CN115843405A - 用于控制能量系统的部件之间的能量流的设备和方法 - Google Patents

用于控制能量系统的部件之间的能量流的设备和方法 Download PDF

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Abstract

使用优化方法来控制能量网络中的能量流，在该优化方法中考虑了能量网络中的参与者的规格。在利用优化方法的计算中，考虑线路中的损失作为约束条件，该线路将参与者相互连接。

Description

用于控制能量系统的部件之间的能量流的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制能量网络的参与者之间的能量流的设备和方法，其中，参与者可以是能量消耗者、能量生产者或产消合一者(Prosumer)。参与者通过具有线路的能量传输网络至少部分地相互连接。为了进行控制，使用优化方法预先计算时间段内的能量流。根据计算的结果来控制该时间段内的能量流。
背景技术
能量网络具有至少两个、但通常多个参与者。参与者是能量生产者、能量消耗者或产消合一者。参与者例如可以是私人家庭。私人家庭可以作为纯能量消耗者出现。然而，近年来，例如当私人家庭具有光伏设备或蓄电池(家用电池)时，私人家庭也越来越多地作为能量生产者或能量存储器出现。
参与者也可以是诸如商店、工厂、农场或游泳池之类的企业。与私人家庭一样，所有这些企业在大多数情况下至少作为能量消耗者出现，但也越来越多地作为能量生产者出现。诸如燃煤发电厂、燃气轮机、大型光伏设备或风能设备之类的发电者也作为参与者出现，其通常作为纯能量生产者。
能量网络可以是电气能量网络、即电力网络。在这种情况下，其可以是国家供电网络或局部限制的电网，其中，局部限制的电网完全可以是国家供电网络的一部分、即不必与国家供电网络分开。在这种情况下，能量网络可以与局部能量市场相关联。
替换地或附加地，能量网络可以是热网，在该热网中，在参与者之间交换热量。
为了交换能量，参与者借助线路相互连接。在此，在所有参与者之间通常不存在直接连接，而是更确切地说，连接通常分级地构建。例如，在电网中，能量网络通常划分为本地网络，其连接狭窄地限制在本地的参与者群体。本地网络通过中压线路与其他本地网络连接。最后，还存在用于大规模连接子电网的高压线路。
参与者之间的能量流、即通过能量网络的线路的能量交换可以由协调平台进行组织。为此，协调平台可以执行优化方法。借此尽可能高效地或最佳地提前、例如提前一天(Day-Ahead)计算参与者之间的能量流。然后根据优化方法的结果来控制能量流。
此外，协调平台可以被设计为交易平台，从而参与者可以给出销售报价和购买报价。在优化中可以考虑能量形式方面的销售报价和购买报价，其中，尽可能最大的并且在这个意义上尽可能最佳的能量转换通常是有利的。
用于协调能量流的已知方法的缺点在于，由于线路的物理结构，馈入的功率与可提取的功率之间存在偏差，这被单方面地归咎于网络运营商。
发明内容
本发明要解决的技术问题是避免所指出的缺点。尤其应创建一种用于控制能量流的设备和方法，利用该设备和方法避免由于线路中出现的损失而给网络运营商带来的单方面负担。该设备和方法在此尤其应实现总损失的最小化。
该技术问题通过具有权利要求1的特征的设备来解决。另外的解决方案在于具有权利要求12的特征的方法。
根据本发明的设备被设计为用于控制能量网络的参与者之间的能量流，其中，参与者通过线路相互连接。
此外，该设备被设计为借助优化方法预先计算时间段内的能量流，并且根据计算的结果控制该时间段内的能量流。
在此，该设备被设计为在借助优化方法的计算中将在线路中的能量流中出现的损失计算在内。
在根据本发明的用于控制能量网络的通过线路相互连接的参与者之间的能量流的方法中，借助优化方法预先计算时间段内的能量流。此外，根据计算的结果控制该时间段内的能量流。在此，在借助优化方法的计算中将在线路中的能量流中出现的损失计算在内。
如开篇所述，参与者优选地是多个参与者，每个参与者作为消耗者、生产者、存储器或这些可能性的组合出现。
对于本发明，已知认识到的是，在已知的能量市场中没有考虑网络本身。换句话说，在没有网络边界条件的情况下行动，就像电网例如是铜板一样，但这无论在电网还是在热网的情况下都不恰当。由于这种对网络属性的忽视，电网运营商必须取得其网络损失，因为否则将会在生产和消耗之间留下缺额。
本发明通过考虑在参与者之间的线路中出现的损失来弥补该空缺，并且借此确保网络运营商不会单方面承担损失。
根据本发明的设备和方法的有利的设计方案由从属权利要求得出。在此，独立权利要求的实施方式可以与从属权利要求之一的特征组合或者优选地也与来自多个从属权利要求的特征组合。相应地，附加地还可以设置以下特征：
合适的是，对于线路之一的损失通过针对该线路的约束条件进行描述，其中，将该约束条件纳入计算中。也合适的是，为每条线路设置这样的约束条件，以便考虑能量网络中的所有损失。
该设备优选地包括通信接口。由此使得能够进行必要的数据交换，利用其执行对能量流的控制。通信接口可以是到互联网的连接。替换地或附加地，通信接口也可以具有到另外的、可选地也专用的通信网络的连接。
第一种这样的合适的数据交换是接收包含关于能量网络的线路中的损失率的说明的数据。例如可以从网络运营商接收该数据。在此，可以针对每个计算时间段(例如一天)重新接收该数据；但是也可以一次性地或仅在特定情况下接收并临时存储该数据。
另一种这样的合适的数据交换是从能量生产者接收最低的销售价格并且从能量消耗者接收最高的购买价格。这些值构成了用于优化方法并且因此用于能量流计算的基础。
另一种这样的合适的数据交换是将数据发送到参与者，该数据包括用于控制功率流的控制信息。该数据是优化方法的结果，或者由该结果确定并返回给能量网络的参与者。
因此，通信接口优选地双向地设计并且允许数据接收和数据发送。
另一种这样的合适的数据交换是接收能量生产者能够提供的最大能量量和能量消耗者能够汲取的最大能量量。
在本发明的一种设计方案中，针对至少一条所述线路，使用线路中所传输的功率的可确定份额作为损失。由此使得计算在优化方法的范畴内尽可能简单和省时。
能量网络可以是电能网络、即电力网络。能量网络也可以是热网，在该热网中，在参与者之间交换一种或多种类型的热能、例如热水。能量网络也可能是不仅交换电能而且交换热能的网络。在这样的网络中，可能存在重叠，即在两种能量的生产(例如热电联产厂)中但也在两种能量形式的消耗(例如私人家庭)中存在共同节点。
如果线路中的能量是电能，则可以使用PV＝nRI2作为线路中的损失，其中，n是电气相的数量，PV是损失功率，R是线路的电阻，并且I是线路中的电流。
如果能量是热能，则可以使用线路的绝热、线路中的流动温度、外部温度、线路中的流动速度和/或热容量的函数作为线路中的损失。
对于优化方法的求解有利的是，针对损失，将损失的分段式线性化形式计算在内。
此外，在优化方法中可以将每个能量生产者能够提供的最大能量量和每个能量消耗者能够汲取的最大能量量计算在内。
利用所描述的部件和方法(尤其用于控制的设备或方法以及参与者)，可以有利地创建具有连接参与者的能量网络的局部能量市场。在局部能量市场中，在考虑参与者规格的情况下，能量局部地、即狭窄地限制在本地地进行交换。
可以直接加载到电子计算设备的存储器中的计算机程序可以包括程序装置，以便当在电子计算设备中实施该计算机程序时实施用于控制能量流的方法的步骤。
计算机程序可以存储在电子可读的数据载体上，在该电子可读的数据载体上存储有电子可读的控制信息，其中，控制信息被设计为，当在电子计算设备中使用数据载体时，该控制信息执行用于控制能量流的方法。
附图说明
下面根据图1结合实施例更详细地描述和阐述本发明。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有局部电力网络10的局部能量市场100。电力网络10包括一系列参与者11，其包括多个私人家庭12、企业13和风力发电厂14。电力网络10与全国供电网络20连接，因此不形成孤岛网络。参与者11通过线路16相互连接，其中，存在每个参与者11与每个其他参与者11的直接连接，但是是总线式连接。参与者11可以通过线路16相互交换电功率。
风力发电厂14是纯电力生产者。一部分私人家庭12和企业13充当纯电力消耗者，而另外一部分作为电力消耗者和电力生产者出现。
局部能量市场100由控制设备102进行控制和协调。为此，控制设备102控制或调节电力网络10的参与者11之间的电流。为此，控制设备102被设计为借助优化方法在时间段内、例如从t＝0到t＝T来计算参与者11之间的电流。为此，控制设备102需要参与者11的物理和技术参数，该物理和技术参数部分地是恒定的、但部分地也在不同的时间段发生变化。
为了获得这些参数，控制设备102包括通信接口104、例如到互联网的连接。参与者11也与互联网连接，由此得到控制设备102和参与者11之间的双向数据交换的可能性。
能量网络10中的所有能量生产者，即在给定示例中的风力发电厂14和那些例如具有光伏设备的私人家庭12和企业13，至少将其在时间点t能够提供的最大能量量
Figure BDA0003995647710000051
(例如以千瓦时为单位)以及其最低销售价格/>
Figure BDA0003995647710000052
(例如以分/千瓦时为单位)传输到控制设备102。控制设备102被设计为从参与者11接收该数据。作为销售价格的替换或补充，可以将二氧化碳排放量和/或一次能源使用/>
Figure BDA0003995647710000053
传输到控制设备102。存储了在时间点t能够提供的最大能量量和在时间点t的最低销售价格/>
Figure BDA0003995647710000054
的数据包可以被称为销售报价(英文：Sell-Order)。
能量消耗者、即私人家庭12和企业13至少将其在时间点t能够汲取的最大能量量
Figure BDA0003995647710000055
(例如以千瓦时为单位)以及其最大购买价格/>
Figure BDA0003995647710000056
(例如以分/千瓦时为单位)传输到控制设备102。作为购买价格的替换或补充，可以将二氧化碳排放量和/或一次能源使用传输到控制设备102。存储了在时间点t能够汲取的最大能量量和在时间点t的最高购买价格/>
Figure BDA0003995647710000057
的数据包可以被称为购买报价(英文：buy order)。
如果能量网络10还包括能量存储器，则该能量存储器至少传输能够提供的最大存储容量
Figure BDA0003995647710000058
(例如以千瓦时为单位)、初始充电状态/>
Figure BDA0003995647710000059
(例如以千瓦时为单位)、最大充电功率/>
Figure BDA0003995647710000061
最大放电功率/>
Figure BDA0003995647710000062
(例如以千瓦为单位)、其充电效率η充电、其放电效率η放电(例如以百分比为单位)，以及可能的与时间有关的针对每放电能量量的最低报酬/>
Figure BDA0003995647710000063
(例如以分/千瓦时为单位)。存储了针对能量存储器所提到的参数的数据包可以被称为存储报价(英文：Storage-Order)。
将借助数据传输的参数用于优化方法的参数化。优化方法通常包括目标函数，其结果应被最小化或最大化。目标函数包括其值是优化方法的结果的变量和在执行优化时不改变的参数。当所有参数都具有特定值时，优化方法被参数化。在当前情况下，优化方法的变量是部件之间的能量流。通常，提前一天、即为未来一天计算能量流。目标函数可以是能量系统的总二氧化碳排放量、能量系统的总一次能源使用和/或能量系统的总成本。
根据上面提及的参数，一种有利的目标函数通过如下给出：
Figure BDA0003995647710000064
在此，下标k代表参与者11，下标n代表电力网络10的网络节点18，下标t代表时间点t。内部求和下标i代表与网络节点18n连接的另外的网络节点18。
Figure BDA0003995647710000065
和Pi,n,t是目标函数的变量。借助控制设备102执行的优化方法将所提及的目标函数最小化并且确定或者说计算变量
Figure BDA0003995647710000066
和Pi,n,t。在此，/>
Figure BDA0003995647710000067
是在时间点t在网络节点n处的能量生产者k的功率，/>
Figure BDA0003995647710000068
是在时间点t在网络节点n处的能量消耗者k的功率，/>
Figure BDA0003995647710000069
是在时间点t在网络节点n处的能量存储器k的放电功率，Pi,n,t是在时间点t在网络节点i和网络节点n之间的有效线路容量，其中，为此针对能量传输网络的使用产生网络费用
Figure BDA00039956477100000610
优化问题、即计算目标函数的最大值或最小值，通常在约束条件下进行。例如，对于所有网络节点18n和在要考虑的时间段内的所有时间点t必须在物理上满足：
Figure BDA0003995647710000071
在此，Pi,n,t,out代表在网络节点18n处从线路16提取的功率，Pi,n,t,in代表在网络节点18n处馈入线路的功率。
此外，为每个能量生产者、即例如风能设备14设置约束条件
Figure BDA0003995647710000072
Figure BDA0003995647710000073
为每个能量消耗者设置约束条件/>
Figure BDA0003995647710000074
并且为能量存储器(柔性类型1)设置约束条件/>
Figure BDA0003995647710000075
和
Figure BDA0003995647710000076
可以借助约束条件
Figure BDA0003995647710000077
对可偏移的负载进行建模，从而在优化方法中加以考虑。
可以考虑其他物理/技术约束条件，例如功率只接受正值或网络边界条件。尤其可以在优化方法中借助进一步的约束条件考虑电力类型、例如来自光伏发电的电力、和/或能量消耗者的偏好和/或能量生产者的偏好。对于多种类型的电力(电力类型)，上述方程分别适用。在具有物理基础的方程、例如针对能量存储器的物理边界条件中，功率的总和由各个电力类型形成。
因此，对于从节点i到j的功率流还适用：Pi,j,Pj,i>＝0和Pi,j<＝Pi,j,t,max。
为了考虑线路损失，引入了以下进一步的约束条件，其中，将上面介绍的所提取和所馈入的功率关联起来：
Pi,j,out＝Pi,j,in*(1-αi,j)
损失率αi,j例如可以是常数。在其他设计方案中，也可以使用详细的公式，其中，损失率取决于电流强度和线路阻抗。
三相电网中的有功功率损失(网络损失功率)与网络阻抗的实部以及电流强度的平方成正比(对称负载情况)：
Pv＝3RI2
假设在局部能量市场100的一部分中、例如在变电站下方存在相同的额定电压，由此网络损失以二次方的关系取决于所传输的有功功率。额定电压例如可以是400V。
由于所传输的有功功率作为变量包含在匹配算法中，因此损失不仅可以作为常量分量进行计算，而且在已知相应的线路阻抗的情况下还可以以更准确的形式包含在内。
在一种替换的设计方式中，还可以在优化问题中使用损失系数的分步线性化，以便避免二次方优化的复杂性。
在借助控制设备102计算出能量流之后，将计算出的值传递到、即借助控制设备102或通过控制设备102的通信接口104传输到参与者11。由此确保参与者11和因此能量系统根据优化方法的解以最佳可能的方式运行。换句话说，控制设备102基于优化方法的解来控制参与者11。因此，电力网络10的效率、例如最大能量转换得到改善。
所描述的优化问题可以通过以下方法进行创建、参数化和后续求解(时间流程)：
组织电力网络10的运行的方法的流程如下：
在第一步骤中，电力网络10的供电网络运营商在能量交易前一天确定相应线路16的损失系数αi,j。在此，损失系数可以是恒定的值或者例如作为取决于功率的分步函数αi,j(Pt)给出。
在第二步骤中，供电网络20的运营商将网络拓扑和计算出的损失系数传送到局部能量市场100、即局部能量市场100的运营商平台。因此，损失系数可供控制设备102使用。
局部能量市场100中的参与者11将其用于购买和馈入电力的相应报价传送到控制设备102。
由此，控制设备102具有在第三步骤中在考虑所有约束条件的情况下解决所描述的优化问题所必需的数据。
如果到了以这种方式通过优化方法计算出的时间段、例如第二天，则在第四步骤中根据优化问题的解来运行电力网络10。
在此特别有利的是，从一开始就考虑在线路16中出现的损失。由此，供电网络20的运营商不会被迫馈入不被任何消耗者购买并且因此也不被支付的附加功率。
所描述的方法也可以用于远距离供热网络。在此，损失率αi,j例如可以是功率的函数，也可以取决于远距离供热网络中的流动温度、地面/外部温度或其他环境状态。可以通过模型来描述损失率与功率、流动温度和地面温度的依赖关系，该模型的参数可以通过在控制设备102中采集的数据来确定。
附图标记列表
10 电力网络
11 参与者
12 私人家庭
13 企业
14 风力发电厂
16 线路
18 网络节点
20 供电网络
100 局部能量市场
102 控制设备
104 通信接口

Claims (13)

1.一种用于控制能量网络(10)的参与者(11)之间的能量流的设备(102)，所述参与者通过线路(16)相互连接，其中，所述设备(102)被设计为借助优化方法预先计算时间段内的能量流，并且根据计算的结果控制所述时间段内的能量流，
其特征在于，所述设备(102)被设计为在借助所述优化方法的计算中将在所述线路(16)中的能量流中出现的损失计算在内。
2.根据权利要求1所述的设备(102)，所述设备被设计为针对至少一部分、尤其所有所述线路(16)将约束条件计算在内，所述约束条件说明了所述线路(16)中的损失。
3.根据权利要求1或2所述的设备(102)，所述设备具有通信接口(104)，所述通信接口用于与所述参与者(11)进行双向数据交换，其中，所述设备(102)被设计为在优化方法中、尤其在约束条件中考虑至少一部分从参与者(11)接收到的数据。
4.根据权利要求3所述的设备(102)，所述设备被设计为接收数据，所述数据包含关于所述能量网络(10)的线路(16)中的损失率的说明。
5.根据权利要求3或4所述的设备(102)，所述设备被设计为将数据发送到所述参与者(11)，所述数据包括用于控制功率流的控制信息。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备(102)，所述设备被设计为从能量生产者接收最低的销售价格并且从能量消耗者接收最高的购买价格。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备(102)，所述设备被设计为接收能量生产者能够提供的最大能量量和能量消耗者能够汲取的最大能量量。
8.根据上述权利要求中任一项所述的设备(102)，所述设备被设计为，针对至少一条所述线路(16)，使用所述线路(16)中所传输的功率的能够确定的份额作为损失。
9.根据上述权利要求中任一项所述的设备(102)，其中，能量是电能，并且其中，对于所述线路(16)之一，使用PV＝nRI2作为所述线路中的损失，其中，n是电气相的数量，PV是损失功率，R是所述线路的电阻，并且I是所述线路(16)中的电流。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(102)，其中，能量是热能，并且其中，对于所述线路(16)之一，使用所述线路(16)的绝热、所述线路(16)中的流动温度、外部温度、所述线路(16)中的流动速度和/或热容量的函数作为所述线路(16)中的损失。
11.根据上述权利要求中任一项所述的设备(102)，所述设备被设计为在所述优化方法中针对损失将分段式线性化形式计算在内。
12.一种用于控制能量网络(10)的参与者(11)之间的能量流的方法，所述参与者通过线路(16)相互连接，在所述方法中，
-借助优化方法预先计算时间段内的能量流，
-根据计算的结果控制所述时间段内的能量流，
其特征在于，在借助所述优化方法的计算中将在所述线路(16)中的能量流中出现的损失计算在内。
13.一种局部能量市场(100)，所述局部能量市场具有能量网络(10)和多个参与者(11)以及根据权利要求1至11中任一项所述的设备(102)，所述参与者通过线路(16)相互连接。
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