Spannungsstabilisierung in Inselnetzen und netzgekoppelten Eigenerzeugungssystemen

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1 Spannungsstabilisierung in Inselnetzen und netzgekoppelten Eigenerzeugungssystemen Nothing protects quite like Piller piller.com

2 Inhalt 1 Einführung 3 2 Grundsätzliche Voraussetzungen für ein stabiles Inselnetz 3 3 Anforderungen an Stabilisierungseinrichtungen für Inselnetze 5 4 Realisierung 6 5 Fallbeispiele MW Stromversorgung einer Halbleiterfabrik Netzunabhängige Stromversorgung einer Fabrik für Gipsplatten in Dubai 11 1 Einführung Anstatt die benötigte Energie ausschließlich aus dem öffentlichen Netz zu beziehen, gehen immer mehr Industriebetriebe und Rechenzentren dazu über, elektrische Energie lokal zu erzeugen und direkt in das hauseigene Netz einzuspeisen. Soll diese lokale Energieerzeugung auch während eines Netzausfalls aufrechterhalten werden, sind spezielle Maßnahmen erforderlich, um die Eigenversorgung vom Netz zu trennen und das dabei entstehende Inselnetz zu stabilisieren. Stabilisierungsanlagen mit integriertem Energiespeicher sind auch unabhängig vom Verbundnetz in der Lage, ein lokales Versorgungsnetz hoher Qualität zu bilden und die daran angeschlossenen Verbraucher unterbrechungsfrei bei konstanter Spannung mit Energie zu versorgen. Damit sind Stabilisierungsanlagen grundsätzlich auch zur Versorgung und Stabilisierung von Netzen geeignet, die vorwiegend durch andere Energiequellen versorgt werden. Zusätzlich verringern sie die Notwendigkeit, Energieerzeugungsanlagen überdimensionieren zu müssen, um auch bei Schwankungen der Last oder der Einspeisung eine stabiles Netz zu gewährleisten. Welche Bedingungen an Stabilisierungseinrichtungen gestellt werden und wie ihre Einbindung in ein unabhängiges Netz aussehen kann, soll im Folgenden erläutert werden. 6 Zusammenfassung 12 2 Grundsätzliche Voraussetzungen für ein stabiles Inselnetz Bei der Beurteilung der Qualität eines Versorgungsnetzes ist die Einhaltung von Spannung und Frequenz innerhalb vorgegebener Grenzen ein maßgebliches Kriterium. Beide Parameter hängen von unterschiedlichen Einflussgrößen ab und können daher weitgehend getrennt voneinander betrachtet werden. Frequenzstabilität Das Einhalten einer konstanten Frequenz hängt unmittelbar von der Wirkleistungsbilanz innerhalb des Netzes ab. Wird mehr Wirkleistung in das Netz eingespeist als von den Verbrauchern abgenommen wird, muss die überschüssige Wirkleistung zur Einhaltung der Leistungsbilanz irgendwo hin abfließen. Ohne zusätzliche stabilisierende Maßnahmen führt dieser Wirkleistungsüberschuss automatisch zu einem Frequenzanstieg. Dieser wird durch die Beschleunigung der mit dem Netz verbundenen rotierenden Massen, wie Generatoren und Motoren, hervorgerufen, da diese in den meisten Fällen die einzige Möglichkeit darstellen, die überschüssige Leistung aufzunehmen und in Rotationsenergie umzusetzen. 2 3

3 Wird umgekehrt weniger Leistung eingespeist als abgenommen, wird die fehlende Energie den rotierenden Massen entnommen und führt damit zu einem Abfallen der Frequenz. Frequenzschwankungen im Netz sind also unmittelbar auf Schwankungen in der Wirkleistung, sowohl auf Seiten der Verbraucher als auch auf Seiten der Einspeisung, zurückzuführen. Leistungsschwankungen der Einspeisung können zum Einen durch Ausfälle, zum Beispiel von Generatoren oder Frequenzumrichtern, verursacht werden, und zum Anderen im Falle regenerativer Energien durch Änderung des Lichteinfalls bei Solarkraftwerken oder durch Änderung der Windgeschwindigkeit oder der Windrichtung bei Windkraftanlagen. In einem großen Verbundnetz führen diese Einflüsse meist nur zu einer geringfügigen Störung der Leistungsbilanz, so dass kein schneller Reglereingriff erforderlich ist, um die Frequenz in den gegebenen Grenzen konstant zu halten. Anders sieht dies in kleinen, abgeschlossen Netzen, sogenannten Inselnetzen, aus, die keine Verbindungen zu einem großen und dämpfenden Verbundnetz haben. Hier haben Schwankungen der Einspeiseleistung einen deutlich größeren Einfluss auf die Wirkleistungsbilanz des Netzes und führen daher häufig zu deutlichen Frequenzschwankungen. Die Energiequellen inklusive deren Regeleinrichtungen sind meistens nicht in der Lage, die abgegebene Leistung innerhalb weniger Sekunden an die neue Situation anzupassen, so dass schnell reagierende Stabilisierungsanlagen benötigt werden, um die Leistungsbilanz, und damit auch die Frequenz, kurzfristig wieder herzustellen. Die Stabilisierungsanlagen sollten idealer Weise mit einem Energiespeicher ausgestattet sein, der es erlaubt in gleichem Maße Energie aufzunehmen wie auch abzugeben, um sowohl auf ein Leistungsdefizit als auch auf einen Leistungsüberschuss reagieren zu können. (siehe Abb. 1) Diese Anforderung macht herkömmliche Batteriesysteme für diese Aufgabe weniger geeignet, da die Leistungsaufnahme durch die Kombination von hohem Innenwiderstand mit nach oben begrenzter Zellenspannung eingeschränkt ist. Batterien können hingegen Sinn machen, wenn lediglich das Aufschalten großer Lasten oder ein durch den Ausfall einer Einspeisung verursachtes Leistungsdefizit kompensiert werden soll. Sollen auch durch Lastabwürfe verursachte Leistungsüberschüsse kompensiert werden, kommen in erster Linie Schwungradspeicher in Frage. In Verbindung mit bidirektional arbeitenden Frequenzumrichtern sind letztere in der Lage, sowohl bei einem Leistungsdefizit als auch bei Leistungsüberschuss stabilisierend einzugreifen. Mit Reaktionszeiten von unter 20 Millisekunden kann somit die Netzfrequenz in allen Situationen gleichsam konstant gehalten werden. Spannungsstabilität Eine ähnliche Abhängigkeit wie zwischen Wirkleistung und Frequenz gibt es zwischen Blindleistung und Spannung. Steigt im Netz der Bedarf an Blindleistung, führt diese Mehrleistung zu einer Zunahme der Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen und den Impedanzen der Einspeisungen, und in Folge davon zu einer Spannungsabsenkung für die Verbraucher. Umgekehrt führt eine Verringerung der Blindleistung zu einem Anstieg der Versorgungsspannung, da in diesem Fall Spannungsabfälle an den Impedanzen wegfallen. Allgemein ist eine Störung der Blindleistungsbilanz leichter zu beherrschen als eine Störung der Wirkleistungsbilanz. Dies liegt daran, dass eine Störung der Wirkleistungsbilanz, wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden, zu einer kontinuierlich ansteigenden Frequenzabweichung führt, wo hingegen sich eine Störung in der Blindleistungsbilanz lediglich in einer statischen Spannungsabweichung auswirkt. 3 Anforderungen an Stabilisierungseinrichtungen für Inselnetze Die primären Anforderungen an eine Stabilisierungseinrichtung bestehen also darin auf Wirkleistungsschwankungen schnell zu reagieren und diese derart auszuregeln, dass die Frequenz konstant gehalten wird. bei Bedarf kurzfristig Blindleistung bereitstellen zu können, und damit die Spannung für die Verbraucher konstant zu halten. 4 Abb. 1 Funktionsweise einer Stabilisierungsanlage mit bidirektional wirkendem Energiespeicher bei Lastschwankungen in einem Inselnetz. 5

4 Damit eine Stabilisierungsanlage zur Stabilisierung von unabhängigen Netzen geeignet ist, sollte sie folgende Eigenschaften besitzen: Sie sollte für bidirektionalen Leistungsfluss geeignet sein, um sowohl bei einem Leistungsdefizit als auch bei einem Leistungsüberschuss stabilisierend eingreifen zu können. Der Energiespeicher sollte auf einem definierten mittleren Ladezustand gehalten werden können, um jederzeit sowohl Energie aufnehmen als auch abgeben zu können. Dies bedingt eine aktive Ladezustandsregelung. Der Energiespeicher muss so bemessen sein, dass genügend Energie zur Verfügung steht, die Zeit zu überbrücken, die die primären Energieerzeuger benötigen, um nach einer Störung die Leistungsbilanz des Netzes wieder herzustellen und einen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Sie muss parallel zu anderen Energiequellen betrieben werden können. Dazu zählen zum Beispiel Windkraftanlagen, Solarkraftwerke, Wasserkleinkraftwerke, Gasturbinen, Diesel-Generatoren usw. Sie muss von ihrer Nennleistung her geeignet sein, die zu erwartenden Leistungsdefizite und Leistungsüberschüsse zu kompensieren. Als Energiespeicher können sowohl Batterien als auch der bidirektional arbeitende Schwungradenergiespeicher POWERBRIDGE eingesetzt werden. Der Vergleich von Abb. 3 und Abb. 4 zeigt beispielhaft den Einfluss einer bidirektional wirkenden Frequenz-stabilisierung auf ein Netz, das von einem Diesel-Aggregat versorgt wird. Sie sollte robust genug sein, kurzzeitige Überlasten unbeschadet zu überstehen und währenddessen weiterhin, wenn auch unter Inkaufnahme von Spannungs- und/oder Frequenzabweichungen, zum Ausgleich der Leistungsbilanz beizutragen. Abb. 3 Frequenzverhalten eines Dieselaggregates bei Abwurf und Aufschaltung von 50% Last, hier ohne zusätzliche Frequenzstabilisierung 4 Realisierung Rotierende Stabilisierungsanlagen vom Typ Piller UNIBLOCK UBT+ und UBTD+ (siehe Abb. 2) sind mit ihrem Energiespeicher und ihrer durch einen Synchrongenerator erzeugten Ausgangsspannung in der Lage, alle oben aufgelisteten Anforderungen zu erfüllen. Inselnetz 6 Abb. 2 Elektrisches Prinzipschaltbild eines PILLER UNIBLOCK UBT+ mit integriertem kinetischen Energiespeicher POWERBRIDGE. Hier eine Version zur Stabilisierung eines Inselnetzes ohne Anbindung an das Verbundnetz. Abb. 4 Frequenzverhalten eines Dieselaggregates bei Abwurf und Aufschaltung von 50% Last, mit bidirektionaler Frequenzstabilisierung durch einen Piller UNIBLOCK UBT mit POWERBRIDGE Schwungradenergiespeicher 7

5 Hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Frequenzstabilisierung dienen Stabilisierungsanlagen auch dazu, auf die Überdimensionierung der primären Energiequellen zu verzichten, die ohne den Einsatz von Stabilisierungsanlagen für einen stabilen Netzbetrieb bei Laständerungen oder schwankender Einspeiseleistung erforderlich wäre. Um komplette Ausfälle von primären Energielieferanten und das dadurch entstehende langfristige Wirkleistungsdefizit auszugleichen, können die Anlagen auch als Diesel-System ausgeführt werden (siehe Beispiel in Abb. 5). Damit ist es dann ebenfalls möglich, bei Bedarf längere Lastspitzen innerhalb eines Inselnetzes abzudecken, falls die Einspeiseleistung der primären Energieerzeuger dafür nicht ausreichen sollte. Der Diesel würde immer dann automatisch gestartet werden, wenn sich ein vollständiges Entladen des dynamischen Energiespeichers ankündigt, so dass das Netz unterbrechungsfrei von der Stützung durch die Stabilisierungsanlage profitieren kann. Bei Bedarf ist auch ein manuelles Starten des Diesels möglich. Soll ein Netz mit autarker Energieversorgung zusätzlich eine Anbindung an das Verbundnetz bekommen, können die rotierenden Piller Stabilisierungsanlagen, wie in Abb. 6 dargestellt, als Netzkupplung eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer Drossel ist es möglich, den Verbrauchern eine konstante vom Versorgungsnetz unabhängige Spannung zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich zu dem Schutz vor Ausfällen des Verbundnetzes erlaubt es die Anlage dem Verbrauchernetz, sowohl Energie aus dem Netz zu beziehen als auch überschüssige Energie in das Verbundnetz zu exportieren. Bei einem Netzausfall trennt die Stabilisierungsanlage das Verbrauchernetz vom Verbundnetz und kann dann, je nachdem, ob zuvor Leistung exportiert oder importiert wurde, Wirkleistung aufnehmen oder abgeben, bis die übrigen Energieerzeuger in dem nun entstandenen Inselnetz ihre Leistung entsprechend angepasst haben. Die Synchrongeneratoren der Piller Anlagen können ausreichend Blindstrom zur Spannungsstützung bereitstellen und stellen dem Netz zusätzliche Kurzschlussleistung zur Verfügung. Zusätzlich bilden sie in einem Inselnetz eine stabile Spannungsquelle, an der auch mit Umrichtern betriebene Energiequellen wie Photovoltaik oder Mikro-Turbinen betrieben werden können. Piller UNIBLOCK UBT+ und UBTD+ sind für alle üblichen Netzspannungen und frequenzen geeignet. Sie decken den gesamten Niederspannungsbereich von 380 V bis 600 V ab, und sind in den großen Leistungsklassen bis 3000 kva auch in Mittelspannung verfügbar. Abb. 6 Einsatz der Stabilisierungsanlage als stabilisierende Netzkupplung für Verbraucher mit eigener Stromerzeugung Es gibt zwei grundsätzliche Arten, rotierende Piller Stabilisierungsanlagen in ein Inselnetz zu integrieren: 1. Als einfache Energiequelle, die nur bei Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten Energie aufnimmt oder abgibt. 2. Als bestimmendes Element der Frequenz- und Spannungsregelung, das im Zusammenspiel mit den anderen Energieerzeugern ein Netz mit hoher Qualität bereitstellt, welches auch zur Versorgung von kritischen Lasten wie Rechenzentren und Halbleiterfabriken geeignet ist. Welche der beiden Arten, oder eine Kombination aus beiden, die optimale Lösung für die Netzstabilisierung darstellt, wird letztlich durch die Anforderungen an die Netzqualität und die Komplexität des Netzes bestimmt. 8 Abb. 5 Stabilisierung und Unterstützung eines mit Gasmotoren versorgten Inselnetzes durch Piller UNIBLOCK UBTD+ 9

6 5 Fallbeispiele MW Stromversorgung einer Halbleiterfabrik Im diesem Beispiel wird die 20 kv Stromversorgung einer Halbleiterfabrik betrachtet, die ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit neun Erdgasmotoren à 3,9 MW mit beinhaltet. Sowohl Strom als auch Wärme werden über mehrere hundert Meter vom Kraftwerk zur Produktionseinrichtung transportiert. Damit die durch den Fertigungsprozess verursachten Lastschwankungen bei den relativ träge reagierenden Gasmotoren nicht zu unzulässig großen Frequenzabweichungen führen, kommt zusätzlich eine rotierende Stabilisierungsanlage mit einem bidirektional arbeitenden Schwungradspeicher zum Einsatz. Da keine Netzanbindung zur Verfügung steht, werden in diesem Fall weder eine Drossel noch ein Netzschalter benötigt. Abb. 7 Kombination von Blockheizkraftwerk und Netzanbindung zu einer hochzuverlässigen Stromversorgung für eine Halbleiterfabrik. Abb. 8 Inselnetz mit 3 Gasmotoren, in dem ein PILLER UNIBLOCK UBTD zur Stabilisierung und als redundante Energiequelle verwendet wird. Die zwei parallel geschalteten Stabilisierungsanlagen dienen in diesem Fall als sichere Schnittstelle zwischen der hochzuverlässigen Lastversorgung mit dem BHKW auf der Lastseite und dem öffentlichen Stromnetz. Diese Anbindung ermöglicht den Energieaustausch zwischen Netz und Lastverteilung und erlaubt den Import und den Export elektrischer Energie. Dadurch ist es möglich, das BHKW entsprechend dem jeweiligen Wärmebedarf mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben. Darüber hinaus trennt die Stabilisierungsanlage bei einem Netzausfall die sichere Lastversorgung mit den BHKWs vom Netz und sorgt mittels ihres Energiespeichers für eine ausgeglichene Wirkleistungsbilanz in dem daraus resultierenden Inselnetz. Die hier verwendeten bidirektional arbeitenden Schwungradspeicher erlauben sowohl Leistungsabgabe als auch Leistungsaufnahme in gleicher Höhe. Dieser bidirektionale Energiefluss ermöglicht insbesondere in den Übergangszuständen eine hervorragende Frequenzregelung, mit der die Frequenz des gesamten Systems innerhalb enger Grenzen gehalten wird. In Abb. 7 ist ein einfaches Prinzipschaltbild des grundlegenden Aufbaus dargestellt. 5.2 Netzunabhängige Stromversorgung einer Fabrik für Gipsplatten in Dubai Um auch bei Ausfall eines Gasmotors die Energieversorgung sicher zu stellen, besitzt die Stabilisierungsanlage einen integrierten Dieselmotor, der mittels einer Überholkupplung mit dem Synchrongenerator der Stabilisierungsanlage verbunden ist. Der Dieselmotor der Stabilisierungsanlage wird automatisch immer dann gestartet, wenn der Energieinhalt des kinetischen Energiespeichers nicht ausreicht, um den Leistungsbedarf des Inselnetzes zu decken. Die längerfristige Lastregelung erfolgt dabei derart, dass die benötigte Leistung vorrangig von den Gasmotoren zur Verfügung gestellt wird, an zweiter Stelle vom Diesel und erst an dritter Stelle vom Schwungradspeicher. Hinsichtlich der dynamischen Lastversorgung ist die Reihenfolge, der jeweiligen Dynamik der Energiequellen entsprechend, genau umgekehrt. Beim möglichen Ausfall einer der Gasmotoren führt diese Regelung dazu, dass die im Inselnetz fehlende Leistung zunächst unmittelbar vom kinetischen Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird. Anschließend wird der Diesel gestartet, der die Lastversorgung vom Schwungradspeicher übernimmt, bevor dieser vollständig entladen ist. Danach sorgt die Regelung dafür, dass die Last vom Diesel auf die Gasmotoren transferiert wird. Sobald die Gasmotoren in der Lage sind, die Last dauerhaft selbständig zu versorgen, wird der Dieselmotor automatisch wieder abgestellt, ansonsten wird die Last mittels der Kombination aus Dieselmotor und Gasmotoren weiter versorgt. Da für eine neue Fabrik zur Herstellung von Gipsplatten an dem gewählten Standort in Dubai keine Netzanbindung zur Verfügung steht, wird die benötigte Leistung von ca. 3,5 MW von 3 Gasmotoren mit jeweils 1400 kw zur Verfügung gestellt. Die Abwärme der Gasmotoren wird als Prozesswärme für die Fertigung verwendet, wodurch das gesamte Kraftwerk mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben wird. Als zusätzliche Grundversorgung ist zukünftig noch eine 400 kw Photovoltaik-Anlage geplant. (siehe Abb. 8) 10 11

7 6 Zusammenfassung Die Stabilität von elektrischen Energieversorgungsnetzen wird zunehmend durch den vermehrten Einsatz alternativer Energiequellen beeinflusst. Zur Stabilisierung von lokalen Netzen in Verbindung mit Eigenerzeugungsanlagen kommen spezielle Technologien und Verfahren zum Einsatz. Dabei sind rotierende Stabilisierungsanlagen aufgrund ihrer Robustheit, ihres breiten Anwendungsspektrums und ihrer hohen Ausgangsleistung die erste Wahl. In Verbindung mit bidirektional arbeitenden Energiespeichern, wie zum Beispiel elektrisch gekoppelten Schwungrädern, sind sie in der Lage, bei jeder Art von Last- oder Einspeiseschwankungen stabilisierend einzugreifen und damit auch in Inselnetzen eine konstante Frequenz sicher zu stellen. Die elektrischen Maschinen rotierender Stabilisierungsanlagen vereinfachen den Parallelbetrieb mit alternativen Energiequellen und stellen dabei gleichzeitig Blindleistung zur Spannungsstabilisierung und zusätzliche Kurzschlussleistung zur Verfügung. Durch das optimierte Zusammenwirken von Stabilisierungsanlage und Eigenerzeugung kann ein sehr stabiler Inselbetrieb erreicht werden, was durch viele erfolgreiche Projekte weltweit bewiesen wird. Frank Herbener, Piller Group GmbH Germany White Paper No / March

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