DE102014116846A1

DE102014116846A1 - Elektromagnetische Netzspannungsregelung und Smart Grid Anwendung

Info

Publication number: DE102014116846A1
Application number: DE102014116846.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-19
Also published as: EP3024003A2; EP3024003A3; EP3024003B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zur Bereitstellung einer geregelten Netzspannung (UR) insbesondere in 400V Ortsnetzen mit Überspannungen von bis zu 20%. Die Vorrichtung (10) benutzt eine elektromagnetische Steuerspule (23) auf einem Steuermagnetkern (43) und steuert damit den komplexen Spannungsabfall von Leistungsspulen (11, 12), durch die der zu regelnde Wechselstrom fließt, wobei der magnetische Kreis der Leistungsspulen (11, 12) durch den Steuermagnetkern (43) fließt und die Vormagnetisierung des Steuermagnetkerns (43) im Sinne der Regelung variiert wird. Somit gelingt auf überraschend einfache und zuverlässige Weise eine sichere Netzspannungsregelung auf elektromagnetischer Basis ohne empfindliche und teure elektronische Leistungshalbleiter. Die Netzspannungsregelung wird insbesondere eingesetzt, um Netzspannungsschwankungen auszugleichen oder gezielt im Sinne einer Smart Grid Regelung eine geeignete lokale Netzspannung einzustellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wartungsarme und effiziente Vorrichtung zur Netzspannungsregelung und auf ein Verfahren zur Smart Grid Anwendung zum Zweck der Spannungsstabilisierung z.B. in Industriegebieten. Die Vorrichtung ist geeignet, auch stark schwankende Netzspannungen mit geringem Aufwand auf den Sollwert zu stabilisieren und auch Überspannungen von mehr als 10% oberhalb des Sollwertes auf Werte im Sollbereich abzusenken. Die Erfindung ist vor allem im Niederspannungsbereich unter 1000V nutzbar, bevorzugt für lokale 400V Netze. Die Erfindung dient insbesondere der Steuerung der Netzspannung, die Verbrauchern zur Verfügung steht, indem der Sollwert der Spannungsregelung entsprechend vorgegeben wird.
Die Aufgabe der Spannungsstabilisierung entsteht seit etwa dem Jahr 2000 verstärkt durch die dezentral einspeisenden Energiequellen wie Photovoltaik- Anlagen und Windkraft-Anlagen. Diese erzeugen bei Hochleistung erhöhte Spannungen von mehr als 440V bis hin zu 460V und mehr. Und dies obwohl maximal 400V + 10% = 440V Netzspannung zulässig sind. Gleichzeitig sind an diesen lokalen Netzen elektrische Motoren von Pumpen, Kompressoren und andere Verbraucher angeschlossen, die für Spannungen von 380V +– 5% ausgelegt sind, also für 360 ... 400V. Die nun seit Zulassung der erhöhten Spannungen auftretenden ca. 20% höheren Spannungen führen zur Fehlbelastung der Motoren, zu reduziertem Wirkungsgrad, zu verkürzter Lebensdauer und zu steigendem Ausfallrisiko. Im Extremfall erlischt sogar die Betriebserlaubnis, wie z.B. bei explosionsgeschützten Vorrichtungen. Die durch zu hohe Netzspannungen erzeugten Wertverluste der Anlagen durch Mehrverbrauch, kürzere Lebensdauer und vermehrten Wartungsaufwand betragen bis zu 50 Prozent.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist dem Fachmann bekannt, die Netzspannung mit einem Transformator auf einen gewünschten Wert zu transformieren. Dazu werden elektromagnetische Vorrichtungen benutzt, die mindestens eine Primärwicklung haben und mindestens eine Sekundärwicklung. Im Sonderfall (Spartrafo) kann die Sekundärwicklung teilweise identisch mit der Primärwicklung sein.
Neue Entwicklungen, wie die der Firma Magtech aus Norwegen 2007 ( DE60215381T2 ), nutzen regelbare Transformatoren, die als regelbare Ortsnetztransformatoren (RONT) in den Handel gebracht werden. Diese verändern das Transformationsverhältnis zwischen Mittelspannung (10.000V) und der Niederspannung (400V). Zu diesem Zweck sind sehr große und schwere Wickelgüter erforderlich, was Nachteile in Kosten, Größe und Gewicht darstellt. Weit ältere Technologien nutzten vor der Einführung der elektronischen Regler steuerbare Induktivitäten, um z.B. bei Schweißgeräten den Schweißstrom stufenlos absenken zu können, zum Zweck der Verbesserung der Schweißnaht. Z.B. die Erfindung von Messer Griesheim 1967 ( DE1690597 ).
Steuerbare Induktivitäten wurden auch ca. 1920, also vor hundert Jahre für die Amplitudenmodulation benutzt. Z.B. die Pungs Drossel der Lorenz AG zur Amplitudenmodulation hochfrequenter Funksignale (AM Radio).
Problemstellung
Die heute üblichen und verfügbaren Regelvorrichtungen für die Spannungsstabilisierung hingegen benutzen elektronische Regler und elektronische Halbleiterbauelemente, um die Spannung konstant zu halten. Diese hoch belasteten Bauteile haben eine im Vergleich zu konventionellen Ortsnetztrafos sehr geringe Lebensdauer, ein hohes Ausfallrisiko und damit hohe Wartungskosten und Risiken. Deshalb werden bisher meist nur konventionelle Ortsnetztrafos (ONT) eingesetzt. Die Folge ist, dass in den Netzleitungen, an denen die dezentralen Energiequellen angeschlossen sind, bei Hochleistung sehr hohe Spannungen anfallen. Diese sehr hohen Spannungen treten schwankend für einige Minuten bis einige Stunden auf, müssten also dringend durch geeignete Regelvorrichtungen stabilisiert werden.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wartungsarme, extrem zuverlässige, langlebige und sichere Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung zur Verfügung zu stellen und ein verfahren, um damit die auftretenden zu hohen und ggfs. auch zu geringen Spannungen im lokalen Netz auszugleichen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8.
Die erfindungsgemäße Technologie ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Wickelgutes auf einem Steuermagnetkern, der durch einen Steuerstrom teilweise oder ganz in die magnetische Sättigung gebracht wird, in Kombination mit mindestens einer, bevorzugt mit zwei entgegengesetzt durchflossenen Leistungswicklungen, deren magnetischer Kreis zumindest teilweise durch den teilweise gesättigten Steuermagnetkern verläuft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 nutzt Wickelgüter 11, 13, 23 aus z.B. Kupfer oder Aluminium, um über Einflüsse des elektromagnetischen Feldes die Netzspannung UN verändern auf die geregelte Spannung UR. Kennzeichnend ist dabei dass am zur Regelung verwendeten Wickelgut 23 ein vom Steuerstrom 34 abhängiger komplexer Spannungsabfall UN-UR auftritt, der mit der Höhe des Steuerstromes 34 und mit der Intensität des Sättigungsfeldes im Kern 43 abfällt. Maximaler Steuerstrom bedeutet also minimalen Spannungsabfall an den Leistungsspulen 11 und 12. Die Vorrichtung erreicht die Veränderung der Spannung also nicht durch veränderte Halbleitereigenschaften sondern durch veränderte elektromagnetische Eigenschaften. Dennoch ist die Vorrichtung kein Transformator, hat also keine Primär- und Sekundärwicklung.
Die Regeleinheit 30 hat mindestens einen Eingang 31 für die Messspannung UR = 32 gemessen z.B. an Klemme 15. Der Regler wird versorgt mit geeigneter Speisespannung über 35. Über Schnittstelle 37 erhält der Regler den Sollwert 39. Zum Zweck der Smart Grid Steuerung kann die Leitung 38 eine Fernsteuerungsleitung sein.
Der Steuerstrom 34 ist im bevorzugten Fall ein Gleichstrom und erzeugt durch die Wicklung 23 im Steuermagnetkern 43 eine Gleichstrom- Vormagnetisiserung. Höhe des Steuerstromes 34 wird durch einen Regler so eingestellt, dass sich Verbraucherseitig die gewünschte Netzspannung ergibt. Wenn also z.B. Netzseitig UN = 460V anliegen, wird ein so hoher Steuerstrom 34 eingestellt, dass sich verbraucherseitig knapp UR = 400V ergeben, was für Anlagen, die 380V +– 5% benötigen, noch akzeptabel ist.
Dem Regler 30 wird zur Einstellung des Steuerstromes 34 die Höhe der verbraucherseitigen Spannung UR zu Grunde gelegt im Vergleich zum Sollwert 39. Für den Fall dass die Netzspannung zu hoch ist, verringert der Regler den Steuerstrom so lange bis die verbraucherseitige Spannung auf den gewünschten Spannungswert abgesenkt ist. Dabei reduziert sich auch das Sättigungsfeld im Steuermagnetkern. Für den Fall dass die Netzspannung abfällt, erhöht der Regler 30 den Steuerstrom 34 bei Bedarf bis auf den Maximalwert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Vorrichtung ein Transformator 60 vorgeschaltet, z.B. ein Spartransformator, mit dem die Netzspannung UN im Fall zu geringer Netzspannung hochtransformiert werden kann. Z.B. um 10 Prozent von UN = 350V auf UT = 385V. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist diesem Trafo 60 nachgeschaltet und erzeugt daraus einen geregelte Netzspannung von z.B. exakt UR = 380V. Der vorgeschaltete Trafo 60 ist bevorzugt nur dann aktiv, wenn die Netzspannung UN zu gering ist, z.B. wenn große Verbraucher das Netz belasten und dennoch keine der dezentralen Energiequellen aktiv ist, z.B. bei Dunkelheit und gleichzeitiger Windstille.
Die Aktivierung des vorgeschalteten Trafos 60 kann z.B. vor dem Einschalten großer Verbraucher erfolgen, wenn diese zu wenig Spannung vorfinden würden. Die Deaktivierung des vorgeschalteten Trafos 60 kann erfolgen, wenn die Notwendigkeit der Spannungsanhebung nicht mehr besteht. Dabei besteht aber parallel die Möglichkeit, der nachfolgenden Spannungsabsenkung durch die erfindungsgemäße elektromagnetische Vorrichtung 10.
Ausführungsbeispiele
Im bevorzugten Ausführungsfall besteht die elektromagnetische Regelvorrichtung aus einem mehrteiligen Magnetkern 40 aus geeigneten Kernblechen. Der Magnetkern 40 hat drei Aufnahmebereiche 41, 42, 43 für Wickelgüter (z.B. Kupferspulen). Eine Spule 23, die Steuerspule (S), umschließt den mittleren der Aufnahmebereiche 43 des komplexen Kerns 40 und erzeugt dort ein steuerndes Sättigungsfeld im sogenannten Steuerkern 43. Der eine Aufnahmebereich 41 ist von einer ersten Leistungsspule (L1) 11 umschlossen und der andere Aufnahmebereich 42 von einer zweiten Leistungsspule (L2) 12 im Gegentakt. D.h. z.B. mit der genau gleichen Wicklungsart aber in entgegengesetzter Stromrichtung. Die magnetischen Kreise der beiden Leistungsspulen 11, 12 führen jeweils durch den Steuerkern 43. Durch die veränderliche Sättigung des Steuerkerns 43 verändert sich der elektromagnetische Zustand im Kernmaterial und damit verändert sich auch die Induktivität der Leistungsspulen 11, 12. Die beiden Leistungsspulen werden über Leitung 13 im sogenannten Gegentakt in Serie geschaltet und die Phase der Netzspannung UN wird am Eingang 14 angeschlossen. Bezüglich des Nullleiters 50 liegt dann am Ausgang 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 eine geregelte reduzierte Spannung UR an, wobei die Spannungsreduzierung von der Höhe des Steuerstromes 34 abhängig ist. Die Höhe des Steuerstromes 34 wird z.B. nach Vorgabe eines Sollwerts 39 über einen elektronischen Regler 30, analog oder digital, so eingestellt, dass die gewünschte Spannung UR am Ausgang 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erzeugt wird. Die Vorrichtung 10 kann je nach Dimensionierung der Magnetspulen 11, 12, 23 und der Magnetkerne 40 für Leistungen von 10kVA, 30kVA, 100kVA oder mehr ausgelegt werden. Die Massen der Wickelgüter und Kerne sind dabei erheblich geringer als die bei vergleichbar wirkenden regelbaren Transformatoren. Sie betragen im Ausführungsbeispiel nur ca. 15% der Masse eines konventionellen regelbaren oder schaltbaren 400V Transformators für die gleiche Verbraucherleistung.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel benutzt zudem einen langlebigen und wartungsfreien analogen Stromsteller 30, um den Steuerstrom 34 der Steuerwicklung 23 so weit zu erhöhen oder zu reduzieren, bis die gewünschte Spannung am Ausgang erreicht ist. Die Spannungsversorgung 35 des Reglers 30 erfolgt z.B. durch Netzspannung UR oder UN und ein integriertes Netzteil. Das Steuersignal für den Sollwert 39 kommt z.B. drahtlos oder per Kabel 38 zum Empfänger 37.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform benutzt alternativ zum analogen Regler einen digitalen PI Regler, um den Steuerstrom 34 für das Sättigungsfeld im Steuermagnetkern 43 so einzustellen, dass am Verbraucher, dem die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 vorgeschaltet ist, genau die gewünschte Spannung UR erreicht ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform benutzt einen Vorschalt- Transformator 60, besonders bevorzugt in Sparwicklung, um zunächst die Netzspannung UN hoch zu transformieren auf UT, z.B. um 10%, um dann die hoch transformierte Spannung UT durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 auf einen Spannungswert UR zu regeln, der im besonders bevorzugten Fall höher ist als der ursprüngliche Wert der Netzspannung UN.
Das Verfahren zur Regelung der zur Verfügung gestellten Spannung umfasst folgende Schritte:

a) Aufnahme eines Spannungssignales 32 in den Regler 30, bevorzugt Aufnahme des Spannungs-Signals vom Ausgang 15 der Vorrichtung 10 oder alternativ Spannungssignal direkt vom Verbraucher.
b) Falls Spannung 32 dort im Vergleich zum Sollwert 39 zu hoch: Reduzierung des Steuerstroms 34 durch Spule 23 zur Reduzierung der Sättigung im Steuerkern 43, zurück zu a)
c) Falls Spannung 32 im Vergleich zum Sollwert 39 zu niedrig: Erhöhung des Steuerstroms 34 zur Erhöhung der Sättigung im Steuermagnetkern 43, zurück zu a)
d) Falls Steuerstrom 34 gleich Maximalwert: der Spannungsabfall an Vorrichtung 10 ist minimal. Keine weitere Regelungsfunktion in Vorrichtung 10 möglich. Optional wird Vorschalt-Trafo 60 wird aktiviert.

Das besonders bevorzugte Verfahren für die Vorrichtung mit Vorschalt-Trafo umfasst zusätzlich die Schritte:

e) Falls Steuerstrom 34 fast maximal oder maximal: Aktivierung des Vorschalt-Trafos 60 und Hochtransformation der Netzspannung UN auf UT
f) Nun zurück zu a)
g) Erfassung der Netzspannung UN. Falls diese wieder ansteigt: Deaktivierung des Vorschalt-Trafos 60 bei der nächsten Gelegenheit
h) Nächste Gelegenheit ist bei stufenlos schaltbaren Trafos 60 sofort, bei nur leistungslos schaltbaren Trafos 60 der nächste leistungslose Fall, z.B. ein einer Arbeitspause des Verbrauchers.

Bezugszeichenliste

10: Elektromagnetische Vorrichtung
11: Leistungswicklung 1
12: Leistungswicklung 2
13: Leitungsbrücke L1 L2
14: Spannungseingang netzseitig
15: Spannungsausgang verbraucherseitig
16: interner Anschluss Leistungsspule L1
17: interner Anschluss Leistungsspule L2
23: Steuerspule S
24: Masse für Steuerspannung Gleichstrom
25: Steuerspannung Gleichstrom eingestellt von SR Regelvorrichtung 30
30: Regelvorrichtung für Einstellung des Steuerstroms 34 an Klemme 25
31: Anschluss für Messsignal Wechselspannung UR
32: Messleitung Spannungsmessung an Klemme 15
33: Anschluss für Steuerstrom 34 zur elektromagnetischen Vorrichtung
34: Steuerstrom Gleichstrom für Steuerspule 23
35: Spannungsversorgung der Regelvorrichtung 30
37: Schnittstelle für Sollwertsignal 39
38: Übertragungselement für Sollwertsignal 39
39: Sollwertvorgabe
40: Magnetkern zusammengesetzt
41: Aufnahmebereich für L1
42: Aufnahmebereich für L2
43: Aufnahmebereich für S und Steuermagnetkern
50: Nullleiter
51: Referenz Nullleiter für Netzspannung
52: Referenz Nullleiter für Regelspannung
60: Vorschalttransformator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60215381 T2 [0004]
DE 1690597 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Spannungsregelung insbesondere an Stromnetzen dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bauteile und Komponenten enthält: a) Elektromagnetische Vorrichtung (10) mit Steuerspule (23) auf Steuermagnetkern (43) zur Erzeugung eines Sättigungsfeldes im Steuermagnetkern (43), b) und mindestens eine Leistungsspule (11, 12) auf einem Leistungsmagnetkern 41, 42 mit magnetischem Kreis, der durch den Steuermagnetkern 43 verläuft, c) und komplexer Magnetkern (40) für die Führung der magnetischen Kreise der Wickelgüter (11, 12) und (23) d) und Vorrichtung (30) zur Einstellung des Steuerstroms (34) durch die Steuerspule (23) abhängig von Sollwert (39) und der gemessenen erzeugten Nutzspannung (32), e) und Anschluss der lokalen Netzspannung (UN) oder der optional vortransformierten Netzspannung (UT) an der Vorrichtung (10), insbesondere am Eingang (14) der Leistungsspule (11) f) Anschluss des Verbrauchers am Spannung (UR) führenden Ausgang (15) der Leistungsspule (12).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Regelung (30) den Sollwert (39) benutzt und das Spannungssignal (32) und den Steuerstrom (34) so hoch einstellt, dass am Spannungs-Mess-Signal (32) möglichst die gewünschte Spannung (UR) anliegt, insbesondere indem die Steuerstromstärke (34) reduziert wird wenn die gemessene Spannung (32) höher ist als der Sollwert (39).
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Phase des Stromnetzes paarweise Leistungsspulen (11) und (12) in elektromagnetischer Gegentaktschaltung verwendet werden, insbesondere gleiche Wicklungszahlen, gleiche Wicklungsgeometrie aber entgegengesetzte Stromrichtung und Induktion.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer zusammen gesetzter Magnetkern (40) verwendet wird, mit den Aufnahmebereichen (41, 42) und (43) für die Leistungsspulen (11) und (12) sowie für die Steuerspule (23), wobei die Steuerspule (23) im Aufnahmebereich (43) zwischen den beiden Aufnahmebereichen (41) und (42) der Leistungsspulen (L1, L2) angebracht ist, insbesondere im mittleren der drei Schenkel des Magnetkerns (40).
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kombination mit einem Regler (30) zur Spannungs-Regelung an einer einphasigen Netzleitung bildet, wobei der Sollwert (39) nach den Ansprüchen des Verbrauchers oder des Netzes vorgegeben wird (Smart Grid).
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei paarweise Kombinationen aus je einer elektromagnetischen Vorrichtung (10.1, 10.2, 10.3) mit Regelvorrichtungen (30.1, 30.2, 30.3) zur Spannungs-Regelung an einer dreiphasigen Netzleitung vorgesehen sind, wobei der jeweilige Sollwert der drei Phasen (39.1, 39.2, 39.3) nach den Ansprüchen des Verbrauchers oder des Netzes vorgegeben wird, insbesondere im Sinne einer Smart Grid Regelung.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese kombiniert ist mit mindestens einem vor- geschalteten Transformator (60), insbesondere Spartransformator, der die Netzspannung (UN) elektromagnetisch transformiert auf (UT), insbesondere anhebt, insbesondere um etwa 5 bis 10 Prozent.
Verfahren zur Regelung einer Netzspannung an einem Wechselspannungsnetz für Verbraucher, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: a) Erfassen der Wechselspannung (32), insbesondere am Netzausgang (15) oder direkt am Verbraucher durch die Regelvorrichtung (30) b) Vergleichen der erfassten Spannung (32) mit einem Sollwert (39) c) Einstellung eines Steuerstroms (34), insbesondere Gleichstrom, für eine Steuerspule (23) als Teil einer Vorrichtung (10) gemäß Ansprüchen 1 bis 7 durch Verringerung des Steuerstroms (34), wenn die gemessene Spannung (32) zu hoch ist und Erhöhung des Steuerstroms (34), wenn die gemessene Spannung zu gering ist. d) optional Zuschalten eines Vorschalttransformators (60) für den Fall dass die Steuerspannung (34) bereits sehr weit oder ganz auf den Maximalwert angehoben ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (39) für die Regelvorrichtung (30) durch eine Smart Grid Technologie dynamisch und zeitlich veränderlich vorgegeben wird und der Steuerstrom (34) entsprechend variiert wird und die elektromagnetische Vorrichtung (10) einen entsprechenden komplexen Spannungsabfall erzeugt, so dass der Sollwert soweit wie innerhalb der Regelgrenzen möglich erreicht wird.