Fachbeitrag

Intelligente Einspeiseumrichter

 08.08.2011,

Die Nutzung erneuerbarer Energien liegt im Trend – und damit auch Anlagen und Komponenten, die hierfür zum Einsatz kommen. Einspeise- oder Frequenzumrichter haben in diesem Zusammenhang einen besonderen Stellenwert.

Autor: Torsten Blankenburg, Sieb & Meyer

Haben sich Geothermie- und Solaranlagen für private Verbraucher, Landwirte oder Kleingewerbetreibende längst etabliert, so gewinnen auch den Strom verbrauchernah produzierende Kleinwindenergielagen (KWEA) zunehmend an Bedeutung. Bestmögliche Effizienz für eine schnelle Amortisation der Investitionskosten hat dabei oberste Priorität.

Für Kleinwindenergie, Wasserkraft und mehr: Der Einspeiseumrichter aeocon ermöglicht eine Leistungssteigerung.

Durch einen bedarfsgerechten Einspeiseumrichter lässt sich die Stromausbeute deutlich steigern. Dieser ist erforderlich, um Strom aus einer Kleinwindenergieanlage für den Eigenbedarf ins Hausnetz zu speisen und überschüssige Leistung ins öffentliche Netz abzugeben: Er wandelt den vom Generator erzeugten dreiphasigen Drehstrom der Windkraftanlage in netzkonformen Strom um. So kann er mit der richtigen Frequenz und Spannung in das 230-V-Netz eingespeist werden.

Jedoch werden Produkte für solche Anlagengrößen in der Regel in Kleinserien gefertigt, zudem sind zum sicheren Betrieb meist weitere Geräte erforderlich – daraus resultieren vergleichsweise hohe Investitionskosten. Genau da setzt die Entwicklung des Einspeiseumrichters aeocon von Sieb & Meyer an: Alle für den Betrieb erforderlichen Komponenten – Gleichrichter, Wechselrichter inklusive Potenzialtrennung und Ballastschaltung – sind in einem kompakten Gehäuse bautechnisch und funktionell vereint. Das strafft den Beschaffungsprozess, vor allem aber auch Montage und Inbetriebnahme.

Ein beispielhafter Regelfall
Der wesentliche Vorteil im Betrieb liegt jedoch in der leistungsstarken Regeltechnik, die den speziellen Betriebsbedingungen in diesem Anwendungsbereich punktgenau gerecht wird. Weil sich diese – anders als Photovoltaikanlagen mit eher trägen Zustandsänderungen – aufgrund unterschiedlicher Windstärken, -böen oder Luftturbulenzen sehr dynamisch und damit ungleichförmig gestalten, ist der aeocon so konzipiert, dass er neben der Netzeinspeisung auch Teile der Betriebsführung übernimmt.

Durch die Kombination von Gleichrichter, Wechselrichter inklusive Potential­trennung und Ballastschaltung in einem kompakten Gehäuse werden Montage­aufwand und Inbetriebnahmezeit reduziert, ebenso der Einbauraum.

Die Systemabstimmung mit der Eingabe der passenden Generatorkennlinie spielt für den Wirkungsgrad der Windkraftanlage eine wichtige Rolle. Beim aeocon ist die Leistungskennlinie wahlweise parametrierbar als Leistung über Drehzahl P(f) oder Leistung über Spannung P(U). Die inte­grierte Bremsschaltung mit angeschlossenem externen Ballastwiderstand sorgt dafür, dass der Rotor stets gemäß der programmierten Kennlinie geführt wird. Das ‚Gehirn‘ des Umrichters, die explizit auf die KWEA-Anforderungen abgestimmte Steuerung, regelt unter Berücksichtigung der Anlagenkennlinie die variierenden Betriebszustände bei unterschiedlichen Windverhältnissen mit einer hohen Regel­geschwindigkeit. Die direkte Nutzung des Rotor-Drehzahl­signals aus der Generatorfrequenz und die acht Stützstellen, die zur Feinjustage der Regelkennlinie dienen, erzielen eine besonders hohe Regelgüte.

Dank des weiten Eingangsspannungsbereichs von 40 bis 340 V (AC) ist eine Einspeisung bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten – und daher deren effektive Nutzung – möglich. Dies ist bei den bodennäheren Kleinanlagen, die zudem gelegentlich in bebauter Umgebung stehen, ebenfalls ein wichtiger Aspekt. So lässt sich auch im Teillastbereich, in dem KWEA häufig laufen, eine überdurchschnittliche Leistungsausbeute erzielen.

Der aeocon überzeugt aber auch in kleinen Anlagen zur Nutzung von Wasserkraft, zum Beispiel Wasserwirbel- oder Gravitationswasserwirbelkraftwerke, oder aber in Mini-Blockheizkraftwerken (BHKW). Letztere finden zunehmend Verwendung in Ein- und Mehrfamilienhäusern, in Betrieben und im Siedlungsbau. Grundsätzlich kann das Gerät immer dann eingesetzt werden, wenn generatorisch erzeugter Strom in Netzspannung umgesetzt werden muss. Dies ist besonders sinnvoll, wenn unterschiedliche Spannungen vom Generator geliefert werden, es sich also um drehzahlvariable Anlagen mit entsprechenden Anwendungsvoraussetzungen – permanentmagneterregter Synchrongenerator (PMG), ein Leistungsbereich von drei bis zirka 15 kW sowie ein Spannungsbereich zwischen 40 und 340 V (AC) und idealerweise einer Nennspannung von 300 V (AC) – handelt. Hier ist die hohe Dynamik, die der aeocon bietet, ebenfalls von Vorteil.

Anwendungsgerechte Bestleistung
Auch Anlagen mit organischem Rankine-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle, ORC) dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Systeme zur Ab- oder Restwärmenutzung gelten heute als ausgereift und gewinnen zunehmend an Beliebtheit.

In diesem thermodynamischen Prozess können auch kleine Quellen thermischer Energie wirtschaftlich in Elektroenergie umgewandelt werden. So wird beispielsweise die Abwärme von Blockheizkraftwerken dazu genutzt, ein organisches, niedrig siedendes Arbeitsmedium in einem Verdampfer zu erhitzen. Der dadurch erzeugte Druck wird über eine ORC-Turbine entspannt und mittels Generator in elektrische Energie umgewandelt. „Mit dem ORC-Verfahren wird aus Restwärme, die ansonsten ungenutzt bliebe, Elektrizität erzeugt“, so Ralph Sawallisch, Key Account Manager Einspeisetechnik bei Sieb & Meyer. „Mit Wirkungsgraden, die zwischen neun und bis zu 14 Prozent liegen, lässt sich ein 40-prozentiger elektrischer Wirkungsgrad eines BHKW im besten Fall auf einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von über 50 Prozent steigern. Das ist für die An­lagenbetreiber im Hinblick auf die Amortisation ein ausgesprochen interessantes Ergebnis und für Hersteller von ORC-Anlagen ein entsprechendes Argument.“

30-kW-Einspeisesystem für Hochgeschwindigkeits-Generatoren: Je nach ORC-Anlage liefert Sieb & Meyer differenzierte Ausprägungen und in der vom Kunden jeweils gewünschten Form.

Das Verfahren ist auch prädestiniert für die Verwertung industrieller Prozesswärme. Sie entsteht ohnehin in Verarbeitung und Produktion und kann ohne zusätzlichen Primärenergiebedarf zur Stromerzeugung genutzt werden.

Speziell für den Einsatz von BHKW-Anlagen in höheren Leistungsbereichen mit nachgeschalteten ORC-Systemen hat Sieb & Meyer auf Basis des Frequenzumrichters SD2S für synchrone und asynchrone Hochgeschwindigkeitsmotoren einen Einspeiseumrichter zum Betrieb mit den hochdrehenden Kompressoren entwickelt. Er ist auf den Betrieb mit Drehzahlen von beispielsweise 100.000 1/min und mehr ausgelegt. Durch die Kombination mit weiteren Komponenten wird der vom Generator erzeugte Strom in netzkompatiblen Strom konvertiert. Je nach ORC-Anlage liefern die Lüneburger den Einspeiseumrichter in differenzierten Ausprägungen und in der vom Kunden jeweils gewünschten Form.

Diese vergleichsweise neue Technologie erfordert fundiertes Know-how in Bezug auf die Regeltechnik der hochdrehenden Kompressoren oder die spezifische Ausführung des Einspeiseumrichters. „Auch in diesem Bereich ist ziemlich kluges Regelverfahren mit hoher Dynamik gefordert, was Geräte auf Basis von Solarwechselrichtern nicht in dem geforderten oder optimalen Maße leisten können“, betont Sawallisch. Der Kompressor darf nie frei laufen, denn das würde zum Ausfall führen. Daher muss der Regler sehr schnell auf sich ändernde Betriebszustände reagieren; bei einer Drucksteigerung beispielsweise ist umgehend nachzuregeln. Andernfalls wäre schnell eine Überdrehzahl erreicht, die sich in einem für den Kompressor gefährlichen Bereich bewegen und dessen Funktionalität nicht mehr gewährleisten würde.

In diesem Technologiefeld ist ein Trend von Asynchron- hin zu Synchronmaschinen zu verzeichnen. Ein Grund hierfür ist die überarbeitete, noch im Entwurfsstadium befindliche Niederspannungsrichtlinie VDE-AR-N 4105:2010-07 Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz – Technische Mindestanforderungen an den Anschluss und Betrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz im Hinblick auf Phasenverschiebung und Blindleistungskompensation, der viele am Markt befindliche Asynchrongeräte nicht entsprechen. „Da kommt man ohne nachgeschaltete Elektronik nicht hin“, erläutert der Key Account Manager.

Der Vorteil in einer Umrüstung auf einen permanentmagneterregten Synchrongenerator liegt jedoch darin, dass das System dann drehzahlvariabel betrieben werden kann, was die Effektivität der Leistungsregelung und den Wirkungsgrad begünstigt. Berücksichtige man die Einsparung bei den Energiekosten über die Gesamtlaufzeit des Systems, so rechnet sich auch diese Investition.

www.sieb-meyer.de


 

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