Praktikum zur Vorlesung Energienetze und Netzoptimierung

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1 Praktikum zur Vorlesung Energienetze und Netzoptimierung TU Bergakademie Freiberg Institut für Automatisierungstechnik Prof. Dr.-Ing. A. Rehkopf. Februar

2 Anleitung Aufbau und Wirkungsweise eines Blockheizkraftwerks Der größte Teil des in Deutschland benötigten Stroms wird in Kondensationskraftwerken erzeugt. Diese haben den Nachteil, dass sie nur einen Wirkungsgrad von ca. % erreichen. Der restliche Teil ist Wärmeenergie, welche beim Prozess über Kühltürme an die Umwelt abgegeben wird. Abhilfe schaffen Heizkraftwerke, die durch Fernwärmeleitungen einen Teil der Abwärme zu einem entsprechenden Verbraucher (z. B. Haushalt) führen. Aufgrund der Transportverluste sind diese Wärmenetze lokal stark begrenzt. Ein Ansatz zur Lösung dieser Probleme ist ein Blockheizkraftwerk. Mikro-BHKWs, wie in Abbildung dargestellt, können beispielsweise in einzelnen Haushalten installiert werden, in denen die erzeugte elektrische und thermische Energie ohne große Transportverluste genutzt werden kann. Abbildung : Mikro-BHKW der Firma Kirsch Home Energy im Labor der TU Bergakademie Freiberg BHKWs ähneln sich im Grundaufbau meist. Ein Motor treibt einen Generator an, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Die vom Motor abgegebene Wärme wird über Wärmetauscher in das bestehende Heizungssystem eingespeist. Sie entsteht durch die heißen Abgase und durch die Erwärmung des Motoröls und des Generators. Die Abbildung verdeutlicht diesen Ablauf schematisch.

3 Abbildung : Schematischer Wärmetransport in einem BHKW-Heizungssystem Programmtechnische Umsetzung Das in diesem Praktikum vorgestellte Simulationsmodell (Abbildung ) eines virtuellen Kraftwerks ermöglicht es, das Lastverhalten verschiedener BHKW, abhängig von mehreren Randbedingungen, zu berechnen. Dabei ist der Verlauf der Berechnungen unter anderem von den folgenden Einflüssen abhängig: Geforderte elektrische Leistung P gef des VK-Betreibers Verbrauchte thermische Leistung P th, verb der BHKW-Besitzer Motordaten der BHKWs Beschaffenheit der Pufferspeicher (Volumen, Art des Mediums, Temperatur) Abbildung zeigt schematisch den vollständigen Aufbau des Programms.

4 Leistung vom Netzbetreiber T_K_max _max m nu_el nu_th clock Initialisierungsparameter P_in T_K_max _max m nu_el nu_th clock Steuerung _gef _5 _5 _6 _6 Verteiler_ BHKW BHKW BHKW BHKW BHKW 5 BHKW 6 _ P_out _ P_th_out _5 _5 _6 T_k_out _6 Verteiler_ Scope To Workspace erg_p_out erg_ To Workspace P_th erg_p_th To Workspace T_k erg_t_k To Workspace P_alt Memory heat_time Memory check_t Memory check_init Memory Memory5 check_ Memory6 T_Kessel Memory c c Abbildung : Simulinkmodell des virtuellen Kraftwerks bestehend aus sechs BHKWs

5 Abbildung : Vereinfachtes Schema eines Unternehmens mit sechs BHKWs Modell des Virtuellen Kraftwerks Zur Initialisierung des Programmes dient dabei der Parameter-Block. Dieser holt die Daten (task.m) aus dem Workspace, sodass Sie zur Verarbeitung an die Steuerung übergegeben werden können. Dort erfolgt die Initialisierung als globale Variablen, um den Zugriff zu verschiedenen Zeitschritten zu ermöglichen. Eine weitere wichtige Variable für die Simulation stellt die durch den VK-Betreiber geforderte elektrische Leistung P gef dar. Diese wird in jedem Zeitschritt aus einer Matrix aus dem Workspace geladen. Dazu wurde ein From-Workspace-Block mit der Variablen eingefügt, welcher zum einen dem Steuerungsblock die Zielfunktion für die elektrische Leistung liefert und zum anderen am Ende der Simulation zum Vergleich zwischen Ist und Soll dient. Wird in der Steuerung eine Änderung der geforderten Leistung festgestellt oder muss ein BHKW abgeschaltet werden, da seine maximale Speichertemperatur erreicht ist, erhalten die Kleinkraftwerke über den -Vektor den Befehl, Daten über ihren eigenen Zustand zur Verfügung zu stellen. Nachdem ein solches Signal geschickt wurde und die aktuellen Zustandsdaten der BHKWs in der Steuerung gesammelt wurden, wird die vom VK-Betreiber geforderte elektrisch Leistung auf die noch übrigen BHKWs neu aufgeteilt und die Einzelleistungen an den Eingangs-Verteiler (Abbildung 5) weitergeleitet. An dieser Stelle werden die Vektoren mit den Einstellungen ( für die Informationsabfrage und die geforderten elektrischen Einzelleistungen P gef,i ) für die BHKWs aufgeteilt und die einzelnen Daten an das zugehörige Kraftwerk geliefert (Abbildung 6). 5

6 P_in _ T_K_max _max _ c m nu_el nu_th clock _gef _5 _5 Steuerung _6 _6 Verteiler_ Abbildung 5: Verbindung zwischen Steuerung und Verteiler; blau: elektrische Größen, rot: thermische Größen, grün: Konstanten, Informationen oder weitere Größen _ BHKW _ P_out _ BHKW BHKW BHKW _ P_th_out _5 _5 _5 BHKW 5 _5 _6 _6 BHKW 6 _6 _6 T_k_out Verteiler_ Verteiler_ Abbildung 6: Verbindungen zwischen den BHKWs und den Verteilern; blau: elektrische Größen, rot: thermische Größen, grün: Informationen, gelb: Betriebszustände der BHKWs 6

7 So werden mit der Zeit für alle Kleinkraftwerke unter Einhaltung der Restriktionen (thermischer Leistungsbedarf, Temperatur im Speicher,...) die geforderten Werte für die elektrische Leistung erreicht. Diese kann nun an das Netz abgegeben werden. Zur Zusammenfassung der Daten in Vektoren dient der Ausgangs-Verteiler-Block (Abbildung 7), der zum einen die -Matrix für die nächsten Zeitschritte vorbereitet und zum anderen die für die Auswertung benötigten Werte zusammenstellt: Alle ausgehenden elektrischen Leistungen der BHKWs addiert (P out ) Die elektrischen Leistungen jedes einzelnen BHKWs in einem Vektor (P el ) Die thermischen Leistungen jedes einzelnen BHKWs in einem Vektor (P th,out ) Diese Daten können anschließend in verschiedenen Scopes betrachtet werden und stehen zudem zur weiteren Verarbeitung im Workspace der Matlabumgebung zur Verfügung. _ P_out Scope To Workspace erg_p_out _ To Workspace _ erg _5 _5 P_th_out P_th To Workspace erg_p_th _6 _6 T_k_out T_k To Workspace Verteiler_ erg_t_k Abbildung 7: Ausgabe des virtuellen Kraftwerk-Modells; blau: elektrische Größen, rot: thermische Größen, gelb: Betriebszustände der BHKWs 7

8 Implementierung der Randbedingungen Bevor die Simulation gestartet werden kann, muss die geforderte elektrische Leistung des VK- Betreibers in der Datei task.m eingegeben werden. Ein möglicher Verlauf ist in Abbildung 8 dargestellt. 8 6 P el,gef 8 6 Geforderte elektrische Leistung vom VK-Betreiber 5 6 Abbildung 8: Angeforderte elektrische Leistung vom VK-Betreiber Danach müssen in der Datei task.m die physikalischen Konstanten, Anfangs- und Randbedingungen in vorgegebenen Einheiten festgelegt werden. Diese sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet. Weiterhin müssen in dieser Datei die thermischen Eigenverbräuche der BHKW- Besitzer eingetragen werden. Mögliche Verbräuche sind in Abbildung 9 geplottet. Parameter für die einzelnen BHKWs J c i kg K Spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgers kg dichte i l Dichte des Wärmeträgers P th,verb,i kw Geforderte thermische Leistung T K,i C Kesseltemperatur zum Zeitpunkt t = V i l Volumen des Speichermediums T K,max C Maximale Kesseltemperatur µ el,i Elektrischer Wirkungsgrad des Motors µ th,i Thermischer Wirkungsgrad des Motors P el,i kw Elektrische Leistung des Motors zum Zeitpunkt t = P el,max,i kw Maximale elektrische Leistung Tabelle : Eingangsparameter 8

9 Thermischer Verbrauch BHKW Thermischer Verbrauch BHKW Thermischer Verbrauch BHKW P th,verb, P th,verb, P th,verb, 6 Thermischer Verbrauch BHKW 6 Thermischer Verbrauch BHKW 5 6 Thermischer Verbrauch BHKW 6 P th,verb, P th,verb,5 P th,verb, Abbildung 9: Thermische Verbräuche der BHKW-Besitzer Anschließend müssen mit task.m noch alle Anlagenparameter in Vektoren gepackt werden. Die Simulation kann nun mit dem Befehl run gestartet werden, womit die folgenden Befehle ausgeführt werden. Quellcode : Simulationseinstellungen und Simulationsstart option = simset( Solver, ode, FixedStep,t_n); sim( entiremodel,t_end,option); Die erste Zeile setzt die Optionen für die Simulation fest. In diesem Beispiel wird der Solver ode mit fester Schrittweite verwendet (einstufiges, explizites Eulerverfahren). Durch FixedStep lässt sich die Schrittweite angeben, die in diesem Fall t n groß ist. In der letzten Zeile wird das Simulinkhauptmodell aufgerufen und gestartet. Modell eines BHKWs Das vollständige Modell für die Simulation eines BHKWs ist in einem Subsystem-Block mit dem Namen BHKW i zusammengefasst. Der Parameter i steht für die Nummer des jeweiligen BHKWs. Dieser Block besitzt zwei Eingangs- und zwei Ausgangsgrößen, welche über die Verteiler mit der globalen Steuerung aller BHKWs verknüpft sind. Abbildung zeigt das in Simulink entworfene Modell, welches im Praktikum noch genauer erklärt wird. 9

10 P_th_verb n_th n_el MATLAB Function P P_el_ P_el n_el_ n_el n_th_ n_th _ein Berechnung n_el n_th P_th_verb_ P_th_verb P_th_akt Berechnung BHKW P_th_verb T_K _gef P_th_akt Verfuegbarkeit c_ c m_ m P_th_verb P_th_akt c m Kessel T_K T_K Abbildung : Simulinkmodell eines BHKWs

11 Aufgaben Vorbereitung der Simulation. Bestimmen Sie die Positionen im Matlabmodell eines BHKWs, an denen Sie die folgenden Parameter abgreifen können: abgegebene elektrische Leistung P el verbrauchte thermische Leistung P th, verb aktuelle thermische Leistung P th, akt Speichertemperatur T K. Erstellen Sie ein Anforderungsprofil des VK-Betreibers über Minuten Simulationszeit.. Erstellen Sie die thermischen Eigenverbräuche der einzelnen BHKWs. Welche Lastsituationen wären denkbar und wie müssen die Motor- und Speicherparameter dafür ausgelegt werden?. Geben Sie Ihre Parameter in das Modell ein und starten Sie die Simulation! Durchführung der Simulation 5. Welche Ergebnisse erwarten Sie bei der Simulation? Ist es sinnvoll, das Verhalten des Motors als reines P-Verhalten (mit K = ) ohne Zeitverzögerung anzusetzen? Was passiert beim Überhitzen eines Kessels und wie spiegelt sich das im zeitlichen Verlauf der elektrischen und thermischen Leistung wider? Was passiert beim Leerlauf (VK-Betreiber fordert keine Leistung an)? 6. Welche Algorithmen zur Bestimmung der Ansteuerungsreihenfolge der BHKWs sind noch denkbar? Diskutieren Sie Vor- und Nachteile! Auswertung der Simulation 7. Welche Schlussfolgerungen können Sie aus Ihrem verwendeten Parametersatz ziehen? Traten Probleme auf? Wenn ja, welche? Wie sollten die Parameter gegebenenfalls angepasst werden, damit die Systemkomponenten in der Praxis einsetzbar sind? 8. Durch welche Komponenten und Strukturen würden Sie dieses Modell erweitern, um ein reales virtuelles Kraftwerk mit BHKWs hinreichend genau simulieren zu können?