DE4232516C2 - Autonomes modulares Energieversorgungssystem für Inselnetze - Google Patents

Autonomes modulares Energieversorgungssystem für Inselnetze

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur autonomen modularen Energieversorgung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Eine Schaltungsanordnung der angegebenen Art ist durch den Aufsatz von Piller, W. und Wagner, A.:
"Photovoltaische Stromversorgung eines abgelegenen Einödhofs" In: Elektrizitätswirtschaft, 1989, H. 15, S. 985-988 bekannt.
In der DE 32 36 071 C2 ist eine Vorrichtung zur Parallel­ einspeisung in ein Wechsel- oder Drehstromnetz beschrieben, die einen selbstgeführten, von einer Batterie gespeisten Stromrichter mit einem seinem wechsel- oder drehstromseitigen Ausgang nachgeordneten Filter aufweist. Der Stromrichter kann eine Last auch im Inselbetrieb speisen. Der Stromrichter wird mittels Vergleichs seines Ausgangsspannungsvektors mit dem Netzspannungsvektor und Aufschaltung der Differenz nach Betrag und Phase auf seine Stellgrößen synchronisiert und damit ohne Ausgleichsvorgänge parallel zum Netz geschaltet. Die genannte Patentschrift gibt neben der Synchronisation keinen Hinweis über die Art der Zusammenwirkung des batteriegespeisten Stromrichters mit anderen das Netz, insbesondere im Insel­ betrieb speisenden Energiequellen.
Die eingangs angegebene, durch den zuvor zitierten Aufsatz von Piller und Wagner bekannte Anordnung besteht aus einer einfachen gleichspannungsseitigen Parallelschaltung einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage (USV) und von Solar- und Dieselaggregaten mit nach geschalteten Choppern und Gleichrichtern, die mittels eines gemeinsamen Wechselrichters mit Drehstromverbrauchern verbunden sind. Eine zusätzliche Energiequelle in der Form der Umwandlung von Windenergie ist nicht vorgesehen. Die gesamte für die Drehstromverbraucher erforderliche Wirkleistung wird in einer Richtung über den Wechselrichter übertragen, über den auch die benötigte Blindleistung fließt. Die Blindleistung stellt sich - ohne daß eine gezielte Blindleistungskompensation vorgesehen ist - je nach Bedarf ein. Erst beim Ausfall der Photovoltaikanlage speist das Dieselaggregat die Energie direkt auf die Verbraucher.
In den letzten Jahren hat die Gewinnung elektrischer Energie aus Sonne und Wind gerade in abgelegenen Gebieten zunehmend Anwendung gefunden. Aufgrund der steigenden Energiepreise ist insbesondere die Nutzung der Windenergie in den wirtschaft­ lichen Bereich gerückt.
Vor diesem Hintergrund sind autonome Energieversorgungssysteme in hybrider Technik entwickelt worden, welche es erlauben, den Dieselmotor abzuschalten, wenn Sonnen- und Windenergie in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Die Nutzung des existierenden Energiespeichers 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 Wirkleistungs­ kompensation zum Ausgleich von Lastschwankungen vornehmen zu können. Ein derartiges System mit einer 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), Winddiesel-Batteriesystem auf Cape Clear/Irland, Statusbericht für das Jahr 1990 zum Forschungsvorhaben 03E-8536-B des Bundesministeriums für Forschung und Technologie).
Durch den Aufsatz von Cramer, G.: "Modulares elektrisches Energieversorgungssystem" In: etz, 1987, H. 22, S. 1080-1085 ist ein elektrisches Energieversorgungssystem bekannt, bei dem Windenergieanlagen, ein Dieselaggregat und über einen netzgeführten Stromrichter ein Kurzzeitbatteriespeicher parallel in ein Drehstrom-Inselnetz einspeisen. Im Normalbetrieb ist die Netzführung zwischen dem Dieselaggregat als rotierendem Phasenschieber für die Blindleistungs­ kompensation und dem Batteriespeicher für die Wirkleistungs­ kompensation aufgeteilt.
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 sind, 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 Synchronmaschine ersetzt wird und ein System entwickelt wird, mit dem eine Wirk- und Blindleistungskompensation mit Spannungs­ einprägung auf der Gleichstromseite erfolgen kann. Darüber hinaus soll durch Verwendung von erprobten auf dem Markt verfügbaren Komponenten die Modularität und Wirtschaftlichkeit der Anlage erreicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anstelle eines netzgeführten Umkehrstromrichters zur Wirk­ leistungskompensation, d. h. zur Ladung und Entladung eines Batteriespeichers, sowie eines Synchronmaschinenphasen­ schiebers zur Blindleistungskompensation wird eine unter­ brechungsfreie Stromversorgung (USV) mit am Eingang angeschlossenem Notstromaggregat verwendet. Derartige unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind an sich bekannt und werden z. B. bereits zur gezielten Speisung von Computeranlagen 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 Ausführungsbeispiel für eine autonome Energieversorgung.
In Fig. 1 ist ein Inselnetz 1 dargestellt, das von einer Anlage her über einen Verteiltransformator 3d von einem selbstge­ führten Wechselrichter 3c aus einer Batterie 3b gespeist wird. Die Batterie 3b wiederum kann neben der Ladung durch den selbstgeführten Wechselrichter 3c bei Rückspeisebetrieb im Falle genügender Energieeinspeisung durch eine Photovoltaik­ anlage 4 bzw. durch die aus den Einzelteilen 5a-5g bestehenden Windkonverter 5 auch über ein Notstromaggregat 3f, 3g mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei ein gesteuerter Gleichrichter 3a als Batterieladegerät dient. Der selbstgeführte Wechselrichter 3c hat die Aufgabe, die Netzspannung des Inselnetzes 1 trotz eines schwankenden Energieangebots (Wind) und wechselnder Lasten 6 weitgehend konstant zu halten. Eine Filteranlage 2 dient zur Kompensation der Stromoberschwingungen im Netz, die von den netzgeführten Stromrichtern 4a, 5a hervorgerufen werden. Die Grund­ schwingungsblindleistungskompensation übernimmt die Filteranlage 2 ebenfalls, soweit es sich um die vorhersehbaren statischen Anteile handelt. Die dynamischen Anteile, die ursächlich mit Spannungsschwankungen im Zusammenhang stehen, werden vom selbstgeführten Stromrichter 3c abgegeben (kapazitiv) bzw. aufgenommen (induktiv).
Die Batterie 3b ist als elektrochemischer Speicher derart ausgelegt, daß die Differenz zwischen Energieangebot und -nachfrage gedeckt werden kann (sog. Wirkleistungskompen­ sation). 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 richtige Speicherdimensionierung der Betrieb des Dieselmotors 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 cosϕ = 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 konvertern 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 31 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 (8)

1. Schaltungsanordnung zur autonomen modularen Energie­ versorgung von an ein Inselnetz angeschlossenen Wechselstrom- Verbrauchern (6)
  • - durch eine Photovoltaikanlage (4) mit einem Stromrichter (4a),
  • - durch ein im Notfall mittels einer Überschalteinrichtung (3e) direkt an das Inselnetz gelegtes Notstromaggregat (3f, 3g) und
  • - durch eine aus einer aufladbaren Batterie (3b) betriebenen und über einen selbstgeführten Wechselrichter (3c) an das Inselnetz angeschlossene unterbrechungsfreie Stromversorgung (3),
  • - wobei das Notstromaggregat (3f, 3g) permanent über einen gesteuerten Gleichrichter (3a) mit der Batterie (3b) der unterbrechungsfreien Stromversorgung (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß parallel zu der unterbrechungsfreien Stromversorgung (3) die Photovoltaikanlage (4) über den Stromrichter (4a) an das Inselnetz gelegt ist,
  • - daß die unterbrechungsfreie Stromversorgung (3) zur Führung des Inselnetzes über den selbstgeführten Wechselrichter (3c) mittels eines Transformators (3d) an das Inselnetz angeschlossen ist,
  • - daß parallel zu der Photovoltaikanlage (4) und der unterbrechungsfreien Stromversorgung (3) zumindest eine wind­ geführte Windkonverteranlage (5a-5d) mit variabler Drehzahl und netzgeführtem oder selbstgeführtem Stromrichter (5a) und/oder zumindest eine Windkonverteranlage (5e-5g) mit quasi fester Drehzahl und einer Asynchronmaschine (5e) an das Inselnetz angeschlossen ist,
  • - daß ein Filterkreis (2) zur Kompensation der Stromoberschwingungen und der statischen Anteile der Grundschwingungsblindleistung am Inselnetz liegt, und
  • - daß nur im Falle einer nicht ausreichenden Einspeisung aus der Photovoltaikanlage (4) oder aus der Windkonverteranlage (5) die fehlende Energie zunächst aus der Batterie (3b) und, falls diese zur Überbrückung der Lücke nicht ausreicht, mittels des Notstromaggregates (3f, 3g) abdeckbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle redundanter Notstromaggregate und unterbrechungsfreier Stromversorgungen jeweils eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einem weiteren Notstromaggregat gekoppelt ist und diese zur Leistungs­ steigerung des Inselnetzes synchronisiert betrieben sind (Fig. 2).
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Blind- und Oberschwingungsstromkompensation eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (3) ohne angeschlossenem Notstromaggregat (3f, 3g) und netzgeführtem Stromrichter (3a) in Ausläufern des Inselnetzes vorgesehen ist, wobei die unterbrechungsfreie Stromversorgung (3) bei entsprechender Auslegung der Batterie (3b) neben der Blindstromkompensation auch zur Wirkstromkompensation mitbenutzt ist (Fig. 2).
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Langzeitenergiespeicherung ein Pumpspeicherwerk mit Wasserkraftgeneratoren am Inselnetz vorgesehen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur umkehrbaren Langzeitenergiespeicherung im Gleichspannungszwischenkreis der unterbrechungsfreien Stromversorgung (3) parallel oder anstelle der Batterie (3b) eine Brennstoffzelle mit Elektrolyseur bzw. eine umkehrbare Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Sekundärträger eingesetzt ist.
6. Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß im Normalbetrieb das Notstromaggregat (3f, 3g) abgeschaltet ist und die Photovoltaik- (4) und Windkonverteranlagen (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 ausreichenden Einspeisung aus den regenerativen Energiequellen Sonne und Wind die fehlende Energie in umgekehrter Richtung zunächst aus der Batterie (3b) und erst, falls diese zur Überbrückung der Lücken im Energieangebot nicht ausreicht, mittels des dann von einer Betriebsführung (7) eingeschalteten und über die Überschalteinrichtung (3e) an das Inselnetz gelegten Notstromaggregates (3f, 3g) gedeckt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten des Notstromaggregates (3f, 3g) die von diesem erzeugte Energie neben der Versorgung der Verbraucher (6) auch zur Aufladung der Batterie (3b) genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausfall des selbstgeführten Wechselrichters (3c) das Notstromaggregat (3f, 3g) gestartet, die Überschalt­ einrichtung (3e) geschlossen und die Versorgung der Verbraucher (6) sowie die Netzführung von der Synchronmaschine (3g) des Notstromaggregates (3f, 3g) übernommen wird.
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