29. Oktober 2013, Süddeutsche Zeitung

Transkript

1 29. Oktober 2013, Süddeutsche Zeitung Welle von Kraftwerksabschaltungen RWE warnt vor Strom-Blackout Während der Energiebedarf zunehme, drohe jedem fünften Kraftwerk mangels Rentabilität die Abschaltung. Zu schaffen macht den Energiekonzernen, dass ihre Kohle- und Gaskraftwerke wegen des anhaltenden Booms beim Ökostrom immer seltener am Netz sind. Forderung nach Subventionen für notleidende Kraftwerke

2 AIC Intelligente Leistungselektronik für Smart Grid Anwendungen bis 4MW Made in Germany & Austria Anwendungen AIC-Technik Aktuelle Projekte Ausblick Jörg Umbreit Leitung Entwicklung Manuel Christ, Roland Bayr, Tobias Erhard

3 Stromversorgung bisher Großkraftwerke 380 kv 220/110 kv Industrie-/Gewerbeanlagen 20 kv vom Großkraftwerk zum Kunden - immer 0,4 kv Industrie-/Gewerbeanlagen Haushalt Haushalt Haushalt Quelle: EWE NETZ,

4 Stromversorgung heute Großkraftwerke 380 kv 220/110 kv Industrie-/Gewerbeanlagen 20 kv Offshore-Windpark Windpark von vielen Erzeugern zu vielen Abnehmern - meistens PV-Anlagen BHKW 0,4 kv Industrie-/Gewerbeanlagen Windkraftanlagen Biogasanlagen PV-Anlagen Haushalt Haushalt Haushalt mit BHKW mit PV Quelle: EWE NETZ, EWE,

5 Stromversorgung morgen Großkraftwerke 380 kv 220/110 kv Industrie-/Gewerbeanlagen 20 kv 0,4 kv Industrie-/Gewerbeanlagen Haushalt Haushalt Haushalt mit BHKW mit PV PV-Anlagen Offshore-Windpark Windpark BHKW Windkraftanlage PV-Anlagen Biogasanlagen von vielen Erzeugern zu vielen Abnehmern mit Speichern - immer Speicher und Netzausbau in den Verteilnetzen vermeiden Netzausbau in den vorgelagerten Netzen! Quelle: EWE NETZ, EWE,

6 Regelenergie 6

7 Speichersysteme Speichersysteme Ein kurzer Systemvergleich Type Life cycle time at 70% DOD Years at 70% DOD at 2 cycles per day Space Availablility/ Experience Price Redox Flow > VRLA Lead Acid , Lead Acid open vented , NiCd , NiMH , Li-Ion ,

8 Energie Speicher system CellCube Prinzip und Möglichkeiten der Vanadium Redox Flow - TECHNOLOGY 2 1 Tank Elektro-Chemie Zellen 2 Tank negative Energie Quelle Elektrode Elektrode positive Energie Quelle Pumpe Pumpe Ion-leitende Membrane 3 4 bi-directional DC-link 3 DC-AC Wanlder Energiequelle Last Besondere Eigenschaften Hauptkomponenten 80 Stacks (Energiewandlung) Negativer und positiver Speichertank Pumpen Bidirektionaler Wandler Niedriger Geräuschpegel Keine Emmisionen > Cyclen(20 Jahre Lebendsdauer 100% Entladung möglich (ohne Limit) < 1% Selbstentladung / Jahr (cold-standby) 8

9 Anwendung Speicher Erzeuger Energiespeicherung für überschüssige Energie von Wind und Solarkraft mit Netzregelung Regelung für Wirk- und Blindleistung Netz Speicher-Systeme kW Energiespeicher bis 1000V DC 9

10 Anwendung Speicher Verbraucher Gesicherte Eigenversorgung mit geringer Nutzung des öffentlichen Netzes Last Ladestation Leistungsmessung Solarwechselrichter Niederspannungsnetz Null-Leistungsüberwachung Die Ladung und Entladung der Batterien wird so gesteuert, dass sowenig Leistung wie möglich zum Netz fließt bzw. bezogen wird. Energiespeicher 10

11 Leistungsaufnahme in kw 1,2 MW 1,1 MW Uhrzeit 0 0:00 0:45 1:30 2:15 3:00 3:45 4:30 5:15 6:00 6:45 7:30 8:15 9:00 9:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15 21:00 21:45 22:30 23:15 0:00 kw Anwendung Spitzenlast Spitzlastabsenkung für industrielle Verbraucher 11

12 Aktuelle Richtlinien / Normen Netzeigenschaften Störfestigkeit der Schnittstelle gegenüber netzseitigen externen Einflüssen z.b. durch: a) Frequenzänderungen (IEC ) b) Spannungsschwankungen (IEC u. IEC ) c) Spannungseinbrüche (IEC ) d) Oberschwingungen und Flicker (IEC ) Geräteeigenschaften a) Flickerwerte durch Schalthandlungen (IEC bzw ) b) Oberschwingungen (IEC bzw ) c) Blindleistungsstellbereich bzw. Leistungsdiagramm (VDE-AR-N 4105 / Niederspannungsnetz bzw. TAB, BDEW Richtlinie / Mittelspannungsnetz) 12

13 NA - Schutz Zuständige Norm: VDE-AR-N 4105 Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz Der NA-Schutz gilt laut Norm als eigenständiges Betriebsmittel und ist daher am zentralen Zählerplatz unterzubringen und anzuschließen Der NA-Schutz überwacht das Niederspannungsnetz und trennt den Erzeuger z. B. bei zu hohen Frequenz- und Spannungsabweichungen am Verknüpfungspunkt vom Netz (Kein Rückspeiseschutz) Externe Steuerung AIC Interface Board Netzschutz und Überwachung nach DIN VDE AR-N 4105 (extern) Netzüberwachung Netz 400/230V Batterie TFT-Display optional optional Notabschaltung 13

14 Was ist ein AIC? AIC = Active Infeed Converter IGBT Umrichter 4 Quadranten Betrieb auf AC Seite netzfreundliches Oberschwingungsverhalten (THD-U bis 5%) (nach DIN EN ) Stromkurvenform annähernd sinusförmig 14

15 Der Gustav Klein AIC 3phasiger IGBT Umrichter Integrierte Batteriekommunikation galvanische Trennung von Netzpotential & Batterie 2 Betriebsarten: netzgeführt / Verbundnetz netzgetrennt / Inselnetz Messung von Spannung, Frequenz, Phasenwinkel Alle Messwerte und Statussignale auf dem Gerätebus Steuerung über Bildschirm (Touch-TFT) am Gerät oder Gerätebus (Leitsystem) 15

16 AIC AIC mit Energiespeicher am Verbundnetz Batterie Netzstützung mit Wirkleistung in Verbindung mit einem Energiespeicher (z.b. Batterie) Kompensation von Blindleistung (Grundwelle) mit stufenloser Regelung Regelung des Effektivwertes (Einzelphasen) Nennstrom bestimmt Scheinleistung Wirkleistung <> Blindleistung Leistungsänderung im Sekundenbereich Kurzzeitig überlastbar Ortsnetz Transformator 16

17 Steuerung Betriebsart Netzparallel (VDE-AR 4105 o.ä.) Netzgetrennt (Inselnetz) Vorgabegeführt Ext. Steuerung Dynamisch Ext. Steuerung P (f) Q (U) f (SOC) U (Q) P direkt Q direkt cos ϕ direkt U fest f fest Schwarzstartfähigkeit durch Frequenzvorgabe und Zuschalten weiterer Verbraucher in ähnlicher Größenordnung 17

18 Sollwerte Leistungsregelung Direkte Sollwertvorgabe Vorgabe von Wirkleistung P und Blindleistung Q über TFT oder PLS (Übergeordnetes Leitsystem) möglich P und Q sind unabhängig voneinander einstellbar cos φ Regelung (Option) Wenn die cos φ Regelung aktiviert wird, regelt der Umrichter den cos φ an der Netzanschlussklemme auf den eingestellten Wert Anhand der Wirkleistungsvorgabe und des cos φ Sollwerts wird die Blindleistung so eingestellt, das sich der gewünschte cos φ ergibt Sollte der Umrichter mit seiner max. möglichen Scheinleistung ausgelastet werden, wird vorrangig die Wirkleistung eingestellt. Die Blindleistung Q wird nur bis 100% Endstufenauslastung nachgeregelt. Kennlinienvorgabe (Option): Über TFT oder PLS Kennlinien müssen vor Benutzung durch den Kunden definiert werden 18

19 P (f) Kennlinie P P max P > 0 Energie wird dem Netz entnommen Kennlinienbetrieb netzparallel Q (U) Kennlinie Q Q max Q > 0 AIC induktiv in Produktion 47,5Hz AUS -10% AUS 52,5Hz f +10% U P < 0 Energie wird ins Netz abgegeben Kennlinie ist frei parametrierbar (12 Stützpunkte) Einschränkung: Kennlinie muss eine Funktion sein P min Abgegebene bzw. aufgenommene Leistung ändert sich bei sich ändernder Frequenz im Netz Energieüberschuss oder Energiemangel im Netz können ausgeglichen werden Umrichter reagiert bei passend eingegebener Kennlinie auf Frequenzschwankungen im Netz Q < 0 AIC kapazitiv Q min Kennlinie ist frei parametrierbar (12 Stützpunkte) Einschränkung: Kennlinie muss eine Funktion sein Umrichter stellt je nach Netzspannung induktive oder kapazitive Blindleistung zur Verfügung Kapazitive oder induktive Lasten können bei passend parametrierter Kennlinie in der Grundwelle kompensiert werden Umrichter folgt im Rahmen seiner Scheinleistungsgrenzen seiner Q (U) Kennlinie Bei Überschreitung der Nennscheinleistung: Reduktion auf Nennscheinleistung 19

20 Überwachung Batterie Batteriestrombegrenzung Batterie wird innerhalb ihrer Grenzen betrieben Im Kennlinienbetrieb ist die Begrenzung innerhalb der Grenzen für maximalen Lade- und Entladestrom aktiv SOC Überwachung Der Umrichter überwacht den vom BMM (Batteriemanagement) übertragenen SOC (Ladezustand der Batterie) Die Abschaltgrenzen des Umrichters sind von 0% bis 100% SOC einstellbar Überwachung auf Über- und Unterspannung Überwachung auf Überstrom getrennte Werte für Lade- und Entladestrom Die Überwachungen führen zum Abschalten des AIC. 20

21 Aufbau eines AIC 21

22 Startbildschirm Aktuelle Betriebsart Status Information Messung der Netzspannung je Phase und der Frequenz Messung des Netzstroms je Phase Measurement der Effektivleistung, Blindleistung, Scheinleistung Status der Kennline f(soc) Messungen DC Spannung / Strom (Intern) Messwerte BMS Batterie Spannung / SOC (Ladezustand) Status der Kennline U(Q) 22

23 Eingabebildschirm Überwachung Netzspannung Die Bildschirme für alle anderen Eingaben sind ähnlich aufgebaut. 23

24 Leitsystem Schnittstelle Übertragung von Messwerten des Umrichters an das Leitsystem Aktivieren der Kennlinien: Im netzgeführten Betrieb Im netzführenden Betrieb Steuerung des Umrichters und der Batterie über Leitsystem Sollwertvorgaben: Wirkleistung P Blindleistung Q cos φ Parametrierung der Kennlinien P(f) und Q(U) (Option) Bereits vorhandene Schnittstellen: Modbus TCP Profibus DP 24

25 Batterie Schnittstelle Übertragung der Batterie-Grenzwerte an den AIC Übertragung der Steuerdaten (z.b. SOC) an den AIC Option: Weitere Batteriedaten über den AIC an die Leitsystem-Schnittstelle durchreichen (Gateway) Standard - Schnittstelle ist als CAN oder CAN OPEN ausgeführt Schnittstelle im AIC potentialfrei und galvanisch getrennt Option: Ausführung mit Lichtleiter Übertragungsraten kbit/s Beispiele vorhandener Schnittstellen: Li-Ion Batterie mit SAFT-BMM (Herten) Li-Ion Batterie mit SAFT-MBMM (Pellworm) Li-Ion Batterie mit KE-Tec BMM Li-Ion und Blei Batterie mit Hoppecke-BMM 25

26 Typische Wirkungsgradkurve % % Typischer Messaufbau im Prüffeld AIC-60kVA 26

27 Wirkungsgrad nach Betriebsart Wirkungsgrad 80kVA (netzgeführt) Wirkleistung P in kw Wirkungsgrad 80kVA (netzführend) Wirkleistung P in kw 27

28 Projekt - Beispiele 1MW 125kW 2 x 80kW 1 x 30kW 1 x 80kW 1 x 60kW 250kW 28

29 Projekt H2Herten 29

30 Projekt H2Herten - Netz Inselnetz Emulation 60 kw 80 kw 30

31 Projekt H2Herten Aufstellung Li-Ionen-Batterie AIC 31

32 Projekt Energy Storage Cloud 125kW 32 32

33 Projekt Pellworm - Übersicht Große Systeme (bis 4 MW) Umrichter (AIC 1) Ortsnetz PLS (Prozessleitsystem) Batterie NA-Schutz AIC - Master Umrichter (AIC 1) Umrichter (AIC 2) Batterie Ortsnetz: NA-Schutz: vorhandenes Netz Netz- und Anlagenschutz 33

34 Projekt Pellworm 1MW 1MW Manuel Christ, Roland Bayr, Tobias Erhard 34

35 AIC Projekt Pellworm 1MW 35

36 Projekt Pellworm Aufstellung 36

37 Wie geht es weiter? Ausbau der netzseitigen Messungen Untersuchung der Regeleigenschaften Ausbau der Batterieschnittstelle und der Überwachungen (Sicherheit) Untersuchung der Netzbedingungen Implementierung weiterer Schnittstellen zu Leitsystemen und Batteriemanagement- Systemen Implementierung von Anforderungen der Mittelspannungsrichtlinie Ausbau der Möglichkeiten im Inselnetz-Betrieb 37

38 Inselnetz-Betrieb Prototyp im Feldversuch 52,5Hz SOC < 50% AIC schaltet fiktive Last zu MIN SOC AUS LEER f 47,5Hz MAX SOC AUS Q < 0 AIC wirkt kapazitiv Q GesÜmax QGesmax 50% SOC VOLL SOC AUS Q GesÜmax Q SOC > 50% AIC wirft fiktive Last ab U + 10% - 10% Q > 0 AIC wirkt induktiv Q Gesmax AUS Kennlinie ist frei parametrierbar (12 Stützpunkte) Einschränkung: Kennlinie muss eine Funktion sein Frequenz ändert sich abhängig vom Ladezustand der Batterie zu hohe Batterieladung führt zu fiktivem Lastabwurf zu niedrige Batterieladung führt zu fiktiver Lastzuschaltung Umrichter signalisiert den Netzteilnehmern das geforderte Wirkleistungsverhalten im Inselnetz Kennlinie ist frei parametrierbar (12 Stützpunkte) Einschränkung: Kennlinie muss eine Funktion sein Spannung ändert sich abhängig vom Blindleistungsverhalten des AIC zu hohe kapazitive Beanspruchung führt zu einer Senkung der Netzspannung zu hohe induktive Beanspruchung führt zu einem Anstieg der Netzspannung Umrichter signalisiert den Netzteilnehmern das geforderte Grundwellenblindleistungsverhalten im Inselnetz AIC führt die Teilnehmer am Inselnetz 38

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 39