DE102011108255A1 - Method for adaptive control of the supply voltage in local networks - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur adaptiven Regelung der Versorgungsspannung in Ortsnetzen, in welchen elektrische Energie, insbesondere in Form von Solar- und/oder Photovoltaikenergie einspeisbar und durch Verbraucher entnehmbar ist, unter Einsatz mindestens eines Trafos, der zwischen einem Mittelspannungs- und einem Niederspannungsnetz vorgesehen ist, indem unterschiedliche Zustandsgrößen mindestens eines der Einspeiser/Verbraucher, insbesondere Strom, Spannung, Verbrauch, Energiezufuhr, Energieverlust oder dergleichen, innerhalb des jeweiligen Ortsnetzes ermittelt werden, diese Zustandsgrößen je Fase einem Regler, insbesondere einem multivariablen Regler, zugeleitet werden, der jeweilige Regler diese Zustandsgrößen als Eingangswerte mit Soll-/Referenzwerten abgleicht und mindestens eine Stellgröße generiert, die einem elektronisch geregelten Transformator zur Verfügung gestellt wird, über welchen dem jeweiligen Ortsnetz innerhalb vorgebbarer Stufen eine von der ermittelten Zustandsgröße abweichende geregelte Netzspannung eingestellt wird, die an einer vorgebbaren Stelle des Ortsnetzes messbar ist.Method for the adaptive control of the supply voltage in local networks, in which electrical energy, in particular in the form of solar and / or photovoltaic energy can be fed and removed by consumers, using at least one transformer, which is provided between a medium voltage and a low voltage network by different State variables of at least one of the feeders / consumers, in particular current, voltage, consumption, energy supply, energy loss or the like, are determined within the respective local network, these state variables per chamfer are fed to a controller, in particular a multivariable controller, the respective controller these state variables as input values compares with setpoint / reference values and generates at least one manipulated variable, which is provided to an electronically controlled transformer, via which the respective local network within specifiable levels deviates from the determined state variable calibrating regulated mains voltage is set, which can be measured at a predefinable point of the local network.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Regelung der Versorgungsspannung in Ortsnetzen.The invention relates to a method for the adaptive control of the supply voltage in local networks.

Elektrische Energie wird heute primär durch Atomkraftwerke, Kohle-, Gas- oder Wasserkraftanlagen erzeugt.Electrical energy is generated primarily by nuclear power plants, coal, gas or hydroelectric power plants today.

In den vergangenen Jahren verstärkt hinzugekommen sind neben den Wasserkraftwerken als regenerative Energieerzeuger weitere regenerative Energieerzeugungseinrichtungen, wie Windenergie- und Solarkraftanlagen.In addition to hydropower plants as regenerative energy producers, more renewable energy generation facilities, such as wind energy and solar power plants, have increasingly been added in recent years.

Während die zuerst genannten Anlagen bisher eine stabile Energieversorgung innerhalb tolerierbarer Schwankungsbreiten mit sich brachten, führen die zuletzt genannten Energieerzeuger, als Einspeiser insbesondere in Ortsnetzen, zu nicht unerheblichen Versorgungsspannungsschwankungen. Dies im Hinblick darauf, dass die regenerativen Energiequellen, wie Wind und Sonne, nicht ständig zur Verfügung stehen und somit, über den Tag gesehen, wechselnde Versorgungsspannungen innerhalb der Ortsnetze bewältigt werden müssen, die sich durch Spannungsschwankungen bei den Ortsnetzverbrauchern bemerkbar machen.While the first-mentioned systems have hitherto brought about a stable energy supply within tolerable fluctuation ranges, the latter-mentioned energy producers, as feeders, in particular in local networks, lead to considerable supply voltage fluctuations. This in view of the fact that the regenerative energy sources, such as wind and sun, are not constantly available and thus, seen over the day, changing supply voltages must be managed within the local networks, which are noticeable by voltage fluctuations in the local network consumers.

Üblicherweise wird die erzeugte und zu transportierende Energie in so genannten Hoch- und Mittelspannungsnetzen über Land transportiert und in den bereits angesprochenen Ortsnetzen über Transformatoren auf das Spannungsniveau des Endverbrauchers (z. B. 400 Volt) übersetzt.Typically, the energy generated and transported is transported in so-called high and medium voltage networks over land and in the already mentioned local networks via transformers to the voltage level of the end user (eg 400 volts) translated.

Während es in der Vergangenheit relativ einfach war, aufgrund bekannter Voraussetzungen auf der Mittel- und Niederspannungsseite Transformatoren so zu dimensionieren, dass die elektrische Energie auf der Niederspannungsseite innerhalb vorgebbarer Toleranzen problemlos bereitgestellt werden konnte, führen die neuen regenerativen Energiequellen, die insbesondere Energie in Ortsnetze einspeisen, zu Regelungsproblemen, da sie nicht ständig in gleicher Einspeisemenge zur Verfügung stehen.While it was relatively easy in the past, due to known requirements on the medium and low voltage side transformers to dimension so that the electrical energy on the low voltage side within predeterminable tolerances could be provided easily, lead the new renewable energy sources, in particular energy feed into local networks , to control problems, since they are not constantly available in the same feed quantity.

Im Gesetz zur Neuregelung des Rechts der erneuerbaren Energien im Strombereich (EEG Novelle von 2004) wurden die Anreize zu einer breiten Einführung von Anlagen zur Stromerzeugung aus regenerativen Energien gegenüber dem ersten EEG von 2000 noch einmal deutlich erhöht. Ziel ist, den Anteil der regenerativen Energien bis zum Jahr 2020 auf über 20% der gesamten Stromerzeugung zu steigern.In the Act on the Renewable Energy Sources Act in the Electricity Sector (2004 Renewable Energy Sources Act), the incentives for a widespread introduction of renewable energy generation systems compared to the first Renewable Energy Sources Act of 2000 were significantly increased. The goal is to increase the share of renewable energies by 2020 to more than 20% of total electricity generation.

Die heutigen Stromnetze sind in ihrer Funktionsweise auf den Lastfluss vom Kraftwerk zum Verbraucher dimensioniert. Das Qualitätsmanagement beim Netzbetreiber stellt in der Regel sicher, dass die Qualitätskriterien für die Spannungsqualität entsprechend DIN EN 50160 an allen Verbraucheranschlüssen des jeweiligen Netzes eingehalten werden.Today's power grids are dimensioned in their mode of operation to the load flow from the power plant to the consumer. The quality management at the network operator usually ensures that the quality criteria for the voltage quality accordingly DIN EN 50160 be complied with at all consumer connections of the respective network.

Der DE 10 2009 048 509 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Eingangsspannung eines Transformators einer Ortsnetzstation zu entnehmen, das folgende Schritte beinhaltet:

  • – Messen eines Eingangsstroms des Transformators, eines Ausgangsstroms des Transformators, einer Ausgangsspannung des Transformators sowie eines Phasenwinkels zwischen Ausgangsstrom und Ausgangsspannung,
  • – Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses und einer Admittanz eines Quergliedes eines p-Ersatzschaltbildes des Transformators der Außenstation mit Hilfe des gemessenen Eingangsstroms, des gemessenen Ausgangsstroms, der gemessenen Ausgangsspannung und des Phasenwinkels zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung,
  • – Ermitteln der Eingangsspannung des Transformators der Ortsnetzstation auf der Basis des bestimmten Übersetzungsverhältnisses und der bestimmten Admittanz des Quergliedes des p-Ersatzschaltbildes.
Of the DE 10 2009 048 509 A1 is a method for determining an input voltage of a transformer of a local network station, which includes the following steps:
  • Measuring an input current of the transformer, an output current of the transformer, an output voltage of the transformer and a phase angle between output current and output voltage,
  • Determining the transmission ratio and an admittance of a cross-member of a p-equivalent circuit diagram of the transformer of the outdoor station with the aid of the measured input current, the measured output current, the measured output voltage and the phase angle between the output current and the output voltage,
  • - Determining the input voltage of the transformer of the local network station on the basis of the specific gear ratio and the specific admittance of the cross-member of the p-equivalent circuit diagram.

Die DE 10 2009 014 243 A1 betrifft einen Ortsnetztrafo bzw. eine Schaltung für einen elektrischen Verteiltransformator zur Steuerung und/oder Regelung des Spannungsbereichs je Phase für die Niederspannungsebene, wobei einem Verteiltransformator wenigstens ein Transformator mit wenigsten einer Primär- und einer Sekundärentwicklung nachgeschaltet ist, wobei die Sekundärseite in Reihe mit der Phase vom Verteiltransformator geschaltet ist und die Wicklung der Primärseite mittels einer Schaltmatrix aus Leistungshalbleiterschaltern kurzschließbar oder mit einer gleichfasigen oder gegenfasigen Spannung durch schnelles Umschalten versorgbar ist und wobei die Ausgangsspannung während der Schaltvorgänge unterbrechungsfrei verbleibt.The DE 10 2009 014 243 A1 relates to a local network transformer or circuit for an electrical distribution transformer for controlling and / or regulating the voltage range per phase for the low voltage level, wherein a distribution transformer at least one transformer with at least one primary and one secondary development is connected downstream, the secondary side in series with the phase is switched by the distribution transformer and the winding of the primary side by means of a switching matrix of power semiconductor switches short-circuited or supplied with a gleichfasigen or gegenfasigen voltage by fast switching and the output voltage during the switching operations remains uninterrupted.

Der DE 10 2007 037 277 A1 ist ein Verfahren zur Nachfragesteuerung von elektrischer Energie im Niederspannungsnetz zu entnehmen, bei welchem elektrische Energie aus dem Niederspannungsnetz bezogen wird und die Leistungsregelung des Energiebezugs durch aktive Variation der Netzspannung innerhalb des Toleranzbandes der Normspannung erfolgt.Of the DE 10 2007 037 277 A1 a method for demand control of electrical energy in the low-voltage network can be seen, in which electrical energy is obtained from the low-voltage network and the power control of the energy by active variation of the mains voltage within the tolerance band of the standard voltage.

Die DE 10 2006 050 509 A1 offenbart ein Verfahren zur geregelten Auskopplung elektrischer Energie aus dem Niederspannungsnetz. Angesprochen wird der Einsatz eines spannungsregelbaren Transformators, um das Lastverhalten dezentraler Stromeinspeiser im versorgten Niederspannungsnetzsegment zu beeinflussen und dabei den Bezug bzw. die Einspeisung von elektrischer Energie in die übergeordnete Mittelspannungsebene zu steuern. Die variable Sekundärspannung dient innerhalb des Toleranzbandes der Normspannung als Signalträger für die Anforderung der geregelten Leistung.The DE 10 2006 050 509 A1 discloses a method for the controlled decoupling of electrical energy from the low voltage grid. The use of a voltage controllable is addressed Transformers, in order to influence the load behavior of decentralized power feeders in the supplied low-voltage network segment and thereby control the reference or the supply of electrical energy in the higher-level medium-voltage level. The variable secondary voltage is used within the tolerance band of the standard voltage as a signal carrier for the request of the regulated power.

Durch die DE 10 2009 035 699 A1 ist eine Anordnung eines Stufenschalters an einem Regeltransformator bekannt geworden, wobei der Stufenschalter ein mechanisches Kontaktsystem zur Wahl einer Anzapfung einer Regelwicklung des Regeltransformators sowie einen Lastschalter zur eigentlichen Lastumschaltung aufweist, wobei der Regeltransformator einen ölgefüllten Kessel aufweist, in dem sich mindestens ein Eisenjoch und Wicklungen befinden und wobei der Kessel oben durch einen Transformatordeckel abgeschlossen ist. Das mechanische Kontaktsystem des Stufenschalters ist innerhalb des Kessels unterhalb des Transformatordeckels und oberhalb des Eisenjochs angeordnet. Der Lastumschalter des Stufenschalters besitzt leistungselektronische Schaltelemente, insbesondere Thyristoren oder IGBT's zur unterbrechungslosen Lastumschaltung.By the DE 10 2009 035 699 A1 an arrangement of a tap changer to a control transformer has become known, wherein the tap changer comprises a mechanical contact system for selecting a tap of a control winding of the control transformer and a load switch for actual load switching, wherein the control transformer has an oil-filled boiler in which there are at least one iron yoke and windings and wherein the boiler is closed at the top by a transformer cover. The mechanical contact system of the on-load tap-changer is located inside the boiler below the transformer cover and above the iron yoke. The diverter switch of the tap changer has power electronic switching elements, in particular thyristors or IGBTs for uninterrupted load switching.

Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem, unabhängig von der Art der auf der Niederspannungs- bzw. Mittelspannungsseite gegebenen Versorgungsspannung, das in der DIN EN 50160 definierte zulässige Spannungsband nicht verlassen wird, wobei insbesondere die Einflüsse der auf der Niederspannungsseite dezentral einspeisenden regenerativen Energieerzeuger dergestalt kompensiert werden, dass keine oder nur unbedeutende Spannungsschwankungen auf Verbraucherseite gegeben sind.The object of the subject invention is to provide a method by which, regardless of the nature of the given on the low voltage or medium voltage side supply voltage, in the DIN EN 50160 defined permissible voltage band is not left, in particular, the influences of the decentralized on the low-voltage side regenerative regenerative energy generator can be compensated in such a way that no or only insignificant voltage fluctuations are given on the consumer side.

Darüber hinaus ist es ein Ziel des Erfindungsgegenstandes, hoch- oder mittelspannungsseitige Spannungseinbrüche, die insbesondere durch industrielle Verbraucher mit hohem Leistungsaufkommen entstehen, auszugleichen.In addition, it is an object of the subject invention, high or medium voltage side voltage drops, which arise in particular by industrial consumers with high power output to compensate.

Des Weiteren sollen dezentrale Erzeugungsanlagen in Gestalt von z. B. Windraftanlagen, Bioheizkraftwerke, Ölheizkraftwerke und andere, welche das Potenzial insbesondere auf der Mittelspannungsebene anheben, durch einen elektronisch geregelten Transformator ausgeregelt werden.Furthermore, decentralized generation plants in the form of z. As wind turbines, Bioheizkraftwerke, oil cogeneration plants and others, which raise the potential, especially on the medium voltage level, are regulated by an electronically controlled transformer.

Schließlich ist es ein Ziel des Erfindungsgegenstandes, unter Berücksichtigung von Energieflüssen in allen Richtungen innerhalb der Spannungsebenen und über die Umspannungsebenen hinweg, die Einhaltung der Spannungsqualität in Ortsnetzen zu sichern, wodurch die Aufnahmefähigkeit bestehender Netze erhöht werden kann.Finally, it is an object of the subject invention, taking into account energy flows in all directions within the voltage levels and over the voltage levels, to ensure the maintenance of voltage quality in local networks, whereby the capacity of existing networks can be increased.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren zur adaptiven Regelung der Versorgungsspannung in Ortsnetzen, in welche elektrische Energie, insbesondere in Form von Solar- und/oder Photovoltaik Energie einspeisbar und durch Verbraucher entnehmbar ist, unter Einsatz mindestens eines Trafos, der zwischen einem Mittelspannungs- und einem Niederspannungsnetz vorgesehen ist, indem unterschiedliche Zustandsgrößen mindestens eines der Einspeiser/Verbraucher, insbesondere Strom, Spannung, Verbrauch, Energiezufuhr, Energieverlust oder dergleichen, innerhalb des jeweiligen Ortsnetzes ermittelt werden, diese Zustandsgrößen je Fase mindestens einem Regler, insbesondere einem multivariablen Regler, zugeleitet werden, der jeweilige Regler diese Zustandsgrößen als Eingangswerte mit Soll-/Referenzwerten abgleicht und mindestens eine Stellgröße generiert, die einem elektrisch geregelten Transformator zur Verfügung gestellt wird, über welchen dem jeweiligen Ortsnetz innerhalb vorgebbarer Stufen eine von der ermittelten Zustandsgröße abweichende geregelte Netzspannung eingestellt wird, die an einer vorgebbaren Stelle des Ortsnetzes messbar ist.This object is achieved by a method for adaptive control of the supply voltage in local networks, in which electrical energy, in particular in the form of solar and / or photovoltaic energy can be fed and removed by consumers, using at least one transformer, which is between a medium voltage and a low-voltage network is provided by different state variables of at least one of the feeders / consumers, in particular electricity, voltage, consumption, energy, energy loss or the like, are determined within the respective local area network, these state variables per chamfer at least one controller, in particular a multivariable controller, are fed in that the respective controller adjusts these state variables as input values with desired / reference values and generates at least one manipulated variable which is made available to an electrically regulated transformer via which the respective local network can be preset within predefinable stages one of the determined state variable deviating regulated mains voltage is set, which is measurable at a predetermined location of the local network.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind den verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the subject invention can be found in the subclaims according to the method.

Dieses Ziel wird auch erreicht durch einen Transformator zur Regelung der Spannung zwischen einem Mittelspannungsnetz und einem Niederspannungsnetz, zumindest beinhaltend

  • – kurzschlussfeste Wicklungsanzapfungen in Form von mehreren Stufen,
  • – mindestens ein Leistungsmodul,
  • – mindestens ein Steuer- und Regelmodul,
wobei innerhalb des Leistungsmoduls unter Einsatz von Halbleiterschaltern das Transformatorübersetzungsverhältnis unter Last und ohne Unterbrechung der Energieversorgung in Abhängigkeit von der Netzlast und dem Spannungsniveau im Niederspannungsnetz zwischen den einzelnen Stufen der Wicklungsanzapfungen umschaltbar ist, und wobei die Verbindung zwischen dem Leistungsmodul und dem Steuer- und Regelmodul über Lichtwellenleiter herbeiführbar ist.This object is also achieved by a transformer for regulating the voltage between a medium-voltage network and a low-voltage network, at least including
  • - Short-circuit proof winding taps in the form of several stages,
  • - at least one power module,
  • - at least one control module,
wherein within the power module using semiconductor switches, the transformer ratio is switchable under load and without interruption of the power supply depending on the network load and the voltage level in the low voltage network between the individual stages of the winding taps, and wherein the connection between the power module and the control module over Fiber optic can be brought.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Transformators sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the transformer according to the invention can be found in the associated subject subclaims.

Als Halbleiterschalter kommen Thyristoren und andersartige Schaltelemente, wie z. B. IGBT's, zum Einsatz, durch welche das Transformatorübersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungsanzapfungen in Abhängigkeit von der Netzlast und dem Spannungsniveau im Niederspannungsnetz umschaltbar ist.As a semiconductor switch come thyristors and other types of switching elements, such. As IGBT's, used by which the transformer ratio between the winding taps in response to the network load and the voltage level in the low-voltage network is switched.

Je nach Einsatz des Transformators, beispielsweise für ein 10- oder 20 kV-Mittelspannungsnetz, können Stufen zwischen 0 und +2 sowie –2, insbesondere jedoch auch zwischen 0, +2, +4, –2 und –4% gegeben sein. Depending on the use of the transformer, for example for a 10 or 20 kV medium-voltage network, stages between 0 and +2 and -2, but in particular between 0, +2, +4, -2 and -4% may be present.

Die Wicklungsanzapfungen der jeweiligen Stufen werden, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, in einen Anschlusskasten geführt, in welchem sich die Leistungselektronik auf Mittelspannungspotenzial befindet.The winding taps of the respective stages are, according to a further idea of the invention, led into a terminal box, in which the power electronics is at medium voltage potential.

Ein Steuer- und Regelmodul dient der Erfassung von Messwerten und Ansteuerung der Leistungsmodule gemäß vorgebbarem Regelalgorithmus.A control and regulating module is used to acquire measured values and control the power modules according to a predefined control algorithm.

Statusdaten sowie Störmeldungen können beispielsweise über ein GSM-Funkmodem per SMS an ein Servicezentrum übertragen werden.Status data and fault messages, for example, via a GSM radio modem via SMS to a service center to be transmitted.

Im Leistungsmodul wird mit Hilfe der angesprochenen Halbleiterschalter das Übersetzungsverhältnis des Transformators unter Last und ohne Unterbrechung der Energieversorgung zwischen den Wicklungsanzapfungen umgeschaltet. Nach der Umschaltung können je Phase die leitenden Thyristoren durch einen Kontakt überbrückt werden, so dass Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des regelbaren Trafos genauso hoch ist, wie bei konventionellen Transformatoren.In the power module, the ratio of the transformer is switched under load and without interrupting the power supply between the winding taps with the help of the addressed semiconductor switch. After switching, each phase of the conductive thyristors can be bridged by a contact, so that availability and reliability of the controllable transformer is just as high as in conventional transformers.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:The subject invention is illustrated by means of an embodiment in the drawing and will be described as follows. Show it:

1 Prinzipskizze eines Leistungsflussplans eines Ortsnetzes mit mehreren Einspeisern/Verbrauchern unter Einsatz eines regelbaren Transformators; 1 Schematic diagram of a power flow plan of a local network with multiple feeders / consumers using a variable transformer;

2 Prinzipskizze eines Regelschemas für das in 1 dargestellte Ortsnetz; 2 Schematic diagram of a control scheme for the in 1 illustrated local area network;

3 Prinzipieller Aufbau des erfindungsgemäßen Transformators; 3 Basic structure of the transformer according to the invention;

4 Prinzipskizze der Funktion des in 2 dargestellten Reglers; 4 Schematic diagram of the function of in 2 illustrated regulator;

5 Prinzipskizze einer stufenweisen Regelung des Transformators. 5 Schematic diagram of a stepwise regulation of the transformer.

1 zeigt als Prinzipskizze einen Leistungsflussplan für ein Ortsnetz 1. Im Ortsnetz 1 sind als Verbraucher Häuser H1 bis H14 gegeben. Die Häuser H1, H2, H3 bis H11, H14 stellen Verbraucher dar, während bei den Häusern H4, H12 und H13 auf deren Dächern Photovoltaik-Anlagen PVA unterschiedlicher Leistung montiert sind. Die Häuser H4, H12 und H13 zählen zu den so genannten Einspeisern und Verbrauchern. Am Eingang des Ortsnetzes 1 befindet sich ein Transformator 2, der eine Mittelspannung von in diesem Beispiel 10 kV auf die Ortsnetzspannung von 0,4 kV übersetzt. Lediglich angedeutet ist ein weiterer Transformator 3 zwischen einem Hochspannungsnetz mit 110 kV und dem Mittelspannungsnetz von in diesem Beispiel 10 kV. Auf Seiten des Mittelspannungsnetzes von 10 kV ist ein weiterer Einspeiser in Form einer Windkraftanlage 4 sowie ein industrieller Verbraucher 5 gegeben, die derzeit nicht weiter betrachtet werden. 1 shows as a schematic diagram a power flow plan for a local network 1 , In the local network 1 are given as consumer homes H1 to H14. The houses H1, H2, H3 to H11, H14 represent consumers, while in the houses H4, H12 and H13 on their roofs photovoltaic systems PVA different performance are mounted. The houses H4, H12 and H13 are among the so-called feeders and consumers. At the entrance of the local network 1 there is a transformer 2 which translates a mean voltage of 10 kV in this example to the local voltage of 0.4 kV. Only indicated is another transformer 3 between a 110 kV high voltage grid and the medium voltage grid of 10 kV in this example. On the side of the medium-voltage grid of 10 kV is another feeder in the form of a wind turbine 4 as well as an industrial consumer 5 currently not considered further.

Die angenommene Mittelspannung von 10 kV ist lediglich beispielhaft, könnte ebenfalls 20 kV betragen.The assumed mean voltage of 10 kV is merely an example, could also be 20 kV.

Lediglich zur Information sei darauf hingewiesen, dass sowohl der auf der Mittelspannungsseite gegebene Industrieverbraucher 5 und der Einspeiser 4 zu Spannungsschwankungen auf der Mittelspannungsseite führen, die sich über den Trafo 2 auch im Ortsnetz 1 auswirken können. Gemäß Leistungsflussplan werden beispielhaft die Zustandsgrößen Leistung, Spannung und/oder Strom gemessen, und zwar an:

  • – Verbrauchern H1, H8
  • – Einspeiser/Verbraucher H13
  • Einspeiseknoten 6
For information only, it should be noted that both the given on the medium voltage side industrial consumers 5 and the feeder 4 to lead to voltage fluctuations on the medium voltage side, which is via the transformer 2 also in the local network 1 can affect. According to the power flow plan, the state variables power, voltage and / or current are measured by way of example, namely:
  • - consumers H1, H8
  • - Feeder / consumer H13
  • - Feed-in node 6

Gemessen werden können verschiedene Zustandsgrößen, wie beispielsweise die Spannung, der Strom, die Energiezufuhr, der Energieverlust, oder dergleichen innerhalb des Ortsnetzes 1. In diesem Beispiel soll lediglich die Spannung U der beteiligten Verbraucher/Einspeiser sowie diejenige am Einspeiseknoten 6 gemessen werden. Die gemessenen Zustandsgrößen werden – hier nur vereinfacht dargestellt – einem multivariablen Regler 7 aufgegeben, der bedarfsweise ein Fuzzy-Regler sein kann. Innerhalb des Reglers 7 werden die jeweiligen Eingangswerte mit Soll-/Referenzwerten abgeglichen, wobei der Regler 7 dann eine Stellgröße generiert, über welche eine elektronische stufenweise Regelung innerhalb hier ebenfalls nur angedeuteter Leistungsmodule 8 des Trafos 2 herbeigeführt werden kann. Je nach Spannungsabfall/Spannungserhöhung wird über die gemessenen Parameter dem Leistungsmodul 8 ein andersartiger Spannungswert aufgegeben, der der eingangs gemessenen Spannung im Ortsnetz 1 eingestellt wird, um so innerhalb der in der DIN EN 50160 angeführten Toleranzen eine weitest gehende Spannungskonstanz, unabhängig vom Verbrauch, respektive der Einspeisung elektrischer Energie, aufrechtzuerhalten. Am Einspeiseknoten 6 kann diese überlagerte Spannung gemessen werden.Various state variables can be measured, such as the voltage, the current, the energy supply, the energy loss, or the like within the local network 1 , In this example, only the voltage U of the consumers / feeders involved as well as the one at the feed node 6 be measured. The measured state variables are - here only simplified - a multivariable controller 7 abandoned, which can be a fuzzy controller if necessary. Inside the controller 7 the respective input values are compared with reference / reference values, whereby the controller 7 then generates a manipulated variable, via which an electronic stepwise regulation within here also only indicated power modules 8th of the transformer 2 can be brought about. Depending on the voltage drop / voltage increase, the power module is measured via the measured parameters 8th abandoned a different voltage value, the voltage initially measured in the local network 1 is set to be so within the in the DIN EN 50160 specified tolerances a long-term voltage constancy, regardless of consumption, respectively the supply of electrical energy to maintain. At the feed-in node 6 This superimposed voltage can be measured.

2 zeigt als Prinzipskizze ein einfasiges Regelschema für das in 1 dargestellte Ortsnetz 1. Erkennbar sind der multivariable Regler 7 und die Leistungssteuerungsmodule 8 des nicht weiter dargestellten Transformators 2, wobei die Leistungsmodule 8 integraler Bestandteil des Transformators 2 sind. Die im Ortsnetz 1 aufgenommenen Zustandsgrößen UK1 bis UKn (PK1 bis PKn/IK1 bis IKn) werden dem Regler 7 zugeführt und mit entsprechenden Soll-/Referenzwerten UKsoll (PKsoll, IKsoll) abgeglichen. Der Regler 7 generiert eine oder mehrere Stellgrößen (U1 bis Un, P1 bis Pn, I1 bis In), die den Leistungsmodulen 8 zur Verfügung gestellt werden, die wiederum mit einem (positiven oder negativen) Wert UTr die Spannung im Ortsnetz 1 einstellen. 2 shows as a schematic diagram a single - ended control scheme for the in 1 illustrated local area network 1 , Recognizable are the multivariable controller 7 and the Power control modules 8th the transformer not shown 2 , where the power modules 8th integral part of the transformer 2 are. The in the local network 1 recorded state variables U K1 to U Kn (P K1 to P Kn / I K1 to I Kn ) are the controller 7 supplied and adjusted with appropriate reference / reference values U Ksoll (P Ksoll , I Ksoll ). The regulator 7 generates one or more manipulated variables (U 1 to U n , P 1 to P n , I 1 to I n ) corresponding to the power modules 8th be made available, in turn, with a (positive or negative) value U Tr the voltage in the local network 1 to adjust.

Die verwendeten Abkürzungen werden wie folgt wiedergegeben:

UK1
Spannung am ersten Messknoten
UKn
Spannung am n-ten Messknoten
PK1
Leistung am ersten Messknoten
PKn
Leistung am n-ten Messknoten
IK1
Strom am ersten Messknoten
IKn
Strom am n-ten Messknoten
UKsoll
Sollspannung am jeweiligen Knoten
PKsoll
Sollleistung am jeweiligen Knoten
IKsoll
Sollstrom am jeweiligen Knoten
U1
erste Stellgröße des Reglers
Un
n-te Stellgröße des Reglers
UTr
Ausgangsspannung des geregelten Transformators
PTr
Ausgangsleistung des geregelten Transformators
ITr
Ausgangsstrom des geregelten Transformators
The abbreviations used are given as follows:
U K1
Voltage at the first measuring node
U Kn
Voltage at the nth measuring node
P K1
Power at the first measuring node
P Kn
Power at the nth measurement node
I K1
Current at the first measuring node
I Kn
Current at the nth measuring node
U Ksoll
Target voltage at the respective node
P Ksoll
Target power at the respective node
I Ksoll
Target current at the respective node
U 1
first manipulated variable of the controller
U n
nth manipulated variable of the controller
U Tr
Output voltage of the regulated transformer
P Tr
Output power of the regulated transformer
I Tr
Output current of the regulated transformer

3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Transformators 2. Erkennbar ist der Regler 7 sowie die drei Leistungsmodule der Außenleiter L1, L2, L3, die innerhalb eines Flanschgehäuses 8 angeordnet sind. Die Leistungsmodule L1–L3 liegen hierbei auf Mittelspannungspotenzial. Ebenfalls angedeutet sind Wicklungsanzapfungen 9, 10, 11 des Ortsnetztrafos 2. Die Leistungsmodule L1, L2, L3 sind in diesem Beispiel innerhalb von Spannungstoleranzen zwischen –4% und +4% regelbar. Gesteuert werden sie von dem Regler 7, in welchen – hier nur angedeutet – die Zustandsgrößen des Ortsnetzes 1 eingespeist werden. Die Funktion des Reglers 7 wurde bereits in 2 näher beleuchtet. Das Flanschgehäuse 8 und das Transformatorgehäuse 8' sind mit Isolieröl gefüllt. Das Öl durchströmt beide Teilgehäuse 8, 8'. Durch nicht weiter dargestellte Öffnungen zwischen den beiden Teilgehäusen 8, 8' werden die Verbindungsleitungen von den Transformatorwicklungen 9, 10, 11 zu den Leistungsmodulen L1, L2, L3 geführt. 3 shows the basic structure of the transformer according to the invention 2 , Recognizable is the controller 7 as well as the three power modules of the outer conductors L1, L2, L3, within a flange housing 8th are arranged. The power modules L1-L3 are at medium voltage potential. Also indicated are winding taps 9 . 10 . 11 of the local power transformer 2 , The power modules L1, L2, L3 in this example can be regulated within voltage tolerances between -4% and + 4%. They are controlled by the controller 7 , in which - here only indicated - the state variables of the local network 1 be fed. The function of the controller 7 was already in 2 closer illuminated. The flange housing 8th and the transformer housing 8th' are filled with insulating oil. The oil flows through both partial housings 8th . 8th' , By not shown openings between the two sub-housings 8th . 8th' become the connecting lines from the transformer windings 9 . 10 . 11 led to the power modules L1, L2, L3.

Der Regler 7 steht über ein Funkmodem 12 mit einer nicht weiter dargestellten zentralen Leitstelle in Verbindung und übermittelt innerhalb vorgebbarer Zeitfenster Zustandsgrößen des Trafos 2.The regulator 7 is via a radio modem 12 with a central control center, not shown in connection and transmitted within predeterminable time window state variables of the transformer 2 ,

4 zeigt den prinzipiellen einfasigen Aufbau des in 2 dargestellten Reglers 7. Die Differenzen der Soll-/Referenzwerte und Ist-Zustandswerte, d. h. die Regelabweichungen, e1–en, werden in den Regler 7 auf dessen linker Seite eingespeist. Lediglich dargestellt sind e1 als erste Regelabweichung und en als letzte (n-te) Regelabweichung. Durch entsprechenden Vergleich mit Soll-/Referenzwerten generiert der, in diesem Beispiel als Fuzzy-Regler ausgebildete, Regler 7 eine oder mehrere Stellgrößen, die dann der Leistungsstufe 8 (hier nicht dargestellt) des Trafos 2 zur Verfügung gestellt werden. 4 shows the principle one-phased construction of the 2 illustrated regulator 7 , The differences of the reference / reference values and actual state values, ie the control deviations, e 1 -e n , are transferred to the controller 7 fed on its left side. Only shown are e 1 as the first control deviation and e n as the last (n-th) control deviation. The controller, which is designed as a fuzzy controller in this example, generates by appropriate comparison with reference / reference values 7 one or more manipulated variables, then the power level 8th (not shown here) of the transformer 2 to provide.

5 zeigt eine Fase der Leistungsstufen, z. B. L1, des hier nicht näher dargestellten Trafos. 5 shows a chamfer of power levels, e.g. B. L1, the transformer, not shown here.

Die elektronische Regelung des Transformators geschieht durch Ansteuerung von elektronischen Schaltern an verschiedenen Abgriffen der primären Transformatorwicklung. Dadurch werden die Windungszahl der Primärwicklung und somit auch das Übersetzungsverhältnis des gesamten Transformators verändert. Die für die Regelung erforderlichen Abgriffe verursachen eine prozentuale Änderung der primären Windungszahl, was sich auf das Übersetzungsverhältnis auswirkt und eine Änderung der Transformaturausgangsspannung zur Folge hat.The electronic control of the transformer is done by controlling electronic switches at different taps of the primary transformer winding. As a result, the number of turns of the primary winding and thus the transmission ratio of the entire transformer are changed. The taps required for the control cause a percentage change in the primary number of turns, which affects the gear ratio and results in a change in the transformer output voltage.

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Claims (13)

Verfahren zur adaptiven Regelung der Versorgungsspannung in Ortsnetzen, in welchen elektrische Energie, insbesondere in Form von Solar- und/oder Photovoltaikenergie einspeisbar und durch Verbraucher entnehmbar ist, unter Einsatz mindestens eines Trafos, der zwischen einem Mittelspannungs- und einem Niederspannungsnetz vorgesehen ist, indem unterschiedliche Zustandsgrößen mindestens eines der Einspeiser/Verbraucher, insbesondere Strom, Spannung, Verbrauch, Energiezufuhr, Energieverlust oder dergleichen, innerhalb des jeweiligen Ortsnetzes ermittelt werden, diese Zustandsgrößen je Fase einem Regler, insbesondere einem multivariablen Regler, zugeleitet werden, der jeweilige Regler diese Zustandsgrößen als Eingangswerte mit Soll-/Referenzwerten abgleicht und mindestens eine Ausgangsgröße generiert, die einem elektronisch geregelten Transformator zur Verfügung gestellt wird, über welchen dem jeweiligen Ortsnetz innerhalb vorgebbarer Stufen eine von der ermittelten Stellgröße abweichende geregelte Netzspannung eingestellt wird, die an einer vorgebbaren Stelle des Ortsnetzes messbar ist.Method for the adaptive control of the supply voltage in local networks, in which electrical energy, in particular in the form of solar and / or photovoltaic energy can be fed and removed by consumers, using at least one transformer, which is provided between a medium voltage and a low voltage network by different State variables of at least one of the feeders / consumers, in particular current, voltage, consumption, energy supply, energy loss or the like, are determined within the respective local network, these state variables per chamfer are fed to a controller, in particular a multivariable controller, the respective controller these state variables as input values compares with reference / reference values and generates at least one output that is made available to an electronically controlled transformer over which the local network within specifiable levels deviates from the determined manipulated variable calibrating regulated mains voltage is set, which can be measured at a predefinable point of the local network. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte über ein GSM-Funkmodem, insbesondere per SMS, an den multivariablen Regler übertragen werden.A method according to claim 1, characterized in that the measured values are transmitted via a GSM radio modem, in particular by SMS, to the multivariable controller. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Kompaktleistungsmodulen mithilfe von Halbleiterschaltern das Übersetzungsverhältnis des Transformators unter Last und ohne Unterbrechung der Energieversorgung zwischen den Wicklungsanzapfungen umgeschaltet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that in compact power modules using semiconductor switches, the transmission ratio of the transformer is switched under load and without interrupting the power supply between the winding taps. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgeführten Messungen an den relevanten Netzknoten im Ortsnetz auf Verbraucher- und/oder Einspeiserseite unter Einsatz digitaler Zähler erfolgen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurements carried out at the relevant network nodes in the local network on consumer and / or feeder side using digital counter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der niederspannungsseitigen Netzspannung zwischen Wicklungsanzapfungen des Trafos dreiphasig auf der Mittelspannungsebene ohne Unterbrechung der Energieversorgung erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching of the low-voltage side mains voltage between winding taps of the transformer is three-phase on the medium voltage level without interrupting the power supply. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Umschaltung erforderliche Leitungselektronik Mittelspannungspotenzial als Bezugsspannung führt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the line electronics required for switching leads medium-voltage potential as a reference voltage. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kompaktleistungsmodule unter Einsatz von Lichtwellenleitern Steuerbefehle erhalten, um die jeweiligen Umschaltungen sicherzustellen und Statusmeldungen an ein Steuer- und Regelmodul zu übertragen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that compact power modules using optical waveguides receive control commands to ensure the respective switching and to transmit status messages to a control and regulation module. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebszustands- und Störmeldungen insbesondere über ein GSM-Funkmodem per SMS oder Email an eine zentrale Leitstelle übermittelt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that operating state and fault messages are transmitted in particular via a GSM radio modem via SMS or e-mail to a central control center. Transformator zur Regelung der Spannung zwischen einem Mittelspannungsnetz und einem Niederspannungsnetz, zumindest beinhaltend – kurzschlussfeste Wicklungsanzapfungen in Form von mehreren Stufen, – mindestens ein Leistungsmodul, – mindestens ein Steuer- und Regelmodul, wobei innerhalb des Leistungsmoduls unter Einsatz von Halbleiterschaltern das Transformatorübersetzungsverhältnis unter Last ohne Unterbrechung der Energieversorgung in Abhängigkeit von der Netzlast und dem Spannungsniveau im Niederspannungsnetz zwischen den einzelnen Stufen der Wicklungsanzapfungen umschaltbar ist und wobei die Verbindung zwischen dem Leistungsmodul und dem Steuer- und Regelmodul über Lichtwellenleiter herbeiführbar ist.Transformer for regulating the voltage between a medium-voltage network and a low-voltage network, at least including - Short-circuit proof winding taps in the form of several stages, - at least one power module, - at least one control module, wherein within the power module using semiconductor switches, the transformer transmission ratio under load without interruption of the power supply depending on the network load and the voltage level in the low voltage network between the individual stages of the winding taps is switchable and wherein the connection between the power module and the control module via optical fibers brought about is. Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Leistungsmoduls unter Einsatz von Thyristoren als Halbleiterschaltern das Transformatorübersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungsanzapfungen umschaltbar ist.Transformer according to claim 9, characterized in that within the power module using thyristors as semiconductor switches, the transformer transmission ratio between the winding taps is switchable. Transformator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungsanzapfungen zumindest die Stufen +2 bis –2% Spannungsabweichung, insbesondere +4 bis –4%, beinhalten.Transformer according to claim 9 or 10, characterized in that winding taps at least the levels +2 to -2% voltage deviation, in particular +4 to -4%, include. Transformator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanzapfungen der jeweiligen Stufen in einen Anschlusskasten führbar sind, in welchem sich die Leistungselektronik auf Mittelspannungspotenzial befindet.Transformer according to one of claims 9 to 11, characterized in that the winding taps of the respective stages are feasible in a terminal box, in which the power electronics is at medium voltage potential. Transformator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelmodul einen multivariablen Regler je Fase, insbesondere einen Fuzzy-Regler, beinhaltet.Transformer according to one of claims 9 to 12, characterized in that the control and regulating module includes a multivariable controller per chamfer, in particular a fuzzy controller.
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