DE102012024791B4

DE102012024791B4 - Dezentraler Stromerzeuger und Inselnetz

Info

Publication number: DE102012024791B4
Application number: DE102012024791.5A
Authority: DE
Inventors: Harald von Waitz
Original assignee: POLYMA ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: POLYMA ENERGIESYSTEME GmbH
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: DE102012024791A1

Abstract

Dezentraler Stromerzeuger (1) zur wahlweisen Einspeisung elektrischer Leistung in ein externes Stromnetz (4) oder in ein vom externen Stromnetz (4) abgekoppeltes und elektrische Verbraucher (V1, V2) sowie wenigstens einen Sekundärstromerzeuger (2a, 2b) aufweisendes Inselnetz (3), wobei- der Stromerzeuger (1) dazu eingerichtet ist, in einem nur das Inselnetz (3) mit Strom versorgenden Inselbetriebsmodus die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms vorzugeben,- der Stromerzeuger (1) Mittel (P) zur Ermittlung der an ihm anliegenden Netzlast aufweist und dazu eingerichtet ist, im Inselbetriebsmodus stets eine Mindestprimärleistung in das Inselnetz (3) einzuspeisen und die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms in Abhängigkeit von der Netzlast zu steuern, und- der Sekundärstromerzeuger (2a, 2b) dazu eingerichtet ist zusätzlich elektrische Sekundärleistung in das Inselnetz (3) einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (1) ferner Mittel (C1) zur Ermittlung der Sekundärleistung aufweist, welche dazu eingerichtet sind, den Gradienten, mit dem sich die an dem Stromerzeuger (1) anliegende Netzlast im Verhältnis zur Frequenz des vom Stromerzeuger (1) erzeugten Stroms ändert, zu erfassen und aus diesem Gradienten die Sekundärleistung zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft einen dezentralen Stromerzeuger zur wahlweisen Einspeisung elektrischer Leistung in ein externes Stromnetz oder in ein vom externen Stromnetz abgekoppeltes und elektrische Verbraucher sowie wenigstens einen Sekundärstromerzeuger aufweisendes Inselnetz, wobei der Stromerzeuger dazu eingerichtet ist, in einem nur das Inselnetz mit Strom versorgenden Inselbetriebsmodus die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms vorzugeben, wobei der Stromerzeuger Mittel zur Ermittlung der an ihm anliegenden Netzlast aufweist und dazu eingerichtet ist, im Inselbetriebsmodus stets eine Mindestprimärleistung in das Inselnetz einzuspeisen und die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms in Abhängigkeit von der Netzlast zu steuern, und wobei der Sekundärstromerzeuger dazu eingerichtet ist zusätzlich elektrische Sekundärleistung in das Inselnetz einzuspeisen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Inselnetz umfassend einen vorstehend genannten dezentralen Stromerzeuger, wenigstens einen elektrischen Verbraucher und wenigstens einen zusätzlich elektrische Sekundärleistung in das Inselnetz einspeisenden Sekundärstromerzeuger.
Dezentrale Stromerzeuger im Allgemeinen sind aus dem Stand der Technik, z.B. aus der DE 10 2010 052 331 A1 , bereits hinlänglich bekannt und werden beispielweise benötigt, wenn zur Durchführung von Wartungs- oder Reparaturarbeiten an Ortsnetzstationen und Mittelspannungsstrecken diese stromlos geschalten werden müssen und damit ein elektrische Verbraucher aufweisender Bereich vom externen (400V) Stromnetz getrennt werden muss. Der Stromerzeuger dient dann zur (Not-)Stromversorgung des von der Netzabschaltung betroffenen Bereichs, der somit ein durch den dezentralen Stromerzeuger mit Strom versorgtes Inselnetz bildet. Der vorteilhaft mobile Stromerzeuger ist also vorteilhaft zum Anschluss an ein wenigstens einen elektrischen Verbraucher aufweisendes lokales Stromnetz (Inselnetz) vorgesehen, welches seinerseits über eine Netzstation mit einem externen Strom- bzw. Versorgungsnetz verbunden bzw. manuell von diesem trennbar ist.
Derartige dezentrale Stromerzeuger werden im Stand der Technik zumeist mit fossilem Brennstoff, z.B. Diesel, Benzin, Gas oder Heizöl, betrieben und weisen hierzu in der Regel einen Verbrennungskraftmotor auf, welcher einen elektrischen Generator antreibt. Denkbar ist jedoch auch eine Verwendung von Stromerzeugern, die alternative Treibstoffe verwenden oder die notwendige elektrische Leistung ihrerseits aus einem Stromspeicher beziehen.
Ein dezentraler Stromerzeuger gattungsgemäßer Art ist dazu eingerichtet, die von ihm erzeugte elektrische Leistung in einem Parallelbetriebsmodus in das externe Stromnetz bzw. in das mit dem externen Stromnetz verbundene Inselnetz einzuspeisen oder in einem Inselbetriebsmodus ausschließlich das lokale, vom externen Stromnetz getrennte Inselnetz mit Strom zu versorgen. Im Parallelbetrieb synchronisiert der Stromerzeuger die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms mit der von dem externen Stromnetz vorgegeben Netzfrequenz, während er im Inselbetriebsmodus selbsttätig die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms vorgibt.
Eine besondere Herausforderung stellt in diesem Zusammenhang die Vorgehensweise bei der Trennung des lokalen Stromnetzes bzw. Inselnetzes von dem externen Stromnetz (im Folgenden: Netztrennung) dar, da hier eine unterbrechungsfreie Versorgung der Verbraucher des Inselnetzes sowie ein Wechsel der Betriebsart des dezentralen Stromerzeugers erfolgen muss.
Im Stand der Technik wird der dezentrale Stromerzeuger hierzu mit dem Inselnetz verbunden und gestartet, und zwar noch während das externe Strom- bzw. Versorgungsnetz mit dem Inselnetz verbunden ist und in dieses Leistung einspeist. Um zu verhindern, dass der dezentrale Stromerzeuger bei der Netztrennung einen zu großen Lastsprung auffangen muss, was die kontinuierliche Stromversorgung des Inselnetzes gefährden würde, wird der dezentrale Stromerzeuger zunächst so eingestellt, dass er im Parallelbetrieb leistungsgeführt elektrische Leistung in das Inselnetz einspeist und zwar in Höhe der (vermutlichen) Verbraucherlast. Die Verbraucherlast kann dabei z.B. durch die an der Ortsnetzstation abgelesene Stromstärke abgeschätzt werden.
Um Instabilitäten in der Stromversorgung zu vermeiden, muss möglichst unmittelbar nach erfolgter Netztrennung die Leistungsführung des dezentralen Stromerzeugers auf eine im Inselbetriebsmodus erfolgende Frequenz- und Spannungsregelung umgestellt werden. Die DE 10 2010 052 331 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang einen besonders vorteilhaften Mechanismus, mit dem bei Netztrennung eine automatische Umschaltung zwischen dem Parallelbetriebsmodus und dem Inselbetriebsmodus herbeigeführt werden kann.
Als problematisch für die Netztrennung erweist sich jedoch, dass lokale Stromnetze bzw. Inselnetze, die im Bedarfsfall mittels eines dezentralen Stromerzeugers der eingangs genannten Art mit Strom versorgt werden sollen, heutzutage häufig auch wenigstens einen oder gar eine Mehrzahl von weiteren, insbesondere regenerativen (Sekundär-)Stromerzeugern, z.B. Strom erzeugende Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, aufweisen. Die hierdurch zusätzlich in das Inselnetz eingespeiste elektrische Leistung kann - je nach Verhältnis der im Inselnetz erzeugten zur darin abgenommenen Leistung - nach erfolgter Netztrennung gegebenenfalls zu Rücklast und in dessen Folge zu einer instabilen Versorgung des Inselnetzes führen. Ferner erweist sich die von regenerativen (Sekundär-) Stromerzeugern eingespeiste Leistung als in hohem Maße schwankungsanfällig, da diese stark von externen Faktoren abhängig ist (Windgeschwindigkeit, Intensität der Sonneneinstrahlung, etc).
Zu beachten ist insoweit, dass regenerative Stromerzeuger grundsätzlich in einem Parallelbetriebsmodus arbeiten, d.h. dass sie die Frequenz des von ihnen erzeugten Stroms zu Einspeisezwecken mit der (extern vorgegeben) Netzfrequenz synchronisieren. Um die Betreiber des externen Stromnetzes vor unerwünschter Rücklast durch die mittlerweile weit verbreiteten (regenerativen) Stromerzeuger zu schützen, war nach einer früheren Version der hierfür einschlägigen Normen (z.B. der VDE-AR-N 5104, nachfolgend: VDE-Norm) vorgesehen, dass solch lokale Stromerzeuger über die Netzfrequenz in gewissem Umfang gesteuert werden können. Lokale Stromerzeuger mussten dabei bei Netzfrequenzen von oberhalb 50,2 Hz selbsttätig und sofort abschalten, womit den Betreibern des externen Stromnetzes die Möglichkeit geschaffen wurde, unter Vorgabe einer entsprechend hohen Netzfrequenz die durch die lokalen Stromerzeuger in deren Parallelbetrieb zusätzlich in das externe Netz eingespeiste Energie bedarfsabhängig abzuschalten. Eine neue Fassung der hierfür maßgeblichen Norm (VDE-AR-N 5104) sieht nun vor, dass dezentrale Stromerzeuger bei 50,2 Hz nicht mehr vollständig abschalten müssen, sondern dass diese ihre Einspeiseleistung ab einer Netzfrequenz von 50,2 Hz mit einem Leistungsgradienten von 40% pro Hz steigender Frequenz (mit Bezug auf die von ihnen zuletzt erzeugte elektrische Leistung) reduzieren und erst bei einer Netzfrequenz von 51,5 Hz vollständig abschalten müssen, was den Betreibern des externen Stromnetzes mehr Flexibilität zur Herstellung der Netzsicherheit gibt.
Im Rahmen der Versorgung eines vom externen Stromnetz abgekoppelten Inselnetzes mittels eines dezentralen Stromversorgers wurde die sich aus der möglichen Existenz von weiteren (regenerativen) Sekundärstromerzeugern ergebende Problematik in der Praxis bisher wie folgt gehandhabt:

Zur Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung wurden unter Vorgabe einer geeignet hohen Frequenz durch den dezentralen Stromerzeuger sämtliche Sekundärstromerzeuger abgeschaltet, so dass das Inselnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher ausschließlich von dem dezentralen Stromerzeuger mit elektrischer Energie versorgt werden, wodurch eine stabile Stromversorgung des Inselnetzes auf besonders einfache Weise gewährleistet werden konnte.

Beim Betrieb eines Inselnetzes mit einem (z.B. mit fossilem Brennstoff angetriebenen) dezentralen Stromerzeuger der eingangs genannten Art besteht jedoch sowohl aus finanziellen als auch aus ökologischen Gründen das Bedürfnis, einen Anteil der Verbraucherlast durch ggfs. bereits im Inselnetz vorhandene regenerative Stromerzeuger bereitzustellen, wobei insoweit von Bedeutung ist, dass in der Regel nicht bekannt ist, ob und, falls ja, wie viele Sekundärstromerzeuger mit welcher Leistung in dem betreffenden Inselnetz vorhanden sind. Diese Problematik ergibt sich daraus, dass es bei den für die vorliegende Erfindung relevanten Anwendungsfällen außer den Leistungskabeln zum (Insel-)Netz in der Regel keine sonstige informative Verbindung (Leistungsdaten, Schaltzustände, etc.) zu den Elementen des externen Stromnetzes oder des Inselnetzes gibt
Selbstverständlich sind aus dem Stand der Technik, z.B. aus der DE 41 32 274 A1 bereits Inselnetze bekannt, bei denen regenerative und fossile Energiewandler zur Versorgung der elektrischen Verbraucher des Inselnetzes zusammenwirken. So beschreibt die DE 41 32 274 A1 ein Inselnetz, welches im Wesentlichen von regenerativen Energiewandlern betrieben wird, die in der Reihenfolge ihrer Wirtschaftlichkeit ausgelastet werden, wobei das System aus Gründen der Betriebssicherheit ggfs. ein zusätzlich mitlaufendes Dieselaggregat aufweisen kann. Solange der wirtschaftlichste regenerative Energiewandler die durch die Verbraucher abgeforderte Leistung zur Verfügung stellen kann, füllen die restlichen regenerativen Energiewandler einen ihm zugeordneten Energiespeicher auf. Steigt der Leistungsbedarf der Verbraucher im Inselnetz, so können zunächst weitere der regenerativen Energiewandler und - falls diese den Leistungsbedarf allein nicht decken können - auch der Diesel-Stromerzeuger sowie der zuvor gefüllte Speicher zur Einspeisung elektrischer Leistung in das Inselnetz herangezogen werden.
Ein solches System bedarf jedoch speziell verschalteter regenerativer Energiewandler und entsprechender Stromspeicher und enthält somit keinen Hinweis dahingehend, wie ein dezentraler Stromerzeuger zur Versorgung eines in seiner tatsächlichen Ausgestaltung unbekannten Inselnetzes vorteilhaft ausgestaltet werden könnte, damit er - sofern in dem Inselnetz, das er betreiben soll, weitere (regenerative) Sekundärstromerzeuger vorhanden sind - eine zumindest teilweise Energieerzeugung durch die Sekundärstromerzeuger zulässt.
Das Dokument US 2008 / 0 034 256 A1 offenbart einen gattungsgemäßen dezentralen Stromerzeuger (vgl. diesel engine) zur wahlweisen Einspeisung elektrischer Leistung in ein externes Stromnetz (vgl. [0058] „normal mode“) oder in ein vom externen Stromnetz abgekoppeltes und elektrische Verbraucher sowie wenigstens einen Sekundärstromerzeuger (vgl. FlyWheel FW355) aufweisendes Inselnetz (vgl. [0060] „Diesel Mode“; [0061] „Mixed Mode“; [0064] „Island Mode“), wobei der Stromerzeuger dazu eingerichtet ist, in einem nur das Inselnetz mit Strom versorgenden Inselbetriebsmodus die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms vorzugeben (vgl. [0060], [0061], [0067], [0068]), wobei der Stromerzeuger Mittel zur Ermittlung der an ihm anliegenden Netzlast aufweist und dazu eingerichtet ist, im Inselbetriebsmodus stets eine Mindestprimärleistung in das Inselnetz einzuspeisen und die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms in Abhängigkeit von der Netzlast zu steuern (vgl. [0060], [0061], [0067], [0068]).
Ebenfalls relevant in diesem Zusammenhang sind die Dokumente BÖMER, J. [u.a.]: Auswirkungen eines hohen Anteils dezentraler Erzeugungsanlagen auf die Netzstabilität bei Übergangsfrequenz & Entwicklung von Lösungsvorschlägen zu deren Überwindung Langfassung - Ecofys, IFK September 2011, DE 41 32 274 A1 , WO 95/ 13 646 A1 sowie US 5 596 492 A .
In Anbetracht des vorstehend erläuterten Stands der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen möglichst einfach aufgebauten dezentralen Stromerzeuger der eingangs genannten Art mit verbesserter Praxistauglichkeit bereitzustellen, mit dem auf besonders einfache Weise, ohne dass es hierfür zusätzlicher Maßnahmen bedarf, ein Inselnetz versorgt werden kann, und zwar derart, dass unter Gewährung eines stets sicheren Betriebszustands auch eine gleichzeitige Einspeisung von Sekundärleistung durch (regenerative) Sekundärstromerzeuger zugelassen werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen dezentralen Stromerzeuger nach Anspruch 1.
Der erfindungsgemäße dezentrale Stromerzeuger zeichnet sich neben den eingangs genannten Merkmalen dadurch aus, dass er Mittel zur Ermittlung der Sekundärleistung aufweist, welche dazu eingerichtet sind, den Gradienten, mit dem sich die an dem Stromerzeuger anliegende Netzlast im Verhältnis zur Frequenz des vom Stromerzeuger erzeugten Stroms ändert, zu erfassen und aus diesem Gradienten die Sekundärleistung zu ermitteln. Dies setzt selbstverständlich voraus, dass insoweit bekannt ist, in welchem Maße die in dem Inselnetz angeschlossenen
Sekundärstromerzeuger auf eine vorgegebene Frequenzänderung reagieren. Da hierfür jedoch vorgegebene Normen existieren, kann die verfügbare Sekundärleistung unter Auswertung des normgemäßen Regelungsverhaltens ermittelt werden. So kann z.B. zunächst bei zwei bei verschiedenen Stromfrequenzen erfolgenden Messungen im Frequenzbereich zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz ermittelt werden, welche Netzlast dort jeweils am dezentralen Stromerzeuger anliegt.
Unter Berücksichtigung der laut neuer VDE-Norm vorgegeben Regel, wonach im Parallelbetrieb arbeitende Stromerzeuger ihre in das Stromnetz eingespeiste Leistung in diesem Bereich - ausgehend von 100% bei 50,2 Hz - um 40% pro Herz steigender Frequenz ändern müssen, kann somit aus der ermittelten Differenz in der Netzlast (=Verbraucherlast minus erzeugter Sekundärleistung) und unter Annahme einer konstanten Verbraucherlast ermittelt werden, wie hoch die von nach neuer VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeugern eingespeiste bzw. (unter den momentanen Bedingungen) einspeisbare elektrische Leistung ist. Ferner kann durch ein anschließendes Unterschreiten der Frequenz von 50,2 Hz (ab der alle nach neuer und alter VDE-Norm geregelten Stromerzeuger die Einspeisung von elektrischer Leistung vollständig einstellen) ermittelt werden, wie hoch die von nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeugern eingespeiste bzw. (unter den aktuellen Bedingungen) einspeisbare Leistung ist, womit eine exakte Bestimmung der von allen Sekundärstromerzeugern erbrachten Leistung möglich ist, jedenfalls soweit diese nach der (neuen und/oder alten) VDE-Norm geregelt sind. Der erfindungsgemäße Stromerzeuger kann somit durch gezielte - netzlastabhängige - Veränderung der Frequenz des von ihm erzeugten Stroms die durch wenigstens einen Sekundärstromerzeuger in das Inselnetz eingespeiste Sekundärleistung in Abhängigkeit von der Netzlast steuern.
Das dezentrale Stromaggregat weist Mittel zur Ermittlung der an ihm anliegenden Netzlast auf. Als hierfür geeignete Mittel kommen zum Beispiel aus dem Stand der Technik bekannte Geräte zur Messung von elektrischer Leistung in Frage, aber auch Geräte zur Messung von Strom und Spannung, mit denen sich die von dem dezentralen Stromerzeuger abgegebene Leistung ermitteln und ein die gemessene bzw. ermittelte Leistung repräsentierendes Signal dem dezentralen Stromerzeuger zu dessen Steuerung zuführen lässt.
Die Netzlast setzt sich nach Netztrennung aus der von dem wenigstens einen Verbraucher in dem Inselnetz abgenommenen Leistung (Verbraucherlast) abzüglich der durch den wenigstens einen Sekundärstromerzeuger in das Inselnetz eingespeisten Sekundärleistung zusammen.
Der dezentrale Stromerzeuger ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, über die Frequenz des durch ihn in das Inselnetz eingespeisten Stromes die durch den wenigstens einen Sekundärstromerzeuger eingespeiste Sekundärleistung in Abhängigkeit von der Netzlast zu steuern. Dies setzt selbstverständlich voraus, was jedoch durch die gängigen Normen gewährleistet ist, dass der wenigstens eine Sekundärstromerzeuger dazu eingerichtet ist, auf eine bestimmte Frequenzänderung des von dem dezentralen Stromerzeuger im Inselnetz vorgegebenen Stroms mit einer entsprechenden Änderung bzw. Unterbrechung seiner in das Inselnetz abgegebenen Leistung zu reagieren.
Durch die erfindungsgemäße Vorgabe der Stromfrequenz in Abhängigkeit von der Netzlast kann die Gefahr einer durch etwaige Sekundärstromerzeuger erzeugten Rücklast für den dezentralen Stromerzeuger im Inselbetriebsmodus einfach und zuverlässig vermieden werden. Sobald die am Stromerzeuger anliegende Netzlast für einen stabilen Netzbetrieb zu niedrig wird, kann dieser die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms zum Zwecke der Reduzierung oder vollkommenen Abschaltung der von Sekundärstromerzeugern eingespeisten Leistung variieren, insbesondere erhöhen.
Durch die erfindungsgemäß verlangte Einspeisung einer Mindestprimärleistung durch den erfindungsgemäßen Stromerzeuger in das Inselnetz kann eine sichere Versorgung des Inselnetzes, auch bei schwankender Einspeisung von elektrischer Leistung durch sekundäre Stromerzeuger gewährleistet werden.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der dezentrale Stromerzeuger dazu eingerichtet ist, beim Umschalten in den Inselbetriebsmodus zunächst eine bestimmte Referenzfrequenz für den von ihm erzeugten Strom vorzugeben. Dabei kann die Referenzfrequenz derart gewählt werden, dass durch den wenigstens einen Sekundärstromerzeuger nur eine reduzierte oder auch gar keine Sekundärleistung in das Inselnetz eingespeist wird.
Auf diese Weise kann beim Umschalten in den Inselbetriebsmodus eine anderenfalls mögliche Entstehung von Rücklast weitgehend oder vollständig vermieden werden. Der dezentrale Stromerzeuger speist in diesem Fall vorteilhaft einen relativ großen Anteil der Verbraucherlast bzw. die gesamte Verbraucherlast (bei vollständig unterbundener Einspeisung von Sekundärleistung) in das Inselnetz ein, womit auf besonders einfache und effektive Weise sichergestellt werden kann, dass der dezentrale Stromerzeuger beim Umschalten in den Inselbetriebsmodus die vorgegebene Mindestprimärleistung in das Inselnetz einspeist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann dann vorgesehen sein, dass die vorgenannte Referenzfrequenz knapp unterhalb einer Ausschaltfrequenz liegt, bei welcher normgemäß geregelte Sekundärstromerzeuger die Einspeisung von elektrischer Leistung einstellen, wobei die Regelfrequenz unter Berücksichtigung der aktuellen VDE-Norm hierfür vorteilhaft größer als 51 Hz und kleiner als 51,5 Hz ist.
Weist die Referenzfrequenz eine Frequenz in dem genannten Bereich auf, so ist die Abgabe von Sekundärleistung in das Inselnetz beim Umschalten in den Inselbetriebsmodus besonders effektiv gedrosselt bzw. sogar vollständig unterbunden, da regenerative Stromerzeuger in der Regel dazu eingerichtet sind, ihre Einspeiseleistung bei Stromfrequenzen in diesem Bereich entweder auf Null zu fahren (gemäß vormals geltender Norm) bzw. bereits deutlich zu drosseln (gemäß aktueller Norm).
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang weiterhin vorgesehen, dass die Referenzfrequenz einen Wert von ca. 51,4 Hz aufweist. Bei Wahl dieser Referenzfrequenz, die knapp unterhalb der Ausschaltfrequenz von nach neuer NDE-Norm geregelten (regenerativen) (Sekundär-)Stromerzeugern liegt, kann erreicht werden, dass die gemäß der vormals geltenden VDE-Norm steuerbaren Sekundärstromerzeuger nach erfolgter Netztrennung zunächst keine Sekundärleistung in das Inselnetz einspeisen, während die gemäß der aktuellen VDE-Norm steuerbaren Sekundärstromerzeuger zwar noch Leistung in das Inselnetz einspeisen, dies jedoch mit bereits deutlich verringerter Leistung.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vom dezentralen Stromerzeuger einzuspeisende Mindestprimärleistung so gewählt ist, dass im Inselbetriebsmodus stets sowohl ein vorgegebener Mindestanteil der Netzlast durch den Stromerzeuger erzeugt wird als auch stets eine (als Absolutwert) vorgegebene Mindestlast des Stromerzeugers überschritten ist.
Dezentrale Stromerzeuger, z.B. mit fossilem Brennstoff betriebene Stromaggregate, weisen - in Abhängigkeit ihres Leistungsspektrums - eine gerätespezifische Mindestlast auf, die stets überschritten sein muss, um einen stabilen Betrieb des Stromerzeugers zu gewährleisten. Durch die weiterhin stets erfolgende Bereitstellung eines Mindestanteils an der Netzlast kann - bei geeignet hoher Festlegung des Mindestanteils - die Gefahr verringert werden, dass die Netzlast unter die Mindestlast des Stromerzeugers fällt. Weiterhin wird hierdurch insbesondere deshalb ein Beitrag zum stabilen Betrieb des Inselnetzes geleistet, da die durch den dezentralen Stromerzeuger in das Inselnetz eingespeiste Leistung besonders stabil und gut steuerbar ist. Wird der Mindestanteil relativ hoch gewählt, so wirken sich Schwankungen in der Höhe der eingespeisten Sekundärleistung - verursacht beispielsweise durch Schwankungen der Sonneneinstrahlung oder Windstärke im Falle des Einsatzes von Solar- oder Windkraftanlagen als Sekundärstromerzeuger - weniger kritisch auf die Versorgung des Inselnetzes mit elektrischer Leistung aus und der dezentrale Stromerzeuger ist keinen hohen Lastsprüngen unterworfen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Steuerung der Frequenz des durch den Stromerzeuger erzeugten Stroms mittels einer in einer Steuereinheit des Stromerzeugers hinterlegten Regelkurve erfolgt. Der dezentrale Stromerzeuger verändert die Frequenz des von ihm in das Inselnetz erzeugten Stroms damit in besonders einfach zu realisierender Weise in Abhängigkeit von der ermittelten Netzlast unter Berücksichtigung der hierfür vorgegebenen Regelkurve, wobei die Netzlast der am dezentralen Stromerzeuger abgerufenen elektrischen Leistung entspricht. Vorteilhafte 2-Punkt-, 3-Punkt- und sonstige Mehr-Punkt-Regelkurven, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können, sind weiter unten noch näher erläutert.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Steuereinheit des Stromerzeugers mit dem Internet oder einem Intranet verbindbar ist, wodurch ein Datenaustausch zwischen der Steuereinheit des Stromerzeugers und anderen kompatiblen Geräten möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromerzeuger bei der Vorgabe der Frequenz des von ihm erzeugten Stroms auch Sonnenaufgangs- und/oder Sonnenuntergangszeiten repräsentierende Daten und/oder das aktuelle oder erwartete Wetter repräsentierende Daten und/oder Daten zum Aufstellort des Stromerzeugers berücksichtigt.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn wenigstens ein am Inselnetz angeschlossener Sekundärstromerzeuger ein regenerativer Energiewandler ist, da besagte Daten dann dafür genutzt werden können, etwaige Änderungen in der erzeugten Sekundärleistung vorauszusagen und somit die Frequenzsteuerung des Stromerzeugers darauf anzupassen. So kann z.B. durch Berücksichtigung der Sonnenauf- bzw. Sonnenuntergangszeit und/oder durch Berücksichtigung von über das Inselnetz ziehenden Wolken auf eine zu einem bestimmten Zeitpunkt eintretende Änderung der photovoltaisch erzeugten Sekundärleistung geschlossen werden, was bei der Vorgabe der Netzfrequenz und des dementsprechend zugelassenen Anteils an Sekundärleistung zur Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ergänzend Berücksichtigung finden kann. Gleichermaßen können Daten über die aktuelle bzw. die erwartete Windgeschwindigkeit eine Aussage über die von Windkraftanlagen in das Inselnetz eingespeiste Sekundärleistung erlauben, was dann ebenfalls bei der Vorgabe der Frequenz des vom dezentralen Stromerzeuger erzeugten Stroms entsprechende Berücksichtigung finden kann. Geeignete Daten über den Aufstellort des Geräts können z.B. mittels eines in den Stromerzeuger integrierten GPS-Moduls bestimmt werden, und - gemeinsam mit Wetterdaten, Daten zur Sonneneinstrahlung etc. - für die Einstellung eines stets optimalen Betriebspunktes für den Stromerzeuger genutzt werden, der dabei künftige Veränderungen der Sekundärleistung antizipiert.
Insbesondere wenn der dezentrale Stromerzeuger eine vorstehend erwähnte Steuereinheit mit Verbindung zu einem Internet bzw. Intranet aufweist, lassen sich die vorgenannten Daten besonders einfach austauschen bzw. ermitteln, synchronisieren und/oder aktualisieren.
Neben einem vorstehend beschriebenen dezentralen Stromerzeuger betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Inselnetz mit einem solchen Stromerzeuger, wenigstens einem elektrischen Verbraucher und wenigstens einem zusätzlich elektrische Sekundärleistung in das Inselnetz einspeisenden Sekundärstromerzeuger, wobei der wenigstens eine Sekundärstromerzeuger so geregelt ist, dass die von ihm abgegebene elektrische Leistung von der Frequenz des im Inselnetz fließenden Stroms abhängig ist.
Es versteht sich, dass alle vorstehend genannten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen (dezentralen) Stromerzeugers gleichermaßen für ein erfindungsgemäßes Inselnetz gelten.
Der Umstand, dass der wenigstens eine Sekundärstromerzeuger die von ihm abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz des im Inselnetz fließenden Stroms regelt, stellt sicher, dass der dezentrale Stromerzeuger durch aktive Vorgabe der Stromfrequenz (in Abhängigkeit von der an ihm anliegenden Netzlast) Einfluss auf die Höhe der von Sekundärstromerzeugern eingespeisten Sekundärleistung nehmen kann, wobei die Sekundärstromerzeuger vorteilhaft nach der (neuen oder alten) VDE-Norm geregelt sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Inselnetzes ist vorgesehen, dass dieses an ein externes Versorgungsnetz anschließbar und von diesem, trennbar ist. Hierdurch ist sowohl eine Eigenversorgung des Inselnetzes mit elektrischer Leistung durch den dezentralen Stromerzeuger und den wenigstens einen dezentralen Sekundärstromerzeuger möglich, als auch eine Fremdversorgung mit elektrischer Leistung durch ein externes Stromnetz. Selbstverständlich sollte bzw. muss der dezentrale Stromerzeuger bei angebundenem externen Stromnetz in einem Parallelbetrieb arbeiten, in welchem er die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms an diejenige des externen Stromnetzes anpasst.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inselnetzes bzw. des erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeugers kann vorgesehen sein, dass der dezentrale Stromerzeuger ein mit fossilem Brennstoff (z.B. Gas, Diesel, Benzin, etc) betriebenes Stromaggregat ist. Hiermit ist eine besonders zuverlässige Versorgung des Inselnetzes gewährleistet.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Sekundärstromerzeuger eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage ist. Mit solchen Sekundärstromerzeugern ist ein besonders wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Betrieb des Inselnetzes unter Verwendung regenerativer Energien möglich, wobei durch den erfindungsgemäß vorgesehenen dezentralen Stromerzeuger in besonders einfacher Weise die unterbrechungsfreie und sichere Stromversorgung der im Inselnetz enthaltenen elektrischen Verbraucher sichergestellt ist.
Ein nochmalige Weiterbildung der vorstehend genannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inselnetzes sieht vor, dass ferner ein Helligkeitssensor und/oder ein Windmessgerät vorgesehen sind, die mit einer Steuereinheit des dezentralen Stromerzeugers gekoppelt sind und deren Messdaten bei der Steuerung der Frequenz berücksichtigt werden. Durch den Einsatz eines Helligkeitssensors (bei Solaranlagen) bzw. eines Windmessgeräts (bei Windkraftanlagen) können Änderungen der zur Verfügung stehenden Menge an regenerativen Energien (hier: Licht bzw. Wind) einer Steuereinheit des dezentralen Stromerzeugers zu Steuerungszwecken zugeführt werden, und zwar bevor dies über eine Schwankung der eingespeisten Sekundärleistung und einer entsprechenden Änderung der Netzlast am dezentralen Stromerzeuger ermittelbar ist. Der dezentrale Stromerzeuger kann dadurch besonders gut auf veränderte Netzlasten reagieren.
Und schließlich ist bei einem erfindungsgemäßen Inselnetz vorteilhaft vorgesehen, dass die Sekundärleistung zusätzlich oder alternativ an einen - z.B. in den dezentralen Stromerzeuger integrierten oder mit diesem bzw. dessen Steuereinheit gekoppelten - Energiespeicher abgebbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn im Inselbetriebsmodus der wenigstens eine dezentrale Sekundärstromerzeuger mehr Sekundärleistung erzeugen kann, als von dem wenigstens einen Verbraucher an Leistung von dem Inselnetz abgefordert wird, da dann etwaige Rückleistung durch den Stromspeicher aufgefangen und z.B. zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben werden kann.
Ersichtlich gelten alle vorstehenden erwähnten Aspekte eines erfindungsgemäßen Inselnetzes auch gleichermaßen zur bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeugers.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Inselnetzes enthaltend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeugers,
2 verschiedene Regelkurven, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können und
3 ein Diagramm zur Erläuterung einer vorteilhaften Betriebsweise eines erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeugers.

1 zeigt in einer schematischen Schaltskizze ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeugers 1 und zwei Sekundärstromerzeuger 2a, 2b in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Inselnetzes 3, welches weiterhin zwei elektrische Verbraucher V₁, V₂ umfasst und mit einem externen Stromnetz 4 verbindbar bzw. von diesem trennbar ist.
Der dezentrale Stromerzeuger 1 umfasst einen mit fossilem Brennstoff betriebenen Motor M, einen mit diesem starr gekoppelten Generator G und eine Steuereinheit C₁. Der Generator G wird von dem Motor M angetrieben und ist zur Stromversorgung und Einspeisung elektrischer Leistung in das Inselnetz 3 mit diesem verbunden. Der Generator G umfasst Mittel zur Ermittlung der in das Inselnetz 3 eingespeisten elektrischen Leistung in Form eines Leistungssensors P, welcher die am Generator G anliegende Netzlast misst und der Steuereinheit C₁ über eine Messleitung 5 als Messwert zuführt. In der Steuereinheit C₁ ist vorteilhaft eine der in 2 dargestellten Regelkurven hinterlegt, in welchen den der Steuereinheit C₁ zugeführten Leistungsmesswerten jeweils eine in dem Inselnetz 3 einzustellende Stromfrequenz zugeordnet ist. Aufgrund dieser Zuordnung gibt die Steuereinheit C₁ über eine Steuerleitung 6 dem Motor einen der jeweils einzustellenden Frequenz entsprechenden Drehzahlwert n vor, auf welche sich der Motor M und damit auch der Generator G einstellen. Ferner ist eine Netzstation 7 vorgesehen, die einen manuell betätigbaren Schalter 8 aufweist, mit dem das Inselnetz 3 mit dem externen Stromnetz 4 verbunden bzw. von diesem getrennt werden kann. Die Steuereinheit C₁ kann ferner dazu eingerichtet sein, durch Vergleichsmessungen der Netzlast bei verschiedenen Frequenzen, wie dies weiter oben erläutert wurde, die von den Sekundärstromerzeugern erzeugte Leistung zu ermitteln. Und schließlich ist dem dezentralen Stromerzeuger noch ein Energiespeicher S zugeordnet, der über eine Leitung 13 mit dem Inselnetz verbunden ist und durch die Steuereinheit C1 derart schaltbar ist, dass er z.B. in Momenten, in denen Rücklast im Inselnetz entsteht, diese abnimmt und speichert und die gespeicherte Energie zu geeigneten Zeitpunkten wieder abgibt.
Für den Parallelbetrieb weist der dezentrale Stromerzeuger 1 einen Frequenzsensor F₁ zur Messung der Frequenz des Stromes in dem - je nach Stellung des Schalters 8 ggfs. mit dem externen Stromnetz 4 verbundenen - Inselnetz 3 auf. Die Steuereinheit C₁ ist über eine Steuerleitung 10 mit einer Drossel 9 verbunden, wobei die Drossel 9 dazu eingerichtet ist, im Parallelbetrieb die Einspeisung von Leistung in das externe Netz 4 durch den dezentralen Stromerzeuger 1 zu drosseln bzw. zu unterbrechen. Die Steuereinheit C₁ steuert die Drossel im Parallelbetrieb in Abhängigkeit von den durch den Frequenzsensor F₁ empfangenen Frequenzwerten und gemäß der aktuellen Norm VDE-AR-N 4105, wie dies weiter oben bereits erläutert wurde.
Ein erster sekundärer Stromerzeuger 2a umfasst ein Photovoltaikelement PV. Das Photovoltaikelement PV wandelt Lichtenergie in Gleichstrom und führt diesen über eine Übertragungsleitung 11 einem Wechselrichter 12 zu, welcher den Gleichstrom in Wechselstrom wandelt und in das Inselnetz 3 einspeisen kann. Ein Frequenzsensor F₂ ist mit dem Inselnetz 3 und einer Steuereinheit C₂ des dezentralen Sekundärstromerzeugers 2a verbunden und misst die Frequenz des Stroms im Inselnetz 3. Die Steuereinheit C₂ ist über eine Steuerleitung 14 mit einer Drossel 15 verbunden, wobei die Drossel 15 dazu eingerichtet ist, die Einspeisung von Sekundärleistung durch den Sekundärstromerzeuger 2a zu drosseln und zu unterbrechen. Die Steuerung der Drossel 15 erfolgt durch die Steuereinheit C₂ in Abhängigkeit von den ihr mitgeteilten Werten zur Frequenz des Stroms im Inselnetz 3 und gemäß Vorgabe durch die aktuelle Norm VDE-AR-N 4105, wie weiter oben erläutert.
Der zweite an das Inselnetz 3 angeschlossene sekundäre Stromerzeuger 2b unterschiedet sich von dem sekundären Stromerzeuger 2a dadurch, dass statt einer Drossel 9 ein automatisch betätigbarer Schalter 16 vorgesehen ist. Die Steuereinheit C₃ steuert den Schalter 16 in Abhängigkeit von der mittels des Frequenzsensors F₃ gemessenen Frequenz im Inselnetz 3 gemäß der vormals geltenden Norm VDE-AR-N 4105, so dass bei einer Stromfrequenz von 50,2 Hz oder höher der Schalter 16 geöffnet und damit die Einspeisung von Sekundärleistung unterbrochen wird, während bei Frequenzen unterhalb von 50,2 Hz der Schalter 12 geschlossen bleibt und die gesamte durch das Photovoltaikelement erzeugte Sekundärleistung in das Inselnetz 3 eingespeist wird.
2 zeigt in einem Diagramm drei mögliche Regelkurven für die Steuerung der Frequenz des durch den dezentralen Stromerzeuger 1 in dem Inselnetz 3 erzeugten Stroms in Abhängigkeit von der am Stromerzeuger 1 anliegenden Netzlast, also der durch den dezentralen Stromerzeuger 1 in das Inselnetz 3 einzuspeisenden Leistung, wobei diese vorliegend in prozentualen Werten relativ zur maximal möglichen Einspeiseleistung des Stromerzeugers 1 angegeben ist.
Die Frequenz einer ersten (2-Punkt-)Regelkurve R₁ verläuft mit steigender Netzlast linear abfallend zwischen einem oberhalb von 51,5 Hz liegenden Wert (von im vorliegenden Beispiel 52 Hz) bei Nulllast (0% relative Leistung) am dezentralen Stromerzeuger 1 und einen unterhalb von 50,2 Hz liegenden Wert (von im vorliegenden Beispiel 48 Hz) bei Volllast (100% relative Leistung) am dezentralen Stromerzeuger 1. Der Frequenz von 50,2 Hz, ab der die Einspeisung von Sekundärleistung durch den nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2b unterbrochen und ab der die durch den nach neuer VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2a eingespeiste Sekundärleistung gedrosselt wird, entspricht dabei einer relativen Netzlast von ca. 45%. Liegt die Netzlast am Stromerzeuger unterhalb dieses Leistungswertes erfolgt die Vorgabe einer oberhalb von 50,2 Hz liegenden Stromfrequenz und somit eine Drosselung bzw. Unterbrechung der jeweiligen Sekundärleistungen, um mehr Leistung durch den dezentralen Stromerzeuger in das Inselnetz einzuspeisen. Bei einer höheren Netzlast als 45% steht die gesamte Sekundärleistung beider Sekundärstromerzeuger 2a, 2b zur Entlastung des dezentralen Stromerzeuges zur Verfügung.
Liegt dagegen die Netzlast unterhalb eines Werts von ca. 10% der durch den Stromerzeuger 1 bereitstellbaren Leistung, so wird eine Frequenz von größer als 51,5 Hz vorgegeben, womit aus Stabilitätsgründen keinerlei Sekundärleistung zugelassen wird.
Die zweite Regelkurve R₂ weist als 3-Punkt-Kurve zwei Bereiche auf. In dem ersten Bereich verläuft die Frequenz mit steigender relativer Leistung linear abfallend zwischen 52 Hz bei Nulllast (0% relative Leistung) des dezentralen Stromerzeugers 1 und 50,5 Hz bei 20% relativer Leistung des dezentralen Stromerzeugers 1. Bei einer Frequenz von 50,5 Hz ist die durch einen nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2b eingespeiste Sekundärleistung bereits unterbrochen und diejenige eines nach neuer VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeugers 2a gedrosselt. In dem sich an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich bleibt die Frequenz (50,5 Hz) mit steigender Netzlast konstant, das heißt die durch den Stromerzeuger 1 vorgegebene Frequenz ist stets so gewählt, dass die Einspeisung von Sekundärleistung durch einen nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2b unterbrochen und die Einspeisung von Sekundärleistung durch einen nach neuer VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2a gedrosselt ist.
Die Regelkurve R₃ weist vier Bereiche auf und lässt durch ein geschickt gewähltes Regelverhalten die Einspeisung von mehr Sekundärleistung als bei den Regelkurven R₁ und R₂ zu. In einem ersten Bereich verläuft die Frequenz mit steigender relativer Leistung linear abfallend zwischen 52 Hz bei Nulllast (0% relative Leistung) am dezentralen Stromerzeuger 1 und 50,2 Hz bei ca. 30% relativer Leistung des dezentralen Stromerzeugers 1. Bei einer Frequenz von 50,2 Hz ist die durch den nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2b eingespeiste Sekundärleistung unterbrochen und die von dem nach neuer VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2a eingespeiste Leistung wird von diesem Frequenzwert an mit steigender Frequenz gedrosselt. In dem sich an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich der Regelkurve R₃ bleibt die Frequenz bei 50,2 Hz mit steigender Netzlast konstant, das heißt die Frequenz ist stets so gewählt, dass die Einspeisung von Sekundärleistung durch den nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2b unterbrochen ist, die durch den Sekundärstromerzeuger 2b erzeugte Leistung jedoch ohne Drosselung voll eingespeist wird. Ab einer relativen Leistung von 80% wird sodann die Frequenz in einem dritten Bereich linear auf 50 Hz gesenkt, womit die durch den nach alter VDE-Norm geregelten Sekundärstromerzeuger 2a erzeugte Leistung ab Unterschreiten der Frequenz von 50,2 Hz zusätzlich voll in das Inselnetz eingespeist wird, um den dezentralen Stromerzeuger zu entlasten und die Einspeisung eines höheren Anteils regenerativer Energie zuzulassen. Zwischen 90% und 100% relativer Leistung bleibt die Frequenz dann konstant bei 50 Hz (vierter Bereich).
3 veranschaulicht in qualitativer Weise die Steuerung der eingespeisten Sekundärleistung durch einen erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeuger nach der Netztrennung, d.h. beim Umschalten von Parallelbetriebsmodus in den Inselbetriebsmodus, in einem Inselnetz mit dezentralen Sekundärstromerzeugern, wobei die im vorliegenden Anschauungsbeispiel verwendeten Sekundärstromerzeuger ausschließlich nach der aktuell geltenden VDE-AR-N 4105 arbeiten. Auf der Abszisse ist die relative Sekundärleistung, d.h. die tatsächlich verfügbare Sekundärleistung bezogen auf die unter Idealbedingungen maximal verfügbare Sekundärleistung, und auf der Ordinate des Diagramms die relative Verbraucherlast (tatsächliche/momentane Verbraucherlast bezogen auf die unter Idealbedingungen - z.B. bei optimaler Sonneneinstrahlung für ein Photovoltaikmodul - maximal einspeisbare Sekundärleistung) aufgetragen. Die Diagrammfläche teilt sich auf in einen für die Wahl geeigneter Betriebspunkte zu vermeidenden Rücklastbereich, einen besonders stabilen, rücklastfreien Bereich und einen dazwischen liegenden Bereich, in dem ebenfalls geeignete Betriebspunkte liegen können.
In vier Rechtecken der Diagrammfläche sind vier verschiedene Szenarien A, B, C, D mit jeweils drei Betriebspunkten A₁, A₂, A₃, B₁, B₂, B₃, C₁, C₂, C₃, D₁, D₂, D₃ dargestellt. Der Ausgangspunkt für die Szenarien A, B, C und D ist jeweils der Zeitpunkt der Umschaltung in den Inselbetriebsmodus, zu welchem die tatsächliche/momentane Sekundärleistung 80% der unter Idealbedingungen verfügbaren Sekundärleistung entsprechen soll.
Der jeweils erste Betriebspunkt A₁, B₁, C₁, D₁ der vier Szenarien A, B, C und D stellt einen hypothetischen Betriebspunkt dar, der sich bei Vorgabe einer Stromfrequenz einstellen würde, welche die volle Einspeisung der tatsächlich zur Verfügung stehenden Sekundärleistung zuließe. Dies entspricht der hypothetischen Vorgabe einer Frequenz von kleiner als 50,2 Hz und, wie bereits weiter oben erläutert, einer relativen Sekundärleistung von 80%.
Der jeweils zweite Betriebspunkt A₂, B₂, C₂, D₂ der vier Szenarien A, B, C, D stellt einen im Rahmen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung tatsächlich eingenommenen Betriebspunkt dar, der sich bei einer durch einen erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeuger im Zeitpunkt des Umschaltens in den Inselbetriebsmodus vorgegeben Referenzfrequenz von 51,4 Hz einstellt, welche bei den (nach neuer VDE-Norm geregelten) Sekundärstromerzeugern eine Drosselung der Einspeiseleitung um 48% auf 52% bewirkt. Daher sinkt bei diesen Betriebspunkten die von dem wenigstens einen Sekundärstromerzeuger erzeugte relative Sekundärleistung von ursprünglich 80% auf ca. 40% (genau: 41,6 %) - wiederum bezogen auf die unter Idealbedingungen zur Verfügung stehende Sekundärleistung.
Der jeweils dritte Betriebspunkt A₃, B₃, C₃, D₃ der vier Szenarien A, B, C, D stellt sodann einen Betriebspunkt dar, der im Rahmen der Erfindung durch einen erfindungsgemäßen Stromerzeuger durch zweckmäßige Vorgabe der Stromfrequenz in Abhängigkeit von der Netzlast einstellen kann. Dabei kann gewährleistet werden, dass maximal so viel Sekundärleistung zugelassen wird, dass der dezentrale Stromerzeuger einerseits die Mindestprimärleistung einspeisen kann und andererseits keine Rücklast entsteht.
Im Szenario A soll - gemäß hypothetischer Vorgabe für dieses Szenario - zum Zeitpunkt der Umschaltung in den Inselbetriebsmodus so viel Sekundärleistung zur Verfügung stehen wie zur Deckung der Verbraucherlast notwendig ist, d.h. die relative Verbraucherlast ist gleich groß wie die relative Sekundärleistung, die somit beide 80% der unter Idealbedingungen verfügbaren Sekundärleistung entsprechen.
Es zeigt sich, dass der hypothetische Betriebspunkt A₁ in rücklastgefährdeten bzw. rücklasterzeugenden Bereich des Diagramms aus 3 liegt. Der - erfindungsgemäß unter Vorgabe der Referenzfrequenz von 51,4 Hz eingestellte - Betriebspunkt A₂ liegt demgegenüber in einem stabilen Betriebsbereich, wobei die ersten ca. 40% (der insgesamt 80% relativen Verbraucherlast) von dem wenigstens einen Sekundärstromerzeuger und die zweiten ca. 40% (der insgesamt 80% relativen Verbraucherlast) von dem dezentralen Stromerzeuger abgedeckt werden, so dass auch bei Schwankungen der Sekundärleistung und/oder der Verbraucherlast stets ein stabiler und rücklastfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Vorliegend ergibt sich jedoch wegen des durchaus hohen Anteils der vom dezentralen Stromerzeuger in das Inselnetz eingespeisten Leistung noch Potential für eine weitere Erhöhung der Sekundärleistung durch entsprechende Vorgabe einer niedrigeren Frequenz von vorliegend 50,7 Hz, die z.B. durch eine entsprechende Regelkurve vorgegeben sein kann. Dabei stellt sich dann der dritte Betriebspunkt A₃ ein, gemäß welchem (von den ursprünglichen 80% relativer Leistung) ca. 70% durch den wenigstens einen Sekundärstromerzeuger und die verbleibenden ca. 10% durch den erfindungsgemäßen dezentralen Stromerzeuger abgedeckt werden, womit noch immer eine entsprechend vorgegebene Mindestprimärleistung durch den vorzugsweise fossilen Stromerzeuger abgedeckt ist.
Im Szenario B soll dagegen die Verbraucherlast größer als die Hälfte der zum Umschaltzeitpunkt verfügbaren Sekundärleistung (vorliegend dem ca. 0,75-fachen Wert hiervon) sein. Auch hier liegt der hypothetische Betriebspunkt B₁ (Zulassung voller Sekundärleistung) im Rücklastbereich, während der durch Vorgabe der Referenzfrequenz von 51,4 Hz bestimmte Betriebspunkt B₂ im stabilen Betriebsbereich liegt, wobei auch hier noch Potential für einen größeren Sekundärleistungsanteil besteht, so dass sich - durch erfindungsgemäß nutzlastabhängig erfolgende Vorgabe einer niedrigere Stromfrequenz von vorliegend 51,2 Hz - ein ebenfalls noch stabiler Betriebspunkt B₃ einstellt. Im Betriebspunkt B₃ werden ca. 50% von den insgesamt 60% relativer Verbraucherlast durch die Sekundärstromerzeuger bereitgestellt, während die verbleibenden 10% (relative Verbraucherlast) und somit ein geeigneter Mindestprimärstromanteil durch den dezentralen Stromerzeuger eingespeist werden.
In Szenario C lieg die Verbraucherlast bei dem ca. 0,5-fachen Wert der zum Umschaltzeitpunkt verfügbaren Sekundärlast, also bei ca. 40% relativer Verbraucherlast. Der hypothetische Betriebspunkt C₁ ist im Rücklastbereich, also ungeeignet für einen stabilen Betrieb des Stromerzeugers. Der beim Umschalten unter Vorgabe der Referenzfrequenz eingenommene Betriebspunkt C₂ ist noch immer in einem rücklastgefährdeten Bereich, was dadurch erkannt wird, dass die Netzlast am Stromerzeuger beinahe Null ist, da (relative) Sekundärleistung und (relative) Verbraucherlast einander entsprechen. Somit ist unter gleichzeitiger Vorgabe einer Mindestprimärleistung für den dezentralen Stromerzeuger kein stabiler und rücklastfreier Betriebszustand möglich (insbesondere auch bei einer etwaigen geringfügigen Erhöhung der Sekundärleistung oder einer geringfügigen Verringerung der Verbraucherlast), so dass zum Zwecke der Herbeiführung einer stabilen Aufrechterhaltung der Stromversorgung im Inselnetz die Frequenz weiter erhöht werden muss, vorliegend auf 52 Hz im Betriebspunkt C₃. Hierbei wird nun keinerlei Sekundärleistung mehr zugelassen und das Inselnetz ausschließlich vom dezentralen Stromerzeuger vorsorgt.
Für das Szenario D, in welchem zum Umschaltzeitpunkt weniger als die Hälfte (vorliegend der 0,25-fache Wert) der verfügbaren Sekundärleistung als Verbraucherlast anliegt, gelten vergleichbare Aspekte, wobei hier sowohl der hypothetische Betriebspunkt D₁ als auch der anfänglich eingenommene Betriebspunkt D₂ im Rücklastbereich liegen, so dass nur durch eine Anhebung der Frequenz auf größer als 51,5 Hz (vorliegend 52 Hz im Betriebspunkt D₃) eine stabile Stromversorgung des Inselnetz nur durch den erfindungsgemäßen Stromerzeuger erfolgt.

Claims

Dezentraler Stromerzeuger (1) zur wahlweisen Einspeisung elektrischer Leistung in ein externes Stromnetz (4) oder in ein vom externen Stromnetz (4) abgekoppeltes und elektrische Verbraucher (V₁, V₂) sowie wenigstens einen Sekundärstromerzeuger (2a, 2b) aufweisendes Inselnetz (3), wobei - der Stromerzeuger (1) dazu eingerichtet ist, in einem nur das Inselnetz (3) mit Strom versorgenden Inselbetriebsmodus die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms vorzugeben, - der Stromerzeuger (1) Mittel (P) zur Ermittlung der an ihm anliegenden Netzlast aufweist und dazu eingerichtet ist, im Inselbetriebsmodus stets eine Mindestprimärleistung in das Inselnetz (3) einzuspeisen und die Frequenz des von ihm erzeugten Stroms in Abhängigkeit von der Netzlast zu steuern, und - der Sekundärstromerzeuger (2a, 2b) dazu eingerichtet ist zusätzlich elektrische Sekundärleistung in das Inselnetz (3) einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (1) ferner Mittel (C₁) zur Ermittlung der Sekundärleistung aufweist, welche dazu eingerichtet sind, den Gradienten, mit dem sich die an dem Stromerzeuger (1) anliegende Netzlast im Verhältnis zur Frequenz des vom Stromerzeuger (1) erzeugten Stroms ändert, zu erfassen und aus diesem Gradienten die Sekundärleistung zu ermitteln.
Dezentraler Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (1) dazu eingerichtet ist, beim Umschalten in den Inselbetriebsmodus zunächst eine bestimmte Referenzfrequenz für den von ihm erzeugten Strom vorzugeben.
Dezentraler Stromerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfrequenz größer als 51 Hz und kleiner als 51,5 Hz ist.
Dezentraler Stromerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfrequenz einen Wert von ca. 51,4 Hz aufweist.
Dezentraler Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestprimärleistung so gewählt ist, dass stets sowohl ein vorgegebener Mindestanteil der Netzlast durch den Stromerzeuger (1) erzeugt wird als auch stets eine vorgegebene Mindestlast des Stromerzeugers (1) überschritten ist.
Dezentraler Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Frequenz des durch den Stromerzeuger (1) erzeugten Stroms mittels einer in einer Steuereinheit (C₁) des Stromerzeugers hinterlegten Regelkurve (R₁, R₂, R₃) erfolgt.
Dezentraler Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (C₁) des Stromerzeugers mit dem Internet oder einem Intranet verbindbar ist.
Dezentraler Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (1) bei der Vorgabe der Frequenz des von ihm erzeugten Stroms auch Sonnenauf- und Sonnenuntergangsgangszeiten repräsentierende Daten und/oder das aktuelle oder erwartete Wetter repräsentierende Daten und/oder Daten zum aktuellen Aufstellort des Stromerzeugers (1) berücksichtigt.
Inselnetz umfassend einen dezentralen Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenigstens einen elektrischen Verbraucher (V₁, V₂) und wenigstens einen zusätzlich elektrische Sekundärleistung in das Inselnetz (3) einspeisenden dezentralen Sekundärstromerzeuger (2a, 2b), wobei der wenigstens eine Sekundärstromerzeuger (2a, 2b) so geregelt ist, dass die von ihm abgegebene elektrische Leistung von der Frequenz des im Inselnetz (3) fließenden Stroms abhängig ist.
Inselnetz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Inselnetz (3) an ein externes Versorgungsnetz (4) anschließbar und von diesem trennbar ist.
Inselnetz nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dezentrale Stromerzeuger (1) ein mit fossilem Brennstoff betriebenes Stromaggregat (1) ist.
Inselnetz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sekundärstromerzeuger eine Photovoltaikanlage (2a, 2b) und/oder eine Windkraftanlage ist.
Inselnetz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Helligkeitssensor und/oder ein Windmessgerät vorgesehen sind, die mit einer Steuereinheit (C₁) des dezentralen Stromerzeugers (1) gekoppelt sind und deren Messdaten bei der Steuerung der Frequenz berücksichtigt werden.
Inselnetz nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärleistung zusätzlich oder alternativ an einen Energiespeicher (S) abgebbar ist.