CN104067474A - 用于使电压供应网稳定的方法 - Google Patents

Abstract

在常规电压供应网中能量产生器所馈入的功率和消耗器所吸取的功率之间的平衡通过交流电压的频率加以调节。在将来的、具有许多小的分散设备的智能电压供应网（智能电网）中，这样的通过电网频率的调节会越来越困难。代替的是在单独的设备通信网络中传送中央电子控制信号以控制分散的能量产生器以及还有消耗器。但是在此情况下当很多分散设备在达到预设置的阈值情况下同时接入时存在电网不稳定的危险。因此本发明规定，预设置的阈值不是被直接用作阈值，而是从中推导出合适的有效阈值。由此在智能电网中的不同设备那里阈值采取不同的值，并且防止在智能电网中所有控制设备的不期望的同时反应。

Description

用于使电压供应网稳定的方法

技术领域

本发明涉及用于使配电网运营商的电压供应网稳定的方法和网关。

背景技术

在借助交流电压传输和分配电能的常规电网（下面简称为“电流网”）中，能量产生器所馈入的功率和消耗器所吸取的功率之间的平衡通过交流电压的频率加以调节。

该频率平均来说在欧洲是50Hz或在美国是60Hz。如果从电流网中吸取的功率大于能量产生器所馈入的功率，则电发电机中的转子将被更为强烈地制动。通过这种减速降低了电流网中所产生的交流电压的频率。相反，如果吸取的功率少于生成的功率，则转子加速并且电网频率提高。转子的旋转质量的惯性在此对电流网起稳定作用，因为转子通过改变其旋转频率而可以输出和吸收能量（初级调节）。

由此，通过检查电流网中的交流电压可以简单地使能量产生和消耗平衡。如果频率下降，则激活新的能量产生器。在非常强烈下降的情况下，还可以强制地断开消耗器（卸载）。如果频率上升，则停止能量产生器或者接入可能其它的消耗器（次级和三级调节）。长期来说可以将电网频率非常稳定地保持在49.990和50.010Hz之间，该电网频率也被用作钟表（钟控收音机等）的时钟。

越来越多地也从再生源、例如从至少小的、分散的光伏设备向欧洲集成电网馈入功率。所述再生源不具有旋转质量。代替地，PV电池所产生的直流电流被借助功率电子逆变器转换为交流电流。该交流电流被同步地馈入本地的低电压网中。为了避免与期望电网频率的强烈偏差，还必须能够依据频率调节这些设备——所述设备在一些特定的电网分段中负责本地产生的功率的很大一部分并且它们的馈入由于本地非常类似的太阳辐射而通常强烈相关。

根据[1]，能量产生设备在电网频率大于50.2Hz的情况下必须在200ms内与低电压网分离。但是通过该预定参数，同时存在由于在欧洲的光伏设备的强烈扩建而导致的危险，即在晴朗的天气里在达到50.2Hz的情况下几GW的馈入功率突然与电流网分离，这可能显著危及欧洲集成电网的稳定性[2,3]。

因此已经短期地公布了过渡调节，该过渡调节规定逐级减少馈入[3,4]：

1. 代替固定的、对所有设备都相同的在50.2Hz时的过频率断开，PV设备的制造商和建立者应当使用在50.3和51.5Hz之间的不同频率作为其设备的断开频率。这些频率应当均匀分布。　

2. 设备依据频率根据定义的特征曲线减少它们的馈入功率[5]。

如果更为频繁地出现过频率，则具有低断开频率的设备的运营商根据1可能在经济上受到损害，因为他们的设备更早以及更频繁地断开并且他们由此可能销售更少的太阳电。因此这些运营商可能试图通过操纵其设备的设置来提高断开频率。如果这样的操纵频繁出现，则稳定性调节的作用会减小。

另一种调节通过本地在馈入点处测量的电网电压而实现：只要该电网电压超过一定的值（过电压），则必须断开馈入或者至少减少馈入。

如果具有旋转质量的能量产生器在将来的智能电流网（Smart Grids，智能电网）中越来越多地受到小的没有旋转质量的分散式设备的排挤，则通过电网频率的调节会越来越困难。代替地，例如电子控制信号（价格信号，能量产生-消耗商或类似的）可以在单独的设备通信网络（个人能量代理PEA、能量网关、控制设备等）中被用于控制分散的能量产生器以及还有消耗器。在此也要注意，为了不危及电网稳定性，不发生馈入和消耗方面的突然变化。

这例如在控制信号达到对于智能电网中的很多（或者所有）网关来说是阈值的值时发生，在该阈值的情况下这些网关改变其特性。这例如可以是用于舒适级的阈值，利用该阈值设置在什么条件下用电能供应可控消耗器（冰柜、空调…...）：

•舒适级“低”=仅仅在价格低于15c/kWh的情况下才购买用于可控消耗器的电流

•舒适级“高”=与当前价格无关，总是也为可控消耗器购买电流。

如果该阈值对于本地智能电网中的很多网关来说是相同的，则这些网关（当接通舒适级“低”的时候）在低于该阈值的情况下全部同时接通其本地消耗器。于是这样强烈的消耗上升可能轻易地导致对电网稳定性的危及，类似于在达到50.2Hz的电网频率以及由此带来的PV设备断开的情况下。

网关的相同阈值的原因例如可能是：

•法律规定（如在PV设备的情况下）

•相同的制造商或甚至相同的设备系列：这些设备被预配置有相同的阈值

•通过中央控制站点设置阈值

•当预计将频繁地设置相同的值时，通过安装者/应用者设置阈值，例如：

◦由于频繁地使用四舍五入的值（如50而不是49或51），或者

◦可以很容易被设置的值（例如通过按键重复），或者

◦当可能站点的数量非常有限时（10而不是10.7）。

发明内容

因此本发明的任务是实现一种方法和一种设备，该方法和设备使得可以在智能电网电压供应网中实现电网稳定。

该任务根据本发明通过具有在权利要求1和9中说明的特征的方法和网关解决。本发明的有利扩展在从属权利要求中加以说明。

本发明的用于使电压供应网稳定的方法具有以下步骤：通过至少一个用户的网关接收控制信号；通过所述用户的所述网关依据所接收的控制信号生成用于接通或断开连接到所述网关的能量消耗或能量产生设备的本地控制指令；以及

经由本地网络将生成的本地控制指令传输给至少一个连接到所述网关的能量消耗或能量产生设备。所述网关具有有效阈值；在用所述控制信号传输的值超过或低于所述有效阈值的情况下生成用于接通或断开的本地控制指令；所述有效阈值由预设置的阈值和校正参数形成。

所述控制信号例如由配电网运营商的中央控制单元传输。该控制信号还可以被本地测量并且传输给网关，或者利用通过网关自身的测量求得（电压，频率）。此外该控制信号可以分散地出现和/或被分散地分配。在此，所述网关以合适的方式对多次出现或分散的单元（变电所控制器，本地电力市场平台）的控制信号或对本地测量的参数（电网频率，本地电压）做出反应。

有利地，所设置的参数（预设置的阈值）不直接用作阈值，而是从中推导出有效阈值。由此阈值在智能电网中的不同设备那里采取不同的值，并且防止智能电网中所有控制设备（网关）的不期望的同时反应。

根据本发明的一种扩展，校正参数是随机数，并且有效阈值通过预设置的阈值与该随机数相乘来形成。如果该随机数被随机产生，例如基于内部的、对于不同的网关是不同的随机数起始数（种子）（这种随机数起始值对于密码运算也是需要的）以及在期望的范围上恒定的概率分布（均匀分布），则出于随机的原因即使没有中央协调也获得有效阈值的大致均匀分布。

根据本发明的另一构型，随机数和有效阈值被以可预定的时间间距重新求得。有利地，由此有效地避免了网关运营商被不利的值持续损害。

根据本发明的另一构型，校正参数是可随时间变化的函数，而有效阈值与时间有关地通过预设置的阈值与所述可随时间变化的函数的关联（例如相乘）形成。有利地，由此实现了有效阈值在不同的网关之间以及对于单个网关在时间变化过程中的尽可能均匀的分布。

根据本发明的另一构型，周期持续时间与控制信号的变化频率相比是大的。这是有利的，因为这样一来在控制信号变化时所涉及的网关的数量尽可能与该变化成比例。

根据本发明的另一构型，所述控制信号具有关于电网电压或电网频率的信息和/或关于电流价格或能量产生-消耗商的信息。

本发明的用于对配电网运营商的电压供应网进行电网稳定的网关依据所接收的控制信号生成用于接通或断开能量消耗和能量产生设备的本地控制指令，并且将所述本地控制指令经由本地网络传输给能量消耗和能量产生设备。该网关具有有效阈值。在用该控制信号传输的值超过或低于所述有效阈值的情况下，生成用于接通或断开的本地控制指令。该有效阈值由预设置的阈值和校正参数形成。

附图说明

下面参照附图描述用于对电压供应网进行网络稳定的本发明网关和本发明方法的实施方式。

图1示出用于使电压供应网稳定的本发明方法的可能实施方式的流程图，

图2示出用于根据本发明求得有效阈值的不同校正函数的图示，

图3示出控制信号与校正函数相比较的时间变化过程的图示。

具体实施方式

图1示出用于使配电网运营商的电压供应网稳定的本发明方法的可能实施方式的流程图。

在第一步骤101中，控制信号由配电网运营商的中央控制单元传输至用户的至少一个网关。

在第二步骤102中，该网关将利用该控制信号传输的值与本地有效阈值相比较。

如果所述有效阈值被所传输的值超过103，则所涉及的或所寻址的网关生成一个或多个用于接通或断开连接到该网关的能量消耗和能量产生设备的本地控制指令105。

替换地，所述网关在所传输的值低于有效阈值的情况下生成一个或多个用于接通或断开连接到该网关的能量消耗和能量产生设备的本地控制指令。

但是如果所传输的值低于（或在替换实施方式中超过）所述阈值，则网关接收下一个控制信号104并且不生成控制指令。

在另一步骤106中，所生成的本地控制指令例如经由本地基于电流线路的网络或者本地基于IP（互联网协议）的网络被传输给连接到所述网关的能量消耗和能量产生设备。

下面描述用于求得有效阈值的实施例。网关内部的有效阈值应当不同于所设置的阈值。于是通过适当选择用于求得有效阈值的随机参数，即使在网关（PEA和类似的控制设备）的配置相同的情况下也可以防止由于同时接通或断开例如整个设备类而产生上述问题。

下面描述的措施在没有中央协调的情况下也能实现这一点：

1. 变型方案：恒定的校正因子

必须保证不是所有网关都拥有相同的有效阈值，因为否则所有网关都同时反应。因此网关应当在设置（新的）阈值S_set时——并且当然也在第一次投入运行期间在接受在工厂方面预设置的起始值的情况下——将该值与在间隔[1-P%,1+P%]中的随机数Z相乘。P在此取决于所传输的控制信号（例如价格信号）的粒度。有效阈值S_eff于是为

S_eff=Z*S_set

并且不能直接被外部读取或影响，以避免操纵。

如果基于内部的、对于不同网关是不同的随机数起始数（种子）（该随机数起始数对于密码运算也需要）以及在期望的范围上恒定的概率分布（均发分布）来随机地产生Z，则出于随机的原因即使没有中央协调也获得有效阈值的大致均匀分布。

2. 变型方案：定期新设定的校正因子

优选地，以特定的时间间距（例如几天后）自动地或者根据控制中心的要求不断地重新随机计算随机的乘法因子，由此网关运营商不会被一次性设定的、不利的值持续地损害。

替换地，校正因子也可以被集中计算并且然后被分配。

3. 变型方案：随时间变化的校正函数

特别有利的是使用与时间有关的校正函数Z(t)，该校正函数实际上连续地改变校正因子：

S_eff(t)=Z(t-t_0)*S_set

这在图2中以几个函数示出。为了更好地进行比较，所有示出的函数都关于两个周期持续时间被示出；振幅（2P）分别是0.05。由此实现的这些函数的值的频率分布被显示在图2的右半部分中；该频率分布的面积在此对于所有函数都是相同的。

重要的是：所假定的值202的频率分布在整个可能的值范围上尽可能地低。因此由于恒定的总面积，宽的、恒定的分布是理想的。

因此很合适的是特别周期性的函数，如锯齿曲线203或曲折形曲线205。这些函数优选应当相对平滑（连续的）。由此实现了在整个范围上尽可能均匀和低的分布。值的相对频率在该例子中恒定地大约是50（任意单位——所述单位取决于“面元”，即数据通道的划分）。

曲折形曲线205相对于锯齿曲线203还具有以下优点：曲折形曲线避免在t=(n+0.5)*T时的不连续跳跃。

阶梯函数204,206也很合适，只要阶梯高度低到足以实现足够多的不同值。在此，为了示范目的将阶梯高度选择得有些过高。这导致：为可能的值提供的范围不被均匀地使用。由此在频率分布中产生空洞，这由于总面积的恒定而导致大约100（任意单位）的更高频率值。

正弦形的函数207由于其非恒定的频率分布而不太合适，因为在此更频繁地出现特别大和特别小的值。在此恰好在边缘上达到几乎150（任意单位）的特别高的频率。但是当然即使是正弦形的分布也仍然好于集中到唯一的一个固定值上。

对于所使用的函数的周期持续时间，要注意：

•如果周期持续时间在不同的网关中明显不同，则在网关足够多的情况下仅非常少地出现：很多网关同时达到其校正函数的最大值（或最小值）。　

•如果网关在时间上同步并且它们的函数还具有相同的周期持续时间，则起始时刻（t_0）的随机的、尽可能均匀的分布是重要的。单单（第一次）投入运行的时刻在此不适于作为起始时刻，因为投入运行通常落在时间9:00至17:00中——在此应当至少还添加0至24小时（更好的是：0至7*24小时）的随机的、均匀分布的持续时间。

•周期持续时间在此被选择为足够长（小时，天），即明显比智能电网中控制信号的典型变化大得多。这是必要的，由此在控制信号变化时所涉及的网关的数量尽可能与该变化成比例。

这在图3中被图解出。在两个例子301和302中示出控制信号303a，303b的时间变化与不同网关的校正函数Z(t)304a-307a和304b-307b的时间变化的比较。

在第一例子301中，校正函数Z(t)304a-307a与控制信号303a相比仅缓慢地变化。根据控制信号303a的变化强度，激活比较少的网关。在所示出的例子中激活两个网关304a和305a。

在第二例子302中，校正函数Z(t)304b-307b与控制信号303b相比快速变化。在此，在短时间内（最大为一个周期持续时间）所有网关304b-307b的阈值与控制信号303b重合，并且所有网关——至少短暂地——被激活。这导致所属消耗器或能量产生器被频繁接通和断开，或者如果不能执行快速的再关闭，则导致大量消耗器或能量产生器被激活。这两种都是不期望的。

•周期持续时间（及其倍数）不应当与电网中的典型节奏（恰好1天或恰好1/8星期）一致，而是应当与所述典型节奏稍微偏离，以避免例如特定的网关在长时间里总是在中午时间（或每个星期日中午）具有特别高的阈值并由此购进特别昂贵的电流。

有利地规定：按照适当的方式修改在一个网关内不同的、但是相互有关的阈值。例如如果针对“接通”的有效阈值通过上述措施被减小3%，则所属的针对“关闭”的阈值对应地也以相同的方式得到校正。

以有利的方式在控制信号连续变化的情况下为了在能量产生和消耗之间平衡在达到阈值时不是同时接入很多网关，而是先后在控制信号的一定带宽上达到不同阈值时接入很多网关。

此外如果校正因子变化，则每个网关有时获得“有利的”阈值有时获得“不利的”阈值。因此平均来说没有网关持续地受到预定参数——“不利的”阈值的损害。

通过本发明提高了智能电网中的电网稳定性，尤其是在采用很多同类设备的情况下。此外本发明的解决方案与调控措施（类似于在50.2Hz时针对PV设备的过渡调节）兼容，只要或一旦决定了这样的调控措施。

文献

[1] BDEW:技术规程“Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz-Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz”，2008年6月出版，BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

[2]http://www.sfv.de/artikel/das_502_hertz~roblem.htm

[3]VDE中的Netztechnik/Netzbetrieb（电网技术/电网运行）论坛：Rahmenbedingungen für eine Übergangsregelung zur frequenzabhängigen Wirkleistungssteuerung von PV-Anlagen am NS-Netz

[4] EON: Übergangsregelung für PV-Anlagen-Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz

[5] BDEW-技术规程“Erzeugungseinheiten am Mittelspannungsnetz”，2.5.3节和图2.5.3-1

Claims (9)

1.用于使电压供应网稳定的方法，具有以下步骤：

-通过至少一个用户的网关接收控制信号；

-通过所述用户的所述网关依据所接收的控制信号生成用于接通或断开连接到所述网关的能量消耗或能量产生设备的本地控制指令；以及

-经由本地网络将生成的本地控制指令传输给至少一个连接到所述网关的能量消耗或能量产生设备，

其特征在于，

所述网关具有有效阈值，

在用所述控制信号传输的值超过或低于所述有效阈值的情况下生成用于接通或断开的本地控制指令，

所述有效阈值由预设置的阈值和校正参数形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

所述校正参数是随机数，

所述有效阈值通过预设置的阈值与该随机数的关联来形成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中

所述随机数和所述有效阈值被以可预定的时间间距重新求得。

4.根据权利要求1所述的方法，其中

所述校正参数是可随时间变化的函数，

所述有效阈值与时间有关地通过预设置的阈值与所述可随时间变化的函数的相乘形成。

5.根据权利要求4所述的方法，其中

可随时间变化的函数是具有周期持续时间的周期函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中

所述周期持续时间与控制信号的变化频率相比是大的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中

所述控制信号具有关于电网电压或电网频率的信息。

8.根据权利要求1所述的方法，其中

所述控制信号具有关于电流价格或能量产生-消耗商的信息。

9.用于对电压供应网进行电网稳定的网关，

其中所述网关依据所接收的控制信号生成用于接通或断开能量消耗和能量产生设备的本地控制指令，并且将所述本地控制指令经由本地网络传输给能量消耗和能量产生设备，

其特征在于，

该网关具有有效阈值，

在用该控制信号传输的值超过或低于所述有效阈值的情况下，生成用于接通或断开的本地控制指令，

该有效阈值由预设置的阈值和校正参数形成。