DE102019124268B4 - Process for the external and internal control of a centrifugal massless storage power plant - Google Patents

Process for the external and internal control of a centrifugal massless storage power plant Download PDF

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Abstract

Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen, Verfahren aufweisend folgende Verfahrensschritte:- externe Regelung, welche eine Wirkleistungsregelung an einem DC/AC-Umrichter umfasst:Auswählen eines Regelungsmodus, wobei ein Regelungsmodus eine winkelbasierte Regelung (φReg-Modus) ist und ein zweiter Regelmodus eine frequenzbasierte Regelung (fReg-Modus) ist,wobei die frequenzbasierte Regelung folgende Verfahrensschritte aufweist:- Messen einer momentan abgegeben Wirkleistung (p) am DC/AC-Umrichter und Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung (ΔpH2) anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers,- Bilden einer Regelabweichung (Δp) aus der gemessenen momentan abgegeben Wirkleistung (p) mit einer Sollwirkleistung, wobei die Sollwirkleistung eine vorgegebene Sekundärleistungsänderung (Δpsec), eine vorgegebene Fahrplanleistung (pFP) und die Vorgabe der Änderung der Kraftwerkssollleistung (ΔpH2) aufweist und- Errechnen einer synthetischen Netzwinkelgeschwindigkeit (Δω2) aus der Regelabweichung (Δp), wobei die synthetische Winkelgeschwindigkeit (Δω2) zu einer integralen Verstellung des Spannungswinkels (φU2) am DC/AC-Umrichter führt,wobei die winkelbasierte Regelung im Slack-Modus folgende Verfahrensschritte aufweist:- Festsetzen einer Regelabweichung Δp=0, wobei der Spannungswinkel (φU2) am DC/AC-Umrichter konstant bleibt und das Speicherkraftwerk als Spannungsquelle mit konstanter Spannung (u2) und konstanter Frequenz von 50 Hz arbeitet, wobei die winkelbasierte Regelung Sicherungsmechanismen aufweist, welche anhand der gemessenen momentan abgegebenen Leistung p mittels einer Steuerungseinheit eingeschaltet werden, wobei die Sicherungsmechanismen folgende Varianten umfassen:- Manuelle Einstellung einer Leistung (pman),- Leistungseinstellung anhand eines vordefinierten Leistungsmaximalwertes (pMax) und/oder eines vordefinierten Leistungsminimalwertes (pMin) und/oder- Leistungseinstellung anhand einer Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung (ΔpH2) anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers,- interne Regelung: Bereitstellung der Systemdienstleistungen aus Speichern, welche folgende Verfahrensschritte umfasst:- Ermitteln eines Gleichstroms (iKC), welcher von einem ersten Speicher zum DC/AC-Konverter fließt, aus einer gemessenen Speicherspannung (uc) des ersten Speichers und der Wirkleistung (p), wobei der Gleichstrom (iKC) und ein von einem zweiten Speicher zum ersten Speicher fließende Strom (iCB) die Speicherspannung (uc) des ersten Speichers integral einstellt- Regeln des Gleichstroms (iCB), welcher vom ersten Speicher zum zweiten Speicher fließt, derart, dass die Speicherspannung (uc) des ersten Speichers einen Sollwert der Speicherspannung (uc,soll) annimmt- Laden des zweiten Speichers mittels eines mit einem ersten Energiewandler erzeugten Gleichstroms (iBF) bei Unterschreiten eines ersten Speicherspannungswertes (ŭB) des zweiten Speichers, wobei ein Entladen eines dritten Speichers erfolgt, oder Entladen des zweiten Speichers mittels eines mit einem zweiten Energiewandler erzeugten Stromes (iEB) bei Überschreiten eines zweiten Speicherspannungswertes (ûB) des zweiten Speichers, wobei ein Laden des dritten Speichers erfolgt.Method for external and internal control of a flywheel-free storage power plant for the provision of system services which include instantaneous reserve, primary control and secondary control, method comprising the following procedural steps: external control, which includes active power control on a DC / AC converter: selecting a control mode, with a The control mode is an angle-based control (φReg mode) and a second control mode is a frequency-based control (fReg mode), the frequency-based control having the following process steps: Measurement of a currently emitted active power (p) at the DC / AC converter and specification of a Change of a power plant target power (ΔpH2) based on the content of a hydrogen storage tank, - Formation of a control deviation (Δp) from the measured currently emitted active power (p) with a target active power, the target active power being a specified secondary power change (Δpsec), a specified timetable an output (pFP) and the specification of the change in the power plant's target output (ΔpH2) and- calculating a synthetic network angular velocity (Δω2) from the control deviation (Δp), with the synthetic angular velocity (Δω2) being an integral adjustment of the voltage angle (φU2) at the DC / AC converter leads, the angle-based control in Slack mode having the following process steps: - Setting a control deviation Δp = 0, whereby the voltage angle (φU2) at the DC / AC converter remains constant and the storage power plant as a voltage source with constant voltage (u2) and a constant frequency of 50 Hz, the angle-based regulation having safety mechanisms which are switched on based on the measured momentarily output power p by means of a control unit, the safety mechanisms comprising the following variants: manual setting of a power (pman), power setting based on a predefined Maximum power value (pMax) and / or a predefined minimum power value (pMin) and / or power setting based on a specification of a change in a power plant target power (ΔpH2) based on the content of a hydrogen storage tank, - internal regulation: provision of system services from storage facilities, which comprises the following process steps: - determining a direct current ( iKC), which flows from a first memory to the DC / AC converter, from a measured memory voltage (uc) of the first memory and the active power (p), the direct current (iKC) and a current flowing from a second memory to the first memory (iCB) integrally sets the storage voltage (uc) of the first storage unit - regulating the direct current (iCB), which flows from the first storage unit to the second storage unit, in such a way that the storage voltage (uc) of the first storage unit has a nominal value of the storage voltage (uc, soll) - Charging the second storage device by means of a direct current (iBF) generated with a first energy converter when falling below a first storage voltage value (ŭB) of the second storage unit, whereby a third storage unit is discharged, or discharging of the second storage unit by means of a current (iEB) generated by a second energy converter when a second storage voltage value (ûB) of the second storage unit is exceeded, whereby a Loading of the third memory takes place.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen.The invention relates to a method for external and internal regulation of a flywheel-free storage power plant for providing system services which include instantaneous reserve, primary regulation and secondary regulation.

Die Grundprinzipien der Elektrischen Energieversorgung sowie der Netzregelung sind universell und müssen für alle Arten der Erzeugung, der Übertragung und Verteilung sowie des Verbrauchs wie folgt eingehalten werden:

  1. 1 Weiträumige und feinverteilte Energieversorgung benötigt ein Drehstromnetz.
  2. 2 Plötzliche Laständerungen müssen instantan durch Momentanreserveleistung gespeist werden.
  3. 3 Die Speicher der Momentanreserveleistung müssen im Sekundenbereich durch die Primärregelung entlastet und wieder aufgefüllt werden. Dazu werden Primärregelleistungsspeicher benötigt.
  4. 4 Die Primärregelleistung muss im Minutenbereich durch die Sekundärrregelung abgelöst werden. Dabei ist dann auch deren Speicher wieder aufzuladen.
  5. 5 Anschließend treten Fahrplanänderungen in Kraft, welche alle Regler wieder „auf null“ stellen.
  6. 6 In einer vollregenerativ versorgten Energieversorgung kommt. Noch folgende Aufgabe hinzu: Gewisse Mengen der geernteten Energie müssen für Prognosefehler sowie „Dunkelflauten“ gespeichert werden.
The basic principles of electrical energy supply and grid control are universal and must be adhered to for all types of generation, transmission, distribution and consumption as follows:
  1. 1 Spacious and finely distributed energy supply requires a three-phase network.
  2. 2 Sudden changes in load must be fed instantaneously by instantaneous reserve power.
  3. 3 The memory for the instantaneous reserve power must be relieved and refilled within seconds by the primary control. Primary control reserve stores are required for this.
  4. 4 The primary control power must be replaced by the secondary control in the minute range. In doing so, their memory must then also be recharged.
  5. 5 Changes to the schedule then come into effect, which reset all controllers to "zero".
  6. 6 In a fully regenerative energy supply comes. The following additional task: Certain amounts of the harvested energy must be saved for forecast errors and “dark doldrums”.

Bislang wurden diese Aufgaben von konventionellen Kraftwerken wahrgenommen, welche dazu aus einer Systemkette bestehend aus unterschiedlich schnellen Speichern sowie Umwandlern/Anpassern aufgebaut sind. Diese Systemkette umfasst (am Beispiel einer sprungförmigen Leistungsanforderung):

  • Umwandlung/Anpassung: Die sprungförmige elektrische Leistungsanforderung wird vom Generator bei noch konstanter Drehzahl instantan in eine sprungförmige Erhöhung des Luftspalt-Moments und damit der mechanischen Leistung umgesetzt.
  • Speicher: Der Turbosatz bestehend aus Turbine-Generator-Erreger speichert instantan kinetische Energie aus und liefert diese mechanische Leistung. Dadurch sinkt die Drehzahl ab, welche die Größe des Speicherinhaltes kennzeichnet.
  • Umwandlung/Anpassung: Der Primärregler greift über ein Turbinenventil auf einen Frischdampfspeicher zu, wodurch im Sekundenbereich der Dampfstrom erhöht wird. Damit steigt das Turbinenmoment an und füllt den Drehzahl-Speicher wieder auf.
  • Speicher: Durch den erhöhten Dampfstrom sinkt der Dampfdruck ab, welcher hier die Größe des Speicherinhaltes kennzeichnet.
  • Umwandlung/Anpassung: Der Brennstoffregler erhöht die Feuerung um den Druck auszuregeln. Dabei wird mehr Kohlenstoff C mit Sauerstoff O zu CO2 umgewandelt. Im Verdampfer wird mehr Dampf erzeugt. Mit dem erhöhten Dampfstrom wird der Druck-Speicher wieder aufgefüllt.
  • Speicher: Der Brennstoffregler greift im Minutenbereich auf die Kohlehalde zu und erhöht den Brennstoff-Massenstrom. Die Kohlemasse der Halde wird weniger, welche hier die Größe des Speicherinhalts kennzeichnet. Hier findet keine Wiederaufladung durch das Kraftwerk selbst statt.
So far, these tasks have been performed by conventional power plants, which are built up from a system chain consisting of storage units of different speeds and converters / adapters. This system chain includes (using the example of an abrupt performance requirement):
  • Conversion / adaptation: The sudden electrical power demand is instantaneously converted by the generator into a sudden increase in the air gap torque and thus the mechanical power while the speed is still constant.
  • Storage: The turbo set consisting of the turbine generator exciter stores kinetic energy instantaneously and delivers this mechanical power. This reduces the speed, which characterizes the size of the memory content.
  • Conversion / adaptation: The primary controller accesses a live steam store via a turbine valve, which increases the steam flow in a matter of seconds. This increases the turbine torque and refills the speed memory.
  • Storage: Due to the increased steam flow, the steam pressure drops, which here characterizes the size of the storage contents.
  • Conversion / adaptation: The fuel regulator increases the firing to regulate the pressure. In the process, more carbon C is converted to CO2 with oxygen O. More steam is generated in the evaporator. The pressure accumulator is refilled with the increased steam flow.
  • Storage: The fuel regulator accesses the coal dump within minutes and increases the fuel mass flow. The coal mass of the heap becomes less, which here characterizes the size of the storage content. No recharging takes place here by the power plant itself.

Durch das zunehmende Vorhandensein regenerativer Energiequellen aus Wind und Sonne muss das konventionelle Kraftwerk zu gewissen Zeiten seine Leistung stark reduzieren, um diesen Erzeugern Platz zu schaffen. Dazu muss die Mindestleistung abgesenkt und die Regelgeschwindigkeit erhöht werden. Diesen Anforderungen müssen sich heute alle Erzeuger aus fossilen Rohstoffen stellen.Due to the increasing availability of regenerative energy sources from wind and sun, the conventional power plant has to reduce its output significantly at certain times in order to make room for these producers. To do this, the minimum output must be reduced and the control speed increased. All producers of fossil fuels have to face these requirements today.

Um die o.g. Versorgungs- und Netzregelaufgaben auch weiterhin in einer vollregenerativen Welt realisieren zu können sind bereits neue „konventionelle“ Kraftwerke entwickelt worden, welche Energie bei „Dunkelflauten“ nicht nur liefern, sondern in Überschuss-Situationen auch speichern können. Dabei müssen diese neuen Anlagen für eine Übergangszeit auch noch in einer schwungmasseorientierten Energieversorgung mit konventionellen Kraftwerken funktionieren. In einer rein umrichterorientierten Energieversorgung können sie dann auch entweder netzbildend oder aber netzstützend bei konstanter Netzfrequenz betrieben werden.In order to be able to continue to implement the above-mentioned supply and network control tasks in a fully regenerative world, new "conventional" power plants have already been developed which not only deliver energy in "dark doldrums", but can also store it in surplus situations. For a transitional period, these new systems also have to function in a flywheel-oriented energy supply with conventional power plants. In a purely converter-oriented energy supply, they can then also be operated either in a grid-forming manner or in a grid-supporting manner at a constant grid frequency.

Im Zuge der Energiewende wird mehr und mehr elektrische Energie von beispielsweise Wind- und PV-Anlagen erzeugt. Diese Energie wird in großen chemischen Speichern gespeichert (Speicherkraftwerk). Diese neuen Speicherkraftwerke werden mit Umrichtern an das Drehstromnetz angeschlossen. Bislang wird versucht, einzelne wegfallende Aufgaben der konventionellen Kraftwerke getrennt zu ersetzen. So wurden Batterien errichtet, welche nur Primärregelleistung erzeugen können.In the course of the energy transition, more and more electrical energy is being generated by wind and PV systems, for example. This energy is stored in large chemical storage facilities (storage power plants). These new storage power plants are connected to the three-phase network with converters. So far, attempts have been made to replace individual, omitted tasks of conventional power plants separately. Batteries were built that can only generate primary control power.

Anders als herkömmliche Kraftwerke weisen die neuen Speicherkraftwerke systembedingt keine Schwungmassen mehr auf. Die konventionellen Kraftwerke dagegen werden in ihrer Anzahl zurückgehen. Deshalb müssen die Speicherkraftwerke alle Aufgaben der konventionellen Kraftwerke mit Schwungmassen übernehmen.In contrast to conventional power plants, the new storage power plants no longer have flywheels due to their system. Conventional power plants, on the other hand, will decrease in number. That's why they have to Storage power plants take over all the tasks of conventional power plants with flywheels.

Eine Systemkette der neuen „konventionellen“ Kraftwerke umfasst (am Beispiel einer sprungförmigen Leistungsanforderung):A system chain of the new "conventional" power plants includes (using the example of a sudden power requirement):

Umwandlung/Anpassung: Die sprungförmige elektrische Leistungsanforderung führt beim Umrichter bei konstant gehaltenem Netz-Spannungswinkel (netzbildend) zu einer instantanen Erhöhung des Drehstroms und damit auch zu einer instantanen Erhöhung des Gleichstroms auf der Gleichstromseite.Conversion / adaptation: The sudden electrical power requirement leads to an instantaneous increase in the three-phase current and thus also to an instantaneous increase in the direct current on the direct current side of the converter when the grid voltage angle is kept constant (grid-forming).

Speicher: Der Speicher, ein Super-Capacitor, speichert instantan elektrische Energie aus und liefert diese Leistung. Dadurch sinkt seine Spannung ab, welche hier die Größe des Speicherinhalts kennzeichnet. Dieses Verhalten entspricht der Momentanreserve des konventionellen Kraftwerks.Storage: The storage, a super capacitor, stores electrical energy instantaneously and delivers this power. This reduces its voltage, which here characterizes the size of the memory content. This behavior corresponds to the instantaneous reserve of the conventional power plant.

Umwandlung/Anpassung: Die Regelung des nachgeschalteten DC/DC-Umrichters soll die Kondensatorspannung konstant halten. Dazu greift sie auf die Batterie zu, wodurch im Sekundenbereich der Batteriestrom erhöht wird. Damit steigt der Kondensator-Ladestrom an und füllt den Spannungsspeicher wieder auf. Dieses Verhalten entspricht der Primärregelung des konventionellen Kraftwerks.Conversion / adaptation: The control of the downstream DC / DC converter should keep the capacitor voltage constant. To do this, it accesses the battery, which increases the battery current in a matter of seconds. This increases the capacitor charging current and replenishes the voltage store. This behavior corresponds to the primary control of the conventional power plant.

Speicher: Durch den erhöhten Batteriestrom sinkt die Batteriespannung ab, welche hier die Größe des Speicherinhalts kennzeichnet.Storage: Due to the increased battery current, the battery voltage drops, which here indicates the size of the storage contents.

Umwandlung/Anpassung: Ein Brennstoffzellen-Regler erhöht die Aktivität der Brennstoffzelle, um die Batterie zu laden und die Batteriespannung auszuregeln. Dabei wird mehr Wasserstoff 2H2 mit Sauerstoff O2 zu H2O umgewandelt. Der DC/DC-Umrichter passt dabei die Spannungen an. Mit dem erhöhten Batterie-Ladestrom wird der Spannungsspeicher wieder aufgefüllt.Conversion / adaptation: A fuel cell regulator increases the activity of the fuel cell in order to charge the battery and regulate the battery voltage. More hydrogen 2H2 is converted to H2O with oxygen O2. The DC / DC converter adjusts the voltages. The voltage storage device is refilled with the increased battery charging current.

Speicher: Der Brennstoffzellenregler greift im Minutenbereich auf den Wasserstoffspeicher zu und erhöht den Brennstoff-Massenstrom. Die Wasserstoff-Masse des Speichers wird geringer, welche hier die Größe des Speicherinhalts kennzeichnet. Hier kann Wiederaufladung stattfinden.Storage: The fuel cell regulator accesses the hydrogen storage within minutes and increases the fuel mass flow. The hydrogen mass of the storage device is reduced, which here characterizes the size of the storage capacity. Recharge can take place here.

Um im bestehenden frequenzgeregelten Energieversorgungssystem alle Versorgungs- und Regelaufgaben wahrnehmen zu können, muss das Speicherkraftwerk auf die Netzfrequenz und deren Ableitung mit der Lieferung von Primärregel- und Momentanreserveleistung reagieren könnenIn order to be able to perform all supply and control tasks in the existing frequency-controlled energy supply system, the storage power plant must be able to react to the network frequency and its derivation with the delivery of primary control and instantaneous reserve power

In einer Energieversorgung mit überwiegend Speicherkraftwerken und nur noch wenigen oder gar keinen konventionellen Kraftwerken mit Schwungmasse mehr, kann auf die „Watt'sche Drehzahlregelung“ verzichtet und das Drehstromnetz mit einer konstanten Frequenz von z.B.f0 = 50 Hz betrieben werden. Die Aufgaben der Netzregelung wie Momentanreserve und Primärregelleistung können dann über den Spannungswinkel am Anschlusspunkt des Speicherkraftwerks realisiert werden.In an energy supply with predominantly storage power plants and only a few or no more conventional power plants with a flywheel, the "Watt speed control" can be dispensed with and the three-phase network can be operated with a constant frequency of e.g. f0 = 50 Hz. The grid control tasks such as instantaneous reserve and primary control power can then be implemented via the voltage angle at the connection point of the storage power plant.

Die Druckschriften Weber, H.: „Von der Frequenzregelung mit Schwungmassen (netzstützende Maßnahmen) zur Winkelregelung mit Umrichtern (netzbildende Maßnahmen).“ (VDI Mecklenburg-Vorpommern i, Dialog mit Politik, Energiewirtschaft und Wissenschaft, Rostock, 12.10.2017) sowie Weber, H. [et al.]: „Power System Control with renewable sources, storages and power electronic converters.“ (In: 2018, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), S. 1272-1278, Februar 2018, In: IEEE Xplore [online]. DOI: 10.1109/ICIT.2018.8352361, In: IEEE) werden Systemketten solcher neuen „konventionellen“ Kraftwerke offenbart.The pamphlets Weber, H .: "From frequency control with flywheels (grid-supporting measures) to angle control with converters (grid-building measures)." (VDI Mecklenburg-Vorpommern i, Dialogue with Politics, Energy Industry and Science, Rostock, October 12, 2017) as Weber, H. [et al.]: "Power System Control with renewable sources, storages and power electronic converters." (In: 2018, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), pp. 1272-1278, February 2018, In : IEEE Xplore [online]. DOI: 10.1109 / ICIT.2018.8352361, In: IEEE) system chains of such new “conventional” power plants are revealed.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Regelung neuer schwungmasseloser Speicherkraftwerke bereitzustellen, mit welcher ein neues „konventionelles“ Speicherkraftwerk alle Aufgaben der Netzregelung und der elektrischen Energieversorgung in einer vollständigen regenerativen Energieversorgung übernehmen kann. Die notwendigen Einzelmaßnahmen dabei, welche geregelt werden sollen, sind:

  1. 1 Anschluss des neuen „konventionellen“ Speicherkraftwerks an ein Drehstromnetz, um eine weiträumige und feinverteilte Energieversorgung zu gewährleisten.
  2. 2 Plötzliche Laständerungen müssen instantan durch Momentanreserveleistung gespeist werden.
  3. 3 Die Speicher der Momentanreserveleistung müssen im Sekundenbereich durch die Primärregelung entlastet und wieder aufgefüllt werden. Dazu werden Primärregelleistungsspeicher benötigt.
  4. 4 Die Primärregelleistung muss im Minutenbereich durch die Sekundärregelung abgelöst werden. Dabei ist dann auch deren Speicher wieder aufzufüllen.
  5. 5 Anschließend treten Fahrplanänderungen in Kraft.
  6. 6 Bei einer voll regenerativ versorgten Energieversorgung müssen definierte Mengen der geernteten Energie für die Prognose von Fehlern sowie für „Dunkelflauten“ gespeichert werden.
It is therefore the task of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a regulation of new inertia-free storage power plants with which a new "conventional" storage power plant can take over all tasks of network regulation and electrical energy supply in a complete regenerative energy supply. The necessary individual measures that are to be regulated are:
  1. 1 Connection of the new “conventional” storage power plant to a three-phase network in order to guarantee a spacious and finely distributed energy supply.
  2. 2 Sudden changes in load must be fed instantaneously by instantaneous reserve power.
  3. 3 The memory for the instantaneous reserve power must be relieved and refilled within seconds by the primary control. Primary control reserve stores are required for this.
  4. 4 The primary control power must be replaced by the secondary control every minute. In doing so, their memory must then also be refilled.
  5. 5 Changes to the timetable then come into force.
  6. 6 In the case of a fully regenerative energy supply, defined amounts of the harvested energy must be stored for the prognosis of errors as well as for "dark doldrums".

Es ist Aufgabe, dass die Regelung des neuen Speicherkraftwerks frequenzgeregelt oder winkelgeregelt erfolgen soll.It is the task of the new storage power plant to be regulated in a frequency-regulated or angle-regulated manner.

In den folgenden angegebenen Gleichungen sind alle Werte außer Winkel in bezogenen Größen angegeben.In the equations given below, all values except angles are given in related quantities.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.This problem is solved by the features listed in the claims.

Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks. Das Verfahren weist hierfür folgende Verfahrensschritte auf, wobei es denkbar ist, das Verfahren auch in einer anderen als der im Folgenden beschriebenen Reihenfolge durchzuführen.The object is achieved by means of a method for external and internal regulation of a storage power plant without centrifugal masses. For this purpose, the method has the following method steps, it being conceivable to also carry out the method in a sequence other than that described below.

Das Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen, ist unterteilt in eine externe und eine interne Regelung. Die externe Regelung wiederum weist eine Wirkleistungsregelung (und eine Blindleistungsregelung) an einem DC/AC-Umrichter auf. Die Wirkleistungsregelung weist folgende Verfahrensschritte auf:The method for external and internal control of a centrifugal mass-free storage power plant for the provision of system services, which include instantaneous reserve, primary control and secondary control, is divided into an external and an internal control. The external control in turn has an active power control (and a reactive power control) on a DC / AC converter. The active power control has the following procedural steps:

Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen,
Verfahren aufweisend folgende Verfahrensschritte:

  1. a. externe Regelung, welche eine Wirkleistungsregelung an einem DC/AC-Umrichter umfasst:
    • - Auswählen eines Regelungsmodus, wobei ein erster Regelungsmodus eine winkelbasierte Regelung (φReg-Modus) ist und ein zweiter Regelmodus eine frequenzbasierte Regelung (fReg-Modus) ist, wobei die frequenzbasierte Regelung folgende Verfahrensschritte aufweist:
      1. i. Messen einer momentan abgegeben Wirkleistung p am DC/AC-Umrichter und Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung ΔpH2 anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers,
      2. ii. Bilden einer Regelabweichung Δp aus der gemessenen momentan abgegeben Wirkleistung p mit einer Sollwirkleistung, wobei die Sollwirkleistung eine vorgegebene Sekundärleistungsänderung Δpsec, eine vorgegebene Fahrplanleistung pFP und die Vorgabe der Änderung der Kraftwerkssollleistung ΔpH2 aufweist und
      3. iii. Errechnen einer synthetischen Netzwinkelgeschwindigkeit Δω2 aus der Regelabweichung Δp, wobei die synthetische Winkelgeschwindigkeit Δω2 zu einer integralen Verstellung des Spannungswinkels φU2 am DC/AC-Umrichter führt,
Process for the external and internal control of a centrifugal-free storage power plant for the provision of system services, which include instantaneous reserve, primary control and secondary control,
Process comprising the following process steps:
  1. a. External control, which includes active power control on a DC / AC converter:
    • - Selecting a control mode, a first control mode being an angle-based control (φ Reg mode) and a second control mode being a frequency-based control (f Reg mode), the frequency-based control having the following method steps:
      1. i. Measurement of a currently emitted active power p on the DC / AC converter and specification of a change in a power plant target output Δp H2 based on the content of a hydrogen storage tank,
      2. ii. Formation of a control deviation Δp from the measured active power currently emitted p with a target active power, the target active power being a predetermined secondary power change Δp sec , a predetermined schedule power p FP and the specification of the change in the power plant target power Δp H2 has and
      3. iii. Calculating a synthetic network angular velocity Δω 2 from the control deviation Δp , where the synthetic angular velocity Δω 2 leads to an integral adjustment of the voltage angle φ U2 at the DC / AC converter,

Die winkelbasierte Regelung im Slack-Modus weist folgende Verfahrensschritte auf:

  • - Festsetzen einer Regelabweichung Δp=0, wobei der Spannungswinkel φU2 am DC/AC-Umrichter konstant bleibt und das Speicherkraftwerk als Spannungsquelle mit konstanter Spannung U2 und konstanter Frequenz von 50 Hz arbeitet,

wobei die winkelbasierte Regelung Sicherungsmechanismen aufweist, welche anhand der gemessenen momentan abgegebenen Leistung p mittels einer Steuerungsseinheit eingeschaltet werden, wobei die Sicherungsmechanismen folgende Varianten umfassen:
  • - Manuelle Einstellung einer Leistung pman,
  • - Leistungseinstellung anhand eines vordefinierten Leistungsmaximalwertes pMax und/oder eines vordefinierten Leistungsminimalwertes pMin und/oder
  • - Leistungseinstellung anhand einer Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung ΔpH2 anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers,
The angle-based control in Slack mode has the following procedural steps:
  • - Establishing a control deviation Δp = 0, whereby the voltage angle φ U2 at the DC / AC converter remains constant and the storage power plant works as a voltage source with a constant voltage U2 and a constant frequency of 50 Hz,

wherein the angle-based control has safety mechanisms which are based on the measured power currently output p can be switched on by means of a control unit, the security mechanisms comprising the following variants:
  • - Manual setting of a power pman,
  • - Power setting based on a predefined maximum power value p Max and / or a predefined minimum power value p Min and / or
  • - Power setting based on a specification of a change in a power plant target power Δp H2 based on the content of a hydrogen storage tank,

Eine Blindleistungsregelung der externen Regelung kann gemäß mehrerer Ausführungsformen folgende Verfahrensschritte aufweisen:

  • - Messen einer momentan abgegeben Blindleistung q2 am DC/AC-Umrichter
  • - Vergleichen der momentan abgegebenen Blindleistung q2 mit einer Sollblindleistung q0, wobei eine Differenz gebildet wird mittels welcher und zusammen mit einer vordefinierten Blindleistungsstatik σq eine Spannung am Speicherkraftwerk U2 gebildet wird.
A reactive power control of the external control can have the following method steps according to several embodiments:
  • - Measuring a momentarily emitted reactive power q 2 on the DC / AC converter
  • - Compare the reactive power currently emitted q 2 with a target reactive power q 0 , a difference being formed by means of which and together with a predefined reactive power statics σ q a voltage is generated at the storage power plant U2.

Die interne Regelung, welche die benötigten Systemdienstleistungen aus Speichern bereitstellt, umfasst folgende Verfahrensschritte:

  • - Ermitteln eines Gleichstroms iKc, welcher von einem ersten Speicher zum DC/AC-Konverter fließt, aus einer gemessenen Speicherspannung uc des ersten Speichers und der Wirkleistung p, wobei der Gleichstrom iKC und ein von einem zweiten Speicher zum ersten Speicher fließende Strom iCB die Speicherspannung uc des ersten Speichers integral einstellt.
  • - Regeln des Gleichstroms iCB , welcher vom ersten Speicher zum zweiten Speicher fließt, derart, dass die Speicherspannung uc des ersten Speichers einen Sollwert der Speicherspannung uc , soll annimmt
  • - Laden des zweiten Speichers mittels eines mit einem ersten Energiewandler erzeugten Gleichstroms iBF bei Unterschreiten eines ersten Speicherspannungswertes üB des zweiten Speichers, wobei ein Entladen eines dritten Speichers erfolgt, oder Entladen des zweiten Speichers mittels eines mit einem zweiten Energiewandler erzeugten Stromes iEB bei Überschreiten eines zweiten Speicherspannungswertes ûB des zweiten Speichers, wobei ein Laden des dritten Speichers erfolgt.
The internal regulation, which provides the necessary system services from storage, comprises the following procedural steps:
  • Determination of a direct current i Kc , which flows from a first store to the DC / AC converter, from a measured store voltage uc of the first store and the active power p , where the direct current i KC and a current flowing from a second memory to the first memory i CB integrally sets the storage voltage uc of the first storage device.
  • - Regulating the direct current i CB , which flows from the first memory to the second memory, such that the memory voltage uc of the first Store a setpoint value of the store voltage u c , supposed to accept
  • - Charging the second memory by means of a direct current generated with a first energy converter i BF when the second storage unit falls below a first storage voltage value U B , a third storage unit being discharged, or the second storage unit being discharged by means of a current generated by a second energy converter i EB when a second storage voltage value û B of the second storage device is exceeded, the third storage device being charged.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird für ein Eingreifen der Sicherungsmechanismen eine Arbeitspunktleistung pAP gespeichert, welche den aktuellen Leistungswert p zum Zeitpunkt des Eintretens eines Fehlerfalls speichert und welcher zum weiteren Verfahren verwendet wird, um einen stoßfreien Übergang vom Normalbetrieb zum Minimum-/Maximumbetrieb zu gewährleisten.According to various embodiments, an operating point power p AP is stored for an intervention by the security mechanisms, which is the current power value p at the time of the occurrence of an error and which is used for further procedures in order to ensure a smooth transition from normal operation to minimum / maximum operation.

Gemäß einer Ausführungsform weist der erste Speicher einen Kondensator auf oder der erste Speicher ist ein Kondensator.According to one embodiment, the first memory has a capacitor or the first memory is a capacitor.

Gemäß einer Ausführungsform weist der zweite Speicher eine Batterie auf oder der zweite Speicher ist eine Batterie.According to one embodiment, the second memory has a battery or the second memory is a battery.

Gemäß einer Ausführungsform weist der dritte Speicher einen Wasserstoffspeicher auf oder der dritte Speicher ist ein Wasserstoffspeicher. Eine Verwendung weiterer oder anderer chemischer Speicher ist denkbar, aber auch die Verwendung von mechanischen und/oder thermischen Speichern ist denkbar. Hierbei kann eine Wasserstoffmasse mH an dem Wasserstoffspeicher gemessen werden, wobei ferner die gemessene Wasserstoffmasse mH als Eingangsgröße für die externe Wirkleistungsregelung für die Leistungsvorgabe ΔpH2 im Frequenzregelmodus freg und/oder im Winkelregelmodus φreg verwendet wird.According to one embodiment, the third store has a hydrogen store or the third store is a hydrogen store. It is conceivable to use additional or different chemical stores, but the use of mechanical and / or thermal stores is also conceivable. A hydrogen mass can be used here m H are measured on the hydrogen storage device, the measured hydrogen mass m H as an input variable for the external active power control for the power specification Δp H2 is used in the frequency control mode f reg and / or in the angle control mode φ reg.

Ferner weist der Energiewandler gemäß einer Ausführungsform eine Brennstoffzelle auf oder es ist eine Brennstoffzelle, und/oder der zweite Energiewandler weist einen Elektrolyseur auf oder es ist ein Elektrolyseur. Die Verwendung weiterer und/oder anderer Energiewandler ist denkbar.Furthermore, according to one embodiment, the energy converter has a fuel cell or it is a fuel cell and / or the second energy converter has an electrolyzer or it is an electrolyzer. The use of further and / or different energy converters is conceivable.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform fließt ein Kreisstrom i0 zwischen dem ersten Energiewandler und dem zweiten Energiewandler, um stoßfrei zwischen dem ersten und dem zweiten Energiewandler umschalten zu können.According to a further embodiment, a circulating current flows i 0 between the first energy converter and the second energy converter in order to be able to switch smoothly between the first and the second energy converter.

Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Speicherspannungswert ŭB des zweiten Speichers als fester Wert auf beispielsweise + 10% der Speicherspannung des zweiten Speichers uB eingestellt und/oder der zweite Speicherspannungswert ûB des zweiten Speichers als fester Wert auf -10% der Speicherspannung des zweiten Speichers uB eingestellt. Hierbei handelt es sich um Beispiele für diese Schwellwerte. Ihre Werte werden als konstante Festwerte festgesetzt. Andere Schwellwerte, welche eine Aktivierung des zweiten und/oder des dritten Speichers veranlassen, sind denkbar.According to one embodiment, the first storage voltage value ŭ B of the second storage unit is a fixed value of, for example, + 10% of the storage voltage of the second storage unit u B set and / or the second storage voltage value û B of the second storage as a fixed value to -10% of the storage voltage of the second storage u B set. These are examples of these thresholds. Their values are set as constant fixed values. Other threshold values which cause the second and / or the third memory to be activated are conceivable.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur externen und internen Regelung eines Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen, kann ein konventionelles Kraftwerk ersetzt werden. Das neue Speicherkraftwerk kommt mit Hilfe des Verfahrens ohne Schwungmassen aus und kann Leistung sowohl ab- als auch aufnehmen. Dabei verbraucht es entweder Wasserstoff oder aber es erzeugt Wasserstoff. Damit ist eine vollumfängliche regenerative Energieerzeugung möglich, bei welcher diese neuen Kraftwerke nicht nur Energie speichern, sondern noch alle Systemdienstleistungen wie Momentan-, Primär-, Sekundärregelung und Fahrplan einbringen können.A conventional power plant can be replaced with the method according to the invention for external and internal control of a storage power plant for the provision of system services which include instantaneous reserve, primary control and secondary control. With the help of the process, the new storage power plant manages without centrifugal masses and can both absorb and absorb power. It either consumes hydrogen or it generates hydrogen. This enables fully regenerative energy generation, in which these new power plants not only store energy, but can also bring in all system services such as instantaneous, primary, secondary control and timetable.

Zudem kann das Kraftwerk bei einer zukünftigen Winkelregelung des Elektrischen Netzes als sogenanntes Slack-Kraftwerk wirken, was eine weitere Stabilisierung der Elektrischen Energieversorgung ermöglicht.In addition, the power plant can act as a so-called slack power plant in the event of future angular regulation of the electrical network, which enables the electrical energy supply to be stabilized further.

Mit dem Einsatz von schwungmassefreien Speicherkraftwerken mit moderner und leistungsstarker Umrichtertechnik kann sowohl in frequenzals auch in winkelgeregelten Netzen vernünftig Netzregelung betrieben werden. In frequenzgeregelten Netzen mit noch vorhandenen konventionellen Schwungmassen agieren diese neuen Anlagen wie normale Kraftwerke und können alle Netzregelaufgaben wie Momentanreserve, Primär- und Sekundärregelung sowie Fahrplanbetrieb abdecken. Zusätzlich können sie aber auch Energie aus regenerativen Quellen einspeichern, was Redispatch-Aktionen überflüssig machen kann. In zukünftig winkelgeregelten Netzen ohne physische Schwungmasse können diese Kraftwerke als Slack-Spei-cherkraftwerke arbeiten, was die Einhaltung einer konstanten Netzfrequenz ermöglicht. Hierzu ist allerdings die genaue Messung der Winkel sowie eines Winkelnormals notwendig. Somit sind alle zukünftigen Anwendungsfälle abdeckbar, was auch in Zukunft den weiteren sicheren Ausbau einer regenerativen Energieversorgung ermöglicht.With the use of flywheel-free storage power plants with modern and powerful converter technology, network control can be operated sensibly in both frequency and angle-regulated networks. In frequency-controlled networks with still existing conventional centrifugal masses, these new systems act like normal power plants and can cover all network control tasks such as instantaneous reserve, primary and secondary control as well as schedule operation. In addition, they can also store energy from renewable sources, which can make redispatch actions superfluous. In future, angle-regulated networks without a physical centrifugal mass, these power plants can work as slack storage power plants, which enables a constant network frequency to be maintained. For this, however, the exact measurement of the angle and an angle standard is necessary. This means that all future applications can be covered, which will also enable the further secure expansion of a regenerative energy supply in the future.

Es ist auch ein Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen, offenbart.It is also a method for the external and internal control of a centrifugal massless storage power plant for the provision of system services, which instantaneous reserve, Primary control and secondary control include disclosed.

Verfahren aufweisend folgende Verfahrensschritte:

  • - externe Regelung, welche eine Wirkleistungsregelung und eine Blindleistungsregelung an einem DC/AC-Umrichter umfasst,
wobei die Wirkleistungsregelung folgende Verfahrensschritte aufweist:
  • - Messen einer momentan abgegeben Wirkleistung (p) am DC/AC-Umrichter
  • - Vergleichen der Wirkleistung (p) mit einer Sollwirkleistung (po), aufweisend einen Primärregelsollwert (p0, prim)
  • - Bilden einer synthetischen Winkelgeschwindigkeit (Δω2 ) gemäß Δ ω 2 = 1 T M ( p p 0 )
    Figure DE102019124268B4_0001
wobei die synthetische Winkelgeschwindigkeit (Δω2 ) zu einer integralen Verstellung des Spannungswinkels (φU2) führt
  • - Bilden eines Primärregelsollwertes (p0, prim) aus einer vordefinierten Wirkleistungsstatik (σp ) und der synthetischen Netzwinkelgeschwindigkeit (Δω2 ) gemäß p 0, prim = 1 σ p Δ ω 2
    Figure DE102019124268B4_0002
und wobei die Blindleistungsregelung folgende Verfahrensschritte aufweist:
  • - Messen einer momentan abgegeben Blindleistung (q2 ) am DC/AC-Umrichter
  • - Vergleichen der momentan abgegebenen Blindleistung (q2 ) mit einer Sollblindleistung (qo), wobei eine Differenz gebildet wird mittels welcher, zusammen mit einer vordefinierten Blindleistungsstatik (σq ), eine Spannung am Speicherkraftwerk (u2 ) gebildet wird
wobei mit der Spannung (u2 ) der Blindleistungsregelung und dem Spannungswinkel (φU2) der Wirkleistungsregelung zusammen mit einer vordefinierten Netzspannung (U1) und einer vordefinierten Netzwinkelfrequenz (Δω1 ) die Wirkleistung (p) geregelt wird
  • - interne Regelung: Bereitstellung der Systemdienstleistungen aus Speichern, welche folgende Verfahrensschritte umfasst:
    • - Ermitteln eines Gleichstroms (iKC ), welcher von einem ersten Speicher zum DC/AC-Konverter fließt, aus einer gemessenen Speicherspannung (uc) des ersten Speichers und der Wirkleistung (p), wobei der Gleichstrom (iKC ) und ein von einem zweiten Speicher zum ersten Speicher fließende Strom (iCB ) die Speicherspannung (uC) des ersten Speichers integral einstellt
    • - Regeln des Gleichstroms (iCB ), welcher vom ersten Speicher zum zweiten Speicher fließt, derart, dass die Speicherspannung (uC) des ersten Speichers einen Sollwert der Speicherspannung (uC, soll) annimmt
    • - Laden des zweiten Speichers mittels eines mit einem ersten Energiewandler erzeugten Gleichstroms (iBF ) bei Unterschreiten eines ersten Speicherspannungswertes (ŭB) des zweiten Speichers, wobei ein Entladen eines dritten Speichers erfolgt, oder Entladen des zweiten Speichers mittels eines mit einem zweiten Energiewandler erzeugten Stromes (iEB ) bei Überschreiten eines zweiten Speicherspannungswertes (ûB) des zweiten Speichers, wobei ein Laden des dritten Speichers erfolgt.
Process comprising the following process steps:
  • - external control, which includes active power control and reactive power control on a DC / AC converter,
where the active power control has the following procedural steps:
  • - Measurement of a currently emitted active power ( p ) on the DC / AC converter
  • - Compare the active power ( p ) with a setpoint active power (po), having a primary control setpoint (p 0, prim )
  • - Formation of a synthetic angular velocity ( Δω 2 ) according to Δ ω 2 = - 1 s T M. ( p - p 0 )
    Figure DE102019124268B4_0001
where the synthetic angular velocity ( Δω 2 ) leads to an integral adjustment of the voltage angle (φ U2 )
  • - Formation of a primary control setpoint (p 0, prim ) from a predefined active power statics ( σ p ) and the synthetic network angular velocity ( Δω 2 ) according to p 0, prim = - 1 σ p Δ ω 2
    Figure DE102019124268B4_0002
and wherein the reactive power control has the following method steps:
  • - Measurement of a currently emitted reactive power ( q 2 ) on the DC / AC converter
  • - Compare the reactive power currently output ( q 2 ) with a target reactive power (qo), whereby a difference is formed by means of which, together with a predefined reactive power statics ( σ q ), a voltage at the storage power plant ( u 2 ) is formed
where with the voltage ( u 2 ) the reactive power control and the voltage angle (φ U2 ) of the active power control together with a predefined grid voltage ( U1 ) and a predefined grid angular frequency ( Δω 1 ) the active power ( p ) is regulated
  • - Internal regulation: Provision of system services from storage facilities, which includes the following procedural steps:
    • - determining a direct current ( i KC ), which flows from a first store to the DC / AC converter, from a measured store voltage (uc) of the first store and the active power ( p ), where the direct current ( i KC ) and a current flowing from a second memory to the first memory ( i CB ) integrally sets the storage voltage (u C ) of the first storage device
    • - regulating direct current ( i CB ), which flows from the first memory to the second memory, in such a way that the memory voltage (u C ) of the first memory assumes a nominal value of the memory voltage (u C, soll)
    • - Charging the second storage unit by means of a direct current generated by a first energy converter ( i BF ) when the second storage unit falls below a first storage voltage value (ŭ B ), whereby a third storage unit is discharged, or the second storage unit is discharged by means of a current generated by a second energy converter ( i EB ) when a second memory voltage value (û B ) of the second memory is exceeded, the third memory being charged.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierzu zeigen

  • 1 Blockschaltbild der vollständigen Wirkleistungsregelung des Speicherkraftwerkes
  • 2 Blockschaltbild zur Blindleistungsregelung
  • 3 Darstellung des Kurzzeitverhaltens bei einer erfindungsgemäßen Regelung
  • 4 Darstellung des Langzeitverhaltens bei einer erfindungsgemäßen Regelung
  • 5 Blockschaltbild der externen p-Regelung für Frequenz- und Winkelregelung des Speicherkraftwerks (a)
  • 6 Anlagenschema des Speicherkraftwerks (b)
  • 7 Interne Regelung eines ersten Speichers am Beispiel eines Superkondensators (c1)
  • 8 Interne Regelung eines zweiten Speichers am Beispiel einer Batterie (c2)
  • 9 Interne Regelung eines ersten und zweiten Energiewandlers an den Beispielen eines Elektrolyseurs und einer Brennstoffzelle (c3)
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments. Show this
  • 1 Block diagram of the complete active power control of the storage power plant
  • 2 Block diagram for reactive power control
  • 3 Representation of the short-term behavior with a control according to the invention
  • 4th Representation of the long-term behavior with a control according to the invention
  • 5 Block diagram of the external p-control for frequency and angle control of the storage power plant ( a )
  • 6th System scheme of the storage power plant ( b )
  • 7th Internal control of a first storage tank using the example of a supercapacitor ( c1 )
  • 8th Internal control of a second storage tank using the example of a battery ( c2 )
  • 9 Internal control of a first and second energy converter using the examples of an electrolyzer and a fuel cell ( c3 )

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines neuen Speicherkraftwerkes teilt sich in eine interne und eine externe Regelung eines Speicherkraftwerkes für die Bereitstellung von
Systemdienstleistungen auf.
Systemdienstleistungen sind

  • - die Bereitstellung einer Momentanreserve, um plötzliche Laständerungen instant zu speisen,
  • - die Bereitstellung einer Primärregelleistung, um einen Momentanreserve-Speicher im Sekundenbereich zu entlasten und wieder aufzufüllen,
  • - die Bereitstellung einer Sekundärregelleistung, welche die Primärregelung nach einer bestimmten Zeit im Minutenbereich ablöst und um einen Primärregelungsspeicher wieder aufzufüllen
  • - Bereitstellung von Fahrplanänderungen, welche alle Regler wieder auf „Null“ stellen
The method according to the invention for regulating a new storage power plant is divided into an internal and an external regulation of a storage power plant for the provision of
System services.
System services are
  • - the provision of an instantaneous reserve to feed sudden load changes instantaneously,
  • - the provision of a primary control power in order to relieve a momentary reserve memory in the range of seconds and to fill it up again,
  • - The provision of a secondary control power, which replaces the primary control after a certain time in the range of minutes and to refill a primary control memory
  • - Provision of schedule changes which reset all controllers to "zero"

Die externe Regelung wiederum ist unterteilt in eine Wirkleistungsregelung und eine Blindleistungsregelung.The external control, in turn, is divided into active power control and reactive power control.

In 1 ist die frequenzgeregelte Wirkleistungsregelung des Speicherkraftwerkes dargestellt, bestehend aus der externen frequenzgeregelte Wirkleistungseinstellung und der internen Wirkleistungsbereitstellung.In 1 the frequency-controlled active power control of the storage power plant is shown, consisting of the external frequency-controlled active power setting and the internal active power supply.

Das Speicherkraftwerk, beispielsweise ein Kondensator, ist über einen DC/AC-Umrichter am Drehstromnetz angeschlossen und speist dabei Wirkleistung p ein. Dazu gehört ein Spannungswinkel φU. Dieser Spannungswinkel φU bildet sich zum einen aus dem Spannungswinkel φU1 der Spannung u1 des Netzzentrum und zum anderen aus dem Spannungswinkel φU2 der Spannung U2 am Speicherkraftwerk. Die Wirkleistung p wird gemessen und mit einer Sollwirkleistung p0 verglichen. Wie aus 1 ersichtlich setzt sich die Sollwirkleistung p0 aus den Leistungsteilen Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Fahrplan zusammen. Die Fahrplanleistung ist die vom Kraftwerksbetreiber geplante Leistung. Primär- und Sekundärregelleistungen sind die Leistungsteile, welche benötigt werden, um das Netz stabil zu halten, wobei sich die beiden Leistungsteile in ihrem Zeitbereich unterscheiden. Die Primärregelleistung ist dabei der schnellere Leistungsteil, welcher schnelle Änderungen des Leistungsbedarfs ausgleichen muss. Während in herkömmlichen Kraftwerken die Schwungmasse der Rotoren wie eine Momentanreserve arbeitet, müssen bei neuen schwungmasselosen Speicherkraftwerken diese Leistungsteile auf die Leistung moduliert werden. Hierbei wird zunächst die momentan abgegebene Wirkleistung p gemessen und mit einem Sollwert der Wirkleistung p0 verglichen. Mit der synthetischen Bewegungsgleichung Δ ω 2 = 1 T M ( p p 0 )

Figure DE102019124268B4_0003
wird bei Veränderung der momentan abgegebenen Leistung p eine Drehzahländerung (Schwungmassen-Drehzahländerung) simuliert. Dies führt dahingehend zu einer integralen Verstellung des Spannungswinkels φu2 am DC/AC-Wandler gemäß Δ φ u 2 = Ω 0 Δ ω 2 d t
Figure DE102019124268B4_0004
und Ω 0 = 2 π f 0
Figure DE102019124268B4_0005
so dass die Schwankungen möglichst klein gehalten werden und es wieder gilt p p 0 = 0
Figure DE102019124268B4_0006
The storage power plant, for example a capacitor, is connected to the three-phase network via a DC / AC converter and feeds active power p a. This includes a voltage angle φ U. This voltage angle φ U is formed on the one hand from the voltage angle φ U1 of the voltage u 1 of the network center and on the other hand from the voltage angle φ U2 of the voltage U2 at the storage power plant. The real power p is measured and with a nominal active power p 0 compared. How out 1 the target active power is evident p 0 composed of the primary control power, secondary control power and schedule. The schedule output is the output planned by the power plant operator. Primary and secondary control power are the power units that are required to keep the grid stable, with the two power units differing in their time range. The primary control power is the faster power part, which has to compensate for rapid changes in the power requirement. While the centrifugal mass of the rotors works like an instantaneous reserve in conventional power plants, these power components must be modulated to the output in new centrifugal-less storage power plants. In this case, the active power currently being output is used first p measured and with a setpoint of the active power p 0 compared. With the synthetic equation of motion Δ ω 2 = - 1 T M. ( p - p 0 )
Figure DE102019124268B4_0003
is changed when the current output is changed p a speed change (flywheel speed change) is simulated. This leads to an integral adjustment of the voltage angle φ u2 at the DC / AC converter according to FIG Δ φ u 2 = Ω 0 Δ ω 2 d t
Figure DE102019124268B4_0004
and Ω 0 = 2 π f 0
Figure DE102019124268B4_0005
so that the fluctuations are kept as small as possible and it applies again p - p 0 = 0
Figure DE102019124268B4_0006

Damit wird mit der Zeitkonstanten TM Momentanreserveleistung aus einem Speicher, beispielsweise einem Kondensator, ausgespeichert.This is with the time constant T M Instantaneous reserve power from a memory, for example a capacitor, is stored.

Ferner speist die ermittelte synthetische Netzwinkelgeschwindigkeit ω2 auch die Primärregelung. Mit einer vorgegebenen Kraftwerksstatik (Wirkleistungsstatik) wird der Leistungsteil Primärregelleistung p0,prim gemäß p 0, prim = 1 σ p Δ ω 2

Figure DE102019124268B4_0007
moduliert.Furthermore, the synthetic network angular velocity ω 2 determined also feeds the primary control. With a specified power plant statics (active power statics), the power section becomes primary control power p 0, prim according to p 0, prim = - 1 σ p Δ ω 2
Figure DE102019124268B4_0007
modulated.

Der Spannungswinkel φU1 der Spannung u1 ist dabei der vorgegebene Winkel der Netzspannung. Ihm folgt der Winkel φU2 geregelt nach, wobei die zuvor beschriebene rückgekoppelte I-Regelung wie eine PLL-Regelung wirkt. Die PLL-Regelung (englisch phase-locked loop) ist dafür da, die Phasenlage und damit zusammenhängend die Netzfrequenz über einen geschlossenen Regelkreis so zu beeinflussen, dass die abgegebene Kraftwerksleistung p der Sollleisung p0 folgt.The voltage angle φ U1 of the voltage u 1 is the specified angle of the mains voltage. It is followed in a controlled manner by the angle φ U2 , the previously described feedback I control acting like a PLL control. The PLL control (English phase-locked loop) is there to influence the phase position and the related network frequency via a closed control loop in such a way that the power plant output is output p the target performance p 0 follows.

Zusammen mit φU1 und φU2 wird der Spannungswinkel φU gebildet, woraus mittels der Gleichung p = u 2 u 1 x sin φ u u 2 u 1 x φ u

Figure DE102019124268B4_0008
sich die Wirkleistung p ergibt. x ist dabei die bezogene Netzreaktanz.Together with φ U1 and φ U2 , the voltage angle φ U is formed, from which by means of the equation p = u 2 u 1 x sin φ u u 2 u 1 x φ u
Figure DE102019124268B4_0008
the real power p results. x is the related network reactance.

Die Spannung u2 folgt aus der Blindleistungsregelung, aus der Gleichung q 2 = u 1 u 2 x cos φ u + u 2 2 x u 2 ( u 2 u 1 ) x

Figure DE102019124268B4_0009
wobei die Blindleistungsregelung folgende Verfahrensschritte aufweist, wie in 2 dargestellt:The voltage u 2 follows from the reactive power control, from the equation q 2 = - u 1 u 2 x cos φ u + u 2 2 x u 2 ( u 2 - u 1 ) x
Figure DE102019124268B4_0009
wherein the reactive power control has the following method steps, as in 2 shown:

Eine momentan abgegeben Blindleistung q2 am DC/AC-Umrichter wird gemessen und mit einer Sollblindleistung q0 verglichen, wobei eine Differenz gebildet wird mittels welcher, zusammen mit einer vordefinierten Blindleistungsstatik σq die Spannung am Speicherkraftwerk u2 gebildet.A momentarily emitted reactive power q 2 Measurements are taken at the DC / AC converter and compared with a nominal reactive power q 0 , a difference being formed by means of which, together with a predefined reactive power statics σ q the voltage at the storage power plant u 2 educated.

Mit der Spannung u2 der Blindleistungsregelung und dem Spannungswinkel φU2 der Wirkleistungsregelung zusammen mit einer vordefinierten Netzspannung u1 und einer vordefinierten Netzwinkelfrequenz Δω1 wird die Wirkleistung p geregelt With the tension u 2 the reactive power control and the voltage angle φ U2 of the active power control together with a predefined grid voltage u 1 and a predefined network angular frequency Δω 1 becomes the real power p regulated

Mit der Wirkleistung p folgt die interne Regelung, welche eine Bereitstellung der Systemdienstleistungen aus Speichern, beispielsweise Kondensatoren, Batterien und/oder Wasserstoffspeicher, umfasst. Hierfür wird anhand des Beispiels der 1 aus einer gemessenen Kondensatorspannung uc und der Wirkleistung p zunächst ein Gleichstroms iKC , welcher von einem Kondensator zum DC/AC-Konverter fließt, ermittelt, wobei der Gleichstrom iKC und ein von einer Batterie zum Kondensator fließender Strom iCB die Kondensatorspannung uc integral einstellt.With the real power p This is followed by the internal regulation, which includes the provision of system services from storage, for example capacitors, batteries and / or hydrogen storage. For this purpose, the 1 from a measured capacitor voltage uc and the active power p initially a direct current i KC , which flows from a capacitor to the DC / AC converter, is determined, where the direct current i KC and a current flowing from a battery to the capacitor i CB adjusts the capacitor voltage uc integrally.

Ferner wird der Gleichstrom iCB derart geregelt, dass die Kondensatorspannung uc einen Sollwert der Kondensatorspannung uC, soll annimmt. Die Kondensatorspannung uC, soll kann beispielsweise einen Wert von 1pu betragen.Furthermore, the direct current i CB Regulated in such a way that the capacitor voltage uc assumes a setpoint value for the capacitor voltage u C, soll . The capacitor voltage u C, should be, for example, a value of 1pu.

Das Laden und/oder Entladen der Batterie erfolgt mittels des geregelten Gleichstrom iCB , mittels eines mit einer Brennstoffzelle erzeugten Gleichstroms iBF , wobei dies gemäß einer Ausführungsform bei Unterschreiten eines ersten Batteriespannungswertes ŭB erfolgt, und/oder mittels eines mit einem Elektrolyseur erzeugten Stromes iEB , wobei dies gemäß einer Ausführungsform bei Überschreiten eines zweiten Batteriespannungswertes ûB erfolgt. Bei der Entladung der Batterie mittels des erzeugten Stroms iEB erfolgt gemäß einer Ausführungsform ein Laden eines Wasserstoffspeichers. Womit über den sich einstellenden Wasserstoffmassenstrom ṁH je nach Betriebsfall der Wasserstoffspeicher aufgeladen oder entladen wird. Dies kann beispielsweise mit der dargestellten Regelung und nichtlinearen Übertragungsgliedern erfolgen. Eine Verwendung von Anti-wind-up-Maßnahmen ist ebenfalls denkbar.The battery is charged and / or discharged by means of the regulated direct current i CB , by means of a direct current generated by a fuel cell i BF According to one embodiment, this takes place when the voltage falls below a first battery voltage value ŭ B , and / or by means of a current generated with an electrolyzer i EB According to one embodiment, this takes place when a second battery voltage value û B is exceeded. When the battery is discharged using the electricity generated i EB According to one embodiment, a hydrogen storage device is charged. With which, depending on the operating situation, the hydrogen storage unit is charged or discharged via the resulting hydrogen mass flow ṁ H. This can be done, for example, with the control shown and non-linear transmission elements. The use of anti-wind-up measures is also conceivable.

Gemäß einer Ausführungsform fließt ein Kreisstrom i0 zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyseur, um stoßfrei zwischen der Brennstoffzelle und dem Elektrolyseur umschalten zu können.According to one embodiment, a circular current flows i 0 between the fuel cell and the electrolyser in order to be able to switch smoothly between the fuel cell and the electrolyser.

In 3 sind im Kurzzeitverhalten die Verläufe von Wirk- und Blindleistung p und q, die Verläufe der Potentiale uc, uB , mH und die Verläufe der Ströme iC , iB , iH und iKC über die Zeit bei einer erfindungsgemäßen Regelung dargestellt. Wie der 3 zu entnehmen ist, übernimmt der Kondensator zunächst nahezu den gesamten Strom (Momentanreserve). Danach speichert die Batterie aus (Primärregelung) und der Kondensatorstrom ic geht zurück. Der Strom des langsamen Wasserstoffspeichers (Sekundärregelung) ist in dieser Zeitauflösung noch nicht aktiv.In 3 are the curves of active and reactive power in the short-term behavior p and q, the curves of the potentials uc, u B , m H and the courses of the currents i C , i B , i H and i KC shown over time with a control according to the invention. Again 3 As can be seen, the capacitor initially takes over almost all of the current (instantaneous reserve). The battery then stores out (primary regulation) and the capacitor current ic decreases. The current of the slow hydrogen storage (secondary control) is not yet active in this time resolution.

In 4 sind die in 3 beschriebenen Verläufe über eine längere Zeit dargestellt. In diesem Beispiel springt die Wirkleistung p für 500 Sekunden nach einem schnellen Einschwingvorgang von 0 auf 0,2 pu, um dann bis 1000 Sekunden wieder auf Null zu stehen. Anschließend springt sie auf -0,2 pu, um dann nach 1500 Sekunden wieder auf Null zu gehen. Die Blindleistung verändert sich dabei jeweils immer nur um einen kleinen Betrag.In 4th are the in 3 described over a longer period of time. In this example, the active power jumps p for 500 seconds after a rapid settling process from 0 to 0.2 pu, then to be back to zero by 1000 seconds. Then it jumps to -0.2 pu, and then goes back to zero after 1500 seconds. The reactive power only changes by a small amount.

Ferner ist hier ersichtlich, wie nach ca. 100 Sekunden der Wasserstoffspeicher die gesamte Leistungserzeugung übernimmt und sowohl Kondensator als auch Batterie mit ihren Strömen wieder auf Null zurück gehen. Hierbei sind die Schaltzeitpunkte der Wirkleistung deutlich erkennbar.It can also be seen here how, after approx. 100 seconds, the hydrogen storage unit takes over the entire power generation and both the capacitor and the battery with their currents go back to zero. The switching times of the active power can be clearly seen here.

An den Potentialverläufen ist zu erkennen, dass der Kondensator mit seiner Leistungsaus- und -einspeisung nur immer sehr kurz wirkt. Dieses Verhalten entspricht de Momentanreserve. Die Kondensatorspannung uc nimmt auch immer wieder ihren Ausgangswert ein, wodurch ein ungestörter Betrieb des DC/AC-Konverters möglich ist. Die Batteriespannung uB hingegen bewegt sich in ihren Grenzen, welche beispielsweise auf ± 10% eingestellt sind. Die Batterie speist somit im Zeitbereich der Primärregelung Leistung ein und aus.It can be seen from the potential curves that the capacitor with its power supply and supply only has a very short effect. This behavior corresponds to the instantaneous reserve. The capacitor voltage uc also assumes its initial value again and again, which enables the DC / AC converter to operate without interference. The battery voltage u B however, moves within its limits, which are set to ± 10%, for example. The battery thus feeds power in and out in the time range of the primary control.

Der Wasserstoffspeicher wird immer dann aktiv, wenn die Batterie einen ihrer Grenzwerte erreicht. Zu Beginn der Zeitspanne speist der Speicher aus und liefert die benötigte Leistung, weshalb sein Wasserstoff-Massewert mH absinkt. Im Bereich 500 bis 1000 Sekunden wird keine Leistung benötigt, weshalb der Speicher konstant bleibt. Die Batterie bleibt in der Nähe ihrer unteren Spannung stehen. Nach 1000 Sekunden wird wieder Wasserstoff eingespeichert, bis die Leistung bei 1500 Sekunden wieder zu Null wird. Der Wasserstoffspeicher erreicht hier nicht mehr ganz seinen Ausgangswert, da die Batterie noch etwas über ihrem Startwert geladen bleibt.The hydrogen storage is always activated when the battery reaches one of its limit values. At the beginning of the period, the storage unit feeds out and delivers the required power, which is why its hydrogen mass value m H sinks. No power is required in the range of 500 to 1000 seconds, which is why the memory remains constant. The battery stops near its lower voltage. After 1000 seconds, hydrogen is stored again until the power returns to zero at 1500 seconds. The hydrogen storage system does not quite reach its initial value here, as the battery remains charged a little above its starting value.

5 zeigt ein Blockschaltbild einer externen p-Regelung für eine Frequenz- und Winkelregelung des Speicherkraftwerks. Das erfindungsgemäße Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen, weist folgende Verfahrensschritte auf: 5 shows a block diagram of an external p-control for frequency and angle control of the storage power plant. The method according to the invention for external and internal regulation of a centrifugal mass-free storage power plant for the provision of system services, which include instantaneous reserve, primary regulation and secondary regulation, has the following method steps:

Eine externe Regelung, welche eine Wirkleistungsregelung an einem DC/AC-Umrichter umfasst, weist gemäß einer Ausführungsform auch eine Blindleistungsregelung auf, welche hier nicht näher erläutert wird, weiter oben jedoch erläutert ist. Die Wirkleistungsregelung kann zum einen winkelbasiert (φReg) oder frequenzbasiert (fReg ) erfolgen, wobei zwischen der winkelbasierten Regelung (φReg) und der frequenzbasierten Regelung (fReg ) ausgewählt werden kann.An external control, which includes an active power control on a DC / AC converter, also has a reactive power control, which is not explained in more detail here, but is explained further above, according to one embodiment. The active power control can either be angle-based (φ Reg ) or frequency-based ( f Reg ), whereby between the angle-based control (φ Reg ) and the frequency-based control ( f Reg ) can be selected.

Die frequenzbasierte Regelung regelt die Netzfrequenz im Netz mittels einer Erhöhung einer einzuspeisenden Leistung bei einer niedrigen Netzfrequenz oder mittels einer Reduzierung der einspeisenden Leistung bei einer erhöhten Netzfrequenz. Die frequenzbasierte Netzregelung weist folgende Verfahrensschritte auf:

  • - Messen einer momentan abgegeben Wirkleistung p am DC/AC-Umrichter und Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung ΔpH2 anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers,
  • - Bilden einer Regelabweichung Δp aus der gemessenen momentan abgegeben Wirkleistung p mit einer Sollwirkleistung, wobei die Sollwirkleistung eine vorgegebene Sekundärleistungsänderung Δpsec, eine vorgegebene Fahrplanleistung pFP und die Vorgabe der Änderung der Kraftwerkssollleistung ΔpH2 aufweist und
  • - Errechnen einer synthetischen Netzwinkelgeschwindigkeit Δω2 aus der Regelabweichung Δp, wobei die synthetische Winkelgeschwindigkeit ω2 zu einer integralen Verstellung des Spannungswinkels φU2 am DC/AC-Umrichter führt.
The frequency-based control regulates the network frequency in the network by increasing the power to be fed in at a low network frequency or by reducing the power to be fed in at an increased network frequency. The frequency-based network control has the following procedural steps:
  • - Measurement of a currently emitted active power p on the DC / AC converter and specification of a change in a power plant target output Δp H2 based on the content of a hydrogen storage tank,
  • - Formation of a control deviation Δp from the measured active power currently emitted p with a target active power, the target active power being a predetermined secondary power change Δp sec , a predetermined schedule power p FP and the specification of the change in the power plant target power Δp H2 has and
  • - Calculation of a synthetic network angular velocity Δω 2 from the control deviation Δp , where the synthetic angular velocity ω 2 leads to an integral adjustment of the voltage angle φ U2 at the DC / AC converter.

Um ein Schwingen des einzustellenden Spannungswinkels φU2 zu verhindern, wird zumindest eine Dämpfung angewendet.In order to prevent the voltage angle φ U2 to be set from oscillating, at least damping is used.

Die winkelbasierte Regelung arbeitet normalerweise im Slack-Modus und weist hierbei folgende Verfahrensschritte auf:

  • Festsetzen einer Regelabweichung Δp=0, wobei der Spannungswinkel φU2 am DC/AC-Umrichter konstant bleibt und das Speicherkraftwerk als Spannungsquelle mit konstanter Spannung u2 und konstanter Frequenz von 50 Hz arbeitet. Das bedeutet für netzbildende Umrichter der Slack-Speicherkraftwerke, dass sie ihre Spannungen nach Betrag und Winkel konstant halten können, was einem Slack-Knoten (eingeprägte Spannung) entspricht.
The angle-based control normally works in Slack mode and has the following procedural steps:
  • Establishing a control deviation Δp = 0, whereby the voltage angle φ U2 at the DC / AC converter remains constant and the storage power plant as a voltage source with constant voltage u 2 and constant frequency of 50 Hz works. For grid-forming converters of the Slack storage power plants, this means that they can keep their voltages constant in terms of magnitude and angle, which corresponds to a Slack node (impressed voltage).

Um ein Schwingen des Spannungswinkels φU2 am DC/AC-Umrichter zu verhindern weist die Wirkleistungsregelstrecke, welche nur für die Frequenzregelung und die Winkelregelung im Fehlerfall relevant ist, zumindest eine Dämpfung auf. Dies kann beispielsweise, wie in 6 dargestellt, mittels einer proportionalen Rückführung Δpprim über eine permanente Statik erfolgen. Für eine noch höhere Sicherheit kann eine weitere Dämpfung eingebunden sein, wie beispielsweise in 6 gezeigt, wonach eine große transiente Dämpfung mittels einer weiteren Rückführung der Regelgröße Δptrans über eine transiente Statik ein Überschwingen des Spannungswinkels φU2 noch sicherer verhindert.In order to prevent the voltage angle φ U2 on the DC / AC converter from oscillating, the active power control system, which is only relevant for frequency control and angle control in the event of a fault, has at least one damping. For example, as in 6th shown, take place by means of a proportional feedback Δp prim over a permanent statics. For an even higher level of security, further damping can be integrated, for example in 6th shown, according to which a large transient damping prevents an overshoot of the voltage angle φ U2 even more reliably by means of a further feedback of the controlled variable Δp trans via a transient droop.

Eine winkelbasierte Regelung muss überwacht werden, da sonst im Slack-Modus die abgegebene oder aufgenommene Leistung zu groß werden kann. Für diese Fälle weist die winkelbasierte Regelung Sicherungsmechanismen auf, welche anhand der gemessenen momentan abgegebenen Leistung p mittels einer Steuerungseinheit und/oder Schaltungseinheit eingeschaltet werden, wobei die Sicherungsmechanismen folgende Varianten umfassen:

  1. a. Manuelle Einstellung einer Leistung,
  2. b. Leistungseinstellung anhand eines vordefinierten Leistungsmaximalwertes (pMax) und/oder eines vordefinierten Leistungsminimalwertes (pMin) und/oder
  3. c. Leistungseinstellung anhand einer Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers.
Angle-based regulation must be monitored, otherwise the power output or consumption can become too great in Slack mode. For these cases, the angle-based regulation has safety mechanisms, which are based on the measured power currently output p be switched on by means of a control unit and / or circuit unit, the security mechanisms comprising the following variants:
  1. a. Manual setting of a power,
  2. b. Power setting based on a predefined maximum power value (p Max ) and / or a predefined minimum power value (p Min ) and / or
  3. c. Power setting based on a specification of a change in a power plant target power based on the content of a hydrogen storage tank.

5 zeigt ferner beispielhaft in einem Schalterdiagramm, wie entsprechende Schalter (beispielsweise S1, S2, S3, S4) mittels der Steuereinheit geschaltet werden, wenn beispielsweise die Leistung manuelle eingegeben werden soll und/oder die Leistung einen gewissen Maximal- bzw. Minimalwert der erlaubten Leistung (pMin, pMax) übersteigt. 5 also shows an example in a switch diagram how corresponding switches (for example S1, S2, S3, S4) are switched by means of the control unit if, for example, the power is to be entered manually and / or the power has a certain maximum or minimum value of the permitted power ( p Min , p Max ).

6 zeigt ein Anlagenschema eines Speicherkraftwerkes, welches mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geregelt wird. Eine Wirkleistung p (sowie eine Blindleistung q, hier nicht dargestellt) eines Drehstromsystems dient der externen Regelung des Speicherkraftwerks als Eingangsgröße für die Regelung des Spannungswinkel φU2, welcher am Speicherkraftwerk eingestellt wird. Die Ausgangsgröße Wasserstoffmasse mH des Speicherkraftwerks dient ebenfalls der externen Regelung als Regelungsgröße, um den Spannungswinkel φU2 anhand eines Füllstandes eines Wasserstoffspeichers o.ä. einzustellen. 6th shows a system diagram of a storage power plant which is controlled by means of the method according to the invention. A real power p (as well as a reactive power q, not shown here) of a three-phase system is used for external regulation of the storage power plant as an input variable for regulating the voltage angle φ U2 , which is set at the storage power plant. The initial quantity hydrogen mass m H of the storage power plant is also used for external control as a control variable in order to set the voltage angle φ U2 based on the level of a hydrogen storage tank or the like.

Dabei verhält sich die Wirkungsweise des dargestellten Anlagenschema wie die in 1 beschriebene Wirkungsweise. Die hier gewählte Darstellung der Wirkungsweise des Speicherkraftwerkes ist übersichtlicher als die in 1 dargestellte Variante, da hier in physische Einheiten (Hardware) und Regelalgorithmen unterschieden wird. Zusätzlich ist hier die Ausgangsgröße mH, sowie die Eingangsgröße φU2, welche aus der externen Wirkleistungsregelung folgt, dargestellt. Die Regelungssysteme der drei Speicher sind in weiteren Figuren wie folgt dargestellt: 7 (c1) zeigt beispielhaft eine interne Regelung des ersten Speichers, beispielsweise eines Superkondensators, 8 (c2) zeigt beispielhaft die interne Regelung des zweiten Speichers, beispielsweise einer Batterie und 9 (c3) zeigt beispielhaft die interne Regelung des ersten und des zweiten Energieumwandlers, beispielsweise eines Elektrolyseurs und der Brennstoffzelle.The mode of operation of the system diagram shown behaves like that in 1 described mode of action. The representation of the mode of operation of the storage power plant selected here is clearer than that in 1 Variant shown, as a distinction is made here between physical units (hardware) and control algorithms. The output variable mH and the input variable φ U2 , which follows from the external active power control, are also shown here. The control systems of the three storage tanks are shown in further figures as follows: 7 (c1) shows an example of an internal regulation of the first store, for example a supercapacitor, 8 (c2) shows an example of the internal regulation of the second memory, for example a battery and 9 (c3) shows an example of the internal regulation of the first and the second energy converter, for example an electrolyzer and the fuel cell.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

aa
externe p-Regelung für Frequenz- und Winkelregelungexternal p-control for frequency and angle control
bb
Anlagenschema SpeicherkraftwerkSystem diagram of the storage power plant
cc
Regelung einzelner Komponenten des SpeicherkraftwerksRegulation of individual components of the storage power plant
c1c1
Regelung Superkondensator (Supercapacitor)Supercapacitor control
c2c2
Regelung BatterieRegulation battery
c3c3
Regelung Brennstoffzelle/ElektrolyseurControl of fuel cell / electrolyser
fRegfReg
Regelmodus FrequenzregelungFrequency control mode
ϕUϕU
SpannungswinkelTension angle
ϕU1ϕU1
Spannungswinkel der Spannung u1 am NetzzentrumTension angle of tension u 1 at the network center
ϕU2ϕU2
Spannungswinkel der Spannung u2 am SpeicherkraftwerkTension angle of tension u 2 at the storage power plant
ϕRegϕReg
Regelmodus WinkelregelungAngle control mode
u1u1
Spannung des NetzzentrumsNetwork center voltage
u2u2
Spannung am SpeicherkraftwerkVoltage at the storage power plant
uBuB
BatteriespannungBattery voltage
ûBûB
Batteriespannung MaximalwertBattery voltage maximum value
ǔBǔB
Batteriespannung MinimalwertBattery voltage minimum value
ucuc
KondensatorspannungCapacitor voltage
uc,0uc, 0
Sollwert KondensatorspannungSetpoint capacitor voltage
iKCiKC
Gleichstrom vom Kondensator zum DC/AC-KonverterDirect current from the capacitor to the DC / AC converter
iCBiCB
Gleichstrom von der Batterie zum KondensatorDirect current from the battery to the capacitor
iBFiBF
Gleichstrom von der Brennstoffzelle zur BatterieDirect current from the fuel cell to the battery
iEBiEB
Gleichstrom von der Batterie zum ElektrolyseurDirect current from the battery to the electrolyzer
i0i0
KreisstromCirculating current
iCiC
KondensatorstromCapacitor current
iBiB
BatteriestromBattery power
iHiH
Strom der Brennstoffzelle oder des WasserstoffspeichersElectricity from the fuel cell or the hydrogen storage system
pp
WirkleistungReal power
p0p0
SollwirkleistungTarget active power
pprimpprim
PrimärregelsollwertPrimary control setpoint
psecpsec
Sekundärregelsollwert Secondary control setpoint
pFppFp
oderor
p0, FPp0, FP
FahrplanTimetable
ptransptrans
transiente Leistungtransient power
pmanpman
Manuelle Einstellung einer LeistungManual setting of a service
p̌̌Manp̌̌Man
= pMin, Minimal erlaubte Leistung des Speicherkraftwerks= p Min , minimum permitted capacity of the storage power plant
p̂Manp̂Man
= pMax, Maximal erlaubte Leistung des Speicherkraftwerks= p Max , maximum permitted output of the storage power plant
ΔpΔp
RegelabweichungControl deviation
ΔpH2ΔpH2
Vorgabe einer Änderung einer KraftwerkssollleistungSpecification of a change in a power plant target output
ΔωeΔωe
Winkelgeschwindigkeit der NetzfrequenzAngular velocity of the network frequency
Δω1Δω1
Winkelgeschwindigkeit der PLL-RegelungAngular speed of the PLL control
Δω2Δω2
synthetische Netzwinkelgeschwindigkeitsynthetic network angular velocity
TMTM
Zeitkonstante MomentanreserveTime constant instantaneous reserve
TBTB
Zeitkonstante BatterieTime constant battery
TCTC
Zeitkonstante KondensatorTime constant capacitor
THTH
Zeitkonstante WasserstoffspeicherTime constant hydrogen storage
TBFTBF
Zeitkonstante Regelung Brennstoffzelle-BatterieTime constant control fuel cell battery
TEBTEB
Zeitkonstante Regelung Batterie-ElektrolyseurTime constant regulation of battery electrolyser
KBFKBF
Verstärkung Regelung Brennstoffzelle-BatterieReinforcement scheme fuel cell battery
KEBKEB
Verstärkung Regelung Batterie-ElektrolyseurReinforcement scheme battery electrolyser
σqσq
BlindleistungsstatikReactive power statics
σpσp
WirkleistungsstatikActive power statics
SS.
Laplace-OperatorLaplace operator
XX
NetzreaktanzNetwork reactance
Ω0Ω0
Nennwinkelgeschwindigkeit für 50 HertzNominal angular velocity for 50 Hertz
q2q2
Blindleistung am DC/AC-WandlerReactive power at the DC / AC converter
q2, 0q2, 0
Sollblindleistung am DC/AC-WandlerTarget reactive power at the DC / AC converter
mHmH
Wasserstoffmasse mit Grenzwerten mHmax (=m̂H) und mHmin Hydrogen mass with limit values m Hmax (= m̂ H ) and m Hmin
ṁHṁH
WasserstoffmassenstromHydrogen mass flow
1, 2, 3, 4, 51, 2, 3, 4, 5
ÜbergabepunkteTransfer points

Claims (9)

Verfahren zur externen und internen Regelung eines schwungmasselosen Speicherkraftwerks für eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen, welche Momentanreserve, Primärregelung und Sekundärregelung umfassen, Verfahren aufweisend folgende Verfahrensschritte: - externe Regelung, welche eine Wirkleistungsregelung an einem DC/AC-Umrichter umfasst: Auswählen eines Regelungsmodus, wobei ein Regelungsmodus eine winkelbasierte Regelung (φReg-Modus) ist und ein zweiter Regelmodus eine frequenzbasierte Regelung (fReg-Modus) ist, wobei die frequenzbasierte Regelung folgende Verfahrensschritte aufweist: - Messen einer momentan abgegeben Wirkleistung (p) am DC/AC-Umrichter und Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung (ΔpH2) anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers, - Bilden einer Regelabweichung (Δp) aus der gemessenen momentan abgegeben Wirkleistung (p) mit einer Sollwirkleistung, wobei die Sollwirkleistung eine vorgegebene Sekundärleistungsänderung (Δpsec), eine vorgegebene Fahrplanleistung (pFP) und die Vorgabe der Änderung der Kraftwerkssollleistung (ΔpH2) aufweist und - Errechnen einer synthetischen Netzwinkelgeschwindigkeit (Δω2) aus der Regelabweichung (Δp), wobei die synthetische Winkelgeschwindigkeit (Δω2) zu einer integralen Verstellung des Spannungswinkels (φU2) am DC/AC-Umrichter führt, wobei die winkelbasierte Regelung im Slack-Modus folgende Verfahrensschritte aufweist: - Festsetzen einer Regelabweichung Δp=0, wobei der Spannungswinkel (φU2) am DC/AC-Umrichter konstant bleibt und das Speicherkraftwerk als Spannungsquelle mit konstanter Spannung (u2) und konstanter Frequenz von 50 Hz arbeitet, wobei die winkelbasierte Regelung Sicherungsmechanismen aufweist, welche anhand der gemessenen momentan abgegebenen Leistung p mittels einer Steuerungseinheit eingeschaltet werden, wobei die Sicherungsmechanismen folgende Varianten umfassen: - Manuelle Einstellung einer Leistung (pman), - Leistungseinstellung anhand eines vordefinierten Leistungsmaximalwertes (pMax) und/oder eines vordefinierten Leistungsminimalwertes (pMin) und/oder - Leistungseinstellung anhand einer Vorgabe einer Änderung einer Kraftwerkssollleistung (ΔpH2) anhand eines Inhaltes eines Wasserstoffspeichers, - interne Regelung: Bereitstellung der Systemdienstleistungen aus Speichern, welche folgende Verfahrensschritte umfasst: - Ermitteln eines Gleichstroms (iKC), welcher von einem ersten Speicher zum DC/AC-Konverter fließt, aus einer gemessenen Speicherspannung (uc) des ersten Speichers und der Wirkleistung (p), wobei der Gleichstrom (iKC) und ein von einem zweiten Speicher zum ersten Speicher fließende Strom (iCB) die Speicherspannung (uc) des ersten Speichers integral einstellt - Regeln des Gleichstroms (iCB), welcher vom ersten Speicher zum zweiten Speicher fließt, derart, dass die Speicherspannung (uc) des ersten Speichers einen Sollwert der Speicherspannung (uc, soll) annimmt - Laden des zweiten Speichers mittels eines mit einem ersten Energiewandler erzeugten Gleichstroms (iBF) bei Unterschreiten eines ersten Speicherspannungswertes (ŭB) des zweiten Speichers, wobei ein Entladen eines dritten Speichers erfolgt, oder Entladen des zweiten Speichers mittels eines mit einem zweiten Energiewandler erzeugten Stromes (iEB) bei Überschreiten eines zweiten Speicherspannungswertes (ûB) des zweiten Speichers, wobei ein Laden des dritten Speichers erfolgt.A method for external and internal control of a flywheel-free storage power plant for the provision of system services which include instantaneous reserve, primary control and secondary control, a method comprising the following procedural steps: external control, which includes active power control on a DC / AC converter: selecting a control mode, with a The control mode is an angle-based control (φ Reg mode) and a second control mode is a frequency-based control (f Reg mode), the frequency-based control having the following procedural steps: Measuring a currently emitted active power (p) at the DC / AC converter and Specification of a change in a power plant setpoint power (Δp H2 ) based on the content of a hydrogen storage tank, - Formation of a control deviation (Δp) from the measured active power output (p) at the moment with a setpoint active power, the setpoint active power being a specified secondary power change (Δp sec ), a preset given schedule power (p FP ) and the specification of the change in the power plant's target power (Δp H2 ) and - calculation of a synthetic network angular velocity (Δω 2 ) from the control deviation (Δp), whereby the synthetic angular velocity (Δω 2 ) results in an integral adjustment of the voltage angle ( φ U2 ) on the DC / AC converter, the angle-based control in Slack mode having the following procedural steps: - Setting a control deviation Δp = 0, where the voltage angle (φ U2 ) at the DC / AC converter remains constant and the storage power plant as Voltage source works with constant voltage (u 2 ) and constant frequency of 50 Hz, the angle-based regulation having safety mechanisms which are switched on by means of a control unit based on the measured momentarily output power p, the safety mechanisms comprising the following variants: - Manual setting of a power ( p man ), - power setting based on a predefined rth maximum power value (p Max ) and / or a predefined minimum power value (p Min ) and / or - power setting based on a specification of a change in a power plant target power (Δp H2 ) based on the content of a hydrogen storage tank, - internal control: provision of system services from storage facilities, which follow Method steps comprise: - Determination of a direct current (i KC ), which flows from a first memory to the DC / AC converter, from a measured memory voltage (u c ) of the first memory and the active power (p), the direct current (i KC ) and a current (i CB ) flowing from a second memory to the first memory integrally sets the memory voltage (u c ) of the first memory - regulating the direct current (i CB ) flowing from the first memory to the second memory in such a way that the memory voltage ( u c ) of the first memory assumes a nominal value of the memory voltage (u c, soll ) - loading the second memory by means of a s direct current (i BF ) generated with a first energy converter when the voltage falls below a first storage voltage value (ŭ B ) of the second storage unit, whereby a third storage unit is discharged, or the second storage unit is discharged by means of a current (i EB ) generated by a second energy converter Exceeding a second memory voltage value (û B ) of the second memory, the third memory being charged. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Eingreifen der Sicherungsmechanismen eine Arbeitspunktleistung (pAP) gespeichert/gehalten wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that for an intervention of the Security mechanisms a working point performance (p AP ) is saved / kept. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicher einen Kondensator aufweist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the first memory has a capacitor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher eine Batterie aufweist.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the second memory has a battery. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Speicher der Wasserstoffspeicher ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the third store is the hydrogen store. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserstoffmasse (mH) an dem Wasserstoffspeicher gemessen wird, wobei ferner die gemessene Wassertoffmasse (mH) als Eingangsgröße für die externe Wirkleistungsregelung im Frequenzregelmodus (freg) und/oder Winkelregelmodus (φreg) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a hydrogen mass (m H ) is measured on the hydrogen storage device, the measured hydrogen mass (m H ) as an input variable for the external active power control in the frequency control mode (f reg ) and / or angle control mode (φ reg ) is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiewandler eine Brennstoffzelle aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first energy converter has a fuel cell. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler einen Elektrolyseur aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second energy converter has an electrolyzer. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreisstrom (i0) zwischen dem ersten Energiewandler und dem zweiten Energiewandler fließt, um stoßfrei zwischen dem ersten Energiewandler und dem zweiten Energiewandler umschalten zu können.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a circulating current (i 0 ) flows between the first energy converter and the second energy converter in order to be able to switch smoothly between the first energy converter and the second energy converter.
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WEBER, H. [et. al.]: Power system control with renewable sources, storages and power electronic converters. In: 2018 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), S. 1272 – 1278, Februar 2018.In: IEEE Xplore [online]. DOI: 10.1109/ICIT.2018.8352361, In: IEEE
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WEBER, H.: Von der Frequenzregelung mit Schwungmassen (netzstützende Maßnahmen) zur Winkelregelung mit Umrichtern (netzbildende Maßnahmen), In: VDI Mecklenburg-Vorpommern im Dialog mit Politik, Energiewirtschaft und Wissenschaft, Rostock, 12.10.2017URL: https://www.vdi mv.de/Aktuelles?file=files/Theme/Ressourcen%20Aktuelles/2017_Energietagung/Vortraege/7_Weber_Stromproduktionswende.pdf [abgerufen am 29.04.2019]

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