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In entgegengesetzten Richtungen: Ein intelligentes Lastmanagement benötigt unter anderem DC/DC-Steller, die bidirektional arbeiten können. Bild: efks/iStockphoto, Siemens
Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Zauberwort Energiekopplung

Text: Wilfried Hanisch, Siemens
Das Energieangebot aus Sonne, Wind und Indus­triequellen ist volatil. Wirtschaftliche Micro-Grids und Anlagen benötigen deshalb ein intelligentes Lastmanagement, effiziente Speicher und geeignete Zwischenkreise mit bidirektional arbeitenden, verlustarmen DC/DC-Stellern.

Ohne ein intelligentes Energiemanagement lassen sich Geräte und Anlagen nicht wirtschaftlich betreiben – egal, ob es um Energie geht, die von einem Generator stammt, von einem bestimmten Prozess benötigt wird oder währenddessen entsteht. In der Praxis wird leider immer noch zu viel Energie nutzlos verheizt, beispielsweise beim Abbremsen in Widerständen. Warum also sie nicht über Zwischenspeicher nutzbar machen? Das Problem: Die Zeitpunkte, zu denen Energie erzeugt oder verbraucht wird, weichen voneinander ab. Um die Netzstabilität nicht zu gefährden, muss deshalb in Solar- oder Windkraftwerken die Einspeiseleistung bei Energieüberangebot reduziert werden. Dies lässt sich vermeiden, indem der Einspeisezeitraum der überschüssigen Energie durch einen geeigneten Energiespeicher verschoben wird. Das entlastet nicht nur das Netz, sondern steigert idealerweise auch den Erlös für die gelieferte Energie.

Das System ist Verbraucher und Generator zugleich

Um unterschiedlichste Generatoren, Speicher und Verbraucher effizient zu koppeln, bietet sich ein sogenannter Gleichspannungsbus an. Ein solcher DC-Zwischenkreis wird mittels eines ­bidirektionalen AC/DC-Wandlers an das Stromnetz angebunden und erlaubt dem System, sich sowohl als Verbraucher als auch als Generator zu verhalten. Einen typischen Anwendungsfall bildet das virtuelle Kraftwerk, ein Verbund aus dezentralen Stromerzeugungseinheiten wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen, Kleinwasserkraftwerken, Biogas-, Wind­energieanlagen und Mini- beziehungsweise Mikro-Blockheizkraftwerken. Wechselspannungsquellen wie Wind- oder Diesel-Generatoren sind dabei naturgemäß über einen Motor-Wechselrichter an den Bus gekoppelt, Gleichspannungsquellen, etwa aus Photovoltaik-Feldern, mittels DC/DC-Wandler. Der bidirektionale DC/DC-Steller sorgt dabei für die Ladung und für die Entladung der elektrischen Energiespeicher.

Werden Belastungen durch Ankopplung elektrischer Energiespeicher wie Supercaps (Superkondensatoren) oder Batteriespeichersysteme ausgeglichen, so ist in der Industrie und Energieversorgung von Peak Shaving (Spitzenlastbegrenzung) und Peak Shifting (Spitzenlastverschiebung) die Rede. Im Bereich der erneuerbaren Energien übernehmen stationäre Batteriespeichersysteme diese Aufgaben. Sollen industrielle Prozesse und regenerative Energien, insbesondere bestehende oder neu konzipierte Photovoltaik-, Wind- und Blockheizkraftwerke (BHKW) mithilfe bidirektionaler DC/DC-Steller gleichzeitig effizienter und verfügbarer gemacht werden, so gilt es einiges zu beachten.

Neben einer hohen Übertragungsleistung und wählbaren Leistungsfluss­richtung müssen DC/DC-Steller ein Über­setzungsverhältnis für unterschiedliche Spannungsniveaus bereitstellen. Am besten eignet sich dafür ein kombinierter, auch als Buck-Boost-Conver­ter bekannter Hoch-/Tiefsetzsteller, des­sen Leistungsteil aus zwei H-Brücken mit integrierter Drossel besteht. Zwei pulsbreitenmodulierte Ansteuersignale steuern jeweils 180 ° phasen­verschoben die beiden H-Brücken nach ­Maßgabe eines Strom-Sollwerts an, wodurch der Strom kontinuierlich von der ­einen Seite zur anderen fließt. Mit diesem Konzept wird erreicht, dass sich sowohl im Hoch- als auch im Tiefsetzbetrieb ein geringer Stromrippel am Ein- bzw. Ausgang ergibt. Das gilt für beide Stromrichtungen. Damit ist eine flexible Anpassung an die jeweiligen Generatoren beziehungsweise den Zwischenkreis eines Wechselrichters möglich.

Das Prinzip bidirektionaler DC/DC-Steller

Ein aktuelles Produktbeispiel für ­einen bidirektionalen DC/DC-Steller mit einer Übertragungsleistung von 30 Kilowatt (kW) bildet der DC Power Converter „Sinamics DCP“ von Siemens. Dank des neu entwickelten verlustarmen IGBT-Leistungsteil (Insulated Gate Bipolar Transistor) erzielt das kompakte Gerät einen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent. Für größere Applikationen lassen sich bis zu vier Einheiten parallel schalten. Dank individueller Vorgaben bezüglich des Strom-Sollwerts erfüllt das modulare System somit unterschiedliche Anwendungsbereiche von bis 60, 90 und 120 kW.

Für eine einfache Bedienung des neuen DC/DC-Stellers sorgt eine Kombination aus integrierter Steuereinheit und numerischem Basic Operator Panel an der Gerätefront. Vor Ort lassen sich darüber Parameter abfragen und ändern, Störungen analysieren und Alarme quittieren. Zur Konfigurierung mittels PC führt das Siemens-Inbetriebnahme-Tool Starter den Anwender via Projektassistent sicher durch folgenden Standardablauf: Projekt einrichten, Gerät konfigurieren und Einstellungsdaten in den Speicher der Steuereinheit des DC/DC-Stellers übertragen. Der letzte Schritt erfolgt über die standardmäßig implementierte Profibus-Schnittstelle. Optional ist auch Profinet verfügbar, was neben höheren Übertragungsraten auch die Vernetzung gestattet. Mit der Sinamics-Plattform kommuniziert das Gerät über eine DriveCliq-Schnittstelle, der direkte Datenaustausch zwischen Sinamics- und DCP-Steuereinheiten erfolgt über die Software Oalink.

Mit der durchgängigen Einbettung in die Siemens-Tool- und -Systemlandschaft möchte der Hersteller Projektierern unter anderem eine sichere Orientierung beim Systementwurf bieten, die Einarbeitungszeit verkürzen und letztendlich den Effizienzgewinn beschleunigen.

Ein interessanter Anwendungsfall für den neuen 30-kW-DC/DC-Steller von Siemens ging kürzlich aus einem Kooperationsprojekt mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hervor. Der gemeinsam entwickelte DC RSB (DC Renewable Storage Backbone) auf dem KIT-Gelände entspricht vom Prinzip her einem DC-Zwischenkreisverbund mit direkt angebundenen Batteriespeichern und ist in der Lage, die Energieflüsse eines gekoppelten Systems aus Photovoltaik, Windkraft und Batterien sowie weiterer Energiequellen und Speicher – sowohl innerhalb als auch zum Netz hin – gemäß der jeweiligen Betreiberanforderungen zu regeln. Auf diese Weise lassen sich in Schwachlastzeiten Batterien mit überschüssiger Energie laden, um sie später zu Spitzenlastzeiten wieder abzugeben. Ein weiterer Vorteil: Verschiedene Energiequellen mit unterschiedlichen Eigenschaften können nun über einen gemeinsamen Netz-Wechselrichter Strom einspeisen. Der Aufbau des Energy-Storage-Systems, mit dem das KIT seine bestehende Photovoltaikanlage (PV) um einen 50-kWh-Energiespeicher aus Lithium-Ionen-Batterien erweiterte, geht aus dem links oben abgebildeten Blockschaltbild hervor.

Karlsruhe: Versuchsanlage mit Photovoltaik

Infolge der direkten Ankopplung des PV-Feldes an den Zwischenkreis bestimmt die variable Ausgangsspannung der Photovoltaikanlage des KIT auch die Zwischenkreisspannung. Ist das nicht gewünscht, lässt sich das PV-Feld alternativ über den Sinamics DCP den Zwischenkreis ankoppeln. Da PV-Anlagen im Leerlauf oftmals hohe Spannungen liefern, ist der DC/DC-Steller auf eine maximale Eingangs- beziehungsweise Ausgangsspannung von 1000 V DC ausgelegt, die kurzzeitig mit reduziertem Strom an den Klemmen anliegen darf. Ergänzend ließe sich auch ein MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker) in den DC/DC-Steller implementieren. Zusätzlich zu den beiden DC/DC-Stellern beherbergt der Stromrichterschrank der Versuchsanlage noch die Einspeisung, einen Wechselrichter sowie eine speicherprogrammierbare Steuerung und einen Panel-PC.

Ein Blick auf die gesamte Versuchsanlage des KIT (siehe Foto) mit ihren beiden hinter dem PV-Feld verborgenen Batterie-Containern lässt erkennen, wie optisch unauffällig sich effizienzsteigernde Maßnahmen in ein industrielles Umfeld einfügen lassen. Darüber hinaus demonstrieren die verlustarmen und skalierbaren DC/DC-Steller, welches Potenzial sich in diesem und vielen weiteren Anwendungsfällen freisetzen lässt. Die Zeit ist endgültig reif, industrielle Prozesse wirtschaftlicher zu betreiben und die Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen stärker zu fördern.

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