Optimierter Brennstoffzellen-Wechselrichter für den Netz- und Inselbetrieb

Abstract

Die Verwendung von Brennstoffzellen zur dezentralen Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie (Kraft-Wärme-Kopplung) ermöglicht eine effiziente Nutzung der Primärenergie. Hierbei wird die erzeugte elektrische Energie mittels eines Wechselrichters an das öffentliche Netz abgegeben. Für einen Brennstoffzellen-Netzwechselrichter ergeben sich aufgrund der Eigenschaften der Brennstoffzelle, der wärmegeführten Betriebsart und der technischen und rechtlichen Randbedingungen bei der Netzanbindung besondere Anforderungen, die erfüllt werden müssen um einen zuverlässigen, sicheren und wirtschaftlich sinnvollen Betrieb zu gewährleisten.

In der vorliegenden Arbeit wird hierfür eine geeignete Struktur und Funktionsweise eines Brennstoffzellen-Wechselrichters bestimmt und die Steuerung des Betriebsablaufs mittels eines digitalen Signalprozessors beschrieben.

Aufgrund des Einflusses der Stromwelligkeit auf die Brennstoffzellen-Lebensdauer wird die Welligkeit des vom Wechselrichter aufgenommenen Stromes betrachtet und Optimierungsmöglichkeiten erarbeitet. Die Netzanbindung wird insbesondere unter den Aspekten einer sicheren Netzausfallerkennung und der Netzunterstützung im Rahmen eines virtuellen Kraftwerks betrachtet; weiterhin wird für den Fall einer Versorgungsunterbrechung aufgrund eines Netzausfalls ein optionaler netzunabhängiger Inselbetrieb realisiert. Im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Brennstoffzelle wärmegeführt betrieben; die steuerungs- und regelungstechnischen Aspekte dieser Betriebsart werden betrachtet.

Zur Erprobung der erarbeiteten Lösungen wird ein Prototyp eines Brennstoffzellen-Wechselrichters realisiert. Anhand des Prototypen werden Optimierungsmöglichkeiten demonstiert, um einen hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erreichen.

Employing fuel cells for the decentral cogeneration of thermal and electrical energy offers an efficient way of primary energy utilisation. The electrical energy is injected into the public grid by means of an inverter. For a fuel cell grid inverter, the characteristics of the fuel cell, the thermally controlled operation mode and the technical and regulatory constraints of the grid connection result in special requirements which have to be met in order to guarantee reliable, safe and cost-effective operation.

In the presented work, a suitable structure and mode of operation for a fuel cell inverter is determined and the control of its operation by means of a digital signal processor is described.

Due to the effect of current ripple on the fuel cells lifetime, the inverters input current is examined and optimisation options are developed. The aspects of grid connection are reviewed, particulary in regard to islanding detection and grid improvement (virtual power plant) options. For outages of the public grid, an additional grid independent island mode is implemented. For the cogeneration of electric and thermal energy, the fuel cells operation point is determined based on the required amount of heat; the control aspects of this mode of operation are analysed.

In order to test the aquired solutions, a fuel cell inverter prototype is realised. With the prototype, options for increasing the electrical efficiency are demonstrated.