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Spannungsstabilisierung in Inselnetzen und
netzgekoppelten Eigenerzeugungssystemen
Nothing protects quite like Piller
piller.com
Inhalt
1
Einführung
Anstatt die benötigte Energie ausschließlich aus dem öffentlichen Netz zu beziehen, gehen immer mehr
1
Einführung
3
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
2
Grundsätzliche Voraussetzungen für ein stabiles Inselnetz
3
trennen und das dabei entstehende Inselnetz zu stabilisieren.
Stabilisierungsanlagen mit integriertem Energiespeicher sind auch unabhängig vom Verbundnetz in der
3
Anforderungen an Stabilisierungseinrichtungen für Inselnetze
5
Lage, ein lokales Versorgungsnetz hoher Qualität zu bilden und die daran angeschlossenen Verbraucher
unterbrechungsfrei bei konstanter Spannung mit Energie zu versorgen.
4
Realisierung
6
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
5
6
Fallbeispiele
10
Schwankungen der Last oder der Einspeisung eine stabiles Netz zu gewährleisten.
5.1
35 MW Stromversorgung einer Halbleiterfabrik
10
Welche Bedingungen an Stabilisierungseinrichtungen gestellt werden und wie ihre Einbindung in ein
5.2
Netzunabhängige Stromversorgung einer Fabrik für Gipsplatten in Dubai
11
Zusammenfassung
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unabhängiges Netz aussehen kann, soll im Folgenden erläutert werden.
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
Wird umgekehrt weniger Leistung eingespeist als abgenommen, wird die fehlende Energie den
Diese Anforderung macht herkömmliche Batteriesysteme für diese Aufgabe weniger geeignet, da die
rotierenden
Frequenz.
Leistungsaufnahme durch die Kombination von hohem Innenwiderstand mit nach oben begrenzter
Frequenzschwankungen im Netz sind also unmittelbar auf Schwankungen in der Wirkleistung, sowohl
Zellenspannung eingeschränkt ist. Batterien können hingegen Sinn machen, wenn lediglich das
auf Seiten der Verbraucher als auch auf Seiten der Einspeisung, zurückzuführen.
Aufschalten großer Lasten oder ein durch den Ausfall einer Einspeisung verursachtes Leistungsdefizit
Massen
entnommen
und
führt
damit
zu
einem
Abfallen
der
Leistungsschwankungen der Einspeisung können zum Einen durch Ausfälle, zum Beispiel von
Generatoren oder Frequenzumrichtern, verursacht werden, und zum Anderen – im Falle regenerativer
kompensiert werden soll. Sollen auch durch Lastabwürfe verursachte Leistungsüberschüsse
kompensiert werden, kommen in erster Linie Schwungradspeicher in Frage.
Energien – durch Änderung des Lichteinfalls bei Solarkraftwerken oder durch Änderung der
In Verbindung mit bidirektional arbeitenden Frequenzumrichtern sind letztere in der Lage, sowohl bei
Windgeschwindigkeit oder der Windrichtung bei Windkraftanlagen. In einem großen Verbundnetz führen
einem Leistungsdefizit als auch bei Leistungsüberschuss stabilisierend einzugreifen. Mit Reaktionszeiten
diese Einflüsse meist nur zu einer geringfügigen Störung der Leistungsbilanz, so dass kein schneller
von unter 20 Millisekunden kann somit die Netzfrequenz in allen Situationen gleichsam konstant gehalten
Reglereingriff erforderlich ist, um die Frequenz in den gegebenen Grenzen konstant zu halten. Anders
werden.
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
Spannungsstabilität
deutlichen Frequenzschwankungen. Die Energiequellen inklusive deren Regeleinrichtungen sind
Eine ähnliche Abhängigkeit wie zwischen Wirkleistung und Frequenz gibt es zwischen Blindleistung und
meistens nicht in der Lage, die abgegebene Leistung innerhalb weniger Sekunden an die neue Situation
Spannung. Steigt im Netz der Bedarf an Blindleistung, führt diese Mehrleistung zu einer Zunahme der
anzupassen, so dass schnell reagierende Stabilisierungsanlagen benötigt werden, um die
Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen und den Impedanzen der Einspeisungen, und in Folge
Leistungsbilanz, und damit auch die Frequenz, kurzfristig wieder herzustellen.
davon zu einer Spannungsabsenkung für die Verbraucher. Umgekehrt führt eine Verringerung der
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)
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.
Abb. 1
4
Funktionsweise einer Stabilisierungsanlage mit bidirektional wirkendem Energiespeicher bei Lastschwankungen in einem Inselnetz.
5
■ Damit eine Stabilisierungsanlage zur Stabilisierung von unabhängigen Netzen geeignet ist, sollte
Als
Energiespeicher
können
sowohl
Batterien
als
auch
der
bidirektional
arbeitende
Schwungradenergiespeicher POWERBRIDGE™ eingesetzt werden. Der Vergleich von Abb. 3 und Abb.
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.
4 zeigt beispielhaft den Einfluss einer bidirektional wirkenden Frequenz-stabilisierung auf ein Netz, das
von einem Diesel-Aggregat versorgt wird.
■ 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.
■ 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.
4
Abb. 3
Frequenzverhalten eines Dieselaggregates bei Abwurf und Aufschaltung von 50% Last, hier ohne zusätzliche Frequenzstabilisierung
Abb. 4
Frequenzverhalten eines Dieselaggregates bei Abwurf und Aufschaltung von 50% Last, mit bidirektionaler Frequenzstabilisierung durch einen
Piller UNIBLOCK™ UBT mit POWERBRIDGE™ Schwungradenergiespeicher
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.
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Hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Frequenzstabilisierung dienen Stabilisierungsanlagen auch dazu, auf
Soll ein Netz mit autarker Energieversorgung zusätzlich eine Anbindung an das Verbundnetz bekommen,
die Überdimensionierung der primären Energiequellen zu verzichten, die ohne den Einsatz von
können die rotierenden Piller Stabilisierungsanlagen, wie in Abb. 6 dargestellt, als Netzkupplung
Stabilisierungsanlagen für einen stabilen Netzbetrieb bei Laständerungen oder schwankender
eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer Drossel ist es möglich, den Verbrauchern eine konstante
Einspeiseleistung erforderlich wäre.
vom Versorgungsnetz unabhängige Spannung zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich zu dem Schutz vor
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
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.
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.
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
Abb. 5
8
Stabilisierung und Unterstützung eines mit Gasmotoren versorgten Inselnetzes durch Piller UNIBLOCK™ UBTD+
Komplexität des Netzes bestimmt.
9
5
Damit die durch den Fertigungsprozess verursachten Lastschwankungen bei den relativ träge
Fallbeispiele
reagierenden Gasmotoren nicht zu unzulässig großen Frequenzabweichungen führen, kommt zusätzlich
5.1 35 MW Stromversorgung einer Halbleiterfabrik
eine rotierende Stabilisierungsanlage mit einem bidirektional arbeitenden Schwungradspeicher zum
Im diesem Beispiel wird die 20 kV Stromversorgung einer Halbleiterfabrik betrachtet, die ein
Einsatz. Da keine Netzanbindung zur Verfügung steht, werden in diesem Fall weder eine Drossel noch
Blockheizkraftwerk (BHKW) mit neun Erdgasmotoren à 3,9 MW mit beinhaltet. Sowohl Strom als auch
ein Netzschalter benötigt.
Wärme werden über mehrere hundert Meter vom Kraftwerk zur Produktionseinrichtung transportiert.
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
Um auch bei Ausfall eines Gasmotors die Energieversorgung sicher zu stellen, besitzt die
zwischen der hochzuverlässigen Lastversorgung mit dem BHKW auf der Lastseite und dem öffentlichen
Stabilisierungsanlage einen integrierten Dieselmotor, der mittels einer Überholkupplung mit dem
Stromnetz. Diese Anbindung ermöglicht den Energieaustausch zwischen Netz und Lastverteilung und
Synchrongenerator der Stabilisierungsanlage verbunden ist. Der Dieselmotor der Stabilisierungsanlage
erlaubt den Import und den Export elektrischer Energie. Dadurch ist es möglich, das BHKW
wird automatisch immer dann gestartet, wenn der Energieinhalt des kinetischen Energiespeichers nicht
entsprechend dem jeweiligen Wärmebedarf mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben. Darüber hinaus
ausreicht, um den Leistungsbedarf des Inselnetzes zu decken. Die längerfristige Lastregelung erfolgt
trennt die Stabilisierungsanlage bei einem Netzausfall die sichere Lastversorgung mit den BHKWs vom
dabei derart, dass die benötigte Leistung vorrangig von den Gasmotoren zur Verfügung gestellt wird,
Netz und sorgt mittels ihres Energiespeichers für eine ausgeglichene Wirkleistungsbilanz in dem daraus
an zweiter Stelle vom Diesel und erst an dritter Stelle vom Schwungradspeicher. Hinsichtlich der
resultierenden Inselnetz. Die hier verwendeten bidirektional arbeitenden Schwungradspeicher erlauben
dynamischen Lastversorgung ist die Reihenfolge, der jeweiligen Dynamik der Energiequellen
sowohl Leistungsabgabe als auch Leistungsaufnahme in gleicher Höhe. Dieser bidirektionale
entsprechend, genau umgekehrt.
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.
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,
5.2
10
Netzunabhängige Stromversorgung einer Fabrik für Gipsplatten in Dubai
bevor dieser vollständig entladen ist. Danach sorgt die Regelung dafür, dass die Last vom Diesel auf die
Da für eine neue Fabrik zur Herstellung von Gipsplatten an dem gewählten Standort in Dubai keine
Gasmotoren transferiert wird. Sobald die Gasmotoren in der Lage sind, die Last dauerhaft selbständig
Netzanbindung zur Verfügung steht, wird die benötigte Leistung von ca. 3,5 MW von 3 Gasmotoren mit jeweils
zu versorgen, wird der Dieselmotor automatisch wieder abgestellt, ansonsten wird die Last mittels der
1400 kW zur Verfügung gestellt. Die Abwärme der Gasmotoren wird als Prozesswärme für die Fertigung
Kombination aus Dieselmotor und Gasmotoren weiter versorgt.
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)
11
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
[email protected], Germany
White Paper No. 0063-0 / March 2014
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