Technische Umsetzung des solarbetriebenen Induktionsschmelzens: Leistungsglättung und Netzintegration
Solarbetriebenes Induktionsschmelzen ist technisch machbar, da Induktionsöfen variable Leistungszufuhr tolerieren. Die Umsetzung erfordert jedoch besondere Aufmerksamkeit für die Leistungselektronik, das Steuerungssystem und die Netzanbindung. Die Leistung der Photovoltaikanlage variiert mit dem Sonnenstand, der Bewölkung und der Temperatur, während die Ofenlast vom Schmelzstadium abhängt. Leistungselektronik und Steuerungssystem müssen diese beiden variablen Energiequellen und Lasten in Echtzeit aufeinander abstimmen. Dieser Artikel beschreibt die technische Umsetzung und die wichtigsten Konstruktionsentscheidungen.
Architektur der Leistungselektronik
Die Leistungselektronikarchitektur eines solarbetriebenen Induktionsschmelzsystems besteht aus drei Hauptkomponenten: dem PV-Wechselrichter, dem bidirektionalen Wechselrichter des Batteriespeichersystems (BESS) und dem Wechselrichter des Induktionsofens. Jeder Wechselrichter hat eine spezifische Funktion, und die Koordination zwischen ihnen ist von entscheidender Bedeutung.
PV-Wechselrichter: Sie wandeln den Gleichstrom der PV-Anlage in Wechselstrom mit der Netzfrequenz um. Moderne PV-Wechselrichter verfügen über Maximum Power Point Tracking (MPPT), das den Arbeitspunkt der PV-Anlage anpasst, um die Energieausbeute zu maximieren. Typischerweise sind PV-Wechselrichter zentral mit einem einzigen MPPT für die gesamte Anlage oder als String-Systeme mit mehreren MPPTs für verschiedene Teilanlagen ausgeführt.
Der bidirektionale Wechselrichter des Batteriespeichersystems (BESS) wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom mit Netzfrequenz um und umgekehrt. Er wandelt den Wechselstrom aus dem Netz oder vom PV-Wechselrichter in Gleichstrom um, um die Batterie zu laden. Der bidirektionale Wechselrichter überwacht den Ladezustand der Batterie, die Lade- und Entladeraten sowie den Zellenausgleich. Im Netzbetrieb stellt der BESS-Wechselrichter zudem Netzdienstleistungen bereit (Frequenzregelung, Spannungsstützung).
Induktionsofen-Wechselrichter: Er wandelt den Netzwechselstrom in Mittelfrequenz (150 Hz bis 10 kHz) für die Induktionsspule um. Der Wechselrichter ist in Standard-Halbleitertechnik mit IGBT- oder Thyristorschaltern ausgeführt. Die Ausgangsleistung wird vom Ofenleitsystem anhand des Temperatursollwerts und des Schmelzzustands geregelt.
Die drei Wechselrichter sind an einen gemeinsamen Wechselstrombus mit Netzfrequenz angeschlossen. Busspannung und -frequenz werden vom Mikronetzregler gesteuert. Dieser überwacht die Leistungsflüsse im Bus, den Ladezustand der Batterie und den Energiebedarf der Heizung und passt die Sollwerte der PV-Wechselrichter, der BESS-Wechselrichter sowie gegebenenfalls die Netzeinspeisung/-einspeisung an, um das System auszugleichen.
Leistungsglättung und Rampenratensteuerung
Die Leistung von Photovoltaikanlagen kann sich aufgrund von Bewölkung rapide ändern. Eine vorbeiziehende Wolke kann die PV-Leistung innerhalb weniger Sekunden um 50 bis 80 Prozent reduzieren, und nach dem Abzug der Wolke erholt sie sich in ähnlicher Zeit wieder. Der Induktionsofen verträgt solche schnellen Änderungen nicht, daher muss das Batteriespeichersystem (BESS) die PV-Leistung glätten, um eine stabile Ofenleistung zu gewährleisten.
Der Glättungsalgorithmus des Batteriespeichersystems (BESS) arbeitet im Sekundentakt. Er vergleicht die tatsächliche PV-Leistung mit einem Zielwert (typischerweise ein gleitender Durchschnitt über 30 bis 60 Sekunden) und passt die Ladung oder Entladung des BESS an, um die kombinierte PV- und BESS-Leistung nahe am Zielwert zu halten. Die Glättung reduziert die Anstiegsrate von 10 bis 30 Prozent pro Sekunde (unbearbeitete PV-Leistung) auf 1 bis 3 Prozent pro Sekunde (geglättet).
Bei größeren Wolken verwendet der Glättungsalgorithmus einen längeren gleitenden Durchschnitt (5 bis 15 Minuten), und das Batteriespeichersystem (BESS) ist so dimensioniert, dass es 15 bis 30 Minuten lang Volllastleistung bereitstellen kann. Dies ist die Standarddimensionierung für netzgekoppelte Solaranlagen mit Speicher und stellt sicher, dass das BESS genügend Energie bereitstellt, um die meisten Wolkenereignisse zu überbrücken.
Modifikationen der Induktionsofensteuerung
Das Standard-Steuerungssystem für Induktionsöfen geht von einer konstanten Stromzufuhr aus dem Netz aus. Für den Betrieb mit Solarenergie muss das Steuerungssystem so angepasst werden, dass es einen variablen Leistungssollwert basierend auf der verfügbaren Solar- und Speicherleistung akzeptiert.
Die Modifikation besteht in einer Softwareänderung der Ofen-SPS. Die SPS empfängt einen Leistungssollwert vom Mikronetzregler und passt die Brennleistung entsprechend an. Sie meldet außerdem die tatsächliche Leistungsaufnahme an den Mikronetzregler, der diese Information zur Aktualisierung der BESS-Anforderungen und des PV-Wechselrichter-Sollwerts verwendet.
Der Regelkreis weist einige Sonderfälle auf. Während der Kaltbeladung zieht der Ofen nahezu 100 % seiner Nennleistung, und der Mikronetzregler muss sicherstellen, dass das Batteriespeichersystem (BESS) über ausreichend Energie verfügt, um die Volllast zu versorgen. Während der Wärmebehandlung zieht der Ofen 50 bis 70 % seiner Nennleistung, und der Regler kann das BESS mit dem überschüssigen PV-Strom laden. Im Leerlauf zieht der Ofen 20 bis 30 % seiner Nennleistung (nur zum Aufrechterhalten des Wasserbads), und der Regler kann das BESS vollständig laden.
Die SPS verfügt über einen minimalen Leistungssollwert, unterhalb dessen der Ofen abschaltet. Dieser Wert liegt typischerweise bei 30 bis 40 Prozent der Nennleistung, und der Mikronetzregler muss diesen Grenzwert einhalten. Fällt die PV-Leistung unter den Mindestwert, wird der Batteriespeicher mit maximaler Leistung entladen, um den Ofenbetrieb aufrechtzuerhalten. Ist der Batteriespeicher leer, schaltet sich der Ofen ab und die Last wird (sofern angeschlossen) vom Stromnetz versorgt.
Netzintegration
Die meisten solarbetriebenen Induktionsschmelzanlagen verfügen über einen Netzanschluss als Backup. Dieser Netzanschluss liefert Strom, wenn die Solarenergie nicht ausreicht (bewölkte Tage, Nacht, Winter), und ermöglicht es dem Batteriespeichersystem, überschüssige Energie abzugeben, wenn der Ofen nicht in Betrieb ist.
Der Netzanschluss kann in verschiedenen Standardkonfigurationen erfolgen. Am häufigsten ist die netzgekoppelte Konfiguration, bei der sowohl das Solar-Speicher-System als auch das Stromnetz den Heizkessel speisen und der Mikronetz-Controller die Leistungsflüsse steuert. In dieser Konfiguration dient das Stromnetz als Backup, und das System kann überschüssige Energie ins Netz einspeisen, sofern der örtliche Energieversorger dies zulässt.
Eine zweite Konfiguration ist die netzbildende Konfiguration, bei der das Solar-Plus-Speicher-System das lokale Stromnetz bildet und das öffentliche Stromnetz als Backup dient. In dieser Konfiguration kann das System dauerhaft netzunabhängig betrieben werden, und das öffentliche Stromnetz wird nur dann zugeschaltet, wenn der Batteriespeicher (BESS) entladen ist und die PV-Leistung nicht ausreicht. Die netzbildende Konfiguration ist komplexer und teurer, aber für Standorte erforderlich, die eine hundertprozentige Stromversorgungsverfügbarkeit benötigen.
Eine dritte Konfiguration ist eine Hybridkonfiguration mit mehreren Energiequellen: Solar, Wind, Diesel und Netzstrom. Der Mikronetz-Controller wählt zuerst die kostengünstigste Quelle aus; teurere Quellen kommen erst zum Einsatz, wenn die günstigeren nicht ausreichen. Diese Hybridkonfiguration ist in abgelegenen Bergbau- und Öl- und Gasförderanlagen weit verbreitet, wo der Netzausbau zu teuer und Dieselkraftstoff zu teuer ist.
Sicherheit und Schutz
Für das solarbetriebene Induktionsschmelzen gelten dieselben Sicherheitsanforderungen wie für das netzbetriebene Induktionsschmelzen, darüber hinaus sind einige zusätzliche Aspekte zu berücksichtigen. Die wichtigsten sind:
DC-Lichtbogenschutz: Die PV-Anlage arbeitet mit hoher Gleichspannung (600 bis 1500 V). Ein Lichtbogenfehler kann die PV-Kabel oder den Wechselrichter entzünden. Das Schutzsystem verwendet Fehlerstromschutzschalter (AFCI) an jedem Strang. Der Wechselrichter verfügt über eine Schnellabschaltfunktion, die die Gleichspannung innerhalb von 30 Sekunden nach Auftreten eines Fehlers auf unter 30 V absinken lässt.
BESS-Brandschutz: LFP-Batterien sind zwar weniger anfällig für thermisches Durchgehen als NMC-Batterien, das Risiko ist jedoch nicht gleich null. Das Schutzsystem nutzt Gas-, Rauch- und Wärmeüberwachung, um ein thermisches Durchgehen zu erkennen. Die Feuerlöschanlage verwendet ein sauberes Löschmittel (Novec 1230 oder FM-200), um den Brand zu löschen, ohne die Batterien zu beschädigen.
Schutz vor Inselbetrieb: Im Inselbetrieb muss die Netzverbindung getrennt werden, um eine Rückspeisung ins öffentliche Netz zu verhindern. Der Inselbetriebsschutz überwacht Netzspannung und -frequenz und unterbricht die Netzverbindung innerhalb von zwei Sekunden nach einem Netzausfall. Dieser Schutz ist in den meisten Netzanschlussvorschriften vorgeschrieben und unerlässlich für die Sicherheit der Mitarbeiter des Energieversorgungsunternehmens.
Erdung: Die PV-Anlage, das Batteriespeichersystem und der Ofen sind alle an eine gemeinsame Erdungsschiene angeschlossen, die wiederum mit der Gebäudeerdung verbunden ist. Die Erdung ist entscheidend für die Sicherheit der Bediener und den Schutz der Anlagen.
Sprechen Sie mit MONTE INTELLIGENCE über die technische Umsetzung
Für Käufer, die eine solarbetriebene Induktionsschmelzanlage in Betracht ziehen, kann MONTE INTELLIGENCE Engineering die Leistungselektronikarchitektur, das Steuerungssystem und die Sicherheitssysteme für einen spezifischen Standort und ein individuelles Betriebsprofil entwickeln. Die Planung umfasst die Dimensionierung des PV-Wechselrichters, des Batteriespeichersystems, die Anpassung der Ofensteuerung und die Netzanbindung. Besuchen Sie uns.www.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html Produktspezifikationen finden Sie hier. Für eine technische Beratung senden Sie bitte eine E-Mail an helenxu@cnlymonte.com mit dem Betreff „Technische Daten zur Solarinduktion“ und Angaben zu Ihrer Ofengröße, Betriebsstunden und Netzanschluss.
