesel 8 (Diesel-Maschine (DM)) ange trieben. Anstelle des Diesels 8 könnte auch eine Gasturbine verwendet werden, welche allerdings nicht dargestellt ist. Der Generator 7 ist beispielsweise eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine. Der Generator 7 ist in einer offenen Schaltung verschaltet. Der Generator 7 speist dreiphasig den Diodengleichrichter 3. Der Diodengleichrichter 3, welche ein ungesteuerter Gleichrichter ist, speist den Gleichspannungs bus 2. Der Diodengleichrichter 3 weist Leistungshalbleiter- Dioden 6 auf. Der Generator 7 speist darüber hinaus dreipha sig den zweiten Gleichrichter 4. Der zweite Gleichrichter 4 weist schaltbare Leistungshalbleiter 5 auf. Diese sind gemäß der IGBT-Drehstrombrücke 17 aufgeteilt. So wird in Alternati ve zum „klassischen IGBT Sixpack", der alleine zum Einsatz kommt und in Figur 2 dargestellt ist, die Leistung der E- Maschine, also des Generators 7, auf zwei Umrichter 3 und 4 (einen IGBT Sixpack und einen ungesteuerten Gleichrichter) aufgeteilt. Der Gleichspannungsbus 2 weist ferner eine Kapa zität 18 auf. Mittels von Wechselrichtern 12 und 13 ist es möglich aus dem Gleichspannungsbus 2 elektrische Energie zu entnehmen und ein Motor 9 bzw. 11 anzutreibenden. Die Motoren 9 bis 11 stellen eine Last dar. Zumindest einer der Motoren dient insbesondere dem Antrieb eines Schiffes. Über einen Filter 14, mit Widerständen 15 und Kapazitäten kann die Qua lität des Speisestroms des ersten Gleichrichters 3 verbessert werden. Der Filter 14 ist elektrisch zwischen dem ersten Gleichrichter 3 und dem Generator 7. Dieser AC-Filter ist op tional und kann auch zur zusätzlichen Arbeitspunktbeeinflus sung herangezogen werden. Im Gleichspannungsbus 2 ergibt sich eine DC Lastverteilung mit den angeschlossenen Umrichtern für z.B. Antrieb und Bordnetz. Im Vergleich zum alleinigen Ein satz eines Diodengleichrichter ergeben sich beim Einsatz von zwei Gleichrichtern der beschriebenen Art eine optimale Aus nutzung der E-Maschine und auch Standardisierungsmöglichkei ten. Dies gilt für Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen (auch PEM). Im Vergleich zum alleinigen Einsatz eines aktiven Gleichrichters kann sich beim Einsatz von zwei Gleichrichtern der beschriebenen Art folgendes ergeben: nur halber IGBT- Halbleiterbedarf bzw. dadurch nur ca. 60% der Gleichrichter kosten. Die Darstellung nach Figur 5 zeigt einen Gleichspannungsbus 30 mit Kapazitäten 18, 18'und 18'', welcher Segmente 31, 32 und 33 aufweist. Es sind Verbraucher 28, 29, 9 und 11 über Wechselrichter 12 am Gleichspannungsbus 30 angeschlossen. Ein erstes Segment 31 des Gleichspannungsbusses 30 weist eine erste Einspeisung 21 mit einem ersten Gleichrichter 3 und ei ne zweite Einspeisung 22 mit einem zweiten Gleichrichter 4 auf, wobei beide Gleichrichter 3 und 4 mittels eines Genera tors 7 gespeist werden können, wobei der Generator 7 mittels eines Diesels 8 antreibbar ist. Das zweite Segment 32 weist zwei Einspeisungen auf, eine Einspeisung 23 und 24, wobei der Einspeisung 23 ein Gleichrichter 3' zugeordnet ist und der Einspeisung 24 ein Gleichrichter 4' zugeordnet ist. Der Gleichrichter 3' wird mittels eines Generators 7' gespeist, wobei der Generator 7' mittels eines Diesels 8' antreibbar ist. Der Gleichrichter 4' wird mittels eines Generators 7'' gespeist, wobei der Generator 7'' mittels einer Gasturbine 27 antreibbar ist. Das dritte Segment 33 weist eine Einspeisung 25 auf, wobei der Einspeisung 25 ein Gleichrichter 4'' zuge ordnet ist und über einen Schalter 26 mit einem elektrischen Netz 36 verbindbar ist. Das Netz 36 ist insbesondere ein Ver bundnetz. Die Segmente 31, 32 und 33 sind mittels Schalter 34 und 35 segmentiert. Durch die Schalter 34 und 35 können die Segmente elektrisch verbunden oder getrennt werden.