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DE102023105589B4 - Leistungsfluss-Regelsystem zum Einsatz in einem elektrischen Netz - Google Patents

Leistungsfluss-Regelsystem zum Einsatz in einem elektrischen Netz Download PDF

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DE102023105589B4
DE102023105589B4 DE102023105589.5A DE102023105589A DE102023105589B4 DE 102023105589 B4 DE102023105589 B4 DE 102023105589B4 DE 102023105589 A DE102023105589 A DE 102023105589A DE 102023105589 B4 DE102023105589 B4 DE 102023105589B4
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Abstract

Regelmodul für ein Leistungsfluss-Regelsystem (90), eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz (12) und eingerichtet zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer Leitung (20) des Netzes (12),
umfassend mindestens zwei Leitungsanschlüsse (60, 62) zum seriellen Anschluss in die Leitung (20) des Netzes (12), mehrere Schaltelemente (64), einen Energiespeicher (68) und zwei Energieanschlüsse (70) zum Anschluss an eine Spannungsversorgungseinheit (40),
wobei
der erste Leitungsanschluss (60) und der zweite Leitungsanschluss (62) dazu ausgebildet sind, das 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 Regelmodul (30) derart verschaltet ist, dass eine galvanisch definierte Verbindung mit einer Spannungsversorgungseinheit besteht, die derart regelbar ist, dass das Potential des Regelmoduls (30) dem Potential der Leitung (20) des Netzes (12) in einer vordefinierten Weise folgt; und
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.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelmodul für ein Leistungsfluss-Regelsystem, eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz und eingerichtet zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer Leitung des Netzes. Die Anmeldung betrifft weiter ein Leistungsfluss-Regelsystem zum Einsatz in einem elektrischen Netz, das ein Regelmodul und eine Spannungsversorgungseinheit umfasst.
  • Die Auslastung der elektrischen Energienetze, insbesondere der Mittelspannungs- und Niederspannungsnetze, steigt in den vergangenen Jahren kontinuierlich an. Eine verteilte Stromerzeugung und eine dezentrale Stromeinspeisung durch Solaranlagen auf der einen Seite und auf der anderen Seite durch immer mehr Ladestationen für Elektrofahrzeuge führen zu dieser sich ändernden Auslastung. Einzelne Abgänge einer Ortsnetzstation in einem Wohngebiet oder in einem Industriegebiet werden so häufig überlastet. Ein Verlegen von neuen Leitungen mit größeren Querschnitten und die damit verbundenen Tiefbauarbeiten sollen vermieden werden. Deshalb kann beispielsweise eine Spannungsregelung durch regelbare Ortsnetztransformatoren erfolgen. Diese können jedoch den Lastfluss in den Abgängen nur begrenzt verändern.
  • Die EP 3 413 422 A1 schlägt beispielsweise eine Ortsnetzstation mit einem Dreiwicklungstransformator vor, um zwei getrennte Sammelschienen von jeweils einer Unterspannungswicklung getrennt zu speisen. Auf diese Weise lässt sich auf einen geänderten Leistungsfluss in den einzelnen Sammelschienen reagieren.
  • Alternativ sind regelbare Transformatoren bekannt, die jedoch größere Umbaumaßnahmen und eine zusätzliche Messeinheit zum Messen der Spannung in der Sammelschiene des Niederspannungsnetzes und zum Messen des Stroms an der Einspeisung erfordern. Ein regelbarer Transformator kann jedoch eine selektive Regelung einzelner Versorgungsstränge nach wie vor nicht leisten.
  • In den vermaschten Strukturen von Niederspannungs-Ortsnetzen können Stromflüsse über die einzelnen Zuflüsse nicht gesteuert werden. Sie stellen sich passiv je nach Last ein. Um das Spannungsniveau eines Abgangs des Netzes zu verändern, werden Maschenstromregler eingesetzt, die die Spannungsamplitude anheben oder absenken. Die Energie für die Änderung wird in der Regel aus dem Netz selbst bezogen. Eine Änderung der Spannung in einem Netzsegment kann durch eine Verteilung der Last zwischen den diversen Zuleitungen ausgeglichen werden. Somit ist ein Maschenstromregler ein geeignetes Mittel, um die Last innerhalb einer Masche aktiv zu verschieben. Ein Maschenstromregler stellt also eine in Serie mit einer oder mehreren Phasen des Netzes befindliche Spannungsquelle dar, sodass sich in den einzelnen Maschen aufgrund diverser Lasten nicht steuerbare Stromflüsse über die einzelnen Zuflüsse regeln lassen. Allerdings benötigen die bekannten Maschenstromregler einen Leistungstransformator für eine Serieneinkopplung, um eine Spannung zwischen Leiter und Erdpotential zur Verfügung zu stellen und die Spannungsamplitude zu ändern. Derartige Transformatoren sind jedoch baulich groß und teuer.
  • Die eingesetzten Transformatoren führen zudem bei höheren Frequenzbestandteilen zu ungewollten Verlusten, wenngleich sie sich für niedrige Frequenzen gut eignen. Zum Kompensieren von ungewollten Verzerrungen im Netz, beispielsweise von Oberwellen, ist aber eine Einspeisung oder Entnahme von höheren Frequenzen notwendig, um die Netzqualität zu verbessern. Dafür eignen sich die bekannten Maschenregler jedoch nicht.
  • Aus der DE 10 2021 111 860 A1 ist ein Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem elektrischen Wechselstromenergienetz bekannt, bei dem das Regelmodul derart verschaltet ist, dass es auf dem Potential der Leitung des Netzes ist und galvanisch vom Erdpotential oder einer anderen Leitung des Netzes getrennt ist. Somit befindet sich das Leistungsfluss-Regelmodul auf dem gleichen Potential wie die Leitung, zu der es in Serie geschaltet ist. Das Leistungsfluss-Regelmodul floatet zwar mit der Spannung der Leitung, es lässt sich jedoch nicht aktiv regeln, sondern ist von der Änderung in der Leitung des Netzes abhängig.
  • Das Dokument CN 1 06 099 937 A beschreibt eine Regeleinheit zur Steuerung der Ladeelektronik eines Regelmoduls eines Leistungsfluss-Regelsystems umfassend wenigstens einen Regler zum Regeln des Gleichtaktstroms und wenigstens einen Regler zum Regeln des Gegentaktstroms. Dazu werden die Ströme zu den einzelnen Submodulen und die Submodulspannungen überwacht.
  • Es besteht somit weiterhin ein Bedarf an kostengünstigen Lösungen, mit denen die Netzqualität in vermaschten Netzen verbessert werden kann und mit denen die Lastverteilung angepasst werden kann.
  • Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein Regelmodul für ein Leistungsfluss-Regelsystem, eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz und zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer der Leitungen des Netzes mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Leistungsfluss-Regelsystem, eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz mit den Merkmalen des Anspruchs 2 sowie durch ein Netz-Segment eines elektrischen Netzes mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine Regeleinheit zur Steuerung der Ladeelektronik eines Regelmoduls eines Leistungsfluss-Regelsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 20.
  • In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Regelmodul für ein Leistungsfluss-Regelsystem, eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz und eingerichtet zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer Leitung des Netzes. Hierbei wird die Spannung über die Leitung hinweg angepasst bzw. der Strom durch die Leitung.
  • Das Regelmodul umfasst mindestens zwei Leitungsanschlüsse zum seriellen Anschluss an die Leitung des Netzes, mehrere Schaltelemente, einen Energiespeicher und zwei Energieanschlüsse zum Anschluss an eine Stromversorgungseinheit.
  • Im Sinne dieser Erfindung wird eine Leitung als eine Phase des Netzes verstanden. Ein dreiphasiges Netz hat also drei Leitungen, wobei ein Regelmodul zum seriellen Anschluss einer der Phasen des Netzes bzw. einer der Leitungen des Netzes vorgesehen ist.
  • Der erste Leitungsanschluss des Regelmoduls und der zweite Leitungsanschluss des Regelmoduls sind dazu ausgebildet, das Regelmodul elektrisch in Serie mit der Leitung zu schalten. Zwei der Schaltelemente sind in Serie zueinander geschaltet und parallel zu dem Energiespeicher, den das Regelmodul umfasst. Das Regelmodul ist derart verschaltet, dass eine galvanisch definierte Verbindung mit einer Stromversorgungseinheit besteht, die derart regelbar ist, dass das Potential des Regelmoduls dem Potential der Leitung des Netzes in einer vordefinierten Weise folgt.
  • Die Schaltelemente des Regelmoduls sind dazu ausgebildet, die Amplitude der Spannung in der Leitung zu erhöhen oder zu reduzieren, um die Spannung anzupassen und um die Phase der Spannung zu verschieben oder um den Stromfluss in der Leitung entsprechend zu steuern. Die Schaltelemente sind auf geringe Spannungen, z.B. bis 10% der Netzspannung, und hohe Ströme, z. B. größer 10 A, ausgelegt.
  • Eine galvanisch definierte Verbindung der Stromversorgung im Sinne dieser Erfindung ist so zu verstehen, dass eine Verbindung der Spannungsversorgungseinheit zu dem Netz bzw. der Leitung, an welcher die Regelmodule und über die Regelmodule die Spannungsversorgungseinheit angeschlossen sind, besteht. Eine galvanisch definierte Verbindung zur Stromversorgung kann insbesondere bedeuten, dass Strom von einem Regelmodul, bspw. der positiven oder negativen Versorgungsschiene des Regelmoduls zur Stromversorgungseinheit fließen kann, ohne dass zwingend ein ausgleichender Rückstrom von der Stromversorgungseinheit zum Regelmodul fließen muss. Entsprechend kann dieser Strom zwischen einer Stromversorgungseinheit und einem zugehörigen Regelmodul ein Gleichtaktstrom (Common-Mode-Strom) sein, der im Gegensatz zu einem auf möglichen und einen mit der positiven und negativen Versorgungsschiene im Regelmodul verbundenen Kondensator ladenden oder entladenden Gegentaktstrom (Differential-Mode-Strom) steht. Solche Gleichtaktströme sind beispielsweise möglich, wenn eine Stromversorgungseinheit nicht galvanisch von einem Regelmodul durch einen Transformator oder Hochfrequenztransformator getrennt ist. Gleichtaktströme können ferner von der Stromversorgungseinheit weiter zu einem elektrischen Element fließen, dass entweder Erde ist oder ein festes elektrisches Potential zur Erde aufweist, beispielsweise eine Leitung des elektrischen Netzes. Diese Möglichkeit kann beispielsweise gegeben sein, wenn eine Stromversorgungseinheit ferner eine galvanisch definierte Verbindung zum elektrischen Netz aufweist, beispielsweise über ein aktives Frontend oder einen Netzgleichrichter, der vorzugsweise ferner eine Leistungsfaktorkorrekturstufe (power-factor-correction-Stufe) umfasst.
  • Bevorzugter Weise erlaubt eine galvanisch definierte Verbindung im vorliegenden Sinne Gleichtakt-Gleichströme, das heißt konstante Gleichtaktströme im Gegensatz zu Gleichtakt-Wechselströmen, deren zeitlicher Mittelwert verschwindet, über die galvanisch definierte Verbindung hinweg. Kondensatorverbindungen oder auch parasitäre Kapazitäten zur Erde erlauben im Allgemeinen beispielsweise keine andauernden konstanten Gleichtaktströme. Gleichtaktströme über die galvanisch definierte Verbindung zur Stromversorgungseinheit laden vorzugsweise die Kapazität des jeweiligen Regelmoduls zur Erde (Gleichtaktkapazität), wodurch das elektrische Potential des Regelmoduls (gegen Erde) ansteigt oder absinkt, sofern keine anderen Gleichtakt-Zu- oder -Abflüsse vorliegen (beispielsweise näherungsweise gegeben, wenn die Leistungsschalter bzw. Transistoren des jeweiligen Regelmoduls elektrisch geöffnet sind). Beispielsweise kann durch geeignete Erzeugung eines zeitlich wechselnden Gleichtaktstromes das elektrische Potential eines Regelmodules mit der oder parallel zur Leiterspannung eines Leiters des elektrischen Netzes eingestellt werden.
  • Bevorzugterweise wird ein Gleichtaktstrom aktiv über eine Regelschleife geregelt, beispielsweise zu etwa 0 oder im zeitlichen Mittel zu 0 oder so, dass das elektrische Potential des zugehörigen Regelmoduls zeitlich parallel zur Spannung eines Leiters eines elektrischen Netzes verläuft.
  • Vorzugsweise liegt neben einer galvanisch definierten Verbindung eines Regelmoduls zu einer Stromversorgungseinheit ferner eine galvanisch definierte Verbindung des Regelmoduls zu einer Leitung eines elektrischen Netzes vor. In diesem Fall sind aufgrund der zumindest zweifachen, parallelen galvanisch definierten Verbindung zur Erde, zu einem Potential mit fester Spannungsbedingung relativ zur Erde oder beispielsweise einem Leiter eines elektrischen Netzes auch Ring- oder Kreisströme möglich.
  • Eine galvanisch definierte Verbindung kann beispielsweise vorliegen, wenn eine Stromversorgungseinheit elektrisch als Spannungsquelle ausgeformt ist (sogenannter Voltage-Source-Inverter, der ggf. auch als Stromquelle geregelt sein kann), die neben einer Spannung zwischen den Energieanschlüssen auch ein elektrisches Potential oder eine Spannung der Energieanschlüsse zur Erde oder einem anderen Potential mit fixem Bezug zur Erde einstellen kann.
  • Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Leistungsfluss-Regelsystem, das eingerichtet ist zum Einsatz in einem elektrischen Netz und eingerichtet ist zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer Leitung des Netzes. Das Leistungsfluss-Regelsystem umfasst ein Regelmodul, wie oben beschrieben, und eine Spannungsversorgungseinheit zur Versorgung des Regelmoduls mit elektrischer Energie. Zwischen dem Regelmodul und der Spannungsversorgungseinheit besteht eine galvanisch definierte Verbindung. Die Spannungsversorgungseinheit ist dabei derart regelbar, dass das Potential des Regelmoduls dem Potential der Leitung des Netzes in einer vordefinierten Weise folgt. Das Potential des Regelmoduls ist somit bevorzugt proportional zu dem Potential der Leitung des Netzes. Dies hat den Vorteil, dass zur Regelung der Spannung über die Leitung hinweg lediglich die Differenz an Spannung aufgebracht werden muss, die zur Regelung oder zum Ausgleich notwendig ist, und nicht die komplette Spannung gegenüber Erde. Somit sind sehr viel kleinere Spannungen zu erzeugen, was letztlich die Leistungsfluss-Regelsystemeinheit klein und kompakt werden lässt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Netzsegment eines elektrischen Netzes mit einer Leitung, die an einem Netztransformator angeschlossen ist und an welcher mehrere Verbraucher und/oder Einspeisestellen angeschlossen sind. Das Netzsegment weist ein Leistungsfluss-Regelsystem auf, wie es oben beschrieben ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Regeleinheit zur Steuerung der Ladeelektronik eines Regelmoduls eines Leistungsfluss-Regelsystems, wie oben beschrieben. Die Regeleinheit umfasst einen Strommesser zur Messung des Stroms der Verbindungen zwischen der Ladeelektronik, beispielsweise der Stromversorgungseinheit oder eines Teils davon, und den Energieanschlüssen des Regelmoduls. Die Regeleinheit umfasst weiter einen Spannungsmesser zum Messen der Spannung zwischen einer positiven Schiene des Regelmoduls und einer negativen Schiene des Regelmoduls. Die Regeleinheit umfasst wenigstens einen Regler zum Regeln des Gleichtaktstroms und wenigstens einen Regler zum Regeln des Gegentaktstroms. Somit lassen sich mit der Regeleinheit Spannungsschwankungen oder -änderungen einer Leitung oder Phase des Netzes ausregeln. Als Regler können gängige Regler eingesetzt werden, eventuell nach Anpassung.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Leistungselektroniklösung nur sehr geringe Nennleistung aufweisen muss, um ein Netzsegment mit einer sehr hohen Leistung bedienen zu können. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und Schaltung ist es möglich, in einem Netz Orte mit hohen Spannungsanforderungen, also Netzspannung wie Niederspannung, Mittelspannung oder Hochspannung, von Orten mit hoher Stromanforderung, also mit Strömen von mehreren Ampere, zu trennen und Blindleistungen aus einer derartigen Schaltung fernzuhalten. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass sie auf jegliche Leistungstransformatoren verzichtet, die groß und schwer sind. Auch Hochfrequenzübertrager, die trotz der erhöhten Frequenz noch immer einen relativ großen Bauraum einnehmen und eine umfangreiche und kostenintensive Beschaltung mit weiteren passiven Leistungsbauelementen, wie Transistoren, benötigen, werden nicht eingesetzt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt der gesamte Leistungsaustausch zwischen den in Serie geschalteten Regelmodulen und der Energieversorgung galvanisch verbunden. Der Parallelabgriff bzw. die Energieversorgung oder Spannungsversorgung(-einheit) verfügt über Bauelemente, die hohe Spannungsanforderungen, beispielsweise für die Netzspannung, erfüllen, aber nur geringe Stromanforderungen, beispielsweise nur wenige Ampere, einhalten müssen. Vorzugsweise können dafür beispielsweise Netzgleichrichter oder Inverter mit Netzfiltern und Halbleitern mit entsprechenden Charakteristika eingesetzt werden. Es lassen sich etwa Kleinleistungs-Silizium-IGBTs (insulated gate bipolar transistors) einsetzen oder Super-Junction-Silizium-FET (Feldeffekttransistoren) oder Siliciumcarbid-FETs, die jeweils nur mit geringer Stromanforderung auskommen.
  • Das Regelmodul für das Leistungsflusssystem hat dagegen den Vorteil, dass lediglich Bauelemente verwendet werden können, die nur sehr geringe Spannungen verarbeiten können müssen, beispielsweise wenige Volt, in der Regel unter 100 Volt bei Niederspannung, vorzugsweise < 60 Volt, besonders bevorzugt < 20 Volt, sehr bevorzugt ≤ 10 Volt. Allerdings können die eingesetzten Bauelemente große Ströme verarbeiten, die teilweise im Bereich mehrerer 10 Ampere bzw. mehrerer hundert Ampere bis hin zu mehrerer Kiloampere liegen können.
  • Das Regelmodul in dem Leistungsfluss-Regelsystem wird quasi floatend mit der Netzspannung eingesetzt, was im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung meint, dass hauptsächlich die Spannung der Netzleitung, in welcher ein Regelmodul in Serie eingesetzt wird, das elektrische Potential des Regelmoduls festlegt. Ein Regelmodul verfügt vorzugsweise entsprechend an sich über keinen Erdbezug oder eine Verbindung zu den anderen Phasen des Netzes, also zu den anderen Leitungen des Netzes. Ein Potentialbezug kann bevorzugt über eine Spannungsversorgungseinheit hergestellt werden. Das Potential der Module bewegt sich entsprechend mit der Spannung ihrer Phase bzw. Leitung mit und baut zwischen Eingang und Ausgang nur eine geringe Spannungsdifferenz auf. Während in einem Niederspannungsnetz die Spannung der Phase beispielsweise 325 Volt Scheitelwert bei 50 Hertz oder 60 Hertz sein kann, ist die Spannungsdifferenz in der Regel < 10 Volt. Da die Module lediglich zwischen Eingang und Ausgang arbeiten, „sehen“ sie die Gesamtspannungsamplitude nicht, sondern nur die maximal zu stellende Spannungsdifferenz. Durch diese Tatsache können Kleinspannungshalbleiterbauteile eingesetzt werden, die auf kleinstem Raum trotzdem einige hundert Ampere an Strom leiten können. Für jede zu verarbeitende Phase (Leitung), beispielsweise also drei Leitungen, wird ein eigenständiges Regelmodul vorgesehen. Ferner wird auch der Zwischenkreis jedes Regelmoduls nur bei sehr geringen Spannungen gehalten, beispielsweise < 60 Volt, < 30 Volt oder teilweise < 15 Volt bei Niederspannungsnetzen.
  • Entgegen allen bisherigen Annahmen im Stand der Technik lassen sich die Regelmodule, die sich mit der Phasenspannung mitbewegen, galvanisch verbunden (bidirektional) versorgen. Werden in der Stromversorgungseinheit, mit der das Regelmodul gekoppelt wird, beispielsweise Wandler eingesetzt, so sind diese Wandler galvanisch verbunden und müssen mit den Ausgängen dem Potential des zugehörigen Regelmoduls stets folgen und den gesamten elektrischen Potentialbereich des Regelmoduls abdecken können. Dies kann durch unterschiedliche Schaltungen erreicht werden. Eine bevorzugte Schaltung für eine Spannungsversorgungseinheit gleicht dabei einer Art „2-Phasen-Inverter“. Die beiden AC-Phasen arbeiten dabei weitgehend parallel. Jede der beiden Ausgangsphasen folgt dem Potential der Netzspannung, genauer gesagt einer der Gleichspannungsschienen des entsprechenden Regelmoduls.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Leitungsfluss-Regelsystems hat die Spannungsversorgungseinheit ein Netzinterface und eine Quasi-Wandlereinheit. Die Quasi-Wandlereinheit ist an die Energieanschlüsse des Regelmoduls angeschlossen und zwischen Regelmodul und Netzinterface geschaltet.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Spannungsversorgungseinheit genau ein Netzinterface aufweist und für jede Leitung des Netzes eine Quasi-Wandlereinheit. In einem dreiphasigen Netz mit drei Leitungen werden für das erfindungsgemäße Leistungsfluss-Regelsystem bevorzugt ein Netzinterface und drei Quasi-Wandlereinheiten benötigt.
  • Vorzugsweise hat die Quasi-Wandlereinheit der Spannungsversorgungseinheit eine Inverterschaltung mit wenigstens einem Inverter. Besonders bevorzugt ist eine Inverterschaltung mit wenigstens zwei Invertern. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass jeder Inverter zwei Transistoren umfasst.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Quasi-Wandlereinheit der Spannungsversorgungseinheit eine Inverterschaltung umfasst, die bevorzugt vier verschaltete Transistoren aufweist. Besonders bevorzugt sind die vier Transistoren in Halbbrücken verschaltet. Die vier Transistoren können auch in parallel verbundenen Halbbrücken verschaltet sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Quasi-Wandlereinheit der Spannungsversorgungseinheit eine Balanciereinheit, die bevorzugt vier in Serie geschaltete Transistoren hat. Bevorzugt hat die Balanciereinheit zwei in Serie geschaltete Halbbrücken aus Transistoren, besonders bevorzugt aus je zwei Transistoren. Optional kann die Balanciereinheit einen Modulzwischenkreis umfassen, der aus einem Kondensator gebildet wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform hat eine Quasi-Wandlereinheit, die zwei Inverter, bevorzugt zwei Transistoren, umfasst, die eine Halbbrücke bilden, deren Anschluss mit der Balanciereinheit verbunden ist. Die Quasi-Wandlereinheit kann also eine Balanciereinheit und zwei Inverter umfassen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems hat eine Quasi-Wandlereinheit, die eine Balanciereinheit mit zwei Induktivitäten und eine Inverterschaltung mit zwei Invertern umfasst, wobei die Inverter bevorzugt je zwei Transistoren haben.
  • Die Quasi-Wandlereinheit umfasst also beispielsweise entweder einen Inverter und eine Balanciereinheit oder mindestens zwei Inverter mit lediglich optionaler Balanciereinheit, wobei für jedes Regelmodul eine Quasi-Wandlereinheit vorgesehen ist. Die Quasi-Wandlereinheit wird durch die Wandler- und die Balanciereinheit galvanisch definiert.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems ist derart ausgebildet, dass die galvanisch mit dem Regelmodul verbundene Quasi-Wandlereinheit dem Potential des Netzinterfaces folgt und den gesamten Potentialbereich des Netzinterfaces abdeckt. Die Quasi-Wandlereinheit folgt also mit ihren Ausgängen dem Potential des Netzinterfaces.
  • Bevorzugt umfasst die Quasi-Wandlereinheit eine Inverterschaltung, beispielsweise mit zwei Invertern, die zwei Gleichspannungsschienen hat. Jede der beiden Gleichspannungsschienen der Inverterschaltung der Quasi-Wandlereinheit folgt dem Potential der Netzspannung des Netzes. Vorzugsweise ist die zwischen den Gleichspannungsschienen bestehende Gleichspannung eine Regelspannung des Regelmoduls. Diese Gleichspannung dient also dazu, Spannungsschwankungen im Netz für eine Phase des Netzes auszugleichen und/oder zu regeln.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform folgt eine der beiden Gleichspannungsschienen des Regelmoduls, vorzugsweise die positive Schiene des Regelmoduls, der einen Wechselspannungsphase des Wandlers oder der Inverterschaltung, während die andere der beiden Gleichspannungsschienen, bevorzugt die negative Schiene des Regelmoduls, der anderen Wechselspannungsphase des Wandlers oder der Inverterschaltung folgt.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante des Leistungsfluss-Regelsystems umfasst das Netzinterface der Spannungsversorgungseinheit eine Inverterschaltung. Besonders bevorzugt weist die Inverterschaltung einen Netz-Wechselrichter oder einen Gleichrichter auf. Das Netzinterface wird also beispielsweise aus einer Verkopplung mehrerer Inverter, die etwa in Halbbrücken verschaltet sein können, aufgebaut.
  • Vorzugsweise verbleibt das sich bewegende Potential des Regelmoduls innerhalb der Inverterspannung, die zwischen der positiven Schiene des Netzinterfaces und der negativen Schiene des Netzinterfaces gebildet wird. Das Potential des Regelmoduls bewegt sich dabei im Wesentlichen mit dem Potential der Spannung. Es kann regelbar sein. Vorzugsweise ist das Potential des Regelmoduls oder die Gleichtaktspannung der Inverter geringer als die Inverterschaltung, bevorzugt ist sie kleiner als 50%, vorzugsweise kleiner als 25%, besonders bevorzugt kleiner als 10% der Netzmomentanspannung der Leitung.
  • Die Spannungsversorgungseinheit des Leistungsfluss-Regelsystems ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie für jede Leitung des Netzes oder jede Phase des Netzes eine Quasi-Wandlereinheit aufweist. Bei einem dreiphasigen Netz hat die Spannungsversorgungseinheit drei Quasi-Wandlereinheiten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die von dem Regelmodul zur Verfügung gestellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Leitung betragsmäßig höchstens ein Drittel der Netznennscheitelspannung, bevorzugt höchstens ein Fünftel, sehr bevorzugt höchstens ein Zehntel der Netznennscheitelspannung. Ebenfalls bevorzugte Ausführungen können vorsehen, dass die Steuerspannung zum Verändern der Amplitude der Leitung höchstens ein Fünfzehntel oder besonders bevorzugt höchstens ein Zwanzigstel der Netznennscheitelspannung ist. Je geringer die Steuerspannung ist, desto größer ist die Auswahl an zu verwendenden Bauteilen und desto preiswerter können die Bauteile und somit das Regelmodul sein. Somit lässt sich eine sehr kostengünstige Ausführung eines Leistungsfluss-Regelsystems aufbauen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems ist die Spannungsversorgungseinheit elektrisch parallel zu den Leitungen des Netzes geschaltet und wird mit Leistung aus dem elektrischen Netz versorgt.
  • Die Spannungsversorgungseinheit kann vorzugsweise einen Netzfilter umfassen, der an die Leitung des Netzes ankoppelt. Der Netzfilter kann beispielsweise ein aus Induktivitäten gebildeter PI-Filter sein, etwa ein LCL.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems für ein Niederspannungsnetz, beispielsweise mit 3 x 400 Volt Außenleiterspannung, hat ein Regelmodul, bei dem die von dem Regelmodul zur Verfügung gestellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Leitung betragsmäßig höchstens 100 Volt beträgt. Vorzugsweise ist die Regelspannung, also die vom Regelmodul zur Verfügung gestellte Spannung, höchstens 50 Volt, sehr bevorzugt höchstens 20 Volt. Weitere Ausführungen haben ein Regelmodul mit einer Regelspannung von höchstens 20 Volt, bevorzugt höchstens 15 Volt und besonders bevorzugt höchstens 10 Volt, wobei letztere insbesondere zum Regeln nur kleiner Spannungsschwankungen eingesetzt werden kann.
  • Wird ein Leistungsfluss-Regelsystem in einem Mittelspannungsnetz eingesetzt, das beispielsweise 10 kV, 20 kV oder 30 kV aufweisen kann, so ist bevorzugt die Regelspannung in dem Regelmodul nicht größer als 10% der Außenleiterspannung effektiv, besonders bevorzugt nicht größer als 7% oder 5%.
  • Die für das Niederspannungsnetz gemachten Angaben beziehen sich auf ein dreiphasiges Netz mit 400 Volt Außenleiterspannung effektiv, also 230 Volt Sternspannung effektiv bzw. etwa 325 Volt Scheitelspannung.
  • Für ein Leistungsfluss-Regelsystems, das in einem derartigen Niederspannungsnetz eingesetzt wird, können Schaltelemente des Regelmoduls verwendet werden, die für geringe Spannungen ausgelegt sind, welche betragsmäßig < höchstens 100 Volt, vorzugsweise < höchstens 25 Volt sind. Gleichzeitig sind diese Schaltelemente oder Bauteile für hohe Ströme ausgelegt, die > 1 Ampere, bevorzugt > 2 Ampere, weiter bevorzugt > 5 Ampere oder weiter bevorzugt > 10 Ampere sind. Besondere Ausführungen umfassen Schaltelemente oder Transistoren für das Regelmodul, die ausgelegt sind für Ströme > 15 Ampere, > 25 Ampere oder > 50 Ampere. Soll auch ein Einsatz in Mittelspannungsnetzen erfolgen, können Schaltelemente oder Transistoren verwendet werden, die für Ströme > 100 Ampere, bevorzugt > 200 Ampere ausgelegt sind. Die Spannungen sind im Bereich eines Mittelspannungsnetzes entsprechend höher, nämlich bis ca. 3 kV, bevorzugt 2 kV, sehr bevorzugt 1 kV.
  • Vorzugsweise sind die Schaltelemente oder Inverter des Regelmoduls als Halbbrücken verschaltet, bevorzugt als zwei Halbbrücken. Sie sind bevorzugt als Transistoren oder Leistungstransistoren ausgebildet, wobei vorzugsweise Niederspannungstransistoren oder Kleinstspannungstransistoren verwendet werden können. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Niederspannungs-Trench-Transistoren oder von Feldeffekttransistoren (FET).
  • Eine Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems kann eine Spannungsversorgungseinheit vorsehen, die eine Inverterschaltung umfasst und aus dem elektrischen Netz, in dem es eingesetzt wird, gespeist wird. Die Spannungsversorgungseinheit ist bevorzugt mit den Leitungen des Netzes verbunden. Die Inverterschaltung kann beispielsweise Halbleiter oder Halbleiterbauelemente umfassen, die eine hohe Spannungsanforderung bevorzugt in der Größenordnung der Netzspannung des Netzes erfüllen und gleichzeitig eine nur geringe Stromanforderung aufweisen müssen. Bevorzugt sind die Halbleiter für Ströme von höchstens 20 Ampere, weiter bevorzugt höchstens 10 Ampere und sehr bevorzugt höchstens 5 Ampere ausgelegt. Weitere Ausführungen können Bauelemente, Halbleiter oder Transistoren aufweisen, die für Ströme < 2 Ampere oder Ströme < 1 Ampere ausgelegt sind. Bevorzugterweise sind die Ströme so gering, dass das Produkt aus Strom und Spannung weniger als 1/10 oder gar 1/20 des Produktes aus Netzspannung (Sternspannung) und Phasenstrom beträgt, also der über ein Regelmodul gesteuerten Leistung. Derartige Bauelemente sind günstig, sodass insgesamt ein preiswertes Leistungsfluss-Regelsystem aufgebaut werden kann.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Hier wird exemplarisch auf ein Niederspannungsortsnetz oder Niederspannungsnetz als mögliches Beispiel eines elektrischen Wechselspannungsnetzes verwiesen, ohne die Allgemeinheit eines Spannungsnetzes oder Ortsnetzes einzuschränken. Das Niederspannungsortsnetz ist eine mögliche Ausführungsform eines Netzes mit 3x400 Volt Außenleiterspannung effektiv.
  • Es zeigen:
    • 1a und 1b eine Prinzipskizze eines Netzsegments mit drei Leitungen und einem Leistungsfluss-Regelmodul;
    • 2a, 2b eine detailliertere Skizze des Netzsegments aus 1;
    • 3a, 3b eine alternative Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelmoduls;
    • 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Spannungsniveaus innerhalb des Regelsystems;
    • 5 bis 10 weitere alternative Ausführungsformen des Regelsystems;
    • 11 eine Verdeutlichung des Leistungsfluss-Regelsystems für drei Phasen;
    • 12 eine weitere alternative Ausführungsform;
    • 13 eine Prinzipskizze einer Regelung zur Steuerung der Ladeelektronik des Leistungsfluss-Regelsystems; und
    • 14 eine alternative Ausführungsform eines Ortsnetzsegments mit Leistungsfluss-Regelmodul zum Aufbau eines Niederspannungsenergie-Routers.
  • Die 1a und 1b zeigen ein dreiphasiges Netzsegment 10 eines elektrischen Netzes 12 mit drei Leitungen 20. Beispielhaft ist dieses elektrische Netz 12 ein Niederspannungsortsnetz. In jeder Leitung 20 ist ein Regelmodul 30 in Serie geschaltet, das einen AC-Teil 32 und einen DC-Teil 34 aufweist. Zwischen dem Regelmodul 30 und der Leitung 20 sind jeweils optionale Netzfilter 36 angeordnet, die als Induktivitäten oder als PI-Filter ausgebildet sein können.
  • Jede Leitung 20 hat ein eigenes Regelmodul 30, wobei jedes Regelmodul mit einer als Netzteil ausgebildeten Spannungsversorgungseinheit 40 verbunden ist, deren anderer Ausgang gemäß 1a isolierend ist und mit einer beliebigen Spannungsquelle oder Energiequelle gespeist werden kann. Ein AC-Teil 42 des Netzteils kann mit einer in 1a nicht dargestellten Energiequelle verbunden werden, die an Anschlüssen 46 angeordnet sein kann.
  • Gemäß 1b ist das Netzteil mit seinen Anschlüssen 46 an die Leitungen 20 des Netzes 12 angeschlossen.
  • Zwischen einem DC-Teil 44 der Spannungsversorgungseinheit 40 besteht eine Verbindung zu dem Regelmodul 30, insbesondere zu dem DC-Teil 34 des Regelmoduls 30 mittels zweier Leiter 48.
  • 1a und 1b zeigen, dass die Spannung an einer Eingangsseite 22 des Netzes 12, bezogen auf das Regelmodul 30 eine andere Form hat, beispielsweise eine andere Amplitude als die Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite 24, die „hinter“ dem Regelmodul 30 herrscht.
  • 2 zeigt das Netzsegment 10 aus 1 im Detail. Dabei ist das Regelmodul 30 ebenfalls im Detail gezeigt, wobei lediglich eine Leitung 20 des dreiphasigen Netzsegments 10 dargestellt ist.
  • Das Regelmodul hat einen Modulanschluss 60, der mit der Leitung 20 an einer Eingangsseite 22 verbunden ist. Das Regelmodul 30 weist einen zweiten Modulanschluss 62 auf, der mit der Ausgangsseite 24 der Leitung 20 verbunden ist. Die optionalen Netzfilter 36 aus 1a können zwischen der Leitung 20 und den jeweiligen Modulanschlüssen 60, 62 angeordnet sein.
  • Das Regelmodul 30 umfasst mehrere Schaltelemente 64, die beispielsweise als Niederspannungs-Feldeffekttransistoren oder als Silizium-FET ausgebildet sein können. Die als Transistoren ausgebildeten Schaltelemente 64 sind in dem gezeigten Beispiel als zwei Halbbrücken verschaltet, zwischen denen ein Energiespeicher 68 in Form eines Kondensators 69 angeordnet ist.
  • 2a zeigt auch die Spannungsversorgungseinheit 40 im Detail. Die Spannungsversorgungseinheit 40 bildet gemeinsam mit dem Regelmodul 30 ein Leistungsfluss-Regelsystem 90, das dazu eingerichtet ist, die Spannung über die Leitung hinweg anzupassen und/oder den Strom durch die Leitung 20 anzupassen. Somit lassen sich mit dem Leistungsfluss-Regelsystem 90 Schwankungen in dem elektrischen Netz 12 ausgleichen.
  • Die Spannungsversorgungseinheit 40 umfasst ein Netzinterface 400 und eine Quasi-Wandlereinheit 500. Die Quasi-Wandlereinheit 500 kann beispielsweise, wie in 2 gezeigt, eine Inverterschaltung 510 und eine Balanciereinheit 520 umfassen. Während die Spannungsversorgungseinheit 40 für ein dreiphasiges Netz 12 lediglich ein Netzinterface 400 umfasst, existiert für jede Phase bzw. Leitung 20 eine Quasi-Wandlereinheit 500. In 2 ist jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Leitung 20 gezeigt und deshalb auch nur eine Quasi-Wandlereinheit 500.
  • Das Netzinterface 400 kann beispielsweise ein einphasiger oder vorzugsweise als dreiphasiger Gleichrichter ausgebildet sein und/oder mehrere Inverter 420 umfassen, die, wie in 2 gezeigt, als Halbbrücken 422 verschaltet sind. Die Inverter 420 können beispielsweise Dioden oder Transistoren sein.
  • Eine Interfaceschaltung 410 ist als Wechselrichter oder als Gleichrichter ausgebildet, beispielsweise in Form einer Diodenschaltung mit mehreren Dioden 408, die als Halbbrücken 422 verschaltet sind.
  • Die hier als Halbbrücke ausgebildeten Inverter 420 bilden die Interfaceschaltung 410, die zwei DC-Schienen aufweist, eine positive DC-Schiene 412 und eine negative DC-Schiene 414. Ein zwischen den beiden DC-Schienen angeordneter Kondensator 416 bildet einen Inverterzwischenkreis 418.
  • Die Inverterschaltung 510 der Quasi-Wandlereinheit 500 umfasst wenigstens einen Inverter 512, in 2 und 3 jeweils zwei Inverter 512 mit je zwei Transistoren 514, die zu Halbbrücken verschaltet sind.
  • Die Balanciereinheit 520 umfasst vier Transistoren 522, die zu zwei in Serie geschalteten Halbbrücken 524 zusammengeschaltet sind. Des Weiteren umfasst die Balanciereinheit 520 zwei Induktivitäten 526, die mit den Ausgängen der Inverterschaltung 510 verbunden sind. Ein Kondensator 528 bildet den Balancierzwischenkreis, dessen Enden mit den beiden Energieanschlüssen 70 verbunden sind.
  • 3a zeigt eine ähnliche Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems 90, wobei das Netzinterface 400 aus Transistoren 424 gebildet wird und nicht aus Dioden 508, wie in der Ausführungsform gemäß 2.
  • Die Transistoren des Netzinterfaces 400 sowie der Inverterschaltung 510 müssen die volle Spannung des Netzes 12 aushalten können. Sie müssen also für entsprechend hohe Spannungen geeignet sein, beispielsweise für wenigstens 400 Volt effektiv bei Niederspannungsnetzen. Allerdings müssen diese Transistoren lediglich für relativ geringe Ströme < 10 Ampere, bevorzugt < 1 Ampere geeignet sein.
  • Die Transistoren 522 der Balanciereinheit 520 dagegen müssen bevorzugt lediglich kleine Spannungen aushalten, beispielsweise Spannungen < 50 Volt bei Niederspannungsnetzen. Allerdings müssen sie hohe Ströme tragen können, Ströme > wenigstens 10 Ampere, beispielsweise aber auch > 20 Ampere. In den in den 2a und 3a gezeigten Fällen wird jedoch bevorzugt die volle Spannungssperrfähigkeit der Transistoren 522 benötigt.
  • Die Transistoren 66 des Regelmoduls müssen die gleichen Charakteristika aufweisen wie die Transistoren 522 der Balanciereinheit 520.
  • Die Spannung des Zwischenkreises des Regelmoduls bzw. der Regelmodule 30 bei dreiphasigen Netzen lässt sich nahezu unabhängig von der Spannung der Zwischenkreise der Quasi-Wandlereinheit 500 einstellen, sodass bidirektional Energie ausgetauscht werden kann. Das elektrische Potential sowohl der positiven Schiene 312 als auch der negativen Schiene 314 des Zwischenkreises des Regelmoduls 30 darf sowohl über der positiven DC-Schiene 412, zwischen der positiven DC-Schiene 412 und der negativen DC-Schiene 414 und auch unter der negativen DC-Schiene 414 der Inverterschaltung 510 liegen. Allerdings sind dann für den Energieaustausch acht Transistoren notwendig, vier Transistoren 514 der Inverterschaltung 510 sowie vier Transistoren 525 der Balanciereinheit 520.
  • Die Balanciereinheit 520 kann ferner - wie in den 2b und 3b dargestellt - so ausgeführt werden, dass die Transistoren 522 nur eine kleinere Spannung als die Spannung der Inverterschaltung 510 sperren und damit aushalten können müssen. Hierzu separiert vorzugsweise zumindest ein Entkopplungskondensator 599 die Masse oder andere vergleichsweise festen Potentiale von der Balanciereinheit 520.
  • Vorzugsweise ist ein Entkopplungskondensator 599 gemäß diesen Ausführungsformen mit zumindest einem Anschluss mit dem der gemeinsamen elektrischen Verbindung zwischen zumindest zwei der Transistoren 522 der Balanciereinheit verbunden, besonders bevorzugt einer gemeinsamen elektrischen Verbindung, die auf jeder Seite zumindest zwei in Serie geschaltete Transistoren 522 aufweist.
  • Zumindest ein weiterer Anschluss eines Entkopplungskondensators 599 ist vorzugsweise mit Masse oder einem anderen weitgehend stabilen elektrischen Potential verbunden. Ein Entkopplungskondensator 599 kann beispielsweise eine konstante Spannung zwischen der Masse oder einem weitgehend stabilen elektrischen Potential und der Balanciereinheit 520 erlauben und Gleichströme durch den Entkopplungskondensator unterbinden, während Wechselströme beispielsweise für den Vorgang des Balancierens und/oder die Erzeugung von Wechseltaktpotentialen fließen können.
  • Die Kapazität eines solchen Entkopplungskondensators 599 kann so gewählt werden, dass die Transistoren 522 geringere Spanungsfestigkeit aufweisen können. Hierfür sollte in der Regel die Kapazität eines solchen Entkopplungskondensators 599 groß genug gewählt werden für die Schaltrate der Transistoren 522, wobei meist schnellere Schaltraten der Transistoren 522 die nötige Kapazität verringern. Ein solcher Entkopplungskondensator kann dabei insbesondere die Ströme absorbieren, mit welchen die Transistoren 522 Induktivitäten 526 elektrisch und magnetisch auflädt und entlädt.
  • Während beispielsweise derjenige Transistor 522, der mit mindestens einem ersten Anschluss elektrisch mit dem Entkopplungskondensator 599 und mit einem zweiten Anschluss mit einem Schaltungsknoten verbunden ist, der wiederum über einen weiteren Transistor 522 wahlweise mit einer positiven Schiene des Zwischenkreises eines Regelmoduls verbunden werden kann, lädt den Entkopplungskondensator 599 vorzugsweise über eine Induktivität 526 auf, während ein weiterer Transistor 522, der vorzugsweise mit einem ersten Anschluss mit dem Kopplungskondensator 599 und mit einem zweiten Anschluss mit einem Schaltungsknoten elektrisch verbunden ist, der wiederum über einen weiteren Transistor 522 mit einer negativen Schiene des Zwischenkreises eines Regelmoduls verbunden werden kann, den Entkopplungskondensator 599 vorzugsweise negativ auflädt. Vorzugsweise werden die beiden Zustände so betrieben, dass die Ladung des Kopplungskondensators 599 im zeitlichen Mittel konstant ist und von dem einen genannten Transistor 522 mit einer absolut gleichen Ladung positiv und von dem anderen genannten Transistor 522 mit einer negativen Ladung negativ geladen wird. Diese beiden Ladevorgänge können bevorzugt zeitlich gleichzeitig, zeitlich überlappend oder auch zeitlich sequentiell erfolgen. Bei gleichzeitiger Operation gleichen sich die Ströme vorzugsweise aus, sodass der Kopplungskondensator 599 eine geringere Kapazität aufweisen kann, um lediglich die geringen zeitlichen Unterschiede in der Ladung auszugleichen.
  • Weitere der Transistoren 522 werden dagegen jeweils zu solchen Zeiten elektrisch leitend geschaltet, in welchen die erstgenannten Transistoren 522 sperren. Diese weiteren Transistoren 522 erlauben vorzugsweise jeweils zumindest eine Induktivität 526 mit einer positiven oder einer negativen Schiene des Zwischenkreises eines Regelmoduls zeitweise elektrisch leitend zu verbinden. Diese letztgenannten Transistoren 522 werden vorzugsweise zyklisch aber zeitlich alternierend mit den erstgenannten Transistoren 522 betrieben, um die Induktivitäten 526 über die erstgenannten Transistoren 522 elektrisch-magnetisch aufzuladen und über die letztgenannten Transistoren 522 in die positive und/oder negative Schiene des Zwischenkreises eines Regelmoduls zu entladen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Kondensator 599 rein durch parasitäre Kopplung zur Masse vor und ist durch kein separates elektrisches Bauteil implementiert. In diesem Fall kann die Kapazität kleiner als 1 nF, vorzugsweise kleiner als 10 pF und besonders bevorzugt kleiner als 1 pF betragen.
  • Bei positiven und/oder negativen Schienen des Zwischenkreises eines Regelmoduls handelt es sich in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise um Energieanschlüsse 70.
  • Das Spannungspotential der DC-Schienen des Netzinterfaces im Verhältnis zu dem möglichen Spannungspotential der positiven und negativen Schiene des Zwischenkreises des Regelmoduls sind in 4 dargestellt.
  • Die acht Transistoren der Quasi-Wandlereinheit lassen sich auf lediglich vier Transistoren reduzieren, wie in der besonders bevorzugten Ausführungsform in 5 gezeigt. Hierzu müssen jedoch Randbedingungen eingehalten werden, die sich auf die Spannung zwischen den beiden Zwischenkreisen beziehen. Diese Spannungsbedingungen müssen beispielsweise per Steuerung oder Regelung erzwungen werden.
  • Das elektrische Potential der positiven Schiene 312 des Zwischenkreises des Regelmoduls 30 darf zu keinem Zeitpunkt über dem Potential der positiven DC-Schiene 412 der Interfaceschaltung 410 liegen. Weiterhin darf das elektrische Potential der negativen Schiene 314 des Zwischenkreises des Regelmoduls 30 zu keinem Zeitpunkt unter dem Potential der negativen DC-Schiene 414 des Zwischenkreises der Interfaceschaltung 410 zu liegen kommen. Folglich müssen alle Potentiale und Spannungen des Regelmoduls zu jedem Zeitpunkt innerhalb des von der positiven DC-Schiene 412 und der negativen DC-Schiene 414 des Netzinterfaces 400 bzw. des entsprechenden Zwischenkreises liegen. Weiterhin sollte beachtet werden, dass die floatenden Regelmodule 30 mit der Netzspannung und mit deren Frequenz, typischerweise 50 Hertz oder 60 Hertz ihrer jeweils zugehörigen Phasen zyklisch sich auf und ab bewegen. Zusammen mit der Zwischenkreisspannung der floatenden Regelmodule 30 deckt dies bei europäischen Niederspannungsnetzen beispielsweise einen Bereich von ca. + 325 Volt plus der Spannung am Zwischenkreis des Regelmoduls bis hin zu ca. - 325 Volt minus der Spannung am Zwischenkreis des Regelmoduls 30 ab. Dabei darf die Netzspannung des Netzes 12 prinzipiell auch schwanken, sodass beispielsweise weitere 10% Spannung hinzugefügt werden könnten.
  • Gemäß 5 ist zu erkennen, dass die Quasi-Wandlereinheit 500 nun lediglich aus der Inverterschaltung 510 sowie den Induktivitäten 526 und dem Kondensator 528 gebildet wird.
  • Die Versorgung der in Serie geschalteten Regelmodule 30 erfolgt also je über einen galvanisch nicht isolierten, dynamisch dem floatenden Regelmodul 30 folgenden Gleichspannungswandler, der aus den beiden zu Halbbrücken verschalteten Invertern der Inverterschaltung 510 gebildet wird und beispielsweise vom Typ eines Buck- oder Abwärtswandlers sein kann. Statt der im Stand der Technik eingesetzten Übertrager, also einer Art Transformatoren, werden hier nur einfache Induktivitäten 526 benötigt, die miteinander gekoppelt sein können, wie beispielsweise in den 8 oder 9 gezeigt.
  • Folglich muss das elektrische Potential der positiven und negativen Schienen des floatenden Regelmoduls 30 immer kleiner (oder gleich) dem positiven Potential und größer (oder gleich) dem negativen Potential des Inverterzwischenkreises 418, der auch den Gleichspannungswandler der Stromversorgungseinheit 40 speist, sein. Dies kann beispielsweise durch einen Netzinverter mit geeigneter Regelung der Gleichspannungszwischenkreisspannung erreicht werden, etwa durch leichtes Boosten der Netzspannung.
  • Die Transistoren dieses Gleichspannungswandlers sind für hohe Spannungen ausgelegt, bevorzugt wenigstens ausreichend für die Zwischenkreisspannung. Sie sind nur für kleine Ströme (z. B. kleiner 10 A bei Niederspannung) ausgelegt, was im vorliegenden Einsatz ausreichend ist. Dies ist im Gegensatz zu den Bauteilen des floatenden Regelmoduls 30, die hingegen für kleine Spannungen und große Ströme ausgelegt sind.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungsfluss-Regelsystems 90 zum Einsatz in einem Netz 12, das neben den drei Phasen (Leitungen 20) auch einen N-Leiter 21 aufweist. Jede der vier Leitungen ist mit dem Netzinterface 400 verbunden, das aus vier zu Halbbrücken 422 verschalteten Invertern 420 gebildet wird. Der prinzipielle Aufbau entspricht jedoch dem Netzinterface der vorherigen Figuren. Mittels dieses Leistungsfluss-Regelsystems 90 können somit auch Symmetriefehler gegenüber dem N-Leiter 21 bzw. der Erde ausgeglichen werden. Dazu wird auch ein Regelmodul 30 für den N-Leiter 21 vorgesehen und entsprechend den anderen Leitern verschaltet.
  • 7 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der die Balanciereinheit 520 zwei in Reihe geschaltete Halbbrücken 524 aus Transistoren 522 umfasst. Die Inverterschaltung 510 wird aus lediglich zwei Transistoren 514 gebildet, die ebenfalls zu einer Habbrücke verschaltet sind. Das Netzinterface entspricht dem Netzinterface gemäß den Ausführungsformen von 2, 3 und 5.
  • Die in 7 gezeigte Ausführungsform umfasst einen Quasi-Gleichspannungswandler 500 mit zwei Stufen, einer ersten Stufe umfassend eine als Transistorhalbbrücke ausgebildete Inverterschaltung 510 mit einem Zwischenausgang, der somit nur eine Spannung gegenüber Erde tragen kann, und einer zweiten Stufe, die als Balanciereinheit 520 ausgebildet ist und vier in Reihe geschaltete Transistoren 522 umfasst, die zwei in Serie geschaltete Halbbrücken 524 bilden, die über je eine zwischengeschaltete Induktivität boosten und somit die Spannung erhöhen können (obere Halbbrücke) oder erniedrigen können (untere Halbbrücke).
  • Im Gegensatz zu der Ausführungsform mit einer Inverterschaltung umfassend 2x2 Transistoren 514 und einer zusätzlichen Balanciereinheit 520 mit vier seriellen Transistoren 522, liegt bei dieser Ausführungsform vorzugsweise eine klare Aufgabenaufteilung vor. Die Inverterschaltung 510 mit einer Transistorhalbbrücke folgt in etwa der AC-Spannung der zugehörigen Phase des Netzinterfaces 400 und gibt ein Spannungsniveau aus. Die anschließende Balanciereinheit 520 „spreizt“ nun diese Spannung auf die Spannung für die positive Versorgungsschiene 312 des Regelmoduls 30 und die negative Versorgungsschiene 314 des Regelmoduls 30. Vorzugsweise ist die Aufspaltung oder Aufspreizung symmetrisch. Prinzipiell könnte die Aufspaltung auch unsymmetrisch sein, jedenfalls bis zu einem gewissen Grad, wobei der positivere (obere) Ausgang der Balanciereinheit 520 zum Ausgang der Inverterschaltung 510 einen geringeren Abstand als der negativere (untere) Ausgang der Balanciereinheit 520 hat. Zentral ist allerdings hierbei, dass die Balanciereinheit die Gleichspannung als Differenz zwischen den Ausgängen erzeugt, während die Inverterschaltung 510 näherungsweise dem elektrischen Potential des zugehörigen Regelmoduls folgt, vorzugsweise einem elektrischen Potential zwischen dem der positiven Versorgungsschiene oder der negativen Versorgungsschiene des Regelmoduls, beispielsweise der Mitte. Dies muss nicht exakt sein, solange die verbleibende Abweichung zu den Zielpotentialen der positiven und negativen Versorgungsschienen des zugehörigen Regelmoduls 30 innerhalb des Arbeitsbereichs der Balanciereinheit 520 liegt.
  • Bevorzugt erzeugt die Inverterschaltung des Quasi-Gleichspannungswandlers relativ exakt die AC-Momentanspannung der zugehörigen Phase, also den Gleichtaktanteil (der über zumindest zwei elektrische Verbindungen dem Regelmodul bereitgestellten Versorgungsspannung), und die Balanciereinheit 520 erzeugt die Spannung des Zwischenkreiskondensators im Regelmodul 30, also den Gegentaktanteil oder die Differenz zwischen den beiden Ausgängen der Quasi-Wandlereinheit 500. Die klare Aufgabenteilung zwischen Inverterschaltung 510 und Balanciereinheit 520 erlaubt eine entsprechende Aufteilung und Entkopplung bei der Regelung. In der Ausführungsform beispielsweise gemäß 5 mit einer Inverterschaltung 510 mit 2x2 Transistoren 514 je Regelmodul 30 in der Quasi-Wandlereinheit 500 werden diese beiden Aufgaben von einem einzelnen Schaltungsteil, nämlich der Inverterschaltung 510 übernommen. Eine Balanciereinheit ist gemäß 5 nicht vorgesehen.
  • 8 zeigt eine alternative Ausführungsform des Leistungsfluss-Regelsystems 90, bei dem auf die Balanciereinheit verzichtet wird. Lediglich der Kondensator 528 des Zwischenkreises ist vorhanden. In dieser Ausführungsform wird die Inverterschaltung 510 der Quasi-Wandlereinheit 500 durch zwei zu parallelen Halbbrücken verschalteten Invertern 512 mit je zwei Transistoren 514 gebildet. Die Inverterschaltung umfasst weiter zwei einfache Induktivitäten 526, die, wie hier gezeigt, magnetisch verkoppelt sein können. Somit stellt die Inverterschaltung 510 einen Gleichspannungswandler dar, der galvanisch nicht isoliert ist und dynamisch dem floatenden Regelmodul 30 folgt.
  • Die magnetische Kopplung liegt vorzugsweise so vor, dass Ströme, die parallel von Invertern zum Modul fließen (Gleichtakt) eine hohe Induktivität erfahren; jene, die durch eine der beiden gekoppelten Induktivitäten in eine Richtung und durch die andere entgegengesetzt fließen (Gegentakt), dagegen eine niedrige Induktivität erfahren.
  • Die Ausführungsform gemäß 9 unterscheidet sich dadurch, dass in der Inverterschaltung 510 zwei Induktivitätenpaare mit Induktivitäten 516 vorgesehen sind, die jeweils miteinander verkoppelt sind.
  • Eine weitere Ausführungsform gemäß 10 weist ebenfalls eine Quasi-Wandlereinheit 500 auf, die eine Inverterschaltung 510 mit zwei zu Halbbrücken verschalteten Invertern 512 aufweist. Eine Balanciereinheit ist nicht vorgesehen.
  • Das Netzinterface 400 wird in diesem Fall aus einer Kombination von Dioden 408 und Transistoren 424 gebildet. Folglich wird ein Netzgleichrichter mit integrierter Leistungsfaktorkorrekturstufe aufgebaut. Im vorliegenden Fall ist die PFC-Stufe (Power-Factor-Correction-Stufe) als aktives Frontend ausgebildet. Die Bauteile sind für hohe Spannungen, aber geringe Ströme ausgelegt.
  • 11 stellt nun ein dreiphasiges Netz 12 dar, bei dem alle Regelmodule 30 für die jeweiligen Leitungen 20 dargestellt sind. Die Spannungsversorgungseinheit 40 umfasst ein Netzinterface 400, das im vorliegenden Fall durch drei Inverter 420 aufgebaut ist, die zu Halbbrücken 422 verschaltete Transistoren umfassen. Für jede Leitung 20 bzw. jedes Regelmodul 30 ist eine eigene Quasi-Wandlereinheit 500 vorgesehen, wobei hier eine Ausführungsform ohne Balanciereinheit gezeigt ist. Die Quasi-Wandlereinheit 500 wird aus der Inverterschaltung 510 und der Induktivität 526 sowie dem Kondensator 528 gebildet.
  • 12 zeigt eine abstrahierte Darstellung eines Netzsegments 10 mit einem Leistungsfluss-Regelsystem 90. Jede der Leitungen 20 hat ein eigenes Regelmodul 30, wobei optionale Netzfilter 36 vor und hinter dem Regelmodulen 30 vorgesehen sein können.
  • Für jede Phase bzw. Leitung 20 ist also ein separates floatendes Regelmodul 30 vorgesehen, das im Grunde ein Zweiphaseninverter ist, der mit seinen zwei AC-Anschlüssen in Serie in die jeweilige Phase geschaltet ist. Der Gleichspannungseingang wird von der Stromversorgungseinheit 40 bidirektional versorgt.
  • Zwischen den drei Quasi-Wandlereinheiten 500 (eine für jede Phase) der Spannungsversorgungseinheit 40 und den Regelmodulen 30 sind jeweils drei DC-Versorgungsleitungen vorgesehen, mit einem elektrischen Potential, das den Regelmodulen 30 folgt. Je nach eingesetztem Netzinverter des Netzinterfaces 400 erfolgt die Regelung bidirektional. In den jeweiligen Leitungen 20 lassen sich vier Quadranten beeinflussen, das heißt für beide Leistungsflussrichtungen sowohl die Spannung erhöhen als auch verringern.
  • Die Spannungsversorgungseinheit 40 wird aus einem Netzinterface sowie drei Quasi-Wandlereinheiten 500 gebildet, also für jede Leitung eine. Zwischen dem als Netzinverter ausgebildeten Netzinterface 400 und den Quasi-Wandlereinheiten 500 wird ein Gleichspannungszwischenkreis gebildet, der je nach Kapazität gegebenenfalls leicht pulsiert. Die Spannung muss unbedingt größer als die Netzscheitelspannung plus die Hälfte der Regelmodulzwischenkreisspannung sein, vorzugsweise ist die Spannung größer als die Netzscheitelspannung plus die Regelmodulzwischenkreisspannung.
  • Die Netzfilter zwischen dem Netzinterface 400 können durch Induktivitäten, PI-Filter, LCL etc. gebildet werden.
  • Die Versorgung der floatenden Regelmodule 30 (Serienmodule) kann auf mehrere Arten erfolgen. Bei kleiner Modulkapazität (auch gegenüber der Anschlussinduktivität von Versorgungseinheit zu Regelmodulen) kann die Versorgung jedes Regelmoduls spannungsgeregelt erfolgen. Es wird dann die Spannung des Regelmoduls gemessen und beispielsweise mit einem PID-Regler auf den Referenz- oder Zielwert geregelt. Gegebenenfalls muss der Regler eine möglichst geringe Dynamik (Bandbreite) aufweisen, um Schwingungen zu vermeiden.
  • Bei großer Regelmodulkapazität ist eine alleinige Spannungsregelung jedoch potentiell problematisch, weil sehr hohe Ströme fließen können, insbesondere Einschaltströme, wenn die Kapazität einen deutlich geringeren Spannungswert als den Zielwert hat. In diesem Fall bietet sich eine Stromregelung an. Entweder wird eine reine Stromregelung mit einem Referenzstromwert für jede Phase bzw. Leitung verwendet, wobei bevorzugt der Stromreferenzwert aus den Netzgegebenheiten bzw. dem Netzsegment und der gewünschten Einspeisung berechnet wird.
  • Alternativ kann ein kaskadierter Regler verwendet werden, bei dem ein innerer Stromregler den Strom in vertretbaren Grenzen und Dynamiken hält, während ein äußerer Spannungsregler die Zwischenkreisspannung der floatenden Regelmodule auf deren Zielwert regelt. Der innere Stromregler regelt vorzugsweise mit beidseitigen Grenzen, das heißt mit einer positiven und einer negativen Grenze.
  • Bei einer kaskadierten Regeldung ist zu beachten, dass die Serieneinspeisemodule (Regelmodule 30) jeder Phase (Leitung 20) sich hinsichtlich ihres elektrischen Potentials mit der Phasenspannung auf und ab bewegen. Entsprechend wird in einer bevorzugten Regelung nicht nur ein Regler verwendet. Vorzugsweise wird nach Gleichtakt- (Common Mode, CM) und Gegentaktströmen und -spannungen (Differential-Mode, DM) unterschieden. Jeder Anteil wird vorzugsweise separat geregelt. Die Gleichspannung der Regelmodule soll relativ konstant bleiben, obwohl sich das Potential der Regelmodule mit der Netzfrequenz und der Netzspannung um die Erde (Erdpotential) bewegt. Die Ladegleichspannung der Regelmodule als Differenz zwischen dem elektrischen Potential der positiven Versorgungsschiene und der negativen Versorgungsschiene des Regelmoduls ist somit dem Wesen nach eine Gegentakt- oder Differential-Mode-Spannung. Das Pendeln beider Potentiale um die Erde ist eine Gleichtakt- oder Common-Mode-Spannung. Gleiches gilt für die Ströme: Nur der Differential-Mode-Strom lädt das Modul auf, während der Common-Mode-Strom dagegen zu Einspeisungen in die jeweilige Phase führt, was im Einzelfall gewünscht sein kann. Bei höheren Frequenzen führt der Common-Mode-Strom potentiell zu elektromagnetischen Interferenzen, die ungewünscht sind. Durch eine geeignete Hardware der Regeleinheit kann der Common-Mode-Strom (Gleichtaktstrom) auch mit gekoppelten Induktivitäten, sogenannten Common-Mode-Chokes, zusätzlich unterdrückt werden. Solche Common-Mode-Chokes wurden schon in den Ausführungsbeispielen gemäß 8 und 9 gezeigt.
  • Dementsprechend ist eine Regeleinheit 600 gemäß 13 dazu ausgebildet, den Differential-Mode-Strom zum Laden der Module 30 zu verwenden und den Common-Mode-Strom so klein wie möglich zu halten. Alternativ kann der Common-Mode-Strom auf einen gewissen Referenzwert geregelt werden, wenn eine Einspeisung gewollt ist.
  • Eine Ausführungsform der Regeleinheit 600 ist in 13 zusammen mit einem Regelmodul 30 und einer Inverterschaltung 510 für eine Leitung 20 gezeigt. Die Inverterschaltung 510 bildet eine Ladeelektronik 610 die zum Ausgleich von Spannungsschwankungen in der Leitung 20 dient.
  • Die Regeleinheit 600 umfasst zwei Strommesser 620, die an den Leitungen 48 zwischen Inverter 510 und Regelmodul 30 integriert sind. Mittels der Strommesser 620 wird ein positiver Strom bzw. ein negativer Strom gemessen, aus dem ein Common-Mode-Strom ICM,m und ein Differential-Mode-Strom IDM,m durch entsprechende Überlagerung gebildet wird. Der gemessene Common-Mode-Strom ICM,m wird von einem Soll-Wert des Common-Mode-Stroms ICM subtrahiert und einem ersten Regler 630 zugeführt, der beispielsweise als Pl- oder PR-Regler ausgebildet sein kann.
  • Die Differenz zwischen dem Soll-Wert ICM und dem gemessenen Common-Mode-Strom ICM,m stellt den Common-Mode-Fehlerstrom ICM,error dar, der dem Regler 630 zugeführt wird.
  • Ein Spannungsmesser 640 der Regeleinheit 600 misst die Spannung in dem Regelmodul 30 zwischen der positiven Schiene und der negativen Schiene. Die gemessene Spannung Vm wird einer Referenzspannung Vref negativ überlagert, sodass eine Fehlerreferenzspannung Vref,error gebildet wird, die einem weiteren Regler 630b zugeführt wird, der ebenfalls als Pl-Regler ausgeführt sein kann. Zwischen dem Regler 630 und einem Additionsglied 660 kann eine optionale Limitiereinheit 650 vorgesehen sein, um das Ausgangssignal des Reglers 630b zu limitieren. Das Ausgangssignal wird dann an einer Überlagerungsstelle (Additionsglied 660) mit dem negativen gemessenen Differential-Mode-Strom IDM,m überlagert, woraufhin ein Differential-Mode-Fehlerstrom IDM,error erzeugt wird, der einem weiteren Regler 630c zugeführt wird. Auch der Regler 630c kann als Pl-Regler ausgestaltet sein.
  • Die Ausgänge der Regler 630a und 630c werden weiterverarbeitet und in zwei Überlagerungsgliedern 670 wird zum einen die Summe, zum anderen die Differenz der beiden Regelgrößen dDM, dCM gebildet. Diese sind die Eingangssignale für die Ladeelektronik 610 bzw. die Inverterschaltung 510. Die Common-Mode-Spannung am Ausgang des Reglers 630a gibt die Bewegung des Regelmoduls 30 um die Erde vor. Damit lassen sich die positive und die negative Schiene mittels der Summenbildung bzw. Differenzbildung in den Überlagerungsgliedern 670 erzeugen.
  • 14 zeigt eine Ausführungsform, bei der mehrere Netzsegmente miteinander verkoppelt werden können, sodass ein Niederspannungsenergie-Router gebildet wird. Prinzipiell können die Regelmodule 30 mehrere Ein- und Ausgänge aufweisen, wie in 14 dargestellt. In diesem Fall können die Module Leistung wie eine Weiche zwischen n Eingängen und m Ausgängen verteilen, indem sie beliebige Spannungsgefälle, bei Niederspannungen beispielsweise innerhalb der Zwischenkreisspannungslevel der Regelmodule 30, also beispielsweise maximal +/-48 Volt bei 48 Volt- oder maximal +/-24 Volt bei 24 Volt-Systemen, zwischen den n x m-Abgriffen, erzeugen.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass bei den Regelmodulen 30 aufgrund von Symmetrie nicht mehr zwischen Eingängen und Ausgängen unterschieden werden kann. Damit wird der kompakte Leistungselektronikmaschenstromregler, also das Leistungsfluss-Regelsystem 90, zu einer Art Gateway oder Router, wie er sonst eher aus der Paketverteilung in Datennetzwerken bekannt ist. Wichtig ist hierfür allerdings, dass weiterhin bevorzugt keine galvanische Verbindung zu den anderen Phasen (Leitungen) oder gar zur Erde besteht und die Eingänge und Ausgänge phasenmäßig sehr nah aneinander liegen. Die Phasensysteme weisen also eine feste Phasenbeziehung mit nur wenigen Grad (bevorzugt kleiner 10°, besonders bevorzugt kleiner 5°) Unterschied auf. Jedes zusätzliche Paar hat nur einen geringen Spannungsunterschied und kann von den floatenden Regelmodulen 30 bearbeitet werden.
  • Während mehrere dreiphasige Eingangsstränge vorhanden sind, können an den einzelnen Regelmodulen 30 dann doppelt so viele Phasen ausgegeben werden.
  • Die gezeigten Lösungen können einige oder mehrere der folgenden Funktionen bereitstellen:
    • Anheben oder Absenken der Spannungsamplitude auf der Grundfrequenz, in der Regel 50 Hertz oder60 Hertz, eines Netzsegments 10 durch Aufbauen einer Spannungsdifferenz über das Leistungsfluss-Regelsystem 90 hinweg.
  • Blindstromkompensation (Power-Factor-Correction) über den Parallelabgriff (der Stromversorgungseinheit 40), aber auch über den Seriellabgriff, also über das Regelmodul 30.
  • Da der Einsatz von großen Leistungstransformatoren mit deren Hochfrequenzverlusten vermieden wird, ist es möglich, Einspeisung oder Absorption von harmonischen oder transienten Verzerrungen über den Parallelabgriff oder auch über den Seriellabgriff zu ermöglichen.
  • Das Leistungsfluss-Regelsystem 90 kann in gewissen Grenzen nicht nur die Spannungsamplitude zwischen Eingängen und Ausgängen kontinuierlich verändern, und somit Spannungsverzerrungen einstreuen oder entfernen, sondern auch die Phase zwischen Eingang und Ausgang verschieben. Dies kann sowohl in positiver als auch in negativer Richtung stattfinden. Somit lässt sich ein Netzsegment 10 oder eine Masche um wenige Grad gegenüber der Speisung verschoben betreiben. Die Grenze hierfür ist wiederum die Zwischenkreisspannung der floatenden Regelmodule 30. Der Phasenversatz zwischen Eingang und Ausgang darf dabei nicht zu einer Spannungsdifferenz über der Zwischenkreisspannung führen.
  • Insgesamt lassen sich bevorzugt nicht nur einphasige, sondern auch mehrphasige Lösungen mittels des Leistungsfluss-Regelsystems realisieren.
  • 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. Andere Zahlwörter schließen ferner keine je höhere Anzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Beispielsweise können Teile der Regeleinheit oder die gesamte Regeleinheit ganz oder teilweise in Software realisiert werden. Die Software oder das entsprechende Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher, einem Flash-Speicher, auch innerhalb eines Mikroprozessors, oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets. 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.
  • Bezugszeichen
  • 10
    Netz-Segment
    12
    Netz
    20
    Leitung
    22
    Eingangsseite
    24
    Ausgangsseite
    30
    Regelmodul
    32
    AC-Teil
    34
    DC-Teil
    36
    Netzfilter
    40
    Spannungsversorgungseinheit
    42
    AC-Teil
    44
    DC-Teil
    46
    Energieanschluss
    48
    Leiter
    56
    Netzfilter
    60
    erster Modulanschluss
    62
    zweiter Modulanschluss
    64
    Schaltelement
    66
    Transistor
    68
    Energiespeicher
    69
    Kondensator
    70
    Energieanschluss
    90
    Leistungsfluss-Regelsystem
    312
    positive Schiene von 30
    314
    negative Schiene von 30
    400
    Netzinterface
    408
    Diode
    410
    Interfaceschaltung
    412
    positive DC-Schiene
    414
    negative DC-Schiene
    416
    Kondensator
    418
    Inverterzwischenkreis
    420
    Inverter
    422
    Halbbrücke
    424
    Transistor
    500
    Quasi-Wandlereinheit
    510
    Inverterschaltung
    512
    Inverter
    514
    Transistor
    516
    Induktivität
    520
    Balanciereinheit
    522
    Transistor
    524
    Halbbrücke
    526
    Induktivität
    528
    Kondensator
    599
    Entkopplungskondensator
    600
    Regeleinheit
    610
    Ladeelektronik
    620
    Strommesser
    630 (a-d)
    Regler
    640
    Spannungsmesser
    650
    Limitiereinheit
    660
    Additionsglied
    670
    Überlagerungsglied

Claims (20)

  1. Regelmodul für ein Leistungsfluss-Regelsystem (90), eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz (12) und eingerichtet zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer Leitung (20) des Netzes (12), umfassend mindestens zwei Leitungsanschlüsse (60, 62) zum seriellen Anschluss in die Leitung (20) des Netzes (12), mehrere Schaltelemente (64), einen Energiespeicher (68) und zwei Energieanschlüsse (70) zum Anschluss an eine Spannungsversorgungseinheit (40), wobei der erste Leitungsanschluss (60) und der zweite Leitungsanschluss (62) dazu ausgebildet sind, das 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 Regelmodul (30) derart verschaltet ist, dass eine galvanisch definierte Verbindung mit einer Spannungsversorgungseinheit besteht, die derart regelbar ist, dass das Potential des Regelmoduls (30) dem Potential der Leitung (20) des Netzes (12) in einer vordefinierten Weise folgt; und 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.
  2. Leistungsfluss-Regelsystem, eingerichtet zum Einsatz in einem elektrischen Netz (12) und eingerichtet zum Anpassen der Spannung und/oder des Stroms in mindestens einer Leitung (20) des Netzes (12), umfassend ein Regelmodul (30) nach Anspruch 1 und eine Spannungsversorgungseinheit (40) zur Versorgung des Regelmoduls (30), wobei zwischen dem Regelmodul (30) und der Spannungsversorgungseinheit (40) eine galvanisch definierte Verbindung besteht und die Spannungsversorgungseinheit (40) derart regelbar ist, dass das Potential des Regelmoduls (30) dem Potential der Leitung (20) des Netzes (12) in einer vordefinierten Weise folgt.
  3. Leistungsfluss-Regelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (40) ein Netzinterface (400) und eine Quasi-Wandlereinheit (500) hat, wobei die Quasi-Wandlereinheit (500) an die Energieanschlüsse (70) des Regelmoduls (30) angeschlossen ist und zwischen Regelmodul (30) und Netzinterface (400) geschaltet ist.
  4. Leistungsfluss-Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (40) genau ein Netzinterface (400) und eine Quasi-Wandlereinheit (500) für jede Leitung (20) des Netzes (12) aufweist.
  5. Leistungsfluss-Regelsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasi-Wandlereinheit (500) der Spannungsversorgungseinheit (40) eine Inverterschaltung (510) mit einem Inverter (512) umfasst, bevorzugt eine Inverterschaltung (510) mit wenigstens zwei Invertern (512), wobei bevorzugt jeder Inverter (512) zwei Transistoren (514) umfasst.
  6. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasi-Wandlereinheit (500) der Spannungsversorgungseinheit (40) eine Inverterschaltung (510) umfasst, bevorzugt mit vier verschalteten Transistoren (514), die bevorzugt in Halbbrücken verschaltet sind, besonders bevorzugt in parallel verbundenen Halbbrücken.
  7. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasi-Wandlereinheit (500) der Spannungsversorgungseinheit (40) eine Balanciereinheit (520) umfasst, die bevorzugt vier in Serie geschaltete Transistoren (522) umfasst, besonders bevorzugt zwei in Serie geschaltete Halbbrücken (524) aus Transistoren (522).
  8. Leistungsfluss-Regelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasi-Wandlereinheit (500) zwei Inverter (512), bevorzugt zwei Transistoren (514), umfasst, die eine Halbbrücke (524) bilden, deren Anschluss mit der Balanciereinheit (520) verbunden ist.
  9. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quasi-Wandlereinheit (500) eine Balanciereinheit (520) mit zwei Induktivitäten (526) und eine Inverterschaltung (510) mit zwei Invertern (512), bevorzugt mit je zwei Transistoren (514) umfasst.
  10. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch mit dem Regelmodul (30) verbundene Quasi-Wandlereinheit (500) dem Potential des Netzinterfaces (400) folgt und den gesamten Potentialbereich des Netzinterfaces (400) abdeckt.
  11. Leistungsfluss-Regelsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverterschaltung (510) zwei Gleichspannungsschienen hat und jede der beiden Gleichspannungsschienen der Inverterschaltung (510) der Quasi-Wandlereinheit (500) dem Potential der Netzspannung folgt, wobei bevorzugt die zwischen den Gleichspannungsschienen bestehende Gleichspannung eine Regelspannung des Regelmoduls (30) ist.
  12. Leistungsfluss-Regelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Gleichspannungsschienen des Regelmoduls (30), bevorzugt die positive Schiene (312) des Regelmoduls (30), der einen Wechselspannungsphase und die negative Schiene (314) des Regelmoduls (30) der anderen Wechselspannungsphase des Wandlers folgt.
  13. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzinterface (400) der Spannungsversorgungseinheit (40) eine Inverterschaltung (510) umfasst, die bevorzugt einen Netz-Wechselrichter oder Gleichrichter aufweist.
  14. Leistungsfluss-Regelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das sich bewegende Potential des Regelmoduls (30) innerhalb der Inverterspannung zwischen der positiven Schiene des Netzinterfaces (400) und der negativen Schiene des Netzinterfaces (400) verbleibt.
  15. Leistungsfluss-Regelsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (40) eine Quasi-Wandlereinheit (500) für jede Leitung (20) des Netzes (12) umfasst.
  16. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem 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.
  17. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (40) elektrisch parallel zu den Leitungen (20) des Netzes (12) geschaltet ist und mit Leistung aus dem elektrischen Netz (12) versorgt wird, wobei bevorzugt die Spannungsversorgungseinheit (40) einen Netzfilter (50) umfasst, der an die Leitungen (20) des Netzes (12) ankoppelt.
  18. Leistungsfluss-Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Regelmodul (30) zur Verfügung gestellte Spannung zum Verändern der Amplitude der Leitung (20) bei einem Niederspannungsnetz mit 3 x 400 V Außenleiterspannung betragsmäßig höchstens 100 Volt beträgt, bevorzugt höchstens 50 Volt, sehr bevorzugt höchstens 25 Volt, weiter bevorzugt höchstens 20 Volt, weiter bevorzugt höchstens 15 Volt, besonders bevorzugt höchstens 10 Volt.
  19. Netz-Segment 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-Regelsystem (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  20. Regeleinheit zur Steuerung der Ladeelektronik (610) eines Regelmoduls (30), gemäß Anspruch 1, eines Leistungsfluss-Regelsystems (90) umfassend einen Strommesser (620) zur Messung des Stroms der Verbindungen zwischen der Ladeelektronik (610) und Energieanschlüssen des Regelmoduls (30) und einen Spannungsmesser (640) zum Messen der Spannung zwischen einer positiven Schiene (312) des Regelmoduls (30) und einer negativen Schiene (314) des Regelmoduls (30), und umfassend wenigstens einen Regler (630) zum Regeln des Gleichtaktstroms und wenigstens einen Regler (630) zum Regeln des Gegentaktstroms, wobei die Ladeelektronik (610) Teil einer Spannungsversorgungseinheit ist.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106099937A (zh) 2016-06-22 2016-11-09 湖南大学 一种统一电能质量调节器及其控制方法
EP3413422A1 (de) 2017-06-09 2018-12-12 EnBW Energie Baden-Württemberg AG Ortsnetzstation mit variablen niederspannungsabgängen
DE102021111860A1 (de) 2021-05-06 2022-11-10 Technische Universität Kaiserslautern Körperschaft des öffentlichen Rechts Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem Niederspannungs-Ortsnetz

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19733516A1 (de) * 1997-08-04 1999-02-11 Asea Brown Boveri Verfahren zum Einspeisen von Blindleistung in ein Wechselspannungsnetz sowie Wechselrichter für ein solches Verfahren
DE69840996D1 (de) * 1998-04-15 2009-09-03 Mitsubishi Electric Corp Kompensationsvorrichtung und Leistungsübertragungssystem damit
EP0982827A1 (de) * 1998-08-26 2000-03-01 Mitsubishi Electric Corporation Kompensatoranordnung und eine Kompensatoranordnung benutzendes Energieübertragungssystem
DE69942790D1 (de) * 1999-12-15 2010-11-04 Mitsubishi Electric Corp Regler zur Durchführung einer Entkopplungsregelung eines Blindleistungsserienkompensators
DE102020126925B4 (de) * 2020-10-14 2024-03-14 Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh Regler

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106099937A (zh) 2016-06-22 2016-11-09 湖南大学 一种统一电能质量调节器及其控制方法
EP3413422A1 (de) 2017-06-09 2018-12-12 EnBW Energie Baden-Württemberg AG Ortsnetzstation mit variablen niederspannungsabgängen
DE102021111860A1 (de) 2021-05-06 2022-11-10 Technische Universität Kaiserslautern Körperschaft des öffentlichen Rechts Leistungsfluss-Regelmodul zum Einsatz in einem Niederspannungs-Ortsnetz

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