DE102015105707A1 - Hybrid-Leistungskonverter für Erneuerbare-Energie-Kraftwerk - Google Patents

Hybrid-Leistungskonverter für Erneuerbare-Energie-Kraftwerk Download PDF

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Abstract

Ein Hybrid-Leistungskonverter-System, umfassend: eine erste Leistungsschiene, die mit einer Gleichstrom-Energiequelle verbunden ist, eine zweite Leistungsschiene, die mit einer Wechselstrom-Last verbunden ist, und eine dritte Leistungsschiene, die mit einer Energiespeicher-Vorrichtung verbunden ist. Ein oder mehrere Leistungskonverter sind mit der ersten Leistungsschiene parallel geschaltet und sind mit der zweiten und der dritten Leistungsschiene jeweils durch einen Schalter verbunden. Das System enthält einen ersten Schalter zum Verbinden oder Trennen eines Leistungskonverters mit bzw. von der zweiten Leistungsschiene und einen zweiten Schalter zum Verbinden oder Trennen des Leistungskonverters mit oder. von der dritten Leistungsschiene, um die Energiequelle, die entweder von der Gleichstrom-Energiequelle oder der Energiespeicher-Vorrichtung zu der Wechselstrom-Last übertragen wird, umzuschalten. Mit zusätzlichen Leistungskonvertern, die in ähnlicher Weise in das System eingebunden werden, sind verschiedene Kombinationen von Stromversorgungen möglich.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft die Konversion von Leistung für eine erneuerbare Energie-Anlage. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Offenbarung ein Hybrid-Leistungskonverter-System, das dafür konfiguriert ist, Verbindungen von drei verschiedenen Leistungsschienen zusammen zur Verfügung zu stellen. Die Leistungsschienen können eine Leistungsschiene für eine Gleichstrom-Energiequelle, eine Leistungsschiene für eine Wechselstrom-Last und eine Leistungsschiene für eine Energiespeicher-Einheit enthalten. Ausführungsformen der Offenbarung können ebenfalls eine erneuerbare Energie-Anlage, die das Hybrid-Leistungskonverter-System umfasst, und ein Verfahren zur Energiekonversion an einer erneuerbaren Energie-Anlage enthalten.
  • BESCHREIBUNG VERWANDTER TECHNIK
  • Als Hintergrund werden hiermit die folgenden Patente und Patentanmeldungen jeweils durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen: chinesische Patentanmeldung Nr. CN 102769302 und CN 103296695 ; japanische Patentanmeldung Nr. JP 2012075224 ; koreanische Patentanmeldung Nr. KR 20110014027 , KR 20120110478 , und KR 20130138611 ; taiwanesische Patentanmeldung Nr. TW 201328101 ; US-Patentanmeldung Nr. US 20090189445, US 20110095606, US 20110137481, US 20120013190, US 20120013192, US 20120313436, US 20130051105, US 20130234521 und US 20130328397; US Patent Nr. US 7411308 , US 8344550 , und US 8482155 ; und PCT-Anmeldung Nr. WO 2013004067 und WO 2007018830 .
  • Erneuerbare Energie-Quellen wie Solar-Kraftwerke unterliegen aufgrund von Veränderungen der Umgebung in ihrer Nähe einer nicht-vorhersagbaren Abgabe von Leistung. Zu den wichtigsten Faktoren zählen Bewegungen von Wolken, die zu schnellen Schwankungen der Abgabe von Leistung führen können. Da der Prozentsatz der Leistung, den solche Anlagen in das öffentliche Stromnetz einspeisen, zunehmend ansteigt, steigt auch der Schweregrad des Problems an. Seit einiger Zeit verlangen Versorgungsunternehmen, dass neue Solar-Kraftwerke mit Merkmalen ausgestattet werden, die verhindern, dass sich ihre Leistungsabgabe schneller als mit einer vorgegebenen Rate ändert.
  • Es gibt zwei Verfahren um diese neuen Anforderungen zu erfüllen. Der erste und gängigste Ansatz ist, irgendeine Art von Energiespeicher- oder -erzeugungsfähigkeit innerhalb des Kraftwerksbereiches aufzunehmen. Dazu gehören Batterie-Systeme oder Diesel-Generatoren, welche die durch die Anlage erzeugte Leistung ergänzen können, wenn Wolkenereignisse eintreten, so dass die Abgabe von Leistung innerhalb der geforderten Spezifikationen bleibt. Während dieser Ansatz technisch unkompliziert ist, so stellt er aufgrund der hohen Kosten des Speicherelements oder des Widerstands gegen die Aufstellung von Diesel-Generatoren ernsthaft die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Projekts in Frage. Der zweite und weniger übliche Ansatz ist, das Wetter in einer solchen Weise vorherzusagen, dass die Leistungsabgabe der Anlage bereits im Voraus allmählich angepasst werden kann, wenn eine Wolkenbedeckung auftreten könnte. Die oben genannten Verfahren können unabhängig voneinander oder in verschiedenen Graden in Kombination miteinander angewendet werden.
  • Frühere Lösungsansätze des Energiespeicherverfahrens haben irgendeine Form der Konversion von Leistung gefordert. Die Konversion von Leistung erlaubt einen Energiefluss von den Energie-Quellen und Lasten, die völlig unterschiedliche Eigenschaften haben. Insbesondere passen oft Spannung und Frequenz zwischen einer Energie-Quelle und einer Last nicht zusammen. Außerdem können verschiedene Lasten unterschiedliche Eigenschaften haben. In Systemen mit drei Leistungsschienen müssen in der Regel zwei Leistungskonverter verwendet werden, um die drei Schienen zu verbinden- einen Konverter zum Konvertieren von Leistung zwischen der erneuerbaren Quelle und dem Wechselstrom-Netz und einen zweiten Konverter zwischen dem Wechselstrom-Netz und dem Energiespeicher-Element, oft ein Batterie-Bank. Ein Problem bei dieser Herangehensweise ist, dass zwei Konverter sowie die Infrastruktur zum Verbinden der Konverter mit dem Wechselstrom-Netz benötigt werden. Dies verdoppelt praktisch die Kosten der Konverter-Hardware. Darum besteht auf diesem technischen Gebiet Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren zur Konvertierung von Leistung an erneuerbare Energie-Anlagen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung stellt ein Hybrid-Leistungskonverter-System bereit, das ein praktisches Mittel zur Verfügung stellt, um eine Konversion von Leistung zwischen drei Leistungsschienen zu ermöglichen, von denen jede andere Eigenschaften hat. Die Topologie des Systems hat den Vorteil, dass sie einen einzelnen Leistungskonverter hat, der in der Lage ist, Leistung zwischen den drei verschiedenen Leistungsschienen fließen zu lassen. Die vorliegende Offenbarung ist insbesondere auf erneuerbare Energie Kraftwerke anwendbar, wo Systeme oft Energiespeicher-Elemente enthalten.
  • In Ausführungsformen ist ein Hybrid-Leistungskonverter zum Anschluss an mindestens drei Leistungsschienen enthalten, wobei der Hybrid-Leistungskonverter umfasst:
    eine Leistungsbrücke, die in der Lage ist, Wechselstrom-Leistung aus einer Gleichstrom-Schiene zu erzeugen, die durch eine erneuerbare Stromquelle gespeist wird;
    ein Energiespeicher-Element;
    einen Schalter zum Isolieren der Leistungsbrücke von einer Wechselstrom-Schiene;
    einen Schalter zum Isolieren der Leistungsbrücke von dem Energiespeicher-Element;
    einen Controller zum sequentiellen Ansteuern der Schalter entsprechend der Menge an Leistung, die von der erneuerbaren Ressource verfügbar ist.
  • Solche Ausführungsformen können auch mehr als eine Leistungsbrücke enthalten, die parallel arbeiten.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Hybrid-Leistungskonverter-System zum Verbinden mindestens dreier verschiedener Leistungsschienen, wobei das System umfasst: einen Leistungskonverter oder eine Leistungsbrücke, der bzw. die in der Lage ist, Wechselstrom-Leistung aus einer Gleichstrom-Schiene zu erzeugen, die durch eine erneuerbare Energie-Quelle gespeist wird, ein Energiespeicher-Element, einen Schalter zum Isolieren des Leistungskonverters von der Wechselstrom-Schiene, einen Schalter zum Isolieren des Leistungskonverters von dem Energiespeicher-Element, und optional einen Controller zum sequentiellen Ansteuern der Schalter entsprechend der Menge an Leistung, die von der erneuerbaren Ressource verfügbar ist. Das Leistungskonverter-System kann des Weiteren mehr als einen Leistungskonverter umfassen, die parallel arbeiten.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Hybrid-Leistungskonverter-System zum Verbinden mindestens dreier verschiedener Leistungsschienen, die eine erste, eine zweiten und eine dritte Leistungsschiene umfassen. Die erste Leistungsschiene kann mit einer Gleichstrom-Energiequelle verbunden sein, die zweite Leistungsschiene kann mit einer Wechselstrom-Last verbunden sein, und die dritte Leistungsschiene kann mit einem Energiespeicher-Element verbunden sein. Das Hybrid-Leistungskonverter-System kann des Weiteren einen ersten Leistungskonverter, der mit der ersten Leistungsschiene verbunden ist und zum Verbinden mit der zweiten und der dritten Leistungsschiene befähigt ist und Wechselstrom-Leistung aus der Gleichstrom-Leistung, welche durch die erste Leistungsschiene gespeist wird, erzeugen kann, einen ersten Schalter, der in der Lage ist, den ersten Leistungskonverter mit der zweiten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen, einen zweiten Schalter, der in der Lage ist, den ersten Leistungskonverter mit der dritten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen, und optional einen Controller, der geeignet ist, den ersten und den zweiten Schalter entsprechend der Menge an Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, sequentiell anzusteuern, umfassen.
  • Des Weiteren kann jede Ausführungsform des Systems dieser Offenbarung mehrere Leistungskonverter umfassen, die parallel arbeiten. Eine Ausführungsform kann einen zweiten Leistungskonverter umfassen, der mit der ersten Leistungsschiene parallel zu dem ersten Leistungskonverter verbunden ist, wobei der zweite Leistungskonverter die gleichen oder andere Fähigkeiten als der erste Leistungskonverter hat und mit einem dritten Schalter verbunden ist, der in der Lage ist, den zweiten Leistungskonverter mit der zweiten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen, und mit einem vierten Schalter verbunden ist, der in der Lage ist, den zweiten Leistungskonverter mit der dritten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen. Eine weitere Ausführungsform kann einen dritten Leistungskonverter umfassen, der mit der ersten Leistungsschiene parallel zu dem ersten und dem zweiten Leistungskonverter verbunden ist, wobei der dritte Leistungskonverter die gleichen oder andere Fähigkeiten als der erste und/oder der zweite Leistungskonverter hat und mit einem fünften Schalter verbunden ist, der in der Lage ist, den dritten Leistungskonverter mit der zweiten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen, und mit einem sechsten Schalter, der in der Lage ist, den dritten Leistungskonverter mit der dritten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen. Eine weitere Ausführungsform kann einen vierten Leistungskonverter umfassen, der mit der ersten Leistungsschiene parallel zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Leistungskonverter verbunden ist, wobei der vierte Leistungskonverter die gleichen oder andere Fähigkeiten wie der erste, zweite und/oder dritte Leistungskonverter hat und mit einem siebenten Schalter verbunden ist, der in der Lage ist, den vierten Leistungskonverter mit der zweiten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen, und mit einem achter Schalter, der in der Lage ist, den vierten Leistungskonverter mit der dritten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen. Eine weitere Ausführungsform kann einen oder mehrere zusätzliche Leistungskonverter umfassen, die mit der ersten Leistungsschiene parallel zu ersten, zweiten, dritten und/oder dem vierten Leistungskonverter verbunden sind, wobei jeder zusätzliche Leistungskonverter zum Verbinden mit der zweiten und der dritten Leistungsschiene befähigt ist und Wechselstrom-Leistung aus der Gleichstrom-Leistung, welche durch die erste Leistungsschiene gespeist wird, erzeugen kann, und wobei jeder zusätzliche Leistungskonverter mit einem zusätzlichen Paar Schalter verbunden ist, die in der Lage sind, den zusätzlichen Leistungskonverter mit der zweiten und der dritten Leistungsschiene zu verbinden oder von dieser zu trennen. Allgemein gilt in den Ausführungsformen, dass, wenn ein Schalter zu einem Leistungskonverter offen ist, der andere Schalter geschlossen ist, so dass Energie von jenem Leistungskonverter nur durch entweder die zweite oder die dritte Leistungsschiene fließt. Des Weiteren kann in jeder der durch diese Offenbarung bereitgestellten Ausführungsformen der Controller geeignet sein, betrieben zu werden, um einen oder mehrere oder alle der Schalter entsprechend der Menge an Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, sequentiell anzusteuern.
  • In jeder Ausführungsform dieser Offenbarung kann die Gleichstrom-Energiequelle ein oder mehrere Photovoltaik-Module an einer Solar-Energie-Anlage oder eine oder mehrere Turbinen an einer Wind- oder Gezeiten-Energie-Anlage umfassen. Gleichermaßen können in jeder Ausführungsform dieser Offenbarung ein oder mehrere oder jeder Leistungskonverter einen Wechselrichter umfassen.
  • Eine zusätzliche Ausführungsform dieser Offenbarung umfasst eine erneuerbare Energie-Anlage, die einen Hybrid-Leistungskonverter dieser Offenbarung umfasst.
  • Eine zusätzliche Ausführungsform dieser Offenbarung enthält ein Verfahren zur Energiekonversion an einer erneuerbaren Energie-Anlage, welches das sequentielle Ansteuern des ersten und des zweiten Schalters des Hybrid-Leistungskonverter-Systems dieser Offenbarung entsprechend der Menge an Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, umfasst, dergestalt, dass, wenn die Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, reduziert wird, der erste Schalter aktiviert wird, um den ersten Leistungskonverter von der zweiten Leistungsschiene zu trennen und der zweite Schalter aktiviert wird, um den ersten Leistungskonverter mit der dritten Leistungsschiene zu verbinden, wobei das sequentielle Ansteuern durch einen Computerprozessor ausgeführt wird.
  • In einer Ausführungsform weist das Hybrid-Leistungskonverter-System des Weiteren einen oder mehrere zusätzliche Konverter auf, die mit der ersten Leistungsschiene parallel zu dem ersten Konverter verbunden sind, wobei jeder zusätzliche Konverter ein zusätzliches Paar Schalter hat, die in der Lage sind, den zusätzlichen Konverter mit der zweiten und der dritten Leistungsschiene zu verbinden oder von diesen zu trennen, wobei das Verfahren des Weiteren das sequentielle Ansteuern des zusätzlichen Paares von Schaltern entsprechend der Menge an Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, umfasst.
  • Konkrete Ausführungsformen dieser Offenbarung enthalten Aspekt 1, der ein Hybrid-Leistungskonverter-System ist, umfassend
    eine Gleichstrom-Energiequelle, wie zum Beispiel ein oder mehrere Photovoltaik-(PV)-Module;
    eine Gleichstrom-Schiene;
    einen dreiphasigen Leistungskonverter zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung, wobei der Leistungskonverter mit einer ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist, welche die Gleichstrom-Energiequelle und die Gleichstrom-Schiene umfasst;
    wobei der Leistungskonverter durch einen ersten Schalter S1 mit einer zweiten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die einen Wandler umfasst, und durch einen zweiten Schalter S2 mit einer dritten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die eine Energiespeicher-Vorrichtung umfasst, unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nie mehr als einer der Schalter S1 oder S2 offen ist;
    so dass während des Gebrauchs, wenn Schalter S1 offen ist und Schalter S2 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu dem Wandler zugeführt werden kann, und wenn Schalter S2 offen ist und Schalter S1 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu der Energiespeicher-Vorrichtung zugeführt werden kann.
  • Aspekt 2 weist das System von Aspekt 1 auf, wobei die Gleichstrom-Energiequelle ein Gerät zum Konvertieren einer erneuerbaren Energiequelle in Gleichstrom-Leistung ist.
  • Aspekt 3 weist das System von Aspekt 1 oder 2 auf, wobei das Gerät zum Konvertieren einer erneuerbaren Energiequelle in Gleichstrom-Leistung ein oder mehrere PV-Module ist.
  • Aspekt 4 weist das System nach einem der Aspekte 1–3 auf, wobei das Gerät zum Konvertieren einer erneuerbaren Energiequelle in Gleichstrom-Leistung ein Photovoltaik-(PV)-Array von Photovoltaik-Modulen ist.
  • Aspekt 5 weist das System nach einem der Aspekte 1–4 auf, wobei das PV-Array PV-Module umfasst, die zueinander in Reihe und parallel geschaltet sind.
  • Aspekt 6 ist das System nach einem der Aspekte 1–5, das des Weiteren einen Controller umfasst, der dafür konfiguriert ist, Schalter S1 und S2 während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  • Aspekt 7 ist ein Hybrid-Leistungskonverter-System, umfassend:
    eine erste Leistungsschiene, die ein oder mehrere Photovoltaik-Module umfasst, die mit einer Gleichstrom-Schiene wirkverbunden sind;
    einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter, von denen jeder zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung konfiguriert ist und parallel mit der ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist;
    eine zweite Leistungsschiene mit einem oder mehreren Wandlern, und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden;
    eine dritte Leistungsschiene mit einer oder mehreren Energiespeicher-Vorrichtungen, und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden;
    unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als ein Schalter zwischen dem ersten Leistungskonverter und der zweiten oder der dritten Leistungsschiene offen ist und nicht mehr als ein Schalter zwischen dem zweiten Leistungskonverter und der zweiten oder der dritten Leistungsschiene offen ist;
    so dass während des Gebrauchs, wenn ein Schalter zwischen der zweiten Leistungsschiene und dem ersten oder dem zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von den Photovoltaik-Modulen durch die zweite Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, und wenn ein Schalter zwischen der dritten Leistungsschiene und dem ersten oder dem zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von der Energiespeicher-Vorrichtung durch die dritte Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, um Energie von den Photovoltaik-Modulen zu ergänzen oder zu ersetzen.
  • Aspekt 8 ist das System von Aspekt 7, wobei das eine oder mehrere Photovoltaik-Module ein Photovoltaik-(PV)-Array umfassen, das ein Vielzahl an PV-Modulen umfasst, die zueinander in Reihe und parallel geschaltet sind.
  • Aspekt 9 ist das System von Aspekt 7 oder 8, das des Weiteren einen Controller umfasst, der dafür konfiguriert ist, die Schalter während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die aus den Photovoltaik-Modulen verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  • Aspekt 10 ist das System nach einem der Aspekte 7–9, das des Weiteren umfasst:
    einen oder mehrere zusätzliche Leistungskonverter, die mit der ersten Leistungsschiene parallel zu dem ersten und dem zweiten Leistungskonverter wirkverbunden sind;
    wobei jeder des einen oder mehrerer zusätzlicher Leistungskonverter mit der zweiten Leistungsschiene durch einen Schalter und mit der dritten Leistungsschiene durch einen Schalter wirkverbunden ist;
    unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als ein (d. h. ein oder kein) Schalter zwischen dem zusätzlichen Leistungskonverter und der zweiten oder der dritten Leistungsschiene offen ist und nicht mehr als ein (d. h. ein oder kein) Schalter zwischen dem zusätzlichen Leistungskonverter und der zweiten oder dritten Leistungsschiene offen ist;
    wobei während des Gebrauchs Energie zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann:
    von den Photovoltaik-Modulen durch die zweite Leistungsschiene und einen oder mehrere des ersten, zweiten oder zusätzlichen Leistungskonverter, wenn ein Schalter zwischen dem ersten, zweiten oder zusätzlichen Leistungskonvertern und dem Wandler offen ist; und/oder
    von der Energiespeicher-Vorrichtung durch die dritte Leistungsschiene und einen oder mehrere des ersten, zweiten oder der zusätzlichen Leistungskonverter, wenn ein Schalter zwischen dem ersten, zweiten oder den zusätzlichen Leistungskonvertern und der Energiespeicher-Vorrichtung offen ist.
  • Aspekt 11 ist das System nach einem der Aspekte 7–10, das des Weiteren einen Controller umfasst, der operativ dafür konfiguriert ist, die Schalter während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die aus den Photovoltaik-Modulen verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  • Aspekt 12 ist das System nach einem der Aspekte 7–11, umfassend:
    einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter und zwei zusätzliche Leistungskonverter, für eine Gesamtheit von vier Leistungskonvertern;
    wobei jeder der vier Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene parallel miteinander wirkverbunden ist;
    wobei die Leistungskonverter jeweils eine identische Nenn-Leistung (PU) haben;
    derart dass, während des Gebrauchs, das System in der Lage ist, eine Mindest-Wechselstrom-Abgabe, eine Maximal-Wechselstrom-Abgabe und eine Energiespeicherleistung wie folgt bereitzustellen:
    a) mit dem Schalter eines jeden Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einem Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 4 PU und einer Energiespeicherleistung von 0 PU befähigt;
    b) mit dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter eines Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 3 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–1 PU befähigt;
    c) mit dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–2 PU befähigt;
    d) mit dem Schalter eines Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU und einer Energiespeicherleistung von –3 PU bis +1 PU befähigt;
    e) mit keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von jedem Leistungskonverter zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU und einer Energiespeicherleistung von –4 PU bis 0 PU befähigt.
  • Aspekt 13 ist das System nach einem der Aspekte 7–12, das des Weiteren einen Controller umfasst, der dafür konfiguriert ist, die Schalter während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die aus den Photovoltaik-Modulen verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  • Aspekt 14 ist das System nach einem der Aspekte 1–13, wobei die Gleichstrom-Energiequelle ein oder mehrere Photovoltaik-Module an einer Solar-Energie-Anlage, eine oder mehrere Turbinen an einer Wind-Energie-Anlage oder eine oder mehrere Turbinen an einer Gezeiten-Energie-Anlage umfasst.
  • Aspekt 15 ist ein Verfahren zum Verwalten von Energie, die von einer Stromquelle, wie zum Beispiel einer Gleichstrom-Energiequelle, zu einer Wechselstrom-Last übertragen wird, umfassend:
    Überwachen einer Menge an Leistung, die von einer Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, die mit einer ersten Leistungsschiene verbunden ist, um eine Änderung oder potenzielle Änderung der Leistungsabgabe zu erkennen;
    in Reaktion auf das Erkennen einer verringerten Menge an Leistung von der Gleichstrom-Energiequelle, Schließen eines Schalters zwischen einem Leistungskonverter, wobei der Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene verbunden ist, und einer zweiten Leistungsschiene, die einen Wandler umfasst; und Öffnen eines Schalters zwischen jenem Leistungskonverter und einer dritten Leistungsschiene, die eine oder mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen umfasst; und
    Ermöglichen, dass Energie von den Energiespeicher-Vorrichtungen zu einer Wechselstrom-Last fließen kann.
  • Aspekt 16 ist das Verfahren von Aspekt 15, wobei die erste Leistungsschiene Teil eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems ist, das des Weiteren umfasst:
    eine Gleichstrom-Energiequelle;
    eine Gleichstrom-Schiene;
    einen dreiphasigen Leistungskonverter zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung;
    wobei der Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist, welche die Gleichstrom-Energiequelle und die Gleichstrom-Schiene umfasst;
    wobei der Leistungskonverter durch einen ersten Schalter S1 mit einer zweiten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die einen Wandler umfasst, und durch einen zweiten Schalter S2 mit einer dritten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die eine Energiespeicher-Vorrichtung umfasst, unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als einer der Schalter S1 oder S2 offen ist;
    so dass während des Gebrauchs, wenn Schalter S1 offen ist und Schalter S2 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu dem Wandler zugeführt werden kann, und wenn Schalter S2 offen ist und Schalter S1 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu der Energiespeicher-Vorrichtung zugeführt werden kann.
  • Aspekt 17 ist das Verfahren von Aspekt 15 oder 16, wobei die erste Leistungsschiene ein oder mehrere Photovoltaik-Module umfasst, die mit einer Gleichstrom-Schiene wirkverbunden sind, und wobei die erste Leistungsschiene Teil eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems ist, das des Weiteren umfasst:
    einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter, von denen jeder zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung konfiguriert ist und parallel mit der ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist;
    eine zweite Leistungsschiene, die einen oder mehrere Wandler umfasst und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden ist;
    eine dritte Leistungsschiene mit einer oder mehreren Energiespeicher-Vorrichtungen und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden;
    unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als ein Schalter zwischen dem ersten Leistungskonverter und zweiten oder dritten Leistungsschiene offen ist und nicht mehr als ein Schalter zwischen dem zweiten Leistungskonverter und der zweiten oder dritten Leistungsschiene offen ist;
    so dass während des Gebrauchs, wenn ein Schalter zwischen der zweiten Leistungsschiene und dem ersten oder dem zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von den Photovoltaik-Modulen durch die zweite Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, und wenn ein Schalter zwischen der dritten Leistungsschiene und dem ersten oder dem zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von der Energiespeicher-Vorrichtung durch die dritte Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, um Energie von den PV-Modulen zu ergänzen oder zu ersetzen.
  • Aspekt 18 ist das Verfahren nach einem der Aspekte 15–17, wobei das Hybrid-Leistungskonverter-System des Weiteren umfasst:
    einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter und zwei zusätzliche Leistungskonverter, für eine Gesamtheit von vier Leistungskonvertern;
    wobei jeder der vier Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene parallel miteinander wirkverbunden ist;
    wobei die Leistungskonverter jeweils eine identische Nenn-Leistung (PU) haben;
    so dass, während des Gebrauchs, das System in der Lage ist, eine Mindest-Wechselstrom-Abgabe, eine Maximal-Wechselstrom-Abgabe und eine Energiespeicherleistung wie folgt bereitzustellen:
    a) mit dem Schalter jedes Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 4 PU und einer Energiespeicherleistung von 0 PU befähigt;
    b) mit dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter eines Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 3 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–1 PU befähigt;
    c) mit dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–2 PU befähigt;
    d) mit dem Schalter eines Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU und einer Energiespeicherleistung von –3 PU zu +1 PU befähigt;
    e) mit keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter jedes Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU und einer Energiespeicherleistung von –4 PU bis 0 PU befähigt.
  • Aspekt 19 ist das Verfahren nach einem der Aspekte 15–18, wobei das Verfahren das Öffnen oder Schließen der Schalter unter Verwendung eines Computerprozessors umfasst.
  • Aspekt 20 ist das Verfahren nach einem der Aspekte 15–19, wobei das Überwachen eines oder mehrere umfasst aus: Vorhersagen des Wetters im Umkreis der Gleichstrom-Energiequelle, Messen der Leistungsabgabe der Gleichstrom-Energiequelle, oder eine Kombination von beidem.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dürfen nicht dazu verwendet werden, die Erfindung einzuschränken oder zu begrenzen. Zusammen mit der schriftlichen Beschreibung dienen die Zeichnungen der Erläuterung bestimmter Prinzipien der Erfindung.
  • 1 ist ein schematisches Schaubild eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems mit einem Leistungskonverter gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
  • 2 ist ein schematisches Schaubild eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems mit zwei parallel geschalteten Leistungskonvertern gemäß dieser Offenbarung.
  • 3 ist ein schematisches Schaubild eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems mit vier parallel geschalteten Leistungskonvertern gemäß dieser Offenbarung.
  • 4 ist eine Tabelle, welche die Nenn-Leistung der Konverter von 3 entsprechend ihrer Konnektivität gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Es wird nun im Detail auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung eingegangen. Es versteht sich, dass die folgende Besprechung beispielhafter Ausführungsformen nicht als eine Einschränkung der Erfindung gedacht ist. Vielmehr soll die folgende Besprechung dem Leser ein detaillierteres Verständnis bestimmter Aspekte und Merkmale der Erfindung vermitteln.
  • Im Sinne des Kontextes dieser Offenbarung können die Begriffe „Leistungsbrücke” und „Leistungskonverter” synonym verwendet werden.
  • Des Weiteren kann im Sinne dieser Offenbarung ein „Energiespeicher-Element” auch als ein „Stromspeicher-Element” oder eine „Energiespeicher-Vorrichtung” oder eine „Stromspeicher-Vorrichtung” bezeichnet werden. Solche Speicher-Elemente/Vorrichtungen können auch als eine Batterie-Bank bezeichnet werden, umfassend einen oder eine Vielzahl solcher Speicher-Elemente/Vorrichtungen umfasst.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems 10 der vorliegenden Offenbarung mit drei Leistungsschienen. Die erste Leistungsschiene 15 ist ein Array von Gleichstrom-Energiequellen, wie zum Beispiel Photovoltaik-Modulen, die in Reihe und parallel angeordnet sind und eine Gleichstrom-Schiene 20 speisen, die einen dreiphasigen Leistungskonverter 25 speist.
  • Der Ausgang des Leistungskonverters 25 ist entweder mit Wandlern 30A30C für jede Phase oder mit einer Batterie-Bank 45 durch einen Schalter 70 bzw. einen Schalter 60 verknüpft oder verbunden. Wenn der Schalter 60 geschlossen ist und der Schalter 70 offen ist, so kann Energie von dem PV-Array 15 zu den Wandlern 30A30C und zu dem Wechselstrom-Netz 35 durch die Wechselstrom-Schiene 40 fließen. Wenn der Schalter 60 offen ist und der Schalter 70 geschlossen ist, so kann Energie von dem PV-Array 15 zu der Batterie-Bank 45 durch die Batterie-Schiene 50 fließen. In Ausführungsformen ist nie mehr als einer der Schalter 60 und 70 während des Gebrauchs des Systems offen. Der gezeigte Leistungskonverter 25 kann veranlassen, dass Energie in beide Richtungen fließt, weil aber das PV-Array 15 nicht selbst Energie absorbieren kann, ist das in der gezeigten Konfiguration möglich.
  • Wenn wir nun die in 2 dargestellte Ausführungsform betrachten, gibt es mehr Flexibilität wie Energie durch das System fließen kann, sobald mehrere Leistungskonverter selbst parallel geschaltet sind. In dieser Konfiguration 100 sind zwei Konverter 125A und 125B parallel angeschlossen, jede potenziell mit allen der drei separaten Leistungsschienen 120, 140, 150 verbunden. Wenn im Kontext dieser Offenbarung von einer Verbindung zwischen dem Leistungskonverter und einer Leistungsschiene die Rede ist, so gibt es einen Schalter zwischen den beiden, der zur Verfügung stellt, was hierin als eine Verbindung oder Potenzialverbindung bezeichnet werden kann weil, wenn der Schalter offen ist, Energie durch den Leistungskonverter zu der Leistungsschiene fließen kann, und wenn der Schalter geschlossen ist, es keinen derartigen Energiefluss gibt. Wenn beide Konverter 125A und 125B mit der Wechselstrom-Last 135 durch die Wechselstrom-Schiene 140 verbunden sind, so ist die Gesamtleistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle 115 zu der Wechselstrom-Last 135 fließen kann, die Summe der Bemessungen jedes Konverters. Wenn Leistung von der Gleichstrom-Energiequelle 115 verfügbar ist, so können ein oder beide Konverter 125A und 125B mit der Wechselstrom-Last 135 durch die Schalter 132A und 132B verbunden sein, wobei die Schalter 132A und 132B offen sind und die Schalter 134A und 134B geschlossen sind. Falls die von der Gleichstrom-Energiequelle 115 verfügbare Energie reduziert wird, wie zum Beispiel mangels Verfügbarkeit der erneuerbaren Ressource, so kann einer der Konverter 125A und 125B mit dem Energiespeicher-Element 145 durch die Schalter 134A oder 134B verbunden werden, wobei einer der Schalter 134A und 134B offen ist und einer der entsprechenden Schalter 132A und 132B geschlossen ist. In dieser Konfiguration wird Energie von der Energiespeicher-Leistungsschiene 150 zu der Gleichstrom-Schiene 120 geleitet, um die Leistung zu ergänzen, die von der erneuerbaren Ressource abgezogen wird. Dann wird die Gesamtheit dieser zwei Leistungsschienen 120 und 150 zu der Wechselstrom-Last 135 auf der Wechselstrom-Schiene 140 zugeführt. In dieser Konfiguration ist die Leistung von dem Speicherelement 145 durch die Bemessung des Konverters, an den es angeschlossen ist, begrenzt. Außerdem ist die Gesamtleistung der Gleichstrom-Energiequelle 115 und des Speicherelements 145 des Weiteren durch die Bemessung des Konverters (125A oder 125B) begrenzt, der an die Wechselstrom-Last 135 durch die Wechselstrom-Schiene 140 angeschlossen ist. Wenn die Konverter identisch sind, so ist die Leistung auf 50% beschränkt, aber es ist möglich, einen Energiefluss zu der Wechselstrom-Last 135 von nicht weniger als 50% der Bemessung des Konverters aufrecht zu erhalten – ungeachtet der Leistungsabgabe der erneuerbaren Ressource.
  • Wenn nun die Ausführungsform von 3 betrachtet wird, so wird das System noch flexibler, wenn mehrere Konverter parallel geschaltet sind. 3 zeigt eine Ausführungsform 200 mit vier parallel geschalteten Konvertern 225A225D. Die vier Konverter 225A225D sind mit einer Gleichstrom-Energiequelle 215 durch eine Gleichstrom-Schiene 220, einer Wechselstrom-Last 235 durch die Wechselstrom-Schiene 240 und einer Energiespeicher-Vorrichtung 245 durch die Energiespeicher-Leistungsschiene 250 in einer ähnlichen Konfiguration wie 2 verbunden. Schalter 232A232D können betrieben werden, um die Konverter 225A225D durch die Wechselstrom-Schiene 240 mit der Wechselstrom-Last 235 zu verbinden oder von dieser zu trennen, während Schalter 234A234D betrieben werden können, um die Konverter 234A234D durch die Energiespeicher-Leistungsschiene 250 mit dem Energiespeicher-Element 245 zu verbinden oder von diesem trennen. Im Kontext dieser Offenbarung können sich die Begriffe verbinden und trennen auf ein physisches Verbinden bzw. Trennen und/oder auf ein elektrisches Verbinden bzw. Trennen, zum Beispiel durch einen Schalter, beziehen.
  • In dieser Konfiguration sind die folgenden Kombinationen von Konvertern entsprechend ihrer Konnektivität in der Tabelle von 4 gezeigt. Unter der Annahme, dass die Konverter von identischen Bemessungen sind, zeigt die Tabelle die Mindest-Wechselstrom-Abgabe, die Maximal-Wechselstrom-Abgabe und die Energiespeicherleistung des Systems für die jeweiligen Kombinationen von Konvertern. In dieser Tabelle meint die Bezeichnung PU die Nenn-Leistung eines Konverters. Bei einem solchen Konverter-System ist eine Reihe von Zuständen verfügbar, um die Energie zu verwalten, die zu oder von jeder der Leistungsschienen fließt. Genauer gesagt, kann der Konverter einen relativ konstanten Energiefluss zu der Wechselstrom-Last aufrechterhalten, während er sein Energiespeicher-Element nutzt, um Energie von der variablen erneuerbaren Ressource zu erzeugen oder zu absorbieren. Ein einzelner Zustand erlaubt es praktisch dem System, 50% seiner Nenn-Leistungs-Abgabe aufrecht zu erhalten, selbst wenn keine Energie von der erneuerbaren Ressource verfügbar ist.
  • Ausführungsformen des Hybrid-Leistungskonverter-Systems dieser Offenbarung können einen Controller oder eine Controller-Komponente enthalten, der bzw. die zum sequentiellen Ansteuern der Schalter entsprechend der Menge an Leistung, die von der erneuerbaren Energiequelle verfügbar ist, konfiguriert ist. Der Controller kann einen Satz computerausführbarer Instruktionen umfassen, die in einem computerlesbaren Speicher gespeichert sind (welcher den Direktzugriffsspeicher (RAM) oder Nurlesespeicher (ROM) enthalten kann) welche dafür konfiguriert sind, eine Computerprozessorkomponente des Controllers anzuweisen, eine Schaltsequenz auf der Basis einer Rückmeldung oder Eingabe der Menge an Leistung, die von der erneuerbaren Energiequelle verfügbar ist, bereitzustellen. Die computerausführbaren Instruktionen können in Routinen, Subroutinen, Prozeduren, Objekten, Verfahren, Funktionen oder sonstigen Organisationen computerausführbarer Instruktionen organisiert sein, die dem Fachmann bekannt sind oder im Licht dieser Offenbarung bekannt werden, wobei die computerausführbaren Instruktionen dafür konfiguriert sind, einen Computer oder ein sonstiges Datenverarbeitungsgerät anzuweisen, die Schaltsequenz auszuführen. Des Weiteren können die computerausführbaren Instruktionen auf einem oder mehreren Algorithmen basieren, welche die Schaltsequenz in Bezug auf die Menge an Leistung, die von der erneuerbaren Energiequelle verfügbar ist, beschreiben. Die computerausführbaren Instruktionen können in jeder geeigneten Programmiersprache geschrieben werden.
  • Ausführungsformen der Offenbarung enthalten ebenfalls ein computerlesbares Medium, das eine oder mehrere Computerdateien umfasst, die einen Satz computerausführbarer Instruktionen umfassen, um die Schaltsequenzen und -operationen auszuführen. In beispielhaften Ausführungsformen können die Dateien aneinandergrenzend oder nicht-aneinandergrenzend auf dem computerlesbaren Medium gespeichert sein. Ausführungsformen können ein Computerprogrammprodukt enthalten, das die Computerdateien umfasst, entweder in der Form, dass das computerlesbare Medium die Computerdateien umfasst und optional einem Verbraucher durch Verpacken verfügbar gemacht wird, oder alternativ einem Verbraucher durch elektronische Verbreitung verfügbar gemacht wird. Im Sinne des Kontextes dieser Beschreibung enthält ein „computerlesbares Medium” jegliche Art von Computerspeicher, wie zum Beispiel (Floppy-)Disketten, herkömmliche Festplatten, CD-ROM, Flash-ROM, nicht-flüchtiger ROM, elektrisch löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EEPROM) und RAM.
  • In anderen Ausführungsformen der Offenbarung können Dateien, die den Satz computerausführbarer Instruktionen umfassen, in computerlesbarem Speicher auf einem einzelnen Computer oder über mehrere Computer verteilt gespeichert werden. Dem Fachmann ist im Licht dieser Offenbarung des Weiteren klar, wie die Controller-Komponente, alternativ oder zusätzlich zur Software, unter Verwendung von Hardware oder Firmware implementiert werden kann. Darum können im Sinne des vorliegenden Textes die Schaltoperationen des Controllers unter Verwendung beliebiger Kombinationen von Software, Hardware oder Firmware implementiert werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung enthalten einen oder mehrere Computer oder Geräte, auf die ein Satz der hierin beschriebenen computerausführbaren Instruktionen geladen wurde. Die Computer oder Geräte können ein Allzweckcomputer, ein Spezialcomputer oder ein sonstiges programmierbares Datenverarbeitungsgerät sein, um eine bestimmte Maschine herzustellen, so dass der eine oder mehrere Computer oder Geräte dafür instruiert und konfiguriert werden, Schaltoperationen der Offenbarung auszuführen. Der Computer oder Gerät, der bzw. das die Schaltoperationen ausführt, kann mindestens ein Verarbeitungselement, wie zum Beispiel eine zentrale Verarbeitungseinheit (d. h. einen Prozessor) und eine Form von computerlesbarem Speicher umfassen, welcher Direktzugriffsspeicher (RAM) oder Nurlesespeicher (ROM) enthalten kann. Die computerausführbaren Instruktionen können in Computer-Hardware eingebettet oder in dem computerlesbaren Speicher gespeichert sein, so dass der Computer oder das Gerät angewiesen werden kann, die hierin beschriebenen Schaltsequenzen und -operationen auszuführen.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung enthält einen einzelnen Computer oder Gerät, der bzw. das an einer erneuerbaren Energie-Anlage konfiguriert werden kann, um als eine Controller-Komponente des Hybrid-Leistungskonverter-Systems zu dienen. Die Controller-Komponente kann mindestens einen Prozessor, eine Form von computerlesbarem Speicher; und einen Satz computerausführbarer Instruktionen zum Ausführen der hierin beschriebenen Schaltoperationen umfassen. Die Controller-Komponente kann dafür konfiguriert sein, Befehle an die Schalter des Hybrid-Leistungskonverter-Systems zu senden und eine Rückmeldung von der Gleichstrom-Energiequelle zu empfangen, die einen Leistungspegel anzeigt. Befehle und Rückmeldungen können zu und von der Controller-Komponente über eine Netzwerkschnittstelle, wie zum Beispiel einen Ethernet-Switch, gesendet werden. Jedoch können auch jedes geeignete Netzwerkprotokoll, einschließlich IP, UDP oder ICMP, sowie jedes geeignete leitungsgebundene oder drahtlose Netzwerk, einschließlich jedes Nahbereichsnetz, Internet, Telekommunikationsnetz, Wi-Fi-befähigte Netz oder Bluetooth-befähigte Netz, verwendet werden.
  • Das Hybrid-Leistungskonverter-System der Offenbarung kann zur Konversion von Leistung an jeder erneuerbaren Energie-Anlage verwendet werden, die mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden ist, einschließlich aber nicht beschränkt auf Solar-Energie-Anlagen, die ein oder mehrere Photovoltaik-Module als die Gleichstrom-Energiequelle verwenden, und Wind-Energie- und Gezeiten-Energie-Analgen, die eine oder mehrere Turbinen als die Gleichstrom-Energiequelle verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die verschiedene Merkmale umfassen. Im Licht der oben beschriebenen Offenbarung leuchtet dem Fachmann ein, dass verschiedene Modifizierungen und Variationen bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang oder Wesen der Erfindung abzuweichen. Der Fachmann erkennt, dass die offenbarten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination auf der Basis der Anforderungen und Spezifikationen einer bestimmten Anwendung oder eines Designs verwendet oder weggelassen werden können. Dem Fachmann fallen beim Betrachten der Beschreibung und bei der Ausführung der Erfindung noch weitere Ausführungsformen der Erfindung ein.
  • Insbesondere ist zu beachten, dass, wenn ein Bereich von Werten in dieser Beschreibung genannt wird, jeder Wert zwischen der oberen und der unteren Grenze dieses Bereichs ebenfalls ausdrücklich offenbart ist. Die obere und die untere Grenze dieser kleineren Bereiche können ebenfalls unabhängig in den Bereich aufgenommen oder davon ausgeschlossen werden. Die Einzahlformen „ein”, „einer”, „eine” und „der”, „die” und „das” enthalten auch die Pluralbedeutung, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes verlangt. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele als von beispielhafter Art anzusehen sind und dass Variationen, die nicht vom Wesen der Erfindung abweichen, unter den Schutzumfang der Erfindung fallen. Des Weiteren werden alle in dieser Offenbarung zitierten Quellenangaben jeweils einzeln durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen und als solche auf effiziente Art die ausführungermöglichende Offenbarung dieser Erfindung ergänzen sowie Hintergrundinformationen bereitstellen sollen, die den dem Durchschnittsfachmann bekannten Stand der Technik darlegen.
  • 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
    • CN 102769302 [0002]
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    • US 8482155 [0002]
    • WO 2013004067 [0002]
    • WO 2007018830 [0002]

Claims (20)

  1. Hybrid-Leistungskonverter-System, umfassend: eine Gleichstrom-Energiequelle; eine Gleichstrom-Schiene; einen dreiphasigen Leistungskonverter, der zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung konfiguriert ist; wobei der Leistungskonverter mit einer ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist, welche die Gleichstrom-Energiequelle und die Gleichstrom-Schiene umfasst; wobei der Leistungskonverter durch einen ersten Schalter S1 mit einer zweiten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die einen Wandler umfasst, und durch einen zweiten Schalter S2 mit einer dritten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die eine Energiespeicher-Vorrichtung umfasst, unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nie mehr als einer der Schalter S1 oder S2 offen ist; so dass während des Gebrauchs, wenn Schalter S1 offen ist und Schalter S2 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu dem Wandler zugeführt werden kann, und wenn Schalter S2 offen ist und Schalter S1 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu der Energiespeicher-Vorrichtung zugeführt werden kann.
  2. Das System nach Anspruch 1, wobei die Gleichstrom-Energiequelle ein Gerät zum Konvertieren einer erneuerbaren Energiequelle in Gleichstrom-Leistung ist.
  3. Das System nach Anspruch 2, wobei das Gerät zum Konvertieren einer erneuerbaren Energiequelle in Gleichstrom-Leistung ein oder mehrere Photovoltaik-Module sind.
  4. Das System nach Anspruch 3, wobei das Gerät zum Konvertieren einer erneuerbaren Energiequelle in Gleichstrom-Leistung ein Photovoltaik-(PV)-Array von Photovoltaik-Modulen ist.
  5. Das System nach Anspruch 4, wobei das PV-Array Photovoltaik-Module umfasst, die zueinander in Reihe und parallel geschaltet sind.
  6. Das System nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Controller umfasst, der dafür konfiguriert ist, Schalter S1 und S2 während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die von der Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  7. Hybrid-Leistungskonverter-System, umfassend: eine erste Leistungsschiene, die ein oder mehrere Photovoltaik-Module umfasst, die mit einer Gleichstrom-Schiene wirkverbunden sind; einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter, von denen jeder zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung konfiguriert ist und parallel mit der ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist; eine zweite Leistungsschiene, die einen oder mehrere Wandler umfasst und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden ist; eine dritte Leistungsschiene, die eine oder mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen umfasst und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden ist; unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als ein Schalter zwischen dem ersten Leistungskonverter und der zweiten oder der dritten Leistungsschiene offen ist und nicht mehr als ein Schalter zwischen dem zweiten Leistungskonverter und der zweiten oder dritten Leistungsschiene offen ist; so dass während des Gebrauchs, wenn ein Schalter zwischen der zweiten Leistungsschiene und dem ersten oder zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von den Photovoltaik-Modulen durch die zweite Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, und wenn ein Schalter zwischen der dritten Leistungsschiene und dem ersten oder zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von der Energiespeicher-Vorrichtung durch die dritte Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, um Energie von den Photovoltaik-Modulen zu ergänzen oder zu ersetzen.
  8. System nach Anspruch 7, wobei das eine oder die mehreren Photovoltaik-Module ein Photovoltaik(PV)-Array umfassen, das mehrere PV-Module umfasst, die zueinander in Reihe und parallel geschaltet sind.
  9. System nach Anspruch 7, das des Weiteren einen Controller umfasst, der dafür konfiguriert ist, die Schalter während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die aus den Photovoltaik-Modulen verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  10. Das System nach Anspruch 7, des Weiteren umfassend: einen oder mehrere zusätzliche Leistungskonverter, die mit der ersten Leistungsschiene parallel zu dem ersten und zweiten Leistungskonverter wirkverbunden sind; wobei jeder des einen oder mehrerer zusätzlichen Leistungskonverter mit der zweiten Leistungsschiene durch einen Schalter und mit der dritten Leistungsschiene durch einen Schalter wirkverbunden ist; unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als ein Schalter zwischen dem zusätzlichen Leistungskonverter und der zweiten oder der dritten Leistungsschiene offen ist und nicht mehr als ein Schalter zwischen dem zusätzlichen Leistungskonverter und der zweiten oder dritten Leistungsschiene offen ist; wobei während des Gebrauchs Energie zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann: von den Photovoltaik-Modulen durch die zweite Leistungsschiene und einen oder mehrere des ersten, zweiten oder zusätzlichen Leistungskonvertern, wenn ein Schalter zwischen dem ersten, zweiten oder zusätzlichen Leistungskonvertern und dem Wandler offen ist; und/oder von der Energiespeicher-Vorrichtung durch die dritte Leistungsschiene und einen oder mehrere des ersten, zweiten oder zusätzlichen Leistungskonvertern, wenn ein Schalter zwischen dem ersten, zweiten oder zusätzlichen Leistungskonvertern und der Energiespeicher-Vorrichtung offen ist.
  11. Das System nach Anspruch 10, das des Weiteren einen Controller umfasst, der operativ dafür konfiguriert ist, die Schalter während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die aus den Photovoltaik-Modulen verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  12. Das System nach Anspruch 10, umfassend: einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter und zwei zusätzliche Leistungskonverter, für eine Gesamtheit von vier Leistungskonvertern; wobei jeder der vier Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene parallel miteinander wirkverbunden ist; wobei die vier Leistungskonverter jeweils eine identische Nenn-Leistung (PU) haben; so dass, während des Gebrauchs, das System in der Lage ist, eine Mindest-Wechselstrom-Abgabe, eine Maximal-Wechselstrom-Abgabe und eine Energiespeicherleistung wie folgt bereitzustellen: a) mit dem Schalter jedes Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 4 PU und einer Energiespeicherleistung von 0 PU befähigt; b) mit dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter eines Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 3 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–1 PU befähigt; c) mit dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–2 PU befähigt; d) mit dem Schalter eines Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU und einer Energiespeicherleistung von –3 PU bis +1 PU befähigt; e) mit keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter jedes Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU und einer Energiespeicherleistung von –4 PU bis 0 PU befähigt.
  13. System nach Anspruch 12, das des Weiteren einen Controller umfasst, der dafür konfiguriert ist, die Schalter während des Gebrauchs entsprechend einer Menge an Leistung, die aus den Photovoltaik-Modulen verfügbar ist, sequenziell anzusteuern.
  14. System nach Anspruch 1, wobei die Gleichstrom-Energiequelle ein oder mehrere Photovoltaik-Module an einer Solar-Energie-Anlage, eine oder mehrere Turbinen an einer Wind-Energie-Anlage oder eine oder mehrere Turbinen an einer Gezeiten-Energie-Anlage umfasst.
  15. Verfahren zum Verwalten von Energie, die zu einer Wechselstrom-Last übertragen wird, umfassend: Überwachen einer Menge an Leistung, die von einer Gleichstrom-Energiequelle verfügbar ist, die mit einer ersten Leistungsschiene verbunden ist, um eine Änderung oder potenzielle Änderung der Leistungsabgabe zu erkennen; in Reaktion auf das Erkennen einer verringerten Menge an Leistung von der Gleichstrom-Energiequelle: Schließen eines Schalters zwischen einem Leistungskonverter, wobei der Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene verbunden ist, und einer zweiten Leistungsschiene, die einen Wandler umfasst; und Öffnen eines Schalters zwischen diesem Leistungskonverter und einer dritten Leistungsschiene, die eine oder mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen umfasst; und Ermöglichen, dass Energie von den Energiespeicher-Vorrichtungen zu einer Wechselstrom-Last fließen kann.
  16. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Leistungsschiene Teil eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems ist, des Weiteren umfassend: eine Gleichstrom-Energiequelle; eine Gleichstrom-Schiene; einen dreiphasigen Leistungskonverter, der zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung konfiguriert ist; wobei der Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die die Gleichstrom-Energiequelle und die Gleichstrom-Schiene umfasst; wobei der Leistungskonverter durch einen ersten Schalter S1 mit einer zweiten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die einen Wandler umfasst, und durch einen zweiten Schalter S2 mit einer dritten Leistungsschiene wirkverbunden ist, die eine Energiespeicher-Vorrichtung umfasst, unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nie mehr als einer der Schalter S1 oder S2 offen ist; so dass während des Gebrauchs, wenn Schalter S1 offen ist und Schalter S2 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu dem Wandler zugeführt werden kann, und wenn Schalter S2 offen ist und Schalter S1 geschlossen ist, Energie von der Gleichstrom-Energiequelle zu der Energiespeicher-Vorrichtung zugeführt werden kann.
  17. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Leistungsschiene ein oder mehrere Photovoltaik-Module umfasst, die mit einer Gleichstrom-Schiene wirkverbunden sind, und wobei die erste Leistungsschiene Teil eines Hybrid-Leistungskonverter-Systems ist, des Weiteren umfassend: einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter, von denen jeder zum Konvertieren von Gleichstrom-Leistung in Wechselstrom-Leistung konfiguriert ist und parallel mit der ersten Leistungsschiene wirkverbunden ist; eine zweite Leistungsschiene, die einen oder mehrere Wandler umfasst und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden ist; eine dritte Leistungsschiene, die eine oder mehrere Energiespeicher-Vorrichtungen umfasst und mit dem ersten und dem zweiten dreiphasigen Leistungskonverter jeweils durch einen Schalter wirkverbunden ist; unter der Voraussetzung, dass während des Gebrauchs nicht mehr als ein Schalter zwischen dem ersten Leistungskonverter und der zweiten oder der dritten Leistungsschiene offen ist und nicht mehr als ein Schalter zwischen dem zweiten Leistungskonverter und der zweiten oder dritten Leistungsschiene offen ist; so dass, während des Gebrauchs, wenn ein Schalter zwischen der zweiten Leistungsschiene und dem ersten oder zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von den Photovoltaik-Modulen durch die zweite Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, und wenn ein Schalter zwischen der dritten Leistungsschiene und dem ersten oder zweiten Leistungskonverter offen ist, Energie von der Energiespeicher-Vorrichtung durch die dritte Leistungsschiene zu einer Wechselstrom-Last zugeführt werden kann, um Energie von den Photovoltaik-Modulen zu ergänzen oder zu ersetzen.
  18. Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Hybrid-Leistungskonverter-System des Weiteren umfasst: einen ersten und einen zweiten dreiphasigen Leistungskonverter und zwei zusätzliche Leistungskonverter, für eine Gesamtheit von vier Leistungskonvertern; wobei jeder der vier Leistungskonverter mit der ersten Leistungsschiene parallel miteinander wirkverbunden ist; wobei die vier Leistungskonverter jeweils eine identische Nenn-Leistung (PU) haben; so dass, während des Gebrauchs, das System in der Lage ist, eine Mindest-Wechselstrom-Abgabe, eine Maximal-Wechselstrom-Abgabe und eine Energiespeicherleistung wie folgt bereitzustellen: a) mit dem Schalter jedes Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 4 PU und einer Energiespeicherleistung von 0 PU befähigt; b) mit dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter eines Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 3 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–1 PU befähigt; c) mit dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von zwei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 2 PU und einer Energiespeicherleistung von +/–2 PU befähigt; d) mit dem Schalter eines Leistungskonverters zu der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter von drei Leistungskonvertern zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 1 PU und einer Energiespeicherleistung von –3 PU bis +1 PU befähigt; e) mit keinem Schalter zwischen einem der Leistungskonverter und der zweiten Leistungsschiene offen und dem Schalter jedes Leistungskonverters zu der dritten Leistungsschiene offen, ist das System zu einer Mindest-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU, einer Maximal-Wechselstrom-Abgabe von 0 PU und einer Energiespeicherleistung von –4 PU bis 0 PU befähigt.
  19. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren das Öffnen oder Schließen der Schalter unter Verwendung eines Computerprozessors umfasst.
  20. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Überwachen eines oder mehrere umfasst aus: Vorhersagen des Wetters im Umkreis der Gleichstrom-Energiequelle, Messen der Leistungsabgabe der Gleichstrom-Energiequelle, oder eine Kombination von beidem.
DE102015105707.7A 2014-04-14 2015-04-14 Hybrid-Leistungskonverter für Erneuerbare-Energie-Kraftwerk Withdrawn DE102015105707A1 (de)

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US14/252,100 2014-04-14
US14/252,100 US9923487B2 (en) 2014-04-14 2014-04-14 Hybrid power converter for renewable energy power plant

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