Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein gleichstromgekoppeltes Energiemanagementsystem für eine Energieerzeugungsanlage, insbesondere eine Photovoltaikanlage, eine Energieerzeugungsanlage mit einem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem, einen DC/DC-Wandler für ein gleichstromgekoppeltes Energiemanagementsystem, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage mit einem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Photovoltaik-Module (PV-Module) einer PV-Anlage mittels einer Serien- und/oder Parallelschaltung zu sogenannten Strings einer PV-Einheit elektrisch zu verschalten. Die Spannungslage dieser Strings liegt je nach Größe der PV-Einheit und der verwendeten PV-Module im Bereich von 30 bis 1500 V. Der typische Strom in einer solchen elektrischen Verbindungsleitung liegt im Bereich von 0,1 bis 30 A. Dieser String wird mittels eines DC-Kabels mit einem Stringeingang eines versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters verbunden. Der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter kann ggf. mehrere solcher Stringeingänge aufweisen, an die jeweils ein String angeschlossen werden kann.

Aus der DE 10 2012 022 729 A1 ist eine als Photovoltaikanlage gestaltete Energieerzeugungseinrichtung mit einer Wandlereinrichtung mit DC/DC-Wandler bekannt, wobei die Wandlereinrichtung über einen ersten bidirektionalen DC- Anschluss an eine Batterie zum Entladen und Laden der Batterie und über einen zweiten DC-Anschluss mit einem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter verbunden ist. Die Wandlereinrichtung weist einen dritten DC-Anschluss auf, mit dem dieser direkt mit der Photovoltaikanlage verbunden ist.

Der zweite und dritte DC-Anschluss sind über interne oder externe Schalter derart überbrückbar, dass Strom der Energieerzeugungseinrichtung direkt in den versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter geführt werden kann. Des Weiteren ist zwischen dem DC/DC-Wandler und dem zweiten DC-Anschluss sowie dem dritten DC-Anschluss ein Schalter angeordnet, um den DC/DC-Wandler von dem zweiten DC-Anschluss und dem dritten DC-Anschluss zu entkoppeln, falls z. B. das Solarmodul in abgedunkeltem Zustand bzw. nachts keine externe Spannung verträgt.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist daher es, ein gleichstromgekoppeltes Energiemanagementsystem zu schaffen, welches auf einfache Weise an eine Energieerzeugungsanlage angekoppelt werden und effizient betrieben werden kann.

Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine Energieerzeugungsanlage so zu gestalten, dass sie mit einem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem effizient betrieben werden kann, einen DC/DC- Wandler für ein solches gleichstromgekoppeltes Energiemanagementsystem bereitzustellen, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Energieerzeugungsanlage zu schaffen, welches einen möglichst effizienten Betrieb ermöglicht.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Die Erfindung geht aus von einem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem für eine Energieerzeugungsanlage, insbesondere eine Photovoltaikanlage, umfassend eine Steuereinheit, eine Sensoreinheit zur Messung einer elektrischen Bilanz zwischen Verbrauchern der Energieerzeugungsanlage und einem Netzanschluss eines Energieversorgungsnetzes, sowie einen DC/DC-Wandler, der mit einem ersten Anschluss an eine elektrische Verbindungsleitung der Energieerzeugungsanlage zwischen einem Energiewandler und einem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter sowie mit einem zweiten Anschluss an wenigstens eine Energiespeichereinheit angeschlossen ist.

Die Steuereinheit steht mit der Sensoreinheit, der Energiespeichereinheit und dem DC/DC-Wandler in Kommunikationsverbindung. Der Energiewandler ist zur Bereitstellung einer variablen Gleichspannungsleistung in Abhängigkeit von Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen vorgesehen. Der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter ist zur Speisung von ein oder mehreren Verbrauchern vorgesehen und mit dem Netzanschluss verbunden. Ferner ist der DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet, so dass elektrische Energie aus der elektrischen Verbindungsleitung entnehmbar und/oder elektrische Energie der elektrischen Verbindungsleitung zuführbar ist. Dabei ist das Entnehmen oder das Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC- Wandler mittels der Steuereinheit steuerbar, wobei die Steuereinheit den DC/DC- Wandler nach der von der Sensoreinheit bestimmten elektrischen Bilanz steuert.

Das Energieversorgungsnetz kann insbesondere ein öffentliches oder privates, insbesondere ein wirtschaftlich bilanzielles Energieversorgungsnetz sein. Im Betrieb, d.h. also bei Sonneneinstrahlung, erzeugt eine PV-Anlage mit PV- Modulen gemäß ihrer spezifischen und gegebenenfalls materialabhängigen Strom/Spannungskennlinie, eine Gleichspannung und einen dem jeweiligen Betriebszustand entsprechenden Gleichstrom, der mittels des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt wird. Der DC-Innenwiderstand des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters wird dabei durch die Steuerungslogik des Wechselrichters jeweils so eingestellt, dass in dem jeweils momentanen Betriebszustand der PV-Module eine maximale elektrische Leistung erzeugt werden kann. Diese Steuerungsstrategie wird als „Maximum Power Point Tracking" (MPPT) bezeichnet. Im Ergebnis führt das MPPT-Verfahren dazu, dass der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter grundsätzlich in der Lage ist, die momentane Istleistung der PV-Module durch Veränderung seines elektrischen Innenwiderstands bis auf eine Leistung von Null zu reduzieren. Der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter ist jedoch nicht in der Lage, mehr elektrische Leistung zu erzeugen, als die PV-Module in ihrem jeweiligen momentanen Betriebszustand bei maximaler Effizienz nach dem MPPT-Verfahren bereitstellen können. Die jeweilige momentane Maximalleistung der PV-Module hängt im Wesentlichen von der Strahlungsintensität, der Modultemperatur und dem Alterungszustand der Module ab. Werden die Module im MPP-Punkt betrieben, ist eine weitere Steigerung der elektrischen Leistung dieser Module nicht möglich. Bei einer üblichen versorgungsnetzgekoppelten PV- Anlage besteht daher zwar die Möglichkeit, die PV-Leistung bis auf Null zu reduzieren, jedoch nicht, mehr AC-Leistung bereitzustellen, als es gemäß der erwähnten Einflussgrößen physikalisch möglich ist.

Aufgrund dieses Zusammenhangs sind versorgungsnetzgekoppelte PV-Anlagen nicht in der Lage, 24 Stunden pro Tag bedarfsgerecht elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Daher wird vielfach versucht, durch den Einsatz von elektrischen Energiespeichern, insbesondere durch den Einsatz von Batterien, das Problem zu lösen. Dabei besteht die Möglichkeit einer DC-Kopplung des Energiespeichers zwischen der PV-Einheit und dem AC-Ausgang des versorgungsnetzgekoppeltem Wechselrichters. Bei der DC-Kopplung wird in Stromflussrichtung vor dem AC-Ausgang des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters, entweder mittels eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers oder zweier parallel geschalteter unidirektionaler DC/DC-Wandler, elektrische Leistung für das Laden bzw. Entladen der Batterie ab- bzw. zugeführt. Der Vorteil dieser Technologie ist ein günstiger höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu einer bekannten AC-Kopplung des Energiespeichers. Der Nachteil ist jedoch, dass nach dem Stand der Technik das Laden bzw. Entladen der Batterie eine

Kommunikation mit der zentralen Steuerungslogik des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters notwendig macht, da eine ungesteuerte Leistungszufuhr bzw. Leistungsentnahme auf der DC-Seite des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters zu Strom/Spannung- Konstellationen im DC-String zwischen PV-Einheit und versorgungsnetzgekoppeltem Wechselrichter führen kann, die nicht konform mit der im versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter implementierten Strom/Spannungssteuerung gemäß des MPPT-Steuerungsverfahrens sind. Ein ungesteuerter Eintrag von elektrischer Leistung vor dem AC-Ausgang des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters kann zur vollständigen Leistungs-

Entkopplung der PV-Einheit führen. Wenn z.B. die Spannung in der elektrischen Verbindungsleitung während des Leistungseintrags aus der Batterie die Stillstandsspannung der PV-Module erreicht, dann wird die Leistung der PV- Module zu Null. Umgekehrt wird bei einem Leistungseintrag deutlich unterhalb des MPPT-Arbeitspunktes der PV-Module, das Leistungspotential der PV-Module nicht vollständig ausgeschöpft, da die Spannung der elektrischen Verbindungsleitung niedriger ist, als es dem MPP-Punkt entsprechen würde. Deshalb ist bei der DC-Kopplung gemäß des Standes der Technik eine Kommunikationsschnittstelle zur Steuerungselektronik des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters notwendig, damit durch den

Einsatz einer Batterie die volle Leistungsfähigkeit der PV-Einheit unbeeinträchtigt bleibt.

Dieser Zusammenhang führt dazu, dass die Integration einer Batterie auf der DC-Seite des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters ohne den Zugang zu der zentralen Steuereinheit des Wechselrichters nur unter erheblichen Einbußen der Leistungsfähigkeit der PV-Einheit bzw. des Gesamtwirkungsgrades des Energieerzeugungssystems möglich ist. Vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem einen Betrieb der Energieerzeugungsanlage auch bei reduzierter Leistung des Energiewandlers, so dass ein Betrieb der Energieerzeugungsanlage auch 24 Stunden pro Tag möglich ist und bei dem die Nachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Gleichstromkopplung eines angeschlossenen Energiespeichers vermieden werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem zur bedarfsgerechten Bereitstellung von elektrischer Energie aus überwiegend erneuerbaren Energiequellen ist an wenigstens eine elektrische Verbindungsleitung eines Energiewandlers, beispielsweise einer Photovoltaik-Einheit (PV-Einheit), zu einem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter, beispielsweise über einen T-förmigen Anschlusspunkt, ein bidirektionaler Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) angeschlossen. Die elektrische Verbindungsleitung wird in einer PV-Anlage auch als PV-String bezeichnet, da die PV-Module zu sogenannten Strings einer PV-Einheit parallel und/oder seriell verschaltet daran angeschlossen sind. Der T-förmige Anschlusspunkt kann zweckmäßigerweise auf der dem Energiewandler zugewandten Seite ein geeignetes unidirektionales Sperrelement aufweisen, das ein unerwünschtes Rückspeisen von der Energiespeichereinheit in den Energiewandler verhindert, insbesondere eine Diode oder eine entsprechende Schaltung, die ein solches Rückspeisen von der Energiespeichereinheit in den Energiewandler verhindert, und das zum Energiewandler hin in Sperrrichtung geschaltet ist.

Der DC/DC-Wandler weist maximal zwei leistungstragende Anschlüsse für jeweils einen Plus- und einen Minus-Pol auf. Ein leistungstragender elektrischer Anschluss ist mit der elektrischen Verbindungsleitung verbunden und der zweite leistungstragende elektrische Anschluss ist mit einer Energiespeichereinheit, beispielsweise einem wiederaufladbaren Batteriesystem oder einer Kondensatoreinheit verbunden.

Der bidirektionale DC/DC-Wandler ist auf diese Weise in der Lage, im Energiewandler erzeugte elektrische Energie an die Energiespeichereinheit zu leiten und/oder elektrische Energie aus der wenigstens einen Energiespeichereinheit an den versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter zu leiten. Der DC/DC-Wandler ist dabei zur Spannungsanpassung zwischen der elektrischen Verbindungsleitung und der Energiespeichereinheit vorgesehen. Weiter sind der DC/DC-Wandler und die Energiespeichereinheit über eine Kommunikationsleitung mit der zentralen Steuereinheit des Energiemanagementsystems verbunden. Dabei besteht keine Kommunikationsleitung oder andersgeartete Kommunikationsstruktur zu dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter.

Die zentrale Steuereinheit ist mit einer geeigneten Sensoreinheit, beispielsweise einem Wechselstrom (AC)-Sensor in Kommunikationsverbindung verbunden. Der AC-Sensor ist dabei in Stromflussrichtung hinter dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter angeordnet, wobei zwischen dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter und dem AC-Sensor wenigstens ein, bevorzugt alle, Verbraucher des relevanten elektrischen Bilanzraumes angeordnet sind. Die Sensoreinheit erfasst mit einer vorgegebenen zeitlichen Auflösung in dem relevanten elektrischen Bilanzraum zwischen den Verbrauchern der Energieerzeugungsanlage und dem Netzanschluss wenigstens die relevanten AC-Netzdaten: Strom und/oder Spannung und/oder Frequenz in jeder Phase. Diese Daten werden über die Kommunikationsleitung zur zentralen Steuereinheit übermittelt. Die Auswertung dieser Daten in der zentralen Steuereinheit ergibt den momentanen elektrischen Energiefluss in der vorgegebenen zeitlichen Auflösung und damit die elektrische Nettobilanz der Energieerzeugungsanlage. Die Steuereinheit ist damit in der Lage, den DC/DC- Wandler nach der von der Sensoreinheit bestimmten elektrischen Bilanz zu steuern. Damit kann der Innenwiderstand des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters über die elektrische Bilanz, auf welche der DC/DC-Wandler geregelt wird, auf geeignete Weise so beeinflusst werden, als ob die gesamte Energie, die dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter eingangsseitig zugeführt wird, aus dem Energiewandler käme.

Mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem können die oben beschriebenen Nachteile eines AC-gekoppelten und eines DC- gekoppelten Energiespeichers vermieden werden, so dass damit eine Betrieb einer Energieerzeugungsanlage auch bei stark reduziertem Betrieb des Energiewandlers möglich ist und so Verbraucher damit trotzdem gespeist werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der DC/DC-Wandler ausgebildet sein, bei der Einspeisung elektrischer Energie in die elektrische Verbindungsleitung eine Strom/Spannung-Charakteristik des Energiewandlers nachzubilden. Damit während des Betriebs des DC/DC-Wandlers das MPPT- Verfahren des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters, wie oben beschrieben, nicht ungünstig beeinflusst wird und der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter auch beispielsweise nachts, wenn ein PV-Modul keine Energie erzeugt, weiterläuft, arbeitet der DC/DC-Wandler günstigerweise in Bezug auf die Ziel-Leistungszufuhr bzw. Entnahme, nach dem Zusammenhang von transportiertem Strom als Funktion der Spannung gemäß einer Strom/Spannungscharakteristik des Energiewandlers, also beispielweise einer auf Silizium basierenden photovoltaischen Zelle oder auch anderen geeigneten Materialien mit photovoltaischem Effekt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die elektrische Verbindungsleitung ein unidirektionales Sperrelement aufweisen, das ein unerwünschtes Rückspeisen von der Energiespeichereinheit in den Energiewandler verhindert, insbesondere eine Diode oder eine entsprechende Schaltung, die ein solches Rückspeisen verhindert, welches zwischen einem Ausgang des Energiewandlers und einem Anschlusspunkt des DC/DC-Wandlers in der elektrischen Verbindungsleitung angeordnet ist und in Sperrrichtung zum Energiewandler hin geschaltet ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die von dem DC/DC-Wandler eingespeiste elektrische Energie zu einer Fehlfunktion des Energiewandlers und/oder des Energiemanagementsystems führen kann, indem dadurch etwa die Ausgangsspannung des Energiewandlers erhöht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sensoreinheit wenigstens einen AC-Sensor umfassen, wobei die Sensoreinheit bevorzugt wenigstens Strom und/oder Spannung und/oder Frequenz der elektrischen Leistung an dem Netzanschluss mit einer zeitlichen Auflösung kleiner als 200 msec, bevorzugt kleiner als 100 msec erfasst.

Die angeschlossenen Verbraucher der Energieerzeugungsanlage arbeiten üblicherweise als wechselstrombetriebene Komponenten, da sie an eine herkömmliche Netzversorgung angeschlossen sind, auf welche die Energieerzeugungsanlage über den versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter aufgeschaltet ist. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn auch die AC-Leistung der Verbraucher mit geeigneter Zeitauflösung erfasst wird, um die elektrische Bilanz der Energieerzeugungsanlage darzustellen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Energiespeichereinheit ein wiederaufladbares Batteriesystem und/oder eine Kondensatoreinheit und/oder einen Schwungradspeicher aufweisen. Dabei sind Speichersysteme denkbar, welche es erlauben, elektrische Energie aufzunehmen und in geeigneter Form, möglicherweise auch als mechanische oder chemische Energie, zu speichern sowie die gespeicherte Energie direkt als elektrische Energie abzugeben oder die gespeicherte Energieform wieder in elektrische Energie umzuwandeln und abzugeben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der DC/DC-Wandler über den zweiten Anschluss mit einer oder mehreren Energieerzeugungseinheiten, insbesondere einer Energieerzeugungseinheit aus einem Brennstoffzellensystem, einer AC-Blockheizkraftanlage, einer DC- Blockheizkraftanlage, einem Motorgenerator oder dergleichen verbunden sein. Das Energiemanagementsystem kann zwischen dem DC/DC-Wandler und der Energiespeichereinheit auf einem DC-Bus einen weiteren T-förmigen Anschlusspunkt als elektrische Verbindung zu weiteren elektrischen Energieerzeugungseinheiten aufweisen. Diese Energieerzeugungseinheiten können beispielsweise Windkraftanlagen, Brennstoffzellen, Biogasanlagen, Mikro-Blockheizkraftanlagen oder auch konventionelle fossil betriebene motorische Generatoren sein. Diese Energieerzeugungseinheiten werden vorteilhaft unidirektional, d.h. mit Leistungsfluss zum DC-Bus hin betrieben. Sämtliche dieser Energieerzeugungseinheiten sind mit der zentralen Steuerungseinheit des Energiemanagementsystems verbunden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die eine oder mehreren Energieerzeugungseinheiten als Konstantspannungsquellen betreibbar sein. Der Betrieb der an dem DC-Bus der Energiespeichereinheit angeschlossenen AC/DC- bzw. DC/DC-Wandler der Energieerzeugungseinheiten erfolgt im Hinblick auf die Ausgangsspannung zum DC-Bus der Energiespeichereinheit als Quasi-Konstantspannungsquelle.

Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem günstig über den durch die Steuereinheit gesteuerten DC/DC-Wandler zu betreiben.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Energiespeichereinheit und/oder der DC/DC-Wandler und/oder der Wechselrichter für den Betrieb der einen oder mehreren Energieerzeugungseinheiten über die Steuereinheit ansteuerbar sein. Die Energieerzeugungseinheiten sind nicht mit der Steuerungseinheit des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters verbunden und erhalten von dort also auch keine Informationen und senden ebenfalls keine Signale dorthin. Die Steuereinheit steuert dabei den vorteilhaften Einsatz der verschiedenen Energieerzeugungseinheiten gemäß dem aktuellen Betrieb von Energiewandler und Verbrauchern nach der von der Sensoreinheit bestimmten aktuellen elektrischen Bilanz.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Energieerzeugungsanlage vorgeschlagen, insbesondere eine Photovoltaikanlage, mit einem gleichstromgekoppelten

Energiemanagementsystem, umfassend einen Energiewandler, insbesondere eine Photovoltaikeinheit, welcher zur Bereitstellung einer variablen Gleichspannungsleistung in Abhängigkeit von Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen vorgesehen ist, sowie einen versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter, welcher zur Speisung von ein oder mehreren Verbrauchern vorgesehen ist und mit einem Netzanschluss eines Energieversorgungsnetzes verbunden ist. Weiter umfasst die Energieerzeugungsanlage eine Steuereinheit, eine Sensoreinheit zur Messung einer elektrischen Bilanz zwischen Verbrauchern und dem Netzanschluss, sowie einen DC/DC-Wandler, der mit einem ersten Anschluss an eine elektrische Verbindungsleitung zwischen dem Energiewandler und dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter sowie mit einem zweiten Anschluss an wenigstens eine Energiespeichereinheit angeschlossen ist. Die Steuereinheit ist zur Kommunikationsverbindung mit der Sensoreinheit, der Energiespeichereinheit und dem DC/DC-Wandler ausgebildet. Der DC/DC- Wandler ist bidirektional ausgebildet, so dass elektrische Energie aus der elektrischen Verbindungsleitung entnehmbar und/oder elektrische Energie der elektrischen Verbindungsleitung zuführbar ist. Dabei ist das Entnehmen oder Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC-Wandler mittels der Steuereinheit steuerbar, wobei die Steuereinheit den DC/DC-Wandler nach der von der Sensoreinheit bestimmten elektrischen Bilanz steuert.

Die elektrische Verbindungsleitung kann ein unidirektionales Sperrelement, das ein unerwünschtes Rückspeisen von der Energiespeichereinheit in den Energiewandler verhindert, insbesondere eine Diode oder eine entsprechende Schaltung, die ein solches Rückspeisen von der Energiespeichereinheit in den Energiewandler verhindert, aufweisen, welches zwischen einem Ausgang des Energiewandlers und einem Anschlusspunkt des DC/DC-Wandlers in der elektrischen Verbindungsleitung angeordnet ist und in Sperrrichtung zum Energiewandler hin geschaltet ist.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein DC/DC-Wandler für ein gleichstromgekoppeltes Energiemanagementsystem vorgeschlagen, mit einem ersten Anschluss, der an eine elektrische Verbindungsleitung einer

Energieerzeugungsanlage zwischen einem Energiewandler und einem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter sowie mit einem zweiten Anschluss, der an wenigstens eine Energiespeichereinheit angeschlossen ist, wobei ein Entnehmen von elektrischer Energie aus der elektrischen Verbindungsleitung oder ein Zuführen von elektrischer Energie zu der elektrischen

Verbindungsleitung mittels einer Steuereinheit steuerbar ist. Die Steuereinheit steuert dabei den DC/DC-Wandler nach der von einer Sensoreinheit zwischen Verbrauchern der Energieerzeugungsanlage und einem Netzanschluss bestimmten elektrischen Bilanz. Dabei werden zur Erfassung der elektrischen Bilanz vorteilhaft wenigstens ein Verbraucher der Energieerzeugungsanlage, bevorzugt alle Verbraucher der Energieerzeugungsanlage berücksichtigt.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage mit einem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem vorgeschlagen, umfassend das Erfassen der elektrischen Bilanz zwischen Verbrauchern der Energieerzeugungsanlage und einem Netzanschluss eines Energieversorgungsnetzes mittels einer Sensoreinheit, das Steuern eines DC/DC-Wandlers, der an wenigstens eine Energiespeichereinheit angeschlossen ist, mittels einer Steuereinheit nach der von der Sensoreinheit bestimmten elektrischen Bilanz, sowie das Entnehmen oder Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC-Wandler an einer elektrischen Verbindungsleitung zwischen einem Energiewandler und einem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter der Energieerzeugungsanlage. Der Betrieb des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems erfolgt wie im

Folgenden beschrieben. Die Sensoreinheit, bevorzugt als AC-Sensor ausgebildet, erfasst mit einer zeitlichen Auflösung von insbesondere kleiner als 200 msec, bevorzugt kleiner als 100 msec in dem relevanten elektrischen Bilanzraum zwischen den Verbrauchern der Energieerzeugungsanlage und dem Netzanschluss wenigstens die relevanten AC-Netzdaten: Strom, Spannung,

Frequenz in jeder Phase. Diese Daten werden über die Kommunikationsleitung zur zentralen Steuereinheit übermittelt. Die Auswertung dieser Daten in der zentralen Steuereinheit ergibt den momentanen elektrischen Energiefluss in der vorgegebenen zeitlichen Auflösung.

Die zentrale Steuereinheit wertet neben diesen Daten zusätzlich sämtliche weiteren Zustandsgrößen der an dem DC-Bus der Energiespeichereinheit angeschlossenen weiteren Energiespeicher und Energieerzeugungseinheiten aus und entscheidet dann, welche Operation der DC/DC-Wandler im folgenden Regelintervall durchführen soll. Die Entscheidung der zentralen Steuereinheit beruht dabei auf der Berücksichtigung der Zustandsgrößen der angeschlossenen Komponenten, unter Berücksichtigung der spezifischen momentanen Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Komponenten und unter Berücksichtigung der spezifischen Kosten der elektrischen Energie, die die verschiedenen angeschlossenen Komponenten verursachen. Ziel ist dabei, die Gesamtkosten der bedarfsgerechten Bereitstellung von elektrischer Energie aus dem Energiewandler, insbesondere der erneuerbaren Energiequelle, zu minimieren und dadurch die Gesamtwirtschaftlichkeit der Energieerzeugungsanlage zu optimieren.

Durch die über die mittels der Sehsoreinheit erfasste elektrische Bilanz erfolgende Steuerung des DC/DC-Wandlers über die Steuereinheit kann der Innenwiderstand des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters auf geeignete Weise so beeinflusst werden, als ob die gesamte Energie, die dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter eingangsseitig zugeführt wird, aus dem Energiewandler käme.

Der bidirektional ausgebildete DC/DC-Wandler führt dann die notwendige Operation aus, wobei es zwei Betriebszustände des DC/DC-Wandlers gibt. Diese sind: elektrische Energie aus der elektrische Verbindungsleitung zu entnehmen, elektrische Energie der elektrischen Verbindungsleitung zuzuführen.

Damit während des Betriebs des DC/DC-Wandlers das MPPT-Verfahren des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters, wie oben beschrieben, nicht ungünstig beeinflusst wird und der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter auch beispielsweise nachts, wenn ein PV-Modul keine Energie erzeugt, weiterläuft, arbeitet der DC/DC-Wandler in Bezug auf die Ziel-Leistungszufuhr bzw. Entnahme, nach dem Zusammenhang von transportiertem Strom als Funktion der Spannung gemäß einer Strom/Spannungscharakteristik des Energiewandlers, also beispielweise einer Silizium-basierenden photovoltaischen Zelle. Durch diese Steuerungsstrategie des DC/DC-Wandler wird die MPPT- Steuerungslogik des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters in keiner Weise negativ beeinflusst, so dass der versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter keinen Unterschied zwischen der„wahren" elektrischen Leistung des Energiewandlers und der durch das Energiemanagementsystem bereitgestellten resultierenden elektrischen Leistung registriert. Dadurch kann für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems jeder beliebige versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichter zur AC-Einspeisung jeder beliebigen Art von erneuerbaren elektrischen Energie verwendet werden. Die Erfindung ist daher für die weitere Integration von erneuerbaren elektrischen Energieerzeugungseinheiten besonders geeignet, weil keine speziellen Geräte für die DC/AC-Wandlung notwendig sind und die AC-Einspeisung damit auf einer Gerätetechnik beruht, die über viele Jahrzehnte bereits erfolgreich betrieben wurde.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Betrieb des DC/DC-Wandlers parallel zum Betrieb des Energiewandlers erfolgen. Dabei können insbesondere beide Betriebszustände des DC/DC-Wandlers, nämlich das Entnehmen von elektrischer Energie aus der elektrischen Verbindungsleitung, sowie das Zuführen von elektrischer Energie in die elektrische Verbindungsleitung, parallel zum Betrieb des Energiewandlers ausgeführt werden, so dass die von dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter gewandelte Energie zu einem Teil aus der von dem Energiewandler gelieferten Energie und zum Teil aus der von der Energiespeichereinheit gelieferten Energie bestehen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Energiemanagementsystem wenigstens einen der Betriebszustände (i) Erzeugen elektrischer Energie durch den Energiewandler und Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC- Wandler an die elektrische Verbindungsleitung, (ii) Erzeugen elektrischer Energie durch den Energiewandler und Entnehmen elektrischer Energie durch den DC/DC-Wandler aus der elektrischen Verbindungsleitung, oder (iii) Zuführen elektrischer Energie an die elektrische Verbindungsleitung durch den DC/DC- Wandler, ausführen. Diese Betriebszustände des Energiemanagementsystems resultieren insbesondere im Hinblick auf den gemeinsamen Betrieb von Energiewandler und DC/DC-Wandler und dabei insbesondere auf die beiden Betriebszustände des DC/DC-Wandlers zum Entnehmen von elektrischer Energie aus der elektrische Verbindungsleitung, sowie dem Zuführen von elektrischer Energie in die elektrische Verbindungsleitung. Der dritte Betriebszustand des Energiemanagementsystems (iii) Zuführen elektrischer Energie an die elektrische Verbindungsleitung durch den DC/DC-Wandler stellt insbesondere den Nachtbetrieb der Energieerzeugungsanlage dar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuereinheit den DC/DC- Wandler mit dem Ziel einer von der Sensoreinheit bestimmten elektrischen Nettobilanz von Null steuern. Ein solcher Betrieb ist vorteilhaft, weil so die von den Verbrauchern genutzte Energie vollständig aus dem Betrieb der Energieerzeugungsanlage entnommen wird und keinerlei Energie aus dem Energieversorgungsnetz, beispielsweise einem öffentlichen oder privaten, insbesondere wirtschaftlich bilanzierten Netz, entnommen werden muss. Dadurch ist der Betrieb der Verbraucher bezogen auf die Energieerzeugungseinheit autark. Auf der anderen Seite wird auch keine Energie an das Energieversorgungsnetz abgegeben, was unter bestimmten Randbedingungen, die von entsprechenden Energieversorgungsverträgen abhängen können, günstig sein kann. Alternativ ist auch denkbar, statt der Zielgröße einer elektrischen Nettobilanz von Null eine andere Zielgröße zu wählen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuereinheit den DC/DC-Wandler auch mit dem Ziel eines maximalen Leistungsertrags der Energieerzeugungsanlage auf der Basis der zur Verfügung stehenden Gleichspannungsleistung am Eingang des versorgungsnetzgekoppelte Wechselrichters steuern.

Eine solche Betriebsweise des Energiemanagementsystems kann vorteilhaft sein, wenn aus der Energieerzeugungsanlage die zu dem Zeitpunkt unter den gegebenen Randbedingungen, beispielsweise aktuelles Wetter, Zustand der Anlage, aktuelle Stromkosten, maximal lieferbare Leistung entnommen werden soll. Damit kann möglicherweise ein kostenoptimaler Betrieb der Energieerzeugungsanlage realisiert werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt beispielhaft:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Energieerzeugungsanlage mit einem

Energiemanagementsystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ausführungsform der Erfindung

Die Figur zeigt lediglich ein Beispiel und ist nicht beschränkend zu verstehen.

Die einzige Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Energieerzeugungsanlage 100 mit einem Energiemanagementsystem 10 nach einem Ausführungsbeispiel der

Erfindung.

Die Energieerzeugungsanlage 100, die insbesondere eine Photovoltaikanlage darstellen kann, ist mit dem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem 10 ausgebildet. Die Energieerzeugungsanlage 100 umfasst den Energiewandler

12, der insbesondere eine Photovoltaikeinheit sein kann, welcher zur Bereitstellung einer variablen Gleichspannungsleistung in Abhängigkeit von Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen vorgesehen ist. Weiter umfasst die Energieerzeugungsanlage 100 den versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter 14, welcher zur Speisung von ein oder mehreren Verbrauchern 80 vorgesehen ist und mit dem Netzanschluss 20 des Energieversorgungsnetzes 200 verbunden ist. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Verbraucher 81 , 82, 83 an die Leitung 56 zwischen dem Ausgang 18 des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters 14 und dem Netzanschluss 20 angeschlossen.

Das gleichstromgekoppelte Energiemanagementsystem 10 umfasst die Steuereinheit 30, welche über die Kommunikationsleitung 36 mit der Sensoreinheit 32 zur Messung einer elektrischen Bilanz zwischen Verbrauchern 80 und dem Netzanschluss 20 des Energieversorgungsnetzes 200 verbunden ist, sowie den DC/DC-Wandler 22, der mit dem ersten Anschluss 24 über den T- förmigen Anschlusspunkt 54 an die elektrische Verbindungsleitung 16 zwischen dem Ausgang 62 des Energiewandlers 12 und dem Eingang 28 des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters 14 sowie mit dem zweiten Anschluss 26 über die Leitung 60 an die Energiespeichereinheit 40 angeschlossen ist. Die Sensoreinheit 32 umfasst wenigstens einen AC-Sensor, wobei die Sensoreinheit 32 bevorzugt wenigstens Strom und/oder Spannung und/oder Frequenz der elektrischen Leistung zwischen den Verbrauchern 80 und dem Netzanschluss 20 mit einer zeitlichen Auflösung kleiner als 200 msec, bevorzugt kleiner als 100 msec erfasst. Die Energiespeichereinheit 40 kann ein wiederaufladbares Batteriesystem und/oder eine Kondensatoreinheit und/oder einen Schwungradspeicher aufweisen.

Die elektrische Verbindungsleitung 16 der Energieerzeugungsanlage 100 weist das unidirektionale Sperrelement 52 auf, beispielsweise eine Diode, die ein unerwünschtes Rückspeisen von der Energiespeichereinheit 40 in den Energiewandler 12 verhindert, welches zwischen dem Ausgang 62 des Energiewandlers 12 und dem Anschlusspunkt 54 des DC/DC-Wandlers 22 in der elektrischen Verbindungsleitung 16 angeordnet ist und in Sperrrichtung zum Energiewandler 12 hin geschaltet ist.

Der DC/DC-Wandler 22 ist bidirektional ausgebildet, so dass elektrische Energie aus der elektrischen Verbindungsleitung 16 entnehmbar und/oder elektrische Energie der elektrischen Verbindungsleitung 16 zuführbar ist. Das Entnehmen oder Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC-Wandler 22 ist mittels der

Steuereinheit 30 steuerbar, welche Steuereinheit 30 den DC/DC-Wandler 22 über die Kommunikationsleitung 34 nach der von der Sensoreinheit 32 zwischen Verbrauchern 80 der Energieerzeugungsanlage 100 und dem Netzanschluss 20 bestimmten elektrischen Bilanz steuert.

Der DC/DC-Wandler 22 ist ausgebildet, bei der Einspeisung elektrischer Energie in die Verbindungsleitung 16 eine Strom/Spannung-Charakteristik des Energiewandlers 12 nachzubilden. Weiter ist der DC/DC-Wandler 22 über den zweiten Anschluss 26 an dem T- förmigen Anschlusspunkt 58 mit mehreren Energieerzeugungseinheiten, hier mit dem Brennstoffzellensystem 41 , der AC-Blockheizkraftanlage 42, der DC- Blockheizkraftanlage 43, sowie dem Motorgenerator 44 verbunden, welche der zusätzlichen Einspeisung von elektrischer Energie über den DC/DC-Wandler 22 in die elektrische Verbindungsleitung 16 und damit in den versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter 14 zur Speisung von Verbrauchern 80 dienen können. Die Energieerzeugungseinheiten 41 , 42, 43, 44 sind als Konstantspannungsquellen betreibbar. DC/DC-Wandler 70 und Wechselrichter 72 für den Betrieb der Energieerzeugungseinheiten 41 , 42, 43, 44 sind dabei auch über die Steuereinheit 30 über die Kommunikationsleitung 38 ansteuerbar.

Das Verfahren zum Betrieb der Energieerzeugungsanlage 100 mit dem gleichstromgekoppelten Energiemanagementsystem 10 umfasst das Erfassen der elektrischen Bilanz zwischen den Verbrauchern 80 der Energieerzeugungsanlage 100 und dem Netzanschluss 20 des Energieversorgungsnetzes 200 mittels der Sensoreinheit 32, das Steuern des DC/DC-Wandlers 22, der an die Energiespeichereinheit 40 angeschlossen ist, mittels der Steuereinheit 30 nach der von der Sensoreinheit 32 bestimmten elektrischen Bilanz, und weiter das Entnehmen oder Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC-Wandler 22 an der elektrischen Verbindungsleitung 16 zwischen dem Energiewandler 12 und dem versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichter 14 der Energieerzeugungsanlage 100. Der Betrieb des DC/DC- Wandlers 22 kann dabei parallel zum Betrieb des Energiewandlers 12 erfolgen.

Das Energiemanagementsystem 10 kann so jeweils wenigstens einen der Betriebszustände (i) Erzeugen elektrischer Energie durch den Energiewandler 12 und Zuführen elektrischer Energie durch den DC/DC-Wandler 22 an die elektrische Verbindungsleitung 16, (ii) Erzeugen elektrischer Energie durch den Energiewandler 12 und Entnehmen elektrischer Energie durch den DC/DC- Wandler 22 aus der elektrischen Verbindungsleitung 16, oder (iii) Zuführen elektrischer Energie an die elektrische Verbindungsleitung 16 durch den DC/DC- Wandler 22, ausführen.

Die Steuereinheit 30 kann so den DC/DC-Wandler 22 mit dem Ziel einer von der Sensoreinheit 32 bestimmten elektrischen Nettobilanz von Null oder einer anderen Zielgröße steuern. Alternativ kann die Steuereinheit 30 den DC/DC- Wandler 22 beispielsweise auch mit dem Ziel eines maximalen Leistungsertrags der Energieerzeugungsanlage 100 auf der Basis der zur Verfügung stehenden Gleichspannungsleistung am Eingang 28 des versorgungsnetzgekoppelten Wechselrichters 14 steuern.

Bezugszeichen

10 Energiemanagementsystem

12 Energiewandler

14 Wechselrichter

16 Verbindungsleitung

18 Ausgang

20 Netzanschluss

22 DC/DC-Wandler

24 erster Anschluss

26 zweiter Anschluss

28 Eingang

30 Steuereinheit

32 Sensoreinheit

34 Kommunikationsleitung

36 Kommunikationsleitung

38 Kommunikationsleitung

40 Energiespeichereinheit

41 Brennstoffzellensystem

42 AC-Wärmekraftanlage

43 DC-Wärmekraftanlage

44 Motorgenerator

52 unidirektionales Sperrelement

54 Anschlusspunkt

56 Leitung

58 Anschlusspunkt

60 Leitung

62 Ausgang

70 DC/DC-Wandler

72 Wechselrichter

80 Verbraucher

81 erster Verbraucher

82 zweiter Verbraucher

83 dritter Verbraucher

100 Energieerzeugungsanlage

200 Energieversorgungsnetz