Echtzeitsimulation und Netzintegration einer Mikrogasturbine

In dieser Arbeit wurde eine Versuchsumgebung für eine kommerzielle Mikrogasturbine erstellt. Mit der Umgebung wurde die Einbindung einer realen Mikrogasturbine in einen virtuellen Haushalt analysiert. Die Einbindung erfolgte mittels Echtzeitsimulationssystem.
Darüber hinaus wurden im Rahmen dieser Arbeit Simulationsmodelle der Mikrogasturbine und des Haushalts implementiert. Das Ziel war die Untersuchung der Machbarkeit eines autarken Haushalts mittels einer Mikrogasturbine. Neben der Autarkie wurden als weitere Entscheidungsmerkmale technische, ökonomische und ökologische Faktoren eingeführt. ... mehrDamit wurden Wechselwirkungen beispielsweise zwischen Ladezuständen, Betriebskosten und CO2 Emissionen verglichen.
Die Einbindung der realen Mikrogasturbine in einen virtuellen Haushalt erfolgte mittels zweier Echtzeitsimulationssysteme unterschiedlicher Hersteller. Die Charakteristiken beider Simulatoren wurden detailliert untersucht. Dabei standen Integrierbarkeit, Softwarenutzung und Datenerfassung im Vordergrund. Von der Inbetriebnahme, über die Modellierung bis zur den Anwendungsszenarien wurde jeder Arbeitsschritt in beiden Systemen redundant durchgeführt.
Der Modellierungsvorgang der Mikrogasturbine in den Echtzeitsimulatoren ähnelt sich. Zuerst wurde das grundlegende mathematische Modell erstellt und anschließend zum Testen in Simulink implementiert. Nach ausführlichen Test in der Simulink Umgebung wurde das Modell in die Programmieroberfläche der Simulatoren übersetzt. Dieser Ablauf wurde für drei verschiedene Modelle der Mikrogasturbine wiederholt. Die drei erstellten Modelle unterscheiden sich in ihrer Komplexität. Die verschiedenen Modelle wurden auf ihre Anwendbarkeit im Echtzeitsimulator untersucht. Dabei wurde konkret untersucht welche Mikrogasturbinenmodelle die geringste Rechenzeit im Verhältnis zur Genauigkeit aufweisen. Das geeignetste Modell wurde für die Anwendungsuntersuchungen ausgewählt.
Als bestes Modell der Mikrogasturbine hat sich das Modell der Änderungsrate erwiesen. Die Abweichung zu den Messdaten beträgt weniger als 3 %. Die Messunsicherheit ist bereits in diese Rechnung einbezogen und detailliert dargestellt.
Um die Autarkie sicherstellen zu können, muss die minimale Speicherkapazität des Batteriesystems 10,2 kWh betragen. Dies ist gleichzeitig auch der optimale Punkt in Bezug auf die Gesamtkosten. Eine Erhöhung der Speicherkapazität führt zu höheren Gesamtkosten. Die Größe des Warmwasserspeichers beeinflusst nicht signifikant die Gesamtkosten, jedoch die Anzahl der thermisch bedingten Startvorgänge.
Kleinere Batteriespeicher mit einer Kapazität von beispielsweise 7,7 kWh sind mit einem minimalen Ladezustand von 30% nicht autarkiefähig. Wird dieser minimale Ladezustand im Regler auf 70 % erhöht, kann die Autarkie erreicht werden. Jedoch erhöhen sich durch das häufigere Zuschalten der Mikrogasturbine die Gesamtkosten um 6%. Die CO2 Emissionen steigen sogar um 10%.
Die optimale Größe der PV-Anlage in Bezug auf Gesamtkosten und Energieüberschuss liegt für den untersuchten Beispielhaushalt bei 10 m². Bei der Variation der PV-Anlagengröße wurde ersichtlich, dass jede praktikable PV-Anlagengröße hilft die Gesamtkosten zu senken und somit empfehlenswert ist.
Auf Grund der aktuellen hohen Erdgaspreise liegen die Gesamtkosten im Bereich eines wirtschaftlichen Betriebs mit Wasserstoff. Die neueste Generation der Mikrogasturbinen ist in der Lage mit Wasserstoff betrieben werden zu können.
Mit Hilfe des Echtzeitsimulators wurde das Modell der Mikrogasturbine durch die reale Gasturbine ersetzt. Das vereinfachte Modell der Mikrogasturbine stößt bei den nichtdeterministischen Startvorgang der Gasturbine an seine Anwendungsgrenze. Das reale Verhalten der Mikrogasturbine führt, im Gegensatz zum vereinfachten Modell zu einem Stromausfall im Haushalt. Als Gegenmaßnahme wird im Fall eines kritischen Ladezustands die minimale Ladegrenze auf 50% erhöht. Damit wurde die Autarkie des Haushalts wieder sichergestellt. Die Beeinflussung auf die jährliche Energiebilanz der Gegenmaßnahme in die Ladezustandsregelung ist vernachlässigbar.

In this work, a test environment for a commercial microturbine was created. The environment was used to analyze the integration of a real microturbine into a virtual household.
The integration was done by means of a real-time simulation system. In addition,
simulation models of the micro gas turbine and the household were implemented as part of this work. The goal was to investigate the feasibility of a self-sufficient household using a micro gas turbine. In addition to self-sufficiency, technical, economic and ecological factors were introduced as further decision criteria. ... mehrThus, interactions between, for example, charging conditions, operating costs and CO2 emissions were compared.
The integration of the real micro gas turbine into a virtual household was done by means of two real-time simulation systems from different manufacturers. The characteristics of both simulators were investigated in detail. The focus was on integrability, software and data acquisition. From commissioning to modeling and application scenarios, each step was performed redundantly in both systems.
The modeling process of the micro gas turbine in the real-time simulators was similar.
First, the basic mathematical model was created and then implemented in Simulink for testing. After extensive testing in the Simulink environment, the model was translated
into the programming interface of the simulators. This process was repeated for three different models of the micro gasturbine. The three models created differ in complexity.
The different models were examined for their applicability in the real-time simulator. Specifically, which micro gas turbine model had the lowest computational time relative to accuracy was investigated. The most suitable model was selected for the application investigations.
The rate of change model was found to be the best micro gas turbine model. The deviation from the measured data is less than 3%. The measurement uncertainty is shown in detail and already included in this calculation.
To be able to ensure self-sufficiency, the minimum storage capacity of the battery system must be 10.2 kWh. This is also the optimal point in terms of total cost. Increasing the storage capacity leads to higher total costs. The size of the hot water storage tank does not significantly affect the total cost, but it does affect the number of thermal-related start-ups.
Smaller battery storage units with a capacity of 7.7 kWh, for example, are not capable of self-sufficiency with a minimum state of charge of 30%. If this minimum state of charge is increased to 70% in the controller, self-sufficiency can be achieved. However, the more frequent connection of the micro gas turbine increases the total costs by 6%. The CO2 emissions even increase by 10%.
The optimal size of the PV system in terms of total costs and energy surplus is 10 m² for the household. When varying the PV system size, it became obvious that any feasible PV system size helps to reduce the total costs and is therefore always recommended.
Due to the current high natural gas prices, the total costs are in the range of an economical operation with hydrogen. The latest generation of micro gas turbines is capable of running on hydrogen.
With the help of the real-time simulator, the model of the micro gas turbine was replaced by the real gas turbine. The simplified model of the micro gas turbine reaches its application limit in the non-deterministic start-up process of the gas turbine. In contrast to the simplified model, the real behavior of the micro gas turbine leads to a power failure in the household. As a countermeasure, the minimum charging limit is increased to 50% in the case of a critical charging state. Thus, the self-sufficiency of the household was ensured again. The influence on the annual energy balance of the countermeasure in the state of charge control is negligible.