El Hierro – 100 % Erneuerbare? Kann das funktionieren?
Betriebsstrategien für El Hierro ?
Das Programm (Bild rechts) ist in 5 logische Funktionen aufgeteilt, wie die Bedienoberfläche auch zeigt.
Von oben nach unten :
1. Die Erzeugung
2. Die Belastung
3. Der Speichermanager
4. Die Speicherfüllung
5. Die Frequenz
6. Die Leistungsverteilung
Zu 1: Die Erzeugung
Die Erzeugung besteht aus drei Komponenten. Es ist in erster Linie die Windkraftanlage bestehend aus 5 Anlagen je 2,3 MW. Für die Simulation werden beim Programmstart alle WKAs als einsetzbar angesehen, wenn die Checkbox WKA-Betrieb gesetzt ist.
Mit den Commandfeldern + und – kann man die Anzahl per Hand einstellen. Die Checkbox WKA-Betrieb kann nur gesetzt werden wenn entweder die Checkbox Wasserturbine-Betrieb, die Checkbox Diesel-Betrieb oder beide gesetzt sind Das bedeutet, dass mindestens die Wasserturbine oder die Dieselmaschine ans Netz synchronisiert ist und die Netzfrequenz im Regelbereich liegt. Eine von beiden Anlagen muss laufen und die Netzfrequenz und Netzspannung diktieren. Mit dem Scrollbar Windkraftanlage kann man die Leistung, der vom zufälligen Wind abhängigen Stromerzeugung, für Versuche in dieser Simulation einstellen. Die Leistung und die Anzahl der WKA kann man in den beiden Textfeldern sehen. Die Oberwelligkeit der Stromerzeugung und ungünstige Windströmungsverhältnisse am WKA-Standort sind mir bekannt, werden aber in dieser Arbeit, ebenso wie Wirkungsgrade, nicht weiter berücksichtigt
Durch Anwahl der Checkbox Wasserturbine-Betrieb teilt man dem Programm mit, dass die Wasserturbinen ans Netz geschaltet sind und zur Regelung bereitstehen. Mit dem Scrollbar Wasserturbine kann man den Drehzahlsollwert einstellen und damit die Frequenz/Leistung der Maschine bestimmen. Im großen oberen Textfeld wird die Leistung der Maschinen angezeigt In den kleinen Textfeldern wird links der Frequenzeinfluß des Drehzahlreglers und rechts der Windeinfluß des Speichermanagers angezeigt. Die Summe der maximalen Leistung der vier Wasserturbinen beträgt 11,32 MW.
Durch Anwahl der Checkbox Diesel-Betrieb teilt man dem Sytem mit, dass das Dieselkraftwerk ans Netz geschaltet ist und zur Regelung bereitsteht. Ich nehme an es handelt sich um mehrere Synchrongeneratoren mit einer Leistung von insgesamt 11,5 MW. Mit dem Scrollbar Dieselkraftwerk kann man den Drehzahlsollwert einstellen und damit die Frequenz/Leistung der Maschine bestimmen. Im großen oberen Textfeld wird die Leistung des Werkes angezeigt . In dem kleinen Textfeld wird Frequenzeinfluß des Drehzahlreglers angezeigt.
Im grossen Textfeld rechts wird die Gesamtleistung der Erzeugeranlagen angezeigt
Zu 2: Die Belastung
Die Belastung der Erzeugeranlagen wird von der Netzlast, den Speicherpumpen mit Festdrehzahl und den leistungsregelbaren Speicherpumpen gebildet.
Mit dem Scrollbar Netzlast wird die Leistung des Verteilernetzes eingestellt und auf dem Textfeld angezeigt.
Die Speicherpumpen mit Festdrehzahl kann man mit Checkbox Pumpe 1 bis 5 anwählen. Jede Pumpe hat eine Leistung von 0,5 MW. Die Summe wird im großen Textfeld angezeigt. Wann Pumpen zu- oder abzuschalten sind zeigt ein Textfeld mit begleitendem BEEP an. Zugeschaltet werden soll, wenn die Leistung der regelbaren Speicherpumpen 1,5 MW überschreitet. Abgeschaltet werden soll, wenn die Leistung der regelbaren Speicherpumpen 0,5 MW unterschreitet. Damit soll die Belastung durch Frequenzumrichter so gering wie möglich gehalten werden.
Die zwei regelbaren Speicherpumpen von je 1,5 MW werden vom Programm als beide Pumpen in Betrieb aufgefaßt. Ihre Leistung wird im Handbetrieb mit Scollbar Speicherpumpe eingestellt. Die aktuelle Leistung wird im großen Textfeld angezeigt. Die Summe der Pumpleistung ergibt sich aus der Addition der Leistung von Festdrehzahlpumpen plus Regeldrehzahlpumpen. Die Überschreitung von 3 MW für die regelbaren Pumpen wird verhindert und durch rote Hintergrundfärbung im Textfeld angezeigt. Die Pumpleistung wird von Speichermanager bestimmt, sofern die Option Windeinfluß Laden/entladen angewählt ist. Im linken kleinen Textfeld wird der Windeinfluß des Speichermanagers angezeigt. Im rechten kleinen Textfeld wird der Frequenzeinfluß angezeigt, wenn diese Betriebsstruktur durch die Checkbox Frequenzeinfluß gewählt ist. Mit dem Scrollbar Speicherpumpe Frequenzeinfluß kann man den Sollwert zwischen 47.5 Hz und 50 Hz einstellen, wenn man wieder 50 Hz im Netz wieder erreichen will. Im grossen Textfeld rechts oben wird die Gesamtleistung der Belastungen angezeigt
Zu 3: Der Speichermanager
Der Speichermanager hat die Aufgabe das Einspeichern und Ausspeichern von Windenergie in/aus dem Höhenspeicher zu steuern. Ziel ist es die Energiegewinnung aus Windenergie zu vergleichmäßigen. Dazu ist die Ermittlung der mittleren Windleistung der letzten 7 Tage und eine Vorausschau für den aktuellen Tag nötig. Dies kann nicht Teil dieser Simulation sein. Ein fiktiver Wert kann mit dem Scrollbar Speichermanager eingestellt werden. Der Wert wird im grossen Textfeld rechts angezeigt. Überschreitet die Windleistung diesen Wert, dann wird die Leistung, die über diesem Wert liegt, mit den Speicherpumpen eingespeichert. Liegt die Windleistung unter dem Grenzwert, dann wird die Turbinenleistung vom Speichermanager so erhöht, dass die Summe aus Windleistung + Turbinenleistung dem Grenzwert entspricht. Dazu muss mit der Checkbox Windeinfluß Laden/Entladen diese Funktion eingeschaltet werden.
Eine weitere Funktion des Speichermanagers ist die Begrenzung der Windleistung bei steigender Füllung des Speichers. Dazu nimmt der Speichermanager steigend ab 260 MWh proportional WKA ausser Betrieb und verhindert damit eine Überfüllung des Speicher. Diese Funktion wird mit Checkbox Speicherniveaueinfluß aktiviert.
Bei fallendem Füllstand des Speichers wird die Turbinenleistung,beginnend bei 21 MWh Speicherfüllstand proportional gesenkt, bis sie bei 0 MWh den Nullpunkt erreicht. Diese Funktion wird ebenfalls mit der Checkbox Speicherniveaueinfluß aktiviert. Der Eingriff auf die aktuelle Turbinenleistung wird mit der Meldung Diesel zuschalten und begleitendem BEEP angezeigt.
Zu 4: Die Speicherfüllung
Die Speicherfüllung ist mit dem Scrollbar Füllstand im Bereich 0 bis 270 MWh für Versuche einstellbar Beim Programmstart steht der Wert auf 135 MWh. Die Veränderung des Füllstandes, es handelt sich um ein integrales System, ergibt sich aus der Differenz der Textfelder SummeLeistung ungeregelt + Leistung geregelt der Speicherpumpen und LeistungTurbine der Erzeuger.
Zu 5: Die Frequenz
Die Frequenz des Versorgungssystem ist das wichtigste Kriterium zur Beurteilung der Netzstabilität. Es handelt sich um ein System mit integralem Verhalten. Bei Leistungsüberschuss steigt die Frequenz, bei Leistungsmangel fällt die Frequenz kontinuierlich. Die Frequenz ergibt sich aus der Integration der Differenz aus Summe der Erzeugerleistung minus Summe der Netzlast. Das zeitliche Verhalten der Frequenz ist im Simulator gestreckt um etwa den Faktor 10. Sonst ist für den Operator nicht zu sehen, was da passiert. Zulässig ist eine Frequenz zwischen 47,5 Hz und 52,5 Hz . Wird dieser Bereich verlassen so wird „Schutzaus“ ausgelöst. Das wird durch ein rotes Textfeld mit Aufschrift „Schwarzfall“ angezeigt. Der weitere Verlauf der Simulation wird angehalten, damit man den Vorfall analysieren kann.. Weiter geht es mit Abwahl und Neustart des Programms.
Zu 6: Die Belastungsverteilung
Im rechten Teil des Fenster ist eine graphische Darstellung der Leistungsverteilung für Erzeugung auf der linken Seite und Belastung auf der rechten Seite. Die Höhe der Säulen ist proportional den Leistungen. Die Farben entsprechen der Klassifizierung der linken Fensterseite.
Betrachtungen zur Netzstabilität.
Der Betrieb von Windkraftanlagen ist nur in Kombination mit drehzahlgeregelten Erzeugern möglich, da eine WKA nicht zur Frequenzregelung fähgig ist. Weil das so ist, hat man sich für El Hierro etwas ausgedacht :
http://infoscience.epfl.ch/record/198519/files/1-s2.0-S0960148114000755-main.pdf[..]
Man will eine Wasserturbine ans Netz synchronisieren und dann das Arbeitswasser abstellen. Die läuft dann weiter wie ein Synchronmotor. Man stellt sich vor, man hätte dann einen rotierenden Speicher durch die Masse der rotierenden Maschinenteile und der würde die Frequenz stabilisieren. Aber das Ergebnis wird sein :
Maschine läuft als Synchronmotor
Maschine braucht Antriebsleistung
Maschine geht über Rückwatt vom Netz.
Hier einige Worte zu Rückwatt. Es ist der Kraftwerksausdruck für den Fall, dass eine Erzeugereinheit vom Netz Leistung aufnimmt und motorisch läuft. Die dabei auftretende Leistung nennt man Schleppleistung. Sie tritt auf, wenn man zB. einer Wasserturbine das Arbeitsmittel abstellt.
Hier nochmal der Beitrag von Horst Maler #32:
die Rotationsenergie eines Turbosatzes können Sie bei Lastanstieg nur im Bereich zwischen 50 Hz und 47.5 Hz nutzen. Dann erfolgt "Schutz aus". Bei 49,8 Hz beginnt spätestens der Einsatz der Primärregelung.
Bei Lastausfall im Bereich 50 Hz bis 52,5 Hz.
E_rot= (47,5 / 50) ** 2 = 0.9025
100 % – 90,25% = 9,75 %.
9,75 % der im Turbosatz enthaltenen Rotationsenergie können Sie nutzen. Das ist sehr wenig. Vergessen Sie Rotationsenergie !
Die Generatorspannung ist abhängig von der Drehzahl der Maschine und vom Erregerstrom, der von einem Spannungsregler durch eine Erregeranlage geführt wird.
Das hat er sehr richtig erkannt und hier bekannt gemacht. Wie die Spanier auf diese Idee kamen ist mir ein Rätsel.
In der angegebenen Maschinenanordnung ist es nicht möglich nur mit Windkraftanlagen zu versorgen. Es muss immer die Wasserturbine (Abhängigkeit vom Speicher) und/oder der Diesel laufen, um die Frequenz und die Spannung zu diktieren.
Größtes Risiko bei einer Inselanlage ist der teilweise oder komplette Netzausfall oder der plötzliche Windleistungsanstieg (Böe) , denn beide müssen entweder von der Dieselanlage und/oder der Wasserturbine abgeworfen werden können. Dazu müssen die Erzeugeranlagen aber Leistung haben die sie abwerfen können.
Das die Speicherpumpen einen Frequenzeinfluß haben ist mir nicht bekannt, wäre auch sehr ungewöhnlich, aber eine großartige Idee. Das gibt es nur in dieser Simulation. Man könnte dann die positive Leistungsdifferenz, die zum Frequenzanstieg führt und letztlich zum Schwarzfall, per Frequenzeinfluß auf die Speicherpumpen umlegen. In meiner Simulation ist das möglich. Für die Speicherpumpen kann mit Checkbox Frequenzeinfluß diese Struktur für die regelbaren Speicherpumpen gewählt werden.
Der Speichermanager kann die Windleistung die grösser als der Windleistungsgrenzwert ist auf die Speicherpumpen umlegen. Ist die Windleistung kleiner als der Windleistungsgrenzwert dann wird die fehlende Leistung auf die Wasserturbinen umgelegt. Dazu ist im Speichermanager die Checkbox Windeinfluß Laden Entladen zu aktivieren. Die Leistung der Erzeuger Wasser + Diesel muß immer grösser sein als die maximal mögliche Störung durch Teilnetzausfall oder Windleistungsanstieg (Böe).
Der aufmerksame Leser wird bemerken, dass immer, wenn die Speicherpumpen laufen, auch die Wasserturbinen laufen. Die Speicherpumpen stellen ja für das Netz eine Belastung dar. Das ergibt dann eine Art Kreisverkehr des Energiefluß. Ein Teil der Pumpleistung geht gleich wieder zur Wasserturbine. Das ist leider alternativlos. Um mal diesen schönen Satz zu benutzen.
Wir kommen jetzt zu einem Thema, das meistens nicht zur Sprache kommt. Windanlagen speisen ihren Strom über netzsynchronisierte Wechselrichter in das Netz ein. Die Sinusform des Stroms wird durch Modulation des Impuls-/Pauseverhältnisses der Hochstromschalter erreicht. Trotz nachfolgender Filterung ergeben sich trotzdem Oberwellen in der Netzspannung. Je mehr WKA in Betrieb sind desto stärker die Oberwellen. Die Oberwellen im Netz gefährden die ordnungsgemäße Funktion von Geräten im öffentlichen Netz und müssen so gering wie möglich gehalten werden, was bei Landanlagen im Verbundnetz leichter gelingt als bei Inselanlagen.
Dazu kommt, dass man für die geregelten Speicherpumpen nicht Voithgetriebe sondern Frequenzumrichter einsetzt. Diese sind prinzipiell ähnlich den Wechselrichtern. Sie haben in der steuerbaren Ausgangsfrequenz ebenso Oberwellen wie die WKA, da die Sinusform des Stroms durch Modulation des Impuls-/Pauseverhältnisses der Hochstromschalter erreicht wird. Hier begrenzt sich die Schädlichkeit auf die Antriebsmotore der Speicherpumpen, die dann eine höhere Wärmeabfuhr erfordern, also eventuell ein Kühlgebläse oder größere Motorauslegung. Die Schädlichkeit für das Netz ergibt sich aus der Gleichrichtung des Drehstroms zur Ladung des Zwischenkreises. Der Ladestrom ist nicht sinusförmig und daher oberwellig. Beide, also WKA plus FU zusammen, ergeben in dem kleinen Inselnetz eine unheilvolle Mischung, der man nur mit Begrenzung der Pumpleistung entgegnen kann. Nun wird man sagen Voithgetriebe seien nicht Stand der Technik und man könnte große Motore mit 1,5 MW nicht im Inselnetz einschalten. Dem ist aber entgegenzuhalten, dass man einen solchen Motor von einem kleinen Anwurfmotor auf Drehzahl bringen kann und dann erst einschaltet. Die Lastfreiheit des Motors kann man durch Einfahren des Ölringschöpfrohres ins Voithgetriebe garantieren. Dann ergibt sich keine Oberwelligkeit im Netz durch diesen Antrieb.
Jetzt die Praxis. Nur eine Einführung !
Wir starten das Simulationsprogramm „Hierro.exe“
Achtung ! Zahlensystem : Englisch (USA) Visualbasic für Windows 6.0
F Netzfrequenz
WE Windeinfluß von Speichermanager auf Turbine
FE Frequenzeinfluß Drehzahlregler Turbine
PT Turbinenleistung
PW Windleistung
PP Pumpleistung
Auf die Leistungsverteilung achten.
Wir fahren jetzt die Anlage an. Wasserturbine Betrieb F=50 Hz
Wir fahren die Netzlast hoch auf 3 MW. F=49,348 Hz WE=0.0 MW FE=3,0 MW
PT=3 MW
Wir schalten den Speichermanager ein. Windeinfluß Laden/Entladen
Wir schalten den Frequenzeinfluß auf die Speicherpumpen ein. Frequenzeinfluß
Wir steigern die Netzleistung auf 4 MW F=49,783 Hz WE=3,0 MW FE=1,0 MW
Wir stellen den Turbinendrehzahlsollwert auf 3013,1 U/min F=50 Hz WE=3,0 MW FE=1,0 MW
PT=4 MW
Wir fahren jetzt die Windanlage an. WKA-Betrieb
Wir fahren die Windanlage auf 3 MW. F=50 Hz WE=0,0 MW FE=1,0 MW
PT=1 MW PW=3 MW
Wir fahren die Windanlage langsam auf 8,5 MW F=50 Hz WE=0,0 MW FE=1,0 MW
PT=1 MW PW=8,5 MW PP=5,5 MW
Wir sind jetzt an der oberen Grenze der Netzbelastung bei 4 MW Netzlast angekommen. Alle Pumpen laufen. Die geregelten Pumpen sind auf 3 MW (rote Warnung). Wenn jetzt eine Böe die Windleistung auf 9,5 MW erhöht dann ist Not angesagt. Die Turbine wirft dann 1 MW ab und hat dann Leistung 0 MW. Die Pumpen können nicht mehr höher. Nichts regelt mehr die Frequenz.
Wir fahren die Windanlage auf 9,5 MW F=50,218 Hz WE=0 MW FE=0,0 MW
PT=0 MW PW=9,5 MW PP=5,5 MW
Jetzt aber in letzter Not eine WKA abwerfen. Wir sind gerettet. Wenn wir nicht eine WKA abwerfen folgt vielleicht folgendes. Das Netz verliert 0,5 MW Last durch den Ausfall einer Speicherpumpe.
Die Netzlast auf fällt auf 9,0 MW F=52,518 Hz WE=0 MW FE=-10,44 MW
PT=0 MW PW=9,5 MW PP=5,0 MW
Wir haben den Schwarzfall.
Weitere Versuche können jetzt alle Interessierten selbst vornehmen. Aber bitte bekommen Sie keinen Nervenzusammenbruch.
In der Dateianlage zu dieser Arbeit befinden sich die folgende Dateien :
setup.exe hier Das Windows-Installationsprogramm
ElHierro.CAB hier Die Programmdatei zur Installation
Beide bitte in ein neues Verzeichnis herunterladen und dann setup.exe starten.