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Die
Erfindung betrifft eine Notstromversorgungsanlage für an ein
Wechselstromnetz angeschlossene Verbraucher, mit einer Brennstoffzelle
zur Erzeugung von Gleichstrom, einem Wechselrichter zur Bereitstellung
von Wechselstrom und einer Steuerung.
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Mit
Notstromversorgungsanlagen wird die Versorgung von sicherheitsrelevanten
oder anderen wichtigen Verbrauchern mit elektrischer Energie bei einem
Ausfall des Wechselstromnetzes, an das die Verbraucher normalerweise
angeschlossen sind (Normalnetz), aufrechterhalten. Für eine Notversorgung
von mehreren und/oder größeren Verbrauchern kommen
z. B. Dieselgeneratoren zum Einsatz. Im Hinblick auf die knapper
werdenden fossilen Brennstoffe werden Notstromversorgungsanlagen
mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen entwickelt, die gegenüber Dieselgeneratoren
eine Reihe von Vorteilen haben, u. a. daß während des Betriebs kein CO2 ausgestoßen wird.
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Ein
grundsätzliches
Problem beim Einsatz herkömmlicher
Notstromversorgungsanlagen besteht darin, daß nach der Wiederkehr des Normalnetzes
die Stromversorgung der Verbraucher nochmals unterbrochen werden
muß, da
der von der Notstromversorgungsanlage gelieferte Strom nicht synchron mit
dem Strom des Normalnetzes ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Notstromversorgung von Verbrauchern eines
Wechselstromnetzes umweltfreundlicher, komfortabler und möglichst
verlustfrei zu gestalten, insbesondere in Bezug auf die Rückschaltung
der Verbraucher von der Notstromversorgungsanlage an das wiedergekehrte Wechselstromnetz.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Notstromversorgungsanlage mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Notstromversorgungsanlage
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Notstromversorgungsanlage
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung
eine Synchronisationseinrichtung aufweist, die den vom Wechselrichter
bereitgestellten Strom phasengleich auf den Strom des Wechselstromnetzes
synchronisiert, was im folgenden als ”lastsynchrone Rückschaltung” bezeichnet
wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Rückschaltung
der Verbraucher von der Notstromversorgungsanlage an das wiedergekehrte
Wechselstromnetz unterbrechungsfrei erfolgen kann, wenn sichergestellt
ist, daß der
von der Notstromversorgungsanlage gelieferte Strom synchron mit
dem Strom des wiedergekehrten Normalnetzes ist. Die erfindungsgemäße Notstromversorgungsanlage
mit der hierfür vorgesehenen
Synchronisationseinrichtung bietet somit neben den Vorzügen der
Brennstoffzelle zusätzlich
den Vorteil, daß bei
einem Netzausfall nur eine einzige Unterbrechung, nämlich vor
der Umschaltung auf die Notstromversorgung, jedoch keine erneute
Unterbrechung bei der Rückschaltung
auf das Normalnetz erfolgt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den beigefügten
Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 das
Bedientableau einer erfindungsgemäßen Notstromversorgungsanlage;
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2 die
Erzeugung eines Synchronisationssignals durch die Synchronisationseinrichtung;
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3 ein
Schema der Steuer- und Überwachungsfunktionen
der Steuerung;
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4 einen
Ablauf der Steuerung bei Ausfall des Normalnetzes; und
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5 einen
Ablauf der Steuerung bei Wiederkehr des Normalnetzes.
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Es
wird beispielhaft der Aufbau einer erfindungsgemäßen Notstromversorgungsanlage
zur ersatzweisen Bereitstellung eines soliden Drei-Phasen-Drehstromnetzes
für einen
gebäudetechnischen Einsatz
beschrieben. Die Notstromversorgungsanlage soll Verbraucher, die
an ein normales Wechselstromnetz (Normalnetz) angeschlossenen sind,
bei einem Ausfall des Normalnetzes möglichst schnell wieder mit
Wechselstrom versorgen. In 1 ist das Bedientableau 10 der
Notstromversorgungsanlage mit einem Prinzipschaltbild dargestellt,
auf das nachfolgend Bezug genommen wird.
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Energiequelle
der Notstromversorgungsanlage ist vorzugsweise eine PEM-(Polymer-Elektrolyt-Membran-)Brennstoffzelle 12 mit
einem Brennstoffzellenstapel, der im Betrieb der Notstromversorgungsanlage
Gleichstrom erzeugt. Der Gleichstrom wird über einen Wechselrichter 14 in
Wechselstrom umgewandelt und auf die Spannung des Wechselstromnetzes
transformiert.
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Die
Notstromversorgungsanlage ist in drei Teile unterteilt, die im installierten
Zustand der Notstromversorgungsanlage räumlich voneinander getrennt
sind. Eine solche (oder ähnliche
Trennung) der Anlagenkomponenten ist für den genannten Einsatzzweck
vorteilhaft, für
die Funktion der Notstromversorgungsanlage aber nicht zwingend notwendig.
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Der
erste Teil umfaßt
mehrere Metallhydridspeicher 16 sowie ein Wasserstoffversorgungsmodul 18 mit
Drucksensoren, einem mechanischen Druckminderer, Überdruckventilen
und einem Wasserstoffhauptventil. Das Wasserstoffversorgungsmodul 18 leitet
Wasserstoff aus den Metallhydridspeichern 16 sicher an
die Brennstoffzelle 12. Gesteuert wird das Wasserstoffversorgungsmodul 18 über einen
Feldbusankoppler 20, der über ein Bussystem (Profinet) mit
einer Hauptsteuerung der Notstromversorgungsanlage verbunden ist.
Des weiteren umfaßt
der erste Teil der Notstromversorgungsanlage noch zwei Steuer-Energiespeicher
in Form von wiederaufladbaren Batterien (2 × 12 Volt in Reihe = 24 Volt)
mit einem Ladegerät.
Die Steuer-Energiespeicher sind dazu vorgesehen, während einer
Unterbrechung des Normalnetzes die Energie für die Steuerung der Notstromversorgungsanlage
zur Verfügung
zu stellen. Weiterhin sind noch zwei Last-Energiespeicher 22 vorgesehen
(Pufferbatterien, vorzugsweise gleicher Aufbau wie die Steuerbatterien,
ebenfalls mit einem Ladegerät).
Die Last-Energiespeicher 22 dienen als Energie-Puffer für die Zeit
zwischen dem Ausfall des Normalnetzes und dem stabilen Betrieb der
Brennstoffzelle 12. Außerdem
sollen die Last-Energiespeicher 22 über eine Schaltung mit Dioden
(Schottky-Dioden) Laststöße abfangen,
die die Brennstoffzelle überlasten
könnten.
Als Steuer- bzw. Last-Energiespeicher
können
grundsätzlich
auch entsprechend ausgelegte Kondensatoren vorgesehen werden.
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Im
zweiten Teil der Notstromversorgungsanlage ist die Brennstoffzelle 12 mit
einem elektronischen Druckminderer und einem Taktventil montiert. Das
Taktventil dient zur Reinigung der Anodenseite der Brennstoffzelle 12 und
somit zum Schutz vor Wasserablagerungen. Der zweite Teil umfaßt ferner die
Hauptsteuerung der Notstromversorgungsanlage, die mehrere Leitungsschutzschalter,
ein Netzschütz 24 und
ein Wechselrichterschütz 26 zur
Umschaltung zwischen Normalnetz und Notnetz, mehrere Relais, ein
Synchronisiersperrelais, ein speicherprogrammierbares Steuergerät 28 (SPS)
sowie eine Nulldurchgangserfassungseinheit in Form einer Zero-Crossing-Platine
aufweist. Außerdem
umfaßt
der zweite Teil den Wechselrichter 14 (hier ein Drei-Phasen-Sinus-Wechselrichter).
Dieser kann mit Hilfe eines Signals der Nulldurchgangserfassungseinheit das
Notnetz phasengleich auf das Normalnetz synchronisieren, wie später noch
genauer erläutert
wird.
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Der
dritte Teil der Notstromversorgungsanlage enthält eine Kühlung für die Brennstoffzelle und einen
Luftkompressor 30, der den benötigten Sauerstoff für die chemische
Reaktion in der Brennstoffzelle liefert. Auch das Bedientableau 10 gehört zum dritten
Teil. Das Bedientableau 10 dient neben der Bedienung der
Notstromversorgungsanlage auch der Erkennung von Schaltzuständen und
Störungen.
Gesteuert werden die Komponenten des dritten Teils ebenfalls über einen
mit dem Bussystem angeschlossenen Feldbusankoppler 31.
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Nachfolgend
wird der Betrieb der Notstromversorgungsanlage beschrieben. Es sind
drei Betriebsarten vorgesehen: Automatikbetrieb, Gesperrt und Handbetrieb.
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Im
Automatikbetrieb überwacht
ein Netzwächter
der Notstromversorgungsanlage ständig
das Normalnetz. Wenn zu einem beliebigen Zeitpunkt die Spannung
einbricht oder das Normalnetz ganz ausfällt, wird vom Netzwächter ein
Signal an die Steuerung ausgegeben, woraufhin ein Programm zum Starten
der Notstromversorgungsanlage ausgeführt wird. In diesem Programmablauf
werden zeitgleich der Wechselrichter 14 und die Brennstoffzelle 12 gestartet.
Der Wechselrichter 14, gespeist aus den Lastenergiespeichern 22,
beginnt sofort ein 400-Volt-Drehstromnetz
zu erzeugen. Sobald dieses Drehstromnetz verfügbar ist (Zeitraum <1 s), schaltet die
Steuerung das Netzschütz 24 (Schütz zwischen Normalnetz
und Verbrauchern) ab (Verbindung getrennt) und das Wechselrichterschütz 26 (Schütz zwischen
Wechselrichter und Verbraucher) zu (Verbindung hergestellt). Die
angeschlossenen Verbraucher werden nun vorübergehend mit Energie aus den Last-Energiespeichern 22 versorgt,
wobei deren Gleichstrom vom Wechselrichter 14 in Wechselstrom umgewandelt
wird.
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Zur
gleichen Zeit wird die Brennstoffzelle 12 in Betrieb genommen,
indem die Kühlwasserversorgung
anläuft,
der Kompressor 30 für
die Luftversorgung eingeschaltet und das Wasserstoffhauptventil des
Wasserstoffversorgungsmoduls 18 geöffnet wird. Sobald die Brennstoffzelle 12 ihre
Ausgangsspannung von mindestens 24 Volt liefert, gibt ein Gleichspannungswächter ein
Signal an die Steuerung aus. Nach einer eingestellten Warmlaufzeit
schaltet ein Gleichspannungsschütz 32 die
Brennstoffzellenspannung auf den Wechselrichter 14. Ab
diesem Zeitpunkt versorgt die Brennstoffzelle 12 direkt
den Wechselrichter 14 und somit auch die Verbraucher.
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Bei
Wiederkehr des Normalnetzes wird das Signal des Netzwächters zurückgesetzt.
Nach Ablauf einer Zeitspanne, der sog. Netzberuhigungszeit, in der
weitere Netzschwankungen zu unerwünschten erhöhten Einschaltströmen für die Verbraucher
führen
könnten,
wird das Synchronisiersperrelais, das die Nulldurchgangserfassungseinheit
steuert, eingeschaltet. Die Nulldurchgangserfassungseinheit beginnt
nun, ein Signal an den Wechselrichter 14 zu senden. Dieses
Signal ist digital und umfaßt
Spannungspulse von beispielsweise 5 Volt Amplitude. Die Nulldurchgangserfassungseinheit
liefert bei jedem positiven Nulldurchgang des Normalnetzes (genauer gesagt
bei jedem positiven Nulldurchgang des Spannungsverlaufs des Normalnetzes,
alternativ auch des Stromverlaufs) einen charakteristischen Signalpuls, z.
B. eine „negative
Flanke”,
die der Wechselrichter 14 verarbeitet. Die Nulldurchgangserfassungseinheit weist
keinen Transformator auf, so daß die
Phasenverschiebung zwischen dem analogen Eingangssignal (Netzspannung
des wiedergekehrten Normalnetzes) und dem digitalen Ausgangssignal
fast Null ist (<1°). Der Wechselrichter 14 beginnt
nun, sich auf das Signal der Nulldurchgangserfassungseinheit zu synchronisieren.
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Der
Wechselrichter 14 zeigt an (z. B. mittels einer LED), ob
er sich auf das ihm zugeführte
Signal synchronisiert hat. Ist dies der Fall, vergleicht daraufhin
ein Synchronisationsüberwachungsrelais
die Außenleiter
L1 und L2 des Normalnetzes mit den Außenleitern L1 und L2 des Wechselrichters 14.
Sind diese synchron, wird ein Kontakt geschlossen und ein Signal
an die Steuerung ausgegeben. Diese Synchronmeldung sowie die Schalterstellanzeige
für das Normalnetz
werden am Bedientableau 10 angezeigt. Sind das Normalnetz
und das Notnetz über
eine eingestellte Zeit synchron, werden beide Netze für kurze Zeit
aufeinander geschaltet (Netzschütz 24 und Wechselrichterschütz 26 sind
zugeschaltet), bevor das Wechselrichterschütz 26 abgeschaltet
wird, so daß ein
unterbrechungsfreier, synchroner Übergang gewährleistet ist. Die Verbraucher
werden nun wieder mit Spannung aus dem Normalnetz versorgt.
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Nach
der Rückschaltung
laufen die Brennstoffzelle 12 und der Wechselrichter 14 noch
eine bestimmte Zeit synchron zum Normalnetz, bis sie stillgelegt
werden. Die Notstromversorgungsanlage befindet sich nun wieder im Überwachungsbetrieb.
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In
der Betriebsart Gesperrt sind der Anlauf, sowie alle Schalthandlungen
der Automatikfunktion und des angeschlossenen Leitsystems gesperrt.
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Im
Handbetrieb kann die Notstromversorgungsanlage manuell in Betrieb
genommen werden. Die Notstromversorgungsanlage schaltet in dieser Betriebsart
nicht automatisch entsprechend dem Programmablauf in der Steuerung,
sondern der Bediener ist in der Lage, jeden Schritt einzeln am Bedientableau 10 zu
steuern. So hat der Bediener die Möglichkeit, die Brennstoffzelle 12 und
den Wechselrichter 14 mit Stellschaltern 34 und 36 an-
und auszuschalten. Aus Sicherheitsgründen hat die Brennstoffzelle 12 die
gleiche Warmlaufzeit wie im Automatikbetrieb, und die Steuerung
sorgt dafür,
daß das
Zuschalten des Gleichspannungsschützes 32 erst nach dieser
Zeit möglich
ist.
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Im
Handbetrieb ist kein netzsynchrones Schalten möglich. Die Schalter 38 und 40 für das Netzschütz 24 bzw.
das Wechselrichterschütz 26 sind
gegeneinander verriegelt, d. h. beide Schalter 38, 40 müssen auf „AUS” stehen,
damit einer der Schalter eingeschaltet werden kann. Auf diese Weise wird
verhindert, daß die
beiden Netze asynchron aufeinander geschaltet werden und ein möglicher
Schaden für
die Verbraucher entsteht.
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Nachfolgend
wird nochmals auf die Synchronisation eingegangen, die vor der Rückschaltung vom
Notnetz auf das wiedergekehrte Normalnetz erfolgt. Die Nulldurchgangserfassungseinheit
in Form der Zero-Crossing-Platine ist eine Spezialentwicklung, also
keine Standardkomponente. Aufgrund der gezielten Beeinflussung des
Wechselrichters 14 durch das Signal der Nulldurchgangserfassungseinheit
kann der Wechselrichter 14 sehr schnell synchronisieren.
Hierfür
ist ein Mikrocontroller des Wechselrichters 14 so programmiert,
daß er
sich auf ein externes Signal synchronisiert. Die Notstromversorgungsanlage
kann somit in beliebigen Wechselstromnetzen (z. B. in den USA) eingesetzt
werden, da sich der Wechselrichter 14 allgemein auf das
gelieferte Signal der Nulldurchgangserfassungseinheit synchronisiert.
Diejenigen Komponenten der Steuerung (einschließlich des Mikrocontrollers
des Wechselrichters), die die oben beschriebene lastsynchrone Rückschaltung
ermöglichen,
werden als Synchronisationseinrichtung bezeichnet.
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Zum
besseren Verständnis
ist in 2 die Ausgabe des Synchronisationssignals dargestellt. Man
erkennt, daß bei
einem Nulldurchgang von der negativen zur positiven Halbwelle der
Kennlinie A bei der Kennlinie B eine negative Flanke geliefert wird.
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Das
in 1 dargestellte Bedientableau 10 mit diversen
Schaltern und optischen Anzeigen gibt neben Schalterstellungen,
Drücken,
Störungen,
Betriebsgrößen und
-meldungen – wie
bereits erwähnt – auch das
grundlegende Schaltbild der integrierten Notstromversorgungsanlage
an. Nachfolgend werden einige wichtige Schalter und Anzeigen des
Bedientableaus 10 kurz erläutert.
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Schalterstellanzeigen
für die
mittels der Schütze 24, 26 und 32 geschalteten
oder unterbrochenen Leitungen sind im ausgeschalteten Zustand grün und im
eingeschalteten Zustand rot.
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Die
Schalter 38 und 40 stehen nur im Handbetrieb zu
Verfügung.
Mit ihrer Hilfe können
Netz- und Wechselrichterschütz 24 bzw. 26 manuell
geschaltet werden. Da die Schalter 38, 40 im Handbetrieb
gegeneinander verriegelt sind, leuchtet eine Lampe in der Mitte
der Schalter, wenn diese betätigt werden
können.
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Blaue
LEDs 42 zeigen an, daß der
Eingangsdruck am Wasserstoffversorgungsmodul 18 ausreichend
ist.
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Eine
LED 43 im Wasserstoffversorgungsmodul 18 zeigt
den Zustand des Wasserstoffhauptventils. Leuchtet die LED rot, ist
das Ventil geschlossen, leuchtet sie grün, ist das Ventil durchgeschaltet
und versorgt die Brennstoffzelle 12 mit Wasserstoff.
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Ein
Anzeigetableau 44 zeigt Status- und Störmeldungen an. Statusmeldungen
sind insbesondere:
- – Normalnetz vorhanden;
- – Normalnetz
und Notnetz synchron;
- – Wechselrichter
in Betrieb;
- – Brennstoffzelle
in Betrieb.
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Störmeldungen
sind insbesondere:
- – Normalnetz fehlt;
- – Synchronisation
gestört;
- – Wechselrichter
gestört;
- – Brennstoffzelle
gestört;
- – Ladegräte gestört;
- – Notaus.
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Die
LEDs 46 zeigen an, daß der
Lufteingangsdruck der Brennstoffzelle 12 vorhanden ist.
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Rote
LEDs 48 zeigen an, daß die
Brennstoffzellenspannung am Wechselrichter anliegt.
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Ein
Multifunktionsanzeigegerät 50 zeigt
die Spannungen und Ströme
am Ausgang der Notstromversorgungsanlage an.
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Die
Grundfunktionen der Steuerung sind in den 3, 4 und 5 in
einem einfachen Schema bzw. einfachen Ablaufplänen dargestellt. Das Programm,
das im Steuergerät 28 der
Steuerung abläuft,
besteht aus mehreren Funktionsbausteinen für Schütze und Betriebsarten. Außerdem besteht
es aus Hilfsfunktionsbausteinen, wie zum Beispiel einem frei einstellbaren
Blinker, einem Richtimpuls und einem Temperaturbaustein. 3 zeigt
die wichtigsten Steuer- und Überwachungsfunktionen. 4 und 5 stellen
den Normalnetzausfall bzw. die Rückschaltung
vom Notnetz auf das Normalnetz dar.
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Da
der Aufbau der Notstromversorgungsanlage mit der erfindungsgemäß vorgesehenen
Synchronisationseinrichtung nicht nur eine lastsynchrone Rückschaltung,
sondern auch eine lastsynchrone „Hinschaltung” (vom Normalnetz
auf das Notnetz) ermöglicht,
hat die Notstromversorgungsanlage den Vorteil, daß Testläufe und
Wartungsarbeiten durchgeführt
werden können,
ohne daß die
Verbraucher davon beeinflußt
werden.