DE102010030093A1

DE102010030093A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Austausches von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102010030093A1
Application number: DE102010030093A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Dipl.-Wirtsch.-Ing. Kaestle; Thomas Dipl.-Ing. Hesse; Ralf Dipl.-Ing. Hesse; Hans Peter Prof. Dr.-Ing. Beck; Martin Dr. Kleimaier
Original assignee: Technische Universitaet Clausthal
Current assignee: Technische Universitaet Clausthal
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Austausches elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer elektrischen Anlage, wobei die elektrische Anlage Mittel zum Steuern eines elektrischen Stromflusses zwischen einem Stromversorgungsnetz und der elektrischen Anlage aufweist, Mittel zum Erfassen von netzbezogenen Zustandsdaten am Netzanschlussort der Anlage vorgesehen sind und der Vorrichtung Mittel zur Bestimmung des Ortes der Anlage zugeordnet sind. Die elektrische Anlage besteht mindestens aus einem elektrischem Verbraucher oder Erzeuger und/oder einem Energiespeicher, wobei das Steuern des Austausches elektrischer Energie zwischen dem Stromversorgungsnetz und der Anlage in Abhängigkeit von orts- und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Austausches von elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer elektrischen Anlage, wobei die elektrische Anlage aus mindestens einem elektrischem Verbraucher oder Erzeuger und/oder einen Energiespeicher besteht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Austausches von elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer elektrischen Anlage, bestehend mindestens aus einem elektrischen Verbraucher oder Erzeuger und/oder einen Energiespeicher, wobei die an einem Stromversorgungsnetz angeschlossene elektrische Anlage mit dem Stromversorgungsnetz elektrische Energie austauscht.
Die DE 10 2005 026 062 A1 schlägt eine Umrichtersteuerung vor, die eine fiktive rotierende Masse nachbildet. Dieses Konzept wird auch in Martin Boxleitner, Günther Brauner: Virtuelle Schwungmasse, IEWT 2009, Internationale Energiewirtschaftstagung, Wien, 11.–13.02.2009 vorgestellt. WO 2009 022 198 zeigt die Emulation einer Synchronmaschine durch einen Umrichter mittels einer modellbasierten Phasenstromregelung.
Die DE 628 338 beschreibt ein Verfahren, wie ein Belastungsausgleich in elektrischen Netzen stattfindet, indem elektrische Verbraucher mittels spannungsabhängiger Schaltvorrichtungen selbsttätig zu- und abschalten. Analog zeigt die US 4317049 einen Lastschalter, der auf die Frequenz reagiert.
Der Einsatz von Statiken, d. h. linearer Kennlinien zur Steuerung von Blind- und Wirkleistung, in dezentralen Anlagen, die an Stromversorgungsnetze der niederen Spannungsebenen angeschlossen sind, ist bekannt. Vgl. Beispielsweise mit: Alfred Engler: Applicability of droops in low voltage grids, International Journal of DER Journal, Vol 1 No 1, 2005, S. 3–15.
Aus der DE 103 31 084 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für Fahrzeuge mit einem Elektromotor bekannt, wobei der Elektromotor durch einen in dem Fahrzeug integrierten Energiespeicher gespeist wird. Es sind Mittel zum Steuern vorgesehen, so dass zum einen der Energiespeicher mit einem aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz gespeisten elektrischen Strom geladen wird. Zum anderen sind Mittel zum Steuern vorgesehen, so dass in einem vorgegebenen Zeitabschnitt, beispielsweise zu einer Mittagszeit, ein Speise strom von dem Energiespeicher an das Stromversorgungsnetz abgegeben werden kann. Der Energiespeicher kann somit zur Abdeckung von Spitzenlasten des Energieversorgungsnetzes herangezogen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern des Austausches von elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer elektrischen Anlage anzugeben, so dass zum einen ein zuverlässiger und sicherer Betrieb der elektrischen Anlage ermöglicht wird und zum anderen die Stabilisierung des Stromversorgungsnetzes effektiv und einfach gestaltet werden kann. Es ist dabei das Ziel der Erfindung, innerhalb des Normbetriebsbereiches des Stromversorgungsnetzes (z. B. im Verbundnetz Kontinentaleuropas der ENTSO-E eine Frequenzbandbreite von 50 Hz +–200 mHz und +–10% bei der Nennspannung nach EN 50160) insbesondere von Verteilnetzen Systemdienstleistungen zu generieren, die u. a. der Frequenz- und Spannungshaltung dienen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erfassen von netzbezogenen Zustandsdaten am Anschlussort der Anlage mit dem Stromversorgungsnetz und Mittel zur Bestimmung des Anschlussortes der Anlage mit dem Stromversorgungsnetz vorgesehen sind und Mittel zum Steuern des elektrischen Stromflusses eine Regeleinheit umfassen, wobei die Regeleinheit auf die Steuereinrichtung so einwirkt, dass der sich einstellende elektrische Stromfluss zwischen Stromversorgungsnetz und elektrischer Anlage abhängig ist von netzbezogenen Zustandsdaten und ortsabhängigen Stellparametern.
In der Ausführungsform der Erfindung mit einem in der elektrischen Anlage integrierten Energiespeicher sind Mittel zur Erfassung des Speicherzustandes vorgesehen, so dass die Regeleinheit den elektrischen Stromfluss unter Berücksichtigung einer Abhängigkeit von den speicherbezogenen Zustandsdaten einstellt.
Das Stromversorgungsnetz wird in erster Linie ein Netz auf Niederspannungsebene sein, da hier die Aufgabe aufgrund der Vielzahl zu koordinierenden steuerbaren Anlagen besonders anspruchsvoll ist, die Aufgabe erstreckt sich aber auch auf die höheren Spannungsebenen von Verteilnetzen. Bei der elektrischen Anlage kann es sich um elektrische Verbraucher, aber auch um elektrische Erzeuger handeln. Weiterhin kann der elektrischen Anlage ein Energiespeicher zugeordnet sein. Dabei kann es sich um einen Speicher für Elektroenergie handeln, der auf Basis elektrischer, elektromechanischer und chemischer Prozesse arbeitet. Denkbar ist aber auch ein Speicher für thermische, mechanische oder chemische Energie, der über ein Energiewandlungselement mit dem elektrischen System in Verbindung steht. Die elektrischen Verbraucher können als ohmsche Widerstände oder als elektrische Maschinen ausgebildet sein, die im gewerblichen oder privaten Bereich eingesetzt werden. Beispiele für Kombinationen wären:

• Elektrofahrzeug mit Batteriespeicher
• Klimaanlage mit thermisch trägem Innenraum
• Heizwendel im Ölradiator
• Straßenbahn mit Schwungradspeicher
• Dieselgenerator mit Brennstofftank
• Kraft-Wärme-Kopplungsmodul mit Wärmespeicher
• elektrische Kältemaschine mit Kühlcontainer
• Kompressor mit Druckluftkessel

Des Weiteren bedingen Nutzereingaben die Arbeitsweise der Regeleinheit, und eine Uhr stellt Zeitdaten zur Verfügung.
In einer einfachen Ausführungsform wirkt die Regeleinheit auf Schalter und kann damit beispielsweise einzelne elektrische Verbraucher, Erzeuger oder Speicher ganz zu- und abschalten. Die Regeleinheit kann auch modulierbare Anlagenteile graduell einlasten und bspw. Asynchron- und Synchronmaschinen steuern. Bei letzteren sind neben der Wirkleistung P auch die Blindleistung Q steuerbar. Die größte Flexibilität kann die Regeleinheit ausüben, wenn sie auf eine leistungselektronische Baugruppe wirkt. Der Vier-Quadranten-Betrieb kann hochdynamisch gestaltet werden, daher ist die Kombination der Reglereinheit mit einem Umrichter eine bevorzugte Ausführungsform.
Nach der Erfindung ist eine Regeleinheit mit einem Reglermodul und einem Umrichtermodul vorgesehen, so dass ein hochdynamischer, steuerbarer elektrischer Stromfluss zwischen einer elektrischen Anlage und dem Stromversorgungsnetz in Abhängigkeit von netzbezogenen Zustandsdaten und/oder speicherbezogenen Zustandsdaten erfolgen kann. Vorteilhaft kann hierdurch unmittelbar auf eine Zustandsänderung des Stromversorgungsnetzes und/oder der elektrischen Anlage reagiert werden. Es kann hierdurch eine Netzstützung erfolgen, indem beispielsweise dezentral erbrachte Primärregelleistung (vgl. mit UCTE: Policy 1 – Load Frequency Control and Performance, Operation Handbook, 2004) bereitgestellt wird und sich die Anlage bei der Spannungshaltung beteiligt. Über das Spannungssignal kann neben der Primärregelleistung auch Regelleistung mit größerem Zeitbereich von P(U)-spannungssensitiven Verbrauchern und Erzeugern angefordert werden (siehe WO 2009 019 306 A1 ).
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Regeleinheit ein Parametermodul auf, in dem die Stellparameter für die Parametrisierung eines Reglermoduls ortsabhängig und/oder zeitabhängig generierbar sind. Die Stellparameter unterscheiden sich somit beispielsweise abhängig davon, wo sich der Lade- bzw. Einspeiseort befindet. In einem Gewerbegebiet oder in einer Großstadt sind die Stellparameter anders konfiguriert als in einem abgelegenen Dorf. Die Strombezugs- bzw. Einspeisecharakteristik ist somit abhängig von Orts- und Zeitdaten, die beispielsweise aufgrund eines in einem Datenmodul abgespeicherten Kartenmaterials vorliegen.
Dieses Kartenmaterial kann durch Messungen typischer ortspezifischer Verläufe netzbezogener Zustände (wie z. B. Spannung, Frequenz, Impedanz) von der Regeleinheit generiert worden sein. Möglich ist auch das Aufspielen von bekanntem Kartenmaterial zu üblichen netzbezogenen Zustandsdaten, differenziert nach Ort und Zeit, über eine Kommunikationsschnittstelle. Umgekehrt kann die Regeleinheit über eine Kommunikationsschnittstelle die selbst generierten Kartenmaterialien an eine Sammelstelle versenden, wo die Messdaten verschiedenster Anlagen zu einer umfangreichen Detailkarte über zeitlich und örtlich aufgelöste Netzzustände aggregiert werden. Eine Kommunikationsschnittstelle kann darüber hinaus zum optionalen Empfang von Strompreisen dienen. Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist allerdings darin zu sehen, dass eine Kommunikationsschnittstelle genutzt werden kann, aber nicht muss. Die ortsabhängige netzbezogene Parametrisierung kann auch ohne Kommunikationsschnittstelle allein durch Messung netzbezogener Zustandsdaten und einer autonomen Konfigurierung der netzbezogenen Parameter erfolgen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden in dem Reglermodul Stellparameter für bspw. Wirkleistung P und/oder Blindleistung Q über Statiken erzeugt, deren Parametrisierung vom Ort und der Zeit abhängig ist. Der Wirkleistungsfluss über die Netzanschlußleitung wird von einer P(f)-Frequenzstatik und/oder P(U)-Spannungsstatik bestimmt. Der Blindleistungsfluss wird über eine Q(U)-Spannungsstatik gesteuert. Vorteilhaft kann hierdurch direkt auf unvorhersehbare Schwankungen im Stromnetz reagiert werden, um die Stromverbrauchs- und Erzeugungsseite in Balance zu halten. Es kann Regelleistung bereitgestellt werden, ohne dass auf eine Kommunikationsinfrastruktur zurückgegriffen werden muss.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Umrichtermodul einen Synchronmaschinenemulator auf, mittels dessen das Verhalten einer Synchronmaschine auf einer Leistungselektronik nachgebildet ist. Durch das D-Verhalten der virtuellen Massenträgheit und der virtuellen Induktivitäten kann insbesondere eine Spannungsstabilisierung und/oder Netzfrequenzstützung im transienten und/oder im subtransienten Zeitbereich erfolgen. Mit D-Verhalten ist hierbei gemeint, dass die Änderung der netzbezogenen Zustandsdaten wie z. B. Netzfrequenz und Netzspannung um so stärker auf die Steuereinrichtung wirkt, je schneller die zeitliche Änderung dieser netzbezogenen Zustandsdaten erfolgt. Die Parametrisierung der virtuellen Synchronmaschine erfolgt durch das Parametermodul, z. B. lassen sich die Induktivitäten und Dämpfungseigenschaften einstellen, sowie die virtuelle Masse.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist dem Umrichtermodul ein Hilfsmodul zugeordnet, dass zur Kompensation von Oberschwingungen und/oder Unterschwingungen der Netzspannung dient. Das Hilfsmodul kann auch zur Eliminierung von Unsymmetrien im Drehstromnetz beitragen. Durch das Hilfsmodul kann die Spannungsqualität verbessert werden. Das Parametermodul kann auf das Hilfsmodul bspw. über Skalierungsfaktoren einwirken.
Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stromfluss zwischen einer elektrischen Anlage und dem Stromversorgungsnetz, an das sie angeschlossen ist, in Abhängigkeit von netzbezogenen Zustandsdaten gesteuert wird und dass die funktionale Abhängigkeit des elektrischen Stromflusses von netzbezogenen Zustandsdaten durch zeit- und ortspezifische Parameter einstellbar ist. Bei einer Ortsveränderung der Anlage aktualisiert die Anlage ihren ortspezifischen Parametersatz automatisch.
Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung ist die Integration eines Energiespeichers in die Anlage. Nach der Erfindung erfolgt die gesteuerte Modulation des Stromflusses zwischen der elektrischen Anlage und dem Stromversorgungsnetz, damit unerwünschte Schwankungen des Versorgungsnet zes ausgeglichen bzw. das Stromversorgungsnetz dynamisch gestützt wird. Vorteilhaft kann eine Stabilisierung des Stromversorgungsnetzes erfolgen, ohne dass sich dies negativ auf den Zustand des Energiespeichers auswirkt. Handelt es sich bei der elektrischen Anlage um ein Fahrzeug mit einem Elektromotor und einem elektrischen Energiespeicher, wird für die Stützung des Stromnetzes der in dem Energiespeicher gespeicherte Anteil der Energie verwendet, der entsprechend den Vorgaben des Fahrzeugs für den Antrieb desselben nicht absolut erforderlich ist. Es wird somit stets eine Restenergiespeichermenge in dem Energiespeicher verbleiben, so dass ein vorgegebener Betrieb des Fahrzeugs gewährleistet ist.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein bidirektionaler Stromfluss zur Bereitstellung von Regelleistungen im transienten und/oder subtransienten Zeitbereich abgegebenen. Vorteilhaft kann somit relativ schnell zur Stützung des Stromversorgungsnetzes beigetragen werden, ohne dass sich der Ladezustand des Energiespeichers im großen Umfang verringert. Nach Abklingen des Stromeinspeisebedarfs des Energieversorgungsnetzes kann der Energiespeicher durch Umkehrung des Leistungsflusses wieder auf den vorgegebenen Wert aufgeladen werden.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens fließt der Ladestrom und der Rückspeisestrom in einem vorgegebenen Zeitabschnitt abwechselnd, wobei die Dauer und/oder die Höhe des Ladestroms bzw. des Rückspeisestroms abhängig ist von den netzbezogenen Daten bzw. energiespeicherbezogenen Daten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung am Beispiel eines Elektrofahrzeuges
2 eine Darstellung eines beispielhaften Verlaufes von Netzparametern, Ladezustandes des Energiespeichers und der Wirkleistungsverlaufs des Energieaustausches.
Eine Vorrichtung zum Steuern des Austausches von elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer elektrischen Anlage ermöglicht eine dezentrale Nutzung des Stromversorgungsnetzes, wobei gleichzeitig ein Betrieb der entsprechenden elektrischen Anlage sichergestellt ist. Es findet ein gesteuerter Leistungsfluss statt, wobei Regelleistung bis in den transienten und subtransienten Zeitbereich ohne Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht wird. Als elektrische Anlagen kommen bevorzugt jene in Betracht, die in der Lage sind, elektrische Energie direkt oder funktional zu speichern. Dies können Maschinen oder dergleichen sein, die im gewerblichen Bereich (Industrie) oder auch im privaten Bereich eingesetzt werden. Beispielsweise kann der elektrische Verbraucher auch ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybrid-Fahrzeug sein, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Eine Antriebsvorrichtung 1 für Fahrzeuge ist in einem Elektrofahrzeug oder in einem Plug-In-Hybrid-Fahrzeug integriert angeordnet und weist im Wesentlichen einen Elektromotor 2, einen Energiespeicher 3 sowie eine Steuereinrichtung 4 auf.
Der Energiespeicher 3 besteht aus einer wiederaufladbaren Akkumulator, einem Doppelschichtkondensator, einem Schwungradspeicher oder einer Kombination der genannten Elemente (Hybridspeicher).
Die Steuereinrichtung 4 weist Mittel zum Steuern des Elektromotors 2 während der Fahrt auf, so dass die von dem Energiespeicher 3 zur Verfügung gestellte elektrische Energie zum Antreiben des Elektromotors 2 entsprechend einer vorgegebenen Drehzahl bzw. eines vorgegebenen Drehmomentes erfolgen kann. Hierzu wird die Steuereinrichtung 4 von dem Benutzer des Fahrzeugs mittels nicht dargestellter Betätigungselemente betätigt.
Befindet sich das Fahrzeug nicht im Betriebszustand, sondern ist stationär in einer Garage oder in einem Parkhaus abgestellt, kann die Steuereinrichtung 4 über einen Netzanschluss 6 mit einem Stromversorgungsnetz 7 verbunden sein. Der Netzanschluss 6 kann durch einen Steckverbinder gebildet sein, mittels dessen eine von der Steuereinrichtung 4 kommende elektrische Leitung 8 ein- oder dreiphasig mit dem Niederspannungsnetz verbunden ist.
Die Steuereinrichtung 4 weist ferner eine Regeleinheit 9 auf, mittels derer ein geregelter Stromfluss P, Q zwischen dem Energiespeicher 3 und dem Stromversorgungsnetz 7 bewirkt werden kann.
Die Regeleinheit 9 verarbeitet Messdaten wie z. B. netzbezogene und speicherbezogene Zustandsdaten, Zeit- und Ortsdaten und gibt Schalt- bzw. Steuersignale an die Steuereinrichtung 4 aus. Die Regeleinheit 9 weist ein Umrichtermodul 10, ein dem Umrichtermodul 10 vorgelagertes Reglermodul 11, ein dem Reglermodul 11 vorgelagertes Parametermodul 12 und ein dem Parametermodul 12 vorgelagertes Datenmodul 13 auf.
Das Umrichtermodul 10 wirkt auf leistungselektronische Komponenten, insbesondere einen Stromrichter, so dass ein gesteuerter Leistungsfluss (P-Wirkleistung, Q-Blindleistung) von dem Stromversorgungsnetz 7 in den Energiespeicher 3 und vice versa erfolgen kann.
Das Umrichtermodul 10 ist bevorzugt als virtuelle Synchronmaschine ausgestaltet, die über das Parametermodul 12 ortsabhängig mit Synchronmaschinenparametern ausgestattet sind. Diese Parameter haben Einfluss z. B. auf Dämpfung, Kurzschlussstrom und Anlaufzeitkonstante. Als virtuelle Synchronmaschine kann das Umrichtermodul 10 vom Reglermodul 11 statt der Stellparameter Wirkleistung P und Blindleistung Q die Stellparameter virtuelle Erregung und virtuelles Moment übernehmen.
Vorteilhafterweise weist das Umrichtermodul ein Hilfsmodul 18 auf, welches zur Verbesserung der Spannungsqualität (Power Quality) Oberschwingungen und Unsymmetrien ausgleichen kann. Das Hilfsmodul 18 wird ebenfalls über Parametermodul 12 mit ortsabhängigen Parametern versorgt.
Das Reglermodul 11 dient zur Leistungsregelung zwischen dem Energiespeicher 3 und dem Stromversorgungsnetz 7. Das Reglermodul 11 erzeugt Stellparameter 14, mittels derer das Umrichtermodul 10 angesteuert wird und einen entsprechende Leistungsfluss P, Q initiiert. Das Reglermodul 11 weist Reglerkomponenten auf, so dass in Abhängigkeit von eingangsseitigen Parametern 14, die beispielsweise die verwendeten linearen Kennlinien (Statiken) oder auch diskrete Schaltfunktionen beschreiben, sich ein variables Betriebsverhalten je nach gemessenen Netzzustandsdaten 16 ergibt. Sowohl dem Reglermodul 11 als auch dem Umrichtermodul 10 werden netzbezogene Zustandsdaten (Netzspannung U, Netzfrequenz f) 16 zugeführt.
Das Parametermodul 12 generiert aus energiespeicherbezogenen Zustandsdaten 17, nutzerbezogenen Daten 21 wie z. B spezielle Anforderungssignale sowie aggregierten Daten aus dem Datenmodul, welche ortspezifische Parameter 14 für zu erwartende typische Netzzustände umfasst, parametrisierte Stellkennwerte 14 für das Reglermodul 11 mittels derer der Stromfluss zwischen Energiespeicher 3 und dem Stromversorgungsnetzes 7 geregelt wird. Als Stellkennlinie übergibt das Parametermodul 12 vorteilhafterweise Wirkleistungs-Frequenzstatik, Wirkleistungs-Spannungsstatik und Blindleistungs-Spannungsstatik an das Reglermodul 11, mittels derer die Wirkleistung und/oder Blindleistung bei der Rückspeisung in das Stromnetz 7 geregelt werden kann. Dem Parametermodul 12 können zusätzlich Topografiedaten aus dem Navigationsgerät zur Verfügung gestellt werden, um die Prognose über den Energieverbrauch der nächsten Fahrt zu verfeinern.
Die Parametrisierung der Statiken ist abhängig vom Ort der Anlage, welcher über ein Ortungsmodul 5 festgestellt wird. Die Ortung kann z. B. über ein Satelliten-Navigationsystem oder die Kreuzpeilung von Mobilfunkantennen erfolgen. Wesentlich ist, dass das Datenmodul 13 den Ort des Netzanschlusses wiedererkennt, eine absolute geographische Einordnung ist nicht notwendig. Des Weiteren ist die Parametrisierung der Statiken abhängig von der Zeit t, energiespeicherbezogenen Zustandsdaten 17 und der Präferenz des Nutzers 21.
Zu diesem Zweck werden in dem Datenmodul 13 bspw. typische Verläufe von Frequenz, Spannung und Impedanz nach dem Netzanschlußort geordnet und aggregiert abgespeichert. Diese Aggregation gemessener Daten steht in Form einer „Karte” üblicher Netzzustandsdaten zur Verfügung und kann optional über das Kommunikationsmodul 20 an eine zentrale Stelle übermittelt werden, wo Teilinformationen zu einer Gesamtkarte des üblichen Netzzustands (Power Quality Karte) ergänzt werden. Über das Kommunikationsmodul lassen sich auch Stromtarifdaten empfangen.
Beispielsweise können in dem Datenmodul 13 Prognosedaten des kumulierten Energiebezugs für den nächsten Prognosezeitraum abgespeichert sein. Diese Prognosedaten können im Parametermodul 12 bei der Generierung von Stellkernwerten 14 für das Reglermodul 11 mit einbezogen werden.
Das Datenmodul 13 kann optional mit einem Kommunikationsmodul verbunden sein, so dass über eine Funkverbindung Stromtarifdaten und/oder Netzdaten des Energieversorgungsnetzes 7 übertragen werden kennen. Als Eingangsgroße des Datenmoduls 13 dient zum einen der Ladeortsdaten 5 und zum anderen die Zeit t.
In 2 ist beispielhaft der Verlauf von Parametern des Stromnetzes, hier exemplarisch die Spannung U, der Bezugsleistung P zum Beladen des Energiespeichers, sowie der Ladezustand L des Energiespeichers 3 dargestellt.
In der Darstellung ist ein diskretes Verhalten der Steuereinrichtung abgebildet. Die Steuereinrichtung hat zwei Betriebszustände, m₀ (Modus Laden) und m₁ (Modus Erhaltung). L_max und L_min bezeichnen Ladezustände, die nicht über- bzw. unterschritten werden dürfen. Bei Erreichen von L_max wird eine Ladeleistung kleiner Null gewählt, bei Erreichen von von L_min wird eine Ladeleistung größer Null gewählt. Dieser Mindestladezustandswert L_min des Energiespeichers 3 hat somit eine Vorrangstellung gegenüber dem Anforderungssignal des Stromversorgungsnetzes 7. Zur Stabilisierung des Stromversorgungsnetzes muss dann von anderen Orten entsprechende Energie in das Stromversorgungsnetz eingespeist werden.
Der Netzparameter Spannung U darf sich innerhalb zulässiger Grenzen bewegen, wie sie z. B. die EN 50160 beschreibt. Gleiches gilt für die Frequenz f. Innerhalb dieser zulässigen Grenzen setzt das Parametermodul Schwellenwerte B_min und B_max fest, die eine Bandbreite B beschreiben.
Die Lage, der Schwellenwerte und damit auch die Breite des Bandes B sind abhängig von an diesem Netzanschlussort zu erwarteten Spannungsprofilen. Liegt der Anschlussort in der Nähe eines Trafos und ist die Kurzschlussleistung hoch, dann ist die Spanne zwischen maximalen und minimalen Spannungswert im Verlauf eines Tages klein, bei einem Anschlussort an einem schwachen Netzausläufers ist die Kurzschlussleistung gering und maximaler und minimaler Spannungswert differieren stärker. Neben der Netztopologie sind auch ortsbezogene Effekte auf den Spannungsverlauf feststellbar, welche aus einem typischen Verhalten der Netznutzer resultieren, die am selben Netzsegment angeschlossen sind. So haben gewerbliche Netznutzer einen anderen Einfluss auf das Spannungsprofil als Haushalte.
Die Frequenz ist innerhalb einer Synchronzone in der Regel überall gleich, daher lässt sich aus einer unterschiedlichen Frequenzcharakteristik ein Wechsel der Synchronzone ableiten, wie es z. B. bei Transfer zwischen Dover, England und Calais, Frankreich oder auch von West-Dänemark (UCTE) nach Schweden (Nordel) der Fall ist.
Der Ladeleistung P verändert sich in 2 zum einen in Abhängigkeit der Spannungshöhe U, zum anderen in Abhängigkeit vom Betriebszustand m.

Laden m₀ Erhalten m₁

U > B_max 2 1

B_min < U < B_max 1 0

U < B_min 0 –1
Die obige Matrix zeigt verschiedene Leistungen: von der Rückspeisung (–1) über den Leerlauf (0) zur Normalladung (1) bis zur Schnellladung (2) mit erhöhter Leistung. Der Moduswechsel von m₀ nach m₁ erfolgt beim Erreichen des Ladezustands L₁, der umgekehrte Moduswechsel von m₁ nach m₀ erfolgt beim Erreichen des Ladezustands L₀.
Befinden sich der Parameter U innerhalb der Bandbreite B, so erfolgt im Modus m₀ Laden eine Normalladung (Zeitintervalle t₁–t₂ und t₃–t₄), und im Modus m₁ Erhalten kein Energieaustausch zwischen Netz und Speicher (t₅–t₆). Bei erhöhter Spannung erfolgt im Modus m₀ Laden eine Schnellladung (t₀–t₁), und im Modus m₁ Erhalten eine Normalladung (t₄–t₆). Bei niedriger Spannung erfolgt im Modus m₀ Laden eine Leerlaufperiode (t₂–t₃), und im Modus m₁ Erhalten eine Rückspeisung (t₆–t₇). Zum Zeitpunkt t₄ wird der Ladezustand L₁ erreicht und es erfolgt ein Umschalten vom Lade- in den Erhaltungsmodus. Analog ist mit dem Netzparameter Frequenz zu verfahren.
Ein kontinuierlich arbeitendes Verhalten der Steuereinrichtung lässt sich beispielsweise mit Hilfe von Statiken erzielen. Hierbei sind im Reglermodul lineare Zusammenhänge zwischen Ausgabewerten P und Q hinterlegt und den Eingabewerten f, U hinterlegt. Den Sollwert (P₀, Q₀) für die Wirk- und Blindleistung sowie die Proportionalfaktoren in der Matrix C aktualisiert in regelmäßigen. Abständen das Parametermodul in Abhängigkeit von den Inputdaten des Parametermoduls. Ebenso kann der Sollwert für Frequenz f₀ und Spannung U₀ durch das Parametermodul angepasst werden.
Neben der Bestimmung von Werten für Wirkleistung P(t) und Blindleistung Q(t) ist auch die Darstellung von Wirkströmen i_d und Blindströmen i_q möglich.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung besteht gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) keine direkte Kopplung zwischen Blindleistung Q bzw. Blindstrom i_q und der Frequenzabweichung f(t)–f₀, d. h. C₃ bzw. K₃ sind Null.

Im Falle einer Synchronmaschinenemulation im Umrichtermodul sind Wirkleistung und Blindleistung bzw. Wirkstrom und Blindstrom in virtuelles Moment und virtuelle Erregung zu transformieren. Eine kompakte Darstellung des D-Verhaltens kann dabei durch die Angabe der Anlaufzeitkonstante T_A und der transienten Zeitkonstanten T'_d gewählt werden. Es ergibt sich die folgende Tabelle zur Charakterisierung des Anlagenverhaltens:

	Realanteil	Imaginäranteil
D-Verhalten	Anlaufzeitkonstante T_A	transiente Zeitkonstante T'_d
P-Verhalten	Wirkleistungs-Frequenz-Statik bzw. Leistungzahl K₁	Blindleistungs-Spannungs-Statik bzw. Leistungzahl K₄
P-Verhalten	Wirkleistungs-Spannungs-Statik bzw. Leistungszahl K₂	0

Aus dem Proportionalverhalten über die Leistungszahl K₂ (Wirkleistung und Netzspannung) kann sich zusammen mit einer geeigneten, lokal wirkenden Spannungsregelung im Verteilnetz ein I-Verhalten des Elektroenergiesystems ergeben.
Eine bevorzugte Möglichkeit zur Integration von speicherbezogenen Zustandsdaten besteht in der Abbildung eines PT1-Verhaltens, d. h. die Austauschleistung zwischen der Anlage und dem Stromversorgungsnetz ist proportional zum freien Speichervolumen bei Einspeichervorgängen und proportional zum Ladezustand bei Ausspeichervorgängen.
Es ist ersichtlich, dass in Abhängigkeit von den netzbezogenen Zustandsdaten 16 ein entsprechendes Stromspeiseanforderungssignal in dem Reglermodul 11 und/oder in dem Umrichtermodul 10 erzeugt wird, so dass ein Teil der in dem Energiespeicher 3 vorhandenen Ladungsmenge zur Netzstützung genutzt werden kann. Sofern aufgrund energiespeicherbezogener Daten, beispielsweise aufgrund des vorher eingegebenen Abfahrtzeitpunktes des Fahrzeuges durch den Nutzer, sich ein Ladeanforderungssignal, mittels dessen eine Ladung des Energiespeichers 3 eingeleitet werden soll, mit dem Stromspeiseanforderungssignal überlagert, erfolgt in dem Parametermodul 11 eine Priorisierung des Ladeanforderungsignals über das Stromspeiseanforderungssignal, so dass das Aufladen des Energiespeichers 3 Vorrang hat vor dem Einspeisen von Energie in das Netz 7. Somit ist sichergestellt, dass eine ausreichende Ladungsmenge in dem Energiespeicher 3 für die nächste Fahrt des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005026062 A1 [0003]
- WO 2009022198 [0003]
- DE 628338 [0004]
- US 4317049 [0004]
- DE 10331084 A1 [0006]
- WO 2009019306 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 50160 [0007]
- EN 50160 [0046]

Claims

Vorrichtung zum Steuern des Austausches elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer ortsveränderlichen Anlage innerhalb des Normbetriebsbereiches des Stromversorgungsnetzes enthaltend mindestens einen elektrischen Verbraucher oder Erzeuger und/oder einen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung von Netzzustandsdaten an einem Anschlussort der Anlage mit dem Stromversorgungsnetz vorgesehen sind, dass Mittel zur Bestimmung der Zeit und/oder des Ortes der Anlage vorgesehen sind und dass das Steuern des Austausches der elektrischen Energie zwischen dem Stromversorgungsnetz und der Anlage in Abhängigkeit von Orts- und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern unter Nutzung von Netzzustandsdaten erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrischen Verbraucher (1) oder dem Erzeuger ein Parametermodul (12) und/oder ein Datenmodul (13) zugeordnet ist, derart, dass der elektrische Stromfluss in Richtung des Energiespeichers (3) und/oder des Stromversorgungsnetzes (7) in Abhängigkeit von ortsabhängigen und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern erfolgt, die für den Anschlussort gelten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (9) das Parametermodul (12) in einer Regeleinheit (9) integriert ist, in dem Sollwerte (15) und Stellkennwerte ortsabhängig und/oder zeitabhängig generierbar sind, und dass die Regeleinheit (9) als Mittel zum Steuern des elektrischen Stromflusses mit einem Reglermodul (11) und/oder mit einem Umrichtermodul (10) versehen ist, wobei das Reglermodul (11) auf das Umrichtermodul (10) mit solchen Stellparametern (14) einwirkt, dass der Zeitpunkt und/oder die Höhe des elektrischen Stromflusses in Richtung des Energiespeichers (3) und/oder des Stromversorgungsnetzes (7) zusätzlich in Abhängigkeit Netzzustandsdaten (U, f) und/oder energiespeicherbezogenen Daten erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reglermodul (11) Stellparameter (14) für das Umrichtermodul (10) erzeugt, wobei die Stellparameter (14) abhängig sind von einer ortsabhängig und zeitabhängig generierten Wirkleistung-Frequenz-Statik (P(f)) und/oder einer Wirkleistung-Spannung-Statik (P(U)) und/oder einer Blindleistung-Spannung-Statik (Q(U)) einerseits und Netzzustandsdaten (16) andererseits, und dass die mindestens eine Statik in dem Parametermodul (12) unter Berücksichtigung von anschlussortsabhängigen Daten erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Parametermodul (12) variable Sollwerte zur Bildung der Statik als Sollwertfunktion generierbar sind, wobei die variablen Sollwerte gebildet sind aus den energiespeicherbezogenen Daten und den ortsabhängigen und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern am Ladeort, die aus vorab gespeicherten anschlussortbezogenen Netzzustandsdaten abgeleitet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Parametermodul (12) ein Datenmodul (13) vorgelagert ist, in dem anschlussortsbezogene Netzzustandsdaten (Spannung U, Frequenz f) als Messdaten gespeichert sind zur Bildung eine ortsabhängigen und/oder zeitabhängigen Netzzustandskarte.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher als ein Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor (2) ausgebildet ist und dass die Regeleinheit (9) zusätzlich Bestandteil eines den Elektromotor (2) umfassenden Antriebes des Elektrofahrzeugs bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umrichtermodul (10) einen Synchronmaschinenemulator aufweist, mittels dessen das dynamische Verhalten einer Synchronmaschine durch das Umrichtermodul (10) abbildbar ist, und dass die Parametrisierung der Synchronmaschine in dem Parametermodul (12) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Synchronmaschinenemulator ein Hilfsmodul (17) zugeordnet ist, in dem Oberschwingungskomponenten und/oder Unterschwingungskomponenten des elektrischen Stroms bzw. der elektrischen Spannung kompensiert werden und/oder in dem eine Symmetrisierung erfolgt, und dass die Parametrisierung des Hilfsmoduls (17) mittels des Parametermoduls (12) erfolgt.
Verfahren zum Steuern des Austausches elektrischer Energie zwischen einem Stromversorgungsnetz und einer ortsveränderlichen Anlage enthaltend mindestens einen elektrischen Verbraucher oder Erzeuger und/oder einen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass Netzzustandsdaten an einem Anschlussort der Anlage mit dem Stromversorgungsnetz erfasst werden, dass der aktuelle Ort der Anlage sowie die Zeit bestimmt wird und dass die elektrische Austauschleistung zwischen dem Stromversorgungsnetz und der Anlage in Abhängigkeit von Orts- und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern unter Nutzung von Netzzustandsdaten gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand eines Energiespeicher der Anlage erfasst wird und dass die elektrische Austauschleistung zwischen dem Stromversorgungsnetz und der Anlage unter Nutzung von Netzzustandsdaten in Abhängigkeit von dem aktuellen Ladezustand (L) des Energiespeichers und von ortsabhängigen und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern gesteuert wird, die für den Ladeort gelten.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschleistung zwischen dem Stromversorgungsnetz und der Anlage in Abhängigkeit von ortsabhängigen und/oder zeitabhängigen netzbezogenen Parametern, welche aus vorab in einer Netzzustandskarte gespeicherten Netzzustandsdaten abgeleitet werden, in Abhängigkeit von Netzzustandsdaten (f, U) und in Abhängigkeit von dem aktuellen Ladezustand (L) des Energiespeichers (3) gesteuert wird.