DE10296505T5

DE10296505T5 - Steuerung mehrerer Brennstoffzellenkraftwerke an einem Einsatzort zur Schaffung eines dezentralen Betriebsmittels in einem Energieversorgungsnetz

Info

Publication number: DE10296505T5
Application number: DE10296505T
Authority: DE
Inventors: Ricky M. South Windsor Ross; Francis A. Wallingford Fragola jun.; Herbert C. Windsor Healy; Douglas Gibbons Henderson Young
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2004-04-29
Also published as: WO2002078103A3; WO2002078103A2; AU2002306672A1; JP2004524792A; USRE41821E1; US6757590B2; US20020169523A1; JP4024682B2

Abstract

Mittels Brennstoffzellen angetriebenes Generatorsystem (8) an einem Einsatzort zur Einbeziehung als dezentrales Generator-Betriebsmittel in ein dezentrales Energieversorgungsnetz (10), umfassend:
a. mehrere Brennstoffzellenkraftwerke (18_1–n) am Einsatzort;
b. mindestens eine elektrische Last (14), die sich im wesentlichen am Einsatzort befindet; und
c. ein Einsatzortverwaltungssystem (11), das betrieblich mit jedem der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18_1–n), der mindestens einen Last (14) und dem Energieversorgungsnetz (10) verbunden ist, um die mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18_1–n) in integrierter Weise alternativ in einer der folgenden Betriebsarten zu steuern:
i. einer netzgebundenen Betriebsart, in der die Brennstoffzellenkraftwerke (18) an mindestens eine Last (14) und an das Energieversorgungsnetz (10) angeschlossen sind, und
ii. einer netzunabhängigen Betriebsart, in der die Brennstoffzellenkraftwerke (18) unabhängig von der Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz (10) an mindestens eine Last (14) angeschlossen sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Steuerung von Brennstoffzellenkraftwerken, insbesondere die Steuerung mehrerer Brennstoffzellenkraftwerke an einem Einsatzort. Speziell betrifft die Erfindung die Steuerung mehrerer Brennstoffzellen an einem Einsatzort, um ein dezentrales Betriebsmittel in einem Energieversorgungsnetz zu schaffen.
Technischer Hintergrund
Individuelle Brennstoffzellen wurden sowohl im Versuch als auch kommerziell in unterschiedlichen Konfigurationen zur Speisung unterschiedlicher elektrischer Lasten eingesetzt. Zum größten Teil betrafen die Anwendungen eine einzelne Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenkraftwerk, um elektrische Leistung in eine oder mehrere Lasten am Einsatzort einzuspeisen. Während solche Einsatzorte möglicherweise mobil sind, so z. B. zum Betreiben eines elektrischen Antriebsmotors eines Fahrzeugs, so sind sie doch im allgemeinen voluminös und ortsgebunden. Diese Anwendungen waren typischerweise individuelle kommerzielle Anlagen oder Gebäude, ggf. unter Einsatz von Computern oder ähnlichen elektronischen Datenverarbeitungsanlagen oder mechanischen Einrichtungen, die eine zuverlässige Energiequelle benötigen.
Um derartige Brennstoffzellenkraftwerke zu betreiben, sind diesen normalerweise unterschiedliche Steuerungen zugeordnet zwecks direkter Steuerung der Brennstoffzelle selbst sowie auch deren elektrischer Gleichleistungsproduktion, wobei zusätzliche Steuerungen vorgesehen sind, um die Gleichleistung in Wechselleitung umzuwandeln, um Leistung den Lasten zuzuschalten bzw. von den Lasten abzutrennen und dergleichen. In einigen Fällen ist das Brennstoffzellenkraftwerk parallel zu dem normalen öffentlichen Stromnetz an die Lasten geschaltet, kann aber auch anstelle des Stromnetzes oder zusätzlich zu dem Stromnetz die Lasten mit elektrischer Leistung speisen. In einigen Fällen sind möglicherweise an einem Einsatzort mehrere Brennstoffzellenkraftwerke vorhanden, die kollektiv parallel zu dem Stromnetz an die Lasten angeschlossen sind. Aber auch in einer solchen Konfiguration erfolgte die Steuerung der Brennstoffzellen typischerweise individuell ohne oder mit nur geringer integrierter Steuereinrichtung zum Optimieren des Einsatz der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke, die mit dem öffentlichen Stromnetz und den Lasten verbunden waren.
Sind ein oder mehrere Brennstoffzellenkraftwerke an das Stromnetz und an die Lasten angeschlossen, so spricht man von einer netzverbundenen Konfiguration (G/C; grid connected) oder einer netzverbundenen Betriebsart (G/C-Betriebsart). Wenn derartige Brennstoffzellenkraftwerke nur an die Lasten angeschlossen sind, so spricht man alternativ von einem netzunabhängigen Modus oder einer netzunabhängigen Betriebsart (G/I-Modus; grid independent mode). Im G/I-Modus folgen die Brennstoffzellenkraftwerke typischerweise der Last und teilen die Last unter den Kraftwerken auf. Der Übergang von einem derartigen Modus in eine andere Betriebsart und die Steuerung der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke in Relation zu den Lasten stellen zusätzliche Steuer-Komplexitäten dar, die den effizienten und wirtschaftlichen Einsatz von mehreren Brennstoffzellenkraftwerken als dezentralisierte Betriebsmittel in elektrischen Versorgungsnetzen behindert haben.
Es besteht also Bedarf an einer Steueranordnung für den effizienten und wirtschaftlichen Einsatz mehrerer Brennstoffzellenkraftwerke an einem Einsatzort als dezentrales Betriebsmittel im Energieversorgungsnetz.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Steuerung mehrerer Brennstoffzellenkraftwerke an einem Einsatzort, insbesondere als ein dezentralisiertes Betriebsmittel für die Einbeziehung in ein Energieversorgungsnetz. Die Erfindung betrifft außerdem die vereinigte oder integrierte Steuerung mehrerer Brennstoffzellenkraftwerke an einem Einsatzort, sowohl im netzgekoppelten Modus oder G/C-Modus, um ihre Verwendung als dezentralisiertes Betriebsmittel in einem Energieversorgungsnetzwerk zu erleichtern, als auch in einem netzunabhängigen oder G/I-Modus, um ihren Wert und ihre Nützlichkeit als unabhängige Energiequelle für eine oder typischerweise für mehrere Kunden-Lasten am Einsatzort zu optimieren.
Die Erfindung betrifft also ein mittels Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen angetriebenes Generatorsystem für einen Einsatzort zwecks Einbeziehung als dezentrales Betriebsmittel in ein dezentrales Energieversorgungsnetz, umfassend mehrere Brennstoffzellenkraftwerke am Einsatzort, mindestens eine und typischerweise mehrere Lasten, die im wesentlichen an dem Einsatzort gelegen sind, und ein Einsatzortverwaltungssystem, welches betrieblich mit den mehreren Brennstoffzellenkraftwerken, der einen oder den mehreren Lasten und dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, um die Brennstoffzellenkraftwerke in einer integrierten oder vereinigten Weise zu steuern in – alternativ – einem netzgebundenen Betriebsmodus, in welchem die Brennstoffzellenkraftwerke an die Last/Lasten und das Energieversorgungsnetz angeschlossen sind, und einem netzunabhängigen Betriebsmodus, in welchem die Brennstoffzellenkraftwerke unabhängig von der Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz an die Last/Lasten angeschlossen sind. Diese integrierte Steuerung, die durch das Einsatzortverwaltungssystem geschaffen wird, ermöglicht dem Energieversorgungsnetz, die mehreren Brennstoffzellenkraftwerke an dem Einsatzort als einzelnes oder vereintes, dezentrales Generator-Betriebsmittel zu sehen, wenn es an das Versorgungsnetz angeschlossen ist. Im vorliegenden Zusammenhang werden die Begriffe "integriert" und "vereinigt" im wesentlichen synonym verwendet. Darüber hinaus erleichtert die integrierte Steuerung den Betrieb des Einsatzorts im G/I-Modus, in welchem die Brennstoffzellen typischerweise der Last folgend arbeiten und unabhängig voneinander betrieben werden. In letzterer Hinsicht erleichtert die integrierte Steuerung im G/I-Modus zusätzlich eine Möglichkeit der Lastverwaltung (Teilen und Entlasten), um eine Versorgung für kritische Lasten zu garantieren.
Die Brennstoffzellenkraftwerke enthalten jeweils Steuer- und Logikeinrichtungen zum Einziehen (Reduzieren) von Nenn-Leistungspegeln auf niedrigere Pegel, falls es notwendig ist, und um, ansprechend auf unterschiedliche Kraftwerksbedingungen, Signale zu bilden, die repräsentativ sind für die momentane Leistungsfähigkeit der jeweiligen Kraftwerke. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Ausdruck "momentan" synonym zu "derzeitig" verwendet, wenn es um Leistungsfähigkeit und lastseitigen Bedarf geht. Weitere Synonyme sind "laufend" oder "augenblicklich". Das Einsatzortverwaltungssystem summiert die einzelnen Leistungsfähigkeiten der einzelnen Brennstoffzellenkraftwerke und ermittelt ein Maß für die gesamte momentane Leistungsfähigkeit der mehreren Kraftwerke am Einsatzort. Dieses Maß für die Gesamtleistungsfähigkeit und die jeweiligen individuellen Leistungsfähigkeitsmaße dienen zur Schaffung eines Einsatzort-Leistungsmaßes für das Energieversorgungsnetz und zur passenden Belastung jedes Kraftwerks im G/C-Modus, wobei die Wert im G/I-Modus dazu verwendet werden, jedes der Kraftwerke in passender Weise so zu belasten, dass diese in vereinigter Weise arbeiten und eine Last-Ersatzfunktion bilden. In letzterer Hinsicht und unter der Annahme, dass mehrere Lasten vorhanden sind, arbeitet das Einsatzortverwaltungssystem so, dass es die momentane lastseitige Anforderung, die momentane Gesamtleistungsfähigkeit und eine vorbestimmte Prioritätsverteilung der Lasten für den Fall erkennt, dass der lastseitige Bedarf größer ist als die momentane Gesamtleistungsfähigkeit, um selektiv gemäß dem vorhandenen Plan bedarfsweise Lasten abzuschalten oder abzutrennen.
Das Einsatzortverwaltungssystem enthält mindestens eine und typischerweise mehrere Signalverarbeitungs-Logiksteuerungen, die kooperativ miteinander, mit den mehreren Brennstoffzellenkraftwerken und mit dem Energieversorgungsnetz zusammenarbeiten, um die integrierten Steuerfunktionen gemäß der Erfindung auszuführen.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher im Licht der nachfolgenden detaillierten Beschreibungbeispielhafter Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Energieversorgungssystems unter Einsatz mehrerer Brennstoffzellenkraftwerke an einem Einsatzort als dezentrales Betriebsmittel in einem Energieversorgungsnetz und als Hilfs- oder Stützenergiequelle für eine oder für mehrere Lasten, die sich an dem Einsatzort befinden, falls das Netz nicht zur Verfügung steht;
2 ist ein verallgemeinertes, funktionelles, schematisches Blockdiagramm, welches die Bildung eines Signals veranschaulicht, welches repräsentativ ist für die derzeitige Energieerzeugungskapazität eines jeweiligen Brennstoffzellenkraftwerks; und
3 ist ein verallgemeinertes, funktionelles und schematisches Blockdiagramm, welches algorithmisch die Leistungsstandbelastung der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke beim Betrieb im G/C-Modus veranschaulicht.
Bester Weg zum Ausführen der Erfindung
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines auf Brennstoffzellen basierenden Energieversorgungssystems 8 gemäß der Erfindung, das an einem Einsatzort leicht als dezentrales Betriebsmittel in einem öffentlichen Energieversorgungsnetz eingesetzt werden kann. Das Energieversorgungssystem 8 ist an einen Versorgungsnetzbus 10 angeschlossen und macht Gebrauch von mehreren Brennstoffzellenkraftwerken 18, die an einem gemeinsamen Einsatzort angeordnet sind, um im Verein mit dem Netz 10 Drehstromleistung über eine Schaltvorrichtung 13 in Lasten 14 einzuspeisen, die sich üblicherweise auch am gleichen Ort befinden. Im bevorzugten und normalen Fall liefern die Brennstoffzellenkraftwerke 18 elektrische Leistung an die Lasten 14 in im wesentlichen kontinuierlicher Weise, ungeachtet gelegentlicher Unterbrechungen zwischen dem Energieversorgungsnetz 10 einerseits und den Kraftwerken und Lasten 14 andererseits ein allgemein mit 12 bezeichnetes und unten beschriebenes Schaltgerät enthält einen statischen Schalter, der während Störungen im Energieversorgungsnetz rasch öffnet, um die Lasten 14 und die Brennstoffzellenkraftwerke 18 rasch vom Netz 10 zu trennen, wobei die Brennstoffzellen eine im wesentlichen kontinuierliche Energieversorgung für die Lasten während derartiger Störungen sicherstellen. Aus Gründen der Vereinfachung wird hier ein "Einleiter"-Diagramm oder eine "Einleiter"-Darstellung für die dreiphasigen Stromversorgungsleitungen verwendet, was auch für die in den Leitungen befindlichen Schalter und weitere Bauelemente gilt. In ähnlicher Weise versteht sich, dass für die Steuerschaltung, die Teil der vorliegenden Erfindung ist, hier häufig Einleitungs-Darstellungen gewählt werden, stellvertretend für verdrillte Leitungspaare oder gruppenweise parallele Leitungen, die als Signalleitungen fungieren. Zur Vereinfachung der Darstellung und visuellen Unterscheidung sind die Teile, die relativ hohe Spannung/Strom/Leistung zu den Lasten 14 führen, dick eingezeichnet, im Gegensatz zu Niederspannungs-Steuerteilen des Systems 8.
Das Netz 10, die Brennstoffzellenkraftwerke 18 und die Lasten 14 sind über ein Einsatzortverwaltungssystem EVS miteinander verbunden, dargestellt durch den gestrichelten Block 11. Die Lasten 14, hier mit L₁, L₂, . . ., L_X bezeichnet, sind die Lasten des Kunden am Einsatzort, typischerweise beinhalten sie eine oder mehrere sogenannte "kritische" Lasten wie z.B. Computer, elektronische Datenverarbeitungsgeräte und/oder medizinische Geräte, die eine im wesentlichen kontinuierliche Energieversorgung benötigen. Andere derartige Lasten 14 sind möglicherweise weniger kritisch und können kurze oder länger anhaltende Energieversorgungsunterbrechungen vertragen. In einer typischen Schaltvorrichtung 13 können zwölf individuelle, separat ansteuerbare Schaltschütze, beispielsweise 1, 2, . . ., X für die jeweiligen Lasten L₁, L₂, . . ., L_x, die mit einem Anschluss der Schütze verbunden sind, angeordnet sein. Eine selektive Betätigung der einzelnen Schütze dient zur selektiven Verbindung und Trennung der jeweiligen Lasten mit bzw. von den Energiequellen, wie im folgenden näher beschrieben wird.
Der Energieversorgungsnetzbus 10 liefert im Anschluss an einen Abspanntransformator 20 normalerweise eine Leistung von 480 Vac und 60 Hz, wie dies auch die Brennstoffzellenkraftwerke 18 über eine Leitung oder einen Bus 12 über einen Dreieck-Stern-Wandler 27 tun. Das Schaltgerät 12 dient zum Verbinden der Brennstoffzellenkraftwerke 18 über den Bus 15, der Lasten 14 über einen Last-Leistungsbus 39 und des Energieversorgungsnetzes 10. Auf diese Weise stehen die Brennstoffzellenkraftwerke 18 (oder einfach die "Brennstoffzellen 18" oder "Kraftwerke 18") zur Verfügung und sind anschließbar zur Bereitstellung von Leistung auf Vollzeitbasis für die Lasten 14 oder für die Lasten 14 und das Energieversorgungsnetz 10, was einen wirtschaftlichen Einsatz der Brennstoffzellen bedeutet. Das Schaltgerät 12 enthält vorzugsweise eine statische (Festkörper-) Hochstrom-Hochgeschwindigkeits-Schützanordnung und mehrere (nicht gezeigte) Zwischenverbindungs-Leistungsschalter. Der statische Schalter, ausgebildet möglicherweise in Form von paarweisen gesteuerten Gleichrichtern auf Siliziumbasis in Antiparallelschaltung, dient als Hauptbetriebsschalter und ist im Normalbetrieb des Netzes 10 geschlossen, um das Netz 10 mit den Kraftwerken 18 und den Lasten 14 zu verbinden, während er geöffnet wird, wenn das Netz Grenzwerte über- oder unterschreitet und wenn ein "Freigabe"-Signal beseitigt wird. Die Schützanordnung kann gemäß dem Stand der Technik ausgebildet sein, beispielsweise kann es sich um einen dreipoligen, elektrisch betätigten statischen Schalter für einen Nennstrom von 200 Ampere handeln, der ein nahtloses Umschalten von Leistung innerhalb von etwa 1/4 Periodendauer (etwa 4 ms) vornimmt. Die Leistungsschalter sind typischerweise elektromechanisch und können entweder automatisch oder von Hand betätigt werden, um selektiv für Bypasswege oder Nebenschlusswege um den statischen Schalter herum zu sorgen und/oder in anderer Weise durchgehende Strompfade zu öffnen. Globale Bypass-Trennschalter 19, die mit den Bussen 15, 10 und 39 verbunden sind, dienen, wenn sie von Hand geschlossen werden, zur weiteren Umgehung des Schaltgeräts 12, so z.B. bei Wartungsarbeiten oder beim Hochfahren oder Herunterfahren der Anlage.
Es gibt mehrere Brennstoffzellenkraftwerke 18 an dem Einsatzort, wobei es die integrierte Steuerung dieser mehreren Kraftwerke 18 und/oder diese mehreren Kraftwerke 18 selbst sind, was bzw. welche die vorliegende Erfindung ausma chen. In einer beispielhaften Ausgestaltung befinden sich fünf (5) derartige Kraftwerke 18 am Einsatzort und werden von dem EVS 11 gesteuert. Jedes Kraftwerk 18 ist ein 200 KW starkes Kraftwerk International Fuel Cells, LLC (früher ONSI) PC25^®C, wobei die fünf Einheiten kollektiv in der Lage sind, bis zu 1 Megawatt Leistung bereitzustellen. Jedes Kraftwerk 18 enthält die Basisbrennstoffzelle (BZ), eine Kraftwerkssteuerung (PPC; power plant controller) und ein Leistungskonditioniersystem (PCS; power conditioning system), welches wiederum seine eigene getrennte Steuerung beinhaltet. Die Brennstoffzelle BZ enthält eine (nicht gezeigte) Brennstoffstapelanordnung, eine Hilfsbrennstoffverarbeitungs- und -lieferanlage, eine Oxidationsmittellieferanlage und ein Wasser- und Dampfverwaltungssystem, wie es an sich bekannt ist. Die PPC enthält die Steuer-, Logik- und Überwachungseinrichtung, die direkt für den Betrieb und die Steuerung der jeweiligen BZ vorgesehen ist, wie es allgemein bekannt ist, und die zusätzliche Maßnahmen aufweist, um die laufende Energieerzeugungskapazität des Kraftwerks 18 auszuwerten, wie weiter unten noch beschrieben wird. Das PCS enthält einen Festkörper-Wechselrichter und die dazugehörige Steuerung, um die Gleichleistung in Wechselleistung mit der gewünschten Spannung und Frequenz umzuwandeln. Die Steuerung des PCS und die Steuerung durch das PCS und die dazugehörigen Steuermittel sowie weitere im folgenden diskutierten Steuermittel ermöglichen weiterhin die Umwandlung der Betriebsart des Kraftwerks 18 von G/C in G/I und umgekehrt, wie es allgemein bekannt ist. Bei Einsatz im G/C-Modus ist die von dem PCS gesteuerte Variable die gelieferte Leistung (sowohl real als auch reaktiv). Im G/I-Modus sind die gesteuerten Variablen die Ausgangsspannung und die Frequenz, außerdem für den Fall, dass mehrere Kraftwerke 18 involviert sind, die Phase. Die Ausgangsspannung eines Drehstromsystems wird natürlich so gesteuert, dass zwischen den einzelnen Phasen ein Phasenwinkel von 120° existiert. Die Ausgangsgrößen der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke 18 werden kollektiv von einem Bus 15 vereint. Steuersignale können zwischen den mehreren Komponenten eines Kraftwerks 18, d.h. BZ, PPC und PCS über einen oder mehrere Signalwege ausgetauscht werden, hier kollektiv als gemeinsamer Signalbus und E/A-Port 30 dargestellt.
Zusätzlich zu dem Schaltgerät 12 enthält das EVS 11 für den Einsatzort drei Steuerungen, die verantwortlich sind für das Koordinieren des integrierten Betriebs der mehreren Kraftwerke 18, zunächst in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Kunden-Last 14, und schließlich als einzelnes Energiebetriebsmittel für das Energieversorgungsnetz.
Ein Einsatzortverwaltungsregler (EVR) 31 sorgt für eine direkte Steuerung der PCSs der Brennstoffzellen 18 ansprechend auf Modusangabe-/Steuersignale M1, M2 auf eine Leitung 40, die von der zu dem statischen Schalter des Schaltgeräts 12 gehörigen Logik kommt, außerdem ansprechend auf ein Netzspannungs-Referenzsignal 10', welches von einer Netzsensorschaltung 37 geliefert wird. Die Netzsensorschaltung 37 enthält typischerweise einen Potentialwandler (Sensor) und einen Stromwandler (Sensor), um die Spannung und den Strom des Netzes 10 zu erfassen und entsprechende Signale zu liefern. Die Modus- oder Betriebsartsignale M1 und M2 von dem Schaltgerät 12 sind kennzeichnend für den Schaltzustand des statischen Schalters und damit für die Notwendigkeit einer Modusänderung von G/C auf G/I oder umgekehrt. Die zu dem statischen Schalter gehörige Logik empfängt ein Signal von der Netzsensorschaltung 37 über eine Leitung 10" und stellt fest, ob sich das Netz innerhalb bestimmter Grenzen bewegt oder nicht. Eine Änderung in diesem Zustand bewirkt über die Logik ein "Umschalten" des statischen Schalters und ein Signalisieren einer derartigen Aktion mittels der Signale M1 und M2 auf der Leitung 40. Bewegt sich das Netz außerhalb der Grenzen, so geht das Betriebsartoder Modussignal M2 von "Aus" über in den Zustand "Ein", um die Notwendigkeit zu signalisieren, eine Modusänderung einzuleiten. In ähnlicher Weise, jedoch etwas verzögert, erfolgt nach dem tatsächlichen Öffnen des statischen Schalters ansprechend auf den ermittelten Zustand der Grenzüberschreitung im Netz das Modussignal M1 ein Übergang vom Zustand "Aus" in den Zustand "Ein", um eine nominelle Beendigung der Modusänderung zu signalisieren. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die Sensorschaltung feststellt, dass die Netz-Energieversorgung wieder in akzeptierbare Grenzwerte zurückgekehrt ist, wobei das Signal M2 wiederum dem Signal M1 vorausgeht. Der EVR 31 enthält außerdem Maßnahmen zum Ausgeben von Lastaufteilungs-Steuersignalen an jedes der PCS der jeweiligen Brennstoffzellen 18, um die Last auf die Brenn stoffzellen 18 während eines Lastfolgevorgangs im G/I-Modus aufzuteilen. Diese Lastaufteilung berücksichtigt typischerweise die laufende Leistungserzeugungskapazität jeder Brennstoffzelle 18, wie sie durch Statussignale seitens der Brennstoffzellenkraftwerke 18 signalisiert wird, um die Last unter den Kraftwerken entsprechend aufzuteilen.
Der EVR 31 setzt sich typischerweise aus Computern, einer programmierbaren Logikschaltung, Sensoren und einer Steuerschaltung zusammen. Die Kombination der Modussignale M1 und M2 und die Information über die Netzspannung, die Phase und die Frequenz des Netzes, geliefert über die Leitung 10', dienen innerhalb des EVR dazu, als Ausgangsgrößen weitere Modussteuersignale D1 und D2 auf eine Leitung 33', ein Phasenregelschleifer-Synchronisationssignal auf eine Leitung 33" und ein Spannungsreferenzsignal auf eine Leitung 33''' zu geben. Ein Signalbus 33 dient zum Austausch dieser Steuersignale zwischen dem EVR 31 und den PCSs der mehreren Kraftwerke 18. Der Signalbus 33 überträgt außerdem zwischen dem EVR 31 und den PCSs die verschiedenen Lastaufteilungsstatus- und Steuersignale, kollektiv dargestellt in Form einer Leitung 33"" zu/von dem EVR 31. Diese Signale dienen zur Aufteilung oder Zuteilung der Last auf die Brennstoffzellen 18 während des Lastfolgebetriebs im G/1-Modus. Der "Lastverteilungs"-Algorithmus berücksichtigt die laufende Energieerzeugungskapazität jeder Brennstoffzelle 18, wie sie durch Statussignale von den Brennstoffzellenkraftwerken 18 mitgeteilt wird, um die Last dementsprechend unter den Kraftwerken aufzuteilen.
Die von der Netzsensorschaltung 37 gebildeten Spannungs- und Stromsignale für das Netz 10 werden außerdem auf ein Netz-Schutzrelais 26 gegeben, welches seinerseits auf die Netzspannung und den Netzstrom anspricht, wenn diese bzw. dieser sich innerhalb oder außerhalb gegebener Grenzen bewegen, um auf der Leitung 28 ein Steuersignal zu bilden. Die Leitung 28 ist mit dem Schaltgerät 12 verbunden, und das über die Leitung übertragene Signal dient zum Steuern von einem oder mehreren Trennschaltern in der Weise, dass garantiert wird, dass die Last kontinuierlich auch während Netzstörungen mit Leistung gespeist wird, wobei außerdem der statische Schalter, das Netz 10, die Kraftwerke 18 und/oder die Last 14 im Fall von extremen Betriebszuständen geschützt werden.
Eine zweite Steuerung ist die Lastabwurfsteuerung (LAS) 34, bei der es sich um eine programmierbare Logiksteuerung aus passenden integrierten Standardschaltungen handelt. Die LAS 34 stellt im G/I-Modus eine Hochgeschwindigkeits-Lastabwurfsteuerung dar, wie im folgenden erläutert wird. Die LAS 34 empfängt Kilowatt-(KW) Kapazitätssignale von einzelnen Kraftwerken 18 (1–n) über einen Signalbus 36, hier gemeinsam repräsentativ für sämtliche "n" Signale. Die einzelnen KW-Kapazitätssignale werden typischerweise von den PPCs in jedem Kraftwerk 18 gebildet, gelangen durch die zugehörigen PCSs und verlaufen jeweils über das E/A-Port 30 als 4-20-ma-Signal auf Leiterpaaren zu dem LAS 34, wobei die Leiterpaare hier durch die Leitung 36 dargestellt sind. Die Bildung der KW-Kapazitätssignale an den PPCs wird ebenso wie deren mögliche Verwendung in den verschiedenen Steuervorgängen des EVS 11 im folgenden näher erläutert. Hier reicht es aus, anzumerken, dass die KW-Kapazitätssignale eine Messgröße für die Energieerzeugungskapazität der einzelnen Kraftwerke 18 darstellen und Verwendung bei der Lastaufteilung, dem Lastabwurf (der Lastabschaltung) und in der Gesamtsteuerung der mehreren Kraftwerke 18 als vereinigte oder singuläre Resource in einem Energieversorgungsnetz mit dezentralen Betriebsmitteln (Resourcen) finden. Weiterhin werden 2X-Signale (möglicherweise 24 an der Zahl) zwischen dem LAS 34 und den X (möglicherweise 12) Schützen 1–X der Schützanordnung 13 über diskrete Signalleitungen übertragen, letztere aus Gründen der Einfachheit als Einzelleitung 70 dargestellt. Die Hälfte dieser Signale steht für den Status der betreffenden Schaltschütze, die andere Hälfte ist verantwortlich für die Steuerung des Öffnens oder des Schließens der jeweiligen Schütze. Das LAS 34 empfängt außerdem über eine Leitung 71 aus der zu dem statischen Schalter des Schaltgeräts 12 gehörigen Logik eine Angabe über den Betriebszustand und insbesondere den Eintritt in den G/I-Modus. Dies ermöglicht die Funktionstüchtigkeit der Lastabwurffunktion in dieser Betriebsart, und umgekehrt.
Die dritte Steuerung ist die Einsatzort-Überwachungssteuerung (EÜS) 29, die die Benutzerschnittstelle für das Energiesystem 8 darstellt und verantwortlich ist für die integrierte überwachende Steuerung des Systems auf hoher Ebene, und die eine Schnittstelle zwischen dem Kunden (oder der Bedienungsperson) am Einsatzort und der Versorgungseinrichtung darstellt. Wie bei dem LAS 34 ist auch das EÜS 29 eine programmierbare Logiksteuerung aus geeigneten integrierten Standartschaltungen, programmiert zum Ausführen der erforderlichen Funktionen. Eine Buserweiterung 38 verbindet das LAS 34 und das EÜS 29, so dass die beiden Teile gemeinsam als Einheit betrachtet werden können. Das EÜS 29 beinhaltet sechs Schnittstellen mit dem Rest des Energieversorgungssystems 8 sowie mit dem Energieversorgungsnetz.
Eine dieser Schnittstellen stellt die Verbindung des LAS 34 mit dem EÜS 29 über die Buserweiterung 38 dar. Das LAS 34 übermittelt die 2X Signale, die zu der Schützanordnung 13 gehören, zu dem EÜS 29 jede halbe Sekunde, so dass das EÜS 29 die Möglichkeit hat, die Kunden-Last- Schaltschütze 13 zu übersteuern und den Lastzustand auf der Seite des Kunden im G/I-Modus zu überwachen.
Eine weitere Schnittstelle beinhaltet die Nachrichtenverbindung zwischen dem EÜS 29 und den einzelnen Kraftwerken 18 über n Paare von lokalen Benutzerschnittstellenleitungen (LOI) 54', von denen nur eine angeschlossen an das EÜS 29 dargestellt ist, wobei die Verbindung mit den PPCs der Kraftwerke 18 aus Gründen der Einfachheit nur als Teil eines gemeinsamen Mehrfachwege-Übertragungsbusses 54 für diverse Signale dargestellt ist. Diese Signale beinhalten solche Signale, die für die Routine-Überwachungssteuerung der Kraftwerke 18 notwendig sind, und die dazu dienen, Daten von den Kraftwerken 18 sowohl für die lokale Anzeige auf der Mensch-Maschinen-Schnittstelle (HMI) 56 als auch zur Verwendung in einer Energieverteiler-Überwachungssteuerungs- und Datenerfassungsschnittstelle (SCADA) auf einer Leitung von/zu dem Energieversorgungssystem zu erhalten. Ein Bedienfeld 60 enthält Handbedienungseinrichtungen für verschiedene Signalapparate, insbesondere einen Modusschaltereingang, der die Möglichkeit der Auswahl zwischen einem lokalen Betriebsmodus (L), in welchem die Kraftwerke 18 individuell gesteuert werden, und einem Überwachungsmodus (S), in welchem die Kraftwerke als Einheit gesteuert werden, bietet. Wenn der Modusauswahlschalter des Be dienfelds 60 sich im Überwachungsmodus (S) befindet, wie dies in 1 dargestellt ist, sind sowohl der lokale HMI 56 als auch der Fern-HMI 62 an der Ausgabe von Steuer- oder Verteilungsbefehlen gehindert. In diesem Fall kommen sämtliche Steuer- und Verteilungssignale von der (nicht gezeigten) Fernverteilungsstation des Energieversorgungssystems über die SCADA-Schnittstellenleitung 58, bei der es sich um eine MODBUS-Fernverbindung handelt, bestehend aus einem gemieteten Kupferleitungspaar (Standleitung). Die Fern-HMI 62 ist mit einem entfernten Standort, beispielsweise dem Hersteller des Kraftwerks 18 und/oder dem Energieversorgungsnetz, mittels eines lokalen Modems 64 über eine Telefonleitung verbunden und leitet Daten- und Steuerbefehle von und zu den Kraftwerken 38 über Leitungen 54 und 54''' nur dann, wenn der Modusauswahlschalter auf den lokalen Modus eingestellt ist. Die lokale HMI 56 leitet Daten- und Steuerbefehle von und zu den Kraftwerken 18 über Leitungen 54 und 54' mittels Interaktion des EÜS 29 nur dann, wenn der Modusauswahlschalter auf den lokalen Modus (L) eingestellt ist. Die Verbindung zwischen der lokalen HMI 56 und der EÜS 29 bildet eine dritte Schnittstelle bezüglich des EÜS 29. In ähnlicher Weise ist die Fern-HMI 62 an einen entfernten Standort, beispielsweise den Hersteller der Kraftwerke 18 und/oder das Energieversorgungsnetz, mittels eines lokalen Modems 64 über eine Telefonleitung angeschlossen und leitet Daten- und Steuerbefehle zu und von den Kraftwerken 18 über die lokale HMI 56, das EÜS 29 und die Leitungen 54 und 54' nur dann, wenn der Modusauswahlschalter auf den lokalen Modus (L) eingestellt ist.
Eine vierte Schnittstelle bezüglich des EÜS 29 beinhaltet einen Netzschutzrelais 26 in einer Leitung 65. Diese Verbindung übermittelt den Status des Netzes sowie jegliche Störungen oder Grenzüberschreitungszustände im Netz, beispielsweise Abnormalitäten bezüglich Strom, Spannung, Phase oder Frequenz, wie dies von der Netzsensoreinheit 37 über das LSR 26 übermittelt wird.
Eine fünfte Schnittstelle bezüglich des EÜS 29 beinhaltet die Bereitstellung von Signalen, die kennzeichnend sind für die Energiebereitstellung durch die mehreren Kraftwerke 18, was mittels eines Leistungsmessgeräts 66 geschieht, das an den Leistungsbus 18 angeschlossen ist und mit einer Signalleitung 67 an das EÜS 29 angeschlossen ist, um die an die Lasten 14 gegebene bzw. von den Lasten 14 gezogene Leistung mit Hilfe eines Leistungsmessgeräts 68 anzuzeigen, welches an den Last-Leistungsbus 39 angeschlossen ist. Das Energiemessgerät 68 ist an den Bus 29 zwischen den Schaltschützen 13 und dem globalen Bypass 19 angeschlossen und besitzt eine an das EÜS 29 angeschlossene Signalleitung 69. Die Leistungsmessgeräte 66 und 68 enthalten typischerweise jeweils einen Potential-(Spannungs-)Fühler und einen Stromfühler (von denen keiner dargestellt ist), um gemeinsam die Leistung zu messen. Diese Leistungsmesswerte werden von dem EÜS 29 und dem LAS 34 für Steuervorgänge verwendet, die im folgenden erläutert werden.
Die sechste Schnittstelle beinhaltet eine Zweiwegeverbindung zwischen dem EÜS 29 und dem Schaltgerät 12, dargestellt durch eine Leitung 72. Das EÜS 29 kann diskrete Signale an die Steuerung des statischen Schalters und an ausgewählte Trennschalter geben, um die Auswahl der Betriebsart des EVS 11 nötigenfalls zu ermöglichen. In ähnlicher Weise geben diese Schalter zugehörige Statussignale an das EÜS 29 zurück. Das EÜS kann ein "Freigabe"-Signal an den statischen Schalter geben, wobei das vorhandene Freigabesignal dem Schalter ermöglicht, autonom zu arbeiten, basierend auf dem Zustand des Netzes 10 zu der jeweiligen Zeit. Wenn das Signal "gesperrt" ist, bringt es den statischen Schalter zwangsweise in den offenen Zustand und veranlasst das Energieversorgungssystem 18, im G/I-Modus zu arbeiten.
Ein lokaler Diagnoseanschluss 73 ist selektiv über einen "n-Wege"-Schalter 74 mit den Leitungen 54" und 54 verbunden, die zu einzelnen von n Kraftwerken 18 führen, um von dort Diagnosedaten zu erhalten. Ebenfalls vorhanden ist ein Ferndiagnoseanschluss (FDA) 61, der über einen "n"-fähigen Telefonleitungsverteiler 63 an die individuellen n Kraftwerke 18 über die Leitungen 54 und 54''' angeschlossen ist, um in ähnlicher Weise Diagnosedaten zu erhalten.
Im folgenden wird auf 2 Bezug genommen, die eine verallgemeinertes funktionelles und schematisches Blockdiagramm bezüglich eines in dem PPC eines zugehörigen Kraftwerks 18 gebildeten KW-Kapazitätssignal (KW-Kapazität) veranschaulicht, kennzeichnend für die derzeitige Energieerzeugungs kapazität des betreffenden Brennstoffzellenkraftwerks 18. Dieses Signal wird dann sowohl auf der Grundlage des einzelnen Kraftwerks als auch für ein kumulatives Energieversorgungssystem 8 dazu verwendet, eine Fernverteilung oder -zuordnung von Leistungsanforderungen durch das Energieversorgungssystem im G/C-Modus ebenso zu ermöglichen und zu erleichtern wie eine Lastverteilung und einen Lastabwurf (Lastabschaltung) im G/I-Modus. Ein KW-Bemessungswert (KW-Bemessung) wird zu Beginn einem jeweiligen Brennstoffzellenkraftwerk 18 zugeordnet, dargestellt an einer Eingangsleitung 76 einer Ereignistabelle 77. Das Signal KW-Bemessung hat einen normalen Standartwert von 200 KW, wobei von einer Brennstoffzelle und einem Kraftwerk ausgegangen wird, welches bei voller Kapazität arbeitet oder arbeitsfähig ist. Dieser Wert läßt sich von einer Bedienungsperson oder dem Hersteller so einstellen, dass er im Hinblick auf vorbestimmte Umstände, die möglicherweise die Leistungsfähigkeit des Kraftwerks um einen bestimmten Betrag senken, einen geringeren Wert widerspiegelt. Die Ereignistabelle 77 enthält mehrere Leistungseinschränkungswerte, von denen jeder einer oder mehreren "abnormalen" Bedingungen beim Betrieb des B.Z.-Teils des Kraftwerks 18 entspricht. Beispielsweise kann bei Bedingungen entsprechend einem geringen Dampf/Brennstoff-Verhältnis im Brennstoffzellensystem die Leistungsbemessung auf 170 KW zurückgeschraubt werden, und unter Bedingungen, unter denen der Brennstoffbedarf nicht gedeckt werden kann, unzureichend Füllwasser vorhanden ist, eine zu hohe Brennstoffzellengestell-Temperatur und ähnliches vorliegt, kann die Minderbemessung stärker ausfallen, bis hin zu einer KW-Bemessung von lediglich 75 KW. Diese Einzugwerte (sowie weitere Werte) sind auf der Skala dargestellt, die oben an der Tabelle 77 angedeutet ist, während die Tabelle tatsächlich dazu dient, einen gefühlten Zustand mit einer vorbestimmten Einschränkungs-Leistungsbemessung zu korrelieren, um als Ausgangsgröße ein Signal auf die Leitung 78 zu geben, welches repräsentativ ist für eine eingeschränkte Leistungsbemessung. Dieses Signal wird auf eine Funktion 79"Auswählen des kleineren Werts" gegeben, auf deren anderen Eingang der KW-Bemessungs-Wert auf der Leitung 76 gegeben wird. Der kleinere Leistungswert der Signale auf den Leitungen 76 und 78 wird dann als Ausgangsgröße auf Leitung 80 gegeben. Eine weitere mögliche Leistungseinschränkung kann am Summierer 81 stattfinden, der einen (+)-Eingang von der Leitung 80 und einen (–)-Eingang von einer Leitung 82 empfängt. Die Leitung 82 führt einen Leistungseinschränkungswert, resultierend aus einer erfassten Abnormalität im Wasseraufbereitungssystem für die Brennstoffzelle, wobei dieser Einschränkungswert variabel ist und von einer Leistungsabnahme von nur 0 KW bis hin zu 190 KW reichen kann. In diesem Fall wird der auf der Leitung 80 erscheinende Wert um den Wert verkleinert, der auf der Leitung 82 vorhanden ist, um auf einer Leitung 83 das resultierende Ausgangssignal bereitzustellen. Der Wert auf der Leitung 83 kann ebenfalls oder zusätzlich eingeschränkt werden oder übersteuert werden, falls das Brennstoffzellen-Wasseraufbereitungssystem sich im Wartungszustand befindet. Dieses mögliche Übersteuern tritt dann ein, wenn ein Wasseraufbereitungs-Wartungsmodussignal 84 an eine Tabelle 85 gegeben wird, die so aufgebaut ist, dass als Ausgangsgröße auf einer Leitung 86 entweder der Wert auf der Leitung 83 erscheint, wenn die Wasseraufbereitung normal arbeitet, oder ein eingeschränkter Wert von nur 10 KW erscheint, wenn das Modussignal auf der Leitung 84 kennzeichnend für den Wartungsbetrieb ist. Der Wert auf der Leitung 86 wird an einer Funktion 87 "Auswählen des kleineren Werts" verglichen mit dem Wert auf der Leitung 83, und der kleinere Wert wird dann als Signal "KW-Kapazität" auf die Leitung 88 gegeben. Man sieht also, dass unter normalen Betriebsbedingungen und -umständen das Signal KW-Kapazität einen Wert bis zu 200 KW annehmen kann, jedoch dann, wenn eine oder mehrere der anderen Bedingungen entstehen oder gegeben sind, der Bemessungswert eingeschränkt wird auf einen Wert zwischen 200 KW und 10 KW. Dies bedeutet dann die Energieerzeugungskapazität des Kraftwerks 18 zu diesem Zeitpunkt. Die verschiedenen Verteilungsparameter werden zumindest mit einer Häufigkeit von 0,5 Sekunden überwacht, so dass das Signal KW-Kapazität alle 0,5 Sekunden aktualisiert werden kann.
Wie weiter aus 2 hervorgeht, wird auf eine Leitung 90 ein Wert "Leistungseinstellung" gegeben (dieser ist in 3 unten mit 112 bezeichnet). Dieser Wert ist das Ergebnis des Gesamt-Leistungsstandsignals für ein einzelnes Kraftwerk (unten in Figur mit 97 bezeichnet). Diese Gesamtlieferung wird unter den mehreren Kraftwerken nach Maßgabe des in Verbindung mit 3 beschriebenen Algorithmus aufgeteilt, wobei das resultierende Signal "Leis tungsdarstellung" kennzeichnend ist für einen erwünschten oder Soll-Wert der Ausgangsleistung aus den einzelnen Kraftwerken 18. Dieser Gesamtleistungswert läßt sich von dem Energieversorgungssystem über den SCADA-Eingang 58 in das EÜS 29 eingeben und wird von dem in 3 dargestellten Algorithmus so konditioniert, dass der resultierende Wert "Leistungseinstellung" gebildet wird. Dieser Wert "Leistungseinstellung" auf der Leitung 90 wird mit dem KW-Kapazitäts-Wert auf der Leitung 88 von einer Funktion 91"Auswählen des kleineren Werts" verglichen, und der kleinere Wert von den beiden steht dann als Steuersignal DISPKW zur Verfügung, um den Wert der Leistung vorzugeben, der von dem betreffenden Kraftwerk 18 bereitgestellt wird. Das Ausgangssignal der Auswählfunktion 91 lässt sich über eine G/C-Rampenlogik 92 führen, so dass das Signal DISPKW auf der Leitung 93 sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ändert, um dadurch relativ sanfte Leistungsübergänge zu garantieren, insbesondere dann, wenn ein Übergang zwischen den G/C- und G/I-Betriebsarten stattfindet. Jedes Signal "KW-Kapazität" gelangt durch das PCS eines Kraftwerks und gelangt von einem Stromwandler innerhalb des PCS über die Leitung 36 an das LAS 34. Jedes Signal DISPKW auf der Leitung 93 stellt ein Befehlssignal dar, welches von der betreffenden PCC an ein zugehöriges PCS gesendet wird, um die KW-Ausgangsleistung des betreffenden Kraftwerks 18 zu regulieren.
3 zeigt ein verallgemeinertes funktionelles und schematische Blockdiagramm derjenigen, typischerweise in dem EÜS 29 enthaltenen Logik, welche die Leistungsstandbelastung der mehreren (1-n) Kraftwerke 18 bestimmt, wenn im G/C-Modus gearbeitet wird. Die Signale "KW-Kapazität" für/von jedem der n Brennstoffzellenkraftwerke 18 werden kumulativ als Eingangsgrößen an einen Summieren 94 gegeben, um ein Signal "Gesamt-KW-Kapazität" als Ausgangsgröße auf der Leitung 95 zu erhalten. Dieses Signal bedeutet die gesamte Leistungserzeugungskapazität des Energieversorgungssystems 8 zu jenem Augenblick. Das Signal "Gesamt-KW-Kapazität" gelangt als eine Eingangsgröße an eine Funktion 96 "Auswählen des kleineren Wertes", wobei das andere Eingangssignal das Signal "Netzleistungsstand" auf der Leitung 97 ist. Das Signal "Netzleistungsstand" läßt sich ableiten aus einem Anforderungssignal, welches über die SCADA-Leitung 58 von dem Versorgungssystem empfangen wird. Die Ausgangsgröße der Funktion 96 erscheint auf der Leitung 98 und entspricht dem Ist-Leistungsstand. Anders ausgedrückt: der Wert "Ist-Leistungsstand" ist der kleinere der beiden Eingangswerte und kann nie größer sein als der Wert "Gesamt-KW-Kapazität". Dann wird der Wert "Ist-Leistungsstand" ins Verhältnis gesetzt zu oder dividiert durch den Wert "Gesamt-KW-Kapazität", was in einem Divisionsblock 99 geschieht, um einen Ausgangswert auf der Leitung 100 zu erhalten. Für den Fall, dass der Wert "Netzleistungsstand" gleich oder größer ist als der Wert "Gesamt-KW-Kapazität", ist der Ausgangswert auf der Leitung 100 der Wert Eins, während dann, wenn der "Netzleistungsstand" kleiner ist, der Wert auf der Ausgangsleitung 100 ein Bruchteil kleiner als Eins ist. Dieser Wert auf der Leitung 100 läßt sich betrachten als Wichtungs- oder Bemessungsfaktor. Er wird auf jeweils einen Eingang von n Multiplizierblöcken 110 gegeben, die jeweils den Wert "KW-Kapazität" für das betreffende Kraftwerk an dem anderen Eingang empfangen. Die Produkte dieser Multiplikationen werden als Signal "Leistungseinstellung" auf Ausgangsleitungen 111 gegeben und als Wert "Leistungseinstellung" auf die Leitung 100 in 2 gegeben. Auf diese Weise wird das Anforderungssignal "Leistungseinstellung" für jedes Kraftwerk 18 (1–n) zu einem Verhältniswert in Bezug auf die KW-Kapazität des betreffenden Kraftwerks und kann niemals größer als dessen Kapazität werden. In solchen Fällen, in denen der Wert "Netzleistungsstand" gleich oder größer ist als der Wert "Gesamt-KW-Kapazität", wird jedes Kraftwerk bis zu seiner derzeitigen maximalen Kapazität belastet. Wenn hingegen das Verhältnis kleiner als der Wert Eins ist, so wird jedes Kraftwerk soweit belastet, wie es dem Verhältnisanteil der derzeitigen Kapazität entspricht. Eine Alternative zu dem in 3 dargestellten Algorithmus ist diejenige, bei der zunächst davon ausgegangen wird, dass sämtliche Kraftwerke gleiche Kapazität besitzen, so dass der Wert "Netzleistungsstand" durch die Anzahl von Brennstoffzellenkraftwerken (n) dividiert wird, um einen Anfangsbemessungswert "pro Kraftwerk" zu gewinnen. Die einschlägige Logik vergleicht dann das Signal "KW-Kapazität" für das erste Kraftwerk 18 (#1) mit dem Anfangs "pro-Kraftwerk"-Bemessungswert, und wenn ausreichende Kapazität vorhanden ist, wird der angeforderte Wert in das Leistungsbemessungsregister des Kraftwerks eingegeben. Das gleiche geschieht für die verbleibenden Brennstoffzellenkraftwerke (#2–n). Wenn ein spezielles Brenn stoffzellenkraftwerk 18 Einschränkungen unterliegt und nicht den vollen angeforderten "pro Kraftwerk"-Bereitstellungswert liefern kann, so wird dieses Kraftwerk mit der leistungsbeschränkten Kapazität belastet, und der Rest wird in einem Überlaufregister oder dergleichen abgespeichert. Sind sämtliche Brennstoffzellen 18 abgefragt und basierend auf ihren jeweiligen KW-Erzeugungskapazitäten belastet, so wird der akkumulierte und in dem Überlaufregister gespeicherte KW-Wert unter den Brennstoffzellen 18 mit restlicher oder Extra-Energieerzeugungskapazität verteilt, wozu die gleiche Logik verwendet wird, die oben beschrieben wurde. Dieser Prozess setzt sich iterativ solange fort, bis entweder die gesamte Beieitstellungsanforderung den Kraftwerken zugeordnet ist oder keine weitere Kapazität für die überschüssige Bereitstellungsanforderung verbleibt. Wenn letzteres eintritt, wird eine Alarmnachricht über die Leitung 58 an das Verteilerzentrum der Anlage gesendet, um zu signalisieren, dass die Leistungsanforderung die derzeitige Generatorkapazität des Einsatzorts übersteigt.
Während des Betriebs des auf den Einsatzort bezogenen Energieversorgungssystems 18 im G/C-Modus steht nicht nur die Gesamtkapazität der n Brennstoffzellenkraftwerke 18 zur Verfügung, um den Anforderungen der lokalen Verbraucherlasten 14 zu genügen, sondern es steht auch die nominell "unendliche" Resource des Energieversorgungsnetzes 10 zur Verfügung. Beim Betrieb im G/I-Modus allerdings entspricht die maximal verfügbare Leistung dem Wert "Gesamt-KW-Kapazität" 95 in 3. Wenn in diesem Fall der aktuelle Gesamt-Leistungsbedarf der kollektiven Lasten 14 (L₁, L₂, . . ., L_x) größer als der Wert "Gesamt-KW-Kapazität", weil Letzterer reduziert ist aufgrund von Leistungs-"Einschränkungen" seitens der Kraftwerke 18, so muss eine administrative Maßnahme ergriffen werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Verbraucherlasten 14 nach einem Prioritätsplan angeordnet oder gekennzeichnet. Im weitestgehend verfeinerten Fall besitzt jede der insgesamt X Lasten ihre eigene unterschiedliche relative Priorität. Alternativ lassen sich die Lasten 14 gruppieren, beispielsweise um Prioritäten mit hoher, mittlerer und geringer Priorität zu bilden.
Bei einer Ausführungsform wird die Gesamtleistungsanforderung für die Lasten 14, dargestellt durch das Signal 69 von dem Leistungsmessgerät 68, zu dem EÜS 29 geleitet, wo der Wert mit dem Signal "Gesamt-KW-Kapazität" 95 ( 3) verglichen wird, um zu sehen, ob es ausreichend Kapazität gibt, damit dem augenblicklichen Bedarf seitens der Lasten entsprochen werden kann. Gibt es ausreichend Kapazität, so wird dem Bedarf gemäß dem eingerichteten System-Lastverteilungsalgorithmus innerhalb des EVR 31 entsprochen. Wenn allerdings der Vergleich durch Subtraktion, Verhältnisbildung oder andere geeignete Mittel ergibt, dass der augenblickliche lastseitige Bedarf größer ist als die "Gesamt-KW-Kapazität", so entsteht ein "Lastabwurfzustand" oder Lastabschaltzustand. Dann wird entsprechend dem zuvor festgelegten Prioritätsplan gearbeitet, indem einzelne oder gruppenweise Lasten 14 (L₁, L₂, . . ., L_x) abgeschaltet (abgeworfen) werden durch selektives Betätigen (Öffnen) der betreffenden individuellen Last-Schaltschütze 13 (1, 2,. . ., X) mit Hilfe der Steuersignale, die durch die Leitung 70 zwischen dem LAS 34 und den Schaltschützen 30 dargestellt sind. Das LAS 34 verwendet dann im Verein mit dem EÜS 29 den Lasten-Prioritätsplan beim Betätigen (Öffnen) dieser Schaltschütze 13 in der Weise, wie es erforderlich ist, um Lasten geringerer Priorität abzuschalten, während die eher kritischen Lasten mit höherer Priorität angeschlossen bleiben. Bei einer solchen Konfiguration können die Lasten sequentiell gemäß Priorität durch einen iterativen Prozess "abgeworfen" werden, bis der Bedarf entsprechend dem Wert "Gesamt-KW-Kapazität" gedeckt werden kann. In einer anderen, verfeinerten Ausgestaltung kann der momentane Bedarf der zu jedem separaten Schaltschütz 13 (1, 2, . . ., X) gehörigen Last durch zugehörige Leistungsmessgeräte an jedem Schaltschütz ermittelt werden, um die Information dazu zu benutzen, gemäß dem Prioritätsplan zu berechnen, welche Lasten im Rahmen eines einzelnen Abtrennvorgangs abzuschalten sind. Natürlich besteht bei jeder Konfiguration die Notwendigkeit, diese Analyse- und Steuervorgänge im G/I-Modus zum Vermeiden von Überlastung kontinuierlich zu wiederholen, weil das Verbrauchsmuster sich in den Lasten 14 fortwährend ändert, wenn die Lasten von dem Verbraucher ein- und ausgeschaltet werden. Wenn der Leistungseinschränkungszustand beseitigt ist und/oder gewisse Lasten höherer Priorität entfernt oder "ausgeschaltet" sind, können einige oder sämtliche Lasten geringerer Priorität, die zuvor abgeschaltet wurden, wieder an die Versor gungsleitung 39 angeschlossen werden. Auf diese Weise werden die meisten kritischen Verbraucherlasten stets mit Energie versorgt.
Die in den 2 und 3 dargestellten logischen Funktionen lassen sich ebenso wie zahlreiche weitere logische Funktionen im Rahmen der Erfindung durch spezielle Logikschaltungen oder durch programmierbare Logikschaltungen realisieren, wobei letztere im Extremfall durch einen oder mehrere passend programmierte Rechner realisiert sind.
Zusammenfassung
Ein Einsatzort-Verwaltungssystem (11) ist für ein Generatorsystem (8) am Einsatzort in einem Energieversorgungsnetz (10) vorgesehen. Das Generatorsystem (8) enthält mehrere Brennstoffzellenkraftwerke (18) und eine oder mehrere Lasten (14) zur selektiven Verbindung/Trennung mit/von dem Netz (10). Das Einsatzort-Verwaltungssystem (11) arbeitet so, dass es die Kraftwerke (18) alternativ in einem netzgebundenen Modus und einem netzunabhängigen Modus integriert steuert. Die Anlage ist imstande, die mehreren Kraftwerke (18) an dem Einsatzort als einzelnes vereintes, dezentrales Betriebsmittel an dem Netz (10) zu sehen und zu behandeln. Das Einsatzort-Verwaltungssystem (11) liefert Signale, die repräsentativ sind für die derzeitige Leistungsfähigkeit (KW-Kapazität-88) jedes der Kraftwerke (18), außerdem ein Signal (Gesamt-KW-Kapazität-95), das repräsentativ ist für die derzeitige Gesamtleistungsfähigkeit an dem Einsatzort. Diese Leistungsdarstellungen dienen zur passenden Zuordnung von Leistungbereitstellungs-Belastungen für die jeweiligen Brennstoffzellen (18) im netzgebundenen Modus und im netzunabhängigen Modus. Das Einsatzort-Verwaltungssystem (11) hat auch die Funktion im netzunabhängigen Modus, den derzeitigen Bedarf seitens der Lasten (14) zu überwachen und nötigenfalls Lasten (14) nach einem vorbestimmten Plan abzuschalten.
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Claims

Mittels Brennstoffzellen angetriebenes Generatorsystem (8) an einem Einsatzort zur Einbeziehung als dezentrales Generator-Betriebsmittel in ein dezentrales Energieversorgungsnetz (10), umfassend: a. mehrere Brennstoffzellenkraftwerke (18 _1–n) am Einsatzort; b. mindestens eine elektrische Last (14), die sich im wesentlichen am Einsatzort befindet; und c. ein Einsatzortverwaltungssystem (11), das betrieblich mit jedem der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18 _1–n), der mindestens einen Last (14) und dem Energieversorgungsnetz (10) verbunden ist, um die mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18 _1–n) in integrierter Weise alternativ in einer der folgenden Betriebsarten zu steuern: i. einer netzgebundenen Betriebsart, in der die Brennstoffzellenkraftwerke (18) an mindestens eine Last (14) und an das Energieversorgungsnetz (10) angeschlossen sind, und ii. einer netzunabhängigen Betriebsart, in der die Brennstoffzellenkraftwerke (18) unabhängig von der Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz (10) an mindestens eine Last (14) angeschlossen sind.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 1, bei dem jedes Brennstoffzellenkraftwerk (18) eine Brennstoffzelle und zugehörige Subsysteme (B.Z.) zum Erzeugen von Energie, eine Kraftwerksteuerung (PPC) zum Steuern und Überwachen des Zustands der Brennstoffzelle und von Unterstützungs-Subsystemen (B.Z.), und ein Leistungskonditioniersystem (PCS) zum Konditionieren der von den Brennstoffzellen an die Lasten gegebenen Leistung aufweist, wobei die Kraftwerksteuerung (PPC) weiterhin ein Signalverarbeitungslogik (77, 79, 81, 85, 87) enthält, die auf Signale betreffend den überwachten Zustand der Brennstoffzelle und der Unterstützungs-Subsysteme (B.Z.) anspricht, um ein Signal (KW-Kapazität-88), das repräsentativ ist für die momentane Leistungsabgabekapazität des betreffenden Brennstoffzellenkraftwerks (18), bereitzustellen, und wobei das Einsatzortverwaltungssystem (11, 94) auf die momentanen Ausgangsleistungs-Kapazitätssignale (KW-Kapazität-88) von jedem der Brennstoffzellenkraftwerke (18 _1–n) anspricht, um ein Signal (Gesamt- KW-Kapazität-95) zu liefern, das repräsentativ ist für die gesamte momentane Leistungsabgabekapazität der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18 _1–n).
Generatorsystem (8) nach Anspruch 2, weiterhin enthaltend: ein von dem Energieversorgungsnetz empfangenes Energieversorgungs- Leistungsstandsignal (58, 97), wobei das Einsatzortverwaltungssystem (11) eine Signalverarbeitungseinrichtung (96, 97, 110) aufweist, die auf das Energieversorgungs-Leistungsstandsignal (58, 97) und das Gesamt-KW-Kapazitäts-Signal (95) anspricht, um das kleinere dieser Signale auszuwählen und ein Ist-Leistungsstand-Signal (98) bereitzustellen, um dieses Ist-Leistungsstandsignal (98) zu vergleichen mit dem Gesamt-KW-Kapazitäts-Signal (95), um ein bewertetes Leistungsstandsignal (100) zu liefern, und auf dieses bewertete Leistungsstandsignal (100) und die KW-Kapazitäts-Signale (88) von jedem der einzelnen Brennstoffzellenkraftwerke (18) anzusprechen und zugehörige Leistungseinstellungs-Steuersignale (112, 90) zum Steuern der Bereitstellungsleistung für jedes Brennstoffzellenkraftwerk (18 _1–n) zu bilden.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 3, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (96, 97, 110) des Einsatzortverwaltungssystems (11) das mathematische Produkt des bewerteten Leistungsstandsignals (100) und jedes der KW-Kapazität-Signale (88) von jedem der einzelnen Brennstoffzellenkraftwerke (18) bestimmt, um jedes der einzelnen Leistungseinstellungs-Steuersignale (112, 90) zu bilden.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein vom Energieversorgungsnetz empfangenes Netzleistungsstandsignal (58, 97), wobei jedes Brennstoffzellenkraftwerk (18) eine Brennstoffzelle und dazugehörige Subsysteme (B.Z.) zum Erzeugen von Leistung enthält, weiterhin eine Kraftwerkssteuerung (PPC) zum Steuern und zum Überwachen des Zustands der Brennstoffzelle und von Unterstützungs-Subsystemen (P.C.), und ein Leistungskonditioniersystem (PCS) zum Konditionieren der von den Brennstoffzellen an die Lasten gelieferten Leistung, wobei die Kraftwerksteuerung (PPC) weiterhin eine Signalverarbeitungslogik (77, 79, 81, 85, 87) enthält, die auf Signale anspricht, die kennzeichnend sind für den überwachten Zustand der Brennstoffzelle und der Unterstützungs-Subsysteme (B.Z.), um ein Signal (KW-Kapazität-88), welches repräsentativ ist für die momentane Leistungsabgabekapazität des betreffenden Brennstoffzellenkraftwerks (18), zu liefern, und wobei das Einsatzortverwaltungssystem (11) eine Signalverarbeitungseinrichtung enthält, um das Netzleistungsstandsignal (58, 97) zu dividieren durch die Mehrfachanzahl der Brennstoftzellenkraftwerke (18), und so einen Anfangs-Bemessungssignalwert pro Kraftwerk zu erhalten, um das KW-Kapazitäts-Signal (88) für ein Anfangs-Brennstoffzellenkraftwerk (18) zu vergleichen mit dem Bereitstellungssignalwert pro Kraftwerk und diesem Kraftwerk möglichst viel von dem Bereitstellungssignalwert pro Kraftwerk zuzuordnen, wie es das zugehörige KW-Kapazitäts-Signal (88) zulässt, um einen möglichen Restwert in einem Überlaufspeicher abzuspeichern, um in ähnlicher Weise jedem weiteren einzelnen der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18) gemäß Vergleich möglichst viel von dem Bemessungssignalwert pro Kraftwerk zuzuordnen, wie es das zugehörige KW-Kapazitäts-Signal (88) erlaubt, und um einen möglichen Restwert abzuspeichern, und um iterativ die vorgenannten Funktionen zu wiederholen und auf diese Weise jeden möglichen Restwert zuzuordnen, der in dem Überlaufspeicher verbleibt.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 2, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem (11) einen Leistungsmonitor (68) zur Bildung eines Signals (69) enthält, welches repräsentativ ist für den Gesamtleistungsbedarf der angeschlossenen Lasten (14 _L1–Lx), weiterhin eine Signalverarbeitungslogik (34, 39) aufweist, um das Gesamtleistungsbedarfsignal (69) mit dem Gesamt-KW-Kapazitäts-Signal (95) zu vergleichen und, falls und in dem Ausmaß, bis zu dem der Gesamtleistungsbedarf die Gesamt-KW-Kapazität überschreitet eine oder mehrere Lasten (14 _L1–Lx) gemäß einem vorbestimmten Plan abzuschalten.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 6, bei dem jede der mehreren Lasten (14 _L1–Lx) an die Brennstoffzellenkraftwerke (18) über einzelne, selektiv gesteuerte Schaltschütze (13 _L1–Lx) angeschlossen ist, und das Abschalten von einem oder von mehreren der Lasten dadurch erfolgt, dass betreffende einzelne Schaltschütze (13 _L1–Lx) selektiv geöffnet werden.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 1, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem (11) so verschaltet ist, dass es von dem entfernten Energieversorgungsnetz über eine Nachrichtenverbindung (58, 62, 64, 61), die zwischen dem Einsatzortverwaltungssystem (11) und dem Energieversorgungsnetz verläuft, Bemessungssignale empfängt und Statussignale an das entfernte Energieversorgungsnetz liefert.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 8, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem eine Verwaltungsort-Überwachungssteuerung (29) enthält, um die integrierte Steuerung der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18) vorzunehmen und die Steuerungsschnittstelle bezüglich des Energieversorgungsnetzes zu bilden.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 9, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem (11) eine Einrichtung (60) enthält, die betrieblich mit der Einsatzort-Überwachungssteuerung (29) verbunden ist, um von Hand den Betrieb des Generatorsystems (8) entweder in einem lokalen Betriebsmodus, in welchem die mehreren Kraftwerke (18) individuell gesteuert werden, oder in einem Überwachungs-Betriebsmodus, in welchem die mehreren Kraftwerke (18) in vereinter Weise betrieben werden, auszuwählen.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 1, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem (11) eine Einsatzort-Überwachungssteuerung (29) zum Bewirken der integrierten Steuerung mehrere Brennstoffzellenkraftwerke (18) aufweist, weiterhin eine Lastabwurfsteuerung (34), die so verschaltet (38, 70) ist, dass sie mit der Einsatzort-Überwachungssteuerung (29) und den Lasten (14, 13) interagiert, um den Lastabwurf zu steuern, und eine Einsatzort-Verwaltungssteuerung (31), die an jedes der Brennstoffzellenkraftwerke (18) angeschlossen ist, um die von den Kraftwerken (18) an die Lasten (14) gelieferte Leistung zu steuern.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 2, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem (11) eine Einsatzort-Überwachungssteuerung (29) aufweist, um ansprechend auf ein von dem Energieversorgungsnetz kommendes Leis tungsstandsignal die Leistungbereitstellungsbelastung für die Brennstoffzellenkraftwerke (18) in integrierter Weise einzurichten, wenn im netzgebundenen Modus gearbeitet wird, eine Lastabwurfsteuerung (34) aufweist, die so verschaltet ist (38, 70) dass sie mit der Einsatzort-Überwachungssteuerung (29) und den Lasten (14, 13) interagiert, und eine Einsatzort-Verwaltungssteuerung (31) aufweist, die an die Leistungskonditioniersysteme jedes der betreffenden Brennstoffzellenkraftwerke (18) angeschlossen ist, um den Übergang jedes der Brennstoffzellenkraftwerke (18) vom Betrieb im netzgebundenen Modus in den netzunabhängigen Modus, und umgekehrt, zu steuern.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 12, bei dem das Einsatzortverwaltungssystem (11) weiterhin eine statische Hochgeschwindigkeits-Schalteinrichtung (12) aufweist, die an das Energieversorgungsnetz (10), die Brennstoffzellenkraftwerke (18, 15) und an die Lasten (14, 13, 39) angeschlossen ist, um die Lasten (14) und die Brennstoffzellenkraftwerke (18) rasch von dem Energieversorgungsnetz (10) zu trennen und einen Übergang zu vollziehen von dem netzgebundenen Modus in den netzunabhängigen Betriebsmodus.
Generatorsystem (8) nach Anspruch 2, bei dem Anfangs-Leistungsbemessungssignale (KW-Bemessung-76), die repräsentativ sind für eine Grundleistungskapazität, für jedes der mehreren Brennstoffzellenkraftwerke (18 _1–n) geliefert wird, und die Signalverarbeitungslogik (77, 79) auf den überwachten Zustand jeder der einzelnen Brennstoffzellen und Unterstützungs-Subsysteme (B.Z._1–n) anspricht, um die Grundleistungskapazität (KW-Bemessung-76) des betreffenden Kraftwerks (18) um einen vorbestimmten Betrag gemäß dem überwachten Zustand zu vermindern und so den zugehörigen momentanen Leistungsabgabekapazität-Signalwert (KW-Kapazität-88) zu bilden.