WO2022233915A1 - Leistungsfluss-regelmodul zum einsatz in einem niederspannungs-ortsnetz - Google Patents

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WO2022233915A1
WO2022233915A1 PCT/EP2022/061939 EP2022061939W WO2022233915A1 WO 2022233915 A1 WO2022233915 A1 WO 2022233915A1 EP 2022061939 W EP2022061939 W EP 2022061939W WO 2022233915 A1 WO2022233915 A1 WO 2022233915A1
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control module
power flow
voltage
line
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PCT/EP2022/061939
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Stefan M. Götz
Jingyang FANG
Wolfram H. WELLSSOW
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Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1807—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using series compensators
    • H02J3/1814—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using series compensators wherein al least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. unified power flow controllers [UPFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
    • H02J3/16—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load by adjustment of reactive power

Definitions

  • Power flow control module for use in a low-voltage local network
  • the present invention relates to a power flow control module for use in electrical energy networks, in particular AC voltage networks with one or more phases for adjusting the voltage and/or the current in a line of the electrical energy network, comprising at least two module connections for connection to the line of the electrical energy network zes and at least two energy connections for connection to an energy source.
  • the power flow control module can be used in low-voltage networks, for example local networks, medium-voltage networks, for example distribution networks, and high-voltage networks, for example transmission networks.
  • the present invention offers particular advantages at low voltage levels in meshed networks, such as low-voltage local networks or medium-voltage distribution networks.
  • EP 3 413 422 proposes a local network station with a three-winding transformer in order to separately feed two separate busbars, each from a low-voltage winding. In this way, it is possible to react to the power flow in the individual busbars.
  • controllable transformers require major conversion work and an additional measuring unit to measure the voltage in the busbar of the low-voltage network and the current at the infeed of the low-voltage network.
  • a controllable transformer cannot provide selective control of individual supply lines.
  • Low-voltage local networks are often designed as meshed structures in order to guarantee a high level of security of supply.
  • the current flows cannot be controlled via the individual inflows, but are adjusted passively depending on the load.
  • a mesh current controller to change the clamping voltage level of an outlet of the network, ie to raise or lower the voltage amplitude. The energy for this is usually drawn from the grid itself. If the voltage changes in a network segment, the load can be distributed between the various supply lines. If, for example, the voltage is increased by a mesh current controller, less current flows into this segment from potentially other network nodes and the main load is served via the outgoing feeder of the mesh current controller.
  • mesh flow controllers have proven to be a tried and tested means of actively shifting the load within a mesh. This is achieved because the mesh current controller represents a voltage source in series with one or more phases, so that the current flows that cannot be controlled in the individual meshes due to various loads can be regulated via the individual inflows, which are passive depending on the load.
  • the mesh current controllers known in the prior art require at least one power transformer for series coupling in order to provide a voltage between conductor and ground potential and to change the voltage amplitude.
  • Such transformers are very large, heavy and expensive. They require a large amount of installation space, meaning that they no longer have to be accommodated in a normal control cabinet or on a distribution network pylon, as is common in the USA.
  • the mesh current controllers also require additional transformers in order to enable the controller to be supplied with power.
  • the transformers are well suited for low frequencies. With higher frequency components, however, unwanted losses arise. However, feeding in or drawing higher frequencies would make it possible to compensate for unwanted distortions in the network, such as harmonics, in order to improve network quality.
  • the known mesh regulators cannot be used for such tasks. In addition, they are relatively inflexible and can only influence the fundamental wave. Frequently, the voltages can only be changed in fixed steps.
  • a power flow control module for use in an electrical AC energy network, for example in a low-voltage local network, with the features of claim 1 and by a network segment of an electrical network with a line with the features of claim 19.
  • the invention relates to a power flow control module for use in an electrical network (AC energy network, e.g. low-voltage local network) and for adjusting the voltage and/or the current in a line of the network (e.g. low-voltage local network), comprehensively two module connections for connection to the line of the network (e.g. low-voltage local network), several switching elements, an energy store and two energy connections for connection to an energy source.
  • the first module connection and the second module connection are designed to electrically connect the power flow control module in series with the line, so that the power flow control module is connected in series with the line.
  • Two of the switching elements are connected in series with one another and at the same time connected in parallel with the energy store.
  • the power flow control module is switched in such a way that it is at the potential of the line of the network and is galvanically isolated from a ground potential or another line of the network, for example the low-voltage local network.
  • the power flow control module is on the same potential to the line to which it is connected in series.
  • the power flow control module therefore floats with the voltage in the line to which it is connected.
  • the electrical potential of the power flow control module moves, for example, in European low-voltage grids at 50 Hz and around 325 V peak voltage relative to ground potential.
  • the energy store is preferably a capacitor, for example an electrolytic capacitor, preferably a film capacitor, which is inexpensive, or a ceramic capacitor.
  • the ceramic capacitor is particularly preferable because it has high energy density and low internal resistance.
  • the capacitor used as an energy store preferably has a capacitance of at least 100 pF, preferably at least 1 mF, particularly preferably at least 5 mF.
  • the switching elements of the power flow control module are designed to increase or reduce the amplitude of the voltage in the line, to shift the phase of the voltage or to feed in harmonics with specific frequencies, phases and amplitudes. This adjusts the voltage in the line or controls the flow of current in the line accordingly.
  • the power flow control module has the advantage that it only uses switching elements to inject the desired voltage difference into the line in series. Since the switching elements for the series feed and the power flow control module are intended to be floating with the mains voltage and therefore have no ground reference and no connection to other lines or other phases in a three-wire system, they only have to process very low voltages. However, the switching elements have to process high currents, which at the same time is unproblematic with low voltages.
  • ground reference also referred to as galvanic isolation by those skilled in the art, can also be a very high-impedance reference to ground or to other well-defined electrical potentials outside of the power flow control module.
  • Such a high-impedance reference should be at least 250 k ⁇ , preferably at least 1 MW and particularly preferably at least 10 MW. Any currents from a power flow control module to ground or at their electrical reference points outside the corresponding power flow control module are therefore only negligibly small and cause no significant losses.
  • Such resistances sometimes also referred to as “leakage resistances” can be formed by discrete resistance components, but also by sensors, for example insulation monitoring sensors. An (almost) complete separation can also be used, which usually only accepts leakage currents along (dirty) surfaces or through insulators and gigaohm resistors (see also the industry standard IEC 60664, for example).
  • the power flow control module Since the power flow control module only works relatively between the first module connection and the second module connection and has no ground reference, it never experiences the total voltage amplitude, but only the maximum voltage difference to be set.
  • the switching elements By wiring the module as a floating circuit, the switching elements can be low-voltage semiconductor components that can still conduct a few hundred amperes of current in the smallest of spaces.
  • the amount of voltage provided for changing the amplitude of the voltage in the line is at most one third of the peak phase voltage of the line.
  • the voltage provided is preferably less than or equal to one fifth of the phase peak voltage, very preferably at most one tenth.
  • the The amount of voltage provided is at most 100 V, preferably at most 50 V and particularly preferably at most 25 V.
  • the voltage difference and thus the available voltage of the power flow control module is at most 20 V, very preferably at most 15 V.
  • the requirements for the power flow control module are such that the maximum voltage that can be made available is at most 6% of the nominal voltage of the line with which the power flow control module is connected in series.
  • the power flow control module As part of the invention, it was recognized that due to the use of the power flow control module as a floating module, this module can be designed as a power electronics solution.
  • the power flow control module only has to have a very low rated power in order to still be able to serve a network segment of a low-voltage local network with very high power.
  • the power flow control module has switching elements that are connected as half-bridges.
  • switching elements are preferably provided, which are preferably connected as two half-bridges. Both half-bridges are preferably connected up in parallel with the energy store.
  • the switching elements are in the form of transistors or power transistors, preferably in the form of low-voltage transistors or extra-low-voltage transistors.
  • preferably field effect transistors (FETs), for example low-voltage trench transistors with vertical current flow, can be used, such as are known from the automotive sector.
  • FETs field effect transistors
  • the switching elements are preferably in the form of low-voltage silicon FETs.
  • gallium nitride FETs or gallium nitride FETs can be used on silicon substrates, for example with lateral current flow.
  • the switching elements can also be used for applications with higher voltages such as medium-voltage distribution networks are preferably formed as silicon carbide FETs, preferably with blocking voltages over 200 V, more preferably over 600 V, also preferably over 1700 V.
  • insulated gate bipolar transistors IGBT can also be used for the purposes of the invention come into action.
  • a preferred embodiment of the power flow control module provides that the phase of the AC voltage can be shifted between the two module connections that are connected to the line.
  • the power flow control module is preferably able to shift the phase both in the negative direction and in the positive direction, depending on the requirements of the network.
  • the power flow control module is operated under voltage control. It is therefore used in such a way that a voltage in series is added to the voltage prevailing in the line of the network. In this way, a voltage drop in a line of the network or in a network segment can be adjusted so that the network quality can be easily restored or maintained.
  • the power flow control module is used as a current-controlled voltage source.
  • a current can be impressed into the line in which the power flow control module is connected, so that the total current flowing in the line can be influenced in a desired manner. If, for example, the current flow in a segment or in a line of a mesh of a network segment is significantly higher than in a parallel line of the segment, the power flow controller can be used to adjust the current in the corresponding line so that both lines have an almost balanced current current flows.
  • the switching elements used in the power flow control module are clocked. Clocking preferably takes place by means of pulse width modulation.
  • the switching elements are preferably clocked at a switching rate of at least 10 kHz.
  • the switching rate is preferably at least 20 kHz, particularly preferably at least 50 kHz or 100 kHz.
  • the switching rate is preferably at least 100 kHz, very preferably at least 250 kHz and particularly preferably at least 500 kHz.
  • mains filters such as inductors
  • mains filters such as inductors
  • dedicated Netzfil ter can preferably be completely dispensed with because the parasitic inductance of the line is sufficient to generate only small unwanted current ripples at these switching rates.
  • the parasitic inductances perform the function of mains filters.
  • a likewise preferred embodiment of the power flow control module provides an energy source which is connected to the energy connections.
  • the energy source is required to provide the necessary energy to increase the voltage in the line of the network.
  • the energy source can be a battery, for example, which is preferably connected to the energy connections of the power flow control module by means of an intermediate DC-DC converter, a power pack or another electrical energy source.
  • a power electronics solution for the power flow control module only has to have very low rated power in order to be able to generate a very high power in the network line. It was also recognized that the locations with high voltage requirements within the power flow control module can be separated from the locations with a high current requirement by clever switching. In this way, reactive power can be kept away from the circuit.
  • the solution according to the invention dispenses with any (large and heavy) power transformers at the fundamental frequency.
  • the power is supplied via the power electronics of the power flow control module, i.e. by the switching elements, and is fed with a preferably modern energy source.
  • a modern power pack technology can be used as the energy source, for example, which preferably also provides compact galvanic isolation at upper frequency.
  • the power flow control module therefore includes at least one galvanically isolating power pack that is connected to the power connections.
  • the power flow control module therefore includes at least one galvanically isolating power pack that is connected to the power connections.
  • it can also make sense to have multiple supplies in some cases.
  • the power supply units are preferably designed in such a way that the intermediate circuit formed by them for the power flow control module can be kept at very low voltages. These are, for example, at most one third of the network peak voltage, preferably at most one fifth, more preferably at most one tenth and very preferably at most one fifteenth. In the case of low-voltage local networks, these are, for example, no more than 100 V DC, preferably no more than 60 V, more preferably no more than 30 V and very preferably no more than 15 V.
  • the galvanic isolation by means of the power supplies ensures that the power flow control module with the voltage at the Line of the local network to which the power flow control module is connected in series, can float.
  • the electrical potential of the power flow control module always assumes the voltage that prevails in the line.
  • the floating of the power flow control modules i.e. the oscillating with the voltage prevailing in the connected cable, also has the advantage that overvoltages are not a problem.
  • This circuit also offers good protection against lightning strikes in the distribution network or the local network.
  • Low-voltage local networks can only be used in part very difficult to protect against lightning strikes.
  • medium-voltage lines are designed as overhead lines with conductor cables that are close together. Ground lines of the low-voltage local network are also affected, since local network transformers transmit the voltage peaks that occur.
  • the power flow control modules Due to the lack of ground reference of the power flow control module and the galvanic isolation of the electronic switching elements and the associated circuit (electronic phase feed modules) as well as the lack of potential reference to each other, i. H. between several power flow control modules, the power flow control modules follow every voltage change. In other words, they also follow a voltage spike from a lightning strike or other potential fluctuations as well.
  • the power flow control module follows the potential peak, even if it is several thousand volts, for example. Accordingly, the voltage of a point of the power flow control module increases by the ground voltage at the same time.
  • the relevant voltage differences or differential voltages between the points within the power flow control module remain constant, so that the power flow control module can only be used with components with a significantly lower nominal voltage than the phase peak voltage, e.g. low-voltage components for local networks, i.e. low-voltage switching elements such as transistors and low-voltage capacitors etc., can be constructed.
  • the design of the power flow control modules exclusively with power electronics and in this case with low-voltage components also has the advantage that the power flow control modules are spatially very small. For example, their dimensions are significantly smaller than those of a Euro circuit board. Due to the small size, no large capacitive or inductive voltage differences can build up within the power flow control module, which could lead to damage.
  • a further preferred embodiment of the power flow control module includes a power pack with a DC-DC converter, the power pack preferably being fed from the low-voltage local network. This means that no separate power connection or separate energy source is required.
  • the power supply unit is particularly preferably fed from the line to which the power flow control module is connected.
  • the DC-DC converter comprises an LLC circuit, as is known to those skilled in the art.
  • a further preferred embodiment of the power flow control module according to the invention has a power pack that includes a rectifier circuit.
  • Rectifiers in the context of the invention mean all circuits that can convert and/or exchange energy between an AC voltage side with any number of phases and a DC voltage side with at least one DC voltage intermediate circuit with one or more power flow directions.
  • a rectifier, an inverter, an inverter, an active front end or the like could be used here.
  • a unidirectional rectifier is preferably installed here.
  • a power supply having power factor correction (PFC) circuitry is also preferred.
  • a power factor correction stage for example, ensures that a preferably even sinusoidal load is guaranteed on the AC side of the power supply.
  • the power factor correction circuit can, for example, be designed as a boost power factor correction circuit (also known as a boost PFC) known to those skilled in the art in conjunction with a rectifier, preferably a diode rectifier, or also as a so-called bridgeless power factor correction circuit (bridgeless PFC) which usually already performs the function of a unidirectional rectifier with a mains current that is as sinusoidal as possible.
  • a boost power factor correction circuit also known as a boost PFC
  • bridgeless PFC bridgeless power factor correction circuit
  • a likewise preferred embodiment of the power flow control module comprises a heating resistor.
  • This optional heating resistor can be used, for example, to consume energy. This occurs when the voltage difference is multiplied by the current in the floating Power flow control modules becomes negative and thus energy must be removed from the power flow control modules.
  • the heating resistor can preferably be located either in the power flow control module.
  • An alternative and likewise preferred embodiment provides that the heating resistor can be arranged in front of a DC-DC converter in the intermediate circuit.
  • the power flow control module includes a high-frequency transmitter. Its frequency is preferably at least 100 Hz, more preferably at least 400 Hz. In a likewise preferred embodiment, the transmitter operates at frequencies of at least 1 kHz, preferably at least 10 kHz and very preferably at least 100 kHz.
  • the choice of the operating frequency of the transformer is the responsibility of the person skilled in the art depending on the respective application and, for example, also depending on the frequency used for the voltage in the line of the local network.
  • the invention relates to a power flow control system for controlling the load distribution in a network or in a network segment, for example a low-voltage local network, a medium-voltage distribution network or a network segment of a low-voltage local network or medium-voltage distribution network, with a Management.
  • the power flow control system includes a power flow control module, such as described above, and a power source for energizing the power flow control module to vary or adjust the amplitude of the voltage on the line of the low-voltage local grid or to load share or to regulate the current flow in the line.
  • the invention relates to an electrical network or alternating current energy network, preferably a low-voltage local network, or a network segment of an electrical network, e.g. B. a low-voltage local network segment of a low-voltage local network.
  • the network segment has a line or three lines of a three-wire system that is connected to a (local) mains transformer and to which several Consumers and/or (decentralized) feed sources are connected.
  • the network segment has a power flow control module for each line, which is preferably designed according to one of the aspects and embodiments described above and is connected in series in the line of the network, for example a low-voltage local network.
  • the power flow control module is connected to the line of the network with two module connections and includes several switching elements, an energy store and two energy connections for an energy source.
  • the two switching elements of the power flow control module are connected in series and in parallel with the energy store.
  • the power flow control module is connected in such a way that it is based on the poten tial line of the electrical network, z. B. a low-voltage local network ZES, and is galvanically isolated from a ground potential or another line of the network.
  • the power flow control module with its switching elements is designed to influence the amplitude of the voltage in the line, preferably to increase or reduce it, in order to adapt the voltage of the grid line or to adjust the current flow in the line according to the specified requirements Taxes.
  • the power flow control module is at the same potential as the line, only small voltages need to be made available by the power flow control module to adjust the voltage on the line.
  • the switching elements can be designed as low-voltage switching elements or low-voltage transistors. However, they must be able to handle large currents, preferably greater than 500 A, at low voltages.
  • the power flow control module is very small overall and only weighs very little (less than 5 kg, preferably less than 1 kg, very preferably less than 0.5 kg).
  • Galvanic isolation is either complete galvanic isolation, for example via a transformer or transformer, or isolation via a resistance to ground of at least 250 kQ (kilo-ohm), preferably at least 1 MW (mega-ohm), very preferably >10 MW Roger that.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a network segment with line and power flow control module
  • FIG. 2 shows a basic sketch of an alternative network segment or local network segment
  • FIG. 3 shows a detailed sketch of the network segment from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a detailed sketch of an alternative embodiment of a network segment
  • FIG. 5 shows a further detailed sketch of an alternative embodiment of a local network segment
  • FIG. 6 shows another basic sketch of a local network segment
  • FIG. 7 shows a further detailed sketch of an alternative embodiment of a local network segment
  • FIG. 8 shows an alternative local network segment with power flow control module and battery
  • FIG. 9 shows an alternative embodiment of the local network segment according to FIG. 8; and FIG. 10 shows an alternative embodiment of a local network segment with a power flow control module.
  • FIG. 1 shows a three-phase network segment 10 with three lines 20, the network segment 10 being part of an electrical network 12.
  • FIG. A local network segment 11 of a low-voltage local network 14 is shown here as an example.
  • a power flow control module 30 having an AC part 32 and a DC part 34 is connected in series in each line 20 .
  • Optional mains filters 36 are provided between the power flow control module 30 and the line 20, which can be in the form of inductances or PI filters.
  • Each of the power flow control modules 30 is connected to a power supply 40, each of which has an isolating output.
  • the power supplies 40 can be powered by any desired voltage source or energy source, with an AC part 42 of the power supply 40 can be connected to an energy source, not shown here, which can be arranged at the terminals 46 .
  • the energy sources can be of different types.
  • the voltage at an input side 22 (related to the power flow control module 30) has a different form, i. H. has a different amplitude than the output voltage on an output side 24.
  • the voltages of the three phases are each shown schematically.
  • FIG. 2 differs from FIG. 1 in that the power supplies 40, which in principle can be fed from any possible source, are fed from the input side 22 of the network segment 10 in this embodiment. Consequently, a conductor 49 is connected to the respective line 20 for each phase in order to supply the power supply units with energy.
  • the power flow control modules 30 are connected to the line 20 in such a way that they float with the voltage level of the lines 20.
  • the power flow control modules are therefore at the respective voltage level of the line with which they are connected in series.
  • the power flow control modules 30 are preferably designed in such a way that they can only process small voltages, preferably voltages less than 50 V, very preferably less than 20 V, particularly preferably less than 15 V. On the other hand, however, it is possible to process very high currents , generally currents greater than 500 A.
  • the power supply units 40 ensure electrical isolation, so that the power flow control modules 30 can float with the voltage in the lines 20.
  • the power flow control modules 30 therefore have no ground reference and no connection to any other phase or line 20 other than the line with which they are connected in series.
  • the power flow control modules 30 move accordingly with the voltage in their line and therefore only have to be able to process a small voltage difference between the input and the output of the modules.
  • the power flow control modules 30 "see” the total voltage amplitude of the line 20, since they are located relatively between the inlet and outlet of the line 20. Only the maximum voltage difference that can be set plays a role for them. Therefore, extra-low voltage switching elements, e.g. B. low-voltage semiconductor components are used, which can still conduct a few hundred amperes of electricity on the smallest system space.
  • extra-low voltage switching elements e.g. B. low-voltage semiconductor components are used, which can still conduct a few hundred amperes of electricity on the smallest system space.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a power flow control module 30 with a power supply unit 40 in detail for a line 20 of the three-phase network segment 10, for example a local network segment 11.
  • the power flow control module 30 is shown in detail. It comprises a first module connection 60 which is connected to the line 20 on the input side 22 and a second module connection 62 which is connected to the output side 24 of the line 20 . The output side of the line 20 is not shown. Between the line 20 and the respective module connection 60, 62, a mains filter 36 (e.g. inductance) can be arranged.
  • the power flow control module includes a plurality of switching elements 64, which may be in the form of low-voltage FETs (field effect transistors), for example low-voltage silicon FETs.
  • the switching elements 64 are designed as transistors 66, with two transistors being connected in series and parallel to an energy store 68.
  • the switching elements 64 are connected as two half bridges.
  • the switching elements can be clocked, preferably with a clock rate of at least 20 kHz, more preferably with at least 100 kHz, particularly preferably at least 250 kHz.
  • the switching elements 64 are preferably transistors based on gallium nitride (GaN), with the advantage that the inductances 36 become very small (roughly proportional to the characteristic value of the switching rate, 1/switching rate) or even the parasitic inductance of the lines (which yes also build up a small magnetic field around itself, which is sufficient if the switching rate is sufficient) are sufficient as filters.
  • GaN gallium nitride
  • the power pack 40 is connected to the power flow control module 30 at two power connections 70 .
  • the power pack comprises a rectifier circuit 50, here a (unidirectional) rectifier 50b, which is fed from all three phases of the network segment 10 for an even load, i.e. in other words with all three lines 20 of the Network segment 10 or local network segment 11 is connected.
  • the (unidirectional) rectifier circuit 50 is formed here as an active front end. High voltages, greater than 200 V, but only low currents (less than 50 A) can be processed here.
  • the rectifier 50 of the power pack 40 is thus in contrast to the power flow control module 30, in which only small voltages (preferably less than 50 V) are processed, but large currents of more than 500 A.
  • the rectifier could be fed from just one phase.
  • the power supply unit 40 preferably includes a power factor correction stage 52 on its AC side, a so-called PFC stage, in order to obtain a uniform sinusoidal load.
  • a DC-DC converter 54 is provided in the power pack, which is designed as an LLC circuit according to FIG.
  • the DC-DC converter must have at least one isolated output per power flow control module 30 for a line 20.
  • the power supply used here is therefore similar to typical power supplies.
  • a mains filter 56 for example in the form of inductors, can also be provided on the AC side.
  • the power pack 40 again includes a DC-DC converter 54 in order to galvanically isolate the power flow control module 30 and to switch it to ground-free, so that it is at the potential of the line 20 .
  • the DC-DC converter 54 has a transformer 80, for example a high-frequency transformer.
  • the power pack 40 which is installed together with the power flow control module 30 in the local network segment 10, includes a rectifier 50b and a DC-DC converter 54. Between rectifier 50b and DC-DC Converter 54 is a heating resistor 58 which can optionally be controlled.
  • the heater resistor 58 serves to extract and consume energy from the network segment 10 .
  • the heating element 58 is therefore a consumer for absorbing energy.
  • the DC-DC converter 54 of the power pack 40 in FIGS. 3 to 5 includes, among other things, a transformer 80, which is preferably a high-frequency transformer.
  • the high-frequency transformer is preferably implemented using a printed circuit transformer or a flat transformer.
  • the transformer can also be implemented by a planar transformer on printed circuit board technology.
  • ferrite core materials for example, very high transmission frequencies can be made possible.
  • the transmitted power increases (depending on the installation space) linearly over a wide range with the frequency, so that a very compact design in the power supply units can be made possible.
  • An alternative to using a heating element in the power supply is to make the power supplies 40 regenerative.
  • energy accumulating in the floating power flow control modules 30 can also be “got rid of”.
  • the power supply units 40 accordingly absorb the power from the (floating) power flow control modules 30 and feed it into the source of the power supply units 40, ie back into the network segment 10 or electrical network 14, or low-voltage local network.
  • Fig. 6 shows a possible variant of regenerative power supply units, which is installed here in the network segment 10 or local network segment 11.
  • a possible variant of such regenerative power supplies 40 uses an active front end (AFE). However, this is not the only possibility for designing a power pack 40 capable of regenerative feedback.
  • the power supply unit 40 can include a rectifier circuit 50 (eg an inverter) and a galvanically isolating DC-DC converter 54, which is designed, for example, as an LLC stage, which is usually The voltage ratio between input and output is difficult to control, but it is not a problem for the present circuit and is sufficient.
  • the DC-DC converter 54 may include a dual active bridge (DAB). It can also be seen in Fig. 6 that the power pack 40 has a rectifier circuit 50 and three DC-DC converters 54, one for each phase or each line 20 of the local network segment 10.
  • the power required to increase the voltage in the phase or line 20 of the network segment 10 is transmitted via the DC line 48 , which essentially consists of the added voltage difference multiplied by the current flowing in the line 20 .
  • the required power is drawn from the DC-DC converter 54 and the rectifier circuit 50 be.
  • At the node between the rectifier circuit 50 and the DC-DC converters 54 there is a possibly pulsating DC voltage in the DC connection which is dependent on the size of the DC capacitor used. This is, for example, greater than 400 V, but it can also be greater than 650 V or greater than 750 V.
  • FIG. 7 shows the embodiments of the power supply unit 40 from FIG. 6 in detail with individual components, only a DC-DC converter 54 and a power flow control module 30 for a line 20 being shown here.
  • a DC-DC converter 54 and a power flow control module 30 for a line 20 being shown here.
  • three galvanically isolating DC-DC converters must be used, one for each phase or for each power flow control module 30, at least one DC-DC converter with an isolated output per phase or per power flow -Rules module.
  • the rectifier circuit 50 is in the form of a bidirectional active front end 51 here. This also enables energy to be fed back into the grid.
  • Fig. 8 shows an embodiment of a power flow control module 30 with egg ner battery 90 as an energy source 92 for the power flow control module 30.
  • a single battery can be used in a three phase system employing three power flow control modules 30, one per line 20, a single battery can be used.
  • the battery 90 can serve as a load to absorb energy and thus extract it from the system.
  • the variant with a battery takes into account that both a voltage drop in a mesh of an electrical network 12 (low-voltage local network 14) or in a network segment 10 (local network segment 11) and the need to limit the power inflow from other weak supply lines ren, is associated with a high power requirement in the network segment.
  • the battery 90 can be connected directly to the individual power flow control modules 30 (FIG. 8) or via a galvanically isolated additional DC-DC converter 54 (FIG. 9).
  • a battery 90 with sufficient capacity is preferably used for each power flow control module 30, as is provided in mains energy stores. An exchange of energy between individual batteries 90 is not necessary if the asymmetries are averaged out over time.
  • a power flow control module 30 which has a number of inputs and outputs, ie a number of first module connections 60 and a number of second module connections 62.
  • the power flow control module 30 comprises a number of half-bridges Switching elements 64 or transistors 66, e.g. B. FETs.
  • the power flow control modules 30 can each work as a "low-voltage energy router" and thus perform N to M routing.
  • the Power flow control modules 30 can distribute power like a switch between N inputs (first module connection 60) and M outputs (second module connection 62) by generating any voltage gradients between the MxN taps.
  • the power supply unit 40 preferably comprises a bidirectional active front end 51 as a rectifier circuit 50 or inverter and a DC-DC converter 54.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem elektrischen Netz (12) oder einem Netz-Segment (10) und zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in einer Leitung (20) des Netzes (12) oder Netz-Segments (10). Das Leistungsfluss-Regelmodul (30) umfasst zwei Modulanschlüsse (60, 62) zum Anschluss an die Leitung (20) des Netzes (12), mehrere Schaltelemente (64), einen Energiespeicher (68) und zwei Energieanschlüsse (70) zum Anschluss an eine Energiequelle (92). Der erste Modulanschluss (60) und der zweite Modulanschluss (62) sind dazu ausgebildet, das Leistungsfluss-Regelmodul (30) elektrisch in Serie mit der Leitung (20) zu schalten. Zwei der Schaltelemente (64) sind in Serie geschaltet und parallel zu dem Energiespeicher (68). Das Leistungsfluss-Regelmodul (30) ist derart verschaltet, dass es auf dem Potential der Leitung (20) des Netzes (12) ist und galvanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes (12) getrennt ist. Die Schaltelemente (64) sind dazu ausgebildet, die Amplitude der Spannung in der Leitung (20) zu erhöhen oder zu reduzieren, um die Spannung anzupassen oder um den Stromfluss in der Leitung (20) entsprechend zu steuern. Die Erfindung betrifft auch ein Netz-Segment (10) eines Netzes (12) mit einer Leitung (20) und einem in Serie geschalteten Leistungsfluss-Regelmodul (30).

Description

Technische Universität Kaiserslautern
Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem Niederspannungs-Ortsnetz
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in elektrischen Energienetzen, insbesondere Wechselspannungsnetzen mit ei- ner oder mehreren Phasen zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in einer Leitung des elektrischen Energienetzes umfassend mindestens zwei Modulanschlüsse zum Anschluss an die Leitung des elektrischen Energienet zes und wenigstens zwei Energieanschlüsse zum Anschluss an eine Energie quelle. Insbesondere kann das Leistungsfluss-Regelmodul in Niederspan- nungsnetzen, beispielsweise Ortsnetzen, Mittelspannungsnetzen, beispiels weise Verteilungsnetzen, und Hochspannungsnetzen, beispielsweise Übertra gungsnetzen, zum Einsatz kommen. Besondere Vorteile bietet die vorliegende Erfindung bei kleinen Spannungsebenen in vermaschten Netzen, wie beispiels weise Niederspannungs-Ortsnetzen oder Mittelspannungs-Verteilnetzen. Die Auslastung der elektrischen Energienetze, insbesondere auch der Mit- telspannungs- und Niederspannungsnetze, steigt in den vergangenen Jahren stetig an und verändert sich kontinuierlich. Dies ist zum einen durch eine ver teilte Stromerzeugung und eine dezentrale Stromeinspeisung beispielsweise durch Solaranlagen und zum anderen durch den vermehrten Einsatz von Ladestationen für Elektrofahrzeuge bedingt. So können einzelne Abgänge einer Ortsnetzstation in einem Wohngebiet oder einem Industriegebiet überlastet werden. Um ein Verlegen von neuen Leitungen mit größeren Querschnitten und die einhergehenden Tiefbauarbeiten zu vermeiden, kann eine Spannungsrege lung beispielsweise durch regelbare Ortsnetztransformationen erfolgen. Diese können jedoch den Lastfluss in den Abgängen nur sehr eingeschränkt beein flussen.
Die EP 3 413 422 schlägt beispielsweise eine Ortsnetzstation mit einem Drei wicklungstransformator vor, um zwei getrennte Sammelschienen von jeweils einer Unterspannungswicklung getrennt zu speisen. So kann auf den Leis tungsfluss in den einzelnen Sammelschienen reagiert werden.
Alternativ ist im Stand der Technik auch bekannt, regelbare Transformatoren einzusetzen. Diese benötigen jedoch größere Umbaumaßnahmen und eine zu sätzliche Messeinheit, um die Spannung in der Sammelschiene des Nieder spannungsnetzes und den Strom an der Einspeisung des Niederspannungs netzes zu messen. Eine selektive Regelung einzelner Versorgungsstränge kann ein regelbarer Transformator jedoch nicht leisten.
Häufig werden Niederspannungs-Ortsnetze als vermaschte Strukturen ausge legt, um eine hohe Versorgungssicherheit zu garantieren. Insbesondere bei derart vermaschten Niederspannungsnetzen lassen sich die Stromflüsse über die einzelnen Zuflüsse nicht steuern, sondern stellen sich passiv je nach Last ein. Es ist bekannt, einen Maschenstromregler einzusetzen, um das Span nungsniveau eines Abgangs des Netzes zu verändern, also um die Spannungs amplitude anzuheben oder abzusenken. Die Energie hierfür wird in der Regel aus dem Netz selbst bezogen. Wird in einem Netzsegment die Spannung ver ändert, so kann eine Verteilung der Last zwischen den diversen Zuleitungen erfolgen. Wird beispielsweise durch einen Maschenstromregler die Spannung angehoben, so fließt in dieses Segment weniger Strom von potentiell anderen Netzknoten und die Hauptlast wird über den Abgang des Maschenstromreglers bedient. Bei Absenkung wiederum wird die Hauptlast auf andere Anschlüsse verschoben. Somit erweisen sich Maschenstromregler als probates Mittel, um die Last innerhalb einer Masche aktiv zu verschieben. Dies gelingt dadurch, dass der Maschenstromregler eine Spannungsquelle in Serie mit einer oder mehreren Phasen darstellt, sodass die sich in den einzelnen Maschen aufgrund diverser Lasten nicht steuerbaren Stromflüsse über die einzelnen Zuflüsse, die sich passiv je nach Last einstellen, geregelt werden können.
Die im Stand der Technik bekannten Maschenstromregler benötigen jedoch mindestens einen Leistungs-Transformator für eine Serieneinkopplung, um eine Spannung zwischen Leiter und Erdpotential zur Verfügung zu stellen und die Spannungsamplitude zu ändern. Derartige Transformatoren sind sehr groß, schwer und kostspielig. Sie benötigen einen großen Bauraum, sodass sie nicht mehr in einem normalen Schaltschrank oder auf einem Verteilnetzstrommas ten, wie in den USA üblich, unterzubringen sind. Ebenfalls benötigen die Ma schenstromregler weitere Transformatoren, um die Speisung des Reglers zu ermöglichen.
Daneben hat sich gezeigt, dass die T ransformatoren zwar für niedrige Frequen zen gut geeignet sind. Bei höheren Frequenzbestandteilen entstehen jedoch ungewollte Verluste. Eine Einspeisung oder Entnahme von höheren Frequen zen würde es jedoch erlauben, ungewollte Verzerrungen im Netz, wie beispiels weise Oberwellen, zu kompensieren, um die Netzqualität zu verbessern. Die bekannten Maschenregler sind für derartige Aufgaben aber nicht einsetzbar. Zudem sind sie relativ unflexibel und können nur die Grundwelle beeinflussen. Häufig sind die Spannungen auch nur in fest vorgegebenen Stufen veränder bar.
Während Vermaschungen zur Herstellung einer hohen Versorgungssicherheit äußerst wünschenswert sind, lassen sich die Stromflüsse in der Masche mit diversen Lasten jedoch nicht steuern, sondern stellen sich passiv je nach Last ein. Die bekannten Maschenstromregler weisen jedoch für die bestehenden Verteilerschränke unpassende Abmessungen der elektromechanisch ausge führten Regler mit großen Transformatoren auf und bieten nur starre Lösungen, die nach jeder Schaltungsmaßnahme im Netz einer erneuten Parametrisierung bedürfen. Es besteht somit ein Bedarf an baulich kleineren und günstigeren Lö sungen, mit denen die Netzqualität in vermaschten Netzen verbessert und die Lastverteilung in vermaschten Ortsnetzen angepasst werden kann.
Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem elektrischen Wechselstromenergienetz, beispielsweise in ei nem Niederspannungs-Ortsnetz, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Netz-Segment eines elektrischen Netzes mit einer Leitung mit den Merkmalen des Anspruchs 19.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem elektrischen Netz (Wechselstromenergienetz, z.B. Nie derspannungs-Ortsnetz) und zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in einer Leitung des Netzes (z.B. Niederspannungs-Ortsnetzes), umfas send zwei Modulanschlüsse zum Anschluss an die Leitung des Netzes (z.B. Niederspannungs-Ortsnetzes), mehrere Schaltelemente, einen Energiespei cher und zwei Energieanschlüsse zum Anschluss an eine Energiequelle. Der erste Modulanschluss und der zweite Modulanschluss sind dazu ausgebildet, das Leistungsfluss-Regelmodul elektrisch in Serie mit der Leitung zu schalten, sodass das Leistungsfluss-Regelmodul in Reihe mit der Leitung geschaltet ist. Zwei der Schaltelemente sind zueinander in Serie geschaltet und gleichzeitig parallel zu dem Energiespeicher geschaltet. Die Schaltung des Leistungsfluss- Regelmoduls erfolgt derart, dass es auf dem Potential der Leitung des Netzes ist und galvanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Net zes, beispielsweise des Niederspannungs-Ortsnetzes, getrennt ist. Mit anderen Worten befindet sich das Leistungsfluss-Regelmodul auf dem gleichen Poten tial zu der Leitung, zu der es in Serie geschaltet ist. Das Leistungsfluss-Regel- modul floatet also mit der Spannung in der Leitung, mit der es verschaltet ist. Das elektrische Potential des Leistungsfluss-Regelmoduls bewegt sich bei spielsweise in europäischen Niederspannungsnetzen mit 50 Hz und etwa 325 V Scheitelspannung relativ zum Erdpotential. Der Energiespeicher ist bevorzugt ein Kondensator, beispielsweise ein Elektro lytkondensator, bevorzugt ein Folienkondensator, der preiswert ist, oder ein Ke ramikkondensator. Der Keramikkondensator ist besonders bevorzugt, weil er eine hohe Energiedichte und einen niedrigen Innenwiderstand aufweist. Bevor zugt hat der als Energiespeicher verwendete Kondensator eine Kapazität von wenigstens 100 pF, bevorzugt von wenigstens 1 mF, besonders bevorzugt von wenigstens 5 mF.
Die Schaltelemente des Leistungsfluss-Regelmoduls sind dazu ausgebildet, die Amplitude der Spannung in der Leitung zu erhöhen oder zu reduzieren, die Phase der Spannung zu verschieben oder Oberwellen mit bestimmten Fre quenzen, Phasen und Amplituden einzuspeisen. Hierdurch wird die Spannung in der Leitung angepasst oder der Stromfluss in der Leitung entsprechend ge steuert.
Das Leistungsfluss-Regelmodul hat den Vorteil, dass es ausschließlich Schalt elemente verwendet, um die gewünschte Spannungsdifferenz in die Leitung in Serie einzuspeisen. Da die Schaltelemente für die Serieneinspeisung und das Leistungsfluss-Regelmodul floatend mit der Netzspannung vorgesehen sind und somit keinen Erdbezug und keine Verbindung zu anderen Leitungen oder anderen Phasen in einem Dreileitersystem aufweisen, müssen sie nur sehr ge ringe Spannungen verarbeiten. Allerdings müssen die Schaltelemente hohe Ströme verarbeiten, was aber gleichzeitig mit geringen Spannungen unproble matisch ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es sehr vorteilhaft ist, das Leis- tungsfluss-Regelmodul floatend mit der Netzspannung zu verschalten. Die Mo- dule bewegen sich mit der Spannung ihrer Phase (Leitung) mit und bauen le diglich eine geringe Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss auf. Für jede Leitung bzw. jeden Leiter eines dreiphasigen Dreileitersystems wird ein Leistungsfluss-Regelmodul verwendet, also in Serie geschaltet zu der Leitung. Die Leistungsfluss-Regelmodule haben keinen Erdbezug und sind untereinander isoliert. Eine solcher fehlender Erdbezug, vom Fachmann auch als galvanische Trennung bezeichnet, kann im Sinne der Erfindung auch ein sehr hochohmiger Bezug zur Erde oder zu ande ren wohldefinierten elektrischen Potentialen außerhalb des Leistungsfluss-Re- gelmoduls sein. Ein solcher hochohmiger Bezug sollte dabei zumindest 250 kQ, bevorzugt zumindest 1 MW und besonders bevorzugt zumindest 10 MW betra gen. Etwaige Ströme von einem Leistungsfluss-Regelmodul zur Erde oder an deren elektrischen Bezugspunkten außerhalb des entsprechenden Leistungs fluss-Regelmoduls sind somit nur vernachlässigbar klein und verursachen keine nennenswerten Verluste. Derartige Widerstände, bisweilen auch als „Leckwiderstände“ bezeichnet, können durch diskrete Widerstandsbauteile, aber auch durch Sensorik, beispielsweise Isolationsüberwachungssensorik, ge bildet werden. Ebenso kann eine (nahezu) vollständige Trennung verwendet werden, die meist lediglich Leckströme entlang von (verschmutzten) Oberflä chen oder durch Isolatoren und Gigaohmwiderstände annimmt (siehe beispiels weise auch die Industrienorm IEC 60664).
Da das Leistungsfluss-Regelmodul lediglich relativ zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss arbeitet und keinen Erdbe zug hat, erfährt es die Gesamtspannungsamplitude nie, sondern lediglich die maximal zu stellende Spannungsdifferenz. Durch die Verschaltung als floaten des Modul können die Schaltelemente Kleinspannungshalbleiterbauteile sein, die auf kleinstem Raum trotzdem einige hundert Ampere Stromstärke leiten können. Auf große Leistungstransformatoren für hohe Leistungen (mehrere 100 kVA), die hohe Ströme (größer 100 A) und die geforderte Nennspannung (bei spielsweise größer 220 V bei Ortsnetzen) gegen Erdpotential zur Verfügung stellen, wird komplett verzichtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls ist die zur Verfügung gestellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Spannung in der Leitung betragsmäßig höchstens ein Drittel der Phasenscheitelspannung der Leitung. Bevorzugt ist die zur Verfügung gestellte Spannung kleiner oder gleich einem Fünftel der Phasenscheitelspannung, sehr bevorzugt höchstens ein Zehntel. Für Niederspannungsortsnetze als Anwendung ist die zur Verfügung gestellte Spannung betragsmäßig höchstens 100 V, bevorzugt höchstens 50 V und besonders bevorzugt maximal 25 V. In weiter bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Spannungsdifferenz und somit die zur Verfü gung gestellte Spannung des Leistungsfluss-Regelmoduls höchstens 20 V, sehr bevorzugt höchstens 15 V. In vielen Fällen sind die Anforderungen an das Leistungsfluss-Regelmodul derart, dass die maximal zur Verfügung zu stel lende Spannung höchstens 6 % der Nennspannung der Leitung ist, mit der das Leistungsfluss-Regelmodul in Serie geschaltet ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass aufgrund des Einsatzes des Leistungsfluss-Regelmoduls als floatendes Modul dieses Modul als Leistungs elektroniklösung ausgebildet sein kann. Das Leistungsfluss-Regelmodul muss nur sehr geringe Nennleistung aufweisen, um trotzdem ein Netzsegment eines Niederspannungs-Ortsnetzes mit sehr hohen Leistungen bedienen zu können.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsfluss-Regelmodul Schaltelemente auf, die als Halbbrücken verschaltet sind. Vorzugsweise sind vier Schaltelemente vorgesehen, die bevorzugt als zwei Halbbrücken verschal tet sind. Beide Halbbrücken sind bevorzugt parallel zu dem Energiespeicher verschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als Transisto- ren oder Leistungstransistoren ausgebildet, bevorzugt als Niederspannungs transistoren oder als Kleinstspannungstransistoren. Beispielsweise können vor zugsweise Feldeffekttransistoren (FET), beispielsweise Niederspannungs- Trench-Transistoren mit vertikalem Stromfluss, eingesetzt werden, wie sie etwa aus dem Automobilbereich bekannt sind. Für Niederspanungs-Ortsnetze sind die Schaltelemente vorzugsweise als Nie- derspannungs-Silizium-FETs ausgebildet. Alternativ können Gallium-Nitrid- FETs oder Gallium-Nitrid-FETs auf Silizium-Substraten beispielsweise mit late ralem Stromfluss verwendet werden. Für Anwendungen mit höheren Spannun gen wie dem Mittelspannungsverteilnetz können die Schaltelemente ferner bevorzugt als Siliziumkarbid-FETs ausgebildet werden, vorzugsweise mit Sperrspannungen über 200 V, besonders bevorzugt über 600 V, ferner bevor zugt über 1700 V. Als Alternative zu Siliziumkarbid-FETs können im Sinne der Erfindung ferner auch Insulated-Gate-Bipolartransistoren (IGBT) zum Einsatz kommen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls sieht vor, dass die Phase der Wechselspannung zwischen den beiden Modulanschlüs sen, die mit der Leitung verbunden sind, verschoben werden kann. Das Leis- tungsfluss-Regelmodul ist bevorzugt in der Lage, die Phase sowohl in negativer Richtung als auch in positiver Richtung zu verschieben, je nach Anforderung des Netzes.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Leistungsfluss-Regelmodul spannungsgesteuert betrieben. Es wird also so verwendet, dass eine Spannung in Serie zu der in der Leitung des Netzes vorherrschenden Spannung addiert wird. Auf diese Weise kann eine Spannungsabsenkung in einer Leitung des Netzes oder an einem Netz-Segment angepasst werden, sodass die Netzqua lität auf einfache Weise wiederhergestellt bzw. erhalten bleiben kann.
In einer ebenso bevorzugten Ausführungsform wird das Leistungsfluss-Regel- modul als stromgesteuerte Spannungsquelle verwendet. Auf diese Weise lässt sich in die Leitung, in die das Leistungsfluss-Regelmodul geschaltet ist, ein Strom einprägen, sodass der in der Leitung fließende Gesamtstrom in ge wünschter Weise beeinflusst werden kann. Ist beispielsweise in einem Segment oder in einer Leitung einer Masche eines Netzsegments der Stromfluss wesent lich höher als in einer parallelen Leitung des Segments, so kann durch den Leistungsfluss-Regler der Strom in der entsprechenden Leitung so angepasst werden, dass in beiden Leitungen ein nahezu ausgeglichener Strom fließt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die verwendeten Schaltelemente des Leistungsfluss-Regelmoduls getaktet. Vorzugsweise erfolgt eine Taktung mittels einer Pulsweitenmodulation. Die Schaltelemente werden vorzugsweise mit einer Schaltrate von zumindest 10 kHz getaktet. Beim Einsatz von Silizium-FETs mit einer Sperrspannung un ter 200 V (vorzugsweise unter 100 V) oder Siliziumkarbid-FETs mit einer Sperr spannung von über 200 V (vorzugsweise über 600 V) ist die Schaltrate vorzugs weise zumindest 20 kHz, besonders vorzugsweise zumindest 50 kHz oder 100 kHz. Beim Einsatz von Gallium-Nitrid-FETs ist die Schaltrate vorzugsweise zumindest 100 kHz, sehr bevorzugt zumindest 250 kHz und besonders bevor zugt zumindest 500 kHz. Mit steigender Schaltrate verringert sich der Bedarf an Netzfiltern, beispielsweise Induktivitäten, an Modulanschlüssen. Bei Verwen dung einer hohen Schaltrate, beispielsweise über 500 kHz, wie sie unter ande rem mit Gallium-Nitrid-FETs, aber bisweilen auch mit Siliziumkarbid- und Sili zium-FETs erreichbar ist, kann vorzugsweise vollständig auf dedizierte Netzfil ter verzichtet werden, weil die parasitäre Induktivität der Leitung ausreicht, um bei diesen Schaltraten nur geringe ungewollte Stromwelligkeit zu erzeugen. Die parasitären Induktivitäten vollführen in dieser Ausführungsform die Funktion von Netzfiltern.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls sieht eine Energiequelle vor, die mit den Energieanschlüssen verbunden ist. Die Energiequelle wird benötigt, um die notwendige Energie zum Anheben der Spannung in der Leitung des Netzes zur Verfügung zu stellen. Die Energie quelle kann beispielsweise eine Batterie sein, die bevorzugt mittels eines zwi schengeschalteten DC-DC-Wandlers mit den Energieanschlüssen des Leis- tungsfluss-Regelmoduls verbunden ist, ein Netzteil oder eine sonstige elektri sche Energiequelle.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Leistungselektroniklösung für das Leistungsfluss-Regelmodul nur sehr geringe Nennleistungen aufweisen muss, um trotzdem in der Leitung des Netzes eine sehr hohe Leistung erzeugen zu können. Es wurde weiter erkannt, dass sich durch eine geschickte Schaltung die Orte mit hohen Spannungsanforderungen innerhalb des Leistungsfluss-Re- gelmoduls von den Orten mit einer hohen Stromanforderung trennen lassen. So können Blindleistungen aus der Schaltung ferngehalten werden. Die erfindungsgemäße Lösung verzichtet dabei auf jegliche (große und schwere) Leistungstransformatoren bei Grundfrequenz. Die Speisung wird über die Leis tungselektronik des Leistungsfluss-Regelmoduls, also durch die Schaltele mente, geformt und mit einer vorzugsweise modernen Energiequelle gespeist. Als Energiequelle kann beispielsweise eine moderne Netzteiltechnik verwendet werden, die bevorzugt auch eine galvanische Trennung kompakt auf Oberfre quenz bereitstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsfluss-Regelmodul deshalb mindestens ein galvanisch trennendes Netzteil, das mit den Energie- anschlüssen verbunden ist. Es kann aber auch eine Mehrfachversorgung in ei nigen Fällen sinnvoll sein.
Die Netzteile sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass der von ihnen ge bildete Zwischenkreis für das Leistungsfluss-Regelmodul bei sehr geringen Spannungen gehalten werden kann. Diese sind beispielsweise höchstens ein Drittel der Netzscheitelspannung, vorzugsweise höchstens ein Fünftel, weiter bevorzugt höchstens ein Zehntel und sehr bevorzugt höchstens ein Fünfzehn tel. Bei Niederspannungs-Ortsnetzen sind diese beispielsweise höchstens 100 V DC, vorzugsweise höchstens 60 V, weiter bevorzugt höchstens 30 V und sehr bevorzugt höchstens 15 V. Die galvanische T rennung mittels der Netzteile stellt sicher, dass das Leistungs fluss-Regelmodul mit der Spannung an der Leitung des Ortsnetzes, zu dem das Leistungsfluss-Regelmodul in Serie geschaltet ist, floaten kann. Mit anderen Worten nimmt das elektrische Potential des Leistungsfluss-Regelmoduls stets die Spannung an, die in der Leitung vorherrscht. Das Floaten der Leistungsfluss-Regelmodule, also das mit der in der ange schlossenen Leitung vorherrschenden Spannung Mitschwingen, hat zudem den Vorteil, dass Überspannungen unproblematisch sind. Auch bietet diese Schaltung einen guten Schutz gegen Blitze, die in das Verteilnetz oder das Ortsnetz einschlagen. Niederspannungs-Ortsnetze lassen sich zum Teil nur sehr schwer vor Blitzeinschlägen schützen. Mittelspannungsleitungen werden zumindest im ländlichen Raum als Freileitung mit nah beieinanderliegenden Leiterseilen ausgeführt. Erdleitungen des Niederspannungs-Ortsnetzes sind ebenfalls betroffen, da Ortsnetztransformatoren die auftretenden Spannungs- spitzen übertragen.
Durch den fehlenden Erdbezug des Leistungsfluss-Regelmoduls und die galva nische Trennung der elektronischen Schaltelemente und der damit verbunde nen Schaltung (elektronische Phaseneinspeisemodule) sowie den fehlenden Potentialbezug untereinander, d. h. zwischen mehreren Leistungsfluss-Regel- modulen, folgen die Leistungsfluss-Regelmodule jeder Spannungsänderung. Mit anderen Worten folgen sie also auch einer Spannungsspitze eines Blitzein schlags oder anderen Potentialfluktuationen ebenso. Das Leistungsfluss-Re- gelmodul folgt der Potentialspitze, auch wenn diese beispielsweise mehrere tausend Volt annimmt. Dementsprechend steigt die Spannung eines Punktes des Leistungsfluss-Regelmoduls gleichzeitig um die Erdspannung. Die relevan ten Spannungsdifferenzen bzw. Differenzspannungen zwischen den Punkten innerhalb des Leistungsfluss-Regelmoduls bleiben jedoch konstant, sodass das Leistungsfluss-Regelmodul trotzdem nur mit Bauteilen mit deutlich geringerer Nennspannung als der Phasenscheitelspannung, bspw. Niederspannungsbau- teile für Ortsnetze, also Niederspannungsschaltelementen wie Transistoren und Niederspannungskondensatoren etc., aufgebaut sein kann.
Die Ausgestaltung der Leistungsfluss-Regelmodule ausschließlich mit Leis tungselektronik und hierbei mit Niederspannungsbauteilen hat zudem den Vor teil, dass die Leistungsfluss-Regelmodule räumlich sehr klein ausgebildet sind. Beispielsweise sind ihre Abmessungen deutlich kleiner als die einer Euro-Pla- tine. Aufgrund der kleinen Baugröße können auch keine großen kapazitiven oder induktiven Spannungsunterschiede innerhalb des Leistungsfluss-Regel- moduls aufgebaut werden, die zu Schäden führen können. Dies ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Leistungsfluss-Regelmodule. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls umfasst ein Netzteil mit einem DC-DC-Wandler, wobei das Netzteil vorzugs weise aus dem Niederspannungs-Ortsnetz gespeist wird. Somit ist kein sepa rater Stromanschluss oder keine separate Energiequelle notwendig. Besonders bevorzugt erfolgt die Speisung des Netzteils aus der Leitung, mit der das Leis- tungsfluss-Regelmodul verbunden ist. In einer weiter bevorzugten Ausfüh rungsform umfasst der DC-DC-Wandler eine LLC-Schaltung, wie sie dem Fach mann bekannt ist.
Eine weiter bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Leistungsfluss- Regelmoduls weist ein Netzteil auf, das eine Gleichrichterschaltung umfasst. Mit Gleichrichter im Sinne der Erfindung sind alle Schaltungen gemeint, die Energie zwischen einer Wechselspannungsseite mit einer beliebigen Anzahl von Phasen und einer Gleichspannungsseite mit zumindest einem Gleichspan- nungszwischenkreis mit einer oder mehreren Leistungsflussrichtungen wan deln und/oder austauschen können. Beispielsweise könnte hier ein Gleichrich ter, ein Wechselrichter, ein Inverter, ein aktives Frontend oder ähnliches zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist hier ein unidirektionaler Gleichrichter ver baut. Ebenso bevorzugt ist ein Netzteil, das eine Leistungsfaktorkorrektur- Schaltung (Power Factor Correction, PFC) hat. Eine Power-Factor-Correction- Stufe sorgt beispielsweise dafür, dass eine vorzugsweise gleichmäßige sinus förmige Belastung auf der AC-Seite des Netzteils garantiert wird. Die Leistungs faktorkorrektur-Schaltung kann beispielsweise als dem Fachmann bekannte Boost-Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (auch boost PFC genannt) in Verbin dung mit einem Gleichrichter, vorzugsweise Dioden-Gleichrichter, oder ebenso als sogenannte brückenfreie Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (bridgeless PFC) ausgeformt sein, die meist bereits selbst die Funktion eines unidirektio- nalen Gleichrichters mit möglichst sinusförmigem Netzstrom erbringt.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls umfasst einen Heizwiderstand. Dieser optionale Heizwiderstand kann beispiels weise genutzt werden, um Energie zu verbrauchen. Dies erfolgt dann, wenn die Spannungsdifferenz multipliziert mit dem Strom in den floatenden Leistungsfluss-Regelmodulen negativ wird und damit Energie aus den Leis- tungsfluss-Regelmodulen entnommen werden muss. Der Heizwiderstand kann vorzugsweise entweder in dem Leistungsfluss-Regelmodul liegen. Eine alter native und ebenfalls bevorzugte Ausführung sieht vor, dass der Heizwiderstand vor einem DC-DC-Wandler im Zwischenkreis angeordnet sein kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsfluss- Regelmodul einen Hochfrequenz-Übertrager. Bevorzugt ist dessen Frequenz wenigstens 100 Hz, weiter bevorzugt wenigstens 400 Hz. In einer ebenso be vorzugten Ausführungsform arbeitet der Übertrager mit Frequenzen von we nigstens 1 kHz, bevorzugt wenigstens 10 kHz und sehr bevorzugt wenigstens 100 kHz. Die Wahl der Arbeitsfrequenz des Übertragers obliegt dem Fachmann in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall und beispielsweise auch in Abhängigkeit der verwendeten Frequenz der Spannung in der Leitung des Ortsnetzes.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Leistungsfluss-Regel- system zum Regeln der Lastverteilung in einem Netz oder in einem Netzseg ment, beispielsweise einem Niederspannungs-Ortsnetz, einem Mittelspan nungsverteilnetz oder einem Netz-Segment eines Niederspannungs-Ortsnet zes oder Mittelspannungsverteilnetzes, mit einer Leitung. Das Leistungsfluss- Regelsystem umfasst ein Leistungsfluss-Regelmodul, etwa wie oben beschrie ben, und eine Energiequelle zum Versorgen des Leistungsfluss-Regelmoduls mit Energie, um die Spannung in der Leitung des Niederspannungs-Ortsnetzes in ihrer Amplitude zu verändern oder anzupassen oder um die Lastverteilung bzw. den Stromfluss in der Leitung zu regeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein elektrisches Netz bzw. Wechselstromenergienetz, vorzugsweise ein Niederspannungs-Ortsnetz, oder ein Netz-Segment eines elektrischen Netzes, z. B. ein Niederspannungs-Orts- netz-Segment eines Niederspannungs-Ortsnetzes. Das Netz-Segment hat er findungsgemäß eine Leitung bzw. drei Leitungen eines Dreileitersystems, die an einem (Orts-) Netztransformator angeschlossen ist und an welcher mehrere Verbraucher und/oder (dezentrale) Einspeisequellen angeschlossen sind. Das Netz-Segment weist für jede Leitung ein Leistungsfluss-Regelmodul auf, das bevorzugt gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte und Ausführungen ausgebildet und in Serie in die Leitung des Netzes, beispielsweise eines Nie derspannungs-Ortsnetzes, geschaltet ist.
In dem erfindungsgemäßen Netz-Segment ist das Leistungsfluss-Regelmodul mit zwei Modulanschlüssen an die Leitung des Netzes angeschlossen und um fasst mehrere Schaltelemente, einen Energiespeicher sowie zwei Energiean schlüsse für eine Energiequelle. Die beiden Schaltelemente des Leistungsfluss- Regelmoduls sind in Serie geschaltet und parallel zu dem Energiespeicher. Das Leistungsfluss-Regelmodul ist dabei derart verschaltet, dass es auf dem Poten tial der Leitung des elektrischen Netzes, z. B. eines Niederspannungs-Ortsnet zes, liegt und galvanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes getrennt ist. Das Leistungsfluss-Regelmodul mit seinen Schaltele menten ist dazu ausgebildet, die Amplitude der Spannung in der Leitung zu beeinflussen, bevorzugt zu erhöhen oder zu reduzieren, um die Spannung der Leitung des Netzes anzupassen oder um den Stromfluss in der Leitung ent sprechend den vorgegebenen Wünschen zu steuern. Auf diese Weise ist es einfach möglich, die Netzqualität und Qualität der Versorgung in dem Ortsnetz- Segment zu gewährleisten. Da das Leistungsfluss-Regelmodul auf dem glei chen Potential wie die Leitung liegt, müssen zur Anpassung der Spannung an der Leitung lediglich kleine Spannungen von dem Leistungsfluss-Regelmodul zur Verfügung gestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Schaltelemente als Kleinspannungsschaltelemente oder Kleinspannungstransistoren ausgebil det sein können. Sie müssen bei geringen Spannungen jedoch große Ströme von vorzugsweise größer 500 A verarbeiten können. Da die großen Ströme aber in Kombination mit geringen Spannungen kleiner 50 V, bevorzugt kleiner 20 V, sehr bevorzugt kleiner 10 V aufzubringen sind, ist das Leistungsfluss-Re- gelmodul insgesamt sehr klein und weist nur ein sehr geringes Gewicht (kleiner 5 kg, bevorzugt kleiner 1 kg, sehr bevorzugt kleiner 0,5 kg) auf. Es kann also an jeden herkömmlichen Schaltschrank in einem Ortsnetz mit verbaut werden. Weitere bauliche Maßnahmen sind nicht erforderlich. So kann insbesondere auf den Einsatz von großen Leistungstransformatoren ebenso verzichtet werden wie auf eine Änderung der Leitungsquerschnitte in dem Ortsnetz-Segment, um die auftretenden höheren Lasten verarbeiten zu können. Vielmehr wird in dem erfindungsgemäßen Netz-Segment durch Einsatz des erfindungsgemäßen Leistungsfluss-Regelmoduls die Spannung und der Strom in den gewünschten Bereichen angepasst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprü chen definiert. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nach stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Unter galvanischer Trennung wird entweder eine vollständige galvanische Trennung, beispielsweise über einen Transformator oder Übertrager, oder eine Trennung über einen Widerstand zu Erde von zumindest 250 kQ (kilo-Ohm), bevorzugt wenigstens 1 MW (Mega-Ohm), sehr bevorzugt > 10 MW verstanden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbei spiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrie ben und erläutert. Hier wird exemplarisch auf ein Niederspannungs-Ortsnetz als ein mögliches Beispiel eines elektrischen Wechselspannungsnetzes verwie sen, ohne die Allgemeinheit eines Ortsnetzes einzuschränken. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze eines Netz-Segments mit Leitung und Leistungs fluss-Regelmodul;
Figur 2 eine Prinzipskizze eines alternativen Netz-Segments bzw. Orts netz-Segments;
Figur 3 eine Detailskizze des Netz-Segments aus Figur 2;
Figur 4 eine Detailskizze einer alternativen Ausführungsform eines Netz- Segments; Figur 5 eine weitere Detailskizze einer alternativen Ausführungsform eines Ortsnetz-Segments;
Figur 6 eine weitere Prinzipskizze eines Ortsnetz-Segments;
Figur 7 eine weitere Detailskizze einer alternativen Ausführungsform eines Ortsnetz-Segments;
Figur 8 ein alternatives Ortsnetz-Segment mit Leistungsfluss-Regelmodul und Batterie;
Figur 9 eine alternative Ausführungsform des Ortsnetz-Segments gemäß Figur 8; und Figur 10 eine alternative Ausführungsform eines Ortsnetz-Segments mit Leistungsfluss-Regelmodul.
Fig. 1 zeigt ein dreiphasiges Netz-Segment 10 mit drei Leitungen 20, wobei das Netz-Segment 10 Teil eines elektrisches Netzes 12 ist. Beispielhaft ist hier ein Ortsnetz-Segment 11 eines Niederspannungs-Ortsnetzes 14 gezeigt. In jeder Leitung 20 ist ein Leistungsfluss-Regelmodul 30 in Serie geschaltet, das einen AC-Teil 32 und einen DC-Teil 34 aufweist. Zwischen dem Leistungs fluss-Regelmodul 30 und der Leitung 20 sind jeweils optionale Netzfilter 36 vor gesehen, die als Induktivitäten oder als Pl-Filter ausgebildet sein können.
Jedes des Leistungsfluss-Regelmodule 30 ist mit einem Netzteil 40 verbunden, das je einen isolierenden Ausgang hat. Die Netzteile 40 können von jeder be liebigen Spannungsquelle oder Energiequelle gespeist werden, wobei ein AC- Teil 42 des Netzteils 40 mit einer hier nicht dargestellten Energiequelle verbun den werden kann, die an den Anschlüssen 46 angeordnet sein kann. Die Ener giequellen können unterschiedlicher Art sein. Zwischen einem DC-Teil 44 des Netzteils 40 besteht eine Verbindung mittels zweier Leiter 48 zum DC-Teil 34 des Leistungsfluss-Regelmoduls 30.
Fig. 1 ist zu entnehmen, dass die Spannung an einer (auf das Leistungsfluss- Regelmodul 30 bezogenen) Eingangsseite 22 eine andere Form, d. h. eine an- dere Amplitude aufweist als die Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite 24. Die Spannungen der drei Phasen sind jeweils schematisch dargestellt.
Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass die Netzteile 40, die sich prinzipiell aus jeder möglichen Quelle speisen können, in dieser Ausführungs form aus der Eingangsseite 22 des Netz-Segments 10 gespeist werden. Folg- lieh ist für jede Phase ein Leiter 49 mit der jeweiligen Leitung 20 verbunden, um die Netzteile mit Energie zu versorgen.
In den hier gezeigten Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 sind die Leis- tungsfluss-Regelmodule 30 derart in die Leitung 20 geschaltet, dass sie mit dem Spannungsniveau der Leitungen 20 floaten. Die Leistungsfluss-Regelmo- dule sind also auf dem jeweiligen Spannungsniveau der Leitung, mit der sie in Serie geschaltet sind.
Vorzugsweise sind die Leistungsfluss-Regelmodule 30 derart ausgebildet, dass sie lediglich kleine Spannungen verarbeiten können, bevorzugt Spannungen kleiner 50 V, sehr bevorzugt kleiner 20 V, besonders bevorzugt kleiner 15 V. Auf der anderen Seite ist es jedoch möglich, sehr hohe Ströme zu verarbeiten, in der Regel Ströme größer 500 A. Die Netzteile 40 sorgen für eine galvanische T rennung, sodass die Leistungsfluss-Regelmodule 30 mit der Spannung in den Leitungen 20 floaten können. Die Leistungsfluss-Regelmodule 30 haben des halb keinen Erdbezug und auch keine Verbindung zu einer anderen Phase bzw. anderen Leitung 20 als der Leitung, mit der sie in Serie geschaltet sind. Die Leistungsfluss-Regelmodule 30 bewegen sich entsprechend mit der Spannung in ihrer Leitung mit und müssen deshalb lediglich eine geringe Spannungsdiffe renz zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Module verarbeiten können. Die Leistungsfluss-Regelmodule 30 "sehen" die Gesamtspannungsamplitude der Leitung 20 nicht, da sie relativ zwischen dem Eingang und Ausgang der Leitung 20 angeordnet sind. Für sie spielt nur die maximal zu stellende Span nungsdifferenz eine Rolle. Deshalb können Kleinspannungsschaltelemente, z. B. Kleinspannungshalbleiterbauelemente, eingesetzt werden, die auf kleins tem Raum trotzdem einige hundert Ampere Strom leiten können.
Neben den hier gezeigten drei Netzteilen 40, also ein Netzteil 40 für jede Phase bzw. Leitung 20, könnte auch ein Netzteil verwendet werden, das alle drei Leis- tungsfluss-Regelmodule 30 speist. Allerdings muss eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Leitungen 20 vorhanden sein.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungsfluss-Regelmoduls 30 mit ei nem Netzteil 40 im Detail für eine Leitung 20 des dreiphasigen Netz-Segments 10, beispielsweise eines Ortsnetz-Segments 11. Das Leistungsfluss-Regelmo- dul 30 ist im Detail gezeigt. Es umfasst einen ersten Modulanschluss 60, der mit der Leitung 20 an der Eingangsseite 22 verbunden ist, und einen zweiten Modulanschluss 62, der mit der Ausgangsseite 24 der Leitung 20 verbunden ist. Die Ausgangsseite der Leitung 20 ist nicht dargestellt. Zwischen Leitung 20 und dem jeweiligen Modulanschluss 60, 62 kann je ein Netzfilter 36 (z. B. In duktivität) angeordnet sein. Das Leistungsfluss-Regelmodul umfasst mehrere Schaltelemente 64, die als Niederspannungs-FET (Feldeffekttransistor), bei spielsweise als Niederspannungssilizium-FET, ausgebildet sein können. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Schaltelemente 64 als Transistoren 66 ausgebildet, wobei jeweils zwei Transistoren in Serie geschaltet sind und paral lel zu einem Energiespeicher 68. Die Schaltelemente 64 sind als zwei Halbbrü cken verschaltet. Die Schaltelemente können getaktet sein, bevorzugt mit einer Taktrate von wenigstens 20 kHz, weiter bevorzugt mit wenigstens 100 kHz, be sonders bevorzugt wenigstens 250 kHz. Bevorzugt sind die Schaltelemente 64 Transistoren auf Basis von Gallium-Nitrid (GaN) mit dem Vorteil, dass die In duktivitäten 36 sehr klein werden (etwa proportional zum Kennwert der Schalt rate, 1/Schaltrate) oder sogar die parasitäre Induktivität der Leitungen (die ja ebenfalls um sich herum ein kleines Magnetfeld aufbauen, das bei ausreichen der Schaltrate genügt) als Filter ausreichen. Das Netzteil 40 ist an zwei Energieanschlüssen 70 mit dem Leistungsfluss-Re- gelmodul 30 verbunden. Das Netzteil umfasst in der hier gezeigten Ausfüh rungsform eine Gleichrichterschaltung 50, hier einen (unidirektionalen) Gleich richter 50b, der für eine gleichmäßige Belastung aus allen drei Phasen des Netz-Segments 10 gespeist wird, also mit anderen Worten mit allen drei Leitun gen 20 des Netz-Segments 10 bzw. Ortsnetz-Segments 11 verbunden ist. Die (unidirektionale) Gleichrichterschaltung 50 ist hier als aktives Frontend ausge bildet. Hier können hohe Spannungen, größer 200 V, aber nur geringe Ströme (kleiner 50 A) verarbeitet werden. Damit steht der Gleichrichter 50 des Netzteils 40 im Gegensatz zum Leistungsfluss-Regelmodul 30, bei dem gerade nur kleine Spannungen (bevorzugt kleiner 50 V) verarbeitet werden, jedoch große Ströme über 500 A.
Prinzipiell könnte der Gleichrichter aus nur einer Phase gespeist werden. Wei terhin umfasst das Netzteil 40 auf seiner AC-Seite bevorzugt eine Leistungs- faktorkorrekturstufe 52, eine sogenannte PFC-Stufe, um eine gleichmäßige si nusförmige Belastung zu erhalten. Zusätzlich ist im Netzteil ein DC-DC-Wandler 54 vorgesehen, der als LLC-Schaltung gemäß Fig. 3 ausgebildet ist. Der DC- DC-Wandler muss wenigstens einen isolierten Ausgang pro Leistungsfluss-Re- gelmodul 30 für eine Leitung 20 haben. Somit gleicht die hier verwendete Stromversorgung typischen Netzteilen. Auf der AC-Seite kann zusätzlich ein Netzfilter 56, beispielsweise in Form von Induktivitäten, vorgesehen sein.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des Leistungsfluss-Regelmoduls 30 mit Netzteil 40. In der hier vorgesehenen Ausführung ist die PFC-Stufe 52 bereits in der Gleichrichterschaltung 50 bzw. einem Gleichrichter 50b integriert und nicht als separate Stufe ausgebildet. Das Netzteil umfasst auch in diesem Fall wiederum einen DC-DC-Wandler 54, um das Leistungsfluss-Regelmodul 30 galvanisch zu trennen und erdfrei zu schalten, sodass es auf dem Potential der Leitung 20 ist. Der DC-DC-Wandler 54 weist einen Übertrager 80 auf, beispielsweise einen Hochfrequenz-Übertrager. In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 umfasst das Netzteil 40, das gemeinsam mit dem Leistungsfluss-Regelmodul 30 in dem Ortsnetz-Segment 10 verbaut ist, einen Gleichrichter 50b sowie einen DC-DC-Wandler 54. Zwischen Gleich richter 50b und DC-DC-Wandler 54 ist ein Heizwiderstand 58 angeordnet, der optional gesteuert sein kann. Der Heizwiderstand 58 dient dazu, Energie aus dem Netz-Segment 10 zu entnehmen und zu verbrauchen. Das Heizelement 58 ist also ein Verbraucher zur Energieaufnahme.
Der DC-DC-Wandler 54 des Netzteils 40 in den Fig. 3 bis 5 umfasst unter an derem einen Übertrager 80, der bevorzugt ein Hochfrequenz-Übertrager ist. Der Hochfrequenz-Übertrager wird vorzugsweise mit einem Printtransformator oder einem Flachtransformator realisiert. Der Übertrager kann auch durch einen Planartransformator auf Leiterplattentechnologie implementiert sein. Bei Ver wendung von beispielsweise Ferritkernmaterialien können sehr hohe Übertra gerfrequenzen ermöglicht werden. Die übertragene Leistung steigt (je nach Bauraum) über einen weiten Bereich mit der Frequenz linear an, sodass ein sehr kompakter Aufbau in den Netzteilen ermöglicht werden kann.
Eine Alternative zur Verwendung eines Heizelements in dem Netzteil besteht darin, die Netzteile 40 rückspeisefähig auszuformen. Auf diese Weise kann in den floatenden Leistungsfluss-Regelmodulen 30 auflaufende Energie ebenfalls "losgeworden" werden. Die Netzteile 40 nehmen entsprechend die Leistung aus den (floatenden) Leistungsfluss-Regelmodulen 30 auf und speisen sie in die Quelle der Netzteile 40, also zurück in das Netz-Segment 10 oder elektrische Netz 14, bzw. Niederspannungs-Ortsnetz, ein. Fig. 6 zeigt eine mögliche Vari ante von rückspeisefähigen Netzteilen, die hier in dem Netz-Segment 10 bzw. Ortsnetz-Segment 11 verbaut ist. Eine mögliche Variante derartiger rückspei sefähiger Netzteile 40 nutzt ein aktives Frontend (AFE). Dies ist aber nicht die einzige Möglichkeit, um ein Netzteil 40 rückspeisefähig auszubilden. Der Fach mann erkennt, dass auch andere rückspeisefähige Netzteiltechnologien ver wendet werden könnten. Die Erfindung schließt diese Netzteiltechnologien nicht aus, sondern bindet sie vielmehr ein. Wie in Fig. 6 schematisch dargestellt kann das Netzteil 40 eine Gleichrichter- Schaltung 50 (z. B. einen Inverter) und einen galvanisch isolierenden DC-DC- Wandler 54 umfassen, der beispielsweise als LLC-Stufe ausgebildet ist, welche in der Regel im Spannungsverhältnis zwischen Eingang und Ausgang nur schlecht regelbar ist, aber für die vorliegende Schaltung kein Problem darstellt und genügt. Alternativ kann der DC-DC-Wandler 54 eine Dual-Active-Bridge (DAB) umfassen. In Fig. 6 ist auch zu erkennen, dass das Netzteil 40 eine Gleichrichterschaltung 50 und drei DC-DC-Wandler 54 aufweist, einen für jede Phase bzw. jede Leitung 20 des Ortsnetz-Segments 10.
Über die Gleichstromleitung 48 wird die zur Erhöhung der Spannung in der Phase bzw. Leitung 20 des Netz-Segments 10 erforderliche Leistung übertra gen, die im Wesentlichen aus der hinzugefügten Spannungsdifferenz multipli ziert mit dem in der Leitung 20 fließenden Strom besteht. Die erforderliche Leis tung wird aus dem DC-DC-Wandler 54 und der Gleichrichterschaltung 50 be zogen. An dem Knotenpunkt zwischen Gleichrichterschaltung 50 und den DC- DC-Wandlern 54 liegt eine möglicherweise pulsierende und von der Größe des verwendeten Gleichstromkondensators abhängige Gleichspannung in der Gleichstromverbindung an. Diese ist beispielsweise größer 400 V, sie kann aber auch größer 650 V oder größer 750 V sein.
Fig. 7 zeigt die Ausführungsformen des Netzteils 40 aus Fig.6 im Detail mit ein zelnen Bauteilen, wobei hier lediglich ein DC-DC-Wandler 54 und ein Leistungs fluss-Regelmodul 30 für eine Leitung 20 gezeigt ist. In einem dreiphasigen Sys tem müssen selbstverständlich drei galvanisch isolierende DC-DC-Wandler eingesetzt werden, einer für jede Phase bzw. für jedes Leistungsfluss-Regel- modul 30, jedenfalls ein DC-DC-Wandler mit einem isolierten Ausgang pro Phase bzw. pro Leistungsfluss-Regelmodul. Die Gleichrichterschaltung 50 ist hier als bidirektionales aktives Frontend 51 ausgebildet. Dies ermöglicht auch eine Rückspeisung von Energie in das Netz.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungsfluss-Regelmoduls 30 mit ei ner Batterie 90 als Energiequelle 92 für die Leistungsfluss-Regelmodule 30. In einem Dreiphasensystem, bei dem drei Leistungsfluss-Regelmodule 30 einge setzt werden, eines pro Leitung 20, kann jedoch eine einzige Batterie verwendet werden. Gleichzeitig kann die Batterie 90 als Last dienen, um Energie aufzu nehmen und somit dem System zu entziehen. Die Variante mit Batterie berücksichtigt, dass sowohl ein Spannungsabfall in einer Masche eines elektrischen Netzes 12 (Niederspannungs-Ortsnetzes 14) oder in einem Netz-Segment 10 (Ortsnetz-Segment 11) als auch die Notwen digkeit, den Leistungszufluss aus schwachen anderen Zuleitungen zu limitie ren, mit einem hohen Leistungsbedarf in dem Netz-Segment verbunden ist. An- dererseits wird berücksichtigt, dass ein Spannungsanstieg mit einer unerwartet niedrigen Last oder mit unvorteilhaft hoher Einspeisung, die beispielsweise aus bremsenden Antrieben oder Solaranlagen hervorgerufen werden kann, perfekt mit den Anforderungen eines Netzspeichers übereinstimmt. Eine Batterie er laubt so, auf komplizierte und teure, aber potentiell rückspeisefähige Netzteile zu verzichten.
Die Batterie 90 kann direkt mit den einzelnen Leistungsfluss-Regelmodulen 30 verbunden sein (Fig. 8) oder über einen galvanisch getrennten zusätzlichen DC-DC-Wandler 54 (Fig. 9).
Bevorzugt wird eine Batterie 90 pro Leistungsfluss-Regelmodul 30 mit ausrei- ehender Kapazität verwendet, wie sie in Netzenergiespeichern vorgesehen ist. Ein Energieaustausch zwischen einzelnen Batterien 90 ist nicht notwendig, wenn sich die Unsymmetrien über die Zeit wegmittein.
In Fig. 10 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Leistungsfluss- Regelmoduls 30 gezeigt, das mehrere Ein- und Ausgänge aufweist, also meh- rere erste Modulanschlüsse 60 und mehrere zweite Modulanschlüsse 62. Das Leistungsfluss-Regelmodul 30 umfasst in diesem Fall mehrere als Halbbrücken ausgebildete Schaltelemente 64 oder Transistoren 66, z. B. FETs. In diesem Fall können die Leistungsfluss-Regelmodule 30 jeweils als "Niederspannungs energie-Router" arbeiten und damit eine N zu M-Routung ausführen. Die Leistungsfluss-Regelmodule 30 können dabei Leistung wie eine Weiche zwi schen N Eingängen (erster Modulanschluss 60) und M Ausgängen (zweiter Mo dulanschluss 62) verteilen, indem sie beliebige Spannungsgefälle zwischen den MxN-Abgriffen erzeugen. Dies erfolgt bevorzugt innerhalb der Zwischen- kreisspannungslevels der in Serie geschalteten Leistungsfluss-Regelmodule 30, also beispielsweise mit maximal +/- 48 V bei 48 V oder maximal +/- 24 V bei 24 V. Streng genommen unterscheiden die Leistungsfluss-Regelmodule 30 in diesem Fall aufgrund der Symmetrie nicht mehr zwischen Eingängen und Aus gängen (erster Modulanschluss 60 bzw. zweiter Modulanschluss 62). Damit wird der kompakte Leistungselektronikmaschenstromregler, wie hier beschrie ben, zu einer Art Gateway oder Router. Wichtig ist allerdings auch hier, dass weiterhin kein galvanischer Bezug zu den anderen Phasen bzw. Leitungen 20 und auch insbesondere kein galvanischer Bezug zum Erdpotential besteht. Ebenfalls sollten die Eingänge und Ausgänge phasenmäßig sehr nah aneinan der liegen.
Das Netzteil 40 umfasst bevorzugt ein bidirektionales aktives Frontend 51 als Gleichrichterschaltung 50 bzw. Inverter und einen DC-DC-Wandler 54.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfas send beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbar ten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variatio nen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Er findung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein ein zelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung ei niger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Pa tentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungsfluss-Regelmodul (30) zum Einsatz in einem elektrischen Netz (12) und zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindes- tens einer Leitung (20) des Netzes (12), umfassend mindestens zwei Modulanschlüsse (60, 62) zum Anschluss an die Leitung (20) des Netzes (12), mehrere Schaltelemente (64), einen Energiespeicher (68) und zwei Energieanschlüsse (70) zum Anschluss an eine Energiequelle (92), wobei der erste Modulanschluss (60) und der zweite Modulanschluss (62) dazu ausgebildet sind, das Leistungsfluss-Regelmodul (30) elektrisch in Serie mit der Leitung (20) zu schalten; zwei der Schaltelemente (64) in Serie geschaltet sind und parallel zu dem Energiespeicher (68) geschaltet sind, das Leistungsfluss-Regelmodul (30) derart verschaltet ist, dass es auf dem Potential der Leitung (20) des Netzes (12) ist und galvanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes (12) getrennt ist, die Schaltelemente (64) dazu ausgebildet sind, die Amplitude der Span nung in der Leitung (20) zu erhöhen oder zu reduzieren, um die Spannung anzupassen, um die Phase der Spannung zu verschieben oder um den Stromfluss in der Leitung (20) entsprechend zu steuern.
2. Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Leistungsfluss-Regelmodul (30) zur Verfügung ge stellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Leitung (20) betrags mäßig höchstens ein Drittel der Netznennscheitelspannung beträgt, bevorzugt höchstens ein Fünftel, sehr bevorzugt höchstens ein Zehntel, weiter bevorzugt höchstens ein Fünfzehntel, besonders bevorzugt höchs tens ein Zwanzigstel.
3. Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die von dem Leistungsfluss-Regelmodul (30) zur Verfü gung gestellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Leitung (20) betragsmäßig höchstens 100 Volt beträgt, bevorzugt höchstens 50 Volt, sehr bevorzugt höchstens 25 Volt, weiter bevorzugt höchstens 20 Volt, besonders bevorzugt höchstens 15 Volt.
4. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (64) als zwei Halbbrü cken verschaltet sind und bevorzugt als T ransistoren (66) oder Leistungs transistoren ausgebildet sind, besonders bevorzugt als Niederspan nungs-Transistoren oder als Kleinstspannungs-T ransistoren, sehr bevor- zugt als Niederspannungs-Trench-T ransistoren.
5. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Schaltelemente (64) mindestens einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise aus Silizium, Silizi- umcarbid, Gallium-Nitrid oder Gallium-Nitrid auf Silizium-Substrat, um- fasst.
6. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) die Phase zwischen den beiden Modulanschlüssen (60, 62), die mit der Lei tung (20) verbunden sind, verschieben kann, bevorzugt sowohl in negati- ver Richtung als auch in positiver Richtung.
7. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) spannungsgesteuert betrieben wird oder als stromgeregelte Spannungs quelle verwendet wird.
8. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (64) getaktet werden, bevorzugt mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM).
9. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (64) mit einer Schalt rate von zumindest 20 kHz, bevorzugt mindestens 100 kHz, besonders bevorzugt mindestens 250 kHz getaktet werden.
10. Leistungsfluss-Regelmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (92), die mit den Ener gieanschlüssen (70) verbunden ist, eine Batterie (90) ist, die bevorzugt mittels eines zwischengeschalteten DC-DC-Wandlers (54) mit den Ener gieanschlüssen (70) verbunden ist.
11. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) min destens ein galvanisch trennendes Netzteil (40) umfasst, das mit den Energieanschlüssen (70) verbunden ist.
12. Leistungsfluss-Regelmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (40) einen DC-DC-Wandler (54) umfasst und aus dem elektrischen Netz (12) gespeist wird, bevorzugt mit der Leitung (20) verbunden ist, wobei der DC-DC-Wandler (54) bevor zugt eine LLC-Schaltung umfasst.
13. Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass das Netzteil (40) eine Gleichrichterschaltung (50), bevor zugt einen unidirektionalen Gleichrichter, umfasst und bevorzugt eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung aufweist.
14. Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass das Netzteil (40) mindestens ein bidirektionales aktives Frontend (51 ) ist.
15. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) ein Heizelement (58) umfasst, bevorzugt einen Heizwiderstand.
16. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) einen
Hochfrequenz-Übertrager (80) umfasst, dessen Frequenz wenigstens 400 Hz, bevorzugt wenigstens 1 kHz, sehr bevorzugt wenigstens 10 kHz, weiter bevorzugt wenigstens 100 kHz, weiter bevorzugt wenigstens 300 kHz, besonders bevorzugt wenigstens 600 kHz beträgt.
17. Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) einen Zwischenkreis umfasst, wobei die Spannung des Zwischenkreises höchs tens 100 Volt de, bevorzugt höchstens 60 Volt de, weiter bevorzugt höchstens 30 Volt de, besonders bevorzugt höchstens 15 Volt de, beträgt.
18. Leistungsfluss-Regelsystem zum Regeln der Lastverteilung in einem elektrischen Netz (12) oder in einem Netz-Segment (10) eines elektri schen Netzes (12) mit mindestens einer Leitung (20), umfassend ein Leis- tungsfluss-Regelmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Energiequelle (92) zum Versorgen des Leistungsfluss-Regelmo- duls (30) mit Energie, um die Spannung in der Leitung (20) in ihrer
Amplitude zu verändern oder anzupassen.
19. Netz-Segment (10) eines elektrischen Netzes (12) mit einer Leitung (20), die an einem Netz-T ransformator angeschlossen ist und an welcher meh rere Verbraucher und/oder Einspeisequellen angeschlossen sind, und mit einem Leistungsfluss-Regelmodul (30), bevorzugt nach einem der vorher gehenden Ansprüche, welches zwei Modulanschlüsse (60, 62), die an die Leitung (20) des Netzes (12) angeschlossen sind, mehrere Schaltele mente (64), einen Energiespeicher (68) und zwei Energieanschlüsse (70) zum Anschluss an eine Energiequelle (92) umfasst, wobei der erste Modulanschluss (60) und der zweite Modulanschluss (62) derart mit der Leitung (20) verschaltet sind, dass das Leistungsfluss-Regelmo- dul (30) elektrisch in Serie mit der Leitung (20) geschaltet ist; zwei der Schaltelemente (64) in Serie geschaltet sind und parallel zu dem
Energiespeicher (68) geschaltet sind; das Leistungsfluss-Regelmodul (30) derart verschaltet ist, dass es auf dem Potential der Leitung (20) des elektrischen Netzes (12) ist und gal vanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes (12) getrennt ist; die Schaltelemente (64) dazu ausgebildet sind, die Amplitude der Span nung in der Leitung (20) zu erhöhen oder zu reduzieren, um die Spannung anzupassen, um die Phase der Spannung zu verschieben oder um den Stromfluss in der Leitung (20) entsprechend zu steuern.
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