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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanordnung mit einem Blockheizkraftwerk, einem elektrischen Energiespeicher, einem steuerbaren Wirkleistungsverbraucher und einer Kontrollvorrichtung mit einem Anschluss für ein externes Energieversorgungsnetz, einem Anschluss für Nutzverbraucher und einem Wechselrichter.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur schnellen Umschaltung von einem Netzparallelbetriebsmodus in einen Inselbetriebsmodus in einer Energieversorgungsanordnung.
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Bekannte Blockheizkraftwerke sind über einen Netzanschluss mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz verbunden. Dies ist zum Betrieb eines Blockheizkraftwerks üblicherweise deswegen notwendig, weil der Asynchronmaschine Spannung und Frequenz vom Netz vorgegeben werden muss. Wenn man die Verbindung zum Netz trennt, weist das verbleibende Inselnetz zwar einen Energieerzeuger und einen Energieverbraucher auf, allerdings wird kein stabiler Betriebszustand erreicht, in dem Frequenz und Spannung den Sollwerten entsprechen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Energieversorgungsanordnung anzugeben, die weniger abhängig von einem öffentlichen Energieversorgungsnetz ist. Weiterhin besteht eine Aufgabe darin, in einer Energieversorgungsanordnung zwischen verschiedenen Betriebsmodi umschalten zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wechselrichter dazu eingerichtet ist, Wirkleistung und Blindleistung bereitzustellen.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur schnellen Umschaltung von einem Netzparallelbetriebsmodus in einen Inselbetriebsmodus gelöst, wobei pro Phase die vom Blockheizkraftwerk bereitgestellte elektrische Energie als auch von einem angeschlossenen Verbraucher die abgenommene Energie die Spannung, Stromstärke und der cos φ verglichen und pro Phase ausgeregelt werden.
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Da der Wechselrichter der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung dazu eingerichtet ist, Wirkleistung und Blindleistung bereitzustellen. Somit kann ein Magnetisierungsstrom für die Asynchronmaschine bereitgestellt werden, so dass diese auch ohne Verbindung zum Energieversorgungsnetz als Generator arbeiten kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, auf einen stabilen Betriebszustand im Inselbetrieb zu regeln. Im Netzparallelbetrieb kann der Bezug von Leistung aus dem Netz bzw. die Einspeisung von Leistung in das Netz optimiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Regelung von Spannung, cos φ und im Inselbetrieb auch der Frequenz pro Phase, so dass auch bei unsymmetrischer Belastung für jede Phase eine genaue Regelung möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung und
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3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung. Zur Energieerzeugung wird ein Blockheizkraftwerk eingesetzt, beispielsweise der Typ Dachs der Firma SenerTec. Derartige Blockheizkraftwerke erzeugen sowohl Wärme als auch elektrische Energie. Da beide Energieformen genutzt werden können, ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar. Wenn weniger elektrische Energie benötigt als aktuell erzeugt wird, kann über eine Heizpatrone überflüssige elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden, welche somit einen steuerbaren Wirkleistungsverbraucher darstellt.
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Bekannte Blockheizkraftwerke 1 sind über einen Netzanschluss mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz 6, im Folgenden kurz „Netz“, verbunden. Dies ist zum Betrieb eines Blockheizkraftwerks 1 mit Asynchronmaschine 18 üblicherweise deswegen notwendig, weil der Asynchronmaschine 18 Spannung und Frequenz von Netz 6 vorgegeben werden muss.
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Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung ist mit dem Blockheizkraftwerk 1 zudem ein elektrischer Energiespeicher in Form eines Batteriesatzes 2 gekoppelt. Die Kopplung erfolgt über eine Koppelvorrichtung 4, die einen bidirektionalen Wechselrichter 16 aufweist, der eine Energieverteilungsfunktion übernimmt. Der Wechselrichter 16 weist drei Wechselrichtereinheiten 16a, 16b und 16c auf, die für jeweils eine Phase zuständig sind. Die Koppelvorrichtung 4 weist zudem einen Anschluss 15 für einen Verbraucher oder ein Verbrauchernetz 5 sowie einen Anschluss 17 für eine Heizpatrone 3 auf. Die Heizpatrone 3 dient dazu, die Verbrauchsleistung steuern zu können und somit eine Ausregelung von Verbraucherleistung gegenüber Erzeugerleistung vorzunehmen, wenn das öffentliche Energieversorgungsnetz 6 nicht zur Verfügung steht oder nicht zu diesem Zweck in Anspruch genommen werden soll.
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Im Normalbetrieb werden die Batterien 2 über den bidirektionalen Wechselrichter 16 geladen. Die Ladekurve wird dabei über ein Steuerungsprogramm dem Wechselrichter 16 vorgegeben. Der Batterieladezustand wird durch Erfassung der ein- und ausgehenden Ladungsmengen von der Steuervorrichtung 12 mit Hilfe von Messeinrichtungen 13 und 14 erfasst und berechnet. Dies geschieht durch millisekundengenaue Erfassung der Klemmenspannung sowie des Batteriestromes durch eine Shunt-Messung. Zusätzlich ist in der Steuervorrichtung 12 eine für jede Batterieart angeschlossene passende Lade- und Entladekurve mit entsprechender Veränderung der Klemmenspannung hinterlegt, die so eine Entlade- und Ladestrom abhängige Anpassung der Kapazitätsberechnung vornimmt. Der Ladezustand von verschiedensten Batteriearten, selbst bei schwierig zu ermittelnden Blei-Batterien, wird somit sehr genau errechnet. Die maximal zulässige Ladeleistung wird ebenfalls über ein Steuerungsprogramm dem Wechselrichter 16 vorgegeben. Diese erfassen im Ladebetrieb die Verbraucherleistung im Verbrauchernetz 5 und regeln den Ladestrom der Batterien 2 auf die voreingestellte Ladeleistung aus. Dadurch wird die vom dezentralen Einspeiser, d.h. dem Blockheizkraftwerk 1 bereitgestellte elektrische Energie genau zwischen den am Anschluss 15 angeschlossenen Verbrauchern und den Batterien 2 aufgeteilt.
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Eine Einspeisung in das öffentliche Netz 6 entfällt dadurch fast völlig bzw. wird auf ein Minimum reduziert. Hat der Batteriesatz 2 einen entsprechend hohen Ladezustand erreicht, so schaltet die Koppelvorrichtung 4 auf Ausspeicherbetrieb und das öffentliche Netz 6 wird von den Verbrauchern am Anschluss 15 getrennt. Die Verbraucher werden dabei im Inselnetzbetrieb betrieben, bis entweder der Ladezustand unter einen definierten Ladezustand fällt, eine Störung im Inselnetz auftritt oder die zweite Messeinrichtung 14 eine Überlast der Verbraucherleistung durch Überwachung dieser detektiert. Tritt eines dieser drei Fälle auf, so schaltet das System zurück in den Netzparallelmodus. Wie anhand von 2 zu erkennen ist, werden diese verschiedenen Modi der Koppelvorrichtung 4 durch Steuerung von Schützen 19, 20 und 21 realisiert sowie Ansteuerung der Wechselrichtereinheiten 16a, 16b und 16c über eine Steuereinheit 12.
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Eine weitere Besonderheit ist die Realisierung einer Netzersatzfunktion für Blockheizkraftwerke 1 mit einer Asynchronmaschine 18 als Generator. Tritt eine Störung im öffentlichen Netz 6 auf, so wird das Blockheizkraftwerk 1 über ein Wechslerschütz 22 vom öffentlichen Netz 6 getrennt und direkt auf das Verbrauchernetz 5 aufgeschaltet. Das System trennt sich ebenfalls komplett vom öffentlichen Netz 18 und geht in den bereits weiter oben erläuterten Inselnetzbetrieb. Der Wechselrichter 16 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine USV-Funktion auf, indem die Umschaltung im Millisekundenbereich, vorzugsweise in weniger als 20 ms, erfolgt. Durch diese Funktion stellt das System zusätzlich die Funktion einer unterbrechungsfreien Stromversorgung dar. Der Kunstgriff ist dabei insbesondere das Bereitstellen eines stabilen Inselnetzes.
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Die Asynchronmaschine 18 benötigt Blindleistung zum Aufbau ihres Magnetfeldes. Der dazugehörige Blindstrom ruft sowohl Verluste in der Maschine als auch in der Zuleitung hervor. Je höher der cos φ ist, desto geringer ist der anteilmäßige Blindstrom am Gesamtstrom. Das Inselnetz muss die erforderliche Blindleistung für die Maschine sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb zur Verfügung stellen. Ohne ein taktgebendes Netz, welches Blindleistung zur Verfügung stellt, ist der Betrieb als Generator somit nicht möglich. Für einen Inselnetzbetrieb stellen die Wechselrichtereinheiten 16a, 16b und 16c diese Leistung zur Verfügung.
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Bei der Netzaufschaltung von Asynchronmaschinen im Generatorbetrieb gibt es verschiedene Varianten. Die Aufschaltung kann während des kompletten Drehzahlbereiches erfolgen. Selbst im Stillstand ist dies möglich. Die Asynchronmaschine 18 des Blockheizkraftwerks 1 wird vorzugsweise bei Synchrondrehzahl der Asynchronmaschine 18 aufgeschaltet, wenn also die Frequenz der Asynchronmaschine 18 der Netzfrequenz entspricht. Daraus resultierend ist allerdings ein Stoßmoment mit einem sehr hohen Einschaltstrom, dem sogenannten Rush-strom.
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Für den Generatorbetrieb der Asynchronmaschine 18 muss der Wechselrichter 16 im Stande sein, ein konstantes und getaktetes Netz vorzugeben, da eine Asynchronmaschine 18 nicht netzbildend, sondern netzstützend im Generatorbetrieb arbeitet.
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Sowohl die Frequenz als auch die Spannung müssen auf einem stabilen Niveau liegen und bei Lastwechseln ohne größere Abweichungen reagieren. Anderenfalls wird die Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen ein Abschalten des Blockheizkraftwerk 1 hervorrufen. Der hohe Einschaltstrom sowie der Blindstrom müssen durch den Wechselrichter 16 kompensiert werden.
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Ein weiteres Problem stellt die elektrische Energieproduktion des Blockheizkraftwerk 1 dar. Dieses Blockheizkraftwerk ist auf eine Leistung von beispielsweise 5,5 kWel elektrisch geregelt. Eine Mess-, Steuer-, und Regeleinrichtung des Blockheizkraftwerks 1 regelt das Antriebsaggregat auf diese Leistung aus. Abweichungen der gemessenen, bereitgestellten elektrischen Energie führen zu einem Ausregelverhalten des Antriebaggregates. Kommen auch dabei die parametrierten 5,5 kWel nicht zu Stande, schaltet das Blockheizkraftwerk 1 ab. Demnach muss im Inselnetzbetrieb bei einem Störfall des öffentlichen Netzes ein elektrischer Verbrauch mit dreiphasig insgesamt 5,5 kWel sichergestellt werden, sobald das Blockheizkraftwerk sich auf das Inselnetz aufschaltet. Dafür ist eine spezielle, auf Halbleiterrelais basierende Regeleinrichtung 11 vorgesehen, welche ebenfalls von der Steuereinheit 12 angesteuert wird. Diese ermöglicht sowohl mit Phasenanschnittssteuerung als auch mit einer Impulspaketsteuerung ein genaues Ausregeln der Heizpatrone 3.
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Bei einem Störfall des öffentlichen Netzes werden zusätzlich drei Notlader 23 aktiviert. Marktüblichen Wechselrichter können nicht gleichzeitig laden und entladen. Bei Netzwegfall werden die Wechselrichter 16 aber für den Entladevorgang zur Bereitstellung des Inselnetzes benötigt. Durch die Notlader ist ein gleichzeitiges Laden des Batteriesatzes 2 möglich.
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In diesem Betriebszustand werden die Messdaten der zwei Messeinrichtungen 13 und 14, insbesondere Spannung, Stromstärken und cos φ aller Phasen, sowohl vom Blockheizkraftwerk 1 (bereitgestellte, elektrische Energie) als auch von Verbrauchern im Netz 5 (bspw. Hausverbrauch) verglichen und exakt ausgeregelt. Dies bedeutet im Speziellen, dass elektrische Verbraucherleistung und vom dezentralen Einspeiser 1 (bspw. Blockheizkraftwerk) bereitgestellte elektrische Leistung bilanziert und daraus die zur Verfügung stehende Ladeleistung errechnet werden. Wird auch dabei die für den Betrieb des Blockheizkraftwerk 1 notwendige Verbraucherlast nicht erreicht, so wird die Überschussenergie, wie bereits weiter oben erwähnt, über die Regeleinrichtung 11 auf die Heizpatrone 3 genau ausgeregelt. Somit ist selbst bei einem Störfall des öffentlichen Netzes ein vollwertiger Netzersatzbetrieb möglich. Dies bedeutet eine Weiterversorgung mit sowohl elektrischer als auch thermischer Energie. Ebenso ist durch dieses System ein komplett autarker (bis auf den fossilen Brennstoff) Betrieb mit dem Blockheizkraftwerk 1 für z.B. abgelegene Gebiete möglich.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung ist in den 3 und 4 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Batterien 2 über einen speziellen, dreiphasigen bidirektionalen Wechselrichter 26 geladen. Mit diesem Wechselrichter ist sowohl Netzparallelbetrieb als auch Inselnetzbetrieb möglich. Die bereitgestellte elektrische Leistung ist phasenweise komplett steuerbar und so eine gezielte und regelbare Einspeisung in das öffentliche Netz möglich. Während des Wechslerichtens ist auch das Laden des Batteriesatzes möglich. Über Can-Bus ist erweiterte Kommunikation mit der Steuereinheit zum Zwecke einer komplette Datenüberwachung sowie Regelung in Form von Parametervorgabe in Echtzeit möglich. Die Ladekurve wird dabei über eine Steuereinheit 27 dem Wechselrichter 26 vorgegeben. Der Batterieladezustand wird dabei durch Erfassung der einund ausgehenden Ladungsmengen von der Steuerung 27 erfasst und berechnet, wie dies anhand von 1 beschrieben wurde.
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Der spezielle Wechselrichter 16 kann somit Überschussenergie bedarfsgerecht und in Echtzeit regelbar in die Batterie 2 einspeichern. Hat die Batterie 2 einen entsprechenden Ladezustand erreicht, so kann der Wechselrichter 26 auch im Netzparallelbetrieb gezielt die notwendige Leistung zur Deckung des Verbrauches ausspeichern. Dies wird durch eine entsprechend im Wechselrichter 26 integrierte Schnittstelle ermöglicht, welche in Echtzeit mit der Steuereinheit 27 kommuniziert und Steuersignale empfängt wie bspw. die gewünschte phasenweise Stromstärke oder den gewünschten cos φ. Somit ist eine asymmetrische Belastung möglich. Es wird exakt die Wirk- und Blindleistung bereitgestellt, welche von den Verbrauchern gerade benötigt wird. Reicht diese nicht aus, so wird zusätzliche Leistung aus dem öffentlichen Netz 6 bezogen. Ebenso ist eine bedarfsgerechte, gezielte und in ihrer Leistung regelbare Einspeisung von elektrischer Energie in Form von Wirkund/oder Blindleistung in das öffentliche Netz 6 möglich.
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Eine weitere Besonderheit ist die Realisierung einer Netzersatzfunktion für das Blockheizkraftwerk 1 mit einer Asynchronmaschine 18 als Generator. Tritt eine Störung im öffentlichen Energieversorgungsnetz 6 auf, so wird das öffentliche Netz 6 über ein Schütz 28 vom System getrennt. Der spezielle Wechselrichter 26 geht in einem solchen Fall selbsttätig in den Inselnetzbetrieb. Dadurch wird zusätzlich die Funktion einer unterbrechungsfreien Stromversorgung bereitgestellt. Der Kunstgriff ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Bereitstellen eines stabilen Inselnetzes, wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde.
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Die Eigenschaften des in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzten Wechselrichters sind wie folgt:
- – integrierter, bidirektionaler DC-DC-Wandler; dieser wird sowohl zum Hochsetzen der Batteriespannung auf Zwischenkreis-Spannungs-Niveau für das Wechselrichten als auch zum Tiefsetzen der Zwischenkreisspannung für das Laden notwendig,
- – integrierte Can-Bus-Schnittstelle für Echtzeitkommunikation zwischen den Komponenten der Kontrollvorrichtung 29,
- – die Ladestromstärke und Ladespannung für die Batterie 2 können von der Steuereinheit in Echtzeit geregelt werden, während dies bei marktüblichen Wechselrichtern nach erfolgter Voreinstellung der Ladespannung und -Stromstärke selbsttätig durch den Wechselrichter erfolgt,
- – Netzparallel- und Inselnetzbetrieb möglich,
- – Einspeisung von Wirk- und Blindleistung in das öffentliche Netz möglich
- – asymmetrisch belastbar
- – netzparallel können die Stromstärken I sowie die Phasenwinkel cos φ des erzeugten Drehstroms phasenweise als Sollwert vorgegeben werden; die Spannungen ergeben sich durch das öffentliche Netz
- – im Inselnetzbetrieb werden die drei Spannungen U des erzeugten Drehstromnetzes vorgegeben, der „Rest“ stellt sich dadurch automatisch ein
- – kaskadierbar mit weiteren Wechselrichtern zur Leistungserhöhung.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung liegen im Ermessen des Fachmanns und sind von der Erfindung umfasst.
