DE102011106217A1

DE102011106217A1 - Hybridkraftwerk

Info

Publication number: DE102011106217A1
Application number: DE102011106217A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Beck
Original assignee: Adensis GmbH
Current assignee: Belectric GmbH
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Es wird ein Hybridkraftwerk zur Lieferung einer vorgebbaren elektrischen Leistung in ein Versorgungsnetz (13) vorgeschlagen. Das Hybridkraftwerk umfasst einen Photovoltaikgenerator (1), der mit den Eingangsklemmen (5, 5') eines Wechselrichters (7) verbunden ist. An den Ausgangsklemmen des Wechselrichters ist das Versorgungsnetz angeschlossen. Weiterhin umfasst das Hybridkraftwerk mindestens eine elektrischen Strom erzeugende Kraft-Wärme Maschine (15), deren Ausgang mit dem Versorgungsnetz verbindbar ist. Eine Batterie (11) ist mittels einer Schaltvorrichtung (9) parallel zu den Eingangsklemmen des Wechselrichters zuschaltbar. Eine Steuervorrichtung (19) setzt bei Anliegen eines Anforderungssignals (A) zeitgleich ein Steuersignal zum Schließen der Schaltvorrichtung ab und leitet den Startvorgang oder eine Leistungserhöhung der Kraft-Wärme Maschine ein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybridkraftwerk zur unterbrechungsfreien Lieferung einer vorgegebenen elektrischen Leistung in ein Versorgungsnetz mit einem Photovoltaikgenerator, der mit den Eingangsklemmen eines Wechselrichters verbindbar ist, dessen Ausgangsklemmen an das Versorgungsnetz angeschlossen sind, und mit einer elektrischen Strom erzeugenden Kraft-Wärme Maschine, deren Ausgang mit dem Versorgungsnetz verbindbar ist. Bei dem Hybrid- oder Kombikraftwerk können die beiden Bestandteile Photovoltaikgenerator und Kraft-Wärmemaschine an beliebigen Stellen des Versorgungsnetzes angeordnet sein. Das heißt, dass sie in unmittelbarer Nähe zueinander liegen können oder aber auch einige Hundert Kilometer voneinander entfernt sind.
Bei der Versorgung mit elektrischer Energie ist es zur Aufrechterhaltung der Stabilität des Versorgungsnetzes wichtig, dass auch kritische Situationen, in denen die momentan erzeugte Leistung nicht ausreicht, um alle Verbraucher zufriedenstellend mit Energie zu versorgen, beherrschbar sind. Bei sich abzeichnenden Engpässen werden entsprechend zusätzliche Kraftwerke, in der Regel Kraft-Wärmemaschinen oder Pumpspeicherkraftwerke in Betrieb genommen. Das Einhalten der Stabilität wird komplexer, wenn ein überraschend auftretendes Ereignis mit einem ohnehin an den Grenzen seiner Kapazität belasteten Netz zusammenfällt. Dies kann zum Beispiel der Bruch einer Überlandleitung aufgrund von Schneelast oder Sturm sein, ein überhitzter Transformator, ein Kurzschluss in einer Schaltanlage usw. Auch auf der Verbraucherseite können extreme Belastungen, wie das Anfahren eines Lichtbogenofens und ähnliches mit einem ausgereizten Netz zusammenfallen und die Stabilität des Netzes gefährden. Bricht an einer Stelle das Versorgungsnetzes zusammen, kommt es zu einer Kettenreaktion die im schlimmsten Fall den Ausfall des Gesamtnetzes zur Folge hat. Ein Hochfahren des Netzes ist aufwändig und muss nach und nach in Teilschritten erfolgen.
Die Erfindung geht aus von der Überlegung, dass ein nicht ausgelasteter, ohnehin vorhandener und mit dem Versorgungsnetz verbundener Wechselrichter eines Photovoltaikgenerators zur Bewältigung des oben angesprochenen Problems beitragen kann.
Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, einen regenerativen Energieerzeuger mit Wechselrichter einer weiteren Verwendung zuzuführen, um kurzfristig für einen begrenzten Zeitraum Energie in das Versorgungsnetz einzuspeisen. Als regenerativer Energieerzeuger kommt auch ein Windgenerator infrage, der zwar einen Wechselstrom erzeugt, der aber zunächst in einen Gleichstrom gleichgerichtet wird, der dann auf die gewünschte Spannung, Frequenz und Phasenlage mittels eines Wechselrichters umgeformt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie, die mittels einer Schaltvorrichtung parallel zu den Eingangsklemmen des Wechselrichters zuschaltbar ist, und durch eine Steuervorrichtung, die bei Anliegen eines Anforderungssignals zeitgleich ein Steuersignal zum Schließen der Schaltvorrichtung generiert und den Startvorgang oder eine Leistungserhöhung der Kraft-Wärme Maschine einleitet, gelöst.
Das Anschließen zusätzlicher Stromerzeuger in Form von Kraft-Wärme Maschinen erfordert nach einer entsprechenden Anforderung seitens des Netzbetreibers eine gewisse Zeit. Die Zeitspanne liegt zwischen einigen zehn Sekunden für die Leistungssteigerung einer Gasturbine oder das Anwerfen eines Dieselgenerators bis zu mehreren Minuten bei dem Vorbereiten einer Brennstoffzelle oder dem Anfahren einer Gasturbine. Diese Zeitspanne ist aber möglicherweise in Zukunft zu klein, wenn die Versorgungsnetze immer näher an den Rand ihrer Kapazität gefahren werden. Dann kann ein Sonderereignis der oben angesprochenen Art den Zusammenbruch des Netzes auslösen. Hier setzt vorliegende Erfindung an, indem der ohnehin vorhandene Wechselrichter eines Solargenerators oder einer Windkraftanlage mit einer Batteriebank gekoppelt wird, die es erlaubt auf Anforderung seitens eines Netzbetreibers sofort elektrische Energie in das Netz einzuspeisen, ohne dass es einer Anfahrzeit bedarf. Die Leistung der Batterie muss lediglich ausreichen, die kurze Zeitspanne zu überbrücken, bis die Kraft-Wärme Maschine die Lieferung übernehmen kann. Der Begriff zeitgleich soll dabei als eine in Relation zur benötigten Zeit für die erfolgende Lieferung der Zusatzenergie kurze Zeitspanne aufgefasst werden. Das heißt z. B., dass „zeitgleich” eine Reaktionszeitspanne zwischen dem Anforderungssignal und der Erzeugung des Steuersignals und der Einleitung des Startvorgangs von Null bis 4 Sekunden umfassen soll.
Es ist vorteilhaft, wenn der Photovoltaikenerator mittels einer zweiten Schaltvorrichtung vom Wechselrichter trennbar ist. Dann kann, insbesondere nachts wenn keine Solarenergie erzeugt wird, bei Anliegen des Steuersignals die zweite Schaltvorrichtung geöffnet werden und es wird vermieden, dass ein Rückstrom in den Photovoltaikgenerator fließt.
Die Batterie sollte nur so lange wie nötig zur Netzstabilisierung beitragen und wird nach Abschluss des Startvorgangs oder der Leistungserhöhung und der erfolgender Einspeisung von elektrischer Leistung durch die Kraft-Wärme Maschine in das Versorgungsnetz, wieder vom Versorgungsnetz getrennt, so dass der Photovoltaikgenerator die Batterie aufladen kann. Bei Nacht, wenn dies nicht möglich ist, kann bei wieder ausreichend stabilen Netzverhältnissen, die Betriebsrichtung des Wechselrichters umgekehrt werden, so dass er als Netzteil für die Batterie fungiert. Diese wird dann vom Netz aufgeladen, um wieder zur Spontanlieferung zur Verfügung zu stehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass nach Abschluss des Startvorgangs oder der Leistungserhöhung und erfolgender Einspeisung von elektrischer Leistung durch die Kraft-Wärme Maschine in das Versorgungsnetz, der Wechselrichter am Netz verbleibt und er zur Blindleistungseinspeisung oder zum Blindleistungsbezug herangezogen wird, um den cos phi des Hybridkraftwerks, bestehend aus dem Photovoltaikgenerator und der Kraft-Wärme Maschine, in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Der Wechselrichter dient dann als Phasenschieber und kann über den Bezug oder die Lieferung von Blindleistung spannungsabsenkend, bzw. spannungsanhebend wirken und so die herrschende Spannung im Versorgungsnetz vergleichmäßigen, was ebenfalls der Netzstabilisierung dient.
Der Wechselrichter nimmt nach erfolgter Aufnahme der Netzeinspeisung der Kraft-Wärme Maschine wieder seinen Normalbetrieb zur Einspeisung photovoltaisch erzeugter Energie auf.
Die Steuervorrichtung weist einen Signaleingang für das Anforderungssignal auf, welches das Schließen der Schaltvorrichtung und den Startvorgang (bzw. die Leistungserhöhung) der Kraft-Wärme Maschine initiiert. Das Anforderungssignal wird vom Netzbetreiber generiert, insbesondere von einem entsprechenden Rechner in der Leitwarte. Alternativ hierzu kann das Anforderungssignal in Abhängigkeit der an einem vorgebbaren Netzpunkt herrschenden Spannung generiert werden. So kann ein besonders sensibler Netzpunkt gewählt werden, zum Beispiel einer von dem aus eine Industrieanlage mit einem hohen elektrischen Strombedarf gespeist wird. Befindet sich an diesem Netzpunkt die Spannung nahe einem unteren Grenzwert, so kann dies als Auslösesignal für die Anforderung gewertet werden.
Es ist nicht erforderlich, dass der Photovoltaikgenerator und die Kraft-Wärme Maschine auf derselben Spannungsebene im Versorgungsnetz angeschlossen sind. So kann die Kraft-Wärme Maschine auf der 20 KV-Ebene angesiedelt sein und die Photovoltaikanlage auf der 0,4 KV Ebene. Es ist einleuchtend, dass der gewünschte Effekt besonders zum Tragen kommt, wenn eine Vielzahl von Batterien netzstabilisierend einspeisen. So könnte jedem Betreiber einer Solardachanlage, der tendenziell wegen der Fluktuation der Leistungseinspeisung zur Destabilisierung des Netzes beiträgt, das Vorhalten einer Batterie zur Pflicht gemacht werden. Zehn- oder Hunderttausende von Batterien würden dann, wenn sie im Verbund über das Anforderungssignal zur Entladung initiiert werden, einen signifikanten Beitrag zur Stabilisierung leisten.
Die Kraft-Wärmemaschine kann als Stand-by Kraftwerk alleine zum Einsatz der Netzstabilisierung vorgehalten werden. Das ermöglicht eine leichtere Planbarkeit der Stabilisierungsmaßnahmen, weil deren Nennleistung als feste Größe eingeplant werden kann. Bei einer laufenden und am Netz befindlichen Kraft-Wärme Maschine müsste die bereits erfolgende Lieferung an elektrischer Energie bekannt sein, um den über eine Erhöhung der Leistung noch erzielbaren Beitrag ermitteln zu können. Als Kraft-Wärme Maschine kommt insbesondere eine Maschine aus der Gruppe: Gasturbine, Dieselgenerator, Brennstoffzelle, und Biokraftwerk infrage.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur, die eine prinzipielle Darstellung der Anordnung zeigt.
Mit 1 ist ein Photovoltaikgenerator bezeichnet, der über ein erstes Schaltelement 3 mit den Eingangsklemmen 5, 5' eines Wechselrichters 7 verbunden ist. Parallel zu dem Photovoltaikgenerator 1 kann über eine Schaltvorrichtung 9 eine Batterie 11 mit den Eingangsklemmen 5, 5' verbunden werden. Die Ausgangsklemmen des Wechselrichters 7 sind mit einem Versorgungsnetz 13 für elektrischen Strom verbunden.
An einer anderen Stelle des Versorgungsnetzes 13 ist eine Kraft-Wärme Maschine 15 mittels eines zweiten Schaltelements 17 mit dem Versorgungsnetz 13 verbindbar. Der Photovoltaikgenerator 1 und die Kraft-Wärme Maschine 15 können dabei räumlich weit auseinanderliegen.
Eine Steuervorrichtung 19, die z. B. in einer Leitwarte (nicht gezeigt) des Netzbetreibers angeordnet ist, ist über Signalleitungen mit dem ersten Schaltelement 3, der Schaltvorrichtung 9, dem Wechselrichter 7, dem zweiten Schaltelement 17 und der Kraft-Wärme Maschine 15 verbunden. Die Steuervorrichtung weist ferner einen Signaleingang 21 auf, an welchem ein Anforderungssignal A bei Bedarf durch den Netzbetreiber angelegt werden kann.
Das Hybridkraftwerk, bestehend aus dem Photovoltaikgenerator 1 und der Kraft-Wärme Maschine 15 arbeitet wie folgt:
Droht tagsüber ein plötzlicher Energiemangel, der zu einem Zusammenbruch des Versorgungsnetzes 13 führen könnte und dem daher sofort begegnet werden muss, wird ein entsprechendes Anforderungssignal A an die Steuervorrichtung 19 abgesetzt. Diese setzt zeitgleich im Sinne der obigen Definition i) ein Schließsignal für das Schaltelement 3 ab, um dieses zu schließen, falls es noch in der offenen Stellung ist; ii) ein Steuersignal an die Schaltvorrichtung 9 ab, um diese zu schließen und die Batterie 11 mit den Eingangsklemmen 5, 5' zu verbinden; und iii) ein weiteres Steuersignal an die Kraft-Wärme Maschine 15 ab, um deren Leistung zu erhöhen, falls diese bereits läuft oder um einen Startvorgang der Kraft-Wärme Maschine zu initiieren, falls diese noch nicht in Betrieb ist. Je nach Ausführung der Kraft-Wärme Maschine 15 wird noch ein Steuersignal an das zweite Schaltelement 17 abgegeben, um dieses zu schließen und die Kraft-Wärme Maschine mit dem Versorgungsnetz zu verbinden. Der letztere Vorgang kann aber auch fest in der Kraft-Wärme Maschine 15 implementiert sein.
In der Figur ist noch eine Signalleitung von der Kraft-Wärme Maschine hin zur Steuervorrichtung 19 gezeigt, über welche Informationen betreffend des aktuellen Betriebszustands und der Nennleistung der Kraft-Wärme Maschine 15 an die Steuervorrichtung 19 gegeben werden. Diese ist dann in die Lage versetzt zu entscheiden, ob eine weitere, nicht gezeigte Kraft-Wärme Maschine mit in die Energiezufuhr in das Versorgungsnetz 13 eingebunden werden muss, oder ob die von der angesteuerten Kraft-Wärme Maschine 15 lieferbare Zusatzleistung ausreicht, um die Stabilität des Versorgungsnetzes 13 zu gewährleisten.
Alternativ zu dem Absetzen des Anforderungssignals A von der Leitwarte aus kann auch eine Spannungsmess- und Spannungsverarbeitungseinheit 23 vorgesehen sein, die die herrschende Spannung U an einer Stelle des Versorgungsnetzes 13 misst. Der gemessene Wert wird mit einem unteren Grenzwert verglichen, der ein Indiz für eine drohende Unterversorgung ist. Wird der Grenzwert unterschritten, wird automatisch das Anforderungssignal A abgesetzt, welches über die gestrichelt gezeigte Signallinie dem Signaleingang 21 der Steuervorrichtung zugeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikgenerator
3: erstes Schaltelement
5, 5': Eingangsklemmen
7: Wechselrichter
9: Schaltvorrichtung
11: Batterie
13: Versorgungsnetz
15: Kraft-Wärme Maschine
17: zweites Schaltelement
19: Steuervorrichtung
21: Signaleingang
A: Anforderungssignal

Claims

Hybridkraftwerk zur Lieferung einer vorgebbaren elektrischen Leistung in ein Versorgungsnetz (13) mit einem Photovoltaikgenerator (1), der mit den Eingangsklemmen (5, 5') eines Wechselrichters (7) verbindbar ist, dessen Ausgangsklemmen an das Versorgungsnetz angeschlossen sind, und mit einer elektrischen Strom erzeugenden Kraft-Wärme Maschine (15), deren Ausgang mit dem Versorgungsnetz verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine Batterie (11), die mittels einer Schaltvorrichtung (9) parallel zu den Eingangsklemmen des Wechselrichters zuschaltbar ist, und durch eine Steuervorrichtung (19), die bei Anliegen eines Anforderungssignals (A) zeitgleich ein Steuersignal zum Schließen der Schaltvorrichtung generiert und den Startvorgang oder eine Leistungserhöhung der Kraft-Wärme Maschine einleitet.
Hybridkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Photovoltaikenerator (1) mittels eines Schaltelements (3) vom Wechselrichter (5) trennbar ist.
Hybridkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Startvorgangs oder der Leistungserhöhung und erfolgender Einspeisung von elektrischer Leistung durch die Kraft-Wärme Maschine (15) in das Versorgungsnetz (13), der Wechselrichter (7) vom Versorgungsnetz getrennt wird und der Photovoltaikgenerator (1) die Batterie (11) auflädt.
Hybridkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Startvorgangs oder der Leistungserhöhung und erfolgender Einspeisung von elektrischer Leistung durch die Kraft-Wärme Maschine (15) in das Versorgungsnetz (13), der Wechselrichter (7) am Netz verbleibt und er zur Blindleistungseinspeisung oder zum Blindleistungsbezug herangezogen wird, um den cos phi des Hybridkraftwerks, bestehend aus dem Photovoltaikgenerator und der Kraft-Wärme Maschine, in einem vorgegebenen Bereich zu halten.
Hybridkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (7) nach erfolgter Aufnahme der Netzeinspeisung der Kraft-Wärme Maschine (15) wieder seinen Normalbetrieb zur Einspeisung photovoltaisch erzeugter Energie aufnimmt.
Hybridkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (19) einen Signaleingang (21) für das Anforderungssignal (A) aufweist, welches das Schließen der Schaltvorrichtung (9) und den Startvorgang der Kraft-Wärme Maschine (15) initiiert.
Hybridkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (19) einen Signaleingang (21) für das Anforderungssignal (A) aufweist, welches in Abhängigkeit der an einem vorgebbaren Netzpunkt herrschenden Spannung (U) das Schließen der Schaltvorrichtung (9) und den Startvorgang, bzw. die Leistungserhöhung der Kraft-Wärme Maschine (15) automatisch initiiert.
Hybridkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Photovoltaikgenerator (1) und die Kraft-Wärme Maschine (15) auf unterschiedliche Spannungsebenen des Versorgungsnetzes (13) einspeisen.
Hybridkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Wärmemaschine (15) als Stand-by Kraftwerk vorgehalten wird.
Hybridkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Wärme Maschine (15) eine Maschine aus der Gruppe: Gasturbine, Dieselgenerator, Brennstoffzelle, und Biokraftwerk ist.