CN113692683A - 用于控制能量系统的功率消耗和/或功率输出的控制设备和方法以及低压电网 - Google Patents

用于控制能量系统的功率消耗和/或功率输出的控制设备和方法以及低压电网 Download PDF

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Abstract

提出了一种控制设备(42)，其用于控制能量系统(6)经由低压电网(2)的电网连接点(4)的功率消耗和/或功率输出，其中，借助控制设备(42)能够采集电网连接点(4)处的电网电压。根据本发明，控制设备(42)被构建为：在电网电压低于第一阈值(421)的情况下，降低功率消耗和/或增加功率输出；和/或在电网电压高于第二阈值(422)的情况下，增加功率消耗和/或降低功率输出，第二阈值大于第一阈值(421)。此外，本发明涉及一种用于控制能量系统(6)的功率消耗和/或功率输出的方法以及一种低压电网(2)。

Description

用于控制能量系统的功率消耗和/或功率输出的控制设备和 方法以及低压电网
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的控制设备、一种根据权利要求4的前序部分的方法以及一种根据权利要求8的前序部分的低压电网。
背景技术
能量供应系统通常具有连接参与者，其经由电网接头(英语：Point of CommonCoupling(公共连接点)，缩写：PCC)连接到能量供应系统的配电网。连接参与者通常是能量系统，例如工业设施、私人和/或商业公寓楼。在电网连接点之后，每个能量系统具有用于产生、消耗和/或储存电能的不同的能量设施。例如，能量系统是带有光伏设施的私人公寓楼。
如果在能量系统内消耗和/或产生电功率或能量，则电网连接点处的电压会发生变化。然而，配电网的运营商有义务将电网电压保持在特定的公差内。例如，在德国，低压电网(单相)的电网电压必须具有介于207V与253V之间的值(VDE AR-N 4100)。在此，标准电压，即电网电压的额定值为230V。此外，不得超过低压电网的运行装置的最大允许热极限电流。特别是关于可再生能量及其通过多个能量系统的馈入，在没有其他方法协调能量系统的馈入或消耗的情况下，可能违反提到的限制。
按照现有技术，在低压电网的情况下，通过直接对相应能量系统的组件施加影响、通过电网连接条件和/或使用对应的技术上的运行装置来确保保持在电网电压的限制内。例如，如果电网电压显著下降，则可以借助脉动控制信号关闭能量系统的各个组件，例如热泵。增加的电网电压通常可归因于可再生能量的馈入。在此，迄今通过电网连接条件来限制相关设施、例如光伏设施的额定功率，和/或例如通过固定的相移角
Figure BDA0003301758100000011
预先给定有功功率与无功功率之间的固定比率。
解决提到的关于低压电网的电网电压的问题的另一种可能性是，使用技术上的运行装置，例如可调的地方供电网变电站，其可以动态地调整到线路上的相应的电网电压。然而，这些运行装置与高的开销和成本相关联。提到的方法的共同点是，低压电网的运营商必须始终采取措施以维持电网电压。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种对低压电网的电网电压的改进的控制。
该技术问题通过具有独立权利要求1的特征的控制设备、通过具有独立权利要求4的特征的方法以及通过具有独立权利要求8的特征的低压电网来解决。在从属权利要求中给出了本发明的有利的设计方案和扩展方案。
借助根据本发明的用于控制能量系统经由低压电网的电网连接点的功率消耗和/或功率输出的控制设备，可以在电网连接点处采集电网电压。根据本发明，控制设备被构建为
在电网电压低于第一阈值的情况下，降低功率消耗和/或增加功率输出；和/或
在电网电压高于第二阈值的情况下，增加功率消耗和/或降低功率输出，第二阈值大于第一阈值。
通过时间范围内的功率消耗和/或功率输出，得到了在该时间范围内的对应的消耗的能量量或输出的能量量。在这个意义上，术语功率和能量在本发明中是等效的。
根据本发明，电网电压是时间相关的并且由此被当前地、例如连续地或以离散的时间步长地采集。依据所采集的电网电压的当前值进行根据本发明的控制。在此，控制包括调节。经由能量系统的功率消耗和/或功率输出来控制电网电压是可能的，因为根据本发明，其是低压电网，其中电网电压主要由所交换的有功功率来确定。
电网连接点是如下的区域(PCC)，在该区域内能量系统与低压电网耦合以进行功率交换和/或能量交换。电网连接点也可以被称为链接点。
此外，可以为多个能量系统设置根据本发明的控制，其中能量系统中的每一个借助电网连接点连接到低压电网以进行功率交换(功率消耗和/或功率输出)。
电网电压的正常范围由第一和第二阈值表征或限制。换言之，正常范围由电压范围[u1，u2]表征，其中u1表示电网电压的第一阈值并且u2表示电网电压的第二阈值，其中u1＜u2。电网电压的额定值，例如230V，可以用u0表示并且布置在正常范围[u1，u2]内。优选地，在此u1＝u0-Δu并且u2＝u0+Δu，由此构建了关于电网电压的额定值对称的电网电压的正常范围。该正常范围具有2Δu的大小。例如，根据VDE AR-N 4100，电网电压的额定值为u0＝230V，其中Δu＝23V，因此在此，电网电压的正常范围从207V延伸到253V。
根据本发明，能量系统的功率消耗和/或功率输出因此，至少在特定时间段内，依据电网电压动态地改变，即增加或减少。
根据本发明，在电网电压低于第一阈值的情况下，降低能量系统的功率消耗。换言之，低压电网的负载如此之重，以至于电网电压下降到低于第一阈值。通过根据本发明的对功率消耗的降低，可以有利地减轻低压电网的负载。由此，可以抵抗电网电压的进一步下降。
此外，根据本发明，在电网电压低于第一阈值的情况下，增加能量系统的功率输出。由此，同样可以有利地支持低压电网，使得可以至少减少并且在最好的情况下停止或防止电网电压的下降。
根据本发明，在电网电压高于第二阈值的情况下，增加能量系统的功率消耗，第二阈值大于第一阈值。换言之，低压电网的负载如此之低，以至于电网电压上升到第二阈值以上。通过根据本发明的对功率消耗的增加，可以有利地加重低压电网的负载。由此，可以抵抗电网电压的进一步增加。
此外，根据本发明，在电网电压高于第二阈值的情况下，降低能量系统的功率输出。由此，同样可以有利地支持低压电网，使得可以至少减少并且在最好的情况下停止或防止电网电压的上升。
有利地，根据本发明，可以有利地抵抗电网电压相对于其额定值的变化。由此，电网电压在最好的情况下返回到其正常范围内。为此，根据本发明的控制设备构建了用于采集(当前)电网电压的测量设备，以及关于能量系统的功率消耗和/或功率输出的控制设备和/或调节设备。
本发明的优点是，整体地控制能量系统或者其功率消耗和/或功率输出。因此，有利地不需要在组件级别进行控制，例如关闭热泵或关闭光伏设施。然而，可以附加地设置对各个组件的这种控制。此外，由此可以改进地使用能量系统内的灵活性，例如存储和/或临时存储能量。
此外，由于根据本发明的本地控制，可以省去用于控制/调节其电网电压的低压电网的技术上复杂且昂贵的运行装置。特别地，不需要在一个或多个能量系统与低压电网的控制/调节之间的附加的通信接口。然而，可以附加地设置这些通信接口。
本发明的另外的优点是，可以遵守关于消耗和/或馈入特定能量量的供应合同。这是因为能量量由时间上被积分的功率消耗和/或功率输出得出。由此，只要对功率消耗和/或功率输出的积分是恒定的并且等于待消耗或待供应的能量量，则可以任意地调整或改变功率消耗和/或功率输出。
在根据本发明的用于控制能量系统经由低压电网的电网连接点的功率消耗和/或功率输出的方法中，在电网连接点处采集低压电网的电网电压。根据本发明的方法的特征至少在于以下步骤：
-在电网电压低于第一阈值的情况下，降低功率消耗和/或增加功率输出；和/或
在电网电压高于第二阈值的情况下，增加功率消耗和/或降低功率输出，第二阈值大于第一阈值。
产生了与根据本发明的控制设备类似和等效的根据本发明的方法的优点。
根据本发明的低压电网包括根据本发明的控制设备和/或其设计方案中的一个。
在此，控制设备优选地布置在能量系统的电网连接点处。
产生了与根据本发明的控制设备类似和等效的根据本发明的低压电网的优点。
根据本发明的一种有利的设计方案，功率消耗可以根据
Figure BDA0003301758100000041
Figure BDA0003301758100000042
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure BDA0003301758100000043
表示平均功率消耗，以及fin表示控制的特性曲线，并且在(所采集的)电网电压低于第一阈值的情况下，fin(u(t)-u0)＜0，并且在(所采集的)电网电压高于第二阈值的情况下fin(u(t)-u0)＞0。
换言之，根据特性曲线，功率消耗被有利地控制在平均功率消耗附近的范围内。平均功率消耗可以通过在一个时间间隔T内待提供的能量量ET来表征，即，
Figure BDA0003301758100000044
此外，下标in表示进入能量系统的功率流，即能量系统的功率消耗。特性曲线fin在函数上取决于在时间点t所测量的电网电压u(t)与额定值u0构成的差。在此，原则上可以设置多种函数上的依赖关系。由此，特性曲线fin基本上表征了控制/调节。
特别有利的特性曲线fin通过在u(t)≤u1的情况下fin(u(t)-u0)＝-F1，在u1＜u(t)＜u2的情况下fin(u(t)-u0)＝0以及在u(t)≥u2的情况下fin(u(t)-u0)＝F2来表征，其中，在此F1和F2是恒定的并且大于零。换言之，能量系统的功率消耗Pin在u(t)≤u1的范围内减少或降低到
Figure BDA0003301758100000051
上，在u(t)≥u2的范围内增加到
Figure BDA0003301758100000052
上，并且在u1＜u(t)＜u2的范围内未改变地保持在
Figure BDA0003301758100000053
中。换言之，fin(u(t)-u0)＝-F1Θ(u1-u(t))+F2Θ(u(t)-u2)，其中，Θ表示亥维赛函数(Heaviside-Funktion)，其通过x＜0时Θ(x)＝0并且x≥0时Θ(x)＝1来定义。如果在时间段T内设置固定或特定的供应能量或能量量，则特性曲线必须满足条件∫Tfin(u(t)-u0)dt＝0。该条件可以暗示F1与F2之间的关联。优选地，F1＝F2。
在本发明的一种有利的设计方案中，功率输出可以根据
Figure BDA0003301758100000054
Figure BDA0003301758100000055
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure BDA0003301758100000056
表示平均功率输出，以及fout表示控制的特性曲线，并且在(所采集的)电网电压低于第一阈值的情况下，fout(u(t)-u0)＜0，并且在(所采集的)电网电压高于第二阈值的情况下，fout(u(t)-u0)＞0。
换言之，根据特性曲线，功率输出被有利地控制在平均功率输出附近的范围内。平均功率输出可以通过在一个时间间隔T内待提供的能量量ET来表征，即，
Figure BDA0003301758100000057
此外，下标out表示从能量系统进入低压电网的功率流，即能量系统的功率输出。特性曲线fout在函数上取决于在时间点t所测量的电网电压u(t)与额定值u0构成的差。在此，原则上可以设置多种函数上的依赖关系。由此，特性曲线fout基本上表征了控制/调节。
特别有利的针对功率输出的特性曲线fout同样通过已经针对功率消耗的情况所讨论并且描述的特性曲线给出。换言之，在此优选地，fout(u(t)-u0)＝-F1Θ(u1-u(t))+F2Θ(u(t)-u2)。当前，功率输出与功率消耗之间的差异体现在针对Pout或Pin的等式中的不同符号中。总而言之，可以针对功率消耗和功率输出使用用于控制/调节的共同的等式
Figure BDA0003301758100000058
Figure BDA0003301758100000059
其中在此，关于能量系统，功率消耗Pin被视为正，并且功率输出Pout被视为负。换言之，sgn(Pin)＝1并且sgn(Pout)＝-1。优选地，fin＝fout。然而，原则上可以为功率消耗和功率输出设置不同的特性曲线。重要的是，在商定的能量量的情况下，该商定的能量量还通过变化或改变功率来遵守。换言之，在商定的能量量E的情况下，无论功率消耗或功率输出如何，都必须始终满足E＝∫TP(t)dt。在此，P(t)表示当前的带有符号的功率，其针对功率消耗假定为正值，并且针对功率输出假定为负值。
根据本发明的一种有利的设计方案，由此有利地控制功率消耗和/或功率输出，使得在时间范围内经由电网连接点交换的能量量等于所规定的能量量。
由此，例如在时间范围T内交换的所规定的能量量被有利地遵守。然而，可以经由功率交换来实现对电网电压的对电网有益的并且本地的控制/调节。
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。在此示意性地：
图1示出了连接到低压电网的能量系统；
图2示出了有利的特性曲线的线图；以及
图3示出了功率消耗的示例性时间走向的线图。
类似的、等效的或相同作用的元件可以在附图中的一个中或者在附图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了示意性的能量系统6，其经由电网连接点4连接到低压电网2以进行功率交换和/或能量交换。
低压电网2是具有例如230V(单相)的标称电压(额定值)的配电网。电网电压是低压电网2的当前电压，其通常在其额定值附近变化。替换地，电网电压的额定值是400V(三相)。低压电网2的额定值可以高达1000V。可以设置电网电压的另外的额定值，特别是在德国或欧洲之外。重要的是，能量系统6与低压电网2之间的功率交换主要由有功功率来确定，使得用于识别是否存在本发明的意义上的低压电网2的电网电压的额定值是次要的。
此外，图1中示出了用于另外的未示出的能量系统的多个电网连接点4。
能量系统6可以具有多个组件61，特别是能量技术设施。例如，能量系统6是具有至少一个热泵和光伏设施作为组件61或能量技术设施的私人公寓楼。在此，功率和/或能量经由电网连接点4进行交换。换言之，能量系统6，例如其热泵，消耗电能并且将已经借助光伏设施产生的电能经由电网连接点2馈入到低压电网2中。
根据本发明，设置了控制设备42，其被设计为依据低压电网2的电网电压来控制能量系统6与低压电网2之间的功率交换和/或能量交换。在此，控制的概念包括调节。此外，控制设备42被构建为用于采集电网电压或其当前值。
控制设备42被构建为，依据所采集的电网电压，在电网电压低于第一阈值的情况下，降低能量系统6的功率消耗。此外，控制设备42被构建为，依据所采集的电网电压，在电网电压低于第一阈值的情况下，增加能量系统6的功率输出。
此外，控制设备42被构建为，依据所采集的电网电压，在电网电压高于第二阈值的情况下，增加能量系统的功率消耗，第二阈值大于第一阈值。此外，控制设备42被构建为，依据所采集的电网电压，在电网电压高于第二阈值的情况下，降低能量系统的功率输出。
换言之，借助控制设备42依据所采集的电网电压，低压电网2与能量系统6之间的功率交换被控制为，使得抵抗电网电压偏离由阈值限定的正常范围。例如，电网电压的额定值为230V，第一阈值为207V，并且第二阈值为253V。如果采集到低于和/或处于207V的电网电压，则降低能量系统6的功率消耗和/或增加能量系统6的功率输出。如果采集到高于和/或处于253V的电网电压，则增加能量系统6的功率消耗和/或降低能量系统6的功率输出。由此，有利地对电网电压产生积极影响，使得该电网电压在最好的情况下恢复到其203V与253V之间的正常范围中。
图2示出了有利的特性曲线423的线图。
在线图的横坐标100上，差u(t)-u0以任意单位绘制，其中u(t)表示在时间点t所采集的电网电压，并且u0表示电网电压的额定值。
在纵坐标101上绘制了在当前情况下无量纲的特性曲线423的值。
可以为功率消耗和/或功率输出设置特性曲线423。功率交换或能量交换借助特性曲线423或基于该特性曲线通过
Figure BDA0003301758100000071
Figure BDA0003301758100000072
来控制。在此，关于能量系统6，功率消耗Pin被视为正，并且功率输出Pout被视为负。换言之，sgn(Pin)＝1并且sgn(Pout)＝-1。优选地，如所示的，fin＝fout。
所示出的特性曲线423具有函数表示fin/out(u(t)-u0)＝-F1Θ(u1-u(t))+F2Θ(u(t)-u2)，其中Θ表示亥维赛函数(Heaviside-Funktion)，其通过x＜0时Θ(x)＝0并且x≥0时Θ(x)＝1来定义。此外，u1表示第一阈值421并且u2表示第二阈值422。
图3示出了功率消耗的示例性时间走向424的线图。
在线图的横坐标100上，时间以任意单位绘制。
在线图的纵坐标101上，功率消耗以任意单位绘制。
走向424或者曲线424说明了功率消耗的时间走向424。
此外，示出了时间范围T，该时间范围由开始时间点103和结束时间点104限制。换言之，为T＝[t0，t1]，其中t0表征开始时间点104并且t1表征结束时间点。在时间范围T内，应当由能量系统6消耗能量量ET。换言之，应当将能量量ET经由低压电网2供应给能量系统6。这对应于平均功率消耗
Figure BDA0003301758100000081
其通过虚线曲线420来表示。通常，能量系统6的功率消耗以基本上恒定的功率来进行，该基本上恒定的功率对应于平均功率。
在第一时间点105，所采集的电网电压低于第一阈值421。由此，控制设备42相对于平均功率消耗420降低了功率消耗。这一直进行到第二时间点106。从时间点106起，功率消耗相对于其平均值420增加，例如因为电网电压位于第二阈值422以上。替换地或补充地，能量量ET必须提供给能量系统6，使得在相对于平均功率消耗较低的功率消耗的时间范围之后，必须始终存在相对于该时间范围T内的平均功率消耗增加的功率消耗的时间范围。
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
2 低压电网
4 电网连接点
6 能量系统
42 控制设备
61 组件
100 横坐标
101 纵坐标
103 开始时间点
104 结束时间点
105 第一时间点
106 第二时间点
420 虚线(平均功率)
421 第一阈值
422 第二阈值
423 特性曲线
424 曲线(功率消耗的时间走向)

Claims (11)

1.一种用于控制能量系统(6)经由低压电网(2)的电网连接点(4)的功率消耗和/或功率输出的控制设备(42)，其中，借助所述控制设备(42)能够采集电网连接点(4)处的电网电压，其特征在于，所述控制设备(42)被构建为
在所述电网电压低于第一阈值(421)的情况下，降低功率消耗和/或增加功率输出；和/或
在所述电网电压高于第二阈值(422)的情况下，增加功率消耗和/或降低功率输出，所述第二阈值大于所述第一阈值(421)。
2.根据权利要求1所述的控制设备(42)，其特征在于，功率消耗能够根据
Figure FDA0003301758090000011
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure FDA0003301758090000012
表示平均功率消耗(420)，以及fin表示控制的特性曲线(423)，并且在所述电网电压低于第一阈值(421)的情况下，fin(u(t)-u0)＜0，并且在所述电网电压高于第二阈值(422)的情况下，fin(u(t)-u0)＞0。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备(42)，其特征在于，功率输出能够根据
Figure FDA0003301758090000013
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure FDA0003301758090000014
表示平均功率输出，以及fout表示控制的特性曲线(423)，并且在所述电网电压低于第一阈值(421)的情况下，fout(u(t)-u0)＜0，并且在所述电网电压高于第二阈值(422)的情况下，fout(u(t)-u0)＞0。
4.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备(42)，其特征在于，功率消耗和/或功率输出能够根据
Figure FDA0003301758090000015
Figure FDA0003301758090000016
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure FDA0003301758090000017
表示平均功率消耗(420)，并且fin/out表示控制的相应的特性曲线(423)，其中，分别是fin/out(u(t)-u0)＝-F1Θ(u1-u(t))+F2Θ(u(t)-u2)，并且F1和F2是恒定的并且大于零。
5.一种用于控制能量系统(6)经由低压电网(2)的电网连接点(4)的功率消耗和/或功率输出的方法，其中，在电网连接点(4)处采集低压电网(2)的电网电压，其特征在于步骤：
-在所述电网电压低于第一阈值(421)的情况下，降低功率消耗和/或增加功率输出；和/或
在所述电网电压高于第二阈值(422)的情况下，增加功率消耗和/或降低功率输出，所述第二阈值大于所述第一阈值(421)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，功率消耗根据
Figure FDA0003301758090000021
Figure FDA0003301758090000022
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure FDA0003301758090000023
表示平均功率消耗(420)，以及fin表示控制的特性曲线(423)，并且在所述电网电压低于第一阈值(421)的情况下，fin(u(t)-u0)＜0，并且在所述电网电压高于第二阈值(422)的情况下，fin(u(t)-u0)＞0。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，功率输出根据
Figure FDA0003301758090000024
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure FDA0003301758090000025
表示平均功率输出(420)，以及fout表示控制的特性曲线，其中，当所述电网电压低于第一阈值(421)时，fout(u(t)-uSoll)＜0，并且当所述电网电压高于第二阈值(422)时，fout(u(t)-u0)＞0。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，功率消耗和/或功率输出根据
Figure FDA0003301758090000026
Figure FDA0003301758090000027
来改变，其中u(t)表示所采集的电网电压，u0表示电网电压的额定值，
Figure FDA0003301758090000028
表示平均功率消耗(420)，并且fin/out表示控制的相应的特性曲线(423)，其中，分别是fin/out(u(t)-u0)＝-F1Θ(u1-u(t))+F2Θ(u(t)-u2)，并且F1和F2是恒定的并且大于零。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，功率消耗和/或功率输出被控制为，使得在时间范围内经由所述电网连接点(4)交换的能量量等于所规定的能量量。
10.一种低压电网(2)，所述低压电网包括针对能量系统(6)的至少一个电网连接点(4)，其特征在于，所述低压电网包括根据权利要求1至4中任一项所述的控制设备(42)。
11.根据权利要求10所述的低压电网(2)，其特征在于，所述控制设备(42)布置在能量系统(6)的电网连接点(4)处。
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