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Hybrid-Systeme

Hybrid-Syteme, einpasig, dreiphasig

Hauptmerkmal eines Hybrid-Systems ist die Nutzung von zwei oder mehreren unterschiedlichen Stromquellen.

Neben der Sonnenenergie wird bei Photovoltaik-Hybrid-Systemen in der Regel ein Dieselgenerator, eine Windkraftanlage oder das öffentliche Netz als weitere Stromquelle genutzt. Die in Hybrid-Systemen verwendeten Wechselrichter mit integrierten Batterieladern versorgen die angeschlossenen Wechselstromverbraucher je nach Bedarf aus der solargespeisten Batteriebank oder der zweiten Stromquelle. Auch ein Nachladen der Batterie aus der Zusatzquelle ist über diese Geräte möglich.

Photovoltaische Hybrid-Systeme bieten den Vorteil, dass der Solargenerator für einstrahlungsärmere Zeiten nicht deutlich überdimensioniert werden muss. Dies spart erhebliche Kosten. Im System wird stets vorrangig die vom Modul zur Verfügung gestellte Energie verwendet. In Kombination mit einer steuerbaren zweiten Quelle steht die Energieversorgung zuverlässig rund um die Uhr und zu jeder Jahreszeit zur Verfügung.



Einphasige DC-Hybrid-Systeme

Das zentrale, intelligente Element innerhalb des Systems ist der Solarladeregler Steca Tarom bzw. Steca Power Tarom (B): er regelt den Energiefluss und schützt die Batterie vor kritischen Zuständen. Steca Tarom / Power Tarom wird ebenso wie der DC-Bus direkt mit der Batterie verbunden. Über einen Shunt, den Steca PA HS200 (E), der sich in der Minusleitung direkt an der Batterie befindet, wird der Batteriestrom erfasst und zum Steca Tarom / Power Tarom (B) übermittelt. Weitere Komponenten wie z. B. Wechselrichter oder die Fernsteuerung Steca PA 15 werden direkt an den DC-Bus angeschlossen. Um bei Unterschreiten einer einstellbaren Schwelle des Ladezustands der Batterie (SOC : State of Charge) automatisch den Dieselgenerator (G) zu starten, wird der Ausgang des Steca PA 15 mit einem Relais verbunden. Der Arbeitskontakt des Relais schaltet den Dieselgenerator potentialfrei zu und auch wieder ab.

Steca Tarom / Power Tarom regelt das DC-Hybrid-System. Der Stromsensor Steca PA HS200 (E) überträgt alle Informationen über die Lade- und Entladeströme am DC-Bus zum Steca Tarom / Power Tarom. Mit Hilfe dieser Daten ist der Regler in der Lage, den tatsächlichen Ladezustand der Batterie zu berechnen. Diese Information wird über die DC-Verkabelung (Powerline-Modulation) an alle angeschlossenen Steca PA 15 übertragen. Jeder Steca PA 15 kann unabhängig auf eine bestimmte Zu- und Abschaltschwelle des Ladezustands konfiguriert werden.

Wenn im Beispiel oben der Wechselrichter die Batterie entlädt, wird diese Information zum Steca Tarom / Power Tarom übertragen, der den Ladezustand berechnet. Sobald der Ladezustand unter den eingestellten Wert des angeschlossenen Steca PA 15 fällt (z. B. 30%), schaltet dieser über ein Relais den Dieselgenerator ein. Die Last wird nun vom Generator (G) direkt versorgt und die Batterie wird gleichzeitig nachgeladen. Nachdem der Ladezustand den am Steca PA 15 eingestellten oberen Wert erreicht hat (z. B. 90%), wird der Dieselgenerator wieder abgeschaltet.

Um ein automatisches Energiemanagement zu realisieren, wird der AC-Ausgang des Dieselgenerators mit dem AC-Eingang des Wechselrichters (mit integriertem Batterielader) verbunden. Die Last wird immer am Ausgang des Wechselrichtersangeschlossen. Läuft nun der Dieselgenerator und liegt die Spannung am Wechselrichter an, schaltet der Wechselrichter automatisch auf Transfermode um. Die Verbraucher werden vom Dieselgenerator versorgt während die Batterie über den Wechselrichter nachlädt. Fällt die AC-Ausgangsspannung des Dieselgenerators unter eine am Wechselrichter einstellbare Spannung, so wird automatisch wieder auf Batteriebetrieb umgestellt.

Dieses System ermöglicht ein automatisches Energiemanagement, das die vorhandene Solarenergie optimal nutzt, die Batterie zuverlässig pflegt und die Stromversorgung rund um die Uhr sicherstellt.



Dreiphasige DC Hybridsysteme Systemgrafik DE 640px web.jpg

Dreiphasige DC-Hybrid-Systeme

Das Regelkonzept ist ähnlich wie beim einphasigen System. Werden mehr als ein Steca Tarom / Power Tarom eingesetzt, so muss ein Gerät als Master Tarom definiert werden. Alle anderen Laderegler sind dann automatisch Slave Taroms. Der Master Tarom / Power Tarom ist direkt an die Batterie angeschlossen und alle Slaves sind mit dem DC -Bus verbunden. Lediglich der Master Tarom / Power Tarom zeigt den korrekten Ladezustand am Display an und regelt den Energiefluss innerhalb des Systems. Slave Taroms / Power Taroms haben die Funktion, die Ladung aus den angeschlossenen PV-Modulen zu regeln.

Um eine dreiphasige Energieversorgung aufzubauen, werden drei Wechselrichter an den DC-Bus angeschlossen. Zur gesteuerten Nachladung der Batterie über Steca PA 15 und Relais können an die drei Wechselrichter unterschiedliche dreiphasige Generatoren angeschlossen werden. Dies können Wind- oder Wassergeneratoren, Dieselgeneratoren oder das öffentliche Netz sein. Als Wechselrichter mit integriertem Batterielader im Dreiphasen-Modus eignen sich alle Steca Xtender-Geräte (XTS, XTM , XTH ). Insgesamt können maximal 72 kW zur Verfügung gestellt werden.

Sowohl ein- als auch dreiphasige Hybrid-Systemkonzepte basieren auf demselben Energiemanagement. Mit Hilfe des Steca PA HS200-Stromsensors werden die Lade- und Entladeströme der Komponenten, wie z. B. Slave Taroms / Power Taroms, Wechselrichter usw. ermittelt und dem Master Tarom / Power Tarom übermittelt. Basierend auf dem errechneten Ladezustand der Batterie, schaltet der Steca PA 15 den zusätzlichen Generator ein und aus. Die drei einphasigen Wechselrichter schalten bei Unterschreiten einer festgelegten Spannungsschwelle ab, um die Batterie vor Tiefentladung zu schützen.

Einphasige und dreiphasige AC-Hybrid-Systeme

Bei sehr großem Lastbedarf können AC-gekoppelte Hybrid-Systeme eine sinnvolle Alternative zu den sehr effektiven und kostengünstig realisierbaren DC-Hybrid-Systemen sein. Wenn der größte Teil des Verbrauchs auf der AC-Seite (l) während des Tages benötigt wird zeigt diese Topologie Vorteile. Mit den Steca Netz- und Sinus-Wechselrichtern (B und C) können Steca AC-Hybrid-Systeme aufgebaut werden.

Verschiedene Generatoren (A und F) werden auf dem AC-Bus gekoppelt. Weiterhin kommt ein bi-direktionaler Sinus-Wechselrichter (C) zum Einsatz, über den die Batterien geladen werden und die Last versorgt werden kann, wenn nicht genügend Leistung von den AC-Generatoren (A und F) zur Verfügung steht. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Solargeneratoren über einen Steca Solarladeregler (D) direkt an die Batterien (H) auf der DC-Seite zu koppeln.

Sollte nicht genügend Energie im System verfügbar sein um die Last zu versorgen, kann ein Dieselgenerator (G) automatisch gestartet werden. Läuft der Dieselgenerator, muss sichergestellt sein, dass alle Netz-Wechselrichter (B) vom Netz getrennt sind. Dies ist notwendig, um zu verhindern, dass die Netzwechselrichter (B) bei voller Batterie zurück in den Dieselgenerator einspeisen und diesen dadurch zerstören. Sobald der Dieselgenerator abgeschaltet ist, können die Netz-Wechselrichter (B) wieder automatisch ans Netz zugeschaltet werden. Die Lasten werden dann wieder von den PV-Generatoren (A) über die Netzwechselrichter (B) versorgt.

Die Batterie-Wechselrichter Steca Xtender (C) bilden dabei das Netz, auf das die Netz-Wechselrichter (B) einspeisen und von dem die Lasten (L) versorgt werden. Erzeugen die PV-Generatoren (A) eine höhere leistung als die Lasten (L) abnehmen, laden die Batterie-Wechselrichter (C) mit der überschüssigen Stromdifferenz die Batterien (H).

Steca Droop-Modus
Haben die Batterien (H) die Ladeschlussspannung erreicht, können sie diese Stromdifferenz nicht mehr vollständig aufnehmen. Dann steht mehr Leistung im System zur Verfügung als verwendet werden kann. Die Batterie-Wechselrichter (C) aktivieren dann den Steca Droop-Modus.

Die StecaGrid 3000/3600 Netz-Wechselrichter sind mit dem Droop-Modus speziell auf die Anforderungen von AC-gekoppelten Hybrid-Systemen abgestimmt und arbeiten optimal mit den Steca Xtender Batterie-Wechselrichtern (C) zusammen. Diese erhöhen die Frequenz des AC-Netzes linear in Abhängigkeit der Überschlussleistung der Netz-Wechselrichter. Je mehr Überschluss zur Verfügung steht, desto höher die Netzfrequenz. Die Netz-Wechselrichter begrenzen dann die Einspeiseleistung auf exakt die Einspeiseleistung, die die Lasten (L) vollständig versorgt und die Batterien (H) auf der Ladeschlussspannung hält. Damit stellen sie eine ausgeglichene Leistungsbilanz im Hybrid-System her. Ändert sich die größe der Lasten, passen die Netz-Wechselrichter sofort ihre Einspeiseleistung an und gleichen die Leistungsbilanz permanent aus, sodass die Batterien (H) optimal
vollgeladen werden können. Sobald die überschüssige Leistung der Netz-Wechselrichter zurückgeht, reduziert der Batterie-Wechselrichter (C) die Netzfrequenz wieder, bis die übliche Netzfrequenz bei ausgeglichener Leistungsbilanz erreicht ist. Steht nicht genügend Leistung von den Netzwechselrichtern (B) zur Versorgung der Lasten (L) zur Verfügung, kommt die notwendige Differenz von den Batterie-Wechselrichtern (C) aus den Batterien.

Bei sehr großen Leistungen kann ein solches Steca AC-Hybrid-System auch dreiphasig aufgebaut werden, um entsprechende Lasten direkt zu versorgen. Dabei speisen die StecaGrid Netz-Wechselrichter (B) auf der AC-Seite direkt dreiphasig ein.

Die benötigten bi-direktionalen Steca Sinus-Wechselrichter Steca Xtender (C) können sowohl im einphasigen als auch im dreiphasigen Fall eingesetzt werden. Pro Phase können bis zu drei Geräte parallel geschaltet werden. In Summe stehen also maximal 24 kW pro Phase zur Verfügung. Im dreiphasigen Betrieb also 72 kW. Dieselgeneratoren (G) können bis zu einer Größenordnung von ca. 100 kW, Netzwechselrichter (B) bis maximal 70 kW eingesetzt werden. So können Lasten von bis zu 70 kW versorgt werden. Die Leistung der Netz-Wechselrichter pro Phase darf die Nennleistung des/der Steca Xtender auf dieser Phase nicht überschreiten.



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