DE10014642A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Energieversorgung eines autonomen Netzes - Google Patents

Abstract

Zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eines Inselnetzes (53) wird die Energie eines ersten Energieerzeugers (2) in Form vorzugsweise eines Windgenerators und eines zweiten Energieerzeugers in Form vorzugsweise eines Dieselgenerators (4) in einen gemeinsamen kapazitiven Zwischenkreis (26) eingespeist, aus dem wiederum die Energie in das Netz (53) eingespeist wird. Der kapazitive Zwischenkreis (26) ist zweckmäßigerweise durch einen Umrichter (6) mit einem wechselstromseitig an den Windgenerator (2) angeschlossenen Wechselrichter (20) und einen wechselstromseitig an den Dieselgenerator (4) angeschlossenen Gleichrichter (24) realisiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Energie­ versorgung eines autonomen Netzes, mit einem Windgenerator und mit einem Dieselgenerator. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung ei­ nes derartigen Netzes. Unter autonomes Netz wird hierbei ins­ besondere ein Inselnetz verstanden.

Aus der EP 0 046 530 A1 ist ein sogenanntes Wind-Diesel-Sys­ tem bekannt, bei dem ein Windgenerator und ein Dieselgenera­ tor ein autonomes Wechselstromnetz speisen. Während der Die­ selgenerator von einer Dieselmaschine angetrieben wird, wan­ delt der eine Windturbine und ein Getriebe sowie einen Gene­ rator umfassende Windgenerator die im Wind enthaltene Primär­ energie in elektrische Energie um. Der Windgenerator ist mit­ tels eines einen Gleichrichter und eine Zwischenkreis-Drossel sowie einen Wechselrichter aufweisenden Umsetzers mit dem au­ tonomen Netz verknüpft. Der Gleichrichter ist wechselspan­ nungsseitig mit den Ausgängen des elektrischen Generators verbunden, wogegen der Wechselrichter wechselspannungsseitig mit den Leitungen des autonomen Netzes verknüpft ist. Die Zwischenkreis-Drossel verbindet den Gleichrichter und den Wechselrichter des Umsetzers gleichspannungsseitig mitein­ ander.

Durch die Verwendung eines derartigen netzkommutierten Um­ setzers wird dieses sogenannte Wind-Diesel-System zwar flexi­ bel. Jedoch wirkt sich bei diesem System nachteilig aus, dass der Dieselgenerator und der Windgenerator parallel in das au­ tonome Netz einspeisen. Dadurch kann es vorkommen, dass bei einem Windeinbruch, d. h. bei einer infolge des stochastischen Windverhaltens geringen Windenergie und einem hohen Lei­ stungsverbrauch im autonomen Netz aufgrund der Reaktionszeit des Dieselgenerators zu viel Zeit vergeht, bis dieser gestar­ tet und hochgelaufen ist. Dies ist der Grund dafür, dass die beiden Generatoren für eine vorbestimmte Zeit parallel be­ trieben werden. Um dauerhaft eine gewünschte unterbrechungs­ freie Energieversorgung des autonomen Netzes zu gewährlei­ sten, müsste der Parallelbetrieb der beiden Generatoren für eine Vielzahl möglicher Fälle ausgelegt werden, was jedoch eine unerwünscht aufwendige Steuerung erfordert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur unterbrechungsfreien Energiever­ sorgung eines autonomen Netzes, insbesondere eines Inselnet­ zes anzugeben.

Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu ist eine Stromrichterschaltung mit vorzugsweise drei gleichspannungs­ seitig parallel geschalteten Stromrichtern vorgesehen, wobei ein Windgenerator und ein Dieselgenerator ausgangsseitig mit wechselspannungsseitigen Eingängen eines ersten bzw. eines zweiten Stromrichters und das autonome Netz eingangsseitig mit wechselspannungsseitigen Ausgängen eines dritten Strom­ richters dieser Stromrichterschaltung verknüpft sind.

Der wechselspannungsseitig an den ersten Stromrichter ge­ führte Windgenerator und der wechselspannungsseitig an den zweiten Stromrichter geführte Dieselgenerator speisen somit deren Energie oder Leistung in einen Gleichspannungs-Zwi­ schenkreis der Stromrichterschaltung ein, während die Ener­ gie- bzw. Leistungsentnahme des autonomen Netzes über den dritten Stromrichter der Stromrichterschaltung aus deren zweckmäßigerweise eine Kondensatorbatterie aufweisenden Zwi­ schenkreis erfolgt. Die Kondensatorbatterie - und somit der Zwischenkreis - wirkt daher als kapazitiver Speicher oder Puffer.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine unterbrechungsfreie Energieversorgung eines autonomen Netzes möglich ist, wenn das erkanntermaßen hohe Speichervermögen eines als kapazitiver Speicher wirksamen Gleichspannungs-Zwi­ schenkreises als Puffer zum Ausgleich von Leistungsschwan­ kungen genutzt wird. Eine derartige Nutzung wiederum ist da­ durch möglich, dass einerseits nicht nur der Windgenerator, sondern auch der Dieselgenerator dessen Leistung in den Zwi­ schenkreis einer aus vorzugsweise drei Stromrichtern aufge­ bauten Stromrichteranordnung einspeist, und dass andererseits die dem Netz zuzuführende Leistung oder Energie direkt aus dem Zwischenkreis entnommen wird. Die Ankopplung des Netzes an die Stromrichterschaltung erfolgt dann in einfacher Art und Weise über einen weiteren, zweckmäßigerweise selbstge­ führten Stromrichter. Die Energieeinspeisung in das Netz er­ folgt zweckmäßigerweise über einen Transformator mit vorge­ schaltetem Filter.

Der dem Windgenerator zugeordnete Stromrichter ist zweckmä­ ßigerweise ein selbstgeführter Stromrichter oder Wechsel­ richter, während der dem Dieselgenerator zugeordnete Strom­ richter vorzugsweise ein ungesteuerter Gleichrichter ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung weist die Stromrichterschaltung eine Steuerung auf, die ausgangsseitig mit Steuereingängen der Stromrichter der Stromrichterschaltung verbunden ist. Die Einstellung der vom Windgenerator und vom Dieselgenerator in den Zwischenkreis der Stromrichterschaltung eingespeisten so­ wie der aus diesem entnommenen Leistung erfolgt dann mittels der zweckmäßigerweise raum- oder platzsparend in die Strom­ richterschaltung integrierten Steuerung. Die Einstellung der in den Zwischenkreis eingespeisten sowie der aus diesem ent­ nommenen Leistung erfolgt vorteilhafterweise anhand jeweils meßtechnisch erfasster Windparameter, insbesondere anhand der Windrichtung und der Windgeschwindikeit. Dazu ist die Steu­ einrichtungen verbunden. Ausgangsseitig ist die Steuerung außerdem mit Steuereingängen des Windgenerators und des Die­ selgenerators verbunden.

Mittels eines vorzugsweise ebenfalls über einen weiteren Stromrichters direkt aus dem Zwischenkreis gespeisten An­ triebs wird der Windgenerator und/oder der mit diesem gekup­ pelte Antriebsrotor in Abhängigkeit von der Windrichtung und/oder der Windgeschwindigkeit in eine mehr oder weniger senkrecht zur Windrichtung verlaufende Position gedreht. Da­ durch können mit relativ kurzen Reaktionszeiten infolge des stochastischen Windverhaltens auftretende Schwankungen der vom Windgenerator in den Zwischenkreis eingespeisten Leistung zumindest grob ausgeregelt werden.

Die Steuerung stellt auch die vom Dieselgenerator in den Zwi­ schenkreis der Stromrichterschaltung einzuspeisende Leistung ein. Dabei wird die am Zwischenkreis abgegriffene Gleichspan­ nung in einem vorgebbaren Spannungsbereich von z. B. 450 V_DC bis 660 V_DC konstant gehalten, indem die meßtechnisch erfasste Ist-Spannung an die entsprechende Soll-Spannung herangeführt wird. Zur Vermeidung eines Überschreitens der Soll-Spannung ist ein vorzugsweise getakteter Widerstand vorgesehen, der der durch den Zwischenkreis gebildeten Kapazität parallelge­ schaltet ist. Über diesen getakteten Widerstand wird dann der in den Zwischenkreis eingespeiste Leistungsüberschuss abge­ führt.

Zweckmäßigerweise erfolgt auch die Hilfsspannungsversorgung der Steuerung sowie weiterer Elektronikbaugruppen der Vor­ richtung aus dem Energieversorgungssystem des Netzes selbst. Dazu wird mittels zweier Wandler ein Gleichstromzwischenkreis gebildet, der einerseits über den an den Zwischenkreis ange­ koppelten Wechselrichter und andererseits entweder aus dem Windgenerator oder aus dem Dieselgenerator gespeist wird.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß ge­ löst durch die Merkmale des Anspruchs 14. Dazu wird zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eines autonomen Netzes Energie eines ersten Energieerzeugers, insbesondere einer Windkraftanlage, und eines zweiten Energieerzeugers, insbe­ sondere eines Dieselaggregats, in einen gemeinsamen kapaziti­ ven Gleichspannungs-Zwischenkreis einer Stromrichterschaltung eingespeist. Die Energieabnahme des Netzes erfolgt dann zweckmäßigerweise über einen Stromrichter direkt aus dem Zwi­ schenkreis.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, dass durch Energie- oder Leistungsentnahme eines autonomen Netzes aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis ei­ ner zweckmäßigerweise drei Stromrichter umfassenden Strom­ richterschaltung, in die vorzugsweise einerseits ein Wind­ generator und andererseits zweckmäßigerweise ein Dieselgene­ rator deren Energie gemeinsam einspeisen, eine praktisch schwankungsfreie Energieversorgung des Netzes besonders ein­ fach und zuverlässig gewährleistet ist. Da das Netz an den als kapazitiven Speicher wirksamen Zwischenkreis angekoppelt ist, in den sowohl der Windgenerator als auch der Dieselgene­ rator dessen Leistung einspeist, ist aus Sicht des Netzes die Energieversorgung praktisch unterbrechungsfrei.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Fi­ gur schematisch eine Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eines Inselnetzes, das an eine mit einem Windgenerator und mit einem Dieselgenerator verknüpfte Strom­ richterschaltung angekoppelt ist.

Die zur unterbrechungsfreien Energieversorgung dienende Vor­ richtung umfasst einen Windgenerator 2 und einen Dieselgene­ rator 4, die deren Leistung in eine gemeinsame Stromrichter­ schaltung 6 einspeisen. Der Windgenerator 2 umfasst einen über eine Bremse 8 mit einem Rotor 10 gekuppelten Generator oder Asynchronmotor 12. Der Dieselgenerator 4 umfasst eine Dieselmaschine oder ein Dieselaggregat 14, die bzw. das mit einem Generator oder Synchrongenerator 16 gekoppelt ist. Wäh­ rend der Windgenerator 2 über eine dreiphasige Drehstromlei­ tung 18 mit einem ersten, selbstgeführten Stromrichter oder Wechselrichter 20 der Stromrichterschaltung 6 wechselstrom­ seitig verbunden ist, ist der Dieselgenerator 16 über eine dreiphasige Drehstromleitung 22 an einen zweiten Stromrichter oder ungesteuerten Gleichrichter 24 der Stromrichterschaltung 6 wechselstromseitig angeschlossen. Ein gleichstromseitig zwischen den beiden Stromrichtern 20 und 24 einerseits und dem Gleichrichter 24 liegender Gleichspannungs-Zwischenkreis 26 weist eine nur angedeutete, einen kapazitiven Speicher bildende Kondensatorbatterie 28 auf.

An den die beiden Stromrichter 20 und 24 gleichstromseitig miteinander verbindenden Gleichspannungs-Zwischenkreis 26 ist ein weiterer Stromrichter 30 der Stromrichterschaltung 6 gleichstromseitig geführt. Die drei Stromrichter 20, 24 und 30 der Stromrichterschaltung 6 sind somit gleichspannungsseitig parallel geschaltet. Der gleichspannungsseitig mit dem Zwi­ schenkreis 26 verbundene selbstgeführte Stromrichter oder Wechselrichter 30 ist wechselspannungsseitig über eine drei­ phasige Drehstromleitung 32 mit einem aus LC-Gliedern aufge­ bauten Filter 34 zur Oberwellenfilterung verbunden. Dieser wiederum ist ausgangsseitig an die Primärseite eines Trans­ formators 36 angeschlossen, der sekundärseitig über eine Schalteinrichtung 38 mit nachgeschalteten Sicherungen 40 in ein Inselnetz 42 führt.

Die Energie- oder Leistungsflußrichtung verläuft sowohl vom Windgenerator 2 als auch vom Dieselgenerator 4 über den er­ sten bzw. den zweiten Stromrichter in die Stromricherschal­ tung 6 und dabei in deren Zwischenkreis 26 hinein und aus diesem über den dritten Stromrichter 30 in das autonome Netz oder Inselnetz 42. Dazu sind der Windgenerator 2 und der Die­ selgenerator 4 jeweils ausgangsseitig mit wechselspannungs­ seitigen Eingängen E₁ und E₂ der Stromrichter 20 bzw. 24 ver­ knüpft, während das Netz 42 eingangsseitig mit wechselspannungsseitigen Ausgängen A₃ des dritten Stromrichters 30 der Stromrichterschaltung 6 verknüpft ist.

Ein weiterer Stromrichter oder Wechselrichter 44 ist gleich­ spannungsseitig ebenfalls mit dem Zwischenkreis 26 der Strom­ richterschaltung verknüpft. Dieser Stromrichter 44 ist wech­ selspannungsseitig über eine dreiphasige Drehstromleitung 46 mit einem Antriebsmotor 48 verbunden. Mittels des Antriebsmo­ tors 48 kann der Windgenerator 2 oder aber auch lediglich der Rotor 10 gedreht werden.

Ein gleichstromseitig zwischen zwei Wechselstrom-Gleichstrom- Wandlern 50 und 52 (AC/DC-Wandler) gebildeter Gleichstrom­ kreis 54 liefert eine Hilfsspannung U_H von z. B. 24 V_DC. Diese Hilfsspannung U_H dient - zusätzlich zu nicht näher darge­ stellten Elektronikbaugruppen der Vorrichtung 1 - zur Span­ nungsversorgung einer Steuerung 56, die vorteilhafterweise in die Stromrichterschaltung 6 integriert ist. Während der Wand­ ler 52 wechselstromseitig zwischen dem Stromrichter 30 und dem Filter 34 an die Drehstromleitung 32 geführt ist, ist der Wandler 50 wechselstromseitig zwischen den Dieselgenerator 4 und die Stromrichterschaltung 6 an die Drehstromleitung 22 geführt. In diese ist je Phase eine Drossel 57 eingeschaltet.

Beim Betrieb der Vorrichtung 1 erfassen ein Richtungsmesser 58 und ein Geschwindigkeitsmesser 60 die Windrichtung bzw. die Windgeschwindigkeit. Ein entsprechendes Richtungssignal S_R sowie ein Geschwindigkeitssignal S_G werden der Steuerung 56 als Eingangsgrößen zugeführt. Anhand dieser Signale S_R, S_G generiert die Steuerung 60 ein Steuersignal S₁ für den Strom­ richter 44, so dass mittels des Antriebs 48 der Windgenerator 2 und damit der Rotor 10 mehr oder weniger senkrecht zur Windrichtung ausgerichtet wird. Die hierzu erforderliche Energie oder Leistung erhält der Antrieb 48 über den Strom­ richter 44 aus dem Zwischenkreis 26. Ein Steuersignal S₁ wird auch dem Stromrichter 30 zugeführt.

Ein von der Steuerung 56 generiertes weiteres Steuersignal S₂ wird an die Bremse 8 geführt, um den Rotor 10 bei hohen Wind­ geschwindigkeiten, insbesondere bei Sturm, stillzusetzen. Ein weiteres von der Steuerung 56 generiertes Steuersignal S₃ wird an die Dieselmaschine 14 geführt, um diese zu Starten oder Herunterzufahren. Der vom Generator 16 in den Zwischen­ kreis 26 eingespeiste Leistungsfluß stellt sich infolge des Spannungsniveaus im Zwischenkreis 26 automatisch ein.

Eine entsprechende Steuerung oder Regelung des Windgenerators 2 und des Dieselgenerators 4 erfolgt in Abhängigkeit von der vom Netz 42 über den Stromrichter 30 aus dem Zwischenkreis 26 entnommenen Leistung und insbesondere in Abhängigkeit von der vom Windgenerator 2 in den Zwischenkreis 26 eingespeisten Leistung. Dazu ist die Steuerung 56 zur Leistungseinstellung oder -steuerung ausgangsseitig mit entsprechenden Steuerein­ gängen S_E1, S_E2 und S_E3 der Stromrichter 20, 24 bzw. 30 verbun­ den. Von der Steuerung 56 wird dabei die im Zwischenkreis 26 erfasste Ist-Spannung U_ist an eine vorgebbare Soll-Spannung U_soll von z. B. 450 V_DC bis 660 V_DC herangeführt. Übersteigt die Ist-Spannung U_ist die Soll-Spannung U_soll, so wird zunächst die Drehzahl des Rotors 10 bis an eine maximal zulässige Drehzahl herangeführt, bevor ein im Zwischenkreis 26 auftretender Lei­ stungsüberschuss an einen mit diesem verknüpften, zweckmäßi­ gerweise getakteten Widerstand 62 abgeführt wird. Dieser ge­ taktete Widerstand 62 ist der durch den Zwischenkreis 26 ge­ bildeten Kondensatorbatterie 28 parallelgeschaltet.

Auch die Schalteinrichtung 40 wird mittels der Steuerung 56 betätigt, die dazu ein Schaltsignal S₄ an die Schalteinrich­ tung 40 führt. Zudem ist die Aufrechterhaltung der Hilfs­ spannung U_H dadurch gewährleistet, dass die dazu erforderli­ che Leistung dem Stromrichter 30 und/oder dem Dieselgenerator 4 über die Drossel 57 entnommen wird.

Durch die Leistungsentnahme des Netzes 42 aus dem Gleich­ spannungs-Zwischenkreis 26 der Stromrichterschaltung 6 ist aus Sicht des Netzes 42 eine praktisch unterbrechungsfreie Energieversorgung gewährleistet, indem entweder der Windgene­ rator 2 oder der Dieselgenerator 4 oder sowohl der Windgene­ rator 12 als auch der Dieselgenerator 4 Energie in den Zwi­ schenkreis 26 einspeisen. Da der Stromrichter-Zwischenkreis 26 als kapazitiver Speicher wirksam ist, wirken sich Lei­ stungsschwankungen des Windgenerators 2 und auch infolge der Reaktionszeit des Dieselgenerators 4 bei dessen bedarfsweiser Zuschaltung auftretende kurzfristig Unterbrechungen auf das Netz 42 praktisch nicht aus.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Energieversorgung eines autonomen Netzes (42), mit einem Windgenerator (2) und mit einem Dieselgenera­ tor (4) sowie mit einer Stromrichterschaltung (6), die eine Anzahl von gleichspannungsseitig parallel geschalteten Strom­ richtern (20, 24, 30) aufweist, wobei wechselspannungsseitig der Windgenerator (2) an einen ersten Stromrichter (20) und der Dieselgenerator (4) an einen zweiten Stromrichter (24) geführt sind, und wobei ein dritter Stromrichter (30) wech­ selspannungsseitig mit dem autonomen Netz (42) verknüpft ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der dem Windgenerator (2) zugeordnete Stromrichter (20) ein selbstgeführter Strom­ richter ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der dem Diesel­ generator (2) zugeordnete Stromrichter (24) ein ungesteuerter Gleichrichter ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der dem autonomen Netz (53) zugeordnete Stromrichter (30) ein selbstgeführter Stromrichter ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromrichterschaltung (6) eine Steuerung (56) aufweist, die ausgangsseitig mit Steuereingängen (S_E) der Stromrichter (20, 24, 30) der Stromrichterschaltung (6) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (56) ein­ gangsseitig mit einer Anzahl von Meßeinrichtungen (58, 60) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuerung (56) ausgangsseitig mit Steuereingängen des Windgenerators (2) und des Dieselgenerators (4) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromrichterschaltung (6) einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) umfaßt, der eine Kondensatorbatterie (28) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der dritte Stromrichter (30) wechselspannungsseitig über einen Transformator (36) mit dem autonomen Netz (42) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei zwischen dem dritten Stromrichter (30) und dem Transformator (36) ein Filter (34) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Gleichstromzwischenkreis (54) zur Hilfsspannungsversorgung zwischen zwei Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlern (50, 52), wo­ bei ein erster Wandler (50) wechselstromseitig mit einem der Generatoren (2, 4) und ein zweiter Wandler (52) wechselstrom­ seitig mit dem an den Zwischenkreis (26) angekoppelten Wech­ selrichter (30) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein an die Stromrichterschaltung (6) gleichspannungsseitig ge­ führter vierter Stromrichter (44) wechselspannungsseitig mit einem Antrieb (48) zur Verschwenkung eines mit dem Windgene­ rator (4) gekoppelten Rotors (10) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein an die Stromrichterschaltung (6) gleichspannungsseitig ange­ schlossener Widerstand (62) vorgesehen ist, der bei Über­ schreiten einer Zwischenkreis-Sollspannung (U_soll) zumindest einen Teil der in die Stromrichterschaltung (6) eingespeisten Leistung aufnimmt.

14. Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung ei­ nes autonomen Netzes (42), insbesondere eines Inselnetzes, bei dem Energie eines ersten Energieerzeuger (2) und eines zweiten Energieerzeuger (4) in einen gemeinsamen Stromrichter-Zwischenkreis (26) eingespeist wird, und bei dem die Energie aus dem Stromrichter-Zwischenkreis (26) in das Netz (42) eingespeist wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Energie aus dem Stromrichter-Zwischenkreis (26) über einen Stromrichter (30) in das Netz (42) eingespeist wird.