DE19953238A1 - Verfahren zur Energieversorgung und Energieversorgungssystem - Google Patents
Verfahren zur Energieversorgung und EnergieversorgungssystemInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und ein System zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eines Inselnetzes mit wenigstens einem eigenen Generator beschrieben. Der Generator kann als Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einer Drehstrommaschine oder als Brennstoffzelle ausgeführt sein. Der Generator ist mit dem Inselnetz über einen Frequenzumformer verbunden. Eine Überwachungs- und Steuereinrichtung ermöglicht es, im Netzparallelbetrieb das Inselnetz über einen Kuppelschütz mit einem öffentlichen Versorgungsnetz zu koppeln und bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes auf Inselbetrieb umzuschalten. Die jeweilige Umschaltung erfolgt unterbrechungsfrei bezüglich der Spannung, Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterbrechungsfreien
Energieversorgung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und
des nebengeordneten Anspruchs 10, sowie ein Energieversor
gungssystem zur unterbrechungsfreien Energieversorgung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und des nebengeordneten An
spruchs 24.
Aus der DE 42 32 516 ist bereits ein Verfahren und ein System
zur autonomen Energieversorgung für ein Inselnetz bekannt,
das neben Fotovoltaik und Windenergieeinspeisung auch die E
nergieerzeugung mit einem Verbrennungsmotor und einer Dreh
strommaschine vorsieht. Eine alternative Anschaltung an das
öffentliche Versorgungsnetz ist nicht vorgesehen.
Das Modul mit dem Verbrennungsmotor und der Drehstrommaschine
dient zur Notversorgung und zur Überbrückung von Defiziten
bei nur geringem Energieeintrag der Fotovoltaik und Windener
giegeneratoren.
Die Drehstrommaschine ist beim Stand der Technik als Syn
chronmaschine ausgebildet und kann entweder unmittelbar an
das Inselnetz angeschaltet werden oder mittelbar über einen
Gleichstromzwischenkreis. Dieser Gleichstromzwischenkreis um
fasst einen Akkumulator, der über einen netzgeführten Strom
richter mit dem Drehstromsynchrongenerator verbunden ist und
über einen selbstgeführten Wechselrichter an das Inselnetz
angeschlossen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und
ein Energieversorgungssystem zu schaffen, welches neben einem
Inselbetrieb auch einen Parallelbetrieb mit dem öffentlichen
Versorgungsnetz und einen unterbrechungsfreien Übergang in
die jeweilige andere Betriebsart ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und 10 durch die Merkmale dieser Ansprüche
und bei einem Energieversorgungssystem nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 12 und 24 durch die Merkmale jener Ansprüche
gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Energieversorgungssystem
ermöglicht es, elektrische Energie effizient und mit großer
Versorgungssicherheit anbieten zu können. Die angeschlossenen
elektrischen Verbraucher sind fest mit dem Inselnetz verbun
den, das bei Ausfall eines öffentlichen Versorgungsnetzes den
Energiebedarf decken kann. Im Netzparallelbetrieb ist bei ei
nem stabilen öffentlichen Versorgungsnetz das Inselnetz mit
diesem gekuppelt. Dann ist besonders in verbrauchsarmen Zei
ten des Inselnetzes oder ausschließlich elektrischem Energie
bedarf der Bezug elektrischer Energie aus dem öffentlichen
Versorgungsnetz günstiger.
Im Netzparallelbetrieb kann bei gleichzeitigem thermischen
Energiebedarf der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen wer
den und dessen Verlustwärme sowie eventuell die Verlustwärme
angeschlossener Wandler genutzt werden. In diesem Fall kann
der elektrische Energiebedarf des Inselnetzes durch die eige
ne Drehstrommaschine gedeckt werden und ein eventueller Ener
gieüberschuss sogar in das öffentliche Versorgungsnetz einge
speist werden.
Fällt das öffentliche Versorgungsnetz aus, ohne dass der
Verbrennungsmotor mit der Drehstrommaschine läuft, so liefert
der Gleichstromzwischenkreis mit dem Speicher vorübergehend
Energie, bis der Verbrennungsmotor gestartet ist und Energie
abgeben kann. Durch die Frequenz-, Phasenfolge-, und Phasen
lagesynchronisation des Frequenzumformers wird erreicht, dass
sowohl beim Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes für
die an das Inselnetz angeschlossenen Verbraucher ein kontinu
ierlicher Übergang zur Eigenversorgung sichergestellt wird,
als auch ein kontinuierlicher Übergang wieder zur Versorgung
aus dem öffentlichen Versorgungsnetz hergestellt wird, sobald
dieses stabil arbeitet.
Durch ein Kuppelschütz lässt sich das Inselnetz vom öffentli
chen Versorgungsnetz trennen und so vermeiden, dass Störungen
im öffentlichen Versorgungsnetz Auswirkungen auf das Insel
netz haben, oder dass bei Ausfall des öffentlichen Versor
gungsnetzes auch das Inselnetz zusammenbricht, da die Abgabe
leistung des Generators des Inselnetzes den potenziellen E
nergiebedarf des öffentlichen Versorgungsnetzes bei weitem
nicht decken könnte.
Der Frequenzumformer kann zwischen der Drehstrommaschine und
dem Gleichstromzwischenkreis als Maschinenfrequenzumformer
und zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Inselnetz
als Netzfrequenzumformer ausgeführt sein und betrieben wer
den.
Es lassen sich dann weitgehend industriell hergestellte und
im Handel verfügbare Baugruppen verwenden, die lediglich noch
entsprechend ihrem Einsatz modifiziert, insbesondere program
miert werden müssen.
Bei der alternativen Lösung in den nebengeordneten Ansprüchen
ist der Verbrennungsmotor, die Drehstrommaschine und der Ma
schinenfrequenzumformer durch eine Brennstoffzelle ersetzt.
Brennstoffzellen erreichen heute Wirkungsgrade von über 50%
bei der Umwandlung chemisch gebundener Energie in elektrische
Energie. Damit liegt der elektrische Wirkungsgrad höher als
bei einem System aus Verbrennungsmotor und Drehstrommaschine.
Bei zusätzlichem thermischen Energiebedarf kann auch hier die
Verlustwärme der Brennstoffzelle genutzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird der Speicher im Netzparallel
betrieb durch den Netzfrequenzumformer und/oder den Maschi
nenfrequenzumformer aufgeladen oder entladen und damit gepuf
fert.
Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass bei einem Ausfall
des öffentlichen Versorgungsnetzes die volle Kapazität des
Speichers für eine Überbrückung der Versorgungslücke zur Ver
fügung steht, insbesondere wenn der Verbrennungsmotor abge
schaltet ist und erst gestartet werden muss.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein Energieüberschuss der
eigenen Drehstrommaschine in das öffentliche Versorgungsnetz
eingespeist wird.
Dies kann für eine positive Gesamtenergiebilanz sinnvoll
sein, wenn der Verbrennungsmotor zur Erzeugung thermischer
Energie laufen muss, die gleichzeitig bei der entsprechenden
Drehzahl erzeugte elektrische Energie aber nicht vollständig
von den an das Inselnetz angeschlossenen Verbrauchern bean
sprucht wird.
Bei einer Weiterbildung kann die eigene Drehstrommaschine als
Asynchronmaschine ausgeführt sein und im Generatorbetrieb der
notwendige Blindleistungsbedarf über den Maschinenfrequenzum
former aus dem Gleichstromzwischenkreis bezogen werden.
Die Merkmale nach dieser Weiterbildung ermöglichen es, statt
einer sonst üblichen Synchronmaschine eine im Aufbau einfa
chere und damit kostengünstigere Asynchronmaschine einsetzen
zu können. Durch die Verwendung des Maschinenfrequenzumfor
mers und des anschließenden Netzfrequenzumformers wird die
Netzfrequenz ausschließlich durch den Netzfrequenzumformer
vorgegeben und die aktuelle Drehzahl und Frequenz der Asyn
chronmaschine ist unerheblich. Somit kann die Asynchronma
schine in einfacher Weise bei unterschiedlichen Drehzahlen
betrieben werden, wodurch der Verbrennungsmotor in seiner
Drehzahl dem Leistungsbedarf angepasst werden kann und sich
nicht nach der Synchrondrehzahl einer die Netzfrequenz vorge
benden Drehstrommaschine richten muss.
Bei einer Weiterbildung wird der Verbrennungsmotor mit der
Asynchronmaschine in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben und im
Netzparallelbetrieb seine Leistung und damit Drehzahl nach
dem Wärmebedarf angeschlossener thermischer Verbraucher be
messen. Im Inselbetrieb wird seine Leistung und damit Dreh
zahl nach dem jeweils benötigtem Maximum an elektrischer E
nergie bemessen.
Dabei kann das benötigte Maximum an elektrischer Energie be
stimmt werden, indem der mittlere Energiebedarf über eine vom
Speicher des Gleichstromzwischenkreises überbrückbare Zeit
ermittelt wird. Kurzzeitige Spitzenwerte an Energie können
dann vom Speicher gepuffert werden.
Dies ermöglicht es, den Verbrennungsmotor mit einer möglichst
trägen Regelkennlinie und damit energiesparend zu betreiben
und trotzdem ein sehr spannungsstabiles Inselnetz zu garan
tieren, da Spitzenwerte an Energie aus dem Gleichstromzwi
schenkreis bereitgestellt werden können.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der stehende Verbrennungsmotor
durch die vorübergehend als Drehstrommotor betriebene Dreh
strommaschine angelassen wird, wobei die Energie aus dem öf
fentlichen Versorgungsnetz und/oder aus dem Speicher des
Gleichstromzwischenkreises bezogen wird.
Bei dieser Lösung wird die Drehstrommaschine universell, näm
lich je nach Bedarfsfall als Generator oder als Motor be
nutzt. Dadurch entfällt ein separater Elektromotor als Anlas
ser.
Weiterhin kann beim Umschalten auf Inselbetrieb nach Ausfall
des öffentlichen Versorgungsnetzes und stehendem Verbren
nungsmotor die benötigte Energie zunächst aus dem Speicher
bezogen werden und anschließend bei drohender Erschöpfung der
Reserven des Speichers durch Veranlassung der Überwachungs-
und Steuereinrichtung der Verbrennungsmotor gestartet und der
weitere Energiebedarf dann von der Drehstrommaschine gedeckt
werden.
Diese Lösung ermöglicht auch dann einen stabilen, unterbre
chungsfreien Übergang vom Netzparallelbetrieb zum Inselbe
trieb, wenn der Verbrennungsmotor gerade steht. Es erübrigt
sich dadurch, die Drehstrommaschine und gegebenenfalls auch
den Verbrennungsmotor ständig mitlaufen lassen zu müssen, was
beim Netzparallelbetrieb nur unnötig hohe Leerlaufverluste
verursachen würde.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Asynchronmaschine flüssig
keitsgekühlt, und die Abwärme der Flüssigkeit kann in den
Flüssigkeitskreislauf der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage einge
speist werden.
Bei der Asynchronmaschine ist wegen des einfacheren Aufbaus
auch die Kühlung durch Flüssigkeit einfacher zu realisieren.
Dadurch lässt sich die in der Asynchronmaschine umgesetzte
Verlustwärme einfacher transportieren und der Kraft-Wärme-
Kopplungsanlage nutzbar machen. Auf diese Weise wird der Wir
kungsgrad erhöht und damit auch die Wirtschaftlichkeit ver
bessert. Darüber hinaus ist auch eine Asynchronmaschine bei
kleinen und mittleren Leistungen billiger in der Herstellung
und verschleißärmer, was ebenfalls der Wirtschaftlichkeit zu
gute kommt.
Als Speicher im Gleichstromzwischenkreis können Kondensato
ren, Akkumulatoren, umkehrbare Brennstoffzellen, eine Brenn
stoffzelle mit Elektrolyseur oder eine Kombination davon ein
gesetzt werden.
Kondensatoren zeichnen sich durch Wartungsfreiheit und hohen
Wirkungsgrad aus, sie vermögen aber nur kurzzeitig Energielü
cken zu überbrücken, wobei noch die Spannung abhängig vom La
dezustand ist. Bei Akkumulatoren ist eine relativ hohe Lade
kapazität realisierbar, allerdings ist hier die Lebensdauer
auf wenige Jahre begrenzt, wobei sich die Kapazität mit der
Zeit verringert. Brennstoffzellen sind derzeit noch recht
teuer in der Beschaffung, sie arbeiten aber mit einem hohen
energetischen Wirkungsgrad und sind wartungsfrei, da sie kei
ne für die Energieumwandlung bewegten Teile besitzen.
Bei einer praktischen Ausgestaltung umfassen der Maschinen
frequenzumformer und der Netzfrequenzumformer aktiv steuerba
re Halbleiter-Stromventile. Diese sind von einer eigenen
Steuerschaltung oder unmittelbar von der Überwachungs- und
Steuereinrichtung steuerbar.
Durch die aktiv steuerbaren Halbleiter-Stromventile lassen
sich die Frequenzumformer bidirektional betreiben. Der Netz
frequenzumformer kann also sowohl Energie vom Gleichstromzwi
schenkreis ins Inselnetz einspeisen als auch umgekehrt Ener
gie vom Inselnetz in den Gleichstromzwischenkreis, um bei
spielsweise den Akku zu laden. Auch der Maschinenfrequenzum
former kann sowohl Energie von der Asynchronmaschine zum
Gleichstromzwischenkreis liefern, als auch umgekehrt E
nergie zur Deckung seines notwendigen Blindleistungsbedarfs
oder auch Energie zum Betrieb der Asynchronmaschine als Motor
zum Anlassen des Verbrennungsmotors.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläu
tert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Energieversor
gungssystems mit einem Verbrennungsmotor
und einer Asynchronmaschine,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Energieversor
gungssystems mit einer Brennstoffzelle
und
Fig. 3 eine Darstellung des Gleichstromzwischen
kreises mit den angeschlossenen Frequenz
umformern.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Energieversorgungssys
tems mit einem Verbrennungsmotor 20 und einer Asynchronma
schine 22. An ein Inselnetz 10 sind symmetrische Verbraucher
12 und asymmetrische Verbraucher 14 angeschlossen. Parallel
zum Inselnetz 10 ist ein öffentliches Versorgungsnetz 16 vor
handen, das über ein Kuppelschütz 18 mit dem Inselnetz 10
verbindbar ist. Das Inselnetz 10 verfügt über ein eigenes
Kraftwerk, das den Verbrennungsmotor 20, die Asynchronmaschi
ne 22, einen Gleichstromzwischenkreis 24 mit einem Speicher
26 und einen bidirektionalen Frequenzumformer 28 umfasst. Der
bidirektionale Frequenzumformer 28 kann aus industriell her
gestellten, handelsüblichen Modulen, nämlich einem Netzfre
quenzumformer 30 und einem Maschinenfrequenzumformer 32 be
stehen. In diesem Fall ist der Gleichstromzwischenkreis 24
über den Netzfrequenzumformer 30 mit dem Inselnetz 10 und ü
ber den Maschinenfrequenzumformer 32 mit der Asynchronmaschi
ne 22 verbunden. Der Netzfrequenzumformer 30 umfasst einen
eigenen Frequenzgenerator 36 zur Vorgabe der Netzfrequenz bei
Inselbetrieb. Zur Steuerung und Überwachung dient eine Über
wachungs- und Steuereinrichtung 38. Die Überwachungs- und
Steuereinrichtung 38 erfasst sowohl die Spannung, Frequenz,
Phasenfolge, Phasenlage und Welligkeit des öffentlichen Ver
sorgungsnetzes 16 als auch analog die entsprechenden Parame
ter des Inselnetzes 10. Steuerleitungen führen zum Verbren
nungsmotor 20, zum Netzfrequenzumformer 30 und zum Kuppel
schütz 18.
Zwischen dem Netzfrequenzumformer 30 und dem Inselnetz 10 be
findet sich ein Symmetriertransformator 34, der zur Festle
gung eines Sternpunktes beim Drehstrom-Inselnetz 10 dient.
Der Symmetriertransformator 34 ist in Dreieckschaltung mit
dem Netzfrequenzumformer 30 und in Sternschaltung mit dem In
selnetz 10 verbunden.
Der Verbrennungsmotor 20 in Verbindung mit der Asynchronma
schine 22 arbeitet in Wärme-Kraft-Kopplung. Die Asynchronma
schine 22 ist flüssigkeitsgekühlt und führt ihre Abwärme in
den Flüssigkeitskreislauf der Wärme-Kraft-Kopplungsanlage, in
die auch die Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors 20 und
gegebenenfalls auch die Abgasleitung Wärme eintragen.
Durch die bidirektionale Ausbildung des Frequenzumformers 28
mit dem Netzfrequenzumformer 30 und dem Maschinenfrequenzum
former 32 kann sowohl Energie aus dem Gleichstromzwischen
kreis 24 in das Inselnetz 10 überführt werden, als auch umge
kehrt vom Inselnetz 10 in den Gleichstromzwischenkreis 24.
Ebenso ist es möglich, dass Energie von der als Generator be
triebenen Asynchronmaschine 22 in den Gleichstromzwischen
kreis 24 eingespeist wird, als auch die nötige Blindleistung
für die Asynchronmaschine 22 aus dem Gleichstromzwischenkreis
24 bezogen und der Asynchronmaschine 22 eingespeist wird. E
benso ist es möglich, die Asynchronmaschine 22 als Motor zu
betreiben, um den Verbrennungsmotor 20 anzulassen.
Beim Betrieb der Anlage können mehrere Zustände auftreten,
die einerseits eine sichere Versorgung des Inselnetzes 10 mit
elektrischer Energie Gewähr leisten sollen und zusätzlich bei
Wärmebedarf auch eine wirtschaftliche Versorgung mit Wärme
energie ermöglichen.
Der erste Betriebsfall ist der Netzparallelbetrieb, bei dem
das öffentliche Versorgungsnetz 16 stabile Zustände aufweist.
Im stationären Zustand ist dann das Kuppelschütz 18 geschlos
sen, und das Inselnetz 10 ist direkt mit dem öffentlichen
Versorgungsnetz 16 verbunden.
Wenn keine Wärmeenergie benötigt wird, wird der Verbrennungs
motor 20 nicht betrieben, sodass der gesamte Energiebedarf
der an das Inselnetz 10 angeschlossenen Verbraucher 12, 14
über das Kuppelschütz 18 fließt und aus dem öffentlichen Ver
sorgungsnetz 16 bezogen wird.
Wird zusätzlich Wärmeenergie benötigt, so kann der Verbren
nungsmotor 20 angelassen werden, dessen Abwärme und die Ab
wärme der Asynchronmaschine 22 dann zur Deckung des Wärmebe
darf verwendet werden. Da die Asynchronmaschine 22 nicht
netzgestützt ist, sondern über einen Gleichstromzwischenkreis
24 mit dem Inselnetz 10 verbunden ist, kann die Asynchronma
schine 22 mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden.
Somit kann die Leistung des Verbrennungsmotors 20 und damit
dessen Drehzahl nach dem Wärmebedarf bemessen werden. Je nach
dem elektrischen Energiebedarf der Verbraucher 12, 14 kann
dann die erforderliche Energie ausschließlich von der Asyn
chronmaschine 22 bezogen werden, teils von der Asynchronma
schine 22 und teils aus dem öffentlichen Versorgungsnetz 16,
oder bei Energieüberschuss der Asynchronmaschine 22 kann auch
elektrische Energie in das öffentliche Versorgungsnetz 16
eingespeist werden.
Im Falle eines Ausfalls des öffentlichen Versorgungsnetzes
16, der von der Überwachungs- und Steuereinrichtung 38 re
gistriert wird, wird das Kuppelschütz 18 geöffnet und damit
das Inselnetz 10 vom öffentlichen Versorgungsnetz 16 ge
trennt. Die Energieversorgung erfolgt nun autark. Da der
Netzfrequenzumformer 30 durch seinen eigenen Frequenzgenera
tor 36 ständig mit dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 in der
Frequenz, der Phasenfolge und der Phasenlage synchronisiert
war, werden die an das Inselnetz 10 angeschlossenen Verbrau
cher 12, 14 auch anschließend unterbrechungsfrei in Bezug auf
Spannung, Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage versorgt.
Beim Übergang vom Netzparallelbetrieb auf Inselbetrieb ist
noch der Fall zu unterscheiden, ob der Verbrennungsmotor 20
mit der Asynchronmaschine 22 bereits mitlief oder stand. Ist
er bereits mitgelaufen, so wird er nun auf den geänderten e
lektrischen Energiebedarf geregelt. Stand der Verbrennungsmo
tor 20, wird der Energiebedarf zunächst aus dem Speicher 26
des Gleichstromzwischenkreises 24 gedeckt und anschließend
der Verbrennungsmotor 20 über die vorübergehend als Asyn
chronmotor betriebene Asynchronmaschine 22 gestartet. Darauf
hin übernimmt er die Energieversorgung und lädt den Speicher
26 des Gleichstromzwischenkreises 24 wieder auf.
Ist das öffentliche Versorgungsnetz 16 wieder betriebsbereit
und stabil, wird dieser Zustand von der Überwachungs- und
Steuereinrichtung 38 erkannt, die daraufhin die Synchronität
von Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage zwischen dem Insel
netz 10 und dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 prüft und bei
Abweichungen die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des In
selnetzes 10 so verändert, dass nach einer gewissen Über
gangszeit Synchronität eintritt. Bei Eintritt der Synchroni
tät wird dann das Kuppelschütz 18 geschlossen, und die Ener
gieversorgung der an das Inselnetz 10 angeschlossenen
Verbraucher 12, 14 kann nun im Netzparallelbetrieb oder aus
schließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 erfolgen.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Energieversorgungssys
tems mit einer Brennstoffzelle 48. Diese ersetzt hier den
Verbrennungsmotor 20, die Asynchronmaschine 22 und den Ma
schinenfrequenzumformer 32. Handelt es sich um eine Brenn
stoffzelle, die keine Startphase benötigt, kann zusätzlich
auch der Speicher 26 ersetzt werden. Anderenfalls ist der
Speicher 26 nötig, um in der Startphase elektrische Energie
für das Inselnetz 10 und zum Starten der Brennstoffzelle 48,
insbesondere zu Heizen, bereit zu stellen. Die übrigen Bau
gruppen entsprechen Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Frequenzumformers
28, bestehend aus dem Maschinenfrequenzumformer 32 und dem
Netzfrequenzumformer 30. Dazwischen ist der Gleichstromszwi
schenkreis 24 angeordnet.
Der Maschinenfrequenzumformer 32 und der Netzfrequenzumformer
30 sind dreiphasig ausgebildet mit aktiven Halbleiter-
Stromventilen 42 zur Gleich- und Wechselrichtung bestückt.
Der Aufbau des Maschinenfrequenzumformers 32 und des Netzfre
quenzumformers 30 sind in dieser Hinsicht identisch. Die Un
terschiede liegen lediglich in der Ansteuerung, die von eige
nen Steuereinrichtungen 44 und 46 oder über die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 38 beeinflusst werden kann. Auf diese
Weise ist ein sehr wirtschaftlicher Betrieb mit hohem Wir
kungsgrad möglich.
Parallel zu den aktiven Halbleiter-Stromventilen 42 sind
Halbleiter-Dioden 40 geschaltet. Diese sollen beim Abschalten
der aktiven Halbleiter-Stromventile 42 die durch Induktivitä
ten hervorgerufenen Spannungsspitzen abbauen und so die akti
ven Halbleiter-Stromventile 42 vor Überspannung schützen und
außerdem den Oberwellenanteil im Netz verringern.
Durch den Gleichstromzwischenkreis 24 wird neben einer Spei
cherung von Energie zur Überbrückung von Versorgungslücken
der Asynchronmaschine 22 auch eine variable Drehzahl der A
synchronmaschine 22 zur Anpassung an die jeweils benötigte
Leistung ermöglicht. Anders als bei einer direkten Netzfüh
rung kann die Asynchronmaschine 22 so jeweils im optimalen
Drehzahl- und Leistungsbereich des Verbrennungsmotors betrie
ben werden. Außerdem ist es durch die elektronische Erzeugung
und Stabilisierung der Netzfrequenz möglich, diese bei Insel
betrieb sehr konstant zu halten und auch eine schnelle und
gezielte Synchronisation mit dem öffentlichen Versorgungsnetz
herzustellen, wenn nach vorübergehendem Inselbetrieb wieder
ein Netzparallelbetrieb vorgenommen werden soll.
Claims (25)
1. Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung ei
nes Inselnetzes mit wenigstens einer eigenen Drehstrommaschi
ne, die mit einem Verbrennungsmotor koppelbar oder gekoppelt
ist, mit einem einen Speicher umfassenden Gleichstromzwi
schenkreis, der mit der Drehstrommaschine und mit dem Insel
netz über einen Frequenzumformer verbunden ist, und mit einer
Überwachungs- und Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
- a) dass im Netzparallelbetrieb das Inselnetz über ein Kuppel
schütz mit einem öffentlichen Versorgungsnetz gekoppelt wird
und der Energiebedarf der an das Inselnetz angeschlossenen
Verbraucher
- a) bei stehendem Verbrennungsmotor ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird und
- b) bei laufendem Verbrennungsmotor abhängig vom momentanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Dreh strommaschine, dem Speicher im Gleichstromzwischenkreis und dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird, wobei die Fre quenz des Frequenzumformers und ein mitlaufender Frequenzge nerator durch das öffentliche Versorgungsnetz in der Fre quenz, der Phasenfolge und der Phasenlage synchronisiert wer den oder die Frequenz, die Phasenfolge und die Phasenlage des Frequenzumformers durch den Frequenzgenerator gesteuert wird, der seinerseits durch das öffentliche Versorgungsnetz syn chronisiert wird;
- b) dass bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes auf
Inselbetrieb umgeschaltet wird, in dem das Kuppelschütz ge
öffnet wird und der Energiebedarf der an das Inselnetz ange
schlossenen Verbraucher mit unterbrechungsfreier Phasenfolge
Phasenlage durch den weiterlaufenden Frequenzgenerator
- a) bei stehendem Verbrennungsmotor ausschließlich aus dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird und
- b) bei laufendem Verbrennungsmotor abhängig vom momentanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Dreh strommaschine und dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird;
- c) dass bei Betriebsaufnahme des öffentlichen Versorgungsnet zes der Frequenzgenerator auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes synchronisiert wird und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallel betrieb umgeschaltet wird, in dem das Kuppelschütz zum öf fentlichen Versorgungsnetz geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Frequenzumformer zwischen der Drehstrommaschine und dem
Gleichstromzwischenkreis als Maschinenfrequenzumformer und
zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Inselnetz als
Netzfrequenzumformer betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Speicher des Gleichstromzwischenkreises im Netzparallel
betrieb durch den Netzfrequenzumformer und/oder den Maschi
nenfrequenzumformer aufgeladen oder gepuffert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass ein Energieüberschuss der eigenen Dreh
strommaschine in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass die eigene Drehstrommaschine als Asyn
chronmaschine ausgeführt ist und im Generatorbetrieb der not
wendige Blindleistungsbedarf über den Maschinenfrequenzumfor
mer aus dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verbrennungsmotor mit der Asynchronmaschine in Kraft-
Wärme-Kopplung betrieben wird und im Netzparallelbetrieb sei
ne Leistung und damit Drehzahl nach dem Wärmebedarf ange
schlossener thermischer Verbraucher bemessen wird und im In
selbetrieb seine Leistung und damit Drehzahl nach dem jeweils
benötigten Maximum an elektrischer Energie bemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das benötigte Maximum an elektrischer Energie bestimmt wird,
in dem der mittlere Energiebedarf über eine vom Speicher des
Gleichstromzwischenkreises überbrückbare Zeit ermittelt wird
und dass kurzzeitige Spitzenwerte an Energie vom Speicher ge
puffert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, dass der stehende Verbrennungsmotor durch die
zum Anlassen als Drehstrommotor betriebene Drehstrommaschine
angelassen wird, wobei die Energie aus dem öffentlichen Ver
sorgungsnetz und/oder aus dem Speicher des Gleichstromzwi
schenkreises bezogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, dass bei Umschalten auf Inselbetrieb nach Aus
fall des öffentlichen Versorgungsnetzes und stehendem
Verbrennungsmotor die benötigte Energie zuerst aus dem Spei
cher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird und an
schließend durch Veranlassung der Überwachungs- und Steuer
einrichtung der Verbrennungsmotor angelassen wird und der
weitere Energiebedarf dann vom Drehstromgenerator gedeckt
wird.
10. Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung ei
nes Inselnetzes mit wenigstens einem eigenen Generator, der
mit dem Inselnetz über einen Frequenzumformer verbunden ist,
und mit einer Überwachungs- und Steuereinrichtung, dadurch
gekennzeichnet,
als Generator eine Brennstoffzelle eingesetzt wird,
als Generator eine Brennstoffzelle eingesetzt wird,
- a) dass im Netzparallelbetrieb das Inselnetz über ein Kuppel
schütz mit einem öffentlichen Versorgungsnetz gekoppelt wird
und der Energiebedarf der an das Inselnetz angeschlossenen
Verbraucher
- a) bei abgeschalteter Brennstoffzelle ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird und
- b) bei eingeschalteter Brennstoffzelle abhängig vom momenta nen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der Brennstoff zelle und dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird, wo bei die Frequenz des Frequenzumformers und ein mitlaufender Frequenzgenerator durch das öffentliche Versorgungsnetz in der Frequenz, der Phasenfolge und der Phasenlage synchroni siert werden oder die Frequenz, die Phasenfolge und die Pha senlage des Frequenzumformers durch den Frequenzgenerator ge steuert wird, der seinerseits durch das öffentliche Versor gungsnetz synchronisiert wird;
- b) dass bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes auf Inselbetrieb umgeschaltet wird, in dem die Brennstoffzelle eingeschaltet wird, das Kuppelschütz geöffnet wird und der Energiebedarf der an das Inselnetz angeschlossenen Verbrau cher mit unterbrechungsfreier Phasenfolge Phasenlage durch den weiterlaufenden Frequenzgenerator aus der Brennstoffzelle bezogen wird;
- c) dass bei Betriebsaufnahme des öffentlichen Versorgungsnet zes der Frequenzgenerator auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes synchronisiert wird und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallel betrieb umgeschaltet wird, in dem das Kuppelschütz zum öf fentlichen Versorgungsnetz geschlossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer eine Startphase benötigenden Brennstoffzelle die
elektrische Energie für das Inselnetz während der Startphase
und zum Starten der Brennstoffzelle aus einem aufladbaren
Zwischenspeicher bezogen wird.
12. Energieversorgungssystem zur unterbrechungsfreien Ener
gieversorgung eines Inselnetzes (10) mit wenigstens einer ei
genen Drehstrommaschine (22), die mit einem Verbrennungsmotor
(20) koppelbar oder gekoppelt ist, mit einem einen Speicher
(26) umfassenden Gleichstromzwischenkreis (24), der mit der
Drehstrommaschine (22) und mit dem Inselnetz (10) über einen
Frequenzumformer (28) verbunden ist; und mit einer Überwa
chungs- und Steuereinrichtung (38), dadurch gekennzeichnet,
dass ein von der überwachungs- und Steuereinrichtung (38)
steuerbares Kuppelschütz (18) zwischen dem Inselnetz (10) und
einem öffentlichen Versorgungsnetz (16) angeordnet ist, dass
dem Frequenzumformer (28) ein mitlaufender Frequenzgenerator
(36) zugeordnet ist, wobei die Frequenz, Phasenfolge und Pha
senlage des Frequenzumformers (28) und des mitlaufenden Fre
quenzgenerator (36) durch das öffentliche Versorgungsnetz
(16) synchronisiert sind oder die Frequenz, Phasenfolge und
Phasenlage des Frequenzumformers (28) durch den Frequenzgene
rator (36) gesteuert ist, der seinerseits durch das öffentli
che Versorgungsnetz (16) synchronisiert ist, dass
- a) das Kuppelschütz (18) im Netzparallelbetrieb geschlossen
ist und das Inselnetz (10) mit dem öffentlichen Versorgungs
netz (16) verbindet, wobei der Energiebedarf an das Inselnetz
(10) angeschlossener Verbraucher (12, 14)
- a) bei stehendem Verbrennungsmotor (20) ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) bezogen wird und
- b) bei laufendem Verbrennungsmotor (20) abhängig vom momen tanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Drehstrommaschine (22), dem Speicher (26) des Gleichstromzwi schenkreises (24) und dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) bezogen wird;
- b) das Kuppelschütz (18) bei Ausfall des öffentlichen Versor
gungsnetzes (16) durch Öffnen auf Inselbetrieb umschaltbar
ist und der Energiebedarf der an das Inselnetz (10) ange
schlossenen Verbraucher (12, 14) mit unterbrechungsfreier
Phasenfolge und Phasenlage durch den weiterlaufenden Fre
quenzgenerator (36)
- a) bei stehendem Verbrennungsmotor (20) ausschließlich aus dem Speicher (26) des Gleichstromzwischenkreises (24) bezogen wird und
- b) bei laufendem Verbrennungsmotor (20) abhängig vom momen tanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Drehstrommaschine (22) und dem Speicher (26) des Gleichstrom zwischenkreises (24) bezogen wird;
- c) das Kuppelschütz (18) bei Betriebsaufnahme des öffentli chen Versorgungsnetzes (16) der Frequenzgenerator (36) auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes (16) synchronisierbar ist und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallelbetrieb durch Schließen umschaltbar ist.
13. Energieversorgungssystem nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Frequenzumformer (28) zwischen der
Drehstrommaschine (22) und dem Gleichstromzwischenkreis (24)
einen Maschinenfrequenzumformer (32) und zwischen dem Gleich
stromzwischenkreis (24) und dem Inselnetz (10) einen Netzfre
quenzumformer (30) umfasst.
14. Energieversorgungssystem nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Speicher (26) des Gleichstromzwischen
kreises (24) im Netzparallelbetrieb durch den Netzfrequenzum
former (30) und/oder den Maschinenfrequenzumformer (32) auf
ladbar oder pufferbar ist.
15. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieüberschuss der
eigenen Drehstrommaschine (22) in das öffentliche Versor
gungsnetz einspeisbar (16) ist.
16. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass die eigene Drehstrommaschine
(22) als Asynchronmaschine ausgebildet ist und im Generator
betrieb den notwendigen Blindleistungsbedarf über den Maschi
nenfrequenzumformer (32) aus dem Speicher (26) des Gleich
stromzwischenkreises (24) bezieht.
17. Energieversorgungssystem nach Anspruch 16, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (20) mit der Asyn
chronmaschine (22) in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben und von
der Überwachungs- und Steuereinrichtung (38) so gesteuert
ist, dass im Netzparallelbetrieb seine Leistung und damit
Drehzahl nach dem Wärmebedarf angeschlossener thermischer
Verbraucher bemessen ist und im Inselbetrieb seine Leistung
und damit Drehzahl nach dem jeweils benötigten Maximum an e
lektrischer Energie bemessen ist.
18. Energieversorgungssystem nach Anspruch 17, dadurch ge
kennzeichnet, dass das benötigte Maximum an elektrischer E
nergie dem mittleren Energiebedarf über eine vom Speicher
(26) des Gleichstromzwischenkreises (24) überbrückbare Zeit
entspricht und dass der Speicher (26) zur Überbrückung kurz
zeitiger Spitzenwerte an dient.
19. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis
18, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrommaschine (22)
zum Anlassen des stehenden Verbrennungsmotors (20) als Dreh
strommotor betreibbar ist, wobei die Speiseenergie aus dem
öffentlichen Versorgungsnetz (16) und/oder aus dem Speicher
(26) des Gleichstromzwischenkreises (24) stammt.
20. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis
19, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (22)
flüssigkeitsgekühlt ist und die Abwärme der Flüssigkeit in
den Flüssigkeitskreislauf der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
eingespeist ist.
21. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis
20, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (26) des
Gleichstromzwischenkreises (24) Kondensatoren, Akkumulatoren,
umkehrbare Brennstoffzellen, eine Brennstoffzelle mit E
lektrolyseur oder eine Kombination davon umfasst.
22. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis
21, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenfrequenzumfor
mer (32) und der Netzfrequenzumformer (30) aktiv steuerbare
Halbleiter-Stromventile (42) umfassen, die von einer eigenen
Steuerschaltung oder von der Überwachungs- und Steuereinrich
tung (38) steuerbar sind.
23. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis
22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Netzfreguenzum
former 30 und dem Inselnetz 10 ein Symmetriertransformator 34
angeordnet ist, der zur Festlegung eines Sternpunktes beim
Drehstrom-Inselnetz 10 dient, wobei der Symmetriertransforma
tor 34 in Dreieckschaltung mit dem Netzfrequenzumformer 30
und in Sternschaltung mit dem Inselnetz 10 verbunden ist.
24. Energieversorgungssystem zur unterbrechungsfreien Ener
gieversorgung eines Inselnetzes (10) mit wenigstens einem ei
genen Generator, der mit dem Inselnetz (10) über einen Fre
quenzumformer (30) verbunden ist, und mit einer Überwachungs-
und Steuereinrichtung (38), dadurch gekennzeichnet, dass der
Generator als Brennstoffzelle (48) ausgebildet ist, dass ein
von der überwachungs- und Steuereinrichtung (38) steuerbares
Kuppelschütz (18) zwischen dem Inselnetz (10) und einem öf
fentlichen Versorgungsnetz (16) angeordnet ist, dass dem Fre
quenzumformer (30) ein mitlaufender Frequenzgenerator (36)
zugeordnet ist, wobei die Frequenz, Phasenfolge und Phasenla
ge des Frequenzumformers (30) und des mitlaufenden Frequenz
generator (36) durch das öffentliche Versorgungsnetz (16)
synchronisiert sind oder die Frequenz, Phasenfolge und Pha
senlage des Frequenzumformers (30) durch den Frequenzgenera
tor (36) gesteuert ist, der seinerseits durch das öffentliche
Versorgungsnetz (16) synchronisiert ist, dass
- a) das Kuppelschütz (18) im Netzparallelbetrieb geschlossen
ist und das Inselnetz (10) mit dem öffentlichen Versorgungs
netz (16) verbindet, wobei der Energiebedarf an das Inselnetz
(10) angeschlossener Verbraucher (12, 14)
- a) bei abgeschalteter Brennstoffzelle (48) ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) bezogen wird und
- b) bei eingeschalteter Brennstoffzelle (48) abhängig vom mo mentanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der Brenn stoffzelle (48) und dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) be zogen wird;
- b) bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes (16) die Brennstoffzelle (48) einschaltbar und das Kuppelschütz (18) durch Öffnen auf Inselbetrieb umschaltbar ist und der Ener giebedarf der an das Inselnetz (10) angeschlossenen Verbrau cher (12, 14) mit unterbrechungsfreier Phasenfolge und Pha senlage durch den weiterlaufenden Frequenzgenerator (36) aus der Brennstoffzelle (48) bezogen wird;
- c) dass das Kuppelschütz (18) bei Betriebsaufnahme des öf fentlichen Versorgungsnetzes (16) der Frequenzgenerator (36) auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes (16) synchronisierbar ist und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallelbetrieb durch Schließen umschaltbar ist.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer eine Startphase benötigenden Brennstoffzelle (48)
zusätzlich ein aufladbarer Zwischenspeicher vorgesehen ist,
aus dem die elektrische Energie für das Inselnetz während der
Startphase und zum Starten der Brennstoffzelle (48) bezogen
wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19953238A DE19953238A1 (de) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | Verfahren zur Energieversorgung und Energieversorgungssystem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19953238A DE19953238A1 (de) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | Verfahren zur Energieversorgung und Energieversorgungssystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19953238A1 true DE19953238A1 (de) | 2001-05-17 |
Family
ID=7927998
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19953238A Withdrawn DE19953238A1 (de) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | Verfahren zur Energieversorgung und Energieversorgungssystem |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19953238A1 (de) |
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