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MS-Kurzkupplung zwischen Ulm und Neu-Ulm
ep8/2004, 2 Seiten
Geregelter Energietransfer optimiert Netznutzung Ulm und Neu-Ulm bilden eine Doppelstadt mit rund 165000 Einwohnern, wobei die Stadtgrenze zugleich Landesgrenze zwischen Baden-Württemberg und Bayern ist. Die Tochtergesellschaft der Stadtwerke Ulm/ Neu-Ulm Gmb H, SWU Energie, versorgt in der Doppelstadt mit umliegenden Gemeinden über 200000 Kunden mit elektrischem Strom, den sie teilweise aus beiden Bundesländern und teilweise aus eigenen Kraftwerken bezieht. Das Gebiet ist auch ein beachtlicher Industriestandort mit hohen Ansprüchen an die Qualität der Energieversorgung. Eine herkömmliche, grenzüberschreitende Verbindung mit Transformatoren würde nicht kontrollierbare Ausgleichsströme zwischen den beiden Netzen verursachen. Mängel an der Spannungsqualität wie Oberwellen und Spannungsschwankungen hätten unübersehbare negative Auswirkungen auf die empfindlichen automatisierten Produktionsprozesse in der Industrie. Bisher war es aus diesem Grund erforderlich, für den Energieaustausch übergeordnete Hochspannungseinspeisungen in Anspruch zu nehmen. Bei erhöhtem Bedarf im Versorgungsgebiet musste dazu teuere Regelenergie zugekauft werden, wobei die von einer Seite überschüssig bezogene Energie auf der anderen Seite des Versorgungsnetzes nicht genutzt werden konnte. Aufbau und Wirkungsweise der MS-Kurzkupplung Mit ihrer Fähigkeit, unterschiedliche Teilnetze zu verbinden, ohne deren Kurzschlussleistung zu beeinflussen, löst die Mittelspannungs-Kurzkupplung „Siplink“ (Siemens Multifunctional Powerlink) das genannte Problem. Sie erhöht damit den Nutzen beider Versorgungsnetze und versetzt den Betreiber außerdem in die Lage, seine dezentralen Energieerzeuger vollwertig in das Versorgungsnetz zu integrieren. Die Spannung der einspeisenden Seite wird in der Mittelspannungs-Kurzkupplung zunächst gleichgerichtet und dann wieder in eine Wechselspannung umgewandelt, die präzise die Eigenschaften des Empfängernetzes hat (Bild ). Sie gelangt dabei zunächst über einen Transformator und Filtereinheiten zum IGBT-Schaltmodul (Insulated Gate Bipolar Transistor). Hier findet mit einer Schaltfrequenz von 3 kHz die Pulsweitenmodulation statt. Nach dem anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Kondensatoren wird die Spannung im Ausgangs-IGBT-Schaltmodul wieder in Wechselspannung umgewandelt und über Filtereinheiten und einen Transformator in das andere Netz eingespeist (Bild ). Beide IGBT-Schaltmodule erlauben bidirektionalen Energiefluss. Die Filtereinheiten minimieren eventuelle Netzrückwirkungen. Die Transformatoren sorgen für galvanische Trennung beider Netze. Ihr modulares Design erlaubt bezüglich Phasenwinkel, Sternpunktbehandlung und Spannungsebenen (z. B. 10 oder 20 kV) die kosteneffiziente Anpassung an die konkreten Anforderungen der verschiedenen Netze. Aus diesem Grund ist es möglich, dass der Siplink-Kern auch bei unterschiedlichen Kurzkupplungen nahezu immer gleich ausgeführt ist. Je ein Leistungsschalter zwischen den beiden Netzen und der Kurzkupplung erfüllt Schutzaufgaben und dient dem Zu- und Abschalten. Passive Schaltfrequenzfilter und Transformatoren sorgen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). IGBT-Leistungshalbleiter mit gegenparalleler Diode Basis der Mittelspannungs-Kurzkupplung sind Standard-Stromrichter aus der Serie Simovert Masterdrives, die weltweit in rund einer halben Million Anlagen für die Drehzahlregelung von Drehstrommotoren im Einsatz sind. Allerdings Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 8 648 AUS DER PRAXIS MS-Kurzkupplung zwischen Ulm und Neu-Ulm Seit Herbst letzten Jahres verbindet eine Mittelspannungs-Kurzkupplung die Versorgungsnetze der Doppelstadt Ulm/Neu-Ulm (Bild ). Damit ersparen sich die Stadtwerke Ulm als Energieverteiler erhebliche Summen beim Zukauf teuerer Regelenergie. Mit dem Austausch von Energiereserven der beiden Netze lässt sich auch die Netznutzung optimieren. Die Mittelspannungs-Kurzkupplung zwischen dem baden-württembergischen Ulm und dem bayrischen Neu-Ulm verbindet unterschiedliche Teilnetze, ohne deren Kurzschlussleistung zu beeinflussen Baden-Württemberg · 110-KV-Netz EnBW · überwiegend Wohngebiet Ulm Netz 1 Bayern · 110-KV LEW · Industriegebiet Neu-Ulm Netz 2 Keine direkte Kopplung möglich! Unterschiedliche 110 KV-Einspeisungen Ausgleichströme Funktionsprinzip der Mittelspannungs-Kurzkupplung zwischen Ulm und Neu-Ulm Transformatoreinheit · EMV-Schutz · Schutzwirkung (galv. Trennung) · Kosteneffizientes modulares Design · Einfache Anpassung an verschiedene Netzformen (Spannung, Phasenwinkel, Sternpunktbehandlung) IGBT-Schaltmodul · Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Schaltfrequenz von 3 kHz (Insulated Gate Bipolar Transistor) · Bidirektionaler Energiefluss · hochdynamische Blindleistungserzeugung Netz 1 Netz 2 V N2 VDC LC (L)-Filtereinheiten Reduktion der Netzrückwirkungen DC Zwischenkreis (Kondensatoren) Die Wechselspannung gelangt über einen Transformator und Filter zum IGBT-Schaltmodul und über den anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Kondensatoren in den Ausgangs-IGBT, wo wieder Wechselspannung erzeugt wird. musste die Regelungssoftware an die Aufgaben der Mittelspannungs-Kurzkupplung angepasst werden. Die beiden Einspeise-Rückspeise-Einheiten, die den Vierquadrantenbetrieb ermöglichen, sind im Gleichspannungs-Zwischenkreis verbunden. Auch Bauteile wie Transformatoren, Schaltanlage und Aufbau der Steuerung wurden den konkreten Einsatzanforderungen angepasst. Da Siplink im Gegensatz zu klassischen Hochspannungsgleichstromübertragern (HGÜ) mit IGBT statt mit Thyristoren arbeitet, wird keine Steuerblindleistung verbraucht, und es treten keine Netzrückwirkungen durch Oberwellen auf. Die Schaltfrequenz von 3 kHz ermöglicht nahezu beliebige Spannungsformen und einen hochdynamischen Stromaufbau. IGBT zeigen ein besonders gutes Durchlassverhalten und lassen sich nahezu leistungslos ansteuern. Die selbstgeführten Stromrichter benötigen keine fremde Spannungsquelle zum Kommutieren des Stromes (dem Stromübergang von einem Schaltungszweig zum anderen), sie weisen eine hohe Sperrspannung auf und können hohe Ströme schalten. In der Einspeise-Rückspeise-Einheit arbeiten sechs IGBT-Leistungshalbleiter mit jeweils gegenparallel geschalteter Diode als sechspulsige Stromrichterschaltung. Beim Pulsstromrichten wird der netzseitige Anschlusspunkt durch Ein- und Ausschalten der IGBT einer Phase an einen der beiden Anschlusspunkte des Zwischenkreiskondensators gelegt. Die Pulsweitenmodulation lässt sich an einem Schaltermodell näher erklären: Die gebildete Spannung ist entweder ein- oder ausgeschaltet, also rechteckförmig. Im Zusammenspiel der Zeiten, in denen die Netzseite am positiven oder negativen Potential des Gleichspannungskreises anliegt, verändert sich die Referenzspannung sprunghaft im Intervall der Pulsfrequenz. Hohe Frequenzen ergeben entsprechend viele Spannungsniveaus mit sehr kleinen Stufenunterschieden. Je nach Ansteuerung der IGBT können hier verschiedenste Spannungsformen erzeugt werden. Stellt man sich den Hergang im Zeigerdiagramm vor, so erstellt der Stromrichter am Verknüpfungspunkt einen Spannungsvektor, der über das resultierende Spannungsdelta zur vorhandenen Netzspannung den geforderten Strom fließen lässt. Durch Aufbau eines Phasenwinkels zur zugehörigen Netzspannung wird der Wirkleistungsfluss generiert. Keine Übertragung von Spannungsverzerrungen Der schnelle Eigenschutz der IGBT-Einheiten sorgt dafür, dass sich Siplink im Fehlerfall ausschaltet. Dies verhindert die Erhöhung der Kurzschlussleistung. Die auf jeder Seite unabhängigen Regelungen der IGBT ziehen außerdem nur die Netzdaten am jeweiligen Anknüpfungspunkt heran, daher werden auch keine Verzerrungen der Netzspannungen vom einen Netz auf das andere übertragen. Der Austausch von Energiereserven zwischen den beiden Netzbereichen wird über eine Sollwertvorgabe mit positiven oder negativen Vorzeichen definiert, deren Höhe sich an den aktuellen Netzanforderungen ausrichtet. Als kleines „Sahnehäubchen“ zur Problemlösung wurde, so die Projektmanagerin des Siemens-Bereichs Power Transmission and Distribution (PTD), noch eine per Knopfdruck aktivierbare Blindleistungsabgabe auf der Netzseite Neu-Ulm freigeschaltet und parametriert, um eine Spannungsstabilisierung innerhalb definierter Minimum-und Maximumwerte zu unterstützen. Die per Profibus DP mit der speicherprogrammierbaren Steuerung Simatic S7 und der Schaltzentrale vernetzte Stromrichteranlage ist im SWU-Donaukraftwerk Böfinger Halde installiert. Hier läuft auch die Doppelsammelschiene, in der die 10-kV-Netze von Ulm bzw. Neu-Ulm zusammengeführt werden. Um die System-Leistungsgröße von 2 MW übertragen zu können, wurden diese über Transformatoren an die Stromrichteranlage angekoppelt. Die 2 m hohe Stromrichtereinheit hat eine Breite von 4,8 m und eine Tiefe von 1,6 m. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMI) ist nach IEC 60447 in Prozess-, Anlagen- und Bedienebene unterteilt. Bedient wird im Normalfall vom PC-Platz in der Schaltzentrale. Für eine Vor-Ort-Bedienung, Inbetriebnahme oder Servicezwecke ist jedoch auch ein Beobachtungsdisplay mit Bedienpanel direkt an der Anlage installiert (Bild ). Auf dem Bildschirm der Schaltzentrale sind die Schaltzustände in unterschiedlichen Farben dargestellt. Über die Schaltfläche „Sollwertvorgabe“ gibt der Bediener den gewünschten Wert vor, der von der SPS als zentraler Schnittstelle zur Stromrichtersteuerung übernommen und weiter verarbeitet wird. Investition in weniger als vier Jahren amortisiert Die SWU Energie rechnet damit, dass die Investitionssumme von 600000 Euro je nach Entwicklung der Regelenergiepreise in weniger als vier Jahren amortisiert ist. Die Anlage bewährt sich seit November 2003 im täglichen Praxisbetrieb. Bemerkenswert für Anlagen dieser Größenordnungen ist auch, dass der Hersteller der Mittelspannungs-Kurzkupplung von der Bestellung bis zur Betriebsaufnahme nur sechs Monate benötigte. Die Kopplung von Netzen über eine MS-Kurzkupplung spart Investitons-und Betriebskosten, denn bei steigendem Stromverbrauch besteht mit ihr die Möglichkeit, einen teueren Netzausbau zu vermeiden oder zumindest zu verschieben. Außerdem erhöht sie die Versorgungssicherheit, weil bei Ausfall einer Einspeisung das über die Kurzkupplung angeschlossene Netz einspringen kann. Ähnliches gilt für Inselnetze. Neben dem gekoppelten Betrieb der Energieverteilung und im Industriebereich ermöglichen Mittelspannungs-Kurzkupplungen mit ihrer IGBT-Technik auch die Kupplung von Netzen mit unterschiedlichen Frequenzen, wie sie teilweise in lateinamerikanischen und arabischen Ländern nach wie vor nebeneinander existieren. M. Wohlgenannt Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 8 649 Die Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Normalbetrieb ist der PC-Platz in der Schaltzentrale. Für Inbetriebnahme und Servicezwecke ist jedoch auch ein Bedien- und Beobachtungspanel direkt an der Anlage installiert. Fotos: Siemens
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- M. Wohlgenannt
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