DE19953238A1 - Verfahren zur Energieversorgung und Energieversorgungssystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein System zur unterbrechungsfreien Energieversorgung eines Inselnetzes mit wenigstens einem eigenen Generator beschrieben. Der Generator kann als Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einer Drehstrommaschine oder als Brennstoffzelle ausgeführt sein. Der Generator ist mit dem Inselnetz über einen Frequenzumformer verbunden. Eine Überwachungs- und Steuereinrichtung ermöglicht es, im Netzparallelbetrieb das Inselnetz über einen Kuppelschütz mit einem öffentlichen Versorgungsnetz zu koppeln und bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes auf Inselbetrieb umzuschalten. Die jeweilige Umschaltung erfolgt unterbrechungsfrei bezüglich der Spannung, Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 10, sowie ein Energieversor­ gungssystem zur unterbrechungsfreien Energieversorgung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und des nebengeordneten An­ spruchs 24.

Aus der DE 42 32 516 ist bereits ein Verfahren und ein System zur autonomen Energieversorgung für ein Inselnetz bekannt, das neben Fotovoltaik und Windenergieeinspeisung auch die E­ nergieerzeugung mit einem Verbrennungsmotor und einer Dreh­ strommaschine vorsieht. Eine alternative Anschaltung an das öffentliche Versorgungsnetz ist nicht vorgesehen.

Das Modul mit dem Verbrennungsmotor und der Drehstrommaschine dient zur Notversorgung und zur Überbrückung von Defiziten bei nur geringem Energieeintrag der Fotovoltaik und Windener­ giegeneratoren.

Die Drehstrommaschine ist beim Stand der Technik als Syn­ chronmaschine ausgebildet und kann entweder unmittelbar an das Inselnetz angeschaltet werden oder mittelbar über einen Gleichstromzwischenkreis. Dieser Gleichstromzwischenkreis um­ fasst einen Akkumulator, der über einen netzgeführten Strom­ richter mit dem Drehstromsynchrongenerator verbunden ist und über einen selbstgeführten Wechselrichter an das Inselnetz angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein Energieversorgungssystem zu schaffen, welches neben einem Inselbetrieb auch einen Parallelbetrieb mit dem öffentlichen Versorgungsnetz und einen unterbrechungsfreien Übergang in die jeweilige andere Betriebsart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 10 durch die Merkmale dieser Ansprüche und bei einem Energieversorgungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und 24 durch die Merkmale jener Ansprüche gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und Energieversorgungssystem ermöglicht es, elektrische Energie effizient und mit großer Versorgungssicherheit anbieten zu können. Die angeschlossenen elektrischen Verbraucher sind fest mit dem Inselnetz verbun­ den, das bei Ausfall eines öffentlichen Versorgungsnetzes den Energiebedarf decken kann. Im Netzparallelbetrieb ist bei ei­ nem stabilen öffentlichen Versorgungsnetz das Inselnetz mit diesem gekuppelt. Dann ist besonders in verbrauchsarmen Zei­ ten des Inselnetzes oder ausschließlich elektrischem Energie­ bedarf der Bezug elektrischer Energie aus dem öffentlichen Versorgungsnetz günstiger.

Im Netzparallelbetrieb kann bei gleichzeitigem thermischen Energiebedarf der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen wer­ den und dessen Verlustwärme sowie eventuell die Verlustwärme angeschlossener Wandler genutzt werden. In diesem Fall kann der elektrische Energiebedarf des Inselnetzes durch die eige­ ne Drehstrommaschine gedeckt werden und ein eventueller Ener­ gieüberschuss sogar in das öffentliche Versorgungsnetz einge­ speist werden.

Fällt das öffentliche Versorgungsnetz aus, ohne dass der Verbrennungsmotor mit der Drehstrommaschine läuft, so liefert der Gleichstromzwischenkreis mit dem Speicher vorübergehend Energie, bis der Verbrennungsmotor gestartet ist und Energie abgeben kann. Durch die Frequenz-, Phasenfolge-, und Phasen­ lagesynchronisation des Frequenzumformers wird erreicht, dass sowohl beim Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes für die an das Inselnetz angeschlossenen Verbraucher ein kontinu­ ierlicher Übergang zur Eigenversorgung sichergestellt wird, als auch ein kontinuierlicher Übergang wieder zur Versorgung aus dem öffentlichen Versorgungsnetz hergestellt wird, sobald dieses stabil arbeitet.

Durch ein Kuppelschütz lässt sich das Inselnetz vom öffentli­ chen Versorgungsnetz trennen und so vermeiden, dass Störungen im öffentlichen Versorgungsnetz Auswirkungen auf das Insel­ netz haben, oder dass bei Ausfall des öffentlichen Versor­ gungsnetzes auch das Inselnetz zusammenbricht, da die Abgabe­ leistung des Generators des Inselnetzes den potenziellen E­ nergiebedarf des öffentlichen Versorgungsnetzes bei weitem nicht decken könnte.

Der Frequenzumformer kann zwischen der Drehstrommaschine und dem Gleichstromzwischenkreis als Maschinenfrequenzumformer und zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Inselnetz als Netzfrequenzumformer ausgeführt sein und betrieben wer­ den.

Es lassen sich dann weitgehend industriell hergestellte und im Handel verfügbare Baugruppen verwenden, die lediglich noch entsprechend ihrem Einsatz modifiziert, insbesondere program­ miert werden müssen.

Bei der alternativen Lösung in den nebengeordneten Ansprüchen ist der Verbrennungsmotor, die Drehstrommaschine und der Ma­ schinenfrequenzumformer durch eine Brennstoffzelle ersetzt. Brennstoffzellen erreichen heute Wirkungsgrade von über 50% bei der Umwandlung chemisch gebundener Energie in elektrische Energie. Damit liegt der elektrische Wirkungsgrad höher als bei einem System aus Verbrennungsmotor und Drehstrommaschine. Bei zusätzlichem thermischen Energiebedarf kann auch hier die Verlustwärme der Brennstoffzelle genutzt werden.

Gemäß einer Weiterbildung wird der Speicher im Netzparallel­ betrieb durch den Netzfrequenzumformer und/oder den Maschi­ nenfrequenzumformer aufgeladen oder entladen und damit gepuf­ fert.

Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass bei einem Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes die volle Kapazität des Speichers für eine Überbrückung der Versorgungslücke zur Ver­ fügung steht, insbesondere wenn der Verbrennungsmotor abge­ schaltet ist und erst gestartet werden muss.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein Energieüberschuss der eigenen Drehstrommaschine in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist wird.

Dies kann für eine positive Gesamtenergiebilanz sinnvoll sein, wenn der Verbrennungsmotor zur Erzeugung thermischer Energie laufen muss, die gleichzeitig bei der entsprechenden Drehzahl erzeugte elektrische Energie aber nicht vollständig von den an das Inselnetz angeschlossenen Verbrauchern bean­ sprucht wird.

Bei einer Weiterbildung kann die eigene Drehstrommaschine als Asynchronmaschine ausgeführt sein und im Generatorbetrieb der notwendige Blindleistungsbedarf über den Maschinenfrequenzum­ former aus dem Gleichstromzwischenkreis bezogen werden.

Die Merkmale nach dieser Weiterbildung ermöglichen es, statt einer sonst üblichen Synchronmaschine eine im Aufbau einfa­ chere und damit kostengünstigere Asynchronmaschine einsetzen zu können. Durch die Verwendung des Maschinenfrequenzumfor­ mers und des anschließenden Netzfrequenzumformers wird die Netzfrequenz ausschließlich durch den Netzfrequenzumformer vorgegeben und die aktuelle Drehzahl und Frequenz der Asyn­ chronmaschine ist unerheblich. Somit kann die Asynchronma­ schine in einfacher Weise bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden, wodurch der Verbrennungsmotor in seiner Drehzahl dem Leistungsbedarf angepasst werden kann und sich nicht nach der Synchrondrehzahl einer die Netzfrequenz vorge­ benden Drehstrommaschine richten muss.

Bei einer Weiterbildung wird der Verbrennungsmotor mit der Asynchronmaschine in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben und im Netzparallelbetrieb seine Leistung und damit Drehzahl nach dem Wärmebedarf angeschlossener thermischer Verbraucher be­ messen. Im Inselbetrieb wird seine Leistung und damit Dreh­ zahl nach dem jeweils benötigtem Maximum an elektrischer E­ nergie bemessen.

Dabei kann das benötigte Maximum an elektrischer Energie be­ stimmt werden, indem der mittlere Energiebedarf über eine vom Speicher des Gleichstromzwischenkreises überbrückbare Zeit ermittelt wird. Kurzzeitige Spitzenwerte an Energie können dann vom Speicher gepuffert werden.

Dies ermöglicht es, den Verbrennungsmotor mit einer möglichst trägen Regelkennlinie und damit energiesparend zu betreiben und trotzdem ein sehr spannungsstabiles Inselnetz zu garan­ tieren, da Spitzenwerte an Energie aus dem Gleichstromzwi­ schenkreis bereitgestellt werden können.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der stehende Verbrennungsmotor durch die vorübergehend als Drehstrommotor betriebene Dreh­ strommaschine angelassen wird, wobei die Energie aus dem öf­ fentlichen Versorgungsnetz und/oder aus dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird.

Bei dieser Lösung wird die Drehstrommaschine universell, näm­ lich je nach Bedarfsfall als Generator oder als Motor be­ nutzt. Dadurch entfällt ein separater Elektromotor als Anlas­ ser.

Weiterhin kann beim Umschalten auf Inselbetrieb nach Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes und stehendem Verbren­ nungsmotor die benötigte Energie zunächst aus dem Speicher bezogen werden und anschließend bei drohender Erschöpfung der Reserven des Speichers durch Veranlassung der Überwachungs- und Steuereinrichtung der Verbrennungsmotor gestartet und der weitere Energiebedarf dann von der Drehstrommaschine gedeckt werden.

Diese Lösung ermöglicht auch dann einen stabilen, unterbre­ chungsfreien Übergang vom Netzparallelbetrieb zum Inselbe­ trieb, wenn der Verbrennungsmotor gerade steht. Es erübrigt sich dadurch, die Drehstrommaschine und gegebenenfalls auch den Verbrennungsmotor ständig mitlaufen lassen zu müssen, was beim Netzparallelbetrieb nur unnötig hohe Leerlaufverluste verursachen würde.

Gemäß einer Weiterbildung ist die Asynchronmaschine flüssig­ keitsgekühlt, und die Abwärme der Flüssigkeit kann in den Flüssigkeitskreislauf der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage einge­ speist werden.

Bei der Asynchronmaschine ist wegen des einfacheren Aufbaus auch die Kühlung durch Flüssigkeit einfacher zu realisieren. Dadurch lässt sich die in der Asynchronmaschine umgesetzte Verlustwärme einfacher transportieren und der Kraft-Wärme- Kopplungsanlage nutzbar machen. Auf diese Weise wird der Wir­ kungsgrad erhöht und damit auch die Wirtschaftlichkeit ver­ bessert. Darüber hinaus ist auch eine Asynchronmaschine bei kleinen und mittleren Leistungen billiger in der Herstellung und verschleißärmer, was ebenfalls der Wirtschaftlichkeit zu­ gute kommt.

Als Speicher im Gleichstromzwischenkreis können Kondensato­ ren, Akkumulatoren, umkehrbare Brennstoffzellen, eine Brenn­ stoffzelle mit Elektrolyseur oder eine Kombination davon ein­ gesetzt werden.

Kondensatoren zeichnen sich durch Wartungsfreiheit und hohen Wirkungsgrad aus, sie vermögen aber nur kurzzeitig Energielü­ cken zu überbrücken, wobei noch die Spannung abhängig vom La­ dezustand ist. Bei Akkumulatoren ist eine relativ hohe Lade­ kapazität realisierbar, allerdings ist hier die Lebensdauer auf wenige Jahre begrenzt, wobei sich die Kapazität mit der Zeit verringert. Brennstoffzellen sind derzeit noch recht teuer in der Beschaffung, sie arbeiten aber mit einem hohen energetischen Wirkungsgrad und sind wartungsfrei, da sie kei­ ne für die Energieumwandlung bewegten Teile besitzen.

Bei einer praktischen Ausgestaltung umfassen der Maschinen­ frequenzumformer und der Netzfrequenzumformer aktiv steuerba­ re Halbleiter-Stromventile. Diese sind von einer eigenen Steuerschaltung oder unmittelbar von der Überwachungs- und Steuereinrichtung steuerbar.

Durch die aktiv steuerbaren Halbleiter-Stromventile lassen sich die Frequenzumformer bidirektional betreiben. Der Netz­ frequenzumformer kann also sowohl Energie vom Gleichstromzwi­ schenkreis ins Inselnetz einspeisen als auch umgekehrt Ener­ gie vom Inselnetz in den Gleichstromzwischenkreis, um bei­ spielsweise den Akku zu laden. Auch der Maschinenfrequenzum­ former kann sowohl Energie von der Asynchronmaschine zum Gleichstromzwischenkreis liefern, als auch umgekehrt E­ nergie zur Deckung seines notwendigen Blindleistungsbedarfs oder auch Energie zum Betrieb der Asynchronmaschine als Motor zum Anlassen des Verbrennungsmotors.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Energieversor­ gungssystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Asynchronmaschine,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Energieversor­ gungssystems mit einer Brennstoffzelle und

Fig. 3 eine Darstellung des Gleichstromzwischen­ kreises mit den angeschlossenen Frequenz­ umformern.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Energieversorgungssys­ tems mit einem Verbrennungsmotor 20 und einer Asynchronma­ schine 22. An ein Inselnetz 10 sind symmetrische Verbraucher 12 und asymmetrische Verbraucher 14 angeschlossen. Parallel zum Inselnetz 10 ist ein öffentliches Versorgungsnetz 16 vor­ handen, das über ein Kuppelschütz 18 mit dem Inselnetz 10 verbindbar ist. Das Inselnetz 10 verfügt über ein eigenes Kraftwerk, das den Verbrennungsmotor 20, die Asynchronmaschi­ ne 22, einen Gleichstromzwischenkreis 24 mit einem Speicher 26 und einen bidirektionalen Frequenzumformer 28 umfasst. Der bidirektionale Frequenzumformer 28 kann aus industriell her­ gestellten, handelsüblichen Modulen, nämlich einem Netzfre­ quenzumformer 30 und einem Maschinenfrequenzumformer 32 be­ stehen. In diesem Fall ist der Gleichstromzwischenkreis 24 über den Netzfrequenzumformer 30 mit dem Inselnetz 10 und ü­ ber den Maschinenfrequenzumformer 32 mit der Asynchronmaschi­ ne 22 verbunden. Der Netzfrequenzumformer 30 umfasst einen eigenen Frequenzgenerator 36 zur Vorgabe der Netzfrequenz bei Inselbetrieb. Zur Steuerung und Überwachung dient eine Über­ wachungs- und Steuereinrichtung 38. Die Überwachungs- und Steuereinrichtung 38 erfasst sowohl die Spannung, Frequenz, Phasenfolge, Phasenlage und Welligkeit des öffentlichen Ver­ sorgungsnetzes 16 als auch analog die entsprechenden Parame­ ter des Inselnetzes 10. Steuerleitungen führen zum Verbren­ nungsmotor 20, zum Netzfrequenzumformer 30 und zum Kuppel­ schütz 18.

Zwischen dem Netzfrequenzumformer 30 und dem Inselnetz 10 be­ findet sich ein Symmetriertransformator 34, der zur Festle­ gung eines Sternpunktes beim Drehstrom-Inselnetz 10 dient. Der Symmetriertransformator 34 ist in Dreieckschaltung mit dem Netzfrequenzumformer 30 und in Sternschaltung mit dem In­ selnetz 10 verbunden.

Der Verbrennungsmotor 20 in Verbindung mit der Asynchronma­ schine 22 arbeitet in Wärme-Kraft-Kopplung. Die Asynchronma­ schine 22 ist flüssigkeitsgekühlt und führt ihre Abwärme in den Flüssigkeitskreislauf der Wärme-Kraft-Kopplungsanlage, in die auch die Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors 20 und gegebenenfalls auch die Abgasleitung Wärme eintragen.

Durch die bidirektionale Ausbildung des Frequenzumformers 28 mit dem Netzfrequenzumformer 30 und dem Maschinenfrequenzum­ former 32 kann sowohl Energie aus dem Gleichstromzwischen­ kreis 24 in das Inselnetz 10 überführt werden, als auch umge­ kehrt vom Inselnetz 10 in den Gleichstromzwischenkreis 24. Ebenso ist es möglich, dass Energie von der als Generator be­ triebenen Asynchronmaschine 22 in den Gleichstromzwischen­ kreis 24 eingespeist wird, als auch die nötige Blindleistung für die Asynchronmaschine 22 aus dem Gleichstromzwischenkreis 24 bezogen und der Asynchronmaschine 22 eingespeist wird. E­ benso ist es möglich, die Asynchronmaschine 22 als Motor zu betreiben, um den Verbrennungsmotor 20 anzulassen.

Beim Betrieb der Anlage können mehrere Zustände auftreten, die einerseits eine sichere Versorgung des Inselnetzes 10 mit elektrischer Energie Gewähr leisten sollen und zusätzlich bei Wärmebedarf auch eine wirtschaftliche Versorgung mit Wärme­ energie ermöglichen.

Der erste Betriebsfall ist der Netzparallelbetrieb, bei dem das öffentliche Versorgungsnetz 16 stabile Zustände aufweist. Im stationären Zustand ist dann das Kuppelschütz 18 geschlos­ sen, und das Inselnetz 10 ist direkt mit dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 verbunden.

Wenn keine Wärmeenergie benötigt wird, wird der Verbrennungs­ motor 20 nicht betrieben, sodass der gesamte Energiebedarf der an das Inselnetz 10 angeschlossenen Verbraucher 12, 14 über das Kuppelschütz 18 fließt und aus dem öffentlichen Ver­ sorgungsnetz 16 bezogen wird.

Wird zusätzlich Wärmeenergie benötigt, so kann der Verbren­ nungsmotor 20 angelassen werden, dessen Abwärme und die Ab­ wärme der Asynchronmaschine 22 dann zur Deckung des Wärmebe­ darf verwendet werden. Da die Asynchronmaschine 22 nicht netzgestützt ist, sondern über einen Gleichstromzwischenkreis 24 mit dem Inselnetz 10 verbunden ist, kann die Asynchronma­ schine 22 mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Somit kann die Leistung des Verbrennungsmotors 20 und damit dessen Drehzahl nach dem Wärmebedarf bemessen werden. Je nach dem elektrischen Energiebedarf der Verbraucher 12, 14 kann dann die erforderliche Energie ausschließlich von der Asyn­ chronmaschine 22 bezogen werden, teils von der Asynchronma­ schine 22 und teils aus dem öffentlichen Versorgungsnetz 16, oder bei Energieüberschuss der Asynchronmaschine 22 kann auch elektrische Energie in das öffentliche Versorgungsnetz 16 eingespeist werden.

Im Falle eines Ausfalls des öffentlichen Versorgungsnetzes 16, der von der Überwachungs- und Steuereinrichtung 38 re­ gistriert wird, wird das Kuppelschütz 18 geöffnet und damit das Inselnetz 10 vom öffentlichen Versorgungsnetz 16 ge­ trennt. Die Energieversorgung erfolgt nun autark. Da der Netzfrequenzumformer 30 durch seinen eigenen Frequenzgenera­ tor 36 ständig mit dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 in der Frequenz, der Phasenfolge und der Phasenlage synchronisiert war, werden die an das Inselnetz 10 angeschlossenen Verbrau­ cher 12, 14 auch anschließend unterbrechungsfrei in Bezug auf Spannung, Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage versorgt.

Beim Übergang vom Netzparallelbetrieb auf Inselbetrieb ist noch der Fall zu unterscheiden, ob der Verbrennungsmotor 20 mit der Asynchronmaschine 22 bereits mitlief oder stand. Ist er bereits mitgelaufen, so wird er nun auf den geänderten e­ lektrischen Energiebedarf geregelt. Stand der Verbrennungsmo­ tor 20, wird der Energiebedarf zunächst aus dem Speicher 26 des Gleichstromzwischenkreises 24 gedeckt und anschließend der Verbrennungsmotor 20 über die vorübergehend als Asyn­ chronmotor betriebene Asynchronmaschine 22 gestartet. Darauf­ hin übernimmt er die Energieversorgung und lädt den Speicher 26 des Gleichstromzwischenkreises 24 wieder auf.

Ist das öffentliche Versorgungsnetz 16 wieder betriebsbereit und stabil, wird dieser Zustand von der Überwachungs- und Steuereinrichtung 38 erkannt, die daraufhin die Synchronität von Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage zwischen dem Insel­ netz 10 und dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 prüft und bei Abweichungen die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des In­ selnetzes 10 so verändert, dass nach einer gewissen Über­ gangszeit Synchronität eintritt. Bei Eintritt der Synchroni­ tät wird dann das Kuppelschütz 18 geschlossen, und die Ener­ gieversorgung der an das Inselnetz 10 angeschlossenen Verbraucher 12, 14 kann nun im Netzparallelbetrieb oder aus­ schließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz 16 erfolgen.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Energieversorgungssys­ tems mit einer Brennstoffzelle 48. Diese ersetzt hier den Verbrennungsmotor 20, die Asynchronmaschine 22 und den Ma­ schinenfrequenzumformer 32. Handelt es sich um eine Brenn­ stoffzelle, die keine Startphase benötigt, kann zusätzlich auch der Speicher 26 ersetzt werden. Anderenfalls ist der Speicher 26 nötig, um in der Startphase elektrische Energie für das Inselnetz 10 und zum Starten der Brennstoffzelle 48, insbesondere zu Heizen, bereit zu stellen. Die übrigen Bau­ gruppen entsprechen Fig. 1.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Frequenzumformers 28, bestehend aus dem Maschinenfrequenzumformer 32 und dem Netzfrequenzumformer 30. Dazwischen ist der Gleichstromszwi­ schenkreis 24 angeordnet.

Der Maschinenfrequenzumformer 32 und der Netzfrequenzumformer 30 sind dreiphasig ausgebildet mit aktiven Halbleiter- Stromventilen 42 zur Gleich- und Wechselrichtung bestückt. Der Aufbau des Maschinenfrequenzumformers 32 und des Netzfre­ quenzumformers 30 sind in dieser Hinsicht identisch. Die Un­ terschiede liegen lediglich in der Ansteuerung, die von eige­ nen Steuereinrichtungen 44 und 46 oder über die Überwachungs- und Steuereinrichtung 38 beeinflusst werden kann. Auf diese Weise ist ein sehr wirtschaftlicher Betrieb mit hohem Wir­ kungsgrad möglich.

Parallel zu den aktiven Halbleiter-Stromventilen 42 sind Halbleiter-Dioden 40 geschaltet. Diese sollen beim Abschalten der aktiven Halbleiter-Stromventile 42 die durch Induktivitä­ ten hervorgerufenen Spannungsspitzen abbauen und so die akti­ ven Halbleiter-Stromventile 42 vor Überspannung schützen und außerdem den Oberwellenanteil im Netz verringern.

Durch den Gleichstromzwischenkreis 24 wird neben einer Spei­ cherung von Energie zur Überbrückung von Versorgungslücken der Asynchronmaschine 22 auch eine variable Drehzahl der A­ synchronmaschine 22 zur Anpassung an die jeweils benötigte Leistung ermöglicht. Anders als bei einer direkten Netzfüh­ rung kann die Asynchronmaschine 22 so jeweils im optimalen Drehzahl- und Leistungsbereich des Verbrennungsmotors betrie­ ben werden. Außerdem ist es durch die elektronische Erzeugung und Stabilisierung der Netzfrequenz möglich, diese bei Insel­ betrieb sehr konstant zu halten und auch eine schnelle und gezielte Synchronisation mit dem öffentlichen Versorgungsnetz herzustellen, wenn nach vorübergehendem Inselbetrieb wieder ein Netzparallelbetrieb vorgenommen werden soll.

Claims (25)

1. Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung ei­ nes Inselnetzes mit wenigstens einer eigenen Drehstrommaschi­ ne, die mit einem Verbrennungsmotor koppelbar oder gekoppelt ist, mit einem einen Speicher umfassenden Gleichstromzwi­ schenkreis, der mit der Drehstrommaschine und mit dem Insel­ netz über einen Frequenzumformer verbunden ist, und mit einer Überwachungs- und Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass im Netzparallelbetrieb das Inselnetz über ein Kuppel­ schütz mit einem öffentlichen Versorgungsnetz gekoppelt wird und der Energiebedarf der an das Inselnetz angeschlossenen Verbraucher
  • a) bei stehendem Verbrennungsmotor ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird und
  • b) bei laufendem Verbrennungsmotor abhängig vom momentanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Dreh­ strommaschine, dem Speicher im Gleichstromzwischenkreis und dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird, wobei die Fre­ quenz des Frequenzumformers und ein mitlaufender Frequenzge­ nerator durch das öffentliche Versorgungsnetz in der Fre­ quenz, der Phasenfolge und der Phasenlage synchronisiert wer­ den oder die Frequenz, die Phasenfolge und die Phasenlage des Frequenzumformers durch den Frequenzgenerator gesteuert wird, der seinerseits durch das öffentliche Versorgungsnetz syn­ chronisiert wird;
• b) dass bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes auf Inselbetrieb umgeschaltet wird, in dem das Kuppelschütz ge­ öffnet wird und der Energiebedarf der an das Inselnetz ange­ schlossenen Verbraucher mit unterbrechungsfreier Phasenfolge Phasenlage durch den weiterlaufenden Frequenzgenerator
  • a) bei stehendem Verbrennungsmotor ausschließlich aus dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird und
  • b) bei laufendem Verbrennungsmotor abhängig vom momentanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Dreh­ strommaschine und dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird;
• c) dass bei Betriebsaufnahme des öffentlichen Versorgungsnet­ zes der Frequenzgenerator auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes synchronisiert wird und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallel­ betrieb umgeschaltet wird, in dem das Kuppelschütz zum öf­ fentlichen Versorgungsnetz geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumformer zwischen der Drehstrommaschine und dem Gleichstromzwischenkreis als Maschinenfrequenzumformer und zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Inselnetz als Netzfrequenzumformer betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher des Gleichstromzwischenkreises im Netzparallel­ betrieb durch den Netzfrequenzumformer und/oder den Maschi­ nenfrequenzumformer aufgeladen oder gepuffert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Energieüberschuss der eigenen Dreh­ strommaschine in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die eigene Drehstrommaschine als Asyn­ chronmaschine ausgeführt ist und im Generatorbetrieb der not­ wendige Blindleistungsbedarf über den Maschinenfrequenzumfor­ mer aus dem Speicher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit der Asynchronmaschine in Kraft- Wärme-Kopplung betrieben wird und im Netzparallelbetrieb sei­ ne Leistung und damit Drehzahl nach dem Wärmebedarf ange­ schlossener thermischer Verbraucher bemessen wird und im In­ selbetrieb seine Leistung und damit Drehzahl nach dem jeweils benötigten Maximum an elektrischer Energie bemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das benötigte Maximum an elektrischer Energie bestimmt wird, in dem der mittlere Energiebedarf über eine vom Speicher des Gleichstromzwischenkreises überbrückbare Zeit ermittelt wird und dass kurzzeitige Spitzenwerte an Energie vom Speicher ge­ puffert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der stehende Verbrennungsmotor durch die zum Anlassen als Drehstrommotor betriebene Drehstrommaschine angelassen wird, wobei die Energie aus dem öffentlichen Ver­ sorgungsnetz und/oder aus dem Speicher des Gleichstromzwi­ schenkreises bezogen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei Umschalten auf Inselbetrieb nach Aus­ fall des öffentlichen Versorgungsnetzes und stehendem Verbrennungsmotor die benötigte Energie zuerst aus dem Spei­ cher des Gleichstromzwischenkreises bezogen wird und an­ schließend durch Veranlassung der Überwachungs- und Steuer­ einrichtung der Verbrennungsmotor angelassen wird und der weitere Energiebedarf dann vom Drehstromgenerator gedeckt wird.

10. Verfahren zur unterbrechungsfreien Energieversorgung ei­ nes Inselnetzes mit wenigstens einem eigenen Generator, der mit dem Inselnetz über einen Frequenzumformer verbunden ist, und mit einer Überwachungs- und Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
als Generator eine Brennstoffzelle eingesetzt wird,

• a) dass im Netzparallelbetrieb das Inselnetz über ein Kuppel­ schütz mit einem öffentlichen Versorgungsnetz gekoppelt wird und der Energiebedarf der an das Inselnetz angeschlossenen Verbraucher
  • a) bei abgeschalteter Brennstoffzelle ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird und
  • b) bei eingeschalteter Brennstoffzelle abhängig vom momenta­ nen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der Brennstoff­ zelle und dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen wird, wo­ bei die Frequenz des Frequenzumformers und ein mitlaufender Frequenzgenerator durch das öffentliche Versorgungsnetz in der Frequenz, der Phasenfolge und der Phasenlage synchroni­ siert werden oder die Frequenz, die Phasenfolge und die Pha­ senlage des Frequenzumformers durch den Frequenzgenerator ge­ steuert wird, der seinerseits durch das öffentliche Versor­ gungsnetz synchronisiert wird;
• b) dass bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes auf Inselbetrieb umgeschaltet wird, in dem die Brennstoffzelle eingeschaltet wird, das Kuppelschütz geöffnet wird und der Energiebedarf der an das Inselnetz angeschlossenen Verbrau­ cher mit unterbrechungsfreier Phasenfolge Phasenlage durch den weiterlaufenden Frequenzgenerator aus der Brennstoffzelle bezogen wird;
• c) dass bei Betriebsaufnahme des öffentlichen Versorgungsnet­ zes der Frequenzgenerator auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes synchronisiert wird und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallel­ betrieb umgeschaltet wird, in dem das Kuppelschütz zum öf­ fentlichen Versorgungsnetz geschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer eine Startphase benötigenden Brennstoffzelle die elektrische Energie für das Inselnetz während der Startphase und zum Starten der Brennstoffzelle aus einem aufladbaren Zwischenspeicher bezogen wird.

12. Energieversorgungssystem zur unterbrechungsfreien Ener­ gieversorgung eines Inselnetzes (10) mit wenigstens einer ei­ genen Drehstrommaschine (22), die mit einem Verbrennungsmotor (20) koppelbar oder gekoppelt ist, mit einem einen Speicher (26) umfassenden Gleichstromzwischenkreis (24), der mit der Drehstrommaschine (22) und mit dem Inselnetz (10) über einen Frequenzumformer (28) verbunden ist; und mit einer Überwa­ chungs- und Steuereinrichtung (38), dadurch gekennzeichnet, dass ein von der überwachungs- und Steuereinrichtung (38) steuerbares Kuppelschütz (18) zwischen dem Inselnetz (10) und einem öffentlichen Versorgungsnetz (16) angeordnet ist, dass dem Frequenzumformer (28) ein mitlaufender Frequenzgenerator (36) zugeordnet ist, wobei die Frequenz, Phasenfolge und Pha­ senlage des Frequenzumformers (28) und des mitlaufenden Fre­ quenzgenerator (36) durch das öffentliche Versorgungsnetz (16) synchronisiert sind oder die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des Frequenzumformers (28) durch den Frequenzgene­ rator (36) gesteuert ist, der seinerseits durch das öffentli­ che Versorgungsnetz (16) synchronisiert ist, dass

• a) das Kuppelschütz (18) im Netzparallelbetrieb geschlossen ist und das Inselnetz (10) mit dem öffentlichen Versorgungs­ netz (16) verbindet, wobei der Energiebedarf an das Inselnetz (10) angeschlossener Verbraucher (12, 14)
  • a) bei stehendem Verbrennungsmotor (20) ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) bezogen wird und
  • b) bei laufendem Verbrennungsmotor (20) abhängig vom momen­ tanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Drehstrommaschine (22), dem Speicher (26) des Gleichstromzwi­ schenkreises (24) und dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) bezogen wird;
• b) das Kuppelschütz (18) bei Ausfall des öffentlichen Versor­ gungsnetzes (16) durch Öffnen auf Inselbetrieb umschaltbar ist und der Energiebedarf der an das Inselnetz (10) ange­ schlossenen Verbraucher (12, 14) mit unterbrechungsfreier Phasenfolge und Phasenlage durch den weiterlaufenden Fre­ quenzgenerator (36)
  • a) bei stehendem Verbrennungsmotor (20) ausschließlich aus dem Speicher (26) des Gleichstromzwischenkreises (24) bezogen wird und
  • b) bei laufendem Verbrennungsmotor (20) abhängig vom momen­ tanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der eigenen Drehstrommaschine (22) und dem Speicher (26) des Gleichstrom­ zwischenkreises (24) bezogen wird;
• c) das Kuppelschütz (18) bei Betriebsaufnahme des öffentli­ chen Versorgungsnetzes (16) der Frequenzgenerator (36) auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes (16) synchronisierbar ist und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallelbetrieb durch Schließen umschaltbar ist.

13. Energieversorgungssystem nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Frequenzumformer (28) zwischen der Drehstrommaschine (22) und dem Gleichstromzwischenkreis (24) einen Maschinenfrequenzumformer (32) und zwischen dem Gleich­ stromzwischenkreis (24) und dem Inselnetz (10) einen Netzfre­ quenzumformer (30) umfasst.

14. Energieversorgungssystem nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Speicher (26) des Gleichstromzwischen­ kreises (24) im Netzparallelbetrieb durch den Netzfrequenzum­ former (30) und/oder den Maschinenfrequenzumformer (32) auf­ ladbar oder pufferbar ist.

15. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieüberschuss der eigenen Drehstrommaschine (22) in das öffentliche Versor­ gungsnetz einspeisbar (16) ist.

16. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die eigene Drehstrommaschine (22) als Asynchronmaschine ausgebildet ist und im Generator­ betrieb den notwendigen Blindleistungsbedarf über den Maschi­ nenfrequenzumformer (32) aus dem Speicher (26) des Gleich­ stromzwischenkreises (24) bezieht.

17. Energieversorgungssystem nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (20) mit der Asyn­ chronmaschine (22) in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben und von der Überwachungs- und Steuereinrichtung (38) so gesteuert ist, dass im Netzparallelbetrieb seine Leistung und damit Drehzahl nach dem Wärmebedarf angeschlossener thermischer Verbraucher bemessen ist und im Inselbetrieb seine Leistung und damit Drehzahl nach dem jeweils benötigten Maximum an e­ lektrischer Energie bemessen ist.

18. Energieversorgungssystem nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das benötigte Maximum an elektrischer E­ nergie dem mittleren Energiebedarf über eine vom Speicher (26) des Gleichstromzwischenkreises (24) überbrückbare Zeit entspricht und dass der Speicher (26) zur Überbrückung kurz­ zeitiger Spitzenwerte an dient.

19. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrommaschine (22) zum Anlassen des stehenden Verbrennungsmotors (20) als Dreh­ strommotor betreibbar ist, wobei die Speiseenergie aus dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) und/oder aus dem Speicher (26) des Gleichstromzwischenkreises (24) stammt.

20. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (22) flüssigkeitsgekühlt ist und die Abwärme der Flüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eingespeist ist.

21. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (26) des Gleichstromzwischenkreises (24) Kondensatoren, Akkumulatoren, umkehrbare Brennstoffzellen, eine Brennstoffzelle mit E­ lektrolyseur oder eine Kombination davon umfasst.

22. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinenfrequenzumfor­ mer (32) und der Netzfrequenzumformer (30) aktiv steuerbare Halbleiter-Stromventile (42) umfassen, die von einer eigenen Steuerschaltung oder von der Überwachungs- und Steuereinrich­ tung (38) steuerbar sind.

23. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Netzfreguenzum­ former 30 und dem Inselnetz 10 ein Symmetriertransformator 34 angeordnet ist, der zur Festlegung eines Sternpunktes beim Drehstrom-Inselnetz 10 dient, wobei der Symmetriertransforma­ tor 34 in Dreieckschaltung mit dem Netzfrequenzumformer 30 und in Sternschaltung mit dem Inselnetz 10 verbunden ist.

24. Energieversorgungssystem zur unterbrechungsfreien Ener­ gieversorgung eines Inselnetzes (10) mit wenigstens einem ei­ genen Generator, der mit dem Inselnetz (10) über einen Fre­ quenzumformer (30) verbunden ist, und mit einer Überwachungs- und Steuereinrichtung (38), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator als Brennstoffzelle (48) ausgebildet ist, dass ein von der überwachungs- und Steuereinrichtung (38) steuerbares Kuppelschütz (18) zwischen dem Inselnetz (10) und einem öf­ fentlichen Versorgungsnetz (16) angeordnet ist, dass dem Fre­ quenzumformer (30) ein mitlaufender Frequenzgenerator (36) zugeordnet ist, wobei die Frequenz, Phasenfolge und Phasenla­ ge des Frequenzumformers (30) und des mitlaufenden Frequenz­ generator (36) durch das öffentliche Versorgungsnetz (16) synchronisiert sind oder die Frequenz, Phasenfolge und Pha­ senlage des Frequenzumformers (30) durch den Frequenzgenera­ tor (36) gesteuert ist, der seinerseits durch das öffentliche Versorgungsnetz (16) synchronisiert ist, dass

• a) das Kuppelschütz (18) im Netzparallelbetrieb geschlossen ist und das Inselnetz (10) mit dem öffentlichen Versorgungs­ netz (16) verbindet, wobei der Energiebedarf an das Inselnetz (10) angeschlossener Verbraucher (12, 14)
  • a) bei abgeschalteter Brennstoffzelle (48) ausschließlich aus dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) bezogen wird und
  • b) bei eingeschalteter Brennstoffzelle (48) abhängig vom mo­ mentanen Belastungsfall mit variablen Anteilen von der Brenn­ stoffzelle (48) und dem öffentlichen Versorgungsnetz (16) be­ zogen wird;
• b) bei Ausfall des öffentlichen Versorgungsnetzes (16) die Brennstoffzelle (48) einschaltbar und das Kuppelschütz (18) durch Öffnen auf Inselbetrieb umschaltbar ist und der Ener­ giebedarf der an das Inselnetz (10) angeschlossenen Verbrau­ cher (12, 14) mit unterbrechungsfreier Phasenfolge und Pha­ senlage durch den weiterlaufenden Frequenzgenerator (36) aus der Brennstoffzelle (48) bezogen wird;
• c) dass das Kuppelschütz (18) bei Betriebsaufnahme des öf­ fentlichen Versorgungsnetzes (16) der Frequenzgenerator (36) auf die Frequenz, Phasenfolge und Phasenlage des öffentlichen Versorgungsnetzes (16) synchronisierbar ist und nach Eintritt der Synchronität in den Netzparallelbetrieb durch Schließen umschaltbar ist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer eine Startphase benötigenden Brennstoffzelle (48) zusätzlich ein aufladbarer Zwischenspeicher vorgesehen ist, aus dem die elektrische Energie für das Inselnetz während der Startphase und zum Starten der Brennstoffzelle (48) bezogen wird.