DE202012006090U1 - Anordnung mit einer statischen Ein-/Rückspeiseeinheit und mit einer Verbrennungsmotor-Generatoreinheit - Google Patents

Abstract

Anordnung mit einer statischen Ein-/Rückspeiseeinheit und mit einer Verbrennungsmotor-Generatoreinheit, wobei Mittel für eine kontinuierliche Korrektur und für eine dynamische Stützung des Energieverteilungsnetzes vorgesehen sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer statischen Ein-/Rückspeiseeinheit und mit einer Verbrennungsmotor-Generatoreinheit, insbesondere gasbetriebenen Verbrennungsmotor-Generatoreinheit, zur Erzeugung von Energie für ein Energieverteilungsnetz.
• Aufgrund der speziellen Eigenschaften eines Verbrennungsmotors, welcher Energie zur Einspeisung in ein Energieverteilungsnetz erzeugt, kann es vorkommen, dass dieser durch von einer Solldrehzahl abweichende Drehzahlen Energiespitzen erzeugt, welche sich störend auf das Energieverteilungsnetz auswirken. Darüber hinaus können beispielsweise aufgrund einer Absenkung der Netzspannung (Kurzschluss im Netz)-Netzstörungen auftreten, was eine Belastung der Verbrennungs-Generatoreinheit bewirkt.
• Eine Kompensation der Phasenlage und der Frequenz wird gewöhnlich durch die regelungstechnisch „träge” Generator-Regelung der Motor-Generatoreinheit gewährleistet, wobei zukünftig auch eine temporäre Abweichung durch den Netzbetreiber nicht mehr akzeptiert wird. Eine gesetzlich vorgeschriebene Fähigkeit zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung (Blindleistung) kann durch die Überdimensionierung der Generatoreinheit und der Übertragerelemente verwirklicht werden.
• Um die genannten, insbesondere durch abweichende Drehzahlen des Verbrennungsmotors verursachte, Störungen zu vermeiden, sind daher geeignete Maßnahmen erforderlich.
• Es ist eine kontinuierliche Korrektur und dynamische Stützung des Energieverteilungsnetzes vorgesehen. Dabei sind elektrische Größen in Form von Spannung, Strom, Frequenz und Phasenlage entsprechend zu regeln und für eine Zeitspanne aufrechtzuerhalten. Insbesondere die statische Ein-/Rückspeiseeinheit (im Folgenden als Einrückspeiseeinheit bezeichnet), welche für die Speisung eines Gleichstromzwischenkreises benutzt wird, an welchen DC-AC oder DC-DC-Wandler zum Zweck der Energieumwandlung in eine rotative oder chemische Energieform angeschlossen werden können, wird mit einem oder mehreren Energiespeichern (Kondensatoren, Supercaps) beschaltet. Derartige Energiespeicher erlauben hoch dynamisch und alterungsbeständig eine Ladung und Entladung. Ferner ist eine Steuereinheit (Local-Grid-Controller (LGC)) einer Netzkompensationseinrichtung dazu ausgebildet, den aktuellen Netzistzustand zeitnah zu erfassen, diesen Istwert mit den vorgegebenen Grenzwerten zu vergleichen und basierend auf einem Modell die entsprechenden Reaktioen der beteiligten Erzeuger-Übertrager-Speichereinheiten zu koordinieren, bzw. diese vor Beschädigung durch Grenzwertüberschreitungen zu schützen. Diese Maßnahme ist wegen der speziellen Eigenschaften des (Gas-)Verbrennungsmotors vorgesehen, da dieser durch Beeinflussung der Zündung bzw. des Zündzeitpunktes bzw. der Gemischaufbereitungen (Motormanagement) in besonderer Form dynamisch angesteuert wird, um eine Energiespitze in Form von Überdrehzahl dynamisch abfangen zu können.
• Die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung in Form einer Aufzählung näher erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt eine Anordnung, welche im Wesentlichen eine mit einem kapazitiven Speicher versehene statische Ein-/Rückspeiseeinheit, eine Steuereinheit (LGC), einen chemischen Speicher und eine gasbetriebene Verbrennungsmotor-Generatoreinheit umfasst.
• – Netzgeführte Wechselrichter auf Basis schnell schaltender Leistungshalbleiter zur Energiesteuerung eines Gleichstromkreises sind systembedingt in der Lage, einem an den Gleichstromkreis direkt oder indirekt angeschlossenen physikalischen Energie-Speicher elektrische Energie zuzuführen, bzw. die Energie aus dem Speichermedium entweder direkt oder über die entsprechenden Wandler wieder dem Netz zurückzuführen.
• – Entsprechend der physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften der Energiespeicher und der elektrischen Eigenschaften der Wandler ist der Energietransport mit Reaktionszeiten behaftet. Die Energiespeicher sind deshalb entsprechend der erforderlichen Reaktionszeit auszuwählen, bzw. die Energiespeicher sind in Kombination zur Abdeckung der Reaktionszeitbereiche anzuordnen.
• – Angeschlossene Energiespeicher an den durch den Wechselrichter gespeisten Gleichstromkreis besitzen die physikalische Eigenschaft, eine netzseitige Verschiebung der elektrischen Größen, im Besonderen von Strom und Spannung, zueinander zu erzeugen.
• – Energiespeicher auf dem durch den Wechselrichter gespeisten Gleichstromkreis besitzen die physikalische Eigenschaft, Energie einem Netz zu entziehen oder Energie einzubringen.
• – Energiespeicher an einem Gleichstromkreis sind so zu bemessen, dass spezifizierte symmetrische zyklische Energieschwankungen und dass ein azyklischer Energieüberschuss oder ein Mangel an Energie ausgeglichen werden kann.
• – Die von der Soll-Vorgabe abweichenden elektrischen Größen am Energie-Übergabepunkt können mit der Einrückspeiseeinheit so gesteuert werden, dass • der regelungstechnische Mangel der Erzeugerquellen kompensiert wird, • die regelungstechnischen Übertragungsstrecken von den Erzeugerquellen zum Übergabepunkt kompensiert werden, • die Erzeugerquellen von nicht zur Wirkleistung beitragenden Strömen entlastet werden und damit elektrisch und mechanisch nicht überdimensioniert werden müssen.
• – Wenn die elektrische Kompensation in der Übertragereinheit (Trafo) am Übergabepunkt stattfindet, wirkt sich das in der Dimensionierung der Übertragereinheit positiv aus.
• – Die statische Einrückspeiseeinheit kann so gesteuert werden, dass im statisch eingeschwungenen Speisezustand der Energieerzeugereinheiten kein Einfluss auf die Form der elektrischen Größen vorgenommen werden muss. D. h. wenn Spannung, Strom, Phasenlage und die Frequenz statisch der Soll-Vorgabe entsprechen, kann diese Einheit in einen Stand-By-Betrieb geschaltet werden.
• – Es wird der Mittelspannungsschalter von der zentralen Steuereinheit beeinflusst, welche in Abhängigkeit der Netz- und Einspeisebedingungen eine Unterspannungs-Auslösung bedarfsgerecht verzögert.
• – Die statische Einrückspeiseeinheit, welche gewöhnlich für die Speisung eines Gleichstromzwischenkreises benutzt wird, an welchen gewöhnlich DC-AC oder DC-DC-Wandler zum Zweck der Energieumwandlung in eine rotative oder chemische Energieform angeschlossen werden können, wird mit einem oder mehreren Energiespeichern (Kondensatoren, Supercaps) beschaltet, welche hoch dynamisch und alterungsbeständig eine Ladung und Entladung erlauben.
• – Die Energieaufladung der Energiespeicher (kapazitiver Speicher) am DC-Zwischenkreis kann durch einen vorausgehenden störungsfreien Betrieb durch die vom Gasverbrennungsmotor angetriebenen Generatoren oder alternativ durch eine aus der Abwärme betriebene Wandlereinheit (Abgas-Microturbine) oder mittels des chemischen Speichers vorgeladen werden. Selbstverständlich ist auch eine Vorladung mittels des Netzes möglich.
• – Die Energie z. B. einer Microturbine (DC-DC-Wandler) kann nach abgeschlossener Speicherladung über den LGI (Local-Grid-Inverter) zur Erhöhung des System-Gesamtwirkungsgrades dem Einspeisepunkt zugeführt werden.
• – Die Steuereinheit der Netzkompensationseinrichtung ist dazu ausgebildet, den aktuellen Netzistzustand zeitnah zu erfassen, diesen Istwert mit den vorgegebenen Grenzwerten zu vergleichen und basierend auf einem Modell die entsprechenden Reaktionen der beteiligten Erzeuger-Übertrager-Speichereinheiten zu koordinieren, bzw. diese vor Beschädigung durch Grenzwertüberschreitungen zu schützen.
• – Wegen der speziellen Eigenschaften des Gasverbrennungsmotors ist vorgesehen, diesen durch Beeinflussung der Zündung bzw. des Zündzeitpunktes bzw. der Gemischaufbereitungen (Motormanagement) in besonderer Form dynamisch anzusteuern, um eine Abweichung vom aktuellen Arbeitspunkt dynamisch abfangen zu können.
• – Es ist eine dynamische Einflussnahme auf den Einspeisepunkt vorgesehen, damit die mit dem Motor mechanisch verbundene Generator-Regeleinheit keine Abweichung von den Betriebsbedingungen erkennt und die Regeleinheit keine Regelaktivitäten bzw. keine Fehlererkennung und Abregelung veranlasst.
• – Es ist vorteilhaft, die Regeleinheiten im Verbrennungsmotormanagement, die Generatorregelung und die Netzkompensationseinrichtung von zentraler Stelle in Abhängigkeit der Netzerfordernisse aufeinander regelungstechnisch abzustimmen. Das kann durch ein Prozessbild-Archiv geschehen, welches die Betriebsfälle beinhaltet und das Gesamtsystem mit allen Teilnehmern stoßfrei und dynamisch in geeigneter Weise vorsteuert.
• – Zur dynamischen Steuerung der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ist die partielle Abschaltung von Zündkreisen und die Zündzeitpunktbeeinflussung geeignet.
• – Der Energieinhalt der Speichermedien ist so zu dimensionieren, dass die durch die Verbrennungsmotor-Generatoreinheit spezifizierte Leistung für den Zeitraum der spezifizierten Netzstörung durch den LGI dem Netz zugeführt werden kann.
• – Die Speichermedien sind so zu kombinieren, dass sehr dynamische Korrekturgrößen aus dem physikalischen Speicher, weniger dynamische aus dem chemischen Speicher entnommen werden. Die Grenze ist nach wirtschaftlichen Randbedingungen zu definieren. Die Dimensionierung ist so vorzusehen, dass höherfrequente zyklische Lade- u. Entladevorgänge im Falle des chemischen Speichers zu vermeiden sind.
• – Im Falle eines elektrischen Lastabwurfes neigen die Drehzahlen gasbetriebener Verbrennungsmotoren zu Überschwingungen, da die Energiezuführung nicht zeitnah gestoppt werden kann. Die im Übergabepunkt angeschlossene Gleichstromzwischenkreis-Speiseeinheit wird bestimmungsgemäß mit dieser Energiespitze die am DC-Kreis angeschlossenen Speicher aufladen. Eine Ladung über den spezifizierten Spannungs-Grenzwert kann durch den Einsatz eines hochdynamischen Choppers mit Hilfe eines ohmschen Widerstandes in thermische Energie umgewandelt werden.
• – Die ”Korrekturenergie” aus der statischen Einrückspeiseeinheit kann direkt dem Einspeisepunkt zugeführt werden. Alternativ ist eine Einspeisung in eine potenzialfreie Hilfwicklung mit höherer Spannung realisierbar – z. B. 690 Vac = > 1000 Vdc (eine höhere Zk-Spannung kann höhere Energiedichten im Speichermedium bei niedrigeren Verlusten erlauben: E = ½ × C × U²). Die Wicklung ist entsprechend der geforderten Dauer-Blindleistung auszulegen. Für die Einspeisung der Stützleistung kann für wenige 100 ms die Überlastfähigkeit der Trafo-Wicklung, Leitungen und der Speiseeinheiten ausgenutzt werden.

Claims (1)

1. Anordnung mit einer statischen Ein-/Rückspeiseeinheit und mit einer Verbrennungsmotor-Generatoreinheit, wobei Mittel für eine kontinuierliche Korrektur und für eine dynamische Stützung des Energieverteilungsnetzes vorgesehen sind.

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