DE102015014117A1

DE102015014117A1 - Verfahren und Anordnung zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes

Info

Publication number: DE102015014117A1
Application number: DE102015014117.1A
Authority: DE
Inventors: Zoltan Meszaros
Original assignee: Technische Werke Ludwigshafen AG
Current assignee: Technische Werke Ludwigshafen AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes (2), das bei einer Vorgabefrequenz von insbesondere 50 Hz arbeitet, wobei eine Kombinationseinheit (4) zum Bereitstellen von elektrischer Regelleistung vorgesehen ist, die aus einem Energiespeicher (6), der elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz (2) oder einer Erzeugungsanlage aufnehmen und über einen ersten Zeitraum hinweg in dieses abgeben kann, und einem Energieerzeuger (8) besteht, der nach einer Anlaufphase Energie über einen zweiten Zeitraum hinweg in das Wechselstromnetz (2) abgeben kann, und der Kombinationseinheit (4) eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) zugeordnet ist, die die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit (4) in Abhängigkeit von einem Netzregelparameter-Sollwert (12) in der Weise regelt, dass die dem Wechselstromnetz (2) von der Kombinationseinheit (4) zugeführte oder von dieser aus dem Wechselstromnetz (2) entnommene elektrische Energie dem Sollwert eines Regelenergieabrufs (12), insbesondere eines Sekundärregelenergieabrufs, entspricht, zeichnet sich dadurch aus, dass der Energieerzeuger (8) ein Gas- und/oder Öl BHKW ist, die elektrische Energie über einen von dieser angetriebenen Generator (14) in das Wechselstromnetz (2) einspeist, dass der Energiespeicher (6) ein Akkumulator ist, der über einen Wechselrichter (16) sowie einen Gleichrichter (18) mit dem elektrischen Wechselstromnetz (2) verbunden ist, und dass die Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) elektrisch mit dem Gas- und/oder Öl BHKW (8), dem Generator (14), dem Wechselrichter (16) sowie dem Gleichrichter (18) gekoppelt ist und diese in der Weise steuert und regelt, dass die Kombinationseinheit (4) die Netzregelparameter-Sollwerte (12), insbesondere die Leistungshöhe, den Leistungsgradienten, die Spannungshöhe und die Frequenz erfüllt, indem die Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) elektrische Energie vom Akkumulator (6) über den Wechselrichter (16) in das Wechselstromnetz (2) einspeist und im Wesentlichen gleichzeitig das Gas- und/oder Öl BHKW (8) startet, wobei die in das Wechselstromnetz (2) eingespeiste Leistung des Akkumulators (6) in dem Maße reduziert wird, in dem die von dem Gas- und/oder Öl BHKW (8) und dem Generator (14) in das Wechselstromnetz (2) eingespeiste elektrische Leistung erhöht wird.

Description

Wechselstromnetze reagieren aufgrund ihres Aufbaus sensibel auf Lastschwankungen. Aus diesem Grunde müssen die eingespeiste elektrische Leistung und die abgenommene elektrische Leistung stets im Gleichgewicht sein, da es sonst zu Spannungs- und Frequenzschwankungen kommt, die im schlimmsten Falle zu einer Beschädigung der angeschlossenen elektrischen Einrichtungen führen können. Eine Differenz zwischen eingespeister und abgerufener elektrischer Leistung wird bekanntermaßen durch Regelenergieleistung ausgeglichen.
Die langfristig eingespeiste und abgerufene Leistung kann dabei jedoch nur bedingt geplant werden. So ist beispielsweise der Energieverbrauch bei der Stahlproduktion langfristig planbar, wohingegen der Energiebedarf von privaten Haushalten stark schwankt und nicht mit hoher Zuverlässigkeit prognostiziert werden kann. Die Energieproduktion durch konventionelle Kraftwerke ist ebenfalls gut planbar; die von regenerativen Kraftwerk unterliegt hingegen Umweltschwankungen.
Der vermehrte Einsatz von regenerativen Energiequellen in Wechselstromnetzen hat einen vermehrten Abruf von Regelenergieleistung zur Folge. Regenerative Energiequellen wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen unterliegen im besonderen Maße umweltbedingten Schwankungen. So erzeugen Photovoltaikanlagen an sonnenreichen Tagen viel elektrische Energie, die planbar über den Tag hinweg in das Wechselstromnetz eingespeist wird. Kommt es jetzt im Laufe eines Tages zum Beispiel aufgrund von Wolkenfeldern, die sich über die Solaranalgen bewegen, zu Schwankungen bei der eingespeisten elektrischen Leistung, so müssen diese durch sogenannte Regelenergieabrufe mit Regelenergieleistung ausgeglichen werden.
Die Regelenergieleistung wird durch zu- und abschaltbare elektrische Stromerzeuger oder auch Stromverbraucher erzeugt. Dabei werden für den Fall, dass mehr elektrische Leistung aus dem Wechselstromnetz abgerufen als momentan eingespeist wird, zunächst schnellstartende Stromerzeuger für einen kurzfristen Ausgleich angefahren, die sogenannte Primärregelleistung bereit stellen. Falls dieses Ungleichgewicht nicht allein durch die Primärregelleistung abgedeckt werden kann, da die abgerufene Leistung über mehrere Minuten benötigt wird, werden Generatoren und Kraftwerke hochgefahren, die ihre Regelleistung erst nach ca. fünf Minuten zur Verfügung stellen können. Dabei handelt es sich um die sogenannte Sekundärregelleistung. Für den Fall, dass die benötigte Energie längerfristiger benötigt wird, werden weitere Kraftwerke hochgefahren die eine längere Anlaufphase von z. B. 15 min oder mehr aufweisen. Diese bilden die sogenannte Minutenreserve oder Tertiärregelleistung, die über einen beliebig langen Zeitraum bereitgestellt werden kann und dadurch zu einer Anhebung des Leistungsniveaus innerhalb des Wechselstromnetzes führen.
Konventionelle Gas- und/oder Öl Blockheizkraftwerke, die nachfolgend als ”BHKW” bezeichnet werden und die beispielsweise Gas-, Öl- oder Gas-Öl-Turbinen zur Bereitstellung der Leistung enthalten, wurden üblicher Weise in der Vergangenheit im Bereich der Minutenreserve eingesetzt. Aufgrund der gestiegenen Preise für fossile Brennstoffe und dem Überschuss an alternativ erzeugter elektrischer Energie am Strommarkt ist deren Betrieb zur dauerhaften Stromerzeugung seit einigen Jahren nicht mehr wirtschaftlich. Bedingt durch die lange Anlaufzeit von über fünf Minuten aus dem Stillstand können diese Turbinen zudem nicht ohne weiteres für den Sekundärregelenergiemarkt präqualifiziert werden. Ein Standby-Betrieb, bei dem die Turbinen kontinuierlich mit verminderter Leistung mitlaufen und einen positiven Sekundärregelenergieabruf bedienen ist technisch zwar möglich, wirtschaftlich und aus Umweltaspekten jedoch nicht sinnvoll. Diese Turbinen stehen somit oftmals still.
Die Primärregelleistung kann zum Beispiel durch Akkumulatorspeicherkraftwerke, die kurzfristig innerhalb weniger Sekunden negative sowie positive Regelleistung erzeugen können, bereitgestellt werden. Allerdings sind Akkumulatorspeicherkraftwerke für den Sekundärregelenergiebereich aufgrund der benötigten Mindestleistung und Kapazität nicht wirtschaftlich, da die abzugebende Energiemenge eine Vielzahl von teuren Akkumulatormodulen erfordert.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zu schaffen, mit welchem sich die Kapazität eines Akkumulatorspeichers in einer als Einheit betriebenen Kombination aus einem Akkumlulatorspeicher und einem Gas- und/oder Öl BHKW, d. h. einem Blockheizkraftwerk, bei dem die Leistung durch eine Öl- oder/oder Gasturbine bereit gestellt wird, minimieren lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit welcher sich elektrische Regelleistung unter Einsatz eines Akkumulatorspeichers mit minimaler Kapazität innerhalb kürzester Zeit mit hoher Dynamik über einen prinzipiell beliebig langen Zeitraum hinweg bereit stellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 7 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, das bei einer Vorgabefrequenz von insbesondere 50 Hz arbeitet, ist eine Kombinationseinheit zum Bereitstellen von elektrischer Regelleistung vorgesehen, die einen elektrischen Energiespeicher, der elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz oder einer Erzeugungsanlage aufnehmen und über einen ersten Zeitraum hinweg in dieses abgeben kann, sowie einen Energieerzeuger enthält, der Energie nach einer Anlaufphase über einen zweiten Zeitraum hinweg in das Wechselstromnetz abgeben kann.
Weiterhin ist der Kombinationseinheit eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zugeordnet, die die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit in Abhängigkeit von einem Netzregelparameter-Sollwert regelt. Diese Regelung erfolgt in der Weise, dass die dem Wechselstromnetz von der Kombinationseinheit zugeführte oder von dieser aus dem Wechselstromnetz entnommene elektrische Energie dem Sollwert eines Regelenergieabrufs entspricht. Der Regelenergieabruf ist ein der Kombinationseinheit von außen zugeführter Wert, bzw. ein Abruf von elektrischer Leistung, wie zum Beispiel ein Abruf von Primäregelleistung, Sekundärregelleistung, Tertiärregelleistung oder eine Kombination der zuvor genannten Regelenergieleistungsabrufe, der durch das Wechselstromnetz verursacht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Energieerzeuger ein Gas- und/oder Öl BHKW ist, das die elektrische Energie über einen von diesem angetriebenen Generator in das Wechselstromnetz einspeist. Der Energiespeicher ist ein Akkumulator, beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akkumulator, der über einen Wechselrichter sowie einen Gleichrichter mit dem elektrischen Wechselstromnetz verbunden ist. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist elektrisch mit dem Gas- und/oder Öl BHKW, dem Generator, dem Wechselrichter sowie dem Gleichrichter gekoppelt und steuert und regelt diese in der Weise, dass die Kombinationseinheit die Netzregelparameter-Sollwerte, insbesondere die Leistungshöhe, den Leistungsgradienten, die Spannungshöhe und die Frequenz einhält. Dabei wird durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung elektrische Energie vom Akkumulator über den Wechselrichter in das Wechselstromnetz eingespeist und im Wesentlichen gleichzeitig das Gas- und/oder Öl BHKW gestartet. Gemäß der Erfindung wird die dabei in das Wechselstromnetz eingespeiste elektrische Leistung des Akkumulators beim Hochfahren des Gas- und/oder Öl BHKW in dem Umfang verringert, in dem die von dem Gas- und/oder Öl BHKW und dem Generator in das Wechselstromnetz eingespeiste elektrische Leistung erhöht wird. Die Zeitdauer für das Hochfahren des Gas- und/oder Öl BHKWs wird dabei in erster Linie durch das Hochfahren der darin eingesetzten Turbine bestimmt.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein träges Gas- und/oder Öl BHKW, welches sich aufgrund seiner vergleichsweise langen Hochfahrzeit von mehr als fünf Minuten allein nicht für die Bereitstellung von Sekundärregelleistung präqualifiziert, nunmehr durch Kombination mit einem Akkumulatorspeicher, der lediglich eine vergleichsweise geringe Kapazität aufweist, die ebenfalls allein nicht zur Bereitstellung von Sekundärregelleistung ausreicht, als hochdynamische Einheit betreiben lässt, die auf kostengünstige Weise die Vorteile von beiden Systemen vereint und – mit Ausnahme der erforderlichen Wartungsarbeiten – prinzipiell bei Bedarf für eine beliebig lange Zeitdauer betrieben werden kann.
Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Nachrüstung bei bereits installierten Turbinen, die aufgrund der gestiegenen Brennstoffpreise derzeit nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können und dadurch ohne das erfindungsgemäße Verfahren hinfällig wären. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese derzeit ungenutzten BHKWs, bzw. allgemein die in Verbindung mit Generatoren eingesetzten Gas- und/oder Öl Turbinen jetzt mit einem vergleichsweise überschaubaren finanziellen Investitionsaufwand zur Bereitstellung von Primär und Sekundärregelleistung reaktiviert werden, was insbesondere bei einer weiteren Zunahme des Anteils an regenerativen Energieträgern von zunehmender Wichtigkeit für einen zuverlässigen Betrieb der Stromnetze ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt der Energiespeicher die benötigte elektrische Energie zum Starten des Gas- und/oder Öl BHKW während der Anlaufphase bereit.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kombinationseinheit ohne den Abfluss von elektrischer Leistung aus dem Wechselstromnetz gestartet werden kann. Diese, als Schwarzstartfähigkeit bezeichnete Betriebsaufnahme der Kombinationseinheit hat den Vorteil, dass dem bereits belasteten Wechselstromnetz bei einem Leistungsabruf nicht noch weitere elektrische Leistung für den Anlassvorgang der Turbine entnommen werden muss.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aktiviert die Steuerungs- und Regelungseinrichtung den Gleichrichter sowie das Gas- und/oder Öl BHKW und den Generator nach einer Regelleistungsanfrage im Anschluss an den zweiten Zeitraum zum Aufladen des Akkumulators für eine solche Zeitdauer weiter, bis die dem Akkumulator während des Startvorgangs und der Anlaufphase entnommene Energiemenge wieder in den Akkumulator zurückgeführt ist.
In vorteilhafter Weise wird der Energiespeicher bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem mittleren Ladeniveau, vorzugsweise bei 40% bis 60% seiner Nennkapazität, betrieben, um sowohl positive Regelleistung, d. h. die Abgabe von elektrischer Energie aus dem Speicher in das Wechselstromnetz, sowie negative Regelleistung, d. h. den Abfluss von elektrischer Energie aus dem Wechselstromnetz in den Speicher, bereit stellen zu können.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken besitzt der Akkumulator eine solche Nennleistung, dass dieser über den ersten Zeitraum hinweg gleichzeitig Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und die benötigte elektrische Leistung zum Starten der Turbine bereitstellen kann.
Obgleich sich die Kosten für den Akkumulatorspeicher hierdurch vergrößern, hat dies den Vorteil, dass die Kombinationseinheit eine Primärregelleistungsanfrage sowie eine Sekundärregelleistungsanfrage gleichzeitig bedienen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in dem Fall, dass von der Kombinationseinheit keine negative Regelleistungsanfrage bedient wird, d. h. elektrische Leistung aus dem Stromnetz entnommen wird, das Laden des Akkumulators durch den vom Gas- und/oder Öl BHKW angetriebenen Generator über den Gleichrichter, ohne dass hierfür zusätzliche elektrische Leistung aus dem Wechselstromnetz entnommen wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Turbine des BHKWs für eine längere Zeitdauer betrieben wird und hierdurch gegebenenfalls wieder für eine während des Ladens eingehende Sekundärleistungsanfrage zur Verfügung steht, ohne diese zwischenzeitlich herunter zu fahren.
Weiterhin ist bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die Energiemenge, die der Akkumulator abgeben oder aufnehmen kann, vorzugsweise kleiner als die Energiemenge einer Sekundärregelleistungsanfrage mit maximaler Dauer. Hierdurch lassen sich die Größe – und dadurch die Kosten – für die Bereitstellung des Akkumulatorspeichers unter Beibehaltung der mit der Erfindung verbundenen Vorteile beachtlich reduzieren.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, das bei einer Vorgabefrequenz von insbesondere 50 Hz arbeitet, eine Kombinationseinheit zum Bereitstellen von elektrischer Regelleistung. Die Kombinationseinheit umfasst einen Energiespeicher, der elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz oder einer sonstigen bekannten Erzeugungsanlage aufnehmen und über einen ersten Zeitraum hinweg in dieses abgeben kann, sowie einen Energieerzeuger, der nach einer Anlaufphase Energie über einen zweiten Zeitraum hinweg in das Wechselstromnetz abgeben kann. Der Kombinationseinheit ist darüber hinaus eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zugeordnet, die die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit in Abhängigkeit von einem Netzregelparameter-Sollwert regelt. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung steuert und regelt dabei die dem Wechselstromnetz von der Kombinationseinheit zugeführte oder von dieser aus dem Wechselstromnetz entnommene elektrische Energie in der Weise, dass diese dem Sollwert eines Regelenergieabrufs, insbesondere eines Sekundärregelenergieabrufs, entspricht.
Gemäß der Erfindung ist der Energieerzeuger hierbei ein Gas- und/oder Öl BHKW, das elektrische Energie über einen von diesem angetriebenen Generator in das Wechselstromnetz einspeist. Der Energiespeicher umfasst einen Akkumulator, der über einen Wechselrichter sowie einen Gleichrichter mit dem elektrischen Wechselstromnetz verbunden ist. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist elektrisch mit dem Gas- und/oder Öl BHKW, dem Generator, dem Wechselrichter sowie dem Gleichrichter gekoppelt und steuert, bzw. regelt die zuvor genannten Komponenten in der Weise, dass die vom Akkumulator über den Wechselrichter in das Wechselstromnetz eingespeiste elektrische Leistung in Abhängigkeit von einem momentan angefragten Regelenergieabruf in dem Maße reduziert wird, in dem die von dem Gas- und/oder Öl BHKW und dem Generator nach dem Anlassen der Turbine in das Wechselstromnetz eingespeiste elektrische Leistung erhöht wird. Der Regelenergieabruf kann hierbei ein Energieabruf für Primärregelleistung und/oder Sekundäregelleistung und/oder auch für die sogenannte Minutenreserve sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Energieerzeuger eine elektrische Nennleistung von 1 MW bis 25 MW, bevorzugt 2 MW bis 15 MW, besonders bevorzugt 5 MW auf. Die Betriebsspannung des Wechselspannungsnetzes liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 10 kV bis 30 kV, bevorzugt 15 kV bis 25 kV, besonders bevorzugt 20 kV.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken besitzt der Energiespeicher eine elektrische Kapazität von 1 bis 25 MWh, bevorzugt 2 bis 15 MWh, besonders bevorzugt 4 MWh bis 7 MWh. Die elektrische Kapazität des Energiespeichers wird dabei in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der elektrischen Nennleistung des Energieerzeugers, bzw. der entsprechen Nennleistung für die Präqualifizierung der Kombinationseinheit so gewählt, dass zumindest ein gleichzeitiger Primärregelleistungsabruf sowie einen Sekundärregelleistungsabruf bedient werden können.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Wechselrichter eine elektrische Nennleistung, die wenigstens der Summe aus elektrischer maximaler Primärregelleistung, maximaler Sekundärregelleistung und der für den Startvorgang des Gas- und/oder Öl BHKWs benötigten elektrischen Startleistung entspricht.
Dies bietet den Vorteil, dass die Kombinationseinheit schwarzstartfähig ist.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken sind der Gleichrichter und/oder die Wechselrichter in die Kombinationseinheit integriert. Dies hat den Vorteil, dass die Kombinationseinheit kompakter aufgebaut werden kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kapazität des Akkumulators so gewählt, dass die angeforderte Regelleistung sofort zur Verfügung gestellt und die Hochlaufzeit des Gas- und/oder Öl BHKWs überbrückt werden kann.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist es in Hinblick auf eine hohe Dynamik der Kombinationseinheit besonders vorteilhaft, wenn die Steuerungs- und Regelungseinrichtung die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit durch ein kurzfristiges Zu- und Abschalten des Akkumulators über den Wechselrichter bzw. den Gleichrichter bei eingeschaltetem Gas- und/oder Öl BHKW steuert. Dabei wird die Energie, die das Gas- und/oder Öl BHKW beispielsweise innerhalb der Kombinationseinheit durch den Akkumulator zum Laden desselben verbraucht, wohingegen nach außen hin, d. h. gegenüber dem Stromnetz, lediglich die kumulierte Leistung aus positiver elektrischer Leistung des Gas- und/oder Öl BHKWs und negativer Leistung des Akkumulators bereitgestellt wird.
Dies hat den Vorteil, dass das Gas- und/oder Öl BHKW, bzw. die darin eingesetzte, beim Hochfahren vergleichsweise langsame und während des Dauerbetriebs gegenüber Änderungen der benötigten elektrischen Leistung träge Turbine nach außen hin erheblich dynamischer wirkt, was es überhaupt erst ermöglicht, sowohl positive als auch negative kurzfristige primäre Regelleistungsanfragen in der geforderten Zeit und gleichzeitig auch Sekundärregelleistungsanfragen zu bedienen.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken kann der Gleichrichter integral als Einheit in den Wechselrichter integriert sein. Hierbei ist der Gleichrichter in der Lage, den Akkumulator aufzuladen, wozu der Gleichrichter beispielsweise einen in den Gleichrichter integrierten Laderegler aufweisen kann, oder der Energiespeicher mit dem Gleichrichter über ein geeignetes elektronisches Batteriemanagementsystem gekoppelt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes,
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei der Abgabe von elektrischer Regelleistung durch den Energiespeicher,
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei der Abgabe von elektrischer Regelleistung durch eine Kombination von Energiespeicher und Energieerzeuger,
4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei der Abgabe von elektrischer Regelleistung und dem gleichzeitigen Wiederaufladen des Energiespeichers durch den Energieerzeuger,
5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei der Abgabe von elektrischer Regelleistung durch den Energieerzeuger,
6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung beim Aufladen des Energiespeichers durch den Energieerzeuger ohne Abgabe von elektrischer Regelleistung,
7 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung bei der Aufnahme von elektrischer Regelleistung durch den Energiespeicher; und
8 ein schematisches Leistungsdiagramm der Kombinationseinheit für die gleichzeitige Abgabe von Primär- und Sekundärregelleistung.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes 2 eine Kombinationseinheit 4. Das Wechselstromnetz 2, welches in vorteilhafter Weise als Mittelspannungsnetz mit einer Betriebsspannung von 3 kV bis 30 kV insbesondere 20 kV ausgelegt ist, ist bevorzugt über einen Transformator 22 mit einem Hochspannungsnetz 2a verbunden, durch das der Strom über größere Strecken hinweg transportiert wird. Das Hochspannungsnetz wird beispielsweise mit Spannungen von 60 kV bis zu 1150 kV, bevorzugt 110 kV, betrieben.
Die Kombinationseinheit 4 umfasst einen Energiespeicher in Form eines Akkumulatorspeichers 6, einen Wechselrichter 16, einen Gleichrichter bzw. Laderegler 18, einen Energieerzeuger 8 und einen Generator 14. Dabei kann der Energiespeicher 6 elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz 2 oder alternativ einer sonstigen bekannten Erzeugungsanlage, z. B. einem Dieselaggregat über den Gleichrichter 18 aufnehmen und diese zu einem späteren Zeitpunkt über einen ersten Zeitraum hinweg über den Wechselrichter 16 an das Wechselstromnetz 2 abgeben. Der Energieerzeuger 8 kann nach einer Anlaufphase elektrische Energie über einen zweiten Zeitraum hinweg durch den Generator 14 in das Wechselstromnetz 2 abgeben.
Das Wechselstromnetz 2 wird dabei mit einer im Wesentlichen konstanten Vorgabefrequenz von insbesondere 50 Hz betrieben, die durch zugeführte oder entnommen Regelenergie stabilisiert wird.
Die Kombinationseinheit 4 umfasst eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10, die die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit 4 in Abhängigkeit von einem Netzregelparameter-Sollwert 12 regelt.
Der Energieerzeuger 8 ist erfindungsgemäß ein Gas- und/oder Öl BHKW 8, das mit dem angetrieben Generator 14 gekoppelt ist und die elektrische Energie über diesen in das Wechselstromnetz 2 einspeisen kann. Der Energiespeicher 6 ist ein Akkumulatorspeicher mit einer Vielzahl von insbesondere Lithiumakkumulatoren, wie z. B. Lithium-Polymer-Akkumulatoren, der über den Wechselrichter 16 sowie den Gleichrichter 18 mit dem elektrischen Wechselstromnetz 2 verbunden ist. Dabei ist die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 elektrisch mit dem Gas- und/oder Öl BHKW 8, dem Generator 14, dem Wechselrichter 16 sowie dem Gleichrichter 18 gekoppelt.
Wie in 1 weiterhin gezeigt ist, besitzt die Kombinationseinheit 4 vorzugsweise einen Netztrennschalter 20, über den sich eine Sammelschiene 34 mit dem Wechselstromnetz 2 verbinden, bzw. von diesem trennen lässt, an die die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 angeschlossen ist, welche die momentanen Ströme und Spannungen auf der Sammelschiene 34 erfasst und verarbeitet.
2 zeigt einen Abruf von Regelleistung durch die Kombinationseinheit 4 nach dem Eingang eines Netzregelparameter-Sollwerts 12. Der beispielsweise über ein nicht näher gezeigtes Datennetzwerk zugeführte Netzregelparameter-Sollwert 12 wird durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 erfasst und verarbeitet. Diese leitet daraus eine Größe für die bereitzustellende Regelenergie ab und stellt diese Regelenergie durch eine entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 16 aus dem Energiespeicher 6 bereit, die dem Wechselstromnetz 2 durch Schließen des Netztrennschalters 20 zugeführt wird.
Je nach angefragter Leistung und Dauer des Regelenergieabrufs sowie dem momentanen Ladezustands des Akkumulators 6 wird von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 entschieden, ob das Gas- und/oder Öl BHKW 8 hochgefahren wird oder nicht. Bei einem zeitgleichen Eintreffen von verschiedenen Regelenergieabrufen, wie beispielsweise einem zeitgleichen Abruf von Primärregelenergie und Sekundärregelenergie, wird das BHKW 8, bzw. die darin eingesetzte Turbine bevorzugter Weise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Eingang der Leistungsanfrage durch den Netzregelparameter-Sollwert 12 hochgefahren.
3 zeigt den Abruf von positiver Sekundärregelenergie sowie den gegebenenfalls zeitgleichen Abruf von positiver Primärregelenergie. Die Anfrage durch den Netzregelparameter-Sollwert 12 veranlasst die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 hierbei, den Wechselrichter 16 zu aktivieren, um die geforderte Primärregelleistung über den Akkumulator 6 bereit zu stellen. Im Wesentlichen zeitgleich wird das Gas- und/oder Öl BHKW 8 gestartet. Hierzu wird bevorzugt überschüssige Energie eingesetzt, die z. B. über das Wechselstromnetz 2 an der Sammelschiene 34 bereit gestellt wird. Sofern keine solche zusätzliche Energie zum Starten der Turbine aus dem Wechselstromnetz 2 verfügbar sein sollte, wird der Wechselrichter 16 durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 in der Weise gesteuert, dass die zusätzlich zu der Primärregelleistungsanfrage benötigte Startenergie durch den Akkumulator 6 bereit gestellt wird. Nach dem Starten der Turbine 14 und während des Hochfahrens derselben wird die vom Akkumulator 6 abgegebene elektrische Leistung von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 durch eine entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 16 fortlaufend um den Betrag der von dem Gas- und/oder Öl BHKW 8 über den Generator 14 bereitgestellten elektrische Leistung reduziert. Dazu vergleicht die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 vorzugsweise fortlaufend die auf der Sammelschiene 34 bereitgestellte elektrische Leistung mit der durch den Netzregelparameter-Sollwert 12 angefragten Regelleistung.
In 4 wird der Akkumulator 6 über den Gleichrichter 18 mit der durch das Gas- und/oder Öl BHKW 8 über den angetriebenen Generator 14 auf der Sammelschiene 34 bereitgestellten elektrischen Leistung aufgeladen, während gleichzeitig Regelleistung an das Wechselstromnetz 2 abgegeben wird.
Das Gas- und/oder Öl BHKW 8 ist in vorteilhafter Weise so dimensioniert, dass dieses auch während eines größtmöglichen Sekundärregelenergieabrufs zusätzlich noch elektrische Leistung bereit stellen kann, die in diesem Falle vorzugsweise dazu verwendet wird, den Akkumulator 6 zu laden. Dies ermöglicht es, den Energiespeicher/Akkumulator 6 auf einem vorzugsweise mittleren Ladestand von circa 50% bis 60% seiner Nennkapazität zu halten, selbst wenn mehrfach kurz nacheinander zusätzlich zu einem Sekundärregelenergieabruf mehrere Primärregelenergieabrufe bedient werden müssen.
In der in 5 gezeigten Konfiguration stellt die Kombinationseinheit 4 Regelleistung ausschließlich über das Gas- und/oder Öl BHKW 8 bereit, während der Akkumulator 6, der Wechselrichter 16 und der Gleichrichter 18 nicht aktiviert sind. In dieser Konfiguration kann die Kombinationseinheit 4 über einen sehr langen Zeitraum hinweg, beispielsweise mehrere Stunden oder im Ausnahmefalle gar mehrere Tage, Regelleistung bereitstellen, falls dies z. B. aufgrund eines Ausfalls eines Hauptenergieerzeugers im Wechselstromnetz 2 erforderlich sein sollte.
6 zeigt das Aufladen des Akkumulators 6 durch das Gas- und/oder Öl BHKW 8. Die Leistung der erzeugten Energie entspricht der Ladeleistung des Akkumulators 6. Dies führt zu dem Vorteil, dass der Akkumulator 6 nach dem Abschluss eines Regelenergieabrufs durch das laufende Gas- und/oder Öl BHKW 8, wieder aufgeladen werden kann, ohne Energie aus dem Wechselstromnetz 2 zu entnehmen.
Ebenso ist es denkbar, das Gas- und/oder Öl BHKW 8 beim Erreichen eines Schwellwerts für den Ladezustand des Akkumulators 6, z. B. bei einer Restenergiemenge, die lediglich 20% der Nennkapazität entspricht, durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 zu starten, um den Akkumulator 6 unabhängig vom Wechselstromnetz 2 aufzuladen.
7 zeigt die Aufnahme von negativer elektrischer Regelleistung durch die Kombinationseinheit 4. Die Regelenergieanfrage durch den Netzregelparameter-Sollwert 12 wird dabei durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 verarbeitet. Diese aktiviert den Gleichrichter 18. Dadurch wird elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz 2 über die Sammelschiene 34 durch den Gleichrichter 18 in den Akkumulator 6 eingeleitet.
In 8 ist beispielhaft ein nahezu gleichzeitiger Abruf von Primär- und Sekundärregelleistung gezeigt. Auf der Abszissenachse ist hierbei die Zeit und auf der Ordinatenachse die elektrische Leistung P aufgetragen. Dabei gibt die als strichpunktierte Linie dargestellte Kurve 24 den Abruf an Primärregelenergie wieder, nach deren Anstieg die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 analog zu 2 Primärregelleistung in Form der Leistungskurve 32 durch die Kombinationseinheit 4 bereitstellt. Nach dem Erreichen der geforderten Regelleistung erfolgt im Beispiel von 8 ein weiterer Abruf von Regelleistung in Form eines Sekundärregelenergieabrufs 26. Dies hat zur Folge, dass das Gas- und/oder Öl BHKW 8 angefahren und nach dem Erreichen der Solldrehzahl die durch die Kurve 26 wiedergegebene elektrische Leistung durch den Generator 14 fortlaufend erhöht wird. Dabei wird die vom Energiespeicher/Akkumulator 6 bereit gestellte Leistung 30 von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 in gleichem Maße durch eine entsprechend Steuerung des Wechselrichters 16 reduziert. Die durch die Kombinationseinheit 4 an das Wechselstromnetz 2 abgegebene elektrische Leistung 32 ist in diesem Falle im Wesentlichen konstant auf dem geforderten Plateau. Durch die Leistungsreserven des Gas- und/oder Öl BHKW 8 übernimmt diese nach dem Anlaufen einen immer größer wendenden Anteil an der erbrachten elektrischen Leistung 32 der Kombinationseinheit 4 bis zum Ende des Primärregelenergieabrufs 24. Nachdem der Primärregelenergieabruf 24 beendet ist, wird das Gas- und/oder Öl BHKW 8 kontrolliert auf das gesunkene Plateau für den Sekundärregelenergieabruf 26 heruntergefahren. Um das Plateau schnellstmöglich zu erreichen wird hierbei vorzugsweise die überschüssige Leistung der Turbine 8 analog der in 4 gezeigten Konfiguration zum Laden des Akkumulators 6 eingesetzt. Nach der Beendigung des verbleibenden Sekundärregelenergieabrufs 26 und dem schrittweisen Herunterfahren wird die Kombinationseinheit 4 zunächst solange analog der Konfiguration von 4 betrieben, bis keine Regelenergieleistung mehr abgerufen wird. Anschließend wird der Energiespeicher/Akkumulator 6 analog der Konfiguration von 6 durch das gestartete Gas- und/oder Öl BHKW 8 wieder geladen.
Bezugszeichenliste

1: Erfindungsgemäße Anordnung
2: Wechselstromnetz
4: Kombinationseinheit
6: Energiespeicher
8: Energieerzeuger
10: Steuerungs- und Regeleinrichtung
12: Netzregelparameter-Sollwert
14: Generator
16: Wechselrichter
18: Gleichrichter
20: Netztrennschalter
22: Transformator
24: Primärregelenergieabruf
26: Sekundärregelenergieabruf
28: Leistungskurve Gasturbine
30: Leistungskurve Akkumulator
32: Leistungskurve Kombinationseinheit
34: Sammelschiene

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes (2), das bei einer Vorgabefrequenz von insbesondere 50 Hz arbeitet, wobei eine Kombinationseinheit (4) zum Bereitstellen von elektrischer Regelleistung vorgesehen ist, die aus einem Energiespeicher (6), der elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz (2) oder einer Erzeugungsanlage aufnehmen und über einen ersten Zeitraum hinweg in dieses abgeben kann, und einem Energieerzeuger (8) besteht, der nach einer Anlaufphase Energie über einen zweiten Zeitraum hinweg in das Wechselstromnetz (2) abgeben kann, und der Kombinationseinheit (4) eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) zugeordnet ist, die die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit (4) in Abhängigkeit von einem Netzregelparameter-Sollwert (12) in der Weise regelt, dass die dem Wechselstromnetz (2) von der Kombinationseinheit (4) zugeführte oder von dieser aus dem Wechselstromnetz (2) entnommene elektrische Energie dem Sollwert eines Regelenergieabrufs (12), insbesondere eines Sekundärregelenergieabrufs, entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger (8) ein Gas- und/oder Öl BHKW ist, das elektrische Energie über einen von diesem angetriebenen Generator (14) in das Wechselstromnetz (2) einspeist, dass der Energiespeicher (6) ein Akkumulator ist, der über einen Wechselrichter (16) sowie einen Gleichrichter (18) mit dem elektrischen Wechselstromnetz (2) verbunden ist, und dass die Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) elektrisch mit dem Gas- und/oder Öl BHKW (8), dem Generator (14), dem Wechselrichter (16) sowie dem Gleichrichter (18) gekoppelt ist und diese in der Weise steuert und regelt, dass die Kombinationseinheit (4) die Netzregelparameter-Sollwerte (12), insbesondere die Leistungshöhe, den Leistungsgradienten, die Spannungshöhe und die Frequenz erfüllt, indem die Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) elektrische Energie vom Akkumulator (6) über den Wechselrichter (16) in das Wechselstromnetz (2) einspeist und im Wesentlichen gleichzeitig das Gas- und/oder Öl BHKW (8) startet, wobei die in das Wechselstromnetz (2) eingespeiste Leistung des Akkumulators (6) in dem Maße reduziert wird, in dem die vom Gas- und/oder Öl BHKW (8) und dem Generator (14) in das Wechselstromnetz (2) eingespeiste elektrische Leistung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (6) die benötigte elektrische Energie zum Starten des Gas- und/oder Öl BHKW (8) während der Anlaufphase bereit stellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) den Gleichrichter (18) sowie das Gas- und/oder Öl BHKW (8) und den Generator (14) nach einer Regelleistungsanfrage im Anschluss an den zweiten Zeitraum zum Aufladen des Akkumulators (6) für eine solche Zeitdauer weiter aktiviert, bis die dem Akkumulator (6) während des Startvorgangs und der Anlaufphase entnommene Energiemenge wieder in den Akkumulator (6) zurückgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (6) eine solche Nennleistung besitzt, dass dieser über den ersten Zeitraum hinweg gleichzeitig Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und die benötigte elektrische Leistung zum Starten des Gas- und/oder Öl BHKW (8) bereitstellen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden des Akkumulators (6) durch den vom Gas- und/oder Öl BHKW (8) angetriebenen Generator (14) über den Gleichrichter (18) erfolgt, ohne dass zusätzliche elektrische Leistung aus dem Wechselstromnetz (2) entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemenge, die der Akkumulator (6) abgeben oder aufnehmen kann, kleiner als die Energiemenge einer Sekundärregelleistungsanfrage mit maximaler Dauer ist.
Anordnung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Bereitstellung von elektrischer Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes (2), das bei einer Vorgabefrequenz von insbesondere 50 Hz arbeitet, wobei eine Kombinationseinheit (4) zum Bereitstellen von elektrischer Regelleistung vorgesehen ist, die aus einem Energiespeicher (6), der elektrische Energie aus dem Wechselstromnetz (2) oder einer Erzeugungsanlage aufnehmen und über einen ersten Zeitraum hinweg in dieses abgeben kann, und einem Energieerzeuger (8) besteht, der nach einer Anlaufphase Energie über einen zweiten Zeitraum hinweg in das Wechselstromnetz (2) abgeben kann, und der Kombinationseinheit (4) eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) zugeordnet ist, die die Energiezu- und Abflüsse innerhalb der Kombinationseinheit (4) in Abhängigkeit von einem Netzregelparameter-Sollwert (12) in der Weise regelt, dass die dem Wechselstromnetz (2) von der Kombinationseinheit (4) zugeführte oder von dieser aus dem Wechselstromnetz (2) entnommene elektrische Energie dem Sollwert eines Regelenergieabrufs (12), insbesondere eines Sekundärregelenergieabrufs, entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger (8) ein Gas- und/oder Öl BHKW ist, das elektrische Energie über einen von dieser angetriebenen Generator (14) in das Wechselstromnetz (2) einspeist, dass der Energiespeicher (6) ein Akkumulator ist, der über einen Wechselrichter (16) sowie einen Gleichrichter (18) mit dem elektrischen Wechselstromnetz (2) verbunden ist, und dass die Steuerungs- und Regelungseinrichtung (10) elektrisch mit dem Gas- und/oder Öl BHKW (8), dem Generator (14), dem Wechselrichter (16) sowie dem Gleichrichter (18) gekoppelt ist und diese in der Weise steuert und regelt, dass die vom Akkumulator (6) über den Wechselrichter (16) in das Wechselstromnetz (2) eingespeiste elektrische Leistung in Abhängigkeit von einem momentan angefragten Netzregelparameter-Sollwert (12), insbesondere der abgefragten Sekundäregelleistung, oder einer abgerufenen Minutenreserve, in dem Maße reduziert wird, in dem die vom Gas- und/oder Öl BHKW (8) und dem Generator (14) nach dem Anlassen des Gas- und/oder Öl BHKW (8) in das Wechselstromnetz (2) eingespeiste elektrische Leistung erhöht wird.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger (8) eine elektrische Nennleistung von 1 bis 25 MW, bevorzugt 2 MW bis 15 MW, besonders bevorzugt 5 MW besitzt.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (6) eine elektrische Kapazität von 1 bis 25 MWh, bevorzugt 2 bis 15 MWh, besonders bevorzugt 4 bis 7 MWh besitzt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselspannungsnetz (2) eine Betriebsspannung von 10 bis 30 kV, bevorzugt 15 bis 25 kV, besonders bevorzugt 20 kV aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (16) eine elektrische Nennleistung besitzt, die wenigstens der Summe aus maximaler elektrischer Primärregelleistung, maximaler Sekundärregelleistung und der für den Startvorgang des Gas- und/oder Öl BHKW (8) benötigten elektrischen Startleistung entspricht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (18) und der Wechselrichter (16) in die Kombinationseinheit (4) integriert sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulators (6) so ausgelegt ist, dass dieser die Regelenergie sofort zur Verfügung stellt und die Hochlaufzeit des Gas- und/oder Öl BHKW (8) überbrückt werden kann.