DE102011055251A1

DE102011055251A1 - Verfahren zur Erbringung von Regelleistung unter Berücksichtigung einer variablen Sollfrequenz

Info

Publication number: DE102011055251A1
Application number: DE201110055251
Authority: DE
Inventors: Georg Markowz; Holger Brezski; Dr. Sébastien Cochet; Dr. Anna Flemming; Dennis Gamrad; Carsten Kolligs
Original assignee: Evonik Industries AG
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16
Also published as: WO2013068267A1; EP2777126A1; US20140368039A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, wobei das Wechselstromnetz bei einer variablen Sollfrequenz arbeitet, und das Wechselstromnetz mindestens einen dezentral geregelten Regelleistungslieferant umfasst, der die Netzfrequenz auf eine Vorgabefrequenz regelt, wobei die Vorgabefrequenz an die Sollfrequenz angepasst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung unter Berücksichtigung einer variablen Sollfrequenz sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Stromnetze werden verwendet, um Strom von meist mehreren Energieerzeugern in großen Gebieten auf viele Nutzer zu verteilen und Haushalte und Industrie mit Energie zu versorgen. Energieerzeuger, meist in Form von Kraftwerken, stellen dazu die benötigte Energie bereit. In der Regel wird die Stromerzeugung auf den prognostizierten Verbrauch hin geplant und bereitgestellt.
Sowohl beim Erzeugen als auch dem Verbrauchen von Energie kann es jedoch zu ungeplanten Schwankungen kommen. Diese können auf der Energieerzeugerseite beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Kraftwerk oder ein Teil des Stromnetzes ausfällt oder zum Beispiel im Fall Erneuerbarer Energien wie Wind, dass die Energieerzeugung höher ausfällt als prognostiziert. Auch bezüglich der Verbraucher kann es zu unerwartet hohen oder niedrigen Verbräuchen kommen. Der Ausfall eines Teils des Stromnetzes beispielsweise, der einige Verbraucher von der Energieversorgung abschneidet, kann zu einer plötzlichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen.
Dies führt im Allgemeinen dazu, dass es in Stromnetzen durch ungeplante und/oder kurzfristige Abweichungen von Leistungserzeugung und/oder -verbrauch zu Schwankungen der Netzfrequenz kommt. Die gewünschte Wechselstromfrequenz beträgt beispielsweise in Europa 50 Hz. Eine Verringerung des Verbrauchs gegenüber dem Plan führt zu einer Erhöhung der Frequenz bei planmäßig eingespeister Leistung durch die Energieerzeuger, gleiches gilt für eine Erhöhung der Stromproduktion gegenüber dem Plan bei planmäßigem Verbrauch. Eine Verringerung der Leistung der Energieerzeuger gegenüber dem Plan führt dagegen zu einer Verringerung der Netzfrequenz bei plangemäßem Verbrauch, gleiches gilt für eine Erhöhung des Verbrauchs gegenüber dem Plan bei plangemäßer Erzeugung.
Aus Gründen der Netzstabilität ist es erforderlich, diese Abweichungen in einem definierten Rahmen zu halten. Dazu muss je nach Höhe und Richtung der Abweichung gezielt positive Regelleistung durch Zuschalten von zusätzlichen Erzeugern oder Abschalten von Verbrauchern oder negative Regelleistung durch Abschalten von Erzeugern oder Hinzuschalten von Verbrauchern bereitgestellt werden. Es besteht allgemein der Bedarf an einer wirtschaftlichen und effizienten Bereitstellung dieser Regelleistungen, wobei die Anforderungen an die bereitzuhaltenden Kapazitäten und die Dynamik der Regelleistungsquellen beziehungsweise -senken je nach Charakteristik des Stromnetzes variieren können.
In Europa gibt es beispielsweise ein Regelwerk (UCTE Handbook), das drei verschiedene Kategorien an Regelleistung beschreibt. Darin sind auch die jeweiligen Anforderungen and die Regelleistungsarten festgelegt. Die Regelleistungsarten unterscheiden sich unter anderem in den Anforderungen an die Dynamik und die Dauer der Leistungserbringung. Außerdem werden sie unterschiedlich hinsichtlich der Randbedingungen eingesetzt. Primärregelleistung (PRL) ist unabhängig vom Ort der Verursachung der Störung europaweit von allen eingebundenen Quellen zu erbringen, und zwar im Wesentlichen proportional zur aktuellen Frequenzabweichung. Die absolut maximale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von minus 200 mHz und (absolut) darunter zu erbringen, die absolut minimale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von plus 200 mHz und darüber zu erbringen. Hinsichtlich der Dynamik gilt, dass aus dem Ruhezustand die jeweils (betragsmäßig) maximale Leistung innerhalb von 30 Sekunden bereitgestellt werden muss. Demgegenüber sind Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MRL) in den Bilanzräumen zu erbringen, in denen die Störung aufgetreten ist. Ihre Aufgabe ist es, die Störung möglichst schnell zu kompensieren und somit dafür zu sorgen, dass die Frequenz wieder möglichst schnell, vorzugsweise spätestens nach 15 Minuten wieder im Sollbereich liegt. Hinsichtlich der Dynamik werden an die SRL und die MRL geringere Anforderungen gestellt (5 bzw. 15 Minuten bis zur vollen Leistungserbringung nach Aktivierung), gleichzeitig sind diese Leistungen auch über längere Zeiträume bereitzustellen als Primärregelleistung.
In den bisher betriebenen Stromnetzen wird ein Großteil der Regelleistung von konventionellen Kraftwerken, insbesondere Kohle- und Atomkraftwerken bereitgestellt. Zwei grundsätzliche Problemstellungen resultieren hieraus. Zum einen werden die konventionellen, Regelleistung bereitstellenden Kraftwerke nicht bei Volllast und damit maximalen Wirkungsgraden, sondern leicht unterhalb derselben betrieben, um bei Bedarf positive Regelleistung bereitstellen zu können, ggfs. über einen theoretisch unbegrenzten Zeitraum. Zum anderen sind mit zunehmendem Ausbau und zunehmender bevorzugter Nutzung der Erneuerbaren Energien immer weniger konventionelle Kraftwerke in Betrieb, was aber oftmals die Grundvoraussetzung für die Erbringung von Regelleistungen ist.
Aus diesem Grund wurden Ansätze entwickelt, vermehrt Speicher einzusetzen, um negative Regelleistung zu speichern und bei Bedarf als positive Regelleistung bereitzustellen.
Der Einsatz von Hydro-Pumpspeicherwerken zur Erbringung von Regelleistung ist Stand der Technik. In Europa werden alle oben genannten drei Regelleistungsarten von Pumpspeichern erbracht. Hydropumpspeicher werden jedoch auch immer wieder genannt als gegenwärtig wirtschaftlichste Technologie zur Ein- und Ausspeicherung von bevorzugt Erneuerbaren Energien, um Energieangebot und -bedarf zeitlich besser aufeinander anpassen zu können. Das Potenzial zum Ausbau der Speicherkapazitäten – insbesondere in Norwegen – wird kontrovers diskutiert, da für die Nutzung beträchtliche Kapazitäten in Stromleitungen genehmigt und installiert werden müssen. Folglich steht die Nutzung für das energiewirtschaftliche Lastmanagement in Konkurrenz zur Bereitstellung von Regelleistung.
Vor diesem Hintergrund wurden im Bereich der Primärregelleistung in der jüngeren Vergangenheit immer wieder Ansätze untersucht und beschrieben, auch andere Speichertechnologien wie beispielsweise Schwungmassen- und Batteriespeicher für die Bereitstellung von Regelleistung einzusetzen.
Aus der US 2006/122738 A1 ist ein Energiemanagementsystem bekannt, das einen Energieerzeuger und einen Energiespeicher umfasst, wobei der Energiespeicher durch den Energieerzeuger aufladbar ist. Dadurch soll ein Energieerzeuger, der im normalen Betrieb keine gleichmäßige Energieerzeugung gewährleistet, wie zum Beispiel die zunehmend favorisierten erneuerbaren Energien, wie Windkraft- oder Photovoltaikkraftwerke, in die Lage versetzt werden, ihre Energie gleichmäßiger ins Stromnetz abzugeben. Nachteilig ist hieran, dass hierdurch zwar ein einzelnes Kraftwerk stabilisiert werden kann, alle anderen Störungen und Schwankungen des Stromnetzes aber nicht oder nur sehr begrenzt abgefangen werden können.
Es ist aus der WO 2010 042 190 A2 und der JP 2008 178 215 A bekannt, Energiespeicher zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu verwenden. Wenn die Netzfrequenz einen Toleranzbereich um die gewünschte Netzfrequenz verlässt, wird entweder Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt oder in den Energiespeicher aufgenommen, um die Netzfrequenz zu regulieren. Auch die DE 10 2008 046 747 A1 schlägt vor, einen Energiespeicher in einem Inselstromnetz derart zu betreiben, dass der Energiespeicher zur Kompensation von Verbrauchsspitzen und Verbrauchsminima eingesetzt wird. Nachteilig ist hieran, dass die Energiespeicher nicht die notwendige Kapazität haben, um eine längere Störung oder mehrere, hinsichtlich der Frequenzabweichung gleichgerichtete Störungen hintereinander zu kompensieren.
In dem Artikel „Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control" von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007, wird die Abhängigkeit der Kapazität eines Akkumulators von technischen und betrieblichen Randbedingungen bestimmt, damit dieser nach den europäischen Normen (UCTE Handbook) Primärregelleistung bereitstellen kann. Es zeigt sich, dass auf Grund der Ein- und Ausspeicherverluste langfristig in unterschiedlichen Zeitabständen immer wieder ein Aufladen oder Entladen des Speichers unvermeidbar ist. Die Autoren schlagen dazu die Zeiträume vor, in denen sich die Frequenz im Totband (d.h. in dem Frequenzbereich, in dem keine Regelleistung zu erbringen ist) befindet. Trotzdem kann es kurzfristig bzw. vorübergehend dazu kommen, dass der Speicher überladen wird. Die Autoren schlagen für solche Fälle den (begrenzten Einsatz) von Verlust erzeugenden Widerständen vor, die extremal die komplette negative Nenn-Regelleistung aufnehmen, also hierauf ausgelegt werden müssen. Neben dem zusätzlichen Investitionsbedarf für die Widerstände und deren Kühlung führt dies jedoch, wie von den Autoren selbst schon genannt, zu einer mehr oder weniger unerwünschten Energieentwertung, wobei die entstehende Abwärme in der Regel nicht genutzt werden kann. Die Autoren zeigen auf, dass eine geringere Inanspruchnahme der Verlusterzeugung nur durch eine höhere Speicherkapazität, verbunden mit höheren Investitionskosten, möglich ist.
Akkumulatoren und andere Energiespeicher können sehr schnell Energie aufnehmen oder abgeben, wodurch sie sich grundsätzlich zur Bereitstellung von PRL eignen. Nachteilig ist jedoch hieran, dass sehr große Kapazitäten der Akkumulatoren bereitgestellt werden müssen, um die Regelleistung auch über einen längeren Zeitraum oder wiederholt liefern zu können. Akkumulatoren mit sehr großer Kapazität sind aber auch sehr teuer.
Auf Grund der Verluste beim Ein- und Ausspeichern von Energie erfolgt bei statistisch symmetrischer Abweichung der Netzfrequenzen vom Sollwert durch den Betrieb früher oder später eine Entladung des Energiespeichers, wie zum Beispiel eines Akkumulators. Es ist daher erforderlich, den Energiespeicher mehr oder weniger regelmäßig gezielt aufzuladen. Eventuell muss dieser Ladestrom separat bezahlt werden.
Die relativ konstante Netzfrequenz von Wechselstromnetzen, die beispielsweise gemäß den zuvor dargelegten Methoden geregelt werden, kann als Zeitgeber für die Ermittlung einer sogenannten Netz- oder Synchronzeit oder auch für den Betrieb von Uhren eingesetzt werden. Allerdings kommt es infolge der Tatsache, dass die Frequenzabweichungen statistisch, insbesondere über kürzere Zeiträume von wenigen Stunden bis zu Tagen nicht ideal symmetrisch um den Wert Null verteilt sind, zu Abweichungen der Netzzeit von der koordinierten Weltzeit, die heute mittels Atomuhren bestimmt wird. Überwiegen beispielsweise über einen Zeitraum positive Abweichungen der Frequenz vom Sollwert, so eilt die Netzzeit der Weltzeit voraus. Umgekehrt läuft die Netzzeit bei überwiegend negativen Frequenzabweichungen der Weltzeit hinterher. Um die über das Wechselstromnetz ermittelte Netzzeit nur in einem begrenzten Umfang von der Weltzeit abweichen zu lassen bzw. die eventuell danach geregelten Uhren mit einer hohen Genauigkeit zu versehen, wird die Sollfrequenz, bei der die Wechselstromnetze betrieben werden, nach Bedarf von Zeit zu Zeit gezielt leicht verändert. Allerdings wird diese Änderung bisher nur bei den zentral gesteuerten Regelleistungslieferanten, die üblich die zuvor dargelegte Sekundärregelleistung (SRL) oder die Minutenreserveleistung (MRL) erbringen, berücksichtigt. Hierzu ist auszuführen, dass diese Regelleistungslieferanten im Allgemeinen, insbesondere in Summe, höhere Leistungen bereitstellen können, als die üblich dezentral gesteuerten Quellen für die Primärregelleistung (PRL).
Es wurde im Rahmen der Erfindung gefunden, dass mitunter beträchtliche Energiemengen monoton ein- oder ausgespeist werden, wie eine Analyse von realen Frequenzverläufen der Erfinder zeigt. Dies führt bei gegebener Speicherkapazität zu entsprechend hoher Ladezustandsänderung. Große Ladezustandsänderungen wiederum führen tendenziell zu schnellerer Alterung als geringe Ladezustandsänderungen. Entweder erreicht der Energiespeicher somit eher sein Lebensende und muss eher ausgetauscht werden, oder die Kapazität ist à priori zu erhöhen, um die relative Ladezustandsänderung zu reduzieren. Beides führt zu einer Erhöhung der Investitionskosten.
Zusätzlich erfordert eine konsequente Einhaltung der Leitlinien zur Präqualifizierung von Primärregeltechnologien die Bereithaltung entsprechender Leistungsreserven zu jedem beliebigen Betriebszeitpunkt und damit Ladungszustand des Energiespeichers. Diese Anforderung (in Deutschland aktuell: die vermarktete Primärregelleistung über eine Dauer von 15 min) führt dazu, dass zusätzlich eine entsprechende, Investitionskosten erhöhende Kapazität vorgehalten werden muss. Tatsächlich würde eine solche Reserve (statistisch bedingt) nur sehr selten genutzt werden.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch verbessertes Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes zur Verfügung zu stellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Insbesondere sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können. Insbesondere sollten die Anlagen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann, in Bezug auf die bereitgestellte Regelleistung mit möglichst geringen Investitionen verbunden sein.
Hierbei soll es ermöglicht werden, Regelleistung bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Kapazität des Energiespeichers möglichst gering sein soll, um die erforderliche Regelleistung bereitzustellen.
Zudem wäre es auch vorteilhaft, wenn eine geringere Alterungsbelastung erreicht werden könnte. Ferner wäre auch die Bereitstellung der Primärregelleistung unter Vermeidung eines zwischenzeitlichen Ladens oder Entladens wünschenswert. Alternativ wäre anzustreben, dass zumindest die Zahl von Lade- oder Entladevorgängen, die zur Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit erforderlich reduziert wird.
Ferner ist es Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu finden, bei dem die beschriebenen Störungen des Stromnetzes und gleichzeitig Handelsvorgänge vermieden oder reduziert werden. Weiterhin sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können.
Darüber hinaus sollen die Energieerzeuger und Energieverbraucher eine möglichst effiziente Energieausbeute als Regelleistungslieferanten aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll außerdem dazu geeignet sein, die notwendige Regelleistung bei Bedarf möglichst schnell bereitstellen zu können.
Weiterhin sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden können, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung und der Ansprüche.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz werden in den Unteransprüchen 2 bis 15 unter Schutz gestellt. Ferner haben Patentanspruch 16 und 17 eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, wobei das Wechselstromnetz bei einer variablen Sollfrequenz arbeitet, und das Wechselstromnetz mindestens einen dezentral geregelten Regelleistungslieferanten umfasst, der die Netzfrequenz auf eine Vorgabefrequenz regelt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorgabefrequenz an die Sollfrequenz angepasst wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise, ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes bereitzustellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung, Regelleistung bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.
Weiterhin kann bei einer Verwendung von galvanischen Elementen, wie Akkumulatoren, die Kapazität des Energiespeichers sehr gering gehalten werden, um eine erforderliche Regelleistung bereitzustellen.
Ferner weisen die Energieerzeuger und Energieverbraucher eine sehr effiziente Energieausbeute als Regelleistungslieferanten auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem dazu geeignet, die notwendige Regelleistung sehr schnell bereitzustellen.
Insbesondere kann das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden, da die für die volle Verfügbarkeit erforderliche Speicherkapazität verringert werden kann oder die Zahl der Lade- und Entladevorgänge, die zur Einstellung des Ladezustandes des Energiespeichers mit externen Energiequellen oder -senken vorgenommen werden müssen, verringert werden kann. Hierbei ist festzuhalten, dass der Energiespeicher über das Stromnetz durch Energiehandel Leistung beziehen kann. Diese Leistung muss eingekauft und zu einem spezifischen Zeitpunkt abgerufen werden, da andernfalls eine Störung des Systems vorliegt. Die tatsächliche Netzfrequenz ist für diesen Vorgang unerheblich, da bei einer geplanten, gleichzeitigen Einspeisung und Entnahme einer Leistung die Frequenz des Stromnetzes nicht beeinflusst wird. Wichtig ist vielmehr, dass die Einspeisung und die Entnahme dieser Leistung möglichst synchron erfolgen. Bei einer konstanten Kapazität des Energiespeichers kann in Folge der verminderten Lade-/Entladezyklen die betriebliche Lebensdauer des Speichers vergrößert werden, wobei dies insbesondere für Akkumulatoren ein wichtiger Gesichtspunkt darstellt, der durch die vorliegende Erfindung überraschend verbessert werden kann.
Weiterhin können die Regelleistungslieferanten, insbesondere die Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher unabhängig von der Höhe und Richtung der Abweichung der Netzfrequenz gezielt eine ausreichende Menge an positiver oder negativer Regelleistung bereitstellen.
Darüber hinaus kann das Verfahren mit sehr wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind.
Das vorliegende Verfahren dient zur Bereitstellung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes. Wie in der Einleitung bereits dargelegt, verändert sich in einem Wechselstromnetz die Frequenz, falls das Gleichgewicht zwischen Energieverbrauch und Energiebereitstellung nicht eingehalten wird.
Die Regelenergie oder Regelleistung wird an das Stromnetz abgegeben (positive Regelenergie oder positive Regelleistung) oder aus dem Stromnetz aufgenommen (negative Regelenergie oder negative Regelleistung). Positive Regelleistung kann durch Energieeinspeisung, beispielsweise Energieeintrag eines Energiespeichers oder durch Zuschalten eines Kraftwerks, oder durch Drosselung eines Verbrauchers in das Netz zugeführt werden. Negative Regelleistung kann dem Netz durch Energieaufnahme eines Energiespeichers, Drosselung einer Energiequelle, beispielsweise eines Kraftwerks, oder durch Zuschalten eines Verbrauchers in das Netz eingespeist werden. Weitere wichtige Informationen hierzu finden sich im Stand der Technik, wobei insbesondere auf die in der Einleitung diskutierten Dokumente Bezug genommen wird. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Begriffe Regelleistung und Regelenergie für die Zwecke dieser Erfindung einen ähnlichen Bedeutungsgehalt aufweisen.
Üblich wird Regelleistung für eine bestimmte Nennleistung vom Anbieter dem Netzbetreiber zur Verfügung gestellt. Unter der Nennleistung ist vorliegend die Leistung zu verstehen, mit der die Regelleistungsquelle mindestens präqualifiziert ist, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Allerdings kann die Präqualifikationsleistung höher sein als die Nennleistung, die dem Netzbetreiber maximal zur Verfügung gestellt wird. Diese Nennleistung kann auch als kontrahierte Höchstleistung bezeichnet werden, da diese Leistung dem Netz maximal bereitgestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes. Wechselstromnetze zeichnen sich durch eine Änderung der Polung des elektrischen Stromes aus, wobei sich positive und negative Augenblickswerte so ergänzen, dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist. Diese Netze werden im Allgemeinen zur Übertragung von elektrischer Energie eingesetzt.
Üblich werden die Wechselstromnetze mit einer Sollfrequenz betrieben, die gegenwärtig in Europa, insbesondere in Deutschland, bei 50,000 Hz liegt. Im nordamerikanischen Raum beträgt die Sollfrequenz hingegen 60,000 Hz.
Wie bereits zuvor dargelegt, ist diese Sollfrequenz gegenwärtig nicht fixiert, sondern wird geringfügig variiert, um die sogenannte Netzzeit, die unter anderem als Zeitgeber für Uhren dient, an die koordinierte Weltzeit anzupassen. Folglich arbeitet ein derartiges Wechselstromnetz bei einer variablen Sollfrequenz. Gemäß den in Europa derzeit gültigen Normen wird bei einer Abweichung von ±20 Sekunden zwischen der Netzzeit und der Weltzeit die Sollfrequenz, je nach Abweichung der Netzzeit um 10 mHz abgesenkt oder erhöht, so dass die Sollfrequenz derzeit Werte von 49,990 Hz, 50,000 Hz oder 50,010 Hz einnehmen kann. Diese Anpassung wird zentral vom Netzbetreiber vorgenommen und beim Einsatz von Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MRL) berücksichtigt.
In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Einstellung der Sollfrequenz beim Einsatz von Sekundärregelleistung oder Minutenreserveleistung nicht zwingend einer Messung der Netzfrequenz bei den Regelleistungsquellen bedarf und durch diese selbst vorgenommen werden muss. Gegenwärtig wird beispielsweise die Leistungsbilanz herangezogen, um den Einsatz der genannten Leistungserbringer zu steuern. So wird die Primärleistung solidarisch im gesamten Europäischen Netzverbund erbracht, wohingegen die Sekundärregelleistung und die Minutenreserveleistung jeweils für Teile des Netzes vom zuständigen Netzbetreiber angefordert werden. Demgemäß wird die Übertragung von Leistung zwischen den verschiedenen Netzen des Europäischen Verbundnetzes sowie eine Abweichung zwischen prognostizierten und tatsächlichen Werten für Erzeugung und Verbrauch bestimmt und zur Anforderung der Sekundärregelleistung und/oder der Minutenreserveleistung herangezogen. Zuvor erfolgt im Allgemeinen eine Korrektur der Bilanz hinsichtlich der im betrachteten Zeitpunkt erbrachten Primärregelleistung. Die zu korrigierende Leistungshöhe wird auf Basis der Abweichung der Netzfrequenz zum aktuellen Sollwert ermittelt. Diese Regelung bedingt eine Einstellung der Sollfrequenz des Netzes durch den Netzbetreiber.
Die zuvor dargelegten Daten hinsichtlich der Sollfrequenzen und der Daten zur Anpassung der Netzzeit an die Weltzeit dienen lediglich zur Erläuterung, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt werden soll. Gegebenenfalls können diese Werte abweichen.
Weiterhin wird die Netzfrequenz von dezentral geregelten Regelleistungslieferanten auf eine Vorgabefrequenz geregelt. Hierbei werden vom Netzbetreiber üblich Frequenzbereiche um diese Vorgabefrequenz definiert, außerhalb derer positive oder negative Regelleistung erbracht werden muss. Hierbei sind diese Frequenzbereiche insbesondere für die Erbringer von Primärregelleistung von Relevanz, da Primärregelleistung im Allgemeinen dezentral vom Anbieter der Primärregelleistung gesteuert wird. Genaue Angaben hierzu finden sich in europäischen Normen (Handbook), die zum Betreiben des europäischen Verbundsystems UCTE (Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity) erarbeitet wurden und in nationalen Richtlinien (z.B. Transmission Code für Deutschland) umgesetzt werden.
Gegenwärtig gibt es für die Quellen zur Bereitstellung von Primärregelleistung zwei Toleranzen, die hinsichtlich der Frequenzabweichungen relevant sind. Zum einen ist dies die Frequenzmessgenauigkeit. Diese darf maximal +/–10 mHz betragen. Zudem gibt es einen sogenannten Unempfindlichkeitsbereich von maximal +/–10 mHz, der den Primärregelleistung erbringenden Quellen zugestanden wird. Um ein Agieren der Regelleistungsquellen entgegen der erwünschten Richtung in jedem Fall zu vermeiden, haben die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland in ihren Rahmenverträgen beispielsweise ein Band von +/–10 mHz um den Sollwert von 50 Hz festgelegt, in dem keine Primärregelleistung zu erbringen ist. Selbst bei maximaler Frequenzmessgenauigkeit von +10 mHz oder –10 mHz ist so ein Erbringen von Regelleistung entgegen der erwünschten Richtung ausgeschlossen. Außerhalb dieser Grenzen muss gemäß den Vertragsbedingungen Regelleistung bereitgestellt werden.
Bei einer Änderung der Sollfrequenz zur Anpassung der Netzzeit an die Weltzeit, kann es jedoch dazu kommen, dass dezentral gesteuerte Regelleistungslieferanten entgegen der erwünschten Richtung zur Anpassung der Netzzeit agieren und damit die Dauer verlängern, die zur Anpassung der Netzzeit an die Weltzeit erforderlich ist, obwohl die betreffende Regelleistungserbringung zur Stabilisierung des Netzes noch nicht geboten ist. Eilt beispielsweise die Netzzeit der Weltzeit um mehr als 20 Sekunden voraus, ist insgesamt eine Reduzierung der Frequenz erforderlich, um eine Anpassung zu erzielen. Dazu wird der Sollwert auf 49,990 Hz eingestellt. Beträgt die aktuelle Frequenz beispielsweise 49,985 Hz, so erbringt ein dezentral gesteuerter Regelleistungserbringer gemäß der Abweichung gegenüber der Standard-Sollfrequenz (50,000 Hz) eine positive Regelleistung, da die Abweichung mehr als 10 mHz beträgt. Diese positive Regelleistung führt tendenziell zur Erhöhung der Frequenz und damit Beschleunigung der Netzzeit. Auf Basis des neuen Sollwerts und unter Berücksichtigung des Frequenzbands von +/–10 mHz wäre aber noch kein Anlass zur Erbringung von positiver Regelleistung gegeben (Abweichung gegenüber dem neuen Sollwert kleiner 10 mHz), die Frequenz würde durch Erbringung von Regelleistung nicht tendenziell angehoben werden und damit die Anpassung der Netzzeit an die Weltzeit schneller erfolgen.
Die Frequenz, auf die dezentral gesteuerte Regelleistungslieferanten regeln, vorzugsweise Primärregelleistungserbringer, wird vorliegend Vorgabefrequenz genannt, um dieselbe von der zuvor näher erläuterten Sollfrequenz zu unterscheiden. Diese Vorgabefrequenz wurde bisher konstant gehalten, wobei dieser Wert in Europa gegenwärtig bei 50,000 Hz liegt. Da gemäß der vorliegenden Erfindung die dezentral gesteuerten Regelleistungslieferanten nunmehr eine auf die variable Sollfrequenz angepasste Vorgabefrequenz anwenden können, wird zur Unterscheidung der Begriff „übliche Vorgabefrequenz“ verwendet, um den Standardwert der Frequenz darzulegen, mit dem das Wechselstromnetz arbeitet.
Demgemäß entspricht die übliche Vorgabefrequenz der Standardsollfrequenz. Bei einer gewollten, gezielten Beeinflussung des Verlaufs der Netzfrequenz, um beispielsweise die Netzzeit an die koordinierte Weltzeit anzupassen, wird die Standardsollfrequenz variiert.
Im Allgemeinen wird ein Totband um die Vorgabefrequenz vorgegeben, welches zur vertragsgemäßen Erbringung von Regelleistung benötigt wird, wie dies zuvor dargelegt wurde.
In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass für die Erfindung weniger die Art der Regelleistung wesentlich ist, sondern vielmehr die zentrale oder dezentrale Steuerung derselben. Dabei sollen die Begriffe dezentral und zentral verdeutlichen, dass die Regelung auf zwei prinzipiell verschiedene Arten erfolgt, wobei im einen Fall im Allgemeinen der Betreiber des jeweiligen Netzes oder eine entsprechende Instanz für die Aktivierung eines Teils der Regelleistungserbringung zuständig ist. Dagegen wird die Regelung eines weiteren Teils der Regelleistungserbringung von einer oder mehreren weiteren Instanzen, beispielsweise einem oder mehreren Erbringern von Primärregelleistung, jedenfalls unabhängig vom Netzbetreiber, gesteuert. Hierbei kann eine Instanz ein oder mehrere Primärregelleistungsquellen steuern, die beispielsweise einen Verbund bilden können.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann der bei der Vorgabefrequenz arbeitende Regelleistungslieferant Primärregelleistung bereitstellen. Zur zentralen Steuerung der Sollfrequenz kann das Wechselstromnetz mindestens einen Lieferanten für Sekundärregelleistung und/oder Minutenreserveleistung umfassen, wobei die Aktivierung des Lieferanten für Sekundärregelleistung und/oder Minutenreserveleistung unter Berücksichtigung der variablen Sollfrequenz erfolgt.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass eine Anpassung der Vorgabefrequenz, auf die ein dezentral geregelter Regelleistungslieferant die Netzfrequenz regelt, an die Sollfrequenz, mit der das Wechselstromnetz betrieben wird, zu unerwarteten Verbesserungen, insbesondere bei einem Betrieb von Energiespeichern, führt.
So kann überraschend die Zahl der Lade-/Entladezyklen beim Betrieb zur erforderlichen Anpassung des Ladezustands verringert und/oder die erforderliche Kapazität von Energiespeichern minimiert werden, wobei eine geringere Alterungsbelastung erreicht werden kann. Hierzu ist festzuhalten, dass bei einer Anpassung der Vorgabefrequenz an die aktuelle Sollfrequenz ein Agieren entgegen der erwünschten Richtung der Anpassung der Netzzeit an die Weltzeit ausgeschlossen ist.
Die Anpassung der Vorgabefrequenz kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erfolgen, dass die Sollfrequenz an den dezentral gesteuerten Regelleistungslieferanten übermittelt wird. Hierbei kann der Netzbetreiber diese Daten aktiv an den Regelleistungslieferanten senden. Alternativ kann die Sollfrequenz des Wechselstromnetzes durch die Steuerung des dezentral gesteuerten Regelleistungserbringers abgefragt werden. Gegebenenfalls können beide Verfahren koordiniert angewandt werden, um eine höhere Zuverlässigkeit sicherzustellen. Hierzu kann die Sollfrequenz beispielsweise durch Nachrichtentechnik an den Regelleistungslieferanten übermittelt werden, wobei dies auch automatisch, beispielsweise unter Verwendung von Computern und entsprechender Datenübertragung, beispielsweise über das Internet, erfolgen kann.
Die Übermittlung der Sollfrequenz sollte möglichst zeitnah erfolgen, so dass die vom Netzbetreiber aktuell vorgegebene Sollfrequenz bei der Anpassung hierauf durch den dezentral gesteuerten Regelleistungslieferanten verwendet werden kann. Hierbei ist festzuhalten, dass gegenwärtig die Planung über eine mögliche Anpassung der Netzzeit an die koordinierte Weltzeit mehrere Stunden vor der eigentlichen Umstellung erfolgt und dann für den Mindestzeitraum von 24 Stunden gilt. Demgemäß bedeutet der Begriff „zeitnah“, dass dem dezentral gesteuerten Regelleistungslieferanten die notwendigen Informationen über die Dauer und den Zeitpunkt der Umstellung der Standardsollfrequenz auf eine davon abweichende Sollfrequenz so rechtzeitig mitgeteilt wird, dass diese Information bei der Einstellung der Vorgabefrequenz berücksichtigt werden kann. Vorzugsweise wird dem Regelleistungslieferanten die notwendigen Informationen mindestens 15 Minuten, besonders bevorzugt mindestens 1 Stunde, speziell bevorzugt mindestens 6 Stunden vor der eigentlichen Umstellung mitgeteilt. Zu den notwendigen Informationen zählen beispielsweise die Höhe der Änderung des Frequenz-Sollwerts, der Zeitpunkt und die Dauer der Umstellung der Sollfrequenz.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass im Fall von Übertragungsfehlern, beispielsweise einem Ausfall der Datenübermittlung, die Primärregelleistungsquellen standardmäßig auf die übliche Vorgabefrequenz regeln, also wie bisher.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Abweichung zwischen Sollfrequenz und Vorgabefrequenz durch eine dauerhafte Frequenzabweichung der Netzfrequenz außerhalb eines Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum festgestellt wird.
Die Bandbreite des Frequenzbandes, welches zur Beurteilung einer dauerhaften Frequenzabweichung herangezogen wird, ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch und kann demgemäß an die Vorgaben der Netzbetreiber angepasst werden. Hierbei kann sich das erfindungsgemäß zur Festlegung einer Abweichung zwischen Sollfrequenz und Vorgabefrequenz eingesetzte Frequenzband von dem Frequenzbereich unterscheiden, welches dazu dient, die Erbringung von Regelleistung gemäß den Standardvorgaben zu beschreiben. So wird im Weiteren der Begriff Totband dazu verwendet, die Erbringung einer Regelleistung gemäß den Standardvorgaben darzulegen, wohingegen der Begriff Frequenzband einen Bereich von Frequenzen beschreibt, der dazu dient festzulegen, ob eine Abweichung zwischen Sollfrequenz und Vorgabefrequenz vorliegt, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
Hierbei kann das Frequenzband, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, dem Totband entsprechen, es kann alternativ größer als das Totband sein. Gemäß einer bevorzugten Alternative kann das Totband größer sein als das Frequenzband. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Primärregelleistungserbringer im Allgemeinen auf eine fixierte Vorgabefrequenz regeln, während die Sekundärregelleistungserbringer bei einer Anpassung der Netzzeit auf die koordinierte Weltzeit auf eine Sollfrequenz regeln, die sich um ±10 mHz von der Vorgabefrequenz unterscheidet. Hierbei ist zu bedenken, dass mindestens ein Teil der Primärregelleistungserbringer Regelleistung entgegen der Regelung durch die Sekundärregelleistungserbringer erbringen kann. Demgemäß wird die durchschnittliche Netzfrequenz im Allgemeinen weniger von der Vorgabefrequenz abweichen als die Sollfrequenz, falls keine unerwarteten Störungen des Netzes auftreten.
Vorzugsweise kann das Frequenzband beispielsweise eine Breite von höchstens 18 mHz, bevorzugt höchstens 16 mHz, besonders bevorzugt höchstens 14 mHz und speziell bevorzugt höchstens 12 mHz aufweisen. Hieraus ergeben sich Frequenzbänder, die beispielsweise in Europa vorzugsweise im Bereich von 49,991 Hz bis 50,009 Hz, bevorzugt m Bereich von 49,992 Hz bis 50,008 Hz, besonders bevorzugt m Bereich von 49,993 Hz bis 50,007 Hz und speziell bevorzugt m Bereich von 49,994 Hz bis 50,006 Hz liegen.
Je nach Variation der Standardsollfrequenz kann dieses Frequenzband auch größer sein als das Totband. Falls beispielsweise das Totband enger als die zuvor dargelegten Werte definiert wird, jedoch die oben dargelegten Werte zur Angleichung der Netzzeit an die koordinierte Weltzeit beibehalten werden, kann es zweckmäßig sein, das Frequenzband breiter zu wählen. Hierbei ist festzuhalten, dass die zuvor dargelegten Werte zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, ohne dass hierauf eine Beschränkung erfolgen soll. Wesentlich ist daher weniger das Totband, sondern vielmehr die Variationsbreite der Sollfrequenz.
Vorzugsweise kann zur Bestimmung der Netzfrequenz, insbesondere der mittleren Netzfrequenz eine Einheit mit einer hohen Messgenauigkeit eingesetzt werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Frequenzabweichung mit einer Ungenauigkeit von maximal ±8 mHz, besonders bevorzugt von maximal ±4 mHz, ganz besonders bevorzugt von maximal ±2 mHz, speziell bevorzugt von maximal ±1 mHz gemessen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum eine Anpassung der Vorgabefrequenz an die Sollfrequenz vorgenommen werden. Demgemäß wird überprüft, ob die Netzfrequenz dauerhaft außerhalb des um die Vorgabefrequenz definierten Frequenzbandes liegt. Bei einer dauerhaften Abweichung der Netzfrequenz über einen festgelegten Zeitraum kann eine Anpassung der Vorgabefrequenz an die Sollfrequenz vorgenommen werden.
Der festgelegte Zeitraum richtet sich nach den Erfordernissen des Netzbetreibers und kann demgemäß variabel sein. Gemäß den gegenwärtig in Europa gültigen Regularien muss eine Primärregelleistungsquelle die Primärregelleistung mindestens für einen Zeitraum von 15 Minuten erbringen können. In Amerika gelten andere Regelungen, wobei die vorliegende Erfindung grundsätzlich nicht auf eine bestimmte Region oder ein bestimmtes Regelwerk eingeschränkt werden soll. Vorteilhaft kann der festgelegte Zeitraum beispielsweise im Bereich von 0 Minuten bis 24 Stunden, bevorzugt 1 Minute bis 8 Stunden, vorzugsweise 2 Minuten bis 1 Stunde und besonders bevorzugt 5 Minuten bis 30 Minuten liegen.
Eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes ist gegeben, falls über den zuvor dargelegten festgelegten Zeitraum die Netzfrequenz zumindest zu 60 %, vorzugsweise mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, speziell bevorzugt mindestens 95 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % einseitig oberhalb oder unterhalb des Frequenzbandes liegt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung bedeutet eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes, dass die Frequenz über den gesamten Zeitraum außerhalb des Frequenzbandes liegt.
Falls eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum vorliegt, kann nach diesem festgelegten Zeitraum eine Änderung der Vorgabefrequenz des Energiespeichers auf eine variable Regelfrequenz, insbesondere eine variable Sollfrequenz erfolgen. Hierbei kann auf eine zuvor festgelegte Frequenz geregelt werden, die, je nach Abweichung, oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen Frequenzbandes liegen kann. Beispielsweise kann bei einem Eintreten der zuvor definierten Voraussetzungen eine Regelfrequenz festgelegt werden, die beispielsweise um 5 mHz, 8 mHz, 10 mHz höher oder tiefer liegt als die übliche Vorgabefrequenz, je nach Art der zuvor festgestellten dauerhaften Abweichung der Netzfrequenz. Vorzugsweise kann auf eine angenommene variable Sollfrequenz geregelt werden, die gegenwärtig in Europa bei 49,990 Hz oder 50,000 Hz oder 50,010 Hz liegt, wobei diese Werte gegebenenfalls angepasst werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann über eine gleitende Mittelwertbildung der Netzfrequenz bestimmt werden, ob eine Anpassung der Vorgabefrequenz an eine variable Sollfrequenz erfolgen kann.
Geleitende Mittelwertbildung bedeutet, dass nicht sämtliche Datenpunkte zur Berechnung des Mittelwerts herangezogen werden, sondern lediglich ein Teil derselben. Vorzugsweise werden zur Berechnung des gleitenden Mittelwerts die Daten berücksichtigt, die über einen Zeitraum bestimmt wurden, der höchstens dem dreifachen, vorzugsweise höchstens dem doppelten des zuvor definierten festgelegten Zeitraums entspricht. Es kann sich insbesondere auch nur um einen Teil des zuvor definierten festgelegten Zeitraums handeln. Beispielsweise kann der Zeitraum, über den die Werte zur Bestimmung des geleitenden Mittelwerts, gesammelt werden, im Bereich von 3 Minuten bis 2 Stunden, vorzugsweise 5 Minuten bis 1 Stunde und besonders bevorzugt 10 Minuten bis 30 Minuten liegen.
Hierbei können die Mittelwerte auf verschiedenste Weisen gebildet werden, wie beispielsweise eine einfache Verschiebung, ohne Gewichtung der Daten (simple moving average (SMA)). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein gewichteter gleitender Mittelwert (weighted moving average (WMA)), bei dem die jüngeren Daten vorzugsweise ein höheres Gewicht aufweisen als die älteren, zur Bestimmung der variablen Frequenz eingesetzt werden. Hierbei kann eine einfache Gewichtung vorgenommen werden oder eine exponentielle Glättung durchgeführt werden. Die Anzahl der Datenpunkte hängt hierbei von der Häufigkeit der Frequenzmessung ab, wobei zur Reduktion des Speicherplatzes auch die Mittelwerte der Daten eingesetzt werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden innerhalb eines Zeitraums von 1 Minute mindestens 10 Datenpunkte gebildet, die zur Bestimmung des Mittelwertes eingesetzt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Anpassung der Vorgabefrequenz, auf die hin vorzugsweise eine Primärregelleistungsquelle arbeitet, auf eine Sollfrequenz, die vorzugsweise bei der Aktivierung einer Sekundärregelleistungsquelle oder einer Quelle für eine Minutenreserveleistung zu Grunde gelegt wird, nicht zwingend, sondern optional.
Gemäß dieser Ausführungsform kann überprüft werden, ob eine Änderung der Regelleistungserbringung auf eine variable Sollfrequenz zu einer Optimierung des Ladezustandes führt. In diesem Zusammenhang kann bei einem entsprechenden Ladezustand auch eine Standardregelung beibehalten werden, gemäß der Regelleistung bei einer Abweichung von der Vorgabefrequenz erbracht wird, obwohl eine Änderung auf eine variable Sollfrequenz möglich wäre. Hierbei kann innerhalb eines Zeitraums, für den die variable Sollfrequenz von einem Standardwert auf einen hiervon abweichenden Wert geändert wird, eine mehrfache Anpassung der Vorgabefrequenz vom ursprünglichen Wert auf einen variablen Sollwert vorgenommen werden, wenn während dieses Zeitraums die Anpassung der Vorgabefrequenzzeitweise rückgängig gemacht wurde.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Anpassung der Vorgabefrequenz vom ursprünglichen Wert auf einen veränderten Sollwert wiederholt vorgenommen und auch wieder rückgängig gemacht werden, obwohl der Sollwert in der betreffenden Zeit nicht verändert wurde. Beispielsweise kann der Sollwert für die Dauer eines Tages von 50,000 Hz auf 49,990 Hz reduziert werden und die Vorgabefrequenz im Laufe desselben Tages mindestens einmal auf den neuen Wert angepasst und noch vor Ablauf des Tages wieder auf die ursprüngliche Vorgabefrequenz zurückgesetzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Wechsel von der ursprünglichen Vorgabefrequenz auf den neuen Sollwert mehr als einmal hin und zurück, mindestens also zweimal hin und mindestens einmal zurück.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann die Zuführung von Energie in den Energiespeicher von der Tageszeit abhängig sein. Hierdurch kann eine hohe Stabilität des Netzes auch bei einer hohen Last bei bestimmten Tageszeiten sichergestellt werden. So kann bei Spitzenlasten eine Regeneration des Energiespeichers, die aufgrund der Abweichung der Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz über einen längeren Zeitraum sinnvoll wäre, ausgeschlossen werden.
In einer speziell bevorzugten Ausgestaltung kann der Wechsel zwischen der ursprünglichen Vorgabefrequenz und einer davon verschiedenen Sollfrequenz unter bestimmten Randbedingungen ausgeschlossen sein. Beispielsweise kann dies von den aktuellen Frequenzgradienten (Änderung der Frequenzabweichung mit der Zeit), der absoluten Frequenzabweichung und/oder der Tageszeit abhängig gemacht werden. Im letztgenannten Fall kann eine hohe Stabilität des Netzes auch bei einer hohen Last bei bestimmten Tageszeiten sichergestellt werden. So kann beispielsweise bei Spitzenlasten eine Regeneration des Energiespeichers, die aufgrund der Abweichung der Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz über einen längeren Zeitraum sinnvoll wäre, ausgeschlossen werden.
Die von der üblichen Vorgabefrequenz abweichende Regelung kann über einen beliebigen Zeitraum beibehalten werden. Eine Rückführung auf die Bereitstellung von Regelleistung gemäß den Standardvorgaben, bei der auf die übliche Vorgabefrequenz geregelt wird, kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass bei einem vorgegebenen Ladezustand eines bevorzugt als Regelleistungslieferant einzusetzender Energiespeichers die Regelung auf die variable Sollfrequenz beendet wird.
Weiterhin kann überprüft werden, ob sich die Netzfrequenz ohne spezielle Maßnahmen über einen längeren Zeitraum im Frequenzband befindet, welches um die übliche Vorgabefrequenz definiert ist. In dieser Ausführungsform kann die mittlere Netzfrequenz beispielsweise durch eine gewichtete Mittelwertbildung bestimmt werden. Falls diese Überprüfung dazu führt, dass sich die mittlere Netzfrequenz über einen längeren Zeitraum im Frequenzband befindet, kann die Regelung auf eine variable Sollfrequenz rückgängig gemacht werden, so dass auf die übliche Vorgabefrequenz geregelt wird.
Dieser längere Zeitraum unterliegt keinen speziellen Bedingungen, so dass dieser beliebig gewählt werden kann. Beispielsweise kann dieser längere Zeitraum identisch zu dem festgelegten Zeitraum sein, der im Bezug auf die dauerhafte Frequenzabweichung bestimmt wurde. Weiterhin kann dieser längere Zeitraum auch wesentlich kürzer sein, so dass dieser Zeitraum beispielsweise im Bereich von 1 Sekunde bis 1 Stunde liegen kann, vorzugsweise 1 Minute bis 30 Minuten.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei einem Eintritt der Frequenz in das zuvor definierte Frequenzband oder einen anderen Frequenzwert die Regelung auf eine variable Sollfrequenz beendet wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass nach einer vorgegebenen Zeitdauer, über die auf eine variable Sollfrequenz geregelt wurde, diese Ausnahmeregelung rückgängig gemacht wird und gemäß den Regularien auf die übliche Vorgabefrequenz geregelt wird. So kann der Netzbetreiber beispielsweise eine zeitliche Begrenzung der Änderung der Regelfrequenz vorsehen, so dass beispielsweise nach höchstens 2 Tagen, bevorzugt nach höchstens 1 Tag, vorzugsweise nach höchstens 6 Stunden und besonders bevorzugt höchstens 2 Stunden auf die übliche Vorgabefrequenz geregelt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur von einem Teil der Primärregelleistungserbringer, insbesondere Speichern, bzw. bis zu einer von diesen Quellen zu erbringenden maximalen Gesamt-Primärregelleistung praktiziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden die oben dargelegt festgelegten Zeiträume und die Anpassung der Vorgabefrequenz für länger andauernde Abweichungen der Frequenz nach oben anders festgelegt als für länger andauernde Abweichungen der Frequenz nach unten.
In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass durch das Verfahren ein Beitrag zur Stabilisierung des Netzes auch bei einer relativ geringen Kapazität des Energiespeichers erreicht werden kann, da eine Bereitstellung von Regelleistung auch stattfinden kann, falls die Netzfrequenz über einen sehr langen Zeitraum außerhalb des Totbandes liegt, innerhalb dessen keine Regelung notwendig ist.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann eine Regeneration des Energiespeichers auch dann noch erfolgen, wenn die gemessene Frequenz längerfristig einseitig außerhalb eines Totbandes liegt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere in Zusammenhang mit der Art und Weise der Ausnutzung von Toleranzen, die beispielsweise hinsichtlich der Höhe der Regelleistungserbringung, der Zeit, innerhalb der die Regelleistung zu erbringen ist, und den Frequenztoleranzen geeignet, den Ladezustand zu optimieren.
Beispielsweise kann vermehrt negative Regelleistung bereitgestellt werden, falls der Ladezustand des Energiespeichers aufgrund einer Netzfrequenz, die im Mittel über einen längeren Zeitraum unterhalb der Vorgabefrequenz liegt, sehr tief ist. Hierbei können Toleranzen, beispielsweise die dem Regelleistungserbringer vom Netzbetreiber zugestandenen Toleranzen, im Hinblick auf die Netzfrequenz, die Höhe der Regelleistung abhängig von der Frequenzabweichung, die Unempfindlichkeit hinsichtlich der Frequenzänderung, und den Zeitraum, innerhalb der die Regelleistung zu erbringen ist, ausgenutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers an die Erfordernisse anzupassen. So kann anstatt der vorgesehenen negativen Regelleistung beispielsweise mindestens 105 %, vorzugsweise mindestens 110% und besonders bevorzugt mindestens 115% dieser Regelleistung erbracht werden. Falls bei einem tiefen Ladezustand nun positive Regelleistung bereitgestellt werden muss, so wird in diesem Fall möglichst genau die vertraglich zu erbringende Leistung bereitgestellt. Weiterhin kann die Energieaufnahme bei einem tiefen Ladezustand unmittelbar erfolgen, während die Energieeinspeisung zu einem gemäß den Regularien spätest möglichen Zeitpunkt bzw. mit einem gemäß den Regularien möglichst langsamen Anstieg erfolgt. Weiterhin kann die durch den Netzbetreiber zugestandene Frequenztoleranz verwendet werden, indem eine Messung mit einer höheren Genauigkeit durchgeführt wird, wobei die hierdurch gewonnene Differenz zur zugestandenen Messungenauigkeit gezielt eingesetzt wird, um gemäß den Regularien, d.h. im gegebenen Toleranzrahmen, bei niedrigem Ladezustand möglichst wenig Leistung in das Netz einzuspeisen bzw. möglichst viel Leistung aus dem Netz aufzunehmen. Bei einem hohen Ladezustand kann spiegelverkehrt verfahren werden. So ist beispielsweise eine hohe Energieabgabe bei Bereitstellung einer positiven Regelleistung und eine geringe Energieaufnahme bei Bereitstellung einer negativen Regelleistung möglich bzw. zu realisieren.
Unter der Toleranz bezüglich des Betrags der bereitgestellten Regelleistung und der Toleranz bei der Bestimmung der Frequenzabweichung usw. ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass vom Netzbetreiber, aufgrund technischer Rahmenbedingungen, wie der Messgenauigkeit beim Bestimmen der erbrachten Regelleistung oder der Netzfrequenz, gewisse Abweichungen zwischen einer idealen Sollleistung und der tatsächlich erbrachten Regelleistung akzeptiert werden. Die Toleranz kann vom Netzbetreiber gewährt sein, könnte aber auch einer gesetzlichen Vorgabe entsprechen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann die Zuführung von Energie in den Energiespeicher von der Tageszeit abhängig sein. Hierdurch kann eine hohe Stabilität des Netzes auch bei einer hohen Last bei bestimmten Tageszeiten sichergestellt werden. So kann bei Spitzenlasten eine Regeneration des Energiespeichers, die aufgrund der Abweichung der Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz über einen längeren Zeitraum sinnvoll wäre, ausgeschlossen werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass mehrere Energiespeicher gemäß dem vorliegenden Verfahren eingesetzt werden. In einer besonderen Ausführungsform können hierbei alle oder nur ein Teil dieser Energiespeicher eine an den Ladungszustand der Energiespeicher angepasste Regelleistung erbringen, wie diese zuvor dargelegt wurde.
Die Größe der Energiespeicher innerhalb des Pools kann dabei variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei den verschiedenen Energiespeichern eines Pools bei der Ausnutzung von Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband, der Wechsel von einer Parametereinstellung auf eine andere nicht synchron, sondern gezielt zeitlich versetzt vorgenommen, um etwaige Störungen im Netz möglichst gering oder zumindest tolerabel zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform variieren die bei den verschiedenen Verfahrensweisen genutzten Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband abhängig von der Tageszeit, dem Wochentag oder der Jahreszeit. Zum Beispiel können in einem Zeitraum von 5 min vor bis 5 min nach dem Stundenwechsel Toleranzen enger definiert werden. Dies ist darin begründet, dass hier oft sehr rapide Frequenzänderungen stattfinden. Es kann im Interesse der Übertragungsnetzbetreiber liegen, dass hier geringere Toleranzen vorliegen und damit die Regelenergiebereitstellung sicherer im Sinne von schärfer erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung vorgesehen sein, dass durch den dezentral geregelten Regelleistungslieferanten durchschnittlich mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Verfahrensweise bevorzugt sehr viel negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Vorgehensweise bevorzugt nur die mindestens zugesicherte Leistung an positiver Regelleistung erbracht wird. Vorzugsweise wird durchschnittlich mindestens 0,1 % mehr an Energie aus dem Netz entnommen als eingespeist, insbesondere mindestens 0,2 %, bevorzugt mindestens 0,5 %, besonders bevorzugt mindestens 1,0 %, speziell bevorzugt 5%, wobei diese Werte auf einen Durchschnitt bezogen sind, der über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 4 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 24 Stunden und speziell bevorzugt mindestens 7 Tage gemessen wird, und sich auf die eingespeiste Energie beziehen.
Hierbei kann die zuvor dargelegte Regelleistungserbringung gezielt eingesetzt werden, um ein Maximum an Energie aus dem Netz zu entnehmen, wobei die maximal mögliche negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen nur ein Minimum an positiver Regelleistung erbracht wird.
In den Ausführungsformen zur bevorzugten und speziell zur maximalen Energieaufnahme können die hierdurch aus dem Netz entnommenen Energien über den zuvor beschriebenen Energiehandel verkauft werden, wobei dies vorzugsweise zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen ein höchstmöglicher Preis zu erzielen ist. Hierzu können Prognosen über die Preisentwicklung herangezogen werden, die auf historischen Daten beruhen.
Weiterhin kann der Ladezustand zum Zeitpunkt eines geplanten Verkaufs an Energie vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der Speicherkapazität betragen, wobei der Ladezustand nach dem Verkauf bevorzugt höchstens 80 %, insbesondere höchstens 70 % und besonders bevorzugt höchstens 60 % der Speicherkapazität beträgt.
Bei einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes kann die Regelleistung gemäß den üblichen Regularien erbracht werden, die auch für eine kurzfristige Regelung der Netzfrequenz erbracht werden. In Europa ist gemäß den derzeit gültigen Vorschriften der Betrag der zu erbringenden Leistung weitgehend linear mit zunehmender Frequenzabweichung von der Vorgabefrequenz zu erhöhen. So wird üblich bei einer Abweichung von 100 mHz eine Regelleistung erbracht, die 50% der Maximalleistung beträgt. Diese Maximalleistung wird bei einer Abweichung von 200 mHz erbracht und entspricht der zuvor definierten Nennleistung oder kontrahierten Höchstleistung, für die der Energiespeicher mindestens präqualifiziert ist. Bei einer Abweichung von 50 mHz wird demgemäß 25 % der Nennleistung erbracht.
Diese Regelung kann, allerdings mit der zuvor dargelegten Änderung der üblichen Vorgabefrequenz auf eine variable Sollfrequenz, beibehalten werden. Hierbei können die Frequenzwerte, bei denen die Maximalleistung oder Nennleistung zu erbringen ist, entsprechend verschoben werden. Alternativ können diese Frequenzen beibehalten werden.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren mit einem Regelleistungserbringer durchgeführt. Regelleistungserbringer sind insbesondere Energiespeicher, Energieerzeuger und Energieverbraucher.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, ein Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk und/oder als Energieverbraucher eine Werk zum Herstellen einer Substanz verwendet wird, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder ein Metall-Werk, vorzugsweise ein Aluminium-Werk oder ein Stahlwerk.
Solche Energieerzeuger und Energieverbraucher sind zur Bereitstellung von längerfristigen Regelleistungen gut geeignet. Ihre Trägheit stellt erfindungsgemäß keinen Hinderungsgrund dar, wenn sie geeignet mit dynamischen Speichern kombiniert werden.
Vorzugsweise wird ein Energiespeicher zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann. Die Art des Energiespeichers ist für die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Wasserstofferzeuger und -speicher mit Brennstoffzelle, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk, ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator oder Kombinationen („Pools“) von Speichern oder von Speichern mit konventionellen Regelleistungsquellen oder von Speichern mit Verbrauchern und/oder Energieerzeugern.
Ein als Energiespeicher betriebener Wärmespeicher muss zusammen mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Strom aus der gespeicherten Wärmeenergie betrieben werden.
Batteriespeicher (Akkumulatoren) zeichnen sich gegenüber konventionellen Technologien zur Bereitstellung von Primär- und/oder Sekundärregelleistungen unter anderem dadurch aus, dass sie deutlich schneller die erbrachten Leistungen ändern können. In den meisten Fällen ist bei Batteriespeichern jedoch nachteilig, dass sie über eine vergleichsweise geringe Speicherkapazität verfügen, die erforderlichen Leistungen also nur über einen begrenzten Zeitraum erbringen können. Bei einer statistischen Auswertung der Frequenzabweichungen über die Zeit wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend gefunden, dass die angeforderten Leistungen in mehr als 75 % der aktiven Zeit (das heißt, es wird eine von Null abweichende Leistung erbracht) weniger als 20 % der Maximal-Leistung beziehungsweise der vermarkteten Leistung betragen.
Aus dieser erfindungsgemäßen Erkenntnis ergibt sich ebenfalls, dass die Kapazität des Energiespeichers und damit die bereitzuhaltende gespeicherte Regelleistungsmenge geringer gewählt werden kann und es mit einem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut gelingen kann, die Kapazität des Energiespeichers klein zu halten.
Spezielle und besonders bevorzugte Ausführungsformen der Lösungsansätze bestehen darin, dass es sich bei dem Energiespeicher um einen Akkumulator oder Batteriespeicher handelt, der zur Erbringung von Primärregelleistung eingesetzt wird.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform kann die bei negativer PR-Leistung in den Energiespeicher aufgenommene Energie am Spotmarkt veräußert werden, insbesondere wenn die Konditionen dort vorteilhaft sind.
Zu den Akkumulatoren zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Natrium-Nickelchlorid-Akkumulatoren, Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren, Nickel-Zink-Akkumulatoren, Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Natrium-Ionen-Akkumulatoren und Kalium-Ionen-Akkumulatoren.
Hierbei sind Akkumulatoren bevorzugt, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe betriebliche und kalendarische Lebensdauer aufweisen. Zu den bevorzugten Akkumulatoren zählen demgemäß insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren (z. B. Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Mangan-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulatoren) sowie Weiterentwicklungen dieser, wie zum Beispiel Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit, das heißt, sowohl hinsichtlich der Ansprechzeit als auch der Rate, mit der die Leistung gesteigert oder reduziert werden kann, für erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet. Zudem ist auch der Wirkungsgrad insbesondere bei Li-Ionen-Akkumulatoren gut. Ferner zeigen bevorzugte Akkumulatoren ein hohes Verhältnis von Leistung zu Kapazität, wobei dieser Kennwert als C-Rate bekannt ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass in dem Energiespeicher eine Energie von zumindest 4 kWh gespeichert werden kann, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Energiespeicher eine Kapazität von 1 kAh, bevorzugt 10 kAh und besonders bevorzugt 100 kAh besitzen.
Bei Verwendung von Speichern, die auf elektrochemischen Elementen beruhen, insbesondere Akkumulatoren, kann dieser Speicher vorteilhaft mit einer Spannung von mindestens 1 V, vorzugsweise mindestens 10 V und besonders bevorzugt mindestens 100 V betrieben werden.
Die Einspeisung von Regelleistung in das Wechselstromnetz kann je nach Verlauf der Frequenzabweichung konstant, über Pulse oder über Rampen erfolgen, die sich durch einen Anstieg an Leistungseinspeisung über einen definierten Zeitraum gekennzeichnet sind.
Eine über Pulse (Impulse) bereitgestellte Regelleistung ermöglicht eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bereitstellung von Regelleistung, da hierdurch die, insbesondere bei Verwendung von Akkumulatoren, notwendige Leistungselektronik bei einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden kann. Unter einem Puls ist ein zeitlich begrenzter stoßartiger Strom-, Spannungs- oder Leistungsverlauf zu verstehen, wobei diese Pulse auch als wiederholende Folge von Impulsen eingesetzt werden können. Der Tastgrad gemäß DIN IEC 60469-1 kann hierbei von der Art der Leistungselektronik und der zu erbringenden Regelleistung gewählt werden, wobei dieser im Bereich von größer null bis 1, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,9, besonders bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 0,8 liegt.
Im Fall von erforderlich werdenden Leistungsänderungen kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Leistung des Energiespeichers abhängig von der Höhe der erforderlichen Leistungsänderung über einen Zeitraum von zumindest 0,5 s gesteigert wird, vorzugsweise über einen Zeitraum von zumindest 2 s, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von zumindest 30 s.
Durch diese langsameren Rampen wird sichergestellt, dass es zu keinen Anregungen von unerwünschten Störungen oder Schwingungen im Stromnetz oder bei den angeschlossenen Verbrauchern und Erzeugern durch einen zu steilen Leistungsgradienten kommt.
Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann vorzugsweise im Bereich von 20 bis 80% der Kapazität liegen, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 60%. Die Einhaltung und/oder die Rückkehr in diese Ladezustandsbereiche kann beispielsweise durch Nutzung der dieser Erfindung zu Grunde liegende Betriebsweise und/oder über den zuvor näher erläuterten Energiehandel über das Stromnetz erreicht werden. Der Ladezustand entspricht insbesondere im Fall von Akkumulatoren als Energiespeicher dem Ladungszustand (engl.: „State-of-Charge“, SoC) oder dem Energiegehalt (engl.: „State-of-Energie“, SoE).
Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann von Vorhersagedaten abhängen. So können insbesondere Verbrauchsdaten zur Bestimmung des optimalen Ladezustandes herangezogen werden, die von der Tageszeit, dem Wochentag und/oder der Jahreszeit abhängig sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die ans Stromnetz abgegebene Leistung des Energiespeichers oder die aus dem Stromnetz aufgenommene Leistung des Energiespeichers nach einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes zu mehreren Zeitpunkten, insbesondere kontinuierlich gemessen wird und der Ladezustand des Energiespeichers zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich berechnet wird, wobei die abgegebene oder aufgenommene Leistung des Energiespeichers in Abhängigkeit von diesem Ladezustand derart eingestellt wird, dass die variable Sollfrequenz bei der Leistungsaufnahme oder -abgabe berücksichtigt wird.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren mit einem zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher durchgeführt werden. Zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher sind in diesem Zusammenhang Vorrichtungen, die Regelleistung bereitstellen können, die jedoch keinen Energiespeicher darstellen.
Hierbei sind insbesondere solche zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher bevorzugt, die auch im Zusammenhang mit Erneuerbaren Energien eingesetzt werden können, wie beispielsweise Elektrolyse-Werke oder Metall-Werke, deren Produktion zur Bereitstellung von positiver Regelleistung verringert werden kann.
Durch diese Ausgestaltung kann überraschend die Nennleistung des Energiespeichers gesteigert werden, ohne dass die Kapazität desselben vergrößert werden muss. Hierbei kann dem Energiespeicher Leistung durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher auch bei einer hohen Netzbelastung in sehr kurzer Zeit bei Bedarf bereitgestellt werden, ohne dass ein langwieriger Energiehandel notwendig ist. Überraschend kann daher bei einer relativ geringen Kapazität des Speichers eine relativ hohe Leistung abgegeben werden, die im Allgemeinen nur für einen kurzen Zeitraum abgegeben werden kann. Durch den unmittelbaren Zugriff auf den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher kann dieser nach einer kurzen Zeit die eigentlich vom Energiespeicher zur Verfügung zu stellende Regelleistung erbringen bzw. substituieren. So kann insbesondere eine Regeneration des Energiespeichers durch die Energie oder Leistung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers erfolgen. Hierbei trägt der Energiespeicher zur Qualität der Regelleistungserbringung bei, da hierdurch eine schnelle Reaktionszeit erzielt wird. Im Gegensatz hierzu trägt der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher vor allem zur Quantität bei, da dieser bei relativ geringen Kosten über eine bauartbedingt deutlich längere Zeit Regelleistung liefern kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher einzeln oder im Pool eine Leistung von zumindest 10 kW hat oder haben, vorzugsweise zumindest 100 kW, besonders bevorzugt zumindest 1 MW und ganz besonders bevorzugt von zumindest 10 MW.
Das Verhältnis von Nennleistung des Energiespeichers zur maximalen Leistung des zusätzlichen Regelleistungserbringers kann vorzugsweise im Bereich von 1:10000 bis 100:1, besonders bevorzugt im Bereich von 1:1000 bis 40:1 liegen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die eine Steuerung und einen Energiespeicher umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz angeschlossen ist und die Steuerung mit dem Energiespeicher verbunden ist, wobei die Steuerung mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer und einer Einheit zur Bestimmung einer mittleren Netzfrequenz verbunden ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Frequenzmesser zum Messen der Netzfrequenz des Stromnetzes und einen Daten-Speicher umfasst, wobei in dem Speicher zumindest ein Grenzwert (beispielsweise Vorgabefrequenz ±10 mHz, Vorgabefrequenz ±200 mHz usw.) der Netzfrequenz gespeichert ist, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, die Netzfrequenz mit dem zumindest einen Grenzwert zu vergleichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich die Leistung des Energiespeichers sowie gegebenenfalls des Energieverbrauchers und/oder des Energieerzeugers zu steuern.
Unter einer Steuerung wird erfindungsgemäß vorliegend eine einfache Steuerung verstanden. Hierbei sei angemerkt, dass jede Regelung eine Steuerung umfasst, da bei einer Regelung eine Steuerung in Abhängigkeit von einer Differenz eines Istwerts zu einem Sollwert erfolgt. Bevorzugt ist die Steuerung also als Regelung ausgebildet, insbesondere bezüglich des Ladezustands. Besonders bevorzugt ist die Steuerung ein Leitsystem.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer einen Daten-Speicher aufweist, wobei in dem Daten-Speicher zumindest historische Daten über die Abweichung und die Dauer der Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz festgehalten sind, wobei diese historischen Daten einen Zeitraum von vorzugsweise mindestens einem Tag, bevorzugt mindestens einer Woche, besonders bevorzugt mindestens einem Monat und speziell bevorzugt mindestens einem Jahr umfassen. Die Einheit zur Bestimmung einer mittleren Netzfrequenz kann entsprechend der Art der Mittelwertbildung ausgestaltet sein. Im Allgemeinen wird die Steuereinheit einen Datenspeicher umfassen, der die variablen Sollfrequenzen enthält, die zur Anpassung der Netzzeit an die koordinierte Weltzeit festgelegt werden.
Alternativ werden die Daten an einer entfernten Stelle erhoben und wie oben dargelegt ausgewertet und das entsprechende Signal geeignet an den oder die Speicher zur Regelleistungsbereitstellung übertragen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dies über die bekannten Methoden der Ferndatenübertragung und -kommunikation erfolgen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von drei schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von Regelleistung;
2: ein Ablaufdiagramm für eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
3: ein Ablaufdiagramm für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für ein erfindungsgemäßes Verfahren umfassend eine Steuerung 11 und einen Energiespeicher 12, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz 13 angeschlossen ist.
Insbesondere auch in solchen Fällen ist ein besonders schnell reagierender und leicht auf- und entladbarer Energiespeicher 12 besonders vorteilhaft. Am besten sind hierfür Akkumulatoren geeignet. Insbesondere Li-Ionen-Akkumulatoren sind mit geringen schädlichen Einflüssen auf den Akkumulator schnell und häufig auf- und entladbar, so dass diese erfindungsgemäß für alle Ausführungsbeispiele besonders geeignet und bevorzugt sind. Dazu müssen Li-Ionen-Akkumulatoren mit beträchtlicher Kapazität bereitgestellt werden. Diese sind beispielsweise leicht in einem oder mehreren 40-Fuß-ISO-Containern unterzubringen.
Hierbei ist die Steuerung 11 mit dem Energiespeicher 12 verbunden. Weiterhin ist die Steuerung 11 mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer 14 und einer Einheit zur Bestimmung einer mittleren Netzfrequenz 15 verbunden. Diese Einheiten können selbstverständlich räumlich in einem Gehäuse mit der Steuerung untergebracht sein.
Die Verbindung zwischen der Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer 14 und der Einheit zur Bestimmung einer mittleren Netzfrequenz 15 mit der Steuerung 11 erlaubt eine Kommunikation der ermittelten Daten, die in der Steuerungseinheit verarbeitet werden. Ferner kann die Steuerung 11 mit dem Stromnetz 13 verbunden sein, wobei diese in 1 nicht dargestellte Verbindung eine Übermittlung von Anfragen nach benötigter Regelleistung, sowohl positiver als auch negativer, erlauben kann.
Die in 1 dargelegte Ausführungsform weist einen zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 auf, der in der vorliegenden Erfindung eine optionale Komponente darstellt. Der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 ist sowohl mit dem Stromnetz 13 als auch mit dem Energiespeicher 12 verbunden, so dass die durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher bereitgestellte Regelleistung unmittelbar in das Stromnetz 13 eingespeist werden kann oder zur Regenerierung des Energiespeichers 12 eingesetzt werden kann. Die Steuerung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers 16 kann durch übliche Komponenten erfolgen, die mit der Steuerung 11 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in Verbindung stehen können.
Für Einzelheiten zur Regelung von Regelleistung und zum Informationsaustausch mit den Netzbetreibern sei auf das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007“ vom November 2009 verwiesen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine erste Ausführungsform eines bevorzugten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform werden vom Netzbetreiber keine Angaben zur gegenwärtigen Sollfrequenz übermittelt, wobei diese Information auch nicht vom Regelleistungserbringer abgefragt werden kann. Vielmehr wird in dieser Ausführungsform die geltende Sollfrequenz durch Messung der Netzfrequenz ermittelt. Bei dem in 2 dargelegten Verfahren wird ein Energiespeicher eingesetzt. In Schritt 1 wird die Netzfrequenz des Stromnetzes gemessen. Im Entscheidungsschritt 2 wird anschließend geprüft, ob die Netzfrequenz innerhalb oder außerhalb des Frequenzbandes liegt, welches zuvor festgelegt wurde. Dieses Frequenzband kann identisch zu einem Totband sein, welches durch die Netzregularien oder vom Netzbetreiber vorgegeben ist.
Vorzugsweise kann dieses Frequenzband kleiner als das von den Netzbetreibern oder durch die Netzregularien bestimmte Totband sein.
Falls die gemessene Netzfrequenz innerhalb des Frequenzbandes liegt, erfolgt gemäß der vorliegenden Ausführungsform des Verfahrens eine Regelleistungserbringung gemäß den Standardvorgaben, wie dies in Schritt 8 dargestellt ist.
Falls die Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz abweicht, wird in Entscheidungsschritt 3 geprüft, ob eine dauerhafte Frequenzabweichung über einen festgelegten Zeitraum vorliegt. Hierbei kann ebenfalls überprüft werden, ob eine andere Beschränkung gegeben ist, die eine Abweichung von den Standardvorgaben ausschließt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zu bestimmten Tageszeiten eine Regelung auf die Vorgabefrequenz zwingend ist. Falls keine dauerhafte Frequenzabweichung gegeben ist oder eine Regelung auf eine variable Sollfrequenz ausgeschlossen ist, wird Regelleistung gemäß den üblichen Vorgaben erbracht, wobei auf die Vorgabefrequenz geregelt wird. Falls eine dauerhafte Frequenzabweichung vorliegt und keine Ausnahmeregelung zutrifft, wird mit Entscheidungsschritt 4 fortgefahren.
In Entscheidungsschritt 4 wird überprüft, ob ein Abbruchkriterium vorliegt, so dass ein Übergang von einer Regelung mit einer variablen Sollfrequenz auf eine Regelung mit der Vorgabefrequenz erfolgen muss. Diese Abbruchkriterien können beispielsweise durch einen Zeitraum gegeben sein, auf den eine Erbringung von Regelleistung mit einer variablen Sollfrequenz begrenzt ist. Weiterhin kann durch eine Regeneration des Energiespeichers ein Ladezustand erreicht worden sein, der eine Regelung auf die Vorgabefrequenz erlaubt. In diesem Fall wird in der vorliegenden Ausführungsform gemäß Schritt 5 die Zeitmessung hinsichtlich des vorgegebenen Zeitraums, für den eine dauerhafte Frequenzabweichung vorliegen muss, bevor eine Regelung auf eine variable Sollfrequenz zulässig ist, neu gestartet. Anschließend wird Regelleistung gemäß den üblichen Vorgaben unter Verwendung der Vorgabefrequenz erbracht, wie dies in Schritt 8 schematisch dargestellt ist.
Falls dieses Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform in Entscheidungsschritt 6 geprüft, ob die Anwendung einer Regelleistungserbringung unter Verwendung einer variablen Sollfrequenz zweckmäßig ist, den Ladezustand des Energiespeichers in möglichst kurzer Zeit in einen anzustrebenden Ladezustand zu überführen. Falls dies nicht der Fall ist, wird die übliche Vorgabefrequenz zur Erbringung der Regelleistung verwendet.
Beispielsweise kann die Sollfrequenz bei einem Wert von 49,990 Hz liegen, um die Netzzeit an die koordinierte Weltzeit anzupassen. Falls der Energiespeicher nun einen relativ hohen Ladezustand aufweist und der Energiespeicher demgemäß bevorzugt Energie abgeben sollte, ist es sinnvoll, die Vorgabefrequenz bei 50,000 Hz zu belassen und vermehrt bzw. höhere positive Regelleistung bereitzustellen.
Andernfalls wird gemäß Schritt 7 verfahren, und die Vorgabefrequenz wird an die Sollfrequenz angepasst. Ähnlich dem zuvor dargelegten Fall kann der Energiespeicher einen relativ hohen Ladezustand aufweisen. Allerdings soll die Sollfrequenz diesmal bei einem Wert von 50,010 Hz liegen. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Vorgabefrequenz auf die geänderte Sollfrequenz anzupassen, um möglichst viel positive Regelleistung bereitstellen zu müssen.
Anschließend wird wiederum die Netzfrequenz gemessen, so dass ein Kreislauf gegeben ist. Dies gilt auch für den Fall, dass die Regelleistungserbringung gemäß den Standardvorgaben erbracht wird, wie dies in Schritt 8 beschrieben ist.
Die Reihenfolge der in 2 dargelegten Schritte kann teilweise umgestellt werden. So kann insbesondere Entscheidungsschritt 6 vor Entscheidungsschritt 4 erfolgen, so dass die Prüfung über eine Zweckmäßigkeit einer Regelung auf eine variable Regelfrequenz vor dem Vorliegen eines Abbruchkriteriums erfolgt.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine zweite Ausführungsform eines bevorzugten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform werden vom Netzbetreiber Angaben zur gegenwärtigen Sollfrequenz übermittelt. Dies kann auf Initiative des Netzbetreibers erfolgen. Alternativ kann diese Information auch vom dezentral gesteuerten Regelleistungserbringer abgefragt werden.
In Schritt 1‘ wird die gegenwärtige Sollfrequenz dem Regelleistungserbringer übermittelt. In Entscheidungsschritt 2‘ wird geprüft ob diese Sollfrequenz der üblichen Vorgabefrequenz entspricht. Falls dies der Fall ist, wird gemäß Schritt 4‘ Regelleistung gemäß den Vorgaben unter Verwendung der üblichen Vorgabefrequenz erbracht.
Falls die Sollfrequenz von der üblichen Vorgabefrequenz abweicht, so wird in Entscheidungsschritt 3‘ geprüft, ob die Anwendung der Regelleistungserbringung unter Verwendung einer variablen Sollfrequenz zweckmäßig ist, den Ladezustand des Energiespeichers in möglichst kurzer Zeit in einen anzustrebenden Ladezustand zu überführen. Falls dies nicht der Fall ist, wird gemäß Schritt 4‘ die übliche Vorgabefrequenz zur Erbringung der Regelleistung verwendet.
Beispielsweise kann die Sollfrequenz bei einem Wert von 49,990 Hz liegen, um die Netzzeit an die koordinierte Weltzeit anzupassen. Falls der Energiespeicher nun einen relativ hohen Ladezustand aufweist und der Energiespeicher demgemäß bevorzugt Energie abgeben sollte, ist es sinnvoll, die Vorgabefrequenz bei 50,000 Hz zu belassen und vermehrt bzw. höhere positive Regelleistung bereitzustellen.
Andernfalls wird gemäß Schritt 5‘ verfahren und die Vorgabefrequenz wird an die Sollfrequenz angepasst. Ähnlich dem zuvor dargelegten Fall kann der Energiespeicher einen relativ hohen Ladezustand aufweisen. Allerdings soll die Sollfrequenz diesmal bei einem Wert von 50,010 Hz liegen. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Vorgabefrequenz auf die geänderte Sollfrequenz anzupassen, um möglichst viel positive Regelleistung bereitstellen zu müssen.
Die in der voranstehenden Beschreibung sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/122738 A1 [0011]
WO 2010042190 A2 [0012]
JP 2008178215 A [0012]
DE 102008046747 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control“ von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007 [0013]
DIN IEC 60469-1 [0116]

Claims

Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, wobei das Wechselstromnetz bei einer variablen Sollfrequenz arbeitet und das Wechselstromnetz mindestens einen dezentral geregelten Regelleistungslieferanten umfasst, der die Netzfrequenz auf eine Vorgabefrequenz regelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabefrequenz an die variable Sollfrequenz angepasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Vorgabefrequenz arbeitende Regelleistungslieferant Primärregelleistung bereitstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselstromnetz mindestens einen Lieferanten für Sekundärregelleistung und/oder Minutenreserveleistung umfasst, der zentral gesteuert wird, wobei die Aktivierung des Lieferanten für Sekundärregelleistung und/oder Minutenreserveleistung unter Berücksichtigung der variablen Sollfrequenz erfolgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Vorgabefrequenz arbeitende Regelleistungslieferant ein Energiespeicher ist, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand des Energiespeichers bei der Anpassung der Vorgabefrequenz auf die variable Sollfrequenz berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher ein Akkumulator ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Sollfrequenz an den dezentral gesteuerten Regelleistungslieferanten übermittelt wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung zwischen variabler Sollfrequenz und Vorgabefrequenz durch eine dauerhafte Frequenzabweichung der Netzfrequenz außerhalb eines Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum festgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung zwischen variabler Sollfrequenz und Vorgabefrequenz durch eine gleitende Mittelwertbildung der Netzfrequenz bestimmt wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Totband um die Vorgabefrequenz vorgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung zwischen variabler Sollfrequenz und Vorgabefrequenz durch eine dauerhafte Frequenzabweichung der Netzfrequenz außerhalb eines Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum festgestellt wird, wobei die Abweichung der Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz mit einer höheren Genauigkeit als die Breite des Totbands gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzband, welches zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung der Netzfrequenz verwendet wird, kleiner als das Totband ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung durch den dezentral geregelten Regelleistungslieferanten durchschnittlich mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Zeitraums, für den die variable Sollfrequenz von einem Standardwert auf einen hiervon abweichenden Wert geändert wird, eine mehrfache Anpassung der Vorgabefrequenz vom ursprünglichen Wert auf einen variablen Sollwert vorgenommen wird, wenn während dieses Zeitraums die Anpassung der Vorgabefrequenzzeitweise rückgängig gemacht wurde.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Steuerung (11) und einen Energiespeicher (12) umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz (13) angeschlossen ist und die Steuerung (11) mit dem Energiespeicher (12) verbunden ist, wobei die Steuerung (11) mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer (14) und einer Einheit zur Bestimmung einer mittleren Netzfrequenz (15) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Bestimmung einer mittleren Netzfrequenz (15) eine höhere Messgenauigkeit hat als ein um die Vorgabefrequenz definiertes Totband.