DE102015003802A1 - Method and device for controlling switchable electrical systems - Google Patents
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Abstract
In einem „Smart Grid” agieren oft intelligente Anlagen, die individuell auf das Energieversorgungsnetz reagieren. Eine große Anzahl solcher Anlagen kann, da alle auf dasselbe System (in der Regel das Energieversorgungsnetz) reagieren, ein schädliches, synchronisiertes Schwarmverhalten aufweisen. Zum Beispiel können diese Anlagen durch Anregung des Energieversorgungsnetzes in Schwingung geraten. Um einem schädlichen Schwarmverhalten vorzubeugen und damit das große Potential netzgeführter Anlagen zur Netzregelung nutzen zu können, werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung schaltbarer elektrischer Anlagen aufgeführt, das keine übergeordneten Systeme benötigt, sondern das individuelle Verhalten der einzelnen netzgeführten Anlagen randomisiert.In a "smart grid" often intelligent systems that respond individually to the power grid act. A large number of such systems can, because all react to the same system (usually the power grid), have a harmful, synchronized swarming behavior. For example, these systems can get into vibration by stimulating the power grid. In order to prevent a harmful swarming behavior and thus to be able to use the great potential of grid-connected systems for grid control, a device and a method for controlling switchable electrical systems are listed, which does not require higher-level systems, but randomized the individual behavior of the individual grid-connected systems.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von schaltbaren elektrischen Anlagen. Insbesondere sind hierbei alle Anlagen gemeint, die ihr Betriebsverhalten ohne nennenswerte Beeinträchtigungen der Funktionsweise zeitlich verschieben können, wie zum Beispiel Kühlschränke oder andere Geräte mit einem (Nutz-)Energiespeicher. Darüber hinaus ist die Erfindung auch auf steuerbare Einspeiser von elektrischer Energie anwendbar, z. B. Blockheizkraftwerke.The present invention relates to a method and a device for controlling switchable electrical installations. In particular, this means all systems that can shift their operating behavior without significant impairment of the operation time, such as refrigerators or other devices with a (useful) energy storage. In addition, the invention is also applicable to controllable feeder of electrical energy, for. B. combined heat and power plants.
Haushaltskältegeräte verfügen herkömmlicherweise über eine eingebaute Steuervorrichtung, die die Leistung eines Kältemittelverdichters anhand der in einer Lagerkammer des Kältegerätes gemessenen Temperatur steuert. Die Steuervorrichtung anderer Haushaltsgeräte, wie etwa von Spülmaschinen, Waschmaschinen oder dergleichen, stellen im Wesentlichen eine Benutzerschnittstelle dar, über die ein Benutzer eine Funktion der Maschine oder ein von der Maschine abzuarbeitendes Programm auswählen und in Gang setzen kann. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Haushaltsgeräte mit externen Steuervorrichtungen über ein digitales Netzwerk zusammenzuschalten, um so einem Benutzer die Möglichkeit zu geben, Geräte in seinem Haushalt aus der Ferne zu steuern.Domestic refrigerators conventionally have a built-in control device that controls the performance of a refrigerant compressor based on the temperature measured in a storage chamber of the refrigerator. The control device of other household appliances, such as dishwashers, washing machines or the like, essentially constitute a user interface through which a user can select and start a function of the machine or a program to be executed by the machine. It has also been proposed to interconnect home appliances with external controllers over a digital network to allow a user to remotely control appliances in his home.
Die in absehbarer Zukunft höchst wahrscheinlich stark zunehmende Knappheit fossiler Energieträger, die Auswirkungen der globalen Erderwärmung und die Gefahren durch Umweltverschmutzung und Auswirkungen auf die Gesundheit seitens konventioneller Energieerzeugungsanlagen haben die Politik dazu gebracht, im Rahmen der ausgerufenen Energiewende den Anteil regenerativer Erzeugungsanlagen stark zu erhöhen. Doch auch ohne die Politik wird der Anteil regenerativer Energieerzeugungsanlagen an der Gesamtenergieproduktion zwangsläufig steigen. In den letzten Jahren sind dafür zunehmend auch wirtschaftliche Gründe anzuführen. Der wachsende Beitrag von regenerativen, nicht ständig verfügbaren Quellen, wie etwa Windkraft und Photovoltaik zur öffentlichen Stromversorgung, stellt die mit der Netzregelung befassten Personen vor teils ernste Herausforderungen. Die Menge an Energie aus fluktuierenden Erzeugungsanlagen ist zwar in gewissem Umfang prognostizierbar, hinsichtlich einer Erhöhung der eingespeisten Energiemenge jedoch nicht steuerbar. Etwaigen Energieknappheiten muss entweder kurzfristig durch Energiebezug aus anderen Quellen oder aber durch eine Anpassung des Energiebezugsverhaltens der Verbraucher begegnet werden. Techniken hierfür werden unter dem Begriff „Smart Grid” oder intelligentes Netz gegenwärtig umfangreich diskutiert.The shortage of fossil fuels, which is likely to increase sharply in the foreseeable future, the effects of global warming, and the environmental and environmental health risks of conventional energy production systems have prompted policy makers to greatly increase the share of renewable generation in the context of the enacted energy transition. But even without politics, the share of renewable energy generation plants in total energy production will inevitably increase. In recent years, for economic reasons are increasingly leading. The growing contribution of renewable, non-renewable sources, such as wind power and photovoltaics, to the public electricity supply poses some serious challenges for those involved in grid regulation. Although the amount of energy from fluctuating generation plants can be predicted to some extent, it can not be controlled in terms of increasing the amount of energy fed in. Any energy shortages must either be addressed in the short term by purchasing energy from other sources or by adjusting consumers' energy consumption behavior. Techniques for this are currently being discussed extensively under the term "smart grid" or intelligent network.
„Smart Grid”-Technologien setzen in der Regel die Existenz einer Steuerinstanz voraus, die in der Lage ist, sowohl mit den Erzeugern als auch mit den Verbrauchern von elektrischer Energie explizit oder implizit zu kommunizieren und die von ihnen abgegebene bzw. aufgenommene Leistung zu beeinflussen, um Angebot von und Nachfrage nach elektrischer Energie miteinander in Einklang zu bringen. Explizit bezeichnet hierbei insbesondere digitale Informations- und Kommunikationsnetze. Die implizite Kommunikation bezeichnet hingegen insbesondere, dass Netzparameter, wie z. B. die Frequenz und die Spannung, zur Informationsübermittlung verwendet werden, dies wird im Folgenden mit „netzgeführt” bezeichnet. Damit ein intelligentes Netz erfolgreich implementiert werden kann, muss zunächst seitens der Stromversorger Gewissheit bestehen, dass netzgeführte Anlagen die Netzstabilität nicht gefährden. Hierfür wird vorzugsweise eine Steuerinstanz bereitgestellt, die in der Lage ist mit den Verbrauchern zu kommunizieren, um deren Leistungsaufnahme zu beeinflussen. Die Netzstabilität bleibt aber auch bei Verwendung dezentral gesteuerter Anlagen ungefährdet, wenn sie geeignet gesteuert und geregelt werden. Elektrische Geräte, die als intelligente Verbraucher in einem „Smart Grid” in Funktion treten können, werden so am Markt deutlich leichter abzusetzen sein, sofern sie einen erkennbaren Vorteil bieten. Stehen geeignete Steuerinstanzen zur Verfügung, können sich „Smart Grid”-fähige Geräte allmählich im Feld verbreiten, indem sie Altgeräte ersetzen. Die zu erwartenden Mehrkosten für die bei neuen Geräten benötigten Kommunikationsschnittstellen können die Ausbreitung netzgeführter Geräte verzögern."Smart grid" technologies typically require the existence of a control entity that is able to explicitly or implicitly communicate with both producers and consumers of electrical energy and to influence the power they deliver or absorb to reconcile supply and demand for electrical energy. Explicitly refers here in particular digital information and communication networks. In contrast, the implicit communication designates in particular that network parameters, such. As the frequency and the voltage to be used for information transmission, this is hereinafter referred to as "net-guided". In order for an intelligent network to be successfully implemented, it must first be certain from the electricity supplier that grid-connected systems do not jeopardize grid stability. For this purpose, a control entity is preferably provided which is able to communicate with the consumers in order to influence their power consumption. The grid stability remains safe even when using decentralized controlled systems, if they are properly controlled and regulated. Electrical devices that can function as intelligent consumers in a "smart grid" will be much easier to sell on the market, provided they offer a noticeable advantage. If appropriate control entities are available, Smart Grid enabled devices can gradually spread across the field by replacing old devices. The expected additional costs for the communication interfaces required for new devices may delay the propagation of mains-powered devices.
Es besteht daher Bedarf an einer Technik, die es auf einfache Weise ermöglicht, die elektrische Leistung eines elektrischen Verbrauchers passend zur Verfügbarkeit der elektrischen Leistung im Versorgungsnetz zu modulieren, ohne dass dafür eine zentralisierte Erfassung der erzeugten und verbrauchten elektrischen Energie und/oder eine ausgefeilte digitale Nachrichtenkommunikation zwischen den Erzeugern und Verbrauchern von elektrischer Energie erforderlich ist.There is therefore a need for a technique that allows a simple way to modulate the electrical power of an electrical load in accordance with the availability of electrical power in the supply network, without requiring a centralized detection of generated and consumed electrical energy and / or a sophisticated digital Communication between producers and consumers of electrical energy is required.
Durch die Integration derartiger „Smart Grid”-fähiger intelligenter Verbraucher kann die Regelung des Energienetzes unterstützt werden. Durch das individuelle und nicht abgestimmte Verhalten der Verbraucher kann es allerdings auf Schwarmebene, also bei der Betrachtung des resultierenden Betriebsverhaltens aller netzgeführter Verbraucher hinsichtlich des Netzes, zu Nichtlinearitäten kommen. Diese können das elektrische Netz zum Schwingen anregen und so Anpassungsprobleme hervorrufen. Bei Integration vieler netzgeführter Geräte in das elektrische Netz ist das Risiko eines unkontrollierbaren Aufschwingens des elektrischen Netzes zu berücksichtigen. Die Übertragungs- oder Verteilnetzbetreiber werden eine deutlich höhere Bereitschaft zeigen, derartig geregelte Geräte in das Netz zu integrieren bzw. integrieren zu lassen, wenn entsprechende netzgeführte Regelungen der Verbraucher den Netzbetrieb nachweislich unterstützen.The integration of such "smart grid" capable smart consumers can support the regulation of the power grid. Due to the individual and non-coordinated behavior of consumers, however, non-linearities can occur at the deficiency level, ie when considering the resulting operating behavior of all grid-connected consumers with regard to the grid. These can cause the electrical network to vibrate, causing adjustment problems. With integration of many network-controlled Devices in the electrical network, the risk of uncontrollable swinging of the electrical network is taken into account. The transmission or distribution system operators will show a much higher willingness to integrate such regulated devices into the network or to be integrated, if appropriate network-based regulations of consumers demonstrably support the network operation.
Wird eine große Anzahl schaltbarer Erzeuger (beispielsweise BHKWs) netzgeführt betrieben, kann dieser Schwarm an Geräten gleichzeitig auf die Netzparameter oder sonstige Informationen reagieren und damit die Netzstabilität beeinträchtigen. Reagiert besagter Schwarm in der beschriebenen Art und Weise kann das Netz zum Schwingen angeregt werden. Um das Potential netzgeführter Verbraucher nutzen zu können, bedarf es einer Methode, die sicherstellt, dass die netzgeführten Geräte auch als Schwarm ein möglichst lineares zumindest aber kontrollierbares Verhalten zeigen und das elektrische Netz nicht zusätzlich belasten.If a large number of switchable generators (such as CHPs) are network-driven, this swarm of devices can simultaneously react to the network parameters or other information and thus impair network stability. If said swarm responds in the manner described, the net can be made to vibrate. In order to be able to use the potential of mains-powered consumers, a method is required which ensures that the grid-connected devices also exhibit a linear but at least controllable behavior as a swarm and do not additionally burden the electrical network.
Insbesondere wird aus dem netzgeführten Betrieb aufgrund der Fluktuationen der Netzparameter eine zeitlich-veränderliche Verschiebung der EIN- und AUS-Schaltschwellen resultieren. Durch die Bewegung der EIN- und AUS-Schaltschwellen werden die Geräte EIN- bzw. AUS-geschaltet, die sich in einem Temperaturbereich befinden, der von der EIN- oder AUS-Schaltschwelle überschritten wird, und stehen somit zur Netzregelung nicht mehr zur Verfügung. Beeinflusst durch die Standardabweichung der beschriebenen EIN- und AUS-Schaltschwellen-Bewegung bildet sich ein Bereich um die EIN- und AUS-Schaltschwellen heraus, in dem sich keine nutzbaren Geräte mehr befinden – es bildet sich eine sogenannte Totzone (siehe auch
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird derart durch eine netzgeführte Regelung der schaltbaren elektrischen Anlagen gelöst, dass bei jeder Änderung der Gegebenheiten des Netzes eine prognostizierbare Anzahl an Verbrauchern durch eine entsprechende Schaltungstätigkeit von EIN nach AUS bzw. AUS nach EIN reagiert. Zu jedem Zeitpunkt stehen netzgeführte Anlagen zur Unterstützung der Netzstabilität zur Verfügung. Zwischen den EIN- und AUS-Schaltschwellen soll eine gewünschte Häufigkeitsverteilung der inneren Systemzustände der netzgeführten Anlagen erreicht werden. Meist wird dies eine Gleichverteilung sein, um zu jedem Zeitpunkt und bei jedem Belastungszustand die gleiche Anzahl an EIN-schaltenden bzw. AUS-schaltenden netzgeführten Anlagen vorzufinden.
Die vorliegende Erfindung basiert in einem ersten Schritt auf einem frequenz- und/oder spannungsabhängigen Grenzwert für die Schaltung (vgl.
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden Kältegeräte verwendet. Der innere Systemzustand ist in diesem Fall die Temperatur der verschiedenen Kältegeräte.
In einem zweiten Schritt vertieft die vorliegende Erfindung den Gedanken, dass der Schwarm aus regelbaren netzgeführten Anlagen ein lineares Betriebsverhalten aufweisen sollte. Damit kann das Verhalten des Schwarms besser beherrscht werden. Hierfür werden die Anlagen dezentral und unabhängig voneinander durch entsprechende netzgeführte Regelungen betrieben. Dies reduziert den Kommunikationsaufwand und das System ist durch die selbstregelnde Dezentralität entsprechend robust. Anlagenspezifische Parameter sollen die eben angesprochenen Eigenschaften gewährleisten. Sie modifizieren das Betriebsverhalten der einzelnen Anlagen dahingehend, dass auf der übergeordneten Schwarmebene ein hinreichend lineares Verhalten erreicht wird.In a second step, the present invention deepens the idea that the swarm of controllable grid-connected plants should have a linear operating behavior. Thus, the behavior of the swarm can be better controlled. For this purpose, the plants are operated decentrally and independently of one another by means of corresponding grid-controlled regulations. This reduces the communication effort and the system is robust due to the self-regulating decentralization. Plant-specific parameters should guarantee the properties just mentioned. They modify the operating behavior of the individual plants in such a way that a sufficiently linear behavior is achieved at the higher level of the black coal.
Wenn eine starke Abweichung der EIN- und AUS-Schaltschwellen auftritt, beginnt eine große Anzahl netzgeführter Kältegeräte im Sinne des Modells aus
Zur Verringerung von Nichtlinearitäten werden in diesem Beispiel die EIN- und AUS-Schaltschwellen der Kältegeräte wie folgt gesteuert und geregelt (zur Verdeutlichung dient
- – Bewegt sich entweder die EIN- oder AUS-Schaltschwelle entgegen der Bewegungsrichtung des Kältegerätes (Aufwärmen/Abkühlen), wird die durch die Änderung hervorgerufene Verschiebung der EIN- oder AUS-Schaltschwelle als tatsächliche Schaltschwelle des Kältegerätes verwendet.
- – Bewegt sich hingegen entweder die EIN- oder AUS-Schaltschwelle in Richtung der Bewegungsrichtung des Kältegerätes, läuft sie also vom Gerät weg, wird die durch die Änderung hervorgerufene Verschiebung der EIN- oder AUS-Schaltschwelle nicht vollständig übernommen. Stattdessen wird die Differenz der gewünschten EIN- oder AUS-Schaltschwelle zu der aktuellen Temperatur des Gerätes gebildet und diese mit einem vorher per Zufall (z. B. gleichverteilt) festgelegten anlagenspezifischen Parameter cj, der zwischen 0 (null) und 1 (eins) liegt, multipliziert.
- If either the ON or OFF switching threshold moves counter to the direction of movement of the refrigerating appliance (heating / cooling), the shift in the ON or OFF switching threshold caused by the change is used as the actual switching threshold of the refrigerating appliance.
- If, on the other hand, either the ON or OFF switching threshold moves in the direction of the direction of movement of the refrigeration device, ie if it is running away from the device, the shift in the ON or OFF switching threshold caused by the change is not completely taken over. Instead, the difference between the desired ON or OFF switching threshold and the current temperature of the device is formed with a plant-specific parameter c j previously determined at random (eg, evenly distributed) between 0 (zero) and 1 (one). is, multiplied.
Bei einem Sprung in Bewegungsrichtung entsteht an Stelle der Lücke eine Verteilung aktivierbarer Kältegeräte entsprechend der Zufallsverteilung des anlagenspezifischen Parameters cj. Gleichzeitig nähert sich das Betriebsverhalten des Schwarms einem linearen Betriebsverhalten an.In the event of a jump in the direction of movement, instead of the gap, a distribution of activatable refrigerating appliances is created in accordance with the random distribution of the plant-specific parameter c j . At the same time, the operating behavior of the swarm approaches a linear operating behavior.
Die tatsächlichen EIN- und AUS-Schaltschwellen ergeben sich in dieser beispielhaften Form nach folgender Funktion: The actual ON and OFF switching thresholds result in this exemplary form according to the following function:
Dabei steht Tschwell,ist,i,j für die tatsächliche Temperaturschwelle, TKS,j für die aktuelle Temperatur und Tschwell,soll,i,j für die aus lokal gemessenen Netzparametern und vom Kältegerät j berechnete Soll-Temperaturschwelle des Kältegerätes j. steht für die Bewegung des Kältegerätes j im Temperaturfeld T und für die Bewegung der EIN- und AUS-Schaltschwelle im Temperaturfeld T durch die Veränderung der Netzparameter, welcher von Kältegerät j bestimmt oder festgelegt wurde. Da die Schwellwertbestimmung nur von der Frage abhängig ist, ob die Richtung der Bewegung gleichgerichtet ist oder nicht, wird der Parameter ν als Skalierungsparameter eingeführt. Entscheidend für die Berechnung der Temperaturschwelle ist, welches Vorzeichen ν hat. Der Parameter cj ist schließlich der anlagenspezifische Parameter zur Erzeugung der Verteilung in der Lücke. Bei cj handelt es sich um eine Zufallsvariable, der eine Gleichverteilung zugrunde gelegt ist. Den Kältegeräten wird bei der Produktion ein konstanter Wert zwischen 0 und 1 zugewiesen. Der Zuweisung des Wertes liegt die oben beschriebene Gleichverteilung der Werte zugrunde. Der Index i kennzeichnet, ob es sich um die EIN- oder AUS-Schaltschwelle handelt.T is threshold, is, i, j for the actual temperature threshold, T KS, j j for the current temperature and T threshold, should, i, j for the calculated from locally measured network parameters and the refrigeration unit j target temperature threshold of the refrigerator j. stands for the movement of the refrigerator j in the temperature field T and for the movement of the ON and OFF switching threshold in the temperature field T by the change of the network parameters, which was determined or determined by the refrigeration device j. Since the threshold determination depends only on the question whether the direction of the movement is rectified or not, the parameter ν is introduced as a scaling parameter. Decisive for the calculation of the temperature threshold is, which sign ν has. The parameter c j is finally the system-specific parameters for generating the distribution in the gap. Cj is a random variable that is based on an equal distribution. Refrigeration equipment is assigned a constant value between 0 and 1 during production. The assignment of the value is based on the equal distribution of the values described above. The index i indicates whether it is the ON or OFF switching threshold.
Tschwell,soll,i,j wird in diesem Beispiel nach folgender Gleichung bestimmt:
Hier sind kf,j und kU,j Regelparameter, Δf und ΔU die Abweichung des Frequenz- bzw. Spannungs-Istwertes vom entsprechenden Sollwert und Ti,j die Schaltschwelle als Referenz für den nicht-netzgeführten Betrieb.Here, k f, j and k U, j control parameters, and .DELTA.f .DELTA.U the deviation of the frequency or voltage actual value from the corresponding desired value and T i, j, the switching threshold as a reference for the non-line-commutated operation.
Auch für die Erzeugerseite kann ein ähnliches Beispiel angeführt werden. Betrachtet man beispielsweise ein Blockheizkraftwerk (BHKW), so erkennt man, dass auch hier das Betriebsverhalten geändert und der Zeitpunkt der Aktivität bedingt verschoben werden kann. Das Verhalten dreht sich gegenüber der Verbraucherseite um. Implizieren die betrachteten Netzparameter (zum Beispiel Frequenz und Spannung) ein zu großes Angebot an elektrischer Energie im elektrischen Netz, stellt das Blockheizkraftwerk (BHKW) den Betrieb ein bzw. verschiebt den Start des Betriebs. Die Grenzen der Verschiebung des Betriebs werden durch den Wärmespeicher gesetzt, da gewisse Temperaturen für die Nutzwärme nicht über- bzw. unterschritten werden dürfen. Innerhalb dieser Grenzen ist eine Verschiebung jedoch problemlos möglich.A similar example can also be given for the producer side. If, for example, a combined heat and power plant (CHP) is considered, it can be seen that the operating behavior can also be changed here and the time of the activity can be conditionally postponed. The behavior turns to the consumer side. If the considered network parameters (eg frequency and voltage) are too large an offer of electrical energy in the electrical network, the cogeneration unit (CHP) stops operation or postpones the start of operation. The limits of the shift of the operation are set by the heat storage, as certain temperatures for the useful heat must not be exceeded or fallen below. Within these limits, however, a shift is easily possible.
Analog zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Kältegeräten kann auch den Erzeugern über einen zufällig bestimmten anlagenspezifischen Parameter c eine gewünschte Reaktion auf Grenzwertverschiebungen zugewiesen werden. So befinden sich immer Geräte im aktivierbaren Zustand und stehen bei der Unterstützung der Netzstabilität zur Verfügung. Durch die Wahl der Verteilung der Zufallsvariable kann auch hier das Regelverhalten gezielt beeinflusst werden.Analogous to the exemplary embodiment described above with refrigeration appliances, the producers can also be assigned a desired reaction to limit value shifts via a randomly determined plant-specific parameter c. Thus, devices are always in the activatable state and are available to support grid stability. By choosing the distribution of the random variable, the control behavior can also be specifically influenced here.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |