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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuervorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern.
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Stand der Technik
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Haushalte weisen typischerweise eine Vielzahl von Verbrauchern, z. B. Waschmaschinen, Trockner, Wärmepumpen, Elektroherd, Beleuchtung, Fernseher usw., auf, deren Maximalleistung weit über deren Durchschnittsleistung liegt. Dadurch ergibt sich zeitweise die Situation, dass sich viele Spitzenleistungen von Verbrauchern derart addieren, dass ein Haushalt zeitweise 10 kW oder mehr benötigt.
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Dadurch ergeben sich mehrere Nachteile. In einigen Ländern steigt der Anschlusspreis an das Energieversorgungsnetz in Abhängigkeit der Leistung, welche von dem Energieversorgungsnetz maximal zu Verfügung gestellt wird. Da die Maximalleistung sehr groß ist, wenn die Vielzahl von Verbrauchern gleichzeitig in Betrieb ist, kommt es zu einer signifikanten Erhöhung des Anschlusspreises.
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Ein Nachteil, der sich ergibt, wenn ein Energiespeicher in dem Haushalt bereitgestellt ist, welcher bei einem Energieversorgungnetzausfall als alternative Energieversorgung nutzbar ist, ist, dass entweder das Energieversorgungssystem des Haushaltes auf eine recht hohe Maximalleistung ausgelegt werden muss, was die Kosten des Systems drastisch erhöht, oder die Sicherung mit automatischer Abschaltung einiger oder aller Verbraucher reagiert in dem Fall, dass zu viele Verbraucher zeitgleich Energie fordern. Der Bewohner des Haushaltes muss in einem solchen Fall alle Verbraucher manuell wieder einschalten oder kann nur eine begrenzte Anzahl von Geräten gleichzeitig betreiben, was einen gewissen Aufwand mit sich bringt.
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Die
EP 0 803 956 B1 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung und zum Management des Verbrauches von elektrischer Energie in Industriebetrieben, insbes. Produktionsbetrieben, wobei für einen Betriebsablauf, insb. Produktionsablauf, eine Gesamtbezugsleistung als Energie pro Zeiteinheit einerseits und verbraucherspezifische Bezugsleistungen andererseits gemessen werden und daraus die Zu- und/oder Abschaltung einzelner Verbraucher während des Betriebsablaufes, insb. Produktionsablauf, bestimmt wird, wobei die jeweilige Energiebezugsleistung dezentral analysiert wird und wobei anhand von dezentralen Berechnungen zentral geeignete Verbraucher ausgewählt werden, die in prozeßtechnisch vorbestimmtem Zusammenhang mit dem Betriebsablauf, insb. Produktionsablauf, ein- bzw. ausgeschaltet werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie eine Steuervorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern, wobei die Verbraucher mit einer Steuervorrichtung mittels Leistungspulsen derart zeitlich versetzt pulsweitenmoduliert angesteuert werden, dass die Summe der Leistung der einzelnen Leistungspulse zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Verbraucher innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters einen vorgegebenen Leistungsgrenzwert nicht überschreitet.
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Ferner ist eine Steuervorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern vorgesehen, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Verbraucher derart zeitlich versetzt mittels Leistungspulsen anzusteuern, dass die Summe der Leistung der einzelnen Leistungspulse zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Verbraucher innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters einen vorgegebenen Leistungsgrenzwert nicht überschreitet.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, die pulsweitenmodulierten Leistungspulse zur Ansteuerung der Verbraucher derart zeitlich zu verteilen, dass ein vorgegebener Leistungsgrenzwert nicht überschritten wird.
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Die Steuereinrichtung kombiniert hierfür die Leistungspulse der einzelnen Verbraucher über einen Zeitraum derart, dass die Gesamtleistung der Vielzahl von Verbrauchern in vorher definierten Grenzen bleibt.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ergeben sich insbesondere ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Das Energieversorgungsnetz muss nicht mehr auf kurzzeitige sehr hohe Maximalleistungen ausgelegt werden, was eine signifikante Kostenersparnis zur Folge hat. Aufgrund der gleichmäßigen Auslastung des Energieversorgungsnetzes wird ferner die Betriebssicherheit des Energieversorgungsnetzes erhöht.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens weist das Zeitfenster eine Dauer von 1–1000 Millisekunden, vorzugsweise zwischen 10 und 100 Millisekunden und insbesondere 50 Millisekunden auf. Hierfür weist die Steuervorrichtung einen Taktgeber, z. B. eine Uhr, auf, welcher einen geeigneten Takt vorgibt. Beispielsweise ist dieser Taktgeber ein Quarz. Mittels des Taktes können dann die Einschaltzeiten der Leistungspulse synchronisiert derart werden, dass die Schaltzeiten der einzelnen Leistungspulse zu vorherbestimmten Zeiten erfolgen. Vorzugsweise werden alle Verbraucher mit dem Taktgeber synchronisiert. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens können die Leistungspulse sehr präzise geschaltet werden, sodass das Verfahren sehr effizient ablaufen und die Steuervorrichtung sehr präzise arbeiten kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird einem einzelnen Verbraucher eine Priorität zugewiesen wird, wobei die Steuervorrichtung unter Berücksichtigung der Priorität die Verbraucher ansteuert. Beispielsweise kann jedem einzelnen Verbraucher eine unterschiedliche Priorität zugewiesen werden. Die Steuervorrichtung entscheidet dann unter Berücksichtigung der Priorität der einzelnen Verbraucher, welche Leistungspulse kombiniert werden sollten.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Verbraucher mit einer niedrigen Priorität erst dann angesteuert, wenn festgestellt wird, dass alle Verbraucher mit höherer Priorität angesteuert werden. Dadurch kann es vorkommen, dass Geräte nicht starten wenn diese eingeschaltet werden, sondern mit einer gewissen Verzögerung. Auf diese Weise ergeben sich sehr niedrige Spitzenleistungen, was sich positiv auf die Dimensionierungsanforderungen des Systems auswirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Leistungspulse zur Ansteuerung der Vielzahl von Verbraucher innerhalb des Zeitfensterns derart kombiniert, dass die Summe der Leistung der Leistungspulse zur Ansteuerung der Vielzahl von Verbraucher minimal ist. Hierfür ist die Steuervorrichtung derart ausgebildet, dass keine zwei Leistungspulse überlagert werden, sondern stets nacheinander geschaltet werden. Vorzugsweise wird die Einschaltzeit der Leistungspulse dabei derart zeitlich versetzt, dass diese nicht in einem Bereich fallen, in welcher ein anderer Leistungspuls geschaltet wird. Auch durch diese Ausbildung kann der Versorgungsanschluss und/oder das Stromnetz für die betreffenden Verbraucher sehr klein dimensioniert werden, sodass die Kosten gesenkt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung mit der Vielzahl von Verbrauchern integral und/oder als separate externe Steuervorrichtung ausgebildet. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise auch aus einer Vielzahl von Steuerelementen ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist in jedem der Verbraucher ein Steuerelement vorgesehen, welches mit den weiteren Steuerelementen der anderen Verbraucher über ein Netzwerk gekoppelt ist. Das Netzwerk kann beispielsweise ein drahtloses Netzwerk oder eine drahtgebundenes Netzwerk sein. Auf diese Weise ist es möglich, an jedem Verbraucher z. B. die Priorität des Verbrauchers oder der anderen Verbraucher festzulegen. Ferner ist es auf diese Weise sehr einfach möglich, weitere Verbraucher mit den anderen Verbraucher zu vernetzen. Falls die Steuervorrichtung als externe separate Steuervorrichtung ausgebildet ist, beispielsweise als Mikroprozessor mit integrierter Leistungselektronik, kann diese sehr einfach in bestehende Stromnetze, beispielsweise eines Gebäudes, integriert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuervorrichtung einen Taktgeber auf, welcher ausgebildet ist, ein Zeitfenster mit einer Dauer von 1–1000 Millisekunden vorzugeben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuervorrichtung eine Mensch-Maschine-Schnittstelle auf, welche ausgebildet ist, den einzelnen Verbrauchern eine Priorität zuzuweisen, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, unter Berücksichtigung der Priorität der Verbraucher die Verbraucher anzusteuern. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle kann beispielsweise ein berührungsempfindlicher Bildschirm sein, welcher alle relevanten Daten, z. B. die derzeit im Betrieb befindlichen Verbraucher, oder die Zeit, wann der nächste Verbraucher startet, oder der Leistungsgrenzwert und/oder die Prioritäten der einzelnen Verbraucher darstellbar und von einem Benutzer festlegbar sind. Auf diese Weise kann die Bedienungsfreundlichkeit des Verfahrens und der Steuervorrichtung gesteigert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung mit einer als Energiespeicher ausgebildeten Energiequelle gekoppelt ist, welche die Energie für die Leistungspulse bereitstellt. Beispielsweise ist die Energiequelle als elektrischer Akku, als Druckluftspeicher, als supraleitende Spule und/oder als Schwungrad ausgebildet. Der Akku kann beispielsweise als Li-Ion-Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Mangan-Akkumulator, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator, Lithium-Eisen-Yitrium-Phosphat-Akkumulator, Lithium-Titanat-Akku, Lithium-Schwefel-Akkumulator, Lithium-Metall-Polymer-Akku, Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie, Natrium-Schwefel-Akkumulator, Nickel-Cadmium-Akku, Nickel-Eisen-Akku, Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Nickel-Zink-Akkumulator, Bleiakku, Silber-Zink-Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ist besonders interessant für Photovoltaik-Inselsysteme, da hier ein niedriger Entladestrom des Energiespeichers zu einer Senkung der Kosten für den Energiespeicher führt. Da mit der Steuervorrichtung und dem Verfahren der Entladestrom des Energiespeichers sehr klein sein kann, ergibt sich hier für den Benutzer ein großes Einsparpotential.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verbraucher als Waschmaschine, Spülmaschine, Heizung, Wärmepumpe, Werkzeug und/oder Energiespeicher ausgebildet. Insbesondere kommen solche Verbraucher in Betracht, welche mit pulsweitenmodulierten Leistungspulsen ansteuerbar sind. Auch können Verbraucher, welche nicht mit pulsweitenmodulierten Leistungspulsen ansteuerbar sind, mit einer entsprechenden Schaltung versehen werden, sodass diese mit pulsweitenmodulierten Leistungspulsen ansteuerbar sind. Diese Schaltungen können auch in der Steuervorrichtung integriert sein, und beispielsweise MOSFETs aufweisen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 ein schematisches Blockschalbild einer Ausführungsform einer Steuervorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern;
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2 ein schematisches zeitliches Leistungsdiagramm von Verbrauchern, welche mittels einer Ausführungsform des Verfahrens angesteuert werden; und
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3 ein schematisches zeitliches Leistungsdiagramm von Verbrauchern, welche mittels einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens angesteuert werden.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein schematisches Blockschalbild einer Ausführungsform einer Steuervorrichtung 1 zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer Vielzahl von Verbrauchern 10, 11, 12, 13. Die Steuervorrichtung 1 ist in dieser Ausführungsform mit vier Verbrauchern 10, 11, 12 und 13 über ein Leistungs- und Kommunikationsnetzwerk 20 gekoppelt. Ferner ist die Steuervorrichtung 1 mit einer Energiequelle 30 gekoppelt, welche der Steuervorrichtung 1 Energie bereitstellt. Die Energiequelle 30 kann beispielsweise ein öffentliches Energieversorgungsnetz, ein Energiespeicher und/oder ein Kraftwerk sein. Beispielsweise kann die Energiequelle auch als Photovoltaikanlage oder als Wasserkraftwerk ausgebildet sein. Die Verbraucher 10, 11, 12 und 13 können z. B. als Waschmaschine, Elektroherd, Beleuchtung, Fernseher, Heizung, Spülmaschine, Kühlschrank, Elektrowerkzeug und dergleichen ausgebildet sein.
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Die Steuervorrichtung 1 ist ausgebildet, die Verbraucher 10, 11, 12, 13 mit pulsweitenmodulierten Leistungspulsen ansteuern und auf diese Weise mit Energie zu versorgen, wobei die Steuervorrichtung 1 die Verbraucher 10, 11, 12, 13 derart zeitlich versetzt mittels den Leistungspulsen ansteuert, dass die Summe der Leistung der einzelnen Leistungspulse einen vorgegebenen Leistungsgrenzwert nicht überschreitet.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform der Steuervorrichtung 1 können die Verbraucher 10, 11, 12, und 13 mit verschieden Prioritäten belegt werden, wobei die Steuervorrichtung 1 ausgebildet ist, unter Berücksichtigung der festgelegten Prioritäten die Verbraucher 10, 11, 12 und 13 anzusteuern. Beispielsweise wird dem Verbraucher 10 eine hohe Priorität zugewiesen, sodass der Verbraucher 10 stets betrieben wird. Der Verbraucher kann beispielsweise eine Heizung oder die Beleuchtung eines Gebäudes sein. Falls dem Verbraucher 13 eine niedrige Priorität zugewiesen worden ist, wird mittels der Steuervorrichtung bestimmt, ob durch eine zeitliche Versetzung der Leistungspulse eine Ansteuerung der Verbraucher 10 und 13 derart möglich ist, dass beide Verbraucher 10 und 13 betreibbar sind, ohne dass ein vorgegebener Leistungsgrenzwert überschritten wird. Falls dies möglich ist, werden die Leistungspulse zur Ansteuerung der Verbraucher 10 und 13 zeitlich derart versetzt, dass die Verbraucher 10 und 13 betrieben werden können.
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2 zeigt ein schematisches zeitliches Leistungsdiagramm von Verbrauchern 10 und 11, welche mittels einer Ausführungsform des Verfahrens betrieben werden. Man erkennt, dass durch eine zeitliche Versetzung der Leistungspulse für die Verbraucher 10 und 11 keine Leistungsspitzen entstehen, welche einen vorher festgelegten Grenzwert überschreiten. Die Steuervorrichtung 1 ermittelt hierfür eine geeignete Zeit, mittels welcher die Leistungspulse für die Verbraucher 10 und 11 versetzt werden sollen, sodass keine Leistungsspitzen entstehen.
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3 zeigt ein schematisches zeitliches Leistungsdiagramm von Verbrauchern 10, 11 und 12, welche mittels einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens betrieben werden. Die horizontale Achse ist die Zeitachse, und die vertikale Achse stellt die Leistung der einzelnen Verbraucher 10, 11 und 12 und die Summe G der einzelnen Leistungspulse der Verbraucher 10, 11 und 12 dar. Die Steuervorrichtung 1 kann auch derart ausgebildet sein, dass diese beispielsweise drei oder mehr Verbraucher ansteuert und mit elektrischer Leistung versorgt. In diesem Diagramm erkennt man, dass auch z. B. zwei Leistungspulse sich überlagern können, und ein dritter Leistungspuls zwischengeschaltet werden kann. Die Steuervorrichtung 1 hat beispielsweise ermittelt, dass trotz einer Überlagerung zweier Leistungspulse für die Verbraucher 11 und 12 der Grenzwert für die Gesamtleitung nicht überschritten wird, sodass eine Ansteuerung der Verbraucher 10, 11 und 12 möglich ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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