Dissertation Schulz
Dr.-Ing. Martin Schulz
"Ein Beitrag zur Nutzung regenerativer Energie in Kleinstkraftwerken im Inselbetrieb" (2005)
Die vorliegende Arbeit erörtert Fragen zum Themenkomplex der Elektrifizierung regional begrenzter Gebiete mit einer der europäischen Norm entsprechenden elektrischen Versorgung. Hierfür kommen einschränkend nur Anlagen auf Basis elektromechanischer Energiewandler in Betracht, weshalb die Photovoltaik nicht in die vorliegende Untersuchung einfließt. Ausgangspunkt für die Energiewandlung ist die eingehende Betrachtung nutzbarer Primärantriebe, der Schwerpunkt der Arbeit liegt bei der Verwendung von Wind- und Wasserrädern. Die Herleitung einer analytischen Beschreibung des einfachen Windrades ist als Grundlage für das Verständnis dieses strömungstechnischen Aufbaus unabdinglich und in der Arbeit dargestellt. Da für das Wasserrad eine solche Beschreibung nicht vorliegt, sind Messungen an einem als Modell vorhandenen Rad notwendig. Dies gelang durch die Nutzung der an der fwu vorhandenen Anlagen und des dort entworfenen Segmentzellenwasserrades. Die genau kontrollierbaren Bedingungen gestatten die Ermittlung der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik des oberschlächtigen Wasserrades. Diese messtechnische Erfassung eines Wasserrades und die Ermittlung seiner Antriebscharakteristik sind in der Literatur eine Seltenheit und daher besonders erwähnenswert.
Im Anschluss an die Formulierung der systemtechnischen Grundlagen beider Kraftquellen sind verschiedene Generatortypen Teil der Untersuchung. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der exakten Beschreibung des Selbsterregungsprozesses asynchroner Maschinen, der analytisch vollständig beschrieben ist, um darauf basierend eine Simulation dieses Vorganges zu gestalten. Die Vorgehensweise, den Vorgang in rotorfesten Koordinaten zu beschreiben, erlaubt die Einbringung der Remanenz der Maschine als Ursache der Selbsterregung. Die Nichtlinearitäten des Vorganges im Zusammenhang mit der Sättigung des Eisens fließen als Messungen an vorhandenen Maschinen in die für diese Arbeit erstellten Simulationsmodelle ein. Messung und Simulation liefern dabei übereinstimmende Ergebnisse.
Ein weiterer Beitrag zum Einsatz innovativer Technik ist die Vorstellung der permanenterregten Synchronmaschine mit umschaltbarer Ständerwicklung in der Bauform der Aussenpolmaschine. Dieses Generatorsystem erlaubt einen sehr weiten Drehzahlbereich und passt deshalb besonders gut zu den Anforderungen des Windrades.
Aus der Vielzahl von Topologien der Leistungselektronik, die zur Erzeugung der angestrebten Versorgungsspannung herangezogen werden könnten, sind drei Varianten von besonderem Interesse und daher Teil der eingehenderen Untersuchungen. Als erstes ist der ferroresonante Transformator und seine Wirkungsweise als magnetischer Spannungskonstanthalter beschrieben. Die Arbeit enthält eine detaillierte Beschreibung, wie durch die dem Transformator eigenen Nichtlinearitäten die stablilisierende Wirkung zustande kommt. Daran schließt sich die Untersuchung des PWM-Umrichters als indirekter Umrichter, sowie die des Matrixumrichters als Vertreter der Direktumrichter an. Letzterer ist von großem Interesse, da neuartige rückwärtssperrende Halbleiterschalter Einsatz finden, die neben einem kompakten Aufbau einen guten Wirkungsgrad gewährleisten.
Nachfolgend sind die drei leistungselektronischen Systeme und die sich mit ihnen ergebenden Einsatzbereiche bezüglich der verwendeten Generatorsysteme dargestellt. Von jeder der genannten elektrotechnischen Varianten ist ein Labormuster aufgebaut und ihre Funktionstauglichkeit demonstriert worden.
Im Zuge der Arbeit entstand ein Laboraufbau, der es ermöglicht, den Primärantrieb und den daran gekoppelten elektromechanischen Energiewandler als gesamtes Kraftwerk simulatorisch zu handhaben, ohne über einen Windkanal oder Wasserlauf verfügen zu müssen. Grundlage hierfür ist die Kenntnis der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik der Kraftquelle, deren Nachbildung mittels moderner Umrichtertechnik gelingt. Mit Hilfe dieser Einrichtung konnten alle Labormuster ihre Tauglichkeit unter Beweis stellen. Aufbau und verwendete Regelung der Kraftwerkssimulation sind ebenfalls Bestandteil der Arbeit.
Eine grundlegende finanzielle Betrachtung der erstellten elektrotechnischen Aufbauten sowie eine Abschätzung der Kosten für den Bau der Primärantriebe stellt den finanztechnischen Teil der Arbeit dar. Hierbei entstand zwar keine kaufmännisch fundierte Aussage, die Abschätzung der Kosten ist dennoch ein wichtiger Punkt in der Betrachtung aller Systeme.
Abschließend sind Messungen an allen vorgestellten Konfigurationen durchgeführt und dokumentiert worden. Diese zeigen, dass das gesteckte Ziel, eine einphasige, vom öffentlichen Netz unabhängige Versorgung zu gewährleisten, erreicht ist. Abstriche bezüglich der Europanorm zur Versorgung eines Netzes bestehen in der Verfügbarkeit. Da der Kern der Arbeit ein System ohne Energiespeicher ist, ist die in der Norm getroffene Regelung bezüglich der Verfügbarkeit und Ausfallzeiten nicht erfüllt.
Im Anschluss an die Formulierung der systemtechnischen Grundlagen beider Kraftquellen sind verschiedene Generatortypen Teil der Untersuchung. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der exakten Beschreibung des Selbsterregungsprozesses asynchroner Maschinen, der analytisch vollständig beschrieben ist, um darauf basierend eine Simulation dieses Vorganges zu gestalten. Die Vorgehensweise, den Vorgang in rotorfesten Koordinaten zu beschreiben, erlaubt die Einbringung der Remanenz der Maschine als Ursache der Selbsterregung. Die Nichtlinearitäten des Vorganges im Zusammenhang mit der Sättigung des Eisens fließen als Messungen an vorhandenen Maschinen in die für diese Arbeit erstellten Simulationsmodelle ein. Messung und Simulation liefern dabei übereinstimmende Ergebnisse.
Ein weiterer Beitrag zum Einsatz innovativer Technik ist die Vorstellung der permanenterregten Synchronmaschine mit umschaltbarer Ständerwicklung in der Bauform der Aussenpolmaschine. Dieses Generatorsystem erlaubt einen sehr weiten Drehzahlbereich und passt deshalb besonders gut zu den Anforderungen des Windrades.
Aus der Vielzahl von Topologien der Leistungselektronik, die zur Erzeugung der angestrebten Versorgungsspannung herangezogen werden könnten, sind drei Varianten von besonderem Interesse und daher Teil der eingehenderen Untersuchungen. Als erstes ist der ferroresonante Transformator und seine Wirkungsweise als magnetischer Spannungskonstanthalter beschrieben. Die Arbeit enthält eine detaillierte Beschreibung, wie durch die dem Transformator eigenen Nichtlinearitäten die stablilisierende Wirkung zustande kommt. Daran schließt sich die Untersuchung des PWM-Umrichters als indirekter Umrichter, sowie die des Matrixumrichters als Vertreter der Direktumrichter an. Letzterer ist von großem Interesse, da neuartige rückwärtssperrende Halbleiterschalter Einsatz finden, die neben einem kompakten Aufbau einen guten Wirkungsgrad gewährleisten.
Nachfolgend sind die drei leistungselektronischen Systeme und die sich mit ihnen ergebenden Einsatzbereiche bezüglich der verwendeten Generatorsysteme dargestellt. Von jeder der genannten elektrotechnischen Varianten ist ein Labormuster aufgebaut und ihre Funktionstauglichkeit demonstriert worden.
Im Zuge der Arbeit entstand ein Laboraufbau, der es ermöglicht, den Primärantrieb und den daran gekoppelten elektromechanischen Energiewandler als gesamtes Kraftwerk simulatorisch zu handhaben, ohne über einen Windkanal oder Wasserlauf verfügen zu müssen. Grundlage hierfür ist die Kenntnis der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik der Kraftquelle, deren Nachbildung mittels moderner Umrichtertechnik gelingt. Mit Hilfe dieser Einrichtung konnten alle Labormuster ihre Tauglichkeit unter Beweis stellen. Aufbau und verwendete Regelung der Kraftwerkssimulation sind ebenfalls Bestandteil der Arbeit.
Eine grundlegende finanzielle Betrachtung der erstellten elektrotechnischen Aufbauten sowie eine Abschätzung der Kosten für den Bau der Primärantriebe stellt den finanztechnischen Teil der Arbeit dar. Hierbei entstand zwar keine kaufmännisch fundierte Aussage, die Abschätzung der Kosten ist dennoch ein wichtiger Punkt in der Betrachtung aller Systeme.
Abschließend sind Messungen an allen vorgestellten Konfigurationen durchgeführt und dokumentiert worden. Diese zeigen, dass das gesteckte Ziel, eine einphasige, vom öffentlichen Netz unabhängige Versorgung zu gewährleisten, erreicht ist. Abstriche bezüglich der Europanorm zur Versorgung eines Netzes bestehen in der Verfügbarkeit. Da der Kern der Arbeit ein System ohne Energiespeicher ist, ist die in der Norm getroffene Regelung bezüglich der Verfügbarkeit und Ausfallzeiten nicht erfüllt.