DE102021111860A1

DE102021111860A1 - Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem Niederspannungs-Ortsnetz

Info

Publication number: DE102021111860A1
Application number: DE102021111860.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Jingyang Fang; Wolfram H. Wellßow
Original assignee: Technische Univ Kaiserslautern Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitat Kaiserslautern
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-11-10
Also published as: US20240222975A1; CN117529863A; KR20240004647A; WO2022233915A1; EP4324064A1; US12341340B2

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

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in elektrischen Energienetzen, insbesondere Wechselspannungsnetzen mit einer 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 Energienetzes und wenigstens zwei Energieanschlüsse zum Anschluss an eine Energiequelle. Insbesondere kann das Leistungsfluss-Regelmodul in Niederspannungsnetzen, beispielsweise Ortsnetzen, Mittelspannungsnetzen, beispielsweise Verteilungsnetzen, und Hochspannungsnetzen, beispielsweise Übertragungsnetzen, zum Einsatz kommen. Besondere Vorteile bietet die vorliegende Erfindung bei kleinen Spannungsebenen in vermaschten Netzen, wie beispielsweise Niederspannungs-Ortsnetzen oder Mittelspannungs-Verteilnetzen.
Die Auslastung der elektrischen Energienetze, insbesondere auch der Mittelspannungs- und Niederspannungsnetze, steigt in den vergangenen Jahren stetig an und verändert sich kontinuierlich. Dies ist zum einen durch eine verteilte 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 Spannungsregelung beispielsweise durch regelbare Ortsnetztransformationen erfolgen. Diese können jedoch den Lastfluss in den Abgängen nur sehr eingeschränkt beeinflussen.
Die EP 3 413 422 schlägt beispielsweise eine Ortsnetzstation mit einem Dreiwicklungstransformator vor, um zwei getrennte Sammelschienen von jeweils einer Unterspannungswicklung getrennt zu speisen. So kann auf den Leistungsfluss in den einzelnen Sammelschienen reagiert werden.
Alternativ ist im Stand der Technik auch bekannt, regelbare Transformatoren einzusetzen. Diese benötigen jedoch größere Umbaumaßnahmen und eine zusätzliche Messeinheit, um die Spannung in der Sammelschiene des Niederspannungsnetzes und den Strom an der Einspeisung des Niederspannungsnetzes zu messen. Eine selektive Regelung einzelner Versorgungsstränge kann ein regelbarer Transformator jedoch nicht leisten.
Häufig werden Niederspannungs-Ortsnetze als vermaschte Strukturen ausgelegt, 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 Spannungsniveau eines Abgangs des Netzes zu verändern, also um die Spannungsamplitude anzuheben oder abzusenken. Die Energie hierfür wird in der Regel aus dem Netz selbst bezogen. Wird in einem Netzsegment die Spannung verändert, 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 Verteilnetzstrommasten, wie in den USA üblich, unterzubringen sind. Ebenfalls benötigen die Maschenstromregler weitere Transformatoren, um die Speisung des Reglers zu ermöglichen.
Daneben hat sich gezeigt, dass die Transformatoren zwar für niedrige Frequenzen gut geeignet sind. Bei höheren Frequenzbestandteilen entstehen jedoch ungewollte Verluste. Eine Einspeisung oder Entnahme von höheren Frequenzen würde es jedoch erlauben, ungewollte Verzerrungen im Netz, wie beispielsweise 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 veränderbar.
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 ausgeführten 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 Lösungen, 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 einem 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. Niederspannungs-Ortsnetz) und zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in einer Leitung des Netzes (z.B. Niederspannungs-Ortsnetzes), umfassend zwei Modulanschlüsse zum Anschluss an die Leitung des Netzes (z.B. Niederspannungs-Ortsnetzes), mehrere Schaltelemente, einen Energiespeicher 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 Netzes, beispielsweise des Niederspannungs-Ortsnetzes, getrennt ist. Mit anderen Worten befindet sich das Leistungsfluss-Regelmodul auf dem gleichen Potential zu der Leitung, zu der es in Serie geschaltet ist. Das Leistungsfluss-Regelmodul floatet also mit der Spannung in der Leitung, mit der es verschaltet ist. Das elektrische Potential des Leistungsfluss-Regelmoduls bewegt sich beispielsweise in europäischen Niederspannungsnetzen mit 50 Hz und etwa 325 V Scheitelspannung relativ zum Erdpotential.
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 Frequenzen, Phasen und Amplituden einzuspeisen. Hierdurch wird die Spannung in der Leitung angepasst oder der Stromfluss in der Leitung entsprechend gesteuert.
Das Leistungsfluss-Regelmodul hat den Vorteil, dass es ausschließlich Schaltelemente 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 geringe Spannungen verarbeiten. Allerdings müssen die Schaltelemente hohe Ströme verarbeiten, was aber gleichzeitig mit geringen Spannungen unproblematisch ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es sehr vorteilhaft ist, das Leistungsfluss-Regelmodul floatend mit der Netzspannung zu verschalten. Die Module bewegen sich mit der Spannung ihrer Phase (Leitung) mit und bauen lediglich 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 anderen wohldefinierten elektrischen Potentialen außerhalb des Leistungsfluss-Regelmoduls sein. Ein solcher hochohmiger Bezug sollte dabei zumindest 250 kΩ, bevorzugt zumindest 1 MΩ und besonders bevorzugt zumindest 10 MΩ betragen. Etwaige Ströme von einem Leistungsfluss-Regelmodul zur Erde oder anderen elektrischen Bezugspunkten außerhalb des entsprechenden Leistungsfluss-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, gebildet werden. Ebenso kann eine (nahezu) vollständige Trennung verwendet werden, die meist lediglich Leckströme entlang von (verschmutzten) Oberflächen oder durch Isolatoren und Gigaohmwiderstände annimmt (siehe beispielsweise auch die Industrienorm IEC 60664).
Da das Leistungsfluss-Regelmodul lediglich relativ zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss arbeitet und keinen Erdbezug hat, erfährt es die Gesamtspannungsamplitude nie, sondern lediglich die maximal zu stellende Spannungsdifferenz. Durch die Verschaltung als floatendes 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 (beispielsweise 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 Verfügung 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 stellende 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 Leistungselektroniklösung 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 verschaltet sind. Beide Halbbrücken sind bevorzugt parallel zu dem Energiespeicher verschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als Transistoren oder Leistungstransistoren ausgebildet, bevorzugt als Niederspannungstransistoren oder als Kleinstspannungstransistoren. Beispielsweise können vorzugsweise 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 Niederspannungs-Silizium-FETs ausgebildet. Alternativ können Gallium-Nitrid-FETs oder Gallium-Nitrid-FETs auf Silizium-Substraten beispielsweise mit lateralem Stromfluss verwendet werden. Für Anwendungen mit höheren Spannungen 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 bevorzugt 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 Modulanschlüssen, die mit der Leitung verbunden sind, verschoben werden kann. Das Leistungsfluss-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 Netzqualität auf einfache Weise wiederhergestellt bzw. erhalten bleiben kann.
In einer ebenso bevorzugten Ausführungsform wird das Leistungsfluss-Regelmodul 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 gewünschter Weise beeinflusst werden kann. Ist beispielsweise in einem Segment oder in einer Leitung einer Masche eines Netzsegments der Stromfluss wesentlich 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 unter 200 V (vorzugsweise unter 100 V) oder Siliziumkarbid-FETs mit einer Sperrspannung von über 200 V (vorzugsweise über 600 V) ist die Schaltrate vorzugsweise 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 bevorzugt zumindest 500 kHz. Mit steigender Schaltrate verringert sich der Bedarf an Netzfiltern, beispielsweise Induktivitäten, an Modulanschlüssen. Bei Verwendung einer hohen Schaltrate, beispielsweise über 500 kHz, wie sie unter anderem mit Gallium-Nitrid-FETs, aber bisweilen auch mit Siliziumkarbid- und Silizium-FETs erreichbar ist, kann vorzugsweise vollständig auf dedizierte Netzfilter 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 Energiequelle kann beispielsweise eine Batterie sein, die bevorzugt mittels eines zwischengeschalteten DC-DC-Wandlers mit den Energieanschlüssen des Leistungsfluss-Regelmoduls verbunden ist, ein Netzteil oder eine sonstige elektrische 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-Regelmoduls 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 Leistungselektronik des Leistungsfluss-Regelmoduls, also durch die Schaltelemente, 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 Oberfrequenz bereitstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leistungsfluss-Regelmodul deshalb mindestens ein galvanisch trennendes Netzteil, das mit den Energieanschlüssen verbunden ist. Es kann aber auch eine Mehrfachversorgung in einigen Fällen sinnvoll sein.
Die Netzteile sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass der von ihnen gebildete 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 Fünfzehntel. 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 Trennung mittels der Netzteile stellt sicher, dass das Leistungsfluss-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 angeschlossenen 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 Spannungsspitzen übertragen.
Durch den fehlenden Erdbezug des Leistungsfluss-Regelmoduls und die galvanische Trennung der elektronischen Schaltelemente und der damit verbundenen Schaltung (elektronische Phaseneinspeisemodule) sowie den fehlenden Potentialbezug untereinander, d. h. zwischen mehreren Leistungsfluss-Regelmodulen, folgen die Leistungsfluss-Regelmodule jeder Spannungsänderung. Mit anderen Worten folgen sie also auch einer Spannungsspitze eines Blitzeinschlags oder anderen Potentialfluktuationen ebenso. Das Leistungsfluss-Regelmodul 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 relevanten 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. Niederspannungsbauteile für Ortsnetze, also Niederspannungsschaltelementen wie Transistoren und Niederspannungskondensatoren etc., aufgebaut sein kann.
Die Ausgestaltung der Leistungsfluss-Regelmodule ausschließlich mit Leistungselektronik und hierbei mit Niederspannungsbauteilen hat zudem den Vorteil, dass die Leistungsfluss-Regelmodule räumlich sehr klein ausgebildet sind. Beispielsweise sind ihre Abmessungen deutlich kleiner als die einer Euro-Platine. Aufgrund der kleinen Baugröße können auch keine großen kapazitiven oder induktiven Spannungsunterschiede innerhalb des Leistungsfluss-Regelmoduls 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 vorzugsweise aus dem Niederspannungs-Ortsnetz gespeist wird. Somit ist kein separater Stromanschluss oder keine separate Energiequelle notwendig. Besonders bevorzugt erfolgt die Speisung des Netzteils aus der Leitung, mit der das Leistungsfluss-Regelmodul verbunden ist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst der DC-DC-Wandler eine LLC-Schaltung, wie sie dem Fachmann 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 Gleichspannungszwischenkreis mit einer oder mehreren Leistungsflussrichtungen wandeln und/oder austauschen können. Beispielsweise könnte hier ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Inverter, ein aktives Frontend oder ähnliches zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist hier ein unidirektionaler Gleichrichter verbaut. 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 sinusförmige Belastung auf der AC-Seite des Netzteils garantiert wird. Die Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung kann beispielsweise als dem Fachmann bekannte Boost-Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (auch boost PFC genannt) in Verbindung mit einem Gleichrichter, vorzugsweise Dioden-Gleichrichter, oder ebenso als sogenannte brückenfreie Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (bridgeless PFC) ausgeformt sein, die meist bereits selbst die Funktion eines unidirektionalen Gleichrichters mit möglichst sinusförmigem Netzstrom erbringt.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls umfasst einen Heizwiderstand. Dieser optionale Heizwiderstand kann beispielsweise 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 Leistungsfluss-Regelmodulen entnommen werden muss. Der Heizwiderstand kann vorzugsweise entweder in dem Leistungsfluss-Regelmodul liegen. Eine alternative 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 bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Übertrager mit Frequenzen von wenigstens 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-Regelsystem zum Regeln der Lastverteilung in einem Netz oder in einem Netzsegment, beispielsweise einem Niederspannungs-Ortsnetz, einem Mittelspannungsverteilnetz oder einem Netz-Segment eines Niederspannungs-Ortsnetzes oder Mittelspannungsverteilnetzes, mit einer Leitung. Das Leistungsfluss-Regelsystem umfasst ein Leistungsfluss-Regelmodul, etwa wie oben beschrieben, 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-Ortsnetz-Segment eines Niederspannungs-Ortsnetzes. Das Netz-Segment hat erfindungsgemäß 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 Niederspannungs-Ortsnetzes, geschaltet ist.
In dem erfindungsgemäßen Netz-Segment ist das Leistungsfluss-Regelmodul mit zwei Modulanschlüssen an die Leitung des Netzes angeschlossen und umfasst mehrere Schaltelemente, einen Energiespeicher sowie zwei Energieanschlüsse 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 Potential der Leitung des elektrischen Netzes, z. B. eines Niederspannungs-Ortsnetzes, liegt und galvanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes getrennt ist. Das Leistungsfluss-Regelmodul mit seinen Schaltelementen 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 entsprechend 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 gleichen 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 ausgebildet 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-Regelmodul 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 Ansprüchen definiert. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend 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 kΩ (kilo-Ohm), bevorzugt wenigstens 1 MΩ (Mega-Ohm), sehr bevorzugt > 10 MΩ verstanden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Hier wird exemplarisch auf ein Niederspannungs-Ortsnetz als ein mögliches Beispiel eines elektrischen Wechselspannungsnetzes verwiesen, ohne die Allgemeinheit eines Ortsnetzes einzuschränken. Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines Netz-Segments mit Leitung und Leistungsfluss-Regelmodul;
2 eine Prinzipskizze eines alternativen Netz-Segments bzw. Ortsnetz-Segments;
3 eine Detailskizze des Netz-Segments aus 2;
4 eine Detailskizze einer alternativen Ausführungsform eines Netz-Segments;
5 eine weitere Detailskizze einer alternativen Ausführungsform eines Ortsnetz-Segments;
6 eine weitere Prinzipskizze eines Ortsnetz-Segments;
7 eine weitere Detailskizze einer alternativen Ausführungsform eines Ortsnetz-Segments;
8 ein alternatives Ortsnetz-Segment mit Leistungsfluss-Regelmodul und Batterie;
9 eine alternative Ausführungsform des Ortsnetz-Segments gemäß 8; und
10 eine alternative Ausführungsform eines Ortsnetz-Segments mit Leistungsfluss-Regelmodul.

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 Leistungsfluss-Regelmodul 30 und der Leitung 20 sind jeweils optionale Netzfilter 36 vorgesehen, die als Induktivitäten oder als PI-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 beliebigen Spannungsquelle oder Energiequelle gespeist werden, wobei ein AC-Teil 42 des Netzteils 40 mit einer hier nicht dargestellten Energiequelle verbunden werden kann, die an den Anschlüssen 46 angeordnet sein kann. Die Energiequellen 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.
1 ist zu entnehmen, dass die Spannung an einer (auf das Leistungsfluss-Regelmodul 30 bezogenen) Eingangsseite 22 eine andere Form, d. h. eine andere Amplitude aufweist als die Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite 24. Die Spannungen der drei Phasen sind jeweils schematisch dargestellt.
2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass die Netzteile 40, die sich prinzipiell aus jeder möglichen Quelle speisen können, in dieser Ausführungsform aus der Eingangsseite 22 des Netz-Segments 10 gespeist werden. Folglich 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 1 und 2 sind die Leistungsfluss-Regelmodule 30 derart in die Leitung 20 geschaltet, dass sie mit dem Spannungsniveau der Leitungen 20 floaten. Die Leistungsfluss-Regelmodule 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 Trennung, sodass die Leistungsfluss-Regelmodule 30 mit der Spannung in den Leitungen 20 floaten können. Die Leistungsfluss-Regelmodule 30 haben deshalb 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 Spannungsdifferenz 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 Spannungsdifferenz eine Rolle. Deshalb können Kleinspannungsschaltelemente, z. B. Kleinspannungshalbleiterbauelemente, eingesetzt werden, die auf kleinstem 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 Leistungsfluss-Regelmodule 30 speist. Allerdings muss eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Leitungen 20 vorhanden sein.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungsfluss-Regelmoduls 30 mit einem Netzteil 40 im Detail für eine Leitung 20 des dreiphasigen Netz-Segments 10, beispielsweise eines Ortsnetz-Segments 11. Das Leistungsfluss-Regelmodul 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. Induktivität) angeordnet sein. Das Leistungsfluss-Regelmodul umfasst mehrere Schaltelemente 64, die als Niederspannungs-FET (Feldeffekttransistor), beispielsweise 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 parallel zu einem Energiespeicher 68. Die Schaltelemente 64 sind als zwei Halbbrücken verschaltet. Die Schaltelemente können getaktet sein, bevorzugt mit einer Taktrate von wenigstens 20 kHz, weiter bevorzugt mit wenigstens 100 kHz, besonders bevorzugt wenigstens 250 kHz. Bevorzugt sind die Schaltelemente 64 Transistoren auf Basis von Gallium-Nitrid (GaN) mit dem Vorteil, dass die Induktivitäten 36 sehr klein werden (etwa proportional zum Kennwert der Schaltrate, 1/Schaltrate) oder sogar die parasitäre Induktivität der Leitungen (die ja ebenfalls um sich herum ein kleines Magnetfeld aufbauen, das bei ausreichender Schaltrate genügt) als Filter ausreichen.
Das Netzteil 40 ist an zwei Energieanschlüssen 70 mit dem Leistungsfluss-Regelmodul 30 verbunden. Das Netzteil umfasst in der hier gezeigten Ausführungsform eine Gleichrichterschaltung 50, hier einen (unidirektionalen) Gleichrichter 50b, der für eine gleichmäßige Belastung aus allen drei Phasen des Netz-Segments 10 gespeist wird, also mit anderen Worten mit allen drei Leitungen 20 des Netz-Segments 10 bzw. Ortsnetz-Segments 11 verbunden ist. Die (unidirektionale) Gleichrichterschaltung 50 ist hier als aktives Frontend ausgebildet. 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. Weiterhin umfasst das Netzteil 40 auf seiner AC-Seite bevorzugt eine Leistungsfaktorkorrekturstufe 52, eine sogenannte PFC-Stufe, um eine gleichmäßige sinusförmige Belastung zu erhalten. Zusätzlich ist im Netzteil ein DC-DC-Wandler 54 vorgesehen, der als LLC-Schaltung gemäß 3 ausgebildet ist. Der DC-DC-Wandler muss wenigstens einen isolierten Ausgang pro Leistungsfluss-Regelmodul 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.
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 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 Gleichrichter 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 3 bis 5 umfasst unter anderem 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 Verwendung von beispielsweise Ferritkernmaterialien können sehr hohe Übertragerfrequenzen 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. 6 zeigt eine mögliche Variante von rückspeisefähigen Netzteilen, die hier in dem Netz-Segment 10 bzw. Ortsnetz-Segment 11 verbaut ist. Eine mögliche Variante derartiger rückspeisefähiger Netzteile 40 nutzt ein aktives Frontend (AFE). Dies ist aber nicht die einzige Möglichkeit, um ein Netzteil 40 rückspeisefähig auszubilden. Der Fachmann erkennt, dass auch andere rückspeisefähige Netzteiltechnologien verwendet werden könnten. Die Erfindung schließt diese Netzteiltechnologien nicht aus, sondern bindet sie vielmehr ein.
Wie in 6 schematisch dargestellt kann das Netzteil 40 eine Gleichrichterschaltung 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 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 übertragen, die im Wesentlichen aus der hinzugefügten Spannungsdifferenz multipliziert mit dem in der Leitung 20 fließenden Strom besteht. Die erforderliche Leistung wird aus dem DC-DC-Wandler 54 und der Gleichrichterschaltung 50 bezogen. 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.
7 zeigt die Ausführungsformen des Netzteils 40 aus 6 im Detail mit einzelnen Bauteilen, wobei hier lediglich ein DC-DC-Wandler 54 und ein Leistungsfluss-Regelmodul 30 für eine Leitung 20 gezeigt ist. In einem dreiphasigen System müssen selbstverständlich drei galvanisch isolierende DC-DC-Wandler eingesetzt werden, einer für jede Phase bzw. für jedes Leistungsfluss-Regelmodul 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.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungsfluss-Regelmoduls 30 mit einer Batterie 90 als Energiequelle 92 für die Leistungsfluss-Regelmodule 30. In einem Dreiphasensystem, bei dem drei Leistungsfluss-Regelmodule 30 eingesetzt werden, eines pro Leitung 20, kann jedoch eine einzige Batterie verwendet werden. Gleichzeitig kann die Batterie 90 als Last dienen, um Energie aufzunehmen 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 Notwendigkeit, den Leistungszufluss aus schwachen anderen Zuleitungen zu limitieren, mit einem hohen Leistungsbedarf in dem Netz-Segment verbunden ist. Andererseits 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 erlaubt so, auf komplizierte und teure, aber potentiell rückspeisefähige Netzteile zu verzichten.
Die Batterie 90 kann direkt mit den einzelnen Leistungsfluss-Regelmodulen 30 verbunden sein (8) oder über einen galvanisch getrennten zusätzlichen DC-DC-Wandler 54 (9).
Bevorzugt wird eine Batterie 90 pro Leistungsfluss-Regelmodul 30 mit ausreichender Kapazität verwendet, wie sie in Netzenergiespeichern vorgesehen ist. Ein Energieaustausch zwischen einzelnen Batterien 90 ist nicht notwendig, wenn sich die Unsymmetrien über die Zeit wegmitteln.
In 10 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Leistungsfluss-Regelmoduls 30 gezeigt, das mehrere Ein- und Ausgänge aufweist, also mehrere 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 „Niederspannungsenergie-Router“ arbeiten und damit eine N zu M-Routung ausführen. Die Leistungsfluss-Regelmodule 30 können dabei Leistung wie eine Weiche zwischen N Eingängen (erster Modulanschluss 60) und M Ausgängen (zweiter Modulanschluss 62) verteilen, indem sie beliebige Spannungsgefälle zwischen den MxN-Abgriffen erzeugen. Dies erfolgt bevorzugt innerhalb der Zwischenkreisspannungslevels 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 Ausgängen (erster Modulanschluss 60 bzw. zweiter Modulanschluss 62). Damit wird der kompakte Leistungselektronikmaschenstromregler, wie hier beschrieben, 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 aneinander 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 umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung 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 einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger 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 Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3413422 [0003]

Claims

Leistungsfluss-Regelmodul (30) zum Einsatz in einem elektrischen Netz (12) und zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens 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 Spannung 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.
Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Leistungsfluss-Regelmodul (30) zur Verfügung gestellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Leitung (20) betragsmäßig höchstens ein Drittel der Netznennscheitelspannung beträgt, bevorzugt höchstens ein Fünftel, sehr bevorzugt höchstens ein Zehntel, weiter bevorzugt höchstens ein Fünfzehntel, besonders bevorzugt höchstens ein Zwanzigstel.
Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Leistungsfluss-Regelmodul (30) zur Verfügung 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.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (64) als zwei Halbbrücken verschaltet sind und bevorzugt als Transistoren (66) oder Leistungstransistoren ausgebildet sind, besonders bevorzugt als Niederspannungs-Transistoren oder als Kleinstspannungs-Transistoren, sehr bevorzugt als Niederspannungs-Trench-Transistoren.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Schaltelemente (64) mindestens einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise aus Silizium, Siliziumcarbid, Gallium-Nitrid oder Gallium-Nitrid auf Silizium-Substrat, umfasst.
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 Leitung (20) verbunden sind, verschieben kann, bevorzugt sowohl in negativer Richtung als auch in positiver Richtung.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) spannungsgesteuert betrieben wird oder als stromgeregelte Spannungsquelle verwendet wird.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (64) getaktet werden, bevorzugt mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM).
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (64) mit einer Schaltrate von zumindest 20 kHz, bevorzugt mindestens 100 kHz, besonders bevorzugt mindestens 250 kHz getaktet werden.
Leistungsfluss-Regelmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (92), die mit den Energieanschlüssen (70) verbunden ist, eine Batterie (90) ist, die bevorzugt mittels eines zwischengeschalteten DC-DC-Wandlers (54) mit den Energieanschlüssen (70) verbunden ist.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) mindestens ein galvanisch trennendes Netzteil (40) umfasst, das mit den Energieanschlüssen (70) verbunden ist.
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) bevorzugt eine LLC-Schaltung umfasst.
Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (40) eine Gleichrichterschaltung (50), bevorzugt einen unidirektionalen Gleichrichter, umfasst und bevorzugt eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung aufweist.
Leistungsfluss-Regelmodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (40) mindestens ein bidirektionales aktives Frontend (51) ist.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) ein Heizelement (58) umfasst, bevorzugt einen Heizwiderstand.
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.
Leistungsfluss-Regelmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsfluss-Regelmodul (30) einen Zwischenkreis umfasst, wobei die Spannung des Zwischenkreises höchstens 100 Volt dc, bevorzugt höchstens 60 Volt dc, weiter bevorzugt höchstens 30 Volt dc, besonders bevorzugt höchstens 15 Volt dc, beträgt.
Leistungsfluss-Regelsystem zum Regeln der Lastverteilung in einem elektrischen Netz (12) oder in einem Netz-Segment (10) eines elektrischen Netzes (12) mit mindestens einer Leitung (20), umfassend ein Leistungsfluss-Regelmodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Energiequelle (92) zum Versorgen des Leistungsfluss-Regelmoduls (30) mit Energie, um die Spannung in der Leitung (20) in ihrer Amplitude zu verändern oder anzupassen.
Netz-Segment (10) eines elektrischen Netzes (12) mit einer Leitung (20), die an einem Netz-Transformator angeschlossen ist und an welcher mehrere Verbraucher und/oder Einspeisequellen angeschlossen sind, und mit einem Leistungsfluss-Regelmodul (30), bevorzugt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwei Modulanschlüsse (60, 62), die an die Leitung (20) des Netzes (12) angeschlossen sind, mehrere Schaltelemente (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-Regelmodul (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 galvanisch von einem Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes (12) getrennt ist; die Schaltelemente (64) dazu ausgebildet sind, die Amplitude der Spannung 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.