DE4232516A1 - Autonomes modulares energieversorgungssystem fuer inselnetze - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur autonomen modularen Energieversorgung mit
Photovoltaik- und Windenergieeinspeisung zur Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer
Energie aus einem Inselnetz.
In den letzten Jahren hat die Gewinnung elektrischer Energie aus Sonne und Wind gerade in
abgelegenen Gebieten zunehmend Anwendung gefunden. Aufgrund der steigenden Energie
preise ist insbesondere die Nutzung der Windenergie in den wirtschaftlichen Bereich gerückt.
Vor diesem Hintergrund sind autonome Energieversorgungssysteme in hybrider Technik ent
wickelt worden, welche es erlauben, den Dieselmotor abzuschalten, wenn Sonnen- und Wind
energie in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Die Nutzung des existierenden Energie
speichers ermöglicht, die Dieselmotorlaufzeiten und die Anzahl seiner Starts zu minimieren.
Die Nutzung eines parallel arbeitenden stromrichtergespeisten Batteriespeichers ermöglicht, in
Schwachwindzeiten die Energie aus der Batterie in das Inselnetz einzuspeisen und somit eine
gewisse Wirkleistungskompensation zum Ausgleich von Lastschwankungen vornehmen zu kön
nen. Ein derartiges System mit Synchronmaschine als rotierendem Phasenschieber ist in den
letzten Jahren entwickelt worden; es wird heute mit Erfolg z. B. auf der irischen Insel Cape
Clear eingesetzt (vgl. G. Cramer, R. Grebe (SMA Regelsysteme GmbH), Wind-Diesel-
Batteriesystem auf Cape Clear/Irland, Statusbericht für das Jahr 1990 zum Forschungsvorha
ben O3E-8536-B des Bundesministeriums für Forschung und Technologie).
Ein Nachteil dieses Systems ist durch die Tatsache gegeben, daß zur Netzführung, d. h. zur
Spannungshaltung und Blindleistungskompensation mindestens eine Synchronmaschine im Pha
senschieberbetrieb ständig mitlaufen muß. Sie ist in ihrer Nennleistung auf die des Netzes an
gepaßt und verursacht aufgrund dessen nennenswerte Leerlaufverluste, Geräusche sowie War
tungsaufwendungen, die durch den Einsatz eines selbstgeführten Stromrichters mit modernen
Leistungshalbleitern erheblich verringert werden können; hierzu wird z. B. auf Ch. Duca, F.
Feilcke, Wirkungsgradoptimierte USV-Anlagen, etz Bd. 111(1990), Heft 20, S. 1048-1057
verwiesen. Über Wirkungsgradverbesserungen und eine Erhöhung der Regeldynamik kann die
Wirtschaftlichkeit und Spannungs-Frequenzhaltung des Gesamtsystems verbessert werden.
In letzter Zeit sind auch moderne Windkonverter mit Stromrichtereinspeisung auf den Markt
gekommen, die eine 5-20% höhere Energieausbeute haben. Diese können jedoch an das
vorhandene Wind-Photovoltaik-Batterie-Dieselsystem nicht so ohne weiteres angeschlossen
werden, da sie starke Blindleistungsschwankungen verursachen, die aufgrund der geringen Re
geldynamik des Synchronphasenschiebers nur unzulänglich dynamisch kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein autonomes modulares Wind-Photovoltaik-Batterie-Diesel
system zu konzipieren, bei dem die zur Netzführung bisher heute notwendige Synchronma
schine ersetzt wird und ein System entwickelt wird, mit dem eine Wirk- und Blindleistungs
kompensation mit Spannungseinprägung auf der Gleichstromseite erfolgen kann. Darüber hin
aus soll durch Verwendung von erprobten auf dem Markt verfügbaren Komponenten die Mo
dularität und Wirtschaftlichkeit der Anlage erreicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, vorteil
hafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anstelle eines netzgeführten Umkehrstromrichters zur Wirkleistungskompensation, d. h. zur
Ladung und Entladung eines Batteriespeichers, sowie eines Synchronmaschinenphasenschiebers
zur Blindleistungskompensation wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) mit am
Eingang angeschlossenem Notstromaggregat verwendet. Derartige unterbrechungsfreie Strom
versorgungen sind an sich bekannt und werden z. B. bereits zur gezielten Speisung von Com
puteranlagen verwendet. Hier sollen sie zur Inselnetzführung eingesetzt werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer derartigen Anlage, Fig. 2 ein Ausführungsbei
spiel für eine autonome Energieversorgung.
In Fig. 1 ist ein Inselnetz 1 dargestellt, das von einer Anlage her über einen Verteiltransforma
tor 3d von einem selbstgeführten Stromrichter 3c aus einer Batterie 3b gespeist wird. Die Bat
terie 3b wiederum kann neben der Ladung durch den selbstgeführten Wechselrichter 3c bei
Rückspeisebetrieb im Falle genügender Energieeinspeisung durch Photovoltaikanlage 4 bzw.
durch die Windkonverter 5 auch über ein Notstromaggregat 3f, 3g mit elektrischer Energie
versorgt werden, wobei ein gesteuerter Gleichrichter 3a als Batterieladegerät dient. Der selbst
geführte Stromrichter 3c hat die Aufgabe, die Netzspannung des Inselnetzes 1 trotz eines
schwankenden Energieangebots (Wind) und wechselnder Lasten 6 weitgehend konstant zu hal
ten. Eine Filteranlage 2 dient zur Kompensation der Stromoberschwingungen im Netz, die von
den netzgeführten Stromrichtern 4a, 5a hervorgerufen werden. Die Grundschwingungsblind
leistungskompensation übernimmt die Filteranlage 2 ebenfalls, soweit es sich um die vorher
sehbaren statischen Anteile handelt. Die dynamischen Anteile, die ursächlich mit Spannungs
schwankungen im Zusammenhang stehen, werden vom selbstgeführten Stromrichter 3c abge
geben (kapazitiv) bzw. aufgenommen (induktiv).
Die Batterie 3b ist als elektrochemischer Speicher derart ausgelegt, daß die Differenz zwischen
Energieangebot und -nachfrage gedeckt werden kann (sog. Wirkleistungskompensation). Auf
diese Weise wird das Dieselaggregat 3f, 3g zum Notstromaggregat, welches nur in Betrieb
geht, wenn ein Mindestladezustand des Batteriespeichers unterschritten ist. Dies hat mehrere
Vorteile. Zum einen wird durch nichtige Speicherdimensionierung der Betrieb des Dieselmo
tors auf ca. 0-30% der Gesamtbetriebsdauer des Systems reduziert, wodurch sich erhebliche
Treibstoffersparnisse einstellen. Zum anderen kann in Zeiten schwachen Energieangebots das
Notstromaggregat zur gleichzeitigen Speicheraufladung und Verbraucherversorgung durch
Schließen der Überschalteinrichtung 3e eingesetzt werden. Das Dieselaggregat wird so über
wiegend unter Vollast betrieben, welches zu weiteren Treibstoffersparnissen führt, weil der
Vollastbetrieb im allgemeinen einen besseren Wirkungsgrad als der Betrieb im Teillastbereich
aufweist.
Bei Windkonvertern sind heute zwei grundsätzliche Typen zu unterscheiden. Es gibt zum einen
teilweise windgeführte Anlagen mit variabler Drehzahl und Stromrichterleistungsregelung 5a.
Bei diesen Anlagen wird die Drehzahl des Rotors 5d bzw. die der Synchronmaschine 5b, die
über ein Getriebe 5c mit diesem gekoppelt ist, entsprechend der Windgeschwindigkeit ange
paßt. Hierdurch erhöht sich der Energieertrag. Bei Windkonverteranlagen mit quasi fester
Drehzahl entfällt die elektronische Leistungsregelung. Anstelle der Synchronmaschine 5b wird
eine Asynchronmaschine 5e eingesetzt, die ihren Schlupf entsprechend dem Windangebot
selbst einstellt. Die zum Betrieb erforderliche Blindleistung wird bei beiden Anlagentypen von
der USV-Anlage und dem Filter 2 geliefert. Dies gilt auch für die Blindleistung, welche der
netzgeführte Stromrichter der Photovoltaikanlage und die Verbraucher aufnehmen.
Das Energiemanagement der Anlage wird von der Betriebsführungseinrichtung 7 vorgenom
men, die aus einem herkömmlichen Automatisierungssystem mit entsprechender Software be
steht.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine autonome Energieversorgung, wie sie für ei
ne griechische Insel mit ca. 300 MWh/a Energieverbrauch geplant ist. Das dreiphasige 400 V-
Inselnetz mit 50 Hz Netzfrequenz wird mit zwei USV-Anlagen 3, 3′ gespeist, die jeweils von
einem Notstromaggregat 3gf, 3′gf mit 60 kVA versorgt werden können. Ein weiteres 40 kVA-
Modul 3 dient der Deckung von Überlasten in Zeiten zu geringem Sonnen- und Windange
bots. Dieses wird dann mittels der Thyristor-Überschalteinrichtung 3h an das Netz 1 geschal
tet, wobei es sich selbsttätig auf die Netzspannung synchronisiert, die von den beiden
selbstgeführten Wechselrichtern 3e, 3e′ der USV-Anlage geliefert wird.
Die installierte Leistung dieser Energieversorgungsanlage wird durch die maximal entnehmba
re Verbraucherleistung 6, 6′ bestimmt, welche hier in zwei Gruppen mit unterschiedlicher
Versorgungspriorität aufgeteilt sind.
Bei einer angenommenen Verbraucherleistung von z. B. 150 kW bzw. 200 kVA betragen die
Typenleistungen beider USV-Anlagen je 100 kVA. Sie decken damit die Blindleistung der bei
den Windkonverteranlagen 5, 5′ mit 80 kWp (100 kVA) und die der Photovoltaikanlage 4 mit
25 kWp (40 kVA). Die erforderliche Blindleistung der parallel arbeitenden über netzgeführte
Stromrichter angeschlossenen Solar- bzw. Windgeneratoren beträgt darum bei einem mittleren
angenommenen Leistungsfaktor von cos ϕ = 0,8 QΣ = (2×60 + 24) kVAr ca. 150 kVAr.
Es bleiben 50 kVAr als Regelreserve für die USV-Anlage zur Spannungsstabilisierung übrig.
Die Verbraucherblindleistung in Höhe von 120 kVAr (ind.) wird durch das Filter 2 gedeckt.
Es kompensiert auch die Oberschwingungen der Stromrichterströme.
Die Wirkleistung der Verbraucher in Höhe von 150 kW wird in Normalbetrieb von den Wind
konverten 5, 5′ und dem Solargenerator 4 gedeckt, wobei die Wirkleistungsschwankungen
von der USV-Anlage ausgeglichen werden. Die Batteriespeicher werden so dimensioniert, daß
die Differenz zwischen der angebotenen und nachgefragten Augenblicksleistung gedeckt wer
den kann, ohne daß die Notstromaggregate 3gf, 3′gf eingeschaltet werden müssen. So ist im
Nennbetrieb eine Speisung der Verbraucher aus den regenerativen Quellen möglich.
Erst wenn die Speicher entladen sind und die nachgefragte Leistung nicht geringer geworden
ist, erfolgt eine Zuschaltung aller Notstromaggregate. Die Differenz zur nachgefragten Ver
braucherleistung und der Nennleistung der Notstromaggregate trägt zur Aufladung der Batte
riespeicher bei.
Sollte das Angebot an Solar- und Windenergie weiter zurück gehen, werden die Verbraucher
mit geringerer Priorität 6′ so lange abgeschaltet, bis alle Batteriespeicher wieder aufgeladen
sind.
Im Falle eines weit ausgedehnten Netzes kann am Ende einer Stichleitung zur Spannungssta
bilisierung eine USV-Anlage ohne Notstromaggregat 7 zum Ausgleich der Wirk- und Blind
strompendelung installiert werden. Auf die Weise können Flickererscheinungen, hervorgerufen
durch Schaltvorgänge im Netz und Spannungsabfälle auf der Leitung, mit Geräten derselben
Technologie vermieden werden bzw. die Kurzschlußleistung an diesen Stellen auf den ge
wünschten Wert erhöht werden.
Sollten ein oder zwei der selbstgeführten Stromrichter 3c, 3′c der USV-Anlage ausfallen, so
werden die zugehörigen Leistungsschalter 3i geschlossen und alle drei Notstromaggregate ge
startet. Die Anlage ist derart ausgelegt, daß in diesem Fall die Netzführung von den Synchron
maschinen übernommen wird und ein Betrieb der Anlage bei Nennlast auch im Fehlerfall ge
geben ist. Erst beim Ausfall weiterer Einheiten muß die Verbraucherleistung durch Abschalten
der Verbrauchergruppe mit niedrigerer Priorität 6′ verringert werden. Nachteilig ist jetzt na
türlich der Treibstoffverbrauch, das Abgas und die Geräusche der Notstromaggregate.
Claims (7)
1. Verfahren zur autonomen modularen Energieversorgung mit Photovoltaik- und Wind
energieeinspeisung zur Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie aus ei
nem Inselnetz ist dadurch gekennzeichnet, daß für eine Netzführung mit unterbrechungsfreier
Stromversorgung (USV) eine Anordnung (3) bestehend aus einem netz
geführten Stromrichter (3a), einer Batterie (3b), einem selbstgeführten Stromrichter
(3c), einem Transformator (3d), einem Filterkreis (2) und einem Notstromaggregat (3f,
3g) mit Überschalteinrichtung (3e) eingesetzt wird, bei der im Normalbetrieb das Not
stromaggregat (3f, 3g) abgeschaltet ist, und Photovoltaik- und Windkonverteranlagen
(4, 5) die Versorgung der Verbraucher (6) und die Ladung der Batterie (3b) über den
selbstgeführten Wechselrichter (3c) übernehmen und daß nur im Falle einer nicht aus
reichenden Einspeisung aus den regenerativen Energiequellen Sonne und Wind die feh
lende Energie in umgekehrter Richtung zunächst aus der Batterie (3b) und, falls diese
zur Überbrückung der Lücken im Energieangebot nicht ausreicht, mittels des Notstrom
aggregates (3f, 3g) gedeckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten des Not
stromaggregates (3f, 3g) für eine Aufladung der Batterie (3b) die Überschalteinrichtung
(3e) zur elektrischen Verbindung des Notstromaggregates (3f, 3g) mit dem Inselnetz (1)
von der Betriebsführung (7) eingeschaltet und die vom Aggregat erzeugte elektrische
Energie zur Ladung der Batterie (3b) und Versorgung der Verbraucher (6) genutzt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der
Verfügbarkeit beim Ausfall des selbstgeführten Stromrichters (3c) das Notstromaggre
gat (3f, 3g) gestartet, die Überschalteinrichtung (3e) geschlossen und die Versorgung
der Verbraucher (6) sowie die Netzführung von der Synchronmaschine (3g) des Not
stromaggregates übernommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
im Falle redundanter Notstromaggregate und USV-Anlagen jeweils eine USV-Anlage
mit einem weiteren Notstromaggregat gekoppelt wird und diese zur Leistungssteigerung
des Netzes synchronisiert betrieben werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Blind- und Oberschwingungsstromkompensation in Ausläufern des Inselnetzes eine
Filteranlage (2) oder eine USV-Anlage ohne angeschlossenem Notstromaggregat (3f,
3g) und netzgeführtem Stromrichter (3a) vorgesehen wird, wobei die USV-Anlage bei
entsprechender Auslegung der Batterie (3b) neben der Blindstromkompensation auch
zur Wirkstromkompensation mitbenutzbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Langzeitenergiespeicherung ein Pumpspeicherwerk mit Wasserkraftgeneratoren vor
gesehen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zur umkehrbaren Langzeitenergiespeicherung im Gleichspannungszwischenkreis der
USV-Anlage parallel oder anstelle der Batterie (3b) eine Brennstoffzelle mit Elektro
lyseur bzw. eine umkehrbare Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Sekundärträger einge
setzt wird.
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