CN113574760A - 能量系统、本地能量市场和用于运行能量系统的方法 - Google Patents

能量系统、本地能量市场和用于运行能量系统的方法 Download PDF

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Abstract

提出了一种能量系统(1)，该能量系统包括至少一个中央控制单元(2)和至少一个能量子系统(4)，其中能量子系统(4)包括具有总存储容量的能量存储器(40)，并且控制单元(2)至少被构建为用于基于优化来控制能量存储器(40)。根据本发明，能量存储器(40)的总存储容量能够被控制单元(2)划分为第一部分存储容量(41)和第二部分存储容量(42)以用于优化，其中第一部分存储容量(41)被设置为用于相对于能量子系统(4)而言在内部的使用，并且第二部分存储容量(42)被设置为用于相对于能量子系统(4)而言在外部的使用。此外，本发明涉及一种本地能量市场(10)以及一种用于运行能量系统(1)的方法。

Description

能量系统、本地能量市场和用于运行能量系统的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的能量系统。此外，本发明涉及一种根据权利要求10的前序部分的本地能量市场以及一种根据专利权利要求13的前序部分的用于运行能量系统的方法。
背景技术
由于能量市场的自由化，通过其能量子系统在本地提供和/或消耗电能的本地能量系统将在未来变得越来越重要。针对本地能量系统的示例是配电网运营商的供应区域、市区和/或市镇。本地能量系统不会(如迄今已知的那样)集中地通过发电厂产生电能，而是借助较小的能量子系统的组件、例如联合热电厂和/或私人光伏设备分散地产生电能。本地提供的能量同样由能量系统的能量子系统在本地消耗。因此，本地能量系统通常具有生产者、消费者和产消者(英语：Prosumer)，其处于交换能量并且本身产生和/或本身消耗所交换的电能。如果电能也可以借助这样的本地能量系统在能量子系统之间进行交易，则这些能量子系统就构成了本地能量市场。
已知的能量系统也可以具有能量存储器，尤其是电池存储器。例如，许多私人住宅(能量子系统)包括具有相关联的电池存储器的光伏设备。在此，电池存储器通常应当在自身使用方面，即，在相对于能量子系统而言在内部的使用方面被尽可能最优地使用。然而，同样有利的是，电池存储器能够被能量系统的另外的能量子系统使用，即被相对于包括电池存储器的能量子系统而言在外部的能量子系统使用。借助能量子系统的光伏设备产生的电能由此可以借助能量系统的另外的能量子系统的电池存储器来暂时存储。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，能够实现能量系统内部的能量存储器的内部使用和外部使用。
该技术问题通过具有独立权利要求1的特征的能量系统、通过具有独立权利要求10的特征的本地能量市场以及通过具有独立权利要求13的特征的方法来解决。从属权利要求中示出了本发明的有利的设计方案和扩展方案。
根据本发明的能量系统包括至少一个中央控制单元和至少一个能量子系统，其中能量子系统包括具有总存储容量的能量存储器、特别是电池存储器，并且控制单元至少被构建为用于基于优化来控制能量存储器。根据本发明，能量存储器的总存储容量能够被控制单元划分为第一部分容量和第二部分容量以用于优化，其中第一部分容量被设置为用于相对于能量子系统而言在内部的使用，并且第二部分容量被设置为用于相对于能量子系统而言在外部的使用。
换言之，第一部分容量被构建为用于相对于能量子系统而言在内部的使用和/或可以用于相对于能量子系统而言在内部的使用，并且第二部分容量被构建为用于相对于能量子系统而言在外部的使用和/或可以用于相对于能量子系统而言在内部的使用。
当前，术语“控制”同样包括调节。由此，控制单元同样可以是调节单元。
能量存储器尤其是电化学能量存储器(例如电池存储器和/或(氧化还原)液流电池)、热存储器(蓄热器)、热机械存储器和/或机械存储器(例如飞轮)和/或其他的能够实现存储和提取能量的存储器。
在本发明的意义上，能量存储器或其部分容量的使用是能量存储器的任何使用，例如用于存储能量、用于暂时存储能量、用于提取能量和/或用于其他的用途，例如作为应急电源。根据本发明，仅对借助能量存储器所存储的能量的内部和外部的使用进行区分，其中，内部和外部的相关术语指的是包括能量存储器的能量子系统。
本发明意义上的优化是基于目标函数的数学优化。在此，目标函数被最小化或最大化。换言之，目标函数的变量的值被确定为使得目标函数被最小化或最大化。从这个意义上说，最优意味着目标函数被最小化或最大化。通常，在目标函数的变量和/或参数所必须满足的多个次要条件的情况下进行对目标函数的优化。对于极其复杂的系统、例如当前的能量系统，优化，即寻找最优目标函数并因此寻找目标函数的变量的最优值，通常仅在计算机辅助下才有可能。在此，借助优化优化了能量系统的运行，例如关于能量系统的尽可能高的能量效率、尽可能低的二氧化碳排放和/或尽可能低的成本/运行成本。换言之，通常模拟能量系统的尽可能最优的未来运行。借助该模拟，能量系统可以在未来尽可能最优地运行。因此，模拟/优化是特别必要的，因为不可能安装或建造无数的能量系统以找到尽可能最优的能量系统。为优化而设置的参数，其例如参数化或初始化目标函数，通常是在给定时间点或借助对当前能量系统的测量从历史数据中采集了的物理参量。换言之，参数化以及目标函数基于能量系统的物理上采集的测量数据。由此确保了能量系统通过目标函数在物理上真实地建模。由此，计算机辅助的优化为本领域技术人员提供了一种重要的技术工具，以便尽可能有效地设计和/或运行能量系统。
能量系统的能量子系统是提供和/或消耗能量的能量系统的子单元。例如，具有光伏设备和电池存储器的单户住宅是这种能量子系统。
根据本发明，能量子系统的能量存储器的总容量被划分为第一部分容量和第二部分容量。在此，根据本发明，这是针对优化或在优化中进行的。换言之，未进行对能量存储器的物理划分，而是根据本发明在优化中进行虚拟划分，这由控制单元执行或可由控制单元执行。在此，第一部分容量被设置为用于相对于能量子系统而言在内部的使用。第二部分容量被设置为用于相对于能量子系统而言在外部的使用，例如用于由能量系统的其他能量子系统的使用。在此，能量存储器的总容量等于第一部分容量和第二部分容量的总和。有利地，优化因此象征性地知道借助能量存储器所存储的能量中的哪些或多少被设置为用于内部使用或外部使用。换言之，通过根据本发明的对能量存储器的划分，可以跟踪哪些能量量被设置为用于内部使用以及哪些能量量被设置为用于外部使用。在此，能够实现能量的这种划分和这种标明的控制单元构建了关于能量系统的能量子系统的中央控制单元。
本发明的另外的优点在于，通过控制设备对能量存储器的虚拟划分不是先验地、临时地或手动地进行，而是基于优化尽可能最优地计算或确定了该虚拟划分。由此，能量存储器可以在其内部和/或外部使用方面尽可能最优地运行。由于能量存储器仅虚拟地在优化内进行划分，因此部分容量具有相同的物理充电条件和放电条件。对于借助第一部分容量所存储的能量的使用，由此可以产生并扣除费用和/或税款。对于第二部分容量，可以设置充电报酬和/或放电报酬。
因此，本发明提供了一种能量系统，该能量系统使得能量存储器能够在能量的自身消耗方面和由另外的能量子系统的外部使用方面最优地运行。换言之，有利地能够实现能量存储器的混合运行(内部/外部)。在此，有利地，不需要对能量存储器进行结构调整。换言之，根据本发明的已经存在的能量存储器可以在没有另外的结构开销的情况下被集成。
有利地，通过能量存储器的混合运行还提供了能量系统在能量产生和消耗方面的灵活性。总体上，这导致了更高的资源效率，因为例如能量子系统的能量存储器能够被能量系统的另外的能量子系统使用。总体而言，由此促进并增加了可再生能源在能量系统中的比例。此外，这尽可能有效地进行，即，能量存储器优化地运行以用于内部和外部使用。
本发明的另外的优点在于，根据EEG(Erneuerbare Energien Gesetz，德国可再生能量法案)第61k条，同样由能量存储器的运营商承担举证责任。
根据本发明的本地能量市场的特征在于，其包括具有多个能量子系统的能量系统和电气耦合到能量子系统的电网以交换电能，其中，借助电网可以根据优化交换能量子系统之间的电能，并且通过优化，能量子系统的关于其消耗和/或提供电能的、传输到控制单元的报价和/或投标可以被考虑。
换言之，本地能量市场内的能量子系统可以提交出售其产生的电能的报价或获取电能的报价。在此，由控制单元在优化中考虑报价。同样地，考虑将能量存储器划分为第一部分容量和第二部分容量，即相对于能量子系统中的一个而言在内部和外部的使用。其他的能量形式、例如热和/或冷，可以补充地或替代地以与电能类似的方式设置，例如借助热网、远距热网和/或冷网。
产生了与根据本发明的本地能量系统类似和等效的根据本发明的本地能量市场的优点。
根据本发明的用于运行能量系统的方法，其中能量系统包括至少一个能量子系统和中央控制单元，并且能量子系统具有带有总存储容量的能量存储器，并且控制单元基于优化来控制能量存储器，其特征在于，能量存储器的总存储容量被控制单元划分为第一部分容量和第二部分容量以用于优化，其中第一部分容量用于相对于能量子系统而言在内部的使用，并且第二部分容量用于相对于能量子系统而言在外部的使用。
产生了与根据本发明的本地能量系统类似和等效的根据本发明的方法的优点。
根据本发明的有利的设计方案，第一和第二部分容量是优化的变量。换言之，在优化中考虑第一和第二部分容量，使得其构建了目标函数的变量。作为优化的次要条件，可以利用以下事实：两个部分容量的总和始终小于或等于能量存储器的总容量、特别是等于总容量。由此有利地尽可能地优化能量存储器的总容量的(虚拟)划分。
在本发明的有利的扩展方案中，控制单元被构建为用于基于优化的解决方案来控制能量存储器的充电和/或放电。
换言之，控制单元被构建为根据优化的解决方案来运行能量存储器，并且在必要时考虑本地能量市场的交易结果。由此，能量存储器有利地由控制单元根据优化的解决方案尽可能最优地运行。由此有利地进一步改善了能量系统的效率。特别地，确保了能量存储器以及能量子系统根据优化的解决方案来运行。
在本发明的有利的设计方案中，能量系统包括用于在能量子系统与控制单元之间传输数据容器的数据接口，其中所传输的数据容器的数据能够被控制单元至少部分地在优化中考虑。
换言之，可以借助数据接口在控制单元与能量子系统之间双向或单向地交换以数据或数据容器的形式的信息。在此，由控制单元可以在优化中至少部分地考虑数据。例如，对应于或基于能量系统的参数的测量数据由能量子系统传输到控制单元并且在优化中被考虑。
根据本发明的有利的设计方案，能量系统包括用于存储和/或读取借助数据接口来交换的数据容器的数据库。
特别地，由此，所传输的数据可以由控制单元存储，使得控制单元知道相应的能量子系统的真实运行行为。由此，可以有利地确定能量存储器是否已经根据本发明运行。
在此，数据库优选地利用其区块链(英语：Blockchain)来构建。
换言之，没有构建例如存在于控制单元内部的中央数据库，而是借助区块链构建分散的数据库。然而，控制单元可以至少部分地、特别是完全地包括区块链。区块链还可以分散地分布在能量系统的各个能量子系统上。替换地或补充地，可以设置中央数据库，例如电网运营商的中央数据库。
就本地能量市场而言，特别有利的是，报价和/或投标能够借助点对点和/或借助区块链传输到控制单元。替换地或补充地，这可以借助对中央数据库的查询来进行。
在本发明的有利的设计方案中，包括能量存储器的能量子系统是单户住宅或多户住宅。
有利地由此，典型的本地能量生产者和能量消费者，即单户住宅和多户住宅，可以通过本地能量系统进行整合。在此，每个单户住宅或每个多户住宅构建了能量系统的相应能量子系统。特别地，单户住宅借助光伏设备提供电能。此外，单户住宅和/或多户住宅中的一些可以分别具有能量存储器，该能量存储器根据本发明可以有效并且特别高效地被能量系统的另外的单户住宅和/或多户住宅使用。换言之，通过本发明和/或其设计方案中的一个，单户住宅或多户住宅中的一个的能量存储器可以用于能量系统的另外的单户住宅或多户住宅。替换地或补充地，包括能量存储器的能量子系统可以是商业设备、工业设备和/或其他的技术设备。
优选地，能量系统包括多个能量子系统和将能量子系统电气耦合以交换电能的电网。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节从下面所描述的实施例中以及根据附图给出。在此，唯一一个附图示出了根据本发明的设计方案的能量系统的示意性电路图。
类似的、等效的或相同作用的元件可以在附图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
附图示出了根据本发明的设计方案的能量系统1的电路图或者根据本发明的设计方案的本地能量市场10。该附图根据本地能量系统1的示例并且针对电能进行阐述，其中所陈述的内容可以直接地并且明确地转用到本地能量市场10和另外的能量形式，例如热和/或冷。
能量系统1包括能量子系统4、例如单户住宅，能量子系统具有能量存储器40、例如电池存储器。此外，能量系统1包括另外的能量子系统5、例如另外的单户住宅和/或多户住宅。另外的能量子系统5可以同样具有一个能量存储器或多个能量存储器、例如电池存储器。此外，考虑电能的情况，其中本发明不限于电能，并且作为替换或附加，可以想到其他的能量形式，例如热和/或冷。
能量子系统4和另外的能量子系统5经由电网7耦合以交换电能，即电通量或电流。此外，能量系统1包括具有数据库3的中央控制单元2。控制单元2没有分配给能量子系统4、5中的任何一个，而是与此相关地设置在能量子系统4、5的上级，并且由此相对于能量子系统4、5中央地设置。在该意义上，控制单元2构建了控制、调节和/或协调能量系统内部的能量分配的中央协调平台。
具有能量存储器40的能量子系统4还包括光伏设备45和电气负载46。光伏设备产生电能(电流)，该电流能够馈入电网7和/或借助能量存储器40来存储或暂时存储。电流馈入由带有附图标记424的箭头来标识。此外，能量子系统4可从电网7获取电流。该获取由具有附图标记423的箭头来标识。馈入424和提取423示出了物理流。经由从电网7的获取423，同样可以对能量子系统4的能量存储器40、例如电池存储器进行充电。对能量存储器40的物理放电同样可以经由电网7来进行，并且以附图标记424来标识。
能量子系统4还包括本地测量单元43以及本地控制单元44。本地控制单元44设置为用于本地控制能量存储器40。本地控制单元44又可以借助中央控制单元2来控制，从而能量存储器40可以借助中央控制单元2来整体控制。
本地测量单元43可以采集或测量能量存储器和/或能量子系统4的物理参量的值。此外，测量单元43可以借助数据接口523将所采集的测量参量(测量值/测量数据)传输到中央控制单元2，例如用于存储在数据库3内。在控制单元2执行的对能量系统1的运行的优化中，可以考虑所传输的测量数据。另外的能量子系统5具有对应的数据接口523。此外，另外的能量子系统5具有用于从电网7获取电能的对应的接口423和用于将电能馈入电网7的接口424。
控制单元2被构建为用于将能量存储器40的总容量划分为第一部分容量41和第二部分容量42。能量存储器40的这种虚拟划分在附图中由附图标记24表征。对应的虚拟的电流获取由箭头421来表征或标识，并且对应的虚拟的电流输出由箭头422来表征或标识。在优化能量系统1的运行时，特别是在优化能量子系统4的运行时，通过控制单元2考虑能量存储器40的划分24。换言之，第一部分容量41和第二部分容量42是被优化、即被最小化或最大化的目标函数的变量。
此外，第一部分容量41被设置为用于相对于能量子系统4而言在内部的使用，并且第二部分容量42被设置为用于相对于能量子系统4而言在外部的使用。换言之，借助第二部分容量42标明的能量存储器40的电流被设置为用于另外的能量子系统5。借助第一部分容量41标明的电流被设置为用于内部的使用，即用于能量子系统4内部的使用(自身消耗)。由此可以有利地实现在借助能量存储器40所存储的电流的内部的使用和外部的使用方面的分离或标明。根据本发明，在此，划分24不是先验地、临时地、手动地和/或固定地进行，而是该划分由控制单元2尽可能最优地确定或计算。这是因为第一部分容量41和第二部分容量42在优化中被考虑作为变量。作为次要条件，在此规定，部分容量41、42的总和得出总容量，即能量存储器40的物理总容量。由此，本发明能够有利地实现能量存储器40在内部的使用和外部的使用方面的混合运行，该混合运行尽可能最优。由此，可以针对本地能量市场10执行对能量存储器40的自身消耗优化以及市场侧的优化。特别地，针对本地能量市场10给出了更大的灵活性。
例如根据已经借助测量单元43采集并且借助数据接口400或523传输到中央控制单元2或数据库3的测量数据，借助中央数据库3还可以检查能量子系统4、5的实际运行。由此，同样可以对根据中央控制单元2计算出的和确定的能量子系统4、5的最优运行进行控制。
借助控制单元2对部分容量41、42的最优计算通常是取决于时间的。换言之，将能量存储器40划分24为第一和第二部分容量41、42通常在时间上是动态的。由此，针对能量系统内部的能量流灵活地优化分配。例如，优化的时间步长是一小时、一刻钟或更短的时间范围。所使用的时间步长可取决于优化范围，即取决于在优化中被视为整体的时间段，例如一年或一天(英语：Day-Ahead)。
由此，本发明能够实现能量存储器40在所存储的能量的内部使用和外部使用方面的混合运行，使得本地能量市场的内部运行以及外部运行和整体运行都得到改善。
尽管已经在细节上通过优选的实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，或者本领域技术人员可以从其中导出其他的变形，而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 能量系统
2 中央控制单元
3 数据库
4 能量子系统
5 另外的能量子系统
10 本地能量市场
24 对总存储容量的划分
40 能量存储器
41 第一部分容量
42 第二部分容量
43 本地测量单元
44 本地控制单元
45 光伏设备
46 电气负载
421 虚拟的电流获取
422 虚拟的电流输出
423 物理的电流获取
424 物理的电流输出
523 数据接口

Claims (15)

1.一种能量系统(1)，所述能量系统包括中央控制单元(2)和至少一个能量子系统(4)，其中，所述能量子系统(4)包括具有总存储容量的能量存储器(40)，并且所述控制单元(2)至少被构建为用于基于优化来控制所述能量存储器(40)，其特征在于，所述能量存储器(40)的总存储容量能够被所述控制单元(2)划分为第一部分存储容量(41)和第二部分存储容量(42)以用于优化，其中，所述第一部分存储容量(41)被设置为用于相对于所述能量子系统(4)而言在内部的使用，并且所述第二部分存储容量(42)被设置为用于相对于所述能量子系统(4)而言在外部的使用。
2.根据权利要求1所述的能量系统(1)，其特征在于，所述第一部分存储容量和所述第二部分存储容量(41，42)是优化的变量。
3.根据权利要求1或2所述的能量系统(1)，其特征在于，所述控制单元(2)被构建为用于基于优化的解决方案来控制能量存储器(4)的充电和/或放电。
4.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统(1)，其特征在于，所述能量系统包括用于在所述能量子系统(4)与所述控制单元(2)之间传输数据容器的数据接口(523)，其中所传输的数据容器的数据能够被所述控制单元(2)至少部分地在优化中考虑。
5.根据权利要求4所述的能量系统(1)，其特征在于，所述能量系统包括数据库(3)，所述数据库用于存储和/或读取借助所述数据接口(523)交换的数据容器。
6.根据权利要求5所述的能量系统(1)，其特征在于，所述数据库(3)借助区块链来构建。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的能量系统(1)，其特征在于，所述能量子系统(4)包括测量单元(43)，所述测量单元用于采集能量存储器(40)的物理测量参量，其中借助所述测量单元(44)，所采集的测量参量能够借助数据容器经由所述数据接口(523)传输到所述控制单元(2)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统(1)，其特征在于，包括所述能量存储器(40)的能量子系统(4)是单户住宅或多户住宅。
9.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统(1)，其特征在于，所述能量系统包括多个能量子系统(4，5)和将所述能量子系统(4，5)电气耦合以交换电能的电网(7)。
10.一种本地能量市场(10)，其特征在于，所述本地能量市场包括根据权利要求9所述的能量系统(1)，并且借助电网(7)能够根据优化来交换所述能量子系统(4，5)之间的电能，其中，通过优化，能量子系统(4，5)的关于其消耗和/或提供电能的传输到控制单元(2)的报价和/或投标能够被考虑。
11.一种本地能量市场(10)，其特征在于，报价和/或投标能够借助点对点和/或借助区块链传输到控制单元(2)。
12.一种本地能量市场(10)，其特征在于，包括能量存储器(40)的能量子系统(4)至少被构建为用于将针对借助所述能量存储器(40)存储电能的报价传输到控制单元(2)。
13.一种用于运行能量系统(1)的方法，其中，所述能量系统(1)包括至少一个能量子系统(4)和中央控制单元(2)，并且所述能量子系统(4)具有带有总存储容量的能量存储器(40)，其中，所述控制单元(2)基于优化来控制所述能量存储器，其特征在于，所述能量存储器(40)的总存储容量被所述控制单元(2)划分为第一部分存储容量(41)和第二部分存储容量(42)以用于优化，其中所述第一部分存储容量(41)用于相对于能量子系统(4)而言在内部的使用，并且所述第二部分存储容量(42)用于相对于能量子系统(40)而言在外部的使用。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制单元(2)基于优化的解决方案来控制能量存储器(40)的充电和/或放电。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述能量系统(1)具有多个能量子系统(4，5)，其中，所述控制单元(2)基于优化，在考虑到将所述能量存储器(40)划分为所述第一部分存储容量和所述第二部分存储容量(41，42)的情况下，控制所述能量子系统(4，5)之间的电能的交换。
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