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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz.
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Die Anwendung eines aus der Ökonomie bekannten Markt-Modell-Ansatzes zum Energiemanagement von Systemen ist grundsätzlich bekannt. So ist ein Markt-Modell-Ansatz mit Preis-Leistungskurven zum Energiemanagement bspw. eines elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug bekannt aus: Stefan Büchner, „Energiemanagement-Strategien für elektrische Energiebordnetze in Kraftfahrzeugen“, Dissertation TU Dresden, 2008, oder aus: A. Engstle, „Energiemanagement in Hybridfahrzeugen“, Dissertation TU München, 2008, oder aus GRAF, Hans-Michael, „Offene Softwarelösung für das Energiemanagement“, ATZ-Automobiltechnische Zeitschrift, 2004, 106. Jg., Nr. 1, S. 46-50. Weiterhin ist ein Markt-Modell-Ansatz für das Leistungs-Management von Verteilernetzen bekannt aus: Fredrik Ygge, „Market-Oriented Programming and its Application to Power Management“ PHD Thesis, Llund University, Schweden, 1998
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In den bekannten Verfahren zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz werden einzelnen Komponenten des Systems Preis-Leistungskurven (Kostenfunktionen) zugeordnet. Für Energiequellen sind diese Preis-Leistungskurven im Stand der Technik monoton steigend, für Energieverbraucher sind diese Preis-Leistungskurven im Stand der Technik monoton fallend. In der Praxis verhalten sich Komponenten eines Energiesystems aber teilweise derart, dass eine realistische Beschreibung der Komponenten zu nicht-monotonen, mehrwertigen Preis-Leistungskurven führt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz anzugeben, die eine realistischere, verbesserte Berücksichtigung von Eigenschaften von Komponenten des Systems und somit ein verbessertes Energiemanagement ermöglichen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Der verfahrensgemäße Aspekt der Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz gelöst, wobei das System eine Anzahl z Komponenten aufweist, die zumindest umfassen: eine Anzahl e Energiequellen Qa und eine Anzahl f Lasten Lb, mit: a ∊ 1, 2, ..., a1; b ∊ 1, 2, ..., b1; z = a1 + b1 und j, t ∊ 1, 2, ..., z.
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Das System ist bevorzugt ein elektrisches System, insbesondere ein elektrisches System eines Fahrzeugs, eines Schiffes, eines Flugzeugs oder eines Raumfahrzeugs. Alternativ ist das System bevorzugt ein thermodynamisches System, insbesondere ein Klima- oder Heizungs- oder Kühlungssystem, ein mechanisches System, ein chemisches System, oder ein biologisches System, oder eine Kombination daraus.
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Die z Komponenten umfassen bevorzugt zusätzlich: stellbare Lasten, und/oder schaltbare Lasten, und/oder stell- und schaltbare Lasten, und/oder Energietransformatoren und/oder Leistungsbegrenzer, und/oder Leistungsteiler, und/oder Leistungsänderungsbegrenzer, und/oder Energiesenken und/oder Energieleitungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte.
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In einem ersten Schritt erfolgt ein Zuordnen einer individuellen Preis-Leistungsrelation PRj zu jeder der z Komponenten des Systems, die von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebenen oder aufgenommen Leistungen Preise zuordnet, wobei jede der Preis-Leistungsrelationen PRj durch eine Kurve kj repräsentiert wird, in der von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebene oder aufgenommene Leistungswerte lj über Preiswerten pj aufgetragen sind, wobei zumindest eine solche Preis-Leistungsrelation PRj=t durch eine nicht monotone solche Kurve kt* repräsentiert wird, und alle weiteren Preis-Leistungsrelationen PRj≠t durch monotone solche Kurven kj≠t repräsentiert werden.
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Der Begriff „Preisrelation“ umfasst somit insbesondere Zuordnungen von Leistungswerten lj und Preiswerten pj die nicht monoton und mehrwertig sind, d.h. die durch eine nicht monotone mehrwertige Kurve darstellbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet in dem ersten Schritt also dadurch aus, dass im Gegensatz zum Stand der Technik, zumindest eine Komponente des Systems durch eine solche nicht monotone Kurve kt* charakterisiert ist. Durch die Berücksichtigung solcher nicht monotoner Preis-Leistungsrelationen zur Charakterisierung von Komponenten des Systems wird die Beschreibung der einzelnen Komponenten wirklichkeitsnah und ermöglicht im weiteren Verlauf des Verfahrens im Ergebnis eines verbessertes Energiemanagement des Systems.
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In einem zweiten Schritt erfolgt ein Nähern der nicht monotonen Kurve kt* durch eine erste monotone Näherungskurve Kn=1,t, die somit eine erste monotone Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert. Der Index n ist dabei ein Iterationsindex der im zweiten Schritt bei 1 beginnt (n = 1) und im weiteren Verlauf des Verfahrens jeweils um 1 erhöht wird.
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Das Ermitteln der Näherungskurve Kn=1,t im zweiten Schritt erfolgt in einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens derart, dass für alle Punkte (lKn=1,t, pKn=1,t) der Näherungskurve Kn=1,t gilt:
- – der Leistungswert lKn=1,t für einen Preis pKn=1,t ist größer oder gleich als alle Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt* zu diesem Preis pKn=1,t, und
- – dass die Näherungskurve Kn=1,t diejenige Kurve ist, die unter der vorstehenden Bedingung die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* aufweist.
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Nach dem zweiten Schritt liegen also für alle Komponenten des Systems monotone Kurven bzw. monotone Preis-Leistungsrelationen vor: d.h. neben den ohnehin monotonen Kurven kj≠t, die monotone Näherungskurve Kn=1,t, die die nicht monotone Kurve kt* annähert. Natürlich können auch mehrere Komponenten des System durch nicht monotone Preis-Leistungsrelationen PRj bzw. nicht monotone Kurven kj charakterisiert sein.
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In einem dritten Schritt erfolgt auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die erste Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) verwendet wird, ein Ermitteln eines ersten Gleichgewichtspreises pn=1 und einer zugeordneten Gleichgewichtsleistung ln=1 für das System. Zum Ermitteln der Gleichgewichtsleistung ln=1 und des Gleichgewichtspreises pn=1 werden mithin ausschließlich monotone Preis-Leistungsrelationen PR bzw. monotone Kurven verwendet. Das Ermitteln eines Gleichgewichtspreises und einer zugeordneten Größe (hier: Gleichgewichtsleistung) aus mehreren Preisrelationen/Kostenkurven ist im Stand der Technik bekannt und basiert bspw. darauf, nach Summation aller monoton steigenden Kurven (bspw. Summe aller Energiequellen-Kurven) und anschließender Summation aller monoton fallenden Kurven (bspw. Summe aller Lasten), den Schnittpunkt der zwei Summenkurven zu ermitteln. Der Schnittpunkt legt den Gleichgewichtspreis und die Gleichgewichtsleistung fest.
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In einem vierten Schritt erfolgt ein Nähern der nicht monotonen Kurve kt* durch eine weitere monotone Näherungskurve Kn+1,t, die somit eine n + 1-te monotone Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert. Mit dem vierten Schritt beginnt eine iterative Verbesserung der ersten monotonen Näherungskurve Kn=1,t gemäß eines vorgegebenen Iterationskriteriums.
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Bevorzugt umfasst der vierte Schritt folgende Unterschritte. In einem ersten Unterschritt des vierten Schrittes wird für die im Verfahren zuletzt ermittelte Gleichgewichtsleistung ln anhand der nicht monotonen Kurve kt* ein dieser Gleichgewichtsleistung ln zugeordneter Preiswert pkt*(ln) ermittelt. Bei der erstmaligen Ausführung des vierten Schrittes wird zuvor im dritten Schritt die Gleichgewichtsleistung ln=1 ermittelt, sodass anhand der nicht monotonen Kurve kt* nun der zugeordnete Preiswert pkt*(ln=1) ermittelt wird.
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In einem zweiten Unterschritt des vierten Schrittes wird die Näherungskurve Kn+1,t nun derart ermittelt, dass gilt:
- – die Näherungskurve Kn+1,t umfasst den Punkt (ln, pkt*(ln)),
- – für alle Punkte (lKn+1,t, pKn+1,t) der Näherungskurve Kn+1,t für die pKn+1,t > pkt*(ln) gilt, sind die den Preiswerten pKn+1,t zugeordneten Leistungswerte lKn+1,t kleiner oder gleich den Leistungswerten lkt* der nicht monotonen Kurve kt*, deren Leistungswerte lkt* größer als ln sind,
- – für alle Punkte (lKn+1,t, pKn+1,t) der Näherungskurve Kn+1,t für die pKn+1,t < pkt*(ln) gilt, sind die den Preiswerten pKn+1,t zugeordneten Leistungswerte lKn+1,t größer oder gleich der Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt*, und
- – die Näherungskurve Kn+1,t ist diejenige Kurve, die unter der vorstehenden (drei) Bedingungen die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* aufweist.
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Für den Fall, dass für die zuletzt ermittelte Gleichgewichtsleistung ln anhand der nicht monotonen Kurve kt* ein dieser Gleichgewichtsleistung ln zugeordneter Preiswertes pkt*(ln) nicht ermittelt werden kann, da beispielsweise in der nicht-monotonen Kurve kt* kein Wert für ln definiert ist, umfasst der vierte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt folgende Unterschritte.
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In einem ersten Unterschritt des vierten Schrittes wird die Näherungskurve Kn+1,t derart ermittelt wird, dass gilt:
- – die nicht monotone Kurve kt* wird begrenzt auf eine Kurve ktb*, wobei diese dadurch definiert ist, dass sie nur die Punkte der Kurve kt* enthält, deren Leistungswerte entweder alle grösser oder alle kleiner als ln sind, und
- – das Ermitteln der Näherungskurve Kn+1,t erfolgt derart, dass für alle Punkte (lKn+1,t, pKn+1,t) der Näherungskurve Kn+1,t gilt: der Leistungswert lKn+1,t für einen Preis pKn+1,t ist größer oder gleich als/wie alle Leistungswerte lktb* der nicht monotonen Kurve ktb* zu diesem Preis pKn+1,t, und
- – dass die Näherungskurve Kn+1,t diejenige Kurve ist, die unter den vorstehenden (zwei) Bedingungen die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve ktb* aufweist.
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Die vorliegend zum zweiten Verfahrensschritt angegebene bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens wird somit im vierten Schritt zur Ermittlung der Näherungskurve Kn+1,t genutzt, wobei im vorliegenden vierten Schritt die Schritte der bevorzugten Weiterbildung des zweiten Schrittes anstelle auf die nicht monotone Kurve kt* auf die begrenzte Kurve ktb* angewendet werden, und wobei in allen folgenden Verfahrensschritten nun ktb* anstelle von kt* verwendet wird.
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In einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) verwendet wird, ein Ermitteln einer n + 1-ten Gleichgewichtsleistung ln+1 und eines zugeordneten Gleichgewichtspreises pn+1 für das System. Die Ermittlung der Gleichgewichtsleistung ln+1 und des Gleichgewichtspreises pn+1 erfolgt bspw. wie zuvor beschrieben.
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In einem sechsten Schritt erfolgt ein wiederholtes Durchlaufen des vierten und fünften Schrittes zur iterativen Ermittlung einer Näherungsrelation N n+1(PRj=t) bzw. einer diese repräsentierenden Kurve bis ein vorgegebenes Best-Match-Kriterium erfüllt ist.
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In einem siebten Schritt erfolgt ein Steuern einzelner oder aller Komponenten des Systems auf Basis eines vorgegebenen Energiebedarfs der Lasten Lb, und der auf Basis der V ermittelten Gleichgewichtsleistung l n+1 und des Gleichgewichtspreises p n+1. Der Begriff des „Steuerns“ wird vorliegend weit gefasst verstanden. Er umfasst bspw. ein Regeln/Steuern einzelner Komponenten, ein Ein- und Ausschalten einzelner Komponenten, ein Ändern der Verschaltung der Komponenten im System, etc. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit ein Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz, wobei einzelne Komponenten des Systems durch eine nicht monotone, mehrwertige Preis-Leistungsrelation beschrieben werden. Das vorgeschlagene Verfahren führt typischerweise zu einer schnellen Konvergenz, so dass innerhalb weniger Iterationsschritte eine hinreichende Näherungsrelation N n+1(PRj=t) ermittelt werden kann. Die als bevorzugte Weiterbildungen angegebenen Ausgestaltungen des Verfahrens sind zudem zuverlässig robust und eignen sich daher zum Energiemanagement von Systemen, die hohen Sicherheitsauflagen genügen müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich dabei insbesondere zum Energiemanagement elektrischer Systeme oder thermodynamischer Systeme (bspw. Klimaanlagen) von Flugzeugen, von Raumfahrzeugen oder von Kraftfahrzeugen.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die individuellen Preis-Leistungsrelationen PRj der Komponenten zeitabhängig sind. Somit kann bspw. dem Umstand einer Alterung von Komponenten im Rahmen des Energiemanagements Rechnung getragen werden.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die individuellen Preis-Leistungsrelationen PRj abhängig von einem Zustand des Systems und/oder einem Zustand der jeweiligen Komponente sind. Damit ist es möglich, bspw. unterschiedliche Verschaltungszustände der Komponenten des Systems oder bspw. Zustandsänderungen einzelner Komponenten (bspw. durch veränderte Betriebstemperaturen, Betriebsdrücke, etc.), die eine entsprechend geänderte individuellen Preis-Leistungsrelationen PRj der betroffenen Komponenten bewirken, zu berücksichtigen.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die individuellen Preis-Leistungsrelationen PRj abhängig von den Komponenten jeweils individuell zugeordneten Prioritäten sind, wobei die individuellen Prioritäten zeitlich variabel und keine der Prioritäten zu einem Zeitpunkt identisch sind.
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Diese Prioritäten definieren bspw. die Wichtigkeit einer Komponente für das System und damit bspw. die Wichtigkeit diese Komponente mit ausreichend Energie zu versorgen, oder eine Komponente als Energiequelle zu nutzen. Bevorzugt weisen die individuellen Prioritäten eine hierarchische Priorität auf, die jeweils ein erste Priorität P1 und eine zweite Priorität P2 umfasst.
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Wenn das System bspw. eine Anzahl y schaltbarer Lasten aufweist, dann sind eine Anzahl y erste Prioritäten P1y und eine Anzahl y zweite Prioritäten P2y zur Festlegung der individuellen Priorität der y schaltbaren Lasten verfügbar. Eine initiale Priorität (P1y und P2y) jeder schaltbaren Last lässt sich bspw. durch eine detaillierte Lastanalyse ermitteln, die die Wichtigkeit der jeweiligen schaltbaren Last und Auswirkung ihres Verlusts berücksichtigt. Bevorzugt sind die ersten Prioritäten P1y variabel und die zweiten Prioritäten P2y fix. Da P1y beherrschend sein soll, entscheidet P2y die Priorität nur in Situationen, in denen P1 für zwei Komponenten identisch ist (bspw. P1y=3 = P1y=6). Die sich verändernden Prioritäten der Komponenten können die individuellen Preis-Leistungsrelationen PRj der betroffenen Komponenten dramatisch verändern, so dass eine Berücksichtigung der Prioritäten der Komponenten des Systems ein erheblich verbessertes Energiemanagement ermöglicht.
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Der vorrichtungsgemäße Aspekt der Aufgabe wird gemäß einer ersten Alternative durch eine Vorrichtung zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz gelöst, wobei das System eine Anzahl z Komponenten aufweist, die zumindest umfassen: eine Anzahl e Energiequellen Qa und eine Anzahl f Lasten Lb, mit: a ∊ 1, 2, ..., a1; b ∊ 1, 2, ..., b1; z = a1 + b1 und j, t ∊ 1, 2, ..., z.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Mittel, mit dem zu jeder der z Komponenten des Systems eine individuelle Preis-Leistungsrelation PRj zuordenbar ist, die von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebenen oder aufgenommen Leistungen Preise zuordnet, wobei jede der Preis-Leistungsrelationen PRj durch eine Kurve kj repräsentiert wird, in der von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebene oder aufgenommene Leistungswerte lj über Preiswerten pj aufgetragen sind, wobei zumindest eine solche Preis-Leistungsrelation PRj=t durch eine nicht monotone solche Kurve kt* repräsentiert wird, und alle weiteren Preis-Leistungsrelationen PRj≠t durch monotone solche Kurven kj≠t repräsentiert werden.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Mittel. Ein zweites Mittel, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, die nicht monotone Kurve kt* durch eine erste monotone Näherungskurve Kn=1,t zu nähern, die somit eine erste monotone Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert, wobei die Näherungskurve Kn=1,t derart ermittelt wird, dass für alle Punkte (lKn=1,t, pKn=1,t) der Näherungskurve Kn=1,t gilt: der Leistungswert lKn=1,t für einen Preis pKn=1,t ist größer als alle Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt* zu diesem Preis pKn=1,t, und die Näherungskurve Kn=1,t diejenige Kurve ist, die unter der vorstehenden Bedingung die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* aufweist. Ein drittes Mittel, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die erste Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) verwendet wird, einen ersten Gleichgewichtspreis pn=1 und eine zugeordnete Gleichgewichtsleistung ln=1 für das System zu ermitteln. Ein viertes Mittel, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, die nicht monotone Kurve kt* durch eine weitere monotone Näherungskurve Kn+1,t zu nähern, die somit eine n + 1-te monotone Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- – für die zuletzt ermittelte Gleichgewichtsleistung ln anhand der nicht monotonen Kurve kt* Ermitteln eines dieser Gleichgewichtsleistung ln zugeordneten Preiswertes pkt*(ln),
- – Ermitteln der Näherungskurve Kn+1,t derart dass gilt:
– die Näherungskurve Kn+1,t umfasst den Punkt (ln, pkt*(ln)),
– für alle Punkte (lKn+1,t, pKn+1,t) der Näherungskurve Kn+1,t für die pKn+1,t > pkt*(ln) gilt, sind die den Preiswerten pKn+1,t zugeordneten Leistungswerte lKn+1,t kleiner oder gleich den Leistungswerten lkt* der nicht monotonen Kurve kt*, deren Leistungswerte lkt* größer als ln sind,
– für alle Punkte (lKn+1,t, pKn+1,t) der Näherungskurve Kn+1,t für die pKn+1,t < pkt*(ln) gilt, sind die den Preiswerten pKn+1,t zugeordneten Leistungswerte lKn+1,t größer oder gleich der Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt*, und
– die Näherungskurve Kn+1,t diejenige Kurve ist, die unter den vorstehenden Bedingungen die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* aufweist.
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Ein fünftes Mittel, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist, auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) verwendet wird, eine n + 1-te Gleichgewichtsleistung ln+1 und einen zugeordneten Gleichgewichtspreis pn+1 für das System zu ermitteln.
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Ein mit dem vierten und fünften Mittel verbundenes sechstes Mittel, das dazu ausgeführt ist, iterativ eine Näherungsrelation N n+1(PRj=t) zu ermitteln, die ein vorgegebenes Best-Match-Kriterium erfüllt.
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Ein siebtes Mittel, das dazu ausgeführt und eingerichtet ist eine Leistungsabgabe einzelner oder aller Energiequellen Qa des Systems auf Basis eines vorgegebenen Energiebedarfs der Lasten Lb, und einer auf Basis der Näherungsrelation N n+1(PRj=t), ermittelten Gleichgewichtsleistung l n+1 und des Gleichgewichtspreises p n+1 zu steuern.
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Der vorrichtungsgemäße Aspekt der Erfindung wird gemäß einer zweiten Alternative durch eine Vorrichtung zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz gelöst, wobei das System eine Anzahl z Komponenten aufweist, die zumindest umfassen: eine Anzahl e Energiequellen Qa und eine Anzahl f Lasten Lb, mit: a ∊ 1, 2, ..., a1; b ∊ 1, 2, ..., b1; z = a1 + b1 und j, t ∊ 1, 2, ..., z. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst folgende Mittel.
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Ein erstes Mittel, mit dem zu jeder der z Komponenten des Systems eine individuelle Preis-Leistungsrelation PRj zuordenbar ist, die von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebenen oder aufgenommen Leistungen Preise zuordnet, wobei jede der Preis-Leistungsrelationen PRj durch eine Kurve kj repräsentiert wird, in der von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebene oder aufgenommene Leistungswerte lj über Preiswerten pj aufgetragen sind, wobei zumindest eine solche Preis-Leistungsrelation PRj=t durch eine nicht monotone solche Kurve kt* repräsentiert wird, und alle weiteren Preis-Leistungsrelationen PRj≠t durch monotone solche Kurven kj≠t repräsentiert werden.
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Ein zweites Mittel, dazu ausgeführt und eingerichtet die nicht monotone Kurve kt* durch eine erste monotone Näherungskurve Kn=1,t zu nähern, die somit eine erste monotone Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert, wobei die Näherungskurve Kn=1,t derart ermittelt wird, dass für alle Punkte (lKn=1,t, pKn=1,t) der Näherungskurve Kn=1,t gilt: der Leistungswert lKn=1,t für einen Preis pKn=1,t ist größer als alle Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt* zu diesem Preis pKn=1,t, und die Näherungskurve Kn=1,t diejenige Kurve ist, die unter der vorstehenden Bedingung die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* aufweist.
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Ein drittes Mittel, dazu ausgeführt und eingerichtet auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die erste Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) verwendet wird, einen ersten Gleichgewichtspreis pn=1 und eine zugeordnete Gleichgewichtsleistung ln=1 für das System zu ermitteln.
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Ein viertes Mittel, dazu ausgeführt und eingerichtet die nicht monotone Kurve kt* durch eine weitere monotone Näherungskurve Kn+1,t zu nähern, die somit eine n + 1-te monotone Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert, wobei sofern für die zuletzt ermittelte Gleichgewichtsleistung ln anhand der nicht monotonen Kurve kt* ein dieser Gleichgewichtsleistung ln zugeordneter Preiswertes pkt*(ln) nicht ermittelt werden kann, da beispielsweise in der nicht-monotonen Kurve kt* kein Wert für ln definiert ist, die Näherungskurve Kn+1,t derart ermittelt wird, dass:
- – die nicht monotone Kurve kt* auf eine Kurve ktb* begrenzt ist, die nur die Punkte der Kurve kt* enthält, deren Leistungswerte entweder alle grösser oder alle kleiner als ln sind,
- – das Ermitteln der Näherungskurve Kn+1,t derart erfolgt, dass für alle Punkte (lKn+1,t, pKn+1,t) der Näherungskurve Kn+1,t gilt: der Leistungswert lKn+1,t für einen Preis pKn+1,t ist größer als oder gleich wie Leistungswerte lktb* der nicht monotonen Kurve ktb* zu diesem Preis pKn+1,t, und
- – die Näherungskurve Kn+1,t diejenige Kurve ist, die unter den vorstehenden Bedingungen die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve ktb* aufweist.
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Ein fünftes Mittel, dazu ausgeführt und eingerichtet auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) verwendet wird, eine n + 1-te Gleichgewichtsleistung ln+1 und einen zugeordneten Gleichgewichtspreis pn+1 für das System zu ermitteln.
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Ein mit dem vierten und fünften Mittel verbundenes sechstes Mittel, dazu ausgeführt iterativ eine Näherungsrelation N n+1(PRj=t) zu ermitteln, die ein vorgegebenes Best-Match-Kriterium erfüllt.
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Ein siebtes Mittel, dazu ausgeführt und eingerichtet eine Leistungsabgabe einzelner oder aller Energiequellen Qa Komponenten des Systems auf Basis eines vorgegebenen Energiebedarfs der Lasten Lb, und einer auf Basis der Näherungsrelation N n+1(PRj=t), ermittelten Gleichgewichtsleistung l n+1 und des Gleichgewichtspreises p n+1 zu steuern.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung gemäß zweiter Alternative unterscheidet sich somit von der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß erster Alternative durch die Ausgestaltung des vierten Mittels.
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Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich durch eine analoge Übertragung der zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gemachten Ausführungen auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele beschrieben sind. Es zeigen:
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1a–e (Stand der Technik) Beispiele von monotonen Preis-Leistungsrelationen für ein System mit drei Lasten und zwei Energiequellen,
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2 (Stand der Technik) Darstellung zur Erläuterung der Ermittlung eines Gleichgewichtspreises und einer Gleichgewichtsleistung für das System mit den Komponenten der 1a–e,
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3 eine schematische Darstellung zur Ermittlung einer ersten monotonen Näherungskurve Kn=1,t 302 zur nicht monotonen Kurve kt* 301,
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4 eine schematische Darstellung zur Ermittlung einer zweiten monotonen Näherungskurve Kn=2,t 303 zur nicht monotonen Kurve kt* 301,
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5 ein Beispiel eines elektrischen Systems bestehend aus zwei Generatoren (einem kleinen und einem großen Generator mit entsprechend unterschiedlichen Leistungsausbeute und Kennlinien) und einem Verbraucher
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6 die den beiden Generatoren von 5 zugeordneten Preis-Leistungsrelationen,
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7 die Leistungsabgabe des großen Generators für n = 4 Iterationen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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8 die Leistungsabgabe des kleinen Generators für n = 4 Iterationen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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9 ein schematisiertes Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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10 einem schematisierten Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1a–e (Stand der Technik) zeigen Beispiele von monotonen Preis-Leistungsrelationen, jeweils dargestellt als Kurven Leistung über Preis, für ein System mit drei Lasten (Last 1–3) und zwei Energiequellen (Quelle 1–2), wie sie im Stand der Technik bekannt sind. 2 (Stand der Technik) zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Ermittlung eines Gleichgewichtspreises und einer Gleichgewichtsleistung für das System mit den Komponenten der 1a–e. Hierzu wird zunächst die monoton fallende Summenkurve der Lasten 1–3 und die monoton steigende summenkurve der Quellen 1–2 ermittelt. In 2 sind diese beiden Summenkurven in die Preis-Leistungsgraphik eingetragen. Aus dem Schnittpunkt der beiden Summenkurven ergibt sich der Gleichgewichtspreis und die Gleichgewichtsleistung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung zur Ermittlung einer ersten monotonen Näherungskurve Kn=1,t 302 zu einer nicht monotonen, mehrwertigen Kurve kt* 301 einer Komponente eines Systems. Die erste Näherungskurve Kn=1,t 302 wird dabei derart ermittelt, dass für alle Punkte (lKn=1,t, pKn=1,t) der Näherungskurve Kn=1,t 302 gilt: der Leistungswert lKn=1,t für einen Preis pKn=1,t ist größer oder gleich als alle Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt* 301 zu diesem Preis pKn=1,t, und die Näherungskurve Kn=1,t 302 diejenige Kurve ist, die unter der vorstehenden Bedingung die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* 301 aufweist.
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4 zeigt eine schematische Darstellung zur Ermittlung einer zweiten monotonen Näherungskurve Kn+1,t = Kn=2,t 303 zur nicht monotonen Kurve kt* 301. Hierzu wird zunächst für die zuletzt ermittelte Gleichgewichtsleistung ln=1 304 anhand der nicht monotonen Kurve kt* 301 ein dieser Gleichgewichtsleistung ln zugeordneter Preiswert pkt*(ln=1) 305 ermittelt. Anschließend wird die Näherungskurve Kn=2,t 303 derart ermittelt, dass gilt:
- – die Näherungskurve Kn=2,t 303 umfasst den Punkt (ln=1, pkt*(ln=1)), (304, 305),
- – für alle Punkte (lKn=2,t, pKn=2,t) der Näherungskurve Kn=2,t 303 für die pKn=2,t > pkt*(ln=1) gilt, sind die den Preiswerten pKn=2,t zugeordneten Leistungswerte lKn=2,t kleiner oder gleich den Leistungswerten lkt* der nicht monotonen Kurve kt*, deren Leistungswerte lkt* größer als ln=1 sind,
- – für alle Punkte (lKn=2,t, pKn=2,t) der Näherungskurve Kn=2,t 303 für die pKn=2,t < pkt*(ln=1) gilt, sind die den Preiswerten pKn=2,t zugeordneten Leistungswerte lKn=2,t größer oder gleich der Leistungswerte lkt* der nicht monotonen Kurve kt*, und
- – die Näherungskurve Kn=21,t ist diejenige Kurve, die unter der vorstehenden Bedingungen (vorstehende drei Aufzählungszeichen) die geringste Differenz zu der nicht monotonen Kurve kt* aufweist.
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5 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Systems bestehend aus zwei Stromgeneratoren, einem kleinen 501 und einem großen 502 Generator mit entsprechend unterschiedlichen Leistungsausbeuten und Kennlinien, und einem Verbraucher 503. In diesem Beispiel erfüllen die zwei Generatoren 501 und 502 den Leistungsbedarf des einen Verbrauchers. Der kleine Generator 501 ist gegenüber dem großen Generator 502 weniger effizient und in seiner Leistungsfähigkeit beschränkt. De große Generator 502 ist bei hohen Leistungen sehr effizient, aber sehr ineffizient bei geringen Leistungen. Das bedeutet, dass der kleine Generator insbesondere dazu genutzt werden sollte die Effizienzlücke des großen Generators 502 bei kleinen Leistungen aufzufüllen.
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6 zeigt die den Stromgeneratoren 501 und 502 zugeordneten Preis-Leistungsrelationen. Dabei ist die Preis-Leistungsrelation 601 dem kleinen Stromgenerator 501 und die die Preis-Leistungsrelation 602 dem großen Stromgenerator zugeordnet. Wie leicht zu erkennen ist die Preis-Leistungsrelation 602 durch eine nicht monotone Kurve repräsentiert.
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Auf dieses Beispielsystem wird nun das erfindungsgemäße Verfahren angewendet. Dabei ist die Zahl der ermittelten Gleichgewichtspreise/Gleichgewichtsleistungen (auch Verhandlungsrunden) in dem aktuellen Markt-Modell auf vier begrenzt. Mit anderen Worten, das Markt-Modell umfasst vier parallele Markt-Modelle, die jeweils in einem der Verhandlungsrunden gelten. Der Begriff „Verhandlungsrunde“ wird vorliegend synonym für das Ermitteln eines/einer Gleichgewichtspreises/Gleichgewichtsleistung in einem Marktmodell verwendet.
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Es wird dabei davon ausgegangen, dass der Leistungsbedarf mit konstanter Rate steigt. Durch die Anwendung des Verfahrens ergeben sich die in 6 und 7 dargestellten Leistungsabgaben der Generatoren 501, 502. Dabei zeigt 7 die Leistungsabgabe des großen Generators 502 für jeweils die vier Verhandlungsrunden des erfindungsgemäßen Verfahrens (MAX(n) = 4) und 8 die Leistungsabgabe des kleinen Generators 501 für jeweils die vier Verhandlungsrunden des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Nach der ersten Verhandlungsrunde ergeben sich in 7 bzw. 8 die Kurven 701 bzw. 801. Nach der zweiten Verhandlungsrunde ergeben sich die Kurven 702 bzw. 802. Nach der dritten Verhandlungsrunde ergeben sich die Kurven 703 bzw. 803. Nach der vierten Verhandlungsrunde ergeben sich die Kurven 704 bzw. 804.
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Nach der ersten Verhandlungsrunde (n = 1) wird der große Generator 502 derart angesteuert, dass er den kleinen Generator 501 verdrängt. Beginnend mit der zweiten Verhandlungsrunde (n = 2) wird im unteren Leistungsbereich auch der kleine Generator 501 genutzt. Das Ergebnis nach der vierten Verhandlungsrunde (n = 4) zeigt ein beinahe diskretes Ab-Schalten des kleinen Generators 501 und gleichzeitiges Anschalten des großen Generators 502, sobald der große Generator 502 effizienter ist als der kleihne Generator 501.
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9 zeigt ein schematisiertes Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz, wobei das System eine Anzahl z Komponenten aufweist, die zumindest umfassen: eine Anzahl e Energiequellen Qa und eine Anzahl f Lasten Lb, mit: a ∊ 1, 2, ..., a1; b ∊ 1, 2, ..., b1; z = a1 + b1 und j, t ∊ 1, 2, ..., z. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem Schritt 901 erfolgt ein Zuordnen einer individuellen Preis-Leistungsrelation PRj zu jeder der z Komponenten des Systems, die von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebenen oder aufgenommen Leistungen Preise zuordnet, wobei jede der Preis-Leistungsrelationen PRj durch eine Kurve kj repräsentiert wird, in der von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebene oder aufgenommene Leistungswerte lj über Preiswerten pj aufgetragen sind, wobei zumindest eine solche Preis-Leistungsrelation PRj=t durch eine nicht monotone solche Kurve kt* repräsentiert wird, und alle weiteren Preis-Leistungsrelationen PRj≠t durch monotone solche Kurven kj≠t repräsentiert werden. In einem Schritt 902 erfolg ein Nähern der nicht monotonen Kurve kt* durch eine erste monotone Näherungskurve Kn=1,t, die somit eine erste monotone Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert. In einem Schritt 903 erfolgt auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die erste Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) verwendet wird, ein Ermitteln eines ersten Gleichgewichtspreises pn=1 und einer zugeordneten Gleichgewichtsleistung ln=1 für das System. In einem Schritt 904 erfolgt ein Nähern der nicht monotonen Kurve kt* durch eine weitere monotone Näherungskurve Kn+1,t, die somit eine n + 1-te monotone Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert. In einem Schritt 905 erfolgt auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) verwendet wird, ein Ermitteln einer n + 1-ten Gleichgewichtsleistung ln+1 und eines zugeordneten Gleichgewichtspreises pn+1 für das System. In einem Schritt 906 erfolgt ein Wiederholen der Schritte 904 und 905 zur iterativen Ermittlung einer Näherungsrelation N n+1(PRj=t), die ein vorgegebenes Best-Match-Kriterium erfüllt. In einem Schritt 907 erfolgt ein Steuern einzelner oder aller Komponenten des Systems auf Basis eines vorgegebenen Energiebedarfs der Lasten Lb, und der auf Basis der Näherungsrelation N n+1(PRj=t), ermittelten Gleichgewichtsleistung l n+1 und des Gleichgewichtspreises p n+1.
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10 zeigt einem schematisierten Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Energiemanagement eines Systems nach einem ökonomischen Markt-Modell-Ansatz und zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das System eine Anzahl z Komponenten aufweist, die zumindest umfassen: eine Anzahl e Energiequellen Qa und eine Anzahl f Lasten Lb, mit: a ∊ 1, 2, ..., a1; b ∊ 1, 2, ..., b1; z = a1 + b1 und j, t ∊ 1, 2, ..., z; umfassend: ein erstes Mittel 1001, mit dem zu jeder der z Komponenten des Systems eine individuelle Preis-Leistungsrelation PRj zuordenbar ist, die von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebenen oder aufgenommen Leistungen Preise zuordnet, wobei jede der Preis-Leistungsrelationen PRj durch eine Kurve kj repräsentiert wird, in der von der jeweiligen j-ten Komponente abgegebene oder aufgenommene Leistungswerte lj über Preiswerten pj aufgetragen sind, wobei zumindest eine solche Preis-Leistungsrelation PRj=t durch eine nicht monotone solche Kurve kt* repräsentiert wird, und alle weiteren Preis-Leistungsrelationen PRj≠t durch monotone solche Kurven kj≠t repräsentiert werden, ein zweites Mittel 1002, dazu ausgeführt und eingerichtet die nicht monotone Kurve kt* durch eine erste monotone Näherungskurve Kn=1,t zu nähern, die somit eine erste monotone Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert, ein drittes Mittel 1003 dazu ausgeführt und eingerichtet auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die erste Näherungsrelation Nn=1(PRj=t) verwendet wird, einen ersten Gleichgewichtspreis pn=1 und eine zugeordnete Gleichgewichtsleistung ln=1 für das System zu ermitteln, ein viertes Mittel 1004 dazu ausgeführt und eingerichtet die nicht monotone Kurve kt* durch eine weitere monotone Näherungskurve Kn+1,t zu nähern, die somit eine n + 1-te monotone Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) für die nicht monotone Preis-Leistungsrelation PRj=t repräsentiert, ein fünftes Mittel 1005 dazu ausgeführt und eingerichtet auf Basis der z Preis-Leistungsrelationen PRj, wobei anstelle der Preis-Leistungsrelation PRj=t die Näherungsrelation Nn+1(PRj=t) verwendet wird, eine n + 1-te Gleichgewichtsleistung ln+1 und einen zugeordneten Gleichgewichtspreis pn+1 für das System zu ermitteln, ein mit dem vierten 1004 und fünften 1005 Mittel verbundenes sechstes Mittel 1006 dazu ausgeführt iterativ eine Näherungsrelation N n+1(PRj=t) zu ermitteln, die ein vorgegebenes Best-Match-Kriterium erfüllt, und ein siebtes Mittel 1007 dazu ausgeführt und eingerichtet einzelne oder alle Komponenten des Systems auf Basis eines vorgegebenen Energiebedarfs der Lasten Lb, und einer auf Basis der Näherungsrelation N n+1(PRj=t), ermittelten Gleichgewichtsleistung l n+1 und des Gleichgewichtspreises p n+1 zu steuern.
