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Praxisbeispiel SW München - Elektroerhitzer 10 MW / 690 V Nutzung als negative Regelenergiekapazität Umwandlung in thermische Energie zur Einspeisung in das innerstädtische Fernwärmenetz
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Ausgangssituation Aufgrund des wachsenden Anteils der regenerativen Stromerzeugung, die bei den wichtigsten Energieträgern Wind und Sonne nicht steuerbar ist, und der Verdrängung der regelbaren thermischen Kraftwerksanlagen wird das Ausbalancieren von Erzeuger- und Verbraucherleistung zunehmend anspruchsvoller. Diese kurzfristigen Erzeugungsschwanken stellen die Netzbetreiber vor immer größere Probleme, denn sie müssen den Stromkunden Spannung und Netzfrequenz garantieren. Schlimmstenfalls droht der Stromausfall. Die große Herausforderung des zunehmenden Anteils regenerativer Energien am Energiemix besteht also darin, die schwankende Stromnachfrage und das noch viel stärker schwankende Wind- und Solarstromangebot auszugleichen. Flexible Lösungen zum schnellen Lastwechsel und zur Anpassung von Lastschwankungen (Regelleistung) sind gefordert.
Notwendigkeit der Regelung Mittels Kraftwerksmanagement wird versucht, die in Kraftwerken erzeugte Leistung und die entnommene Leistung im Gleichgewicht zu halten. Dies folgt aus der physikalischen Notwendigkeit, dass elektrische Stromnetze keine Energie speichern können und daher zu jedem Zeitpunkt die eingespeiste Leistung der Summe aus entnommener Leistung entsprechen muss. Abweichungen daraus resultieren in Wechselspannungsnetzen in einer Änderung der Soll-Netzfrequenz (z.B. 50 Hz) welche im gesamten Wechselspannungsnetz einheitlich (synchron) ist: Bei einem Überangebot von Leistung kommt es zu einer Abweichung der Netzfrequenz über der Soll-Netzfrequenz, bei einem Unterangebot zu einer so genannten Unterfrequenz.
Das Stromnetz kann keinen elektrischen Strom speichern. Daher muss jederzeit Stromeinspeisung = Stromverbrauch sein.
Stromeinspeisung (Erzeugung)
Stromverbrauch
Soll-Frequenz 50 Hz
51 Hz
49 Hz
Zur Regelung wird unter anderem der Leistungsbedarf aller Verbraucher prognostiziert, so dass ein passendes Leistungsangebot vorhanden ist. Regelleistung wird zur Kompensation dann benötigt, wenn der tatsächliche, momentane Leistungsbedarf nicht dem erwarteten Leistungsangebot entspricht. Abweichungen vom tatsächlichen Leistungsangebot und der gestellten Prognose treten beispielsweise bei Kraftwerksausfällen, nicht eingehaltenen Bezugsprofilen von Großverbrauchern, bei der Windenergieeinspeisung oder bei Stromnetzausfällen (Verlust von Verbrauchern) auf. Um einen sicheren und stabilen Netzbetrieb zu gewährleisten, sind die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB’s) verpflichtet, Regelleistung vorzuhalten. Hierzu stehen den ÜNB‘s drei Stabilisierungsinstrumente (Regelenergiearten) zur Verfügung, um das entstandene Ungleichgewicht zu kompensieren: 1. Primärregelung (Aktivierung innerhalb von 30 Sekunden) 2. Sekundärregelung SRL (Aktivierung innerhalb von 5 Minuten) 3. Minutenreserve MRL (Aktivierung innerhalb von 15 Minuten)
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Regelenergie dient zum Ausgleich unvorhergesehener Schwankungen von Stromerzeugung oder Verbrauch.
Je nach Abweichung der Netzfrequenz im Übertragungsnetz kann positive Regelleistung (Steigerung der Erzeugerleistung oder Absenken des Verbrauches) oder negative Regelleistung (Absenken der Erzeugerleistung oder Steigerung des Verbrauches) erforderlich sein.
Positive Regelleistung
Negative Regelleistung
Verbrauch
Verbrauch
>
Erzeugung
= Unterspeisung (Netzfrequenz fällt unter 50 Hz)
10 min Erbringung SRL
> 10 min Erbringung SRL
10 min Pause < 5 min Aktivierung
1.Abruf
< 5 min Deaktivierung
< 5 min Aktivierung
< 5 min Deaktivierung
2.Abruf
Bild 6: Doppelhöckerkurve Nachweis für ÜNB, Negative Sekundärregelleistung (SRL), 10 MW
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Elektro-Schaltanlage Grundsätzlicher Aufbau der Elektro-Schaltanlage Jeder Erhitzer (1 – 4) hat eine eigene Schaltanlage mit jeweils 2 Einspeisungen. Die Schaltanlagen sind so aufgebaut, dass je eine Einspeisung und ein Leistungsteil, über ein gemeinsames Schienensystem verfügt und für die Versorgung von jeweils 5 Leistungsstufen zu 250 kW zuständig ist. Zwischen den beiden Einspeisungen eines Erhitzers besteht keine feldübergreifende Verkabelung. Die erforderliche Energiezufuhr erfolgt jeweils getrennt von unten über Leistungskabel. Der Leistungsteil der Stufen 1-5 verfügt über 5 schaltbare Leistungsstufen zu je 250 kW. Diese Stufen werden über Leistungsschütze geschaltet. Der Leistungsteil der Stufen 6-10 verfügt über 4 schaltbare Leistungsstufen zu je 250 kW, die über Leistungsschütze geschaltet werden und eine thyristorgeregelte Leistungsstufe zu 250 kW. Jede Einspeisung verfügt über einen handbedienbaren Hauptschalter zum Abschalten der betreffenden fünf Leistungsstufen. Vor dem Hauptschalter befindet sich die Online Leistungsmessung, die mit einem Siemens Leistungsmesser vom Typ „SENTRON PAC3200“ durchgeführt wird. Dieses Gerät besitzt eine ProfiBus Schnittstelle zur Anbindung an Siemens SPS und zeichnet sich durch eine „True RMS“ Leistungsmessung aus. Dadurch können sinusförmige oder verzerrte Spannungen gemessen werden. Nach der Online Leistungsmessung verfügt jede Einspeisung über eine Erdschlussüberwachung. Ebenso besitzt jede Einspeisung einen Blitzstromableiter Typ 1. Innerhalb jedes Leistungsteils befindet sich eine Offline Leistungsmessung zur Ermittlung der Kannlast jedes Erhitzers. Hierzu kann jede Leistungsstufe an eine 24VAC Messspannung angeschaltet werden, die von einem separaten Trafo erzeugt wird. Über eine 3 phasige Leistungsmessung im 24VAC Messspannungsstromkreis, wird die jeweilige Leistung ermittelt und auf die aktuelle Netzspannung hochgerechnet. Zur Kontaktschonung der Prüfrelais, der jeweilige Leistungsstufe, erfolgt die eigentliche belastete Leistungsmessung, durch Einschalten der Prüfspannungsquelle, mittels Solid-State-Relais, nach Schließen der Prüfrelais. Die gesamte Prüfkette ist kurzschlussfest aufgebaut. Durch vorgeschaltet Leistungswiderstände wird der maximale Prüfstrom auf 8 Ampere begrenzt. Innerhalb des Elektroerhitzers, bestehend aus 4 Erhitzern zu je 2,5 MW, befinden sich mehrere Sicherheitsdruck- und Sicherheitstemperaturbegrenzer, die unterschiedliche Auswirkungen auf den Betrieb einzelner Erhitzer, oder des gesamten Heizers haben. Die Sicherheitsdruck- und Sicherheitstemperaturbegrenzer im Wasserkreislauf des Elektroerhitzers, wirken in Reihe mit der Anlagen Not-Aus Kette. Ein Ansprechen eines dieser Auswertegeräte führt zum sofortigen Abschalten aller Erhitzer. Die drei Sicherheitstemperaturbegrenzer je Elektroerhitzer, wirken in Reihe mit der Erdschlussüberwachung der zugehörigen Leistungsteile. Das Ansprechen eines dieser Sicherungselemente führt zum sofortigen Abschalten des betreffenden Erhitzers. Dabei werden alle 10x250kW Leistungsstufen abgeschaltet. Hierbei handelt es sich um einen internen Schutz des jeweiligen Erhitzers. Die Steuerung des Elektroerhitzers erfolgt über eine zentrale SPS. Diese SPS ist im Steuerschrank installiert und steht über dezentrale Klemmen (2 je 2,5 MW Leistungsschrank) mit den Leistungsteilen der einzelnen Erhitzer in Verbindung. Weiterhin ist im Steuerschrank ein Bedienpanel installiert. Das Automatisierungskonzept Betriebsarten Jeder Erhitzer kann in der Betriebsart „Automatik“ oder „Wartung“ betrieben werden. In der Betriebsart „Automatik“, steht der betreffende Erhitzer zur Leistungsregulierung zur Verfügung. Über die Verwendung und den Betrieb entscheidet die Logik der SPS. Der Erhitzer wird in die Offline Leistungsberechnung, zur Ermittlung der Kannleistung, mit einbezogen. In der Betriebsart „Wartung“, wird der betreffende Erhitzer nicht mehr in der Offline Leistungsberechnung verwendet. Er wird aus der möglichen Kannleistung herausgenommen. Ein Zuschalten durch die SPS Logik erfolgt nicht mehr.
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Durch den Bediener der Anlage, kann der betreffende Erhitzer, oder einzelne Laststufen zu je 250kW, manuell in Betrieb genommen werden. Diese Leistung wird nicht an das PLS gemeldet. Dies bedeutet, keine Berücksichtigung bei der Bildung der aktuellen Istleistung des Heizers. Weiterhin wird durch aktivieren der Betriebsart „Wartung“, automatisch die Warnmeldung in Richtung Mauell aktiviert. Grundsätzlich dient diese Betriebsart nur der Überprüfung eines Erhitzers oder einzelner Laststufen. Ein regulärer, manueller Betrieb, ist nicht möglich.
Die Elektroerhitzer-Regelung Beschreibung des Datenaustausches mit der Leittechnik Die übergeordnete Regelung oder Programmlogik, steht über die Busschnittstelle in direkter Verbindung zur übergeordneten Leittechnik. (Alle sicherheitsrelevanten Signale werden jedoch unabhängig von der Programmlogik, über Hardware Signale, zur Leittechnik übertragen.). Bei Ausfall der Verbindung, erfolgt der komplette Lastabwurf des Erhitzers in gleicher Weise, wie bei einem Leistungs-Sollwert von 0 MW (Abfall aller 40 Leistungsstufen). Beschreibung der Leistungsregelung Unter der Voraussetzung, dass der Elektroerhitzer nicht durch die Sicherheitskette blockiert ist und mindestens eine störungsfreie Leistungsstufe in der Betriebsart „Automatik“ ist, beginnt die übergeordnete Logik, mit Eintreffen einer Sollwertvorgabe durch die Leittechnik, mit dem Aktivieren der Erhitzer. In Abhängigkeit des Betrags der Differenz zwischen dem Leistungs-Zielwert und dem Leistungs-Sollwert, erfolgt eine grobe oder feine Leistungsregelung. Die grobe Leistungsregelung erfolgt immer dann, wenn der Betrag der Differenz zwischen den beiden Leistungsvorgaben größer der Leistung von zwei festen Stufen ist. In diesem Fall werden zur Ausregelung des Leistungs-Sollwert ausschließlich feste Leistungsstufen zu- oder weggeschaltet. Da die Leistungs-Sollwert Vorgabe über eine Rampenfunktion erfolgt, wird das Zu- und Wegschalten der Leistungsstufen an eine Hysterese gekoppelt. Diese Hysterese hat einen symmetrischen einstellbaren Schaltpunkt für das Zu- oder Wegschalten der nächsten Leistungsstufe. Die Verzögerungszeit, für das Zu- und Wegschalten von Leistungsstufen ist einstellbar. Hierdurch soll eine Überlastung der Einspeisetrafos verhindert, sowie eine sichere Wärmeabfuhr in das Fernwärmenetz, gewährleistet werden. Die Auswahl des Erhitzers, respektive des jeweiligen Heizelementes, ist an keine feste Reihenfolge gebunden. Seitens der Logik wird das Heizelement mit der geringsten Betriebsstundezahl gewählt, welches sich störungsfrei in der Betriebsart „Automatik“ befindet. Aus technischen Gründen kann jede Leistungsstufe maximal 10 mal pro Minute geschaltet werden. Ist diese Schalthäufigkeit erreicht, wird die betreffende Leistungsstufe, bis zur Einhaltung der maximalen Schalthäufigkeit, gesperrt. Diese Leistungsstufe wird für die Dauer der Sperrung aus der Kannleistungsberechnung herausgenommen. Feine Leistungsregelung Die feine Leistungsregelung mit den Thyristorstufen kommt immer dann zum Einsatz, wenn der Betrag der Differenz zwischen dem Leistungs-Zielwert und dem Leistungs-Sollwert, kleiner der Leistung von zwei festen Leistungsstufen ist oder bereits alle festen Leistungsstufen in Betrieb sind. Die Auswahl der Thyristorstufe erfolgt ebenfalls nach der geringsten Betriebsstundenzahl. Bei der Feinleistungsregelung existieren Stellgradgrenzen, ab der wiederum Festleistungsstufen mit verwendet werden. Fällt die Regelleistung der Feinleistungsregelung unter 50%, erfolgt die Abschaltung der Festleistungsstufe, mit der größten Betriebsdauer. Erreicht die Regelleistung der Feinleistungsregelung 100%, erfolgt die Zuschaltung der Festleistungsstufe, mit der geringsten Betriebsdauer. Das Zu-/Abschalten, auf Grund der Stellgradgrenzen, erfolgt über Hysterese. Hierdurch wird ein wiederholtes Schalten im Grenzbereich verhindert.
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Ausnahme Thyristoren In Summe stehen 4 Thyristorstufen zur Feinleistungsregelung zur Verfügung. Da jedoch immer nur 2 Thyristorstufen benötigt werden, werden die verbliebenen, zu Festleistungsstufen (per Definition). Diese werden jedoch immer erst als letzte Festleistungsstufen verwendet. Grenzen der Leistungsregelung bei Spannungsschwankungen Basierend auf real vorkommenden Netzspannungsschwankungen von 690V(+/-10%), sowie Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Heizstäbe (-2%/+5%), liegt die Physikalische Leistungsreserve max. zwischen 7,94 MW und 12,7 MW. Diese Grenzen ergeben sich immer dann, wenn alle Heizelemente fehlerfrei zur Verfügung stehen. Regelungstechnisch kann die Physikalische Leistungsreserve max., wenn diese kleiner als 10 MW ausfällt, nicht beeinflusst werden. In diesem Fall steht nur die verminderte Leistung des Erhitzers zur Verfügung. Wird diese jedoch größer als 10 MW, erfolgt eine automatische Begrenzung der physikalischen Leistungsreserve max. auf 10 MW. Erreicht wird dies durch Abschalten/Sperren einzelner Festleistungsstufen.
Betriebsstundenzähler Zur Verschleißoptimierung der einzelnen Erhitzer, erhält jede Leistungsstufe einen Betriebsstundenzähler. Dieser Betriebsstundenzähler kann durch den Betreiber am Bedienpanel zurückgesetzt werden, damit bei Austausch von defekten Heizelementen, dem Alter des neuen Heizelementes Rechnung getragen werden kann. Die Rücksetzung ist mit einem Paßwortschutz versehen. Leistungsmessung Online Die Online Leistungsmessung erfolgt durch Aufsummierung aller gemessenen Leistungen in den Leistungsteilen, deren Erhitzer sich in der Betriebsart „Automatik“ befinden. Die hier ermittelte Leistung ist jene, die über die Schnittstelle zum PLS als „Gesamtleistung Ist“ übertragen wird.
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Leistungsmessung Offline Bei der Offline Leistungsmessung werden die nicht im Leistungsbetrieb befindlichen Stufen zyklisch mit einer reduzierten Betriebsspannung (24 VAC) gemessen. Über die tatsächlich anliegende Betriebsspannung (in der Regel 690V) wird der eine Teil der physikalischen Leistungsreserve berechnet. Der andere Teil ergibt sich aus den in Leistungsbetrieb befindlichen Stufen (Physik. Leistungsreserve max = Summe (OfflineLeistungsmess.) + Istleistung). Hier wird über eine TrueRMS-Messung die Leistung gemessen. Aus den beiden Teilen resultiert die physikalische Leistungsreserve, die für die SRL verarbeitet wird. Über einstellbare Schaltpunkte, werden Warnungen und Störungen, für die jeweilige Leistungsstufe definiert, ab der diese im System gemeldet oder außer Betrieb genommen wird. Die hierzu benötigten Schaltpunkte werden als Absolutwerte der Leistung eingestellt. Bei der Offline Leistungsmessung erfolgt die Messung der einzelnen Leistungsstufen zyklisch, innerhalb eines einstellbaren Intervalls. Leistungsstufen die gestört oder nicht in der Betriebsart „Automatik“ sind, werden ebenfalls nicht zur Kannleistung hinzugerechnet. Visualisierung Nachfolgend einige Beispielbilder, die den Aufbau der Heizer Visualisierung beschreiben.
Bild 7: Grundbild der Visualisierung
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Bild 8: Betriebsdaten und Statusanzeigen des Elektroerhitzers
Bild 9: Servicebild der einzelnen Heizelemente mit aktuellem Status und den Bedienelementen für die Betriebsart „Service“.
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