Windy Boy Protection Box

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1 Windy Boy Protection Box Überspannungsschutz und Gleichrichter für Kleinwindenergieanlagen 1 Inhalt Kleinwindenergieanlagen (KWEA) werden über Windy Boy zuverlässig an das öffentliche Stromnetz oder an ein Inselnetzsystem angebunden. Die Windy Boy arbeiten eingangsseitig mit DC-Spannung, daher muss die frequenzvariable Ausgangsspannung der Kleinwindenergieanlage zunächst in eine DC-Spannung umgewandelt werden. Zudem erfordern physikalische Eigenschaften einer Kleinwindenergieanlage einen Überspannungsschutz im System, um die Elektronik und den Windy Boy vor Schäden zu bewahren. Gründe für Überspannung können folgende Ereignisse sein: Windböen/ Sturm Plötzliche Entlastung des Windy Boy durch Netzausfall oder Netzsynchronisationszeit Geringer Energiebedarf im Inselnetzsystem bei hohem Angebot an Windenergie WBP-Box-UDE Version 2.0 1/13

2 Allgemeine Spezifikation Die Windy Boy Protection Box besteht aus einem Gleichrichter und der Leistungselektronik für den Schutz vor Überspannung. Die Windy Boy Protection Box wandelt die variable Wechselspannung eines permanent erregten Synchrongenerators einer Kleinwindenergieanlage oder Wasserturbine in Gleichspannung und versorgt damit den Windy Boy. Der integrierte Überspannungsschutz schützt den Eingang des Windy Boy vor Schäden durch Spannungsüberhöhung. In diesem Dokument stellen wir Ihnen Spezifikationen, empfohlene Systemkonstellationen und Anwendungsbeispiele vor. 2 Allgemeine Spezifikation 2.1 Typische Kleinwindenergieanlage Eine Kleinwindenergieanlage im Netzparallelbetrieb besteht im Allgemeinen aus folgenden Komponenten: Position A B C D E Bezeichnung Kleinwindenergieanlage mit Permanentmagnet-Generator Gleichrichter Überspannungsschutz Windenergie-Wechselrichter mit Turbinenregelung Öffentliches Stromnetz SMA Solar Technology AG 2/13

3 Allgemeine Spezifikation 2.2 Kleinwindenergieanlage mit Komponenten von SMA Solar Technology AG Die Systemkonfiguration für eine Kleinwindenergieanlage mit Komponenten von SMA Solar Technology AG sieht wie folgt aus: Position Bezeichnung Funktion A Kleinwindenergieanlage Wandelt die Windenergie in elektrische Energie um. Die AC- Ausgangsspannung ist aufgrund der variablen Drehzahl des Rotors und der permanenten Erregung des Synchrongenerators * in der Regel variabel bezüglich Frequenz und Amplitude. * Asynchrongeneratoren eignen sich nicht für den Betrieb mit einem Windy Boy und Windy Boy Protection Box B Windy Boy Protection Box Wandelt die frequenzvariable Spannung der Kleinwindenergieanlage in Gleichspannung um und beinhaltet die Elektronik des Überspannungsschutzes. Die Windy Boy Protection Box funktioniert nur in Kombination mit dem Lastwiderstand. Ohne Lastwiderstand existiert kein Überspannungsschutz im System. C Lastwiderstand Der Lastwiderstand ist zwingend erforderlich für die Belastung der Kleinwindenergieanlage bei Überspannung, um die Drehzahl und somit die Überspannung zu begrenzen. Der Leistungsfluss zum Widerstand wird durch die Elektronik in der Windy Boy Protection Box geregelt. D Windy Boy Wandelt die DC-Spannung der Windy Boy Protection Box in eine netzkonforme AC-Spannung. Der Windy Boy beinhaltet zusätzlich eine intelligente Turbinenregelung um den Energieertrag zu optimieren. E Öffentliches Stromnetz Der Windy Boy speist in das öffentliche Stromnetz ein. SMA Solar Technology AG 3/13

4 Produktdetails 3 Produktdetails Die Windy Boy Protection Box ist die Schnittstelle zwischen Ihrer Kleinwindenergieanlage und dem Windy Boy. Sie besteht aus zwei wesentlichen Komponenten: Gleichrichter Intelligenter Überspannungsschutz (benötigt einen externen Lastwiderstand) Ein passiver Gleichrichter (B6-Brücke) wandelt zunächst die frequenzvariable Wechselspannung der Kleinwindenergieanlage in Gleichspannung. Diese DC-Spannung wird durch die eingebaute Messtechnik erfasst. Sollte eine maximale DC-Spannungsschwelle überschritten werden, wird der Überspannungsschutz aktiviert und die Spannung augenblicklich begrenzt. SMA Solar Technology AG 4/13

5 Produktdetails 3.1 Überspannungsschutz Erreicht die Eingangsspannung des Windy Boy einen kritischen Spannungswert, wird die Kleinwindenergieanlage zusätzlich mit dem Lastwiderstand belastet. Die Eingangsspannung wird augenblicklich auf den zulässigen Wert begrenzt. Der Lastwiderstand wird getrennt, wenn der voreingestellte, niedrigere Spannungswert wieder erreicht ist. Sollte die Spannung wieder ansteigen, wiederholt sich dieser Vorgang. Sollte die Spannung fallen und sich insgesamt vom kritischen Grenzwert entfernen, bleibt der Überspannungsschutz inaktiv (siehe Abbildung). Die Spannungsgrenzen sind abhängig vom jeweiligen Typ der Windy Boy Protection Box. Die Eingangsspannung der Windy Boy wird ab folgenden Werten durch Zuschaltung des Lastwiderstands begrenzt: Windy Boy Protection Box 400 begrenzt ab 360 V DC Windy Boy Protection Box 500 begrenzt ab 460 V DC Windy Boy Protection Box 600 begrenzt ab 560 V DC SMA Solar Technology AG 5/13

6 Produktdetails 3.2 Lastwiderstand Für die Funktionalität des Überspannungsschutzes ist ein entsprechend dimensionierter Lastwiderstand, der an die Windy Boy Protection Box angeschlossen wird, unerlässlich. Der Lastwiderstand dient zur zusätzlichen Belastung der Kleinwindenergieanlage und wandelt die überschüssige elektrische Energie in Wärme um. Der Lastwiderstand muss für eine Dauerbelastung der Kleinwindenergieanlage ausgelegt sein. Ein optimal angepasster Lastwiderstand kann bei SMA Solar Technology AG bestellt werden. Der Lastwiderstand ist speziell an die Anforderungen des Gesamtsystems angepasst. Andere Widerstände in Form von Heizlüfter, Heizelementen, rotierende Lasten sind für den Einsatz mit der Windy Boy Protection Box nicht geeignet. Zerstörung des Windy Boy Durch den Anschluss eines nicht geeigneten Lastwiderstands wird die Funktionalität des Überspannungsschutzes beeinträchtigt, es kann zu einer Zerstörung des Windy Boy oder des Lastwiderstands kommen. Der Lastwiderstand muss folgende Anforderungen erfüllen: DC-Nennspannung beträgt 600 V. Widerstandswert bei 25 C Oberflächentemperatur beträgt ca. 30 Ohm. Widerstandswert bei 80 C Oberflächentemperatur beträgt ca. 42 Ohm. Dauernennleistung beträgt W. SMA Solar Technology AG 6/13

7 Applikationsbeispiele 4 Applikationsbeispiele Verschlechterung des Energieertrags Die Kompatibilität der Kleinwindenergieanlage und des Windy Boy muss separat geprüft werden. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass die DC-Ausgangsspannung der Kleinwindenergieanlage zur Betriebsspannung des Windy Boy kompatibel ist. Zerstörung der Windy Boy Protection Box Die Windy Boy Protection Box darf grundsätzlich nicht DC-seitig parallel geschaltet werden! SMA Solar Technology AG 7/13

8 Applikationsbeispiele 4.1 Einphasige Netzanbindung Für die einphasige Netzanbindung einer Kleinwindenergieanlage kann gemäß obiger Abbildung folgende Konstellation installiert werden: Kleinwindenergieanlage - System 1 x Kleinwindenergieanlage (max. 3,5 kw) 1 x WBP-Box x Lastwiderstand 1 x Kleinwindenergieanlage (max. 5 kw) 1 x WBP-Box x Lastwiderstand 1 x Kleinwindenergieanlage (max. 7 kw) 1 x WBP-Box x Lastwiderstand Windy Boy 1 x Windy Boy 1200 oder 1 x Windy Boy x Windy Boy 3300 oder 1 x Windy Boy 3800 oder 1 x Windy Boy 3600TL oder 1 x Windy Boy 5000TL 1 x Windy Boy 2500 oder 1 x Windy Boy 3000 oder 1 x Windy Boy 5000 A oder 1 x Windy Boy 6000 A SMA Solar Technology AG 8/13

9 Applikationsbeispiele 4.2 Zwei- oder dreiphasige Netzanbindung In verschiedenen Netzen, in unterschiedlichen Ländern sowie in Inselnetzsystemen ist eine dreiphasige Anbindung einer Kleinwindenergieanlage sinngemäß oder vorgeschrieben. Die Windy Boy Protection Box hat grundsätzlich die Anschlussmöglichkeit für bis zu drei Windy Boy. Die Windy Boy können an dieser Stelle parallel betrieben werden. Für die dreiphasige Netzanbindung einer Kleinwindenergieanlage kann folgende Konstellation installiert werden: Kleinwindenergieanlagen mit einer Leistung bis 7 kw Kleinwindenergieanlage - System 1 x Kleinwindenergieanlage (max. 3,5 kw) 1 x WBP-Box x Lastwiderstand 1 x Kleinwindenergieanlage (max. 5 kw) 1 x WBP-Box x Lastwiderstand 1 x Kleinwindenergieanlage (max. 7 kw) 1 x WBP-Box x Lastwiderstand Windy Boy 3 x Windy Boy 1200 oder 3 x Windy Boy x Windy Boy 3300 oder 3 x Windy Boy x Windy Boy 2500 oder 3 x Windy Boy 3000 oder 3 x Windy Boy 5000A oder 3 x Windy Boy 6000A SMA Solar Technology AG 9/13

10 Applikationsbeispiele Kleinwindenergieanlagen mit einer Leistung ab 10 kw bis 25 kw Wie im letzten Abschnitt werden mögliche Konstellationen aufgezeigt, um Kleinwindenergieanlagen mit einer Leistung größer 10 kw dreiphasig an ein Netz anzubinden. Dabei können mehrere Windy Boy Protection Boxen parallel betrieben werden. Für die dreiphasige Netzanbindung einer Kleinwindenergieanlage kann gemäß obiger Abbildung folgende Konstellation installiert werden: Kleinwindenergieanlage (10 kw) Kleinwindenergieanlage - System 1 x Kleinwindenergieanlage (10 kw) 3 x WBP-Box x Lastwiderstand 1 x Kleinwindenergieanlage (10 kw) 2 x WBP-Box Windy Boy 3 x Windy Boy 3300 oder 3 x Windy Boy x Windy Boy 5000A oder 2 x Windy Boy 6000A 2 x Lastwiderstand Kleinwindenergieanlage (15 kw) Kleinwindenergieanlage - System 1 x Kleinwindenergieanlage (15 kw) 3 x WBP-Box Windy Boy 3 x Windy Boy 5000A oder 3 x Windy Boy 6000A 3 x Lastwiderstand SMA Solar Technology AG 10/13

11 Applikationsbeispiele Kleinwindenergieanlage (20 kw) Kleinwindenergieanlage - System 1 x Kleinwindenergieanlage (20 kw) 3 x WBP-Box Windy Boy 4 x Windy Boy 5000A oder 3-4 x Windy Boy 6000A 3 x Lastwiderstand Kleinwindenergieanlage (25 kw) Kleinwindenergieanlage - System 1 x Kleinwindenergieanlage (25 kw) 4 x WBP-Box Windy Boy 5 x Windy Boy 5000A oder 4-5 x Windy Boy 6000A 4 x Lastwiderstand SMA Solar Technology AG 11/13

12 Einstellung Windy Boy 5 Einstellung Windy Boy Da die Windy Boy Protection Box nach Überschreiten einer voreingestellten DC-Spannung (siehe Abschnitt 3.1) die Kleinwindenergieanlage zusätzlich mit dem Lastwiderstand belastet, muss der Windy Boy entsprechend konfiguriert werden. Die beste Performance erhalten Sie, wenn der Windy Boy die Kleinwindenergieanlage noch vor dem Erreichen der Schaltspannung mit maximaler Leistung belastet. Dazu müssen Sie folgende Parameter des Windy Boy anpassen: Wind_a0 Wind_a3 oder Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^0 Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^3 Pmax oder Eingestellte Wirkleistungsgrenze Thermische Zerstörung der Kleinwindenergieanlage Pmax oder Eingestellte Wirkleistungsgrenze darf bei maximalem Spannungswert der Polynomkennlinie einen vom Hersteller der Kleinwindenergieanlage empfohlenen Leistungsmaximalwert nicht überschreiten. Zu hohe Pmax-Werte bzw. eine zu hoch eingestellte Wirkleistungsgrenze führen zu hohen Generatorströmen und zerstören diesen. Bitte befragen Sie dazu den Hersteller und lesen Sie die Dokumentation der Kleinwindenergieanlage. SMA Solar Technology AG 12/13

13 Einstellung Windy Boy Einstellung bei WBP-Box Wind_a0 Wind_a3 oder Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^0 Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^3 Pmax oder Eingestellte Wirkleistungsgrenze Maximalen Spannungswert der Polynomkennlinie unter 360 V einstellen. Leistung einstellen, die die Kleinwindenergieanlage bei ca. 360 V liefert. Dabei Empfehlung des Herstellers beachten. Einstellung bei WBP-Box Wind_a0 Wind_a3 oder Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^0 Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^3 Pmax oder Eingestellte Wirkleistungsgrenze Maximalen Spannungswert der Polynomkennlinie unter 460 V einstellen. Leistung einstellen, die die Kleinwindenergieanlage bei ca. 460 V liefert. Dabei Empfehlung des Herstellers beachten. Einstellung bei WBP-Box Wind_a0 Wind_a3 oder Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^0 Leistungskennlinien Vorfaktor zu Udc^3 Pmax oder Eingestellte Wirkleistungsgrenze Maximalen Spannungswert der Polynomkennlinie unter 560 V einstellen. Leistung einstellen, die die Kleinwindenergieanlage bei ca. 560 V liefert. Dabei Empfehlung des Herstellers beachten. SMA Solar Technology AG 13/13