s.E.V.A.- Konzept
Nach einigen überlegungen über verschiedene Möglichkeiten, wie man eine Anlage realisieren könnte, mit der man den elektrischen Energiebedarf möglichst gut selbst decken kann, möchten wir nun das von uns erdachte Konzept vorstellen.
Umsetzungsmöglichkeiten ↑
Ich möchte kurz auf die verschiedenen Möglichkeiten eingehen, die für eine modulare Realisierung einer solchen Anlage in Frage kommen.
Zunächst wäre ein Konzept naheliegend, einen kompletten Netzparallelbetrieb zu realisieren. Hier würde für jede (Teil-)Photovoltaik (PV)- Anlage ein kompletter Wechselrichter (samt integriertem Hochsetztsteller zur Spannungsanpassung zwischen PV-Generator und Netz) benötigt. Verbraucher könnten direkt betrieben werden, ein Batteriesystem müsste aber über Gleich-/Wechselrichter angebunden werden. Aufwendig wird bei einer solchen Realisierung die Regelung der einzelnen Module. Es müsste am Hausanschluss eine Erfassung des Stromes erfolgen und dieser über eine geeignete Strategie zu Null geregelt werden. Dazu muss allen Modulen über einen (proprietären?) Steuerbus mitgeteilt werden, wieviel Energie sie jeweils einspeisen oder aufnehmen sollen.
Da bei diesem Konzept einige leistungselektronische Stufen doppelt benötigt werden (die PV-Einspeisung besteht aus Hochsetztsteller und Wechselrichter, bei den Batteriesystemen wird ein Gleichrichter am Eingang benötigt,...), liegt es Nahe, die einzelnen Komponenten Gleichspannungsseitig zu koppeln. Dafür speisen z.B. die PV-Anlagen in einen Gleichspannung(DC)-Zwischenkreis ein, die Batteriesysteme entnehmen oder speisen dort Energie aus den Akkus, eine Netzanbindung erfolgt über gemeinsame Wechselrichter, wobei die Energie gezielt auf dem Außenleiter des Drehstromnetztes eingespeist werden kann, auf der sie benötigt wird. Um den Problemen bei der Absicherung des Netzparallelbetriebes zu entgehen (Bei Netzparallelbetrieb muss sichergestellt sein, dass die Anlage im Falle eines Netzausfalls sicher abschaltet. Zudem ist ein Weiterbetrieb ohne anstehendes Stromnetz nur mit größerem Aufwand möglich), können die Wechselrichter dazu verwendet werden, ein Inselnetz aufzubauen. Zusätzlich benötigte Energie kann mit Hilfe von Gleichrichtern aus dem Netz "zugekauft" werden. Lässt man eine in gewissen Grenzen variable Zwischenkreisspannung zu, kann diese als Information über den Enregiebedarf verwendet werden, ein Kommunikatiuon der Module untereinander kann damit weitgehend entfallen.
Das Konzept über den gemeinsamen Zwischenkreis mit Inselnetz bringt auch wieder einige Probleme mit sich:
Ein Problem ergibt sich aus der Wahl der Leistungselektronik: Der weit verbreitete Wechserichter-Typ, der Leistungselektronisch als einfacher Vierquadrantensteller aufgebaut ist (z.B. mit vier IGBTs), weist ein bei jedem Schaltvorgang springendes Potential zwischen dem Neutralleiter (bzw. PE) und dem Zwischenkreis auf. Neben der Problematik erhöhter Ableitströme ist ein mehrphasiger Aufbau mit unabhängigen Wechselrichtern nicht möglich. Einfache dreiphasige Wechselrichter sind ihrerseits nicht in der Laghe, asymmetrische Lasten
im Drehstromnetz zu speisen. Wir haben als Lösung dieser Probleme den Einsatz von einphasigen Drei-Level-Wechselrichtern gewählt, deren Neutralleiter-Anschluss direkt mit dem Zwischenkreis-Nullpotential verbunden ist. Nachteil ist hierbei allerdings, dass die 50Hz-Belastung des Zwischenkreises durch die Wahl vegleichsweise großer Zwischenkreiskapazitäten ermöglicht werden muss und dass insgesamt die doppelte Zwischenkreisspannung benötigt wird.
Ein weiteres Problem stellt die Absicherung der Anlage dar: Zwar ist eine elektronische Überlastbegrenzung der Wechselrichter möglich und eingeplant, eine Abschaltung von fehlerhaften Stromkreisen ist trotzdem erforderlich. Entsprechend müssen die Wechselrichter so ausgelegt sein, dass sie den notwendigen Strom zur Auslösung der jeweils eingesetzten Stromkreissicherungen erbringen können.
Gewählte Realisierung für das s.E.V.A.-Projekt ↑
Das folgende Bild zeigt das aus den Überlegungen entstandene Grundkonzept für die Umsetzung der sEVA-Anlage.
Zentrales Element bildet der +-400V DC-Zwischenkreis,auf dem alle anderen Module arbeiten:
- Mittels einer Spannungsbegrenzung werden am Zwischenkreis direkt die Netzgeräte zur Versorgung der Steuerelektronik angebunden. Damit weist die Anlage die Möglichkeit zum sogenannten Schwarzstart aus den PV-Generatoren auf.
- Der Balancer sorgt dafür, dass auch in ungünstigen Belastungsfällen die obere (+400V) und der untere (-400V) Zwischenkreisspannungauch ungefähr gleich groß bleiben. Als Leistungselektronische Realisierung bietet sich hierfür ein Sperrsteller an, der mit zwei IGBTs und einer Speicherdrossel aufgebaut werden kann.
- Mit Hilfe der PV-Einspeiser wird die Energie aus den PV-Generatoren (symmetrisch) in den Zwischenkreis eingespeist. Durch geeignete Modifikation der Hochsetztsteller-Topologie kann erreicht werden, dass das Mittelpunkt-Potential der PV-Generatoren gleich dem ZK0-Potentials des Zwischenkreises ist.
- Die Wechselrichter sollen das Haus als Inselnetz versorgen. Aufgebaut werden Sie als einphasige T-Typ-Wechselrichter
- Mit Hilfe der Gleichrichter wird im Fall von nicht ausreichender Versorgung durch die PV-Anlagen Energie aus dem Stromnetz nachgeholt. Leistungslektronisch werden Sie ähnlich aufgebaut wie die Wechselrichterund und die andere Energieflussrichtung durch geeignete Ansteuerung erreicht
- Die Batterieanbindung ist bisher nur in grobem Rahmen spezifiziert. Angedacht sind Bleiakkumulatoren, die auf 48V-Nennspannung arbeiten. Leistungelektronisch könnte aus Sicherheitgründen eine potzentialgetrennte Energieübertragung mit Hilfe eines Gegentakt-Durchflusswandler realisiert werden.
- Ungenutzte Energie aus den PV-Generatoren soll mit Hilfe der Heizungsauskopplung zur Heizungsunterstützung verwendet werden. Leistungselektronisch sollen hier modifizierte Tiefsetzsteller zum Einsatz kommen.
- Optional soll eine Einspeisemöglichkeit für weitere Erzeuger vorgesehen werden, z.B. einem Notstromaggregat. Auch hier gibt es bisher keine Pläne zur Realisierung.