DE102013207816A1 - Method and system for controlling voltage and frequency in a utility network - Google Patents

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Abstract

System und Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk mit einer zentralen Steuerung, die eine Phasenstabilitätsreserve und eine Spannungsstabilitätsreserve durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilte Regler des Versorgungsnetzwerkes maximiert.System and method for regulating voltage and frequency in a supply network with a central controller that maximizes a phase stability reserve and a voltage stability reserve by simultaneously setting an operating point of the supply network and controllers of the supply network distributed by controller parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk, insbesondere einem Niederspannungsversorgungsnetzwerk, das eine Vielzahl von Knoten aufweist, die über Versorgungsleitungen miteinander verbunden sind. The invention relates to a method and a system for controlling voltage and frequency in a supply network, in particular a low-voltage supply network having a plurality of nodes which are interconnected via supply lines.

Versorgungsnetzwerke, insbesondere elektrische Stromversorgungsnetzwerke, dienen zur Verteilung elektrischer Energie an Verbraucher. Stromversorgungsnetzwerke bzw. Spannungsversorgungsnetzwerke verfügen über Generatoren, die elektrische Energie erzeugen. Diese Energie wird über Versorgungsleitungen transportiert und durch Verbraucher bzw. Lasten verbraucht. Ein Stromversorgungsnetzwerk bzw. Spannungsversorgungsnetzwerk kann mehrere Verteilnetzwerke aufweisen, die an einem Transportnetzwerk angeschlossen sind. Die Spannungen in einem Transportnetzwerk sind wesentlich höher als in einem Verteilnetzwerk, an dem die Verbraucher, beispielsweise Privathaushalte, angeschlossen sind. Während das Transportnetzwerk ein Hochspannungsnetzwerk bildet, über das elektrische Energie über weite Distanzen transportiert wird, ist das Verteilnetzwerk ein Mittel- oder Niederspannungsnetzwerk mit relativ niedrigen Spannungspegeln. Für die Stabilität eines Versorgungsnetzwerkes ist die schnelle Steuerung bzw. Regelung einer Spannungsamplitude U des Netzes und einer Frequenz f unverzichtbar. Das Versorgungsnetzwerk bildet in der Regel ein vermaschtes Netzwerk mit einer Vielzahl von Knoten, die über Versorgungsleitungen miteinander verbunden sind. Jede Versorgungsleitung weist einen bestimmten Widerstand R und eine gewisse Reaktanz bzw. Induktivität X auf. In Hochspannungsnetzwerken ist das Verhältnis zwischen der Reaktanz und der Impedanz einer Versorgungsleitung nahezu null. Es ist daher möglich, bei derartigen Hochspannungsnetzwerken, die Regelung der Spannungsamplitude U und der Netzfrequenz f zu entkoppeln, da die Spannungsamplitude hauptsächlich durch die Blindleistung Q und die Netzfrequenz hauptsächlich durch die Wirkleistung P beeinflusst wird. Daher ist es bei Hochspannungsnetzwerken möglich, verteilte Proportionalregler einzusetzen, die eine Wirkleistung P in Abhängigkeit von der lokal gemessenen Netzfrequenz f und eine Blindleistung Q in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Spannungsamplitude einstellen. Diese Entkopplung der Spannungs- und Frequenzregelung ist aufgrund der Tatsache möglich, dass das Verhältnis zwischen der Reaktanz und Impedanz bei der Versorgungsleitung des Hochspannungsnetzwerkes gering ist. Supply networks, in particular electrical power supply networks, serve to distribute electrical energy to consumers. Power supply networks or power supply networks have generators that generate electrical energy. This energy is transported via supply lines and consumed by consumers or loads. A power supply network may include multiple distribution networks connected to a transport network. The stresses in a transport network are much higher than in a distribution network to which consumers, such as households, are connected. While the transport network is a high voltage network that transports electrical energy over long distances, the distribution network is a medium or low voltage network with relatively low voltage levels. For the stability of a supply network, the rapid control or regulation of a voltage amplitude U of the network and a frequency f is indispensable. The utility network typically forms a meshed network with a plurality of nodes interconnected by utility lines. Each supply line has a certain resistance R and a certain reactance or inductance X. In high voltage networks, the ratio between the reactance and the impedance of a supply line is nearly zero. It is therefore possible to decouple the regulation of the voltage amplitude U and the line frequency f in such high-voltage networks, since the voltage amplitude is influenced mainly by the reactive power Q and the mains frequency mainly by the active power P. It is therefore possible in high-voltage networks to use distributed proportional controllers which set an active power P as a function of the locally measured network frequency f and a reactive power Q as a function of a locally measured voltage amplitude. This decoupling of the voltage and frequency control is possible due to the fact that the ratio between the reactance and impedance in the supply line of the high voltage network is low.

Bei den Mittel- und Niederspannungsnetzwerken ist jedoch das Verhältnis zwischen dem Widerstand R und der Reaktanz X einer Versorgungsleitung nicht vernachlässigbar und kann in vielen Fällen sogar größer eins sein. Daher hängt die Spannung und Frequenz sowohl von der Wirkleistung P als auch von der Blindleistung Q ab. Folglich hängen die resultierenden Spannungs- und Frequenzdynamiken voneinander ab, d.h. es handelt sich um ein sogenanntes MIMO(Multiple Input Multiple Output)-System. Daher ist für ein derartiges MIMO-System eine Entkopplung der Wirk- und Blindleistungsregelung P (f) und Q (u) zwar möglich, jedoch erfordert die Analyse und das Design derartiger Regler die Analyse eines vollständigen MIMO-Systems, d.h. sowohl der Spannungs- als auch Frequenzdynamiken. Daher können die herkömmlichen Techniken zum Design von Reglern, die bei Spannungsnetzwerken mit hoher oder mittlerer Spannung verwendet werden, nicht für Regler von Niederspannungsversorgungsnetzwerken eingesetzt werden. Herkömmliche Regler können aufgrund ihrer geringeren Stabilitätsreserve zudem zu einem instabilen Versorgungsnetzwerk führen, d.h. das mit derartigen Reglern ausgerüstete Versorgungsnetzwerk ist relativ empfindlich gegenüber Laständerungen bzw. Lastsprüngen. However, in the medium and low voltage networks, the ratio between the resistance R and the reactance X of a supply line is not negligible and may in many cases be greater than one. Therefore, the voltage and frequency depend on both the real power P and the reactive power Q. Consequently, the resulting voltage and frequency dynamics depend on each other, i. It is a so-called MIMO (Multiple Input Multiple Output) system. Therefore, for such a MIMO system it is possible to decouple the active and reactive power control P (f) and Q (u), but the analysis and design of such regulators requires the analysis of a complete MIMO system, i. both the voltage and frequency dynamics. Therefore, the conventional techniques for designing regulators used in high and medium voltage power networks can not be used for low voltage power network regulators. Conventional regulators can also result in an unstable supply network due to their lower stability reserve, i. the supply network equipped with such regulators is relatively sensitive to load changes or load jumps.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk zu schaffen, bei der das Versorgungsnetzwerk unempfindlich gegenüber Lastsprüngen ist und stets stabil bleibt. It is therefore an object of the present invention to provide a system and method for controlling voltage and frequency in a utility network where the utility network is insensitive to load transients and always stable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. This object is achieved by a system having the features specified in claim 1.

Die Erfindung schafft demnach ein System zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk mit einer zentralen Steuerung, die eine Phasenstabilitätsreserve und eine Spannungsstabilitätsreserve durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilter Regler des Versorgungsnetzwerkes maximiert. The invention thus provides a system for controlling voltage and frequency in a supply network having a central controller which maximizes a phase stability reserve and a voltage stability margin by simultaneously setting an operating point of the supply network and regulator parameters of distributed regulators of the utility network.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems handelt es sich bei dem Versorgungsnetzwerk um ein vermaschtes Netzwerk mit einer Vielzahl von Knoten, die über Versorgungsleitungen miteinander verbunden sind. In one possible embodiment of the system according to the invention, the supply network is a meshed network with a multiplicity of nodes, which are connected to one another via supply lines.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist das Versorgungsnetzwerk ein Niederspannungsnetzwerk, bei dem das Verhältnis zwischen Widerstand R und Reaktanz X der Versorgungsleitungen deutlich größer als null ist. In one possible embodiment of the system according to the invention, the supply network is a low-voltage network in which the ratio between resistance R and reactance X of the supply lines is significantly greater than zero.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist das Niederspannungsversorgungsnetzwerk eine Spannung von weniger als 20 kVolt auf. In another possible embodiment of the system according to the invention, the low-voltage power supply network has a voltage of less than 20 kVolt.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die an den Knoten des Versorgungsnetzwerkes vorgesehenen Regler Droop-Regler. In another possible embodiment of the system according to the invention, the regulators provided at the nodes of the supply network are Droop controllers.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems erhalten die Regler, insbesondere Droop-Regler, Reglerparameter und einen für den jeweiligen Knoten eingestellten Betriebspunkt des Versorgungsnetzwerkes von der zentralen Steuerung des Versorgungsnetzwerkes über eine Kommunikationsverbindung. In one possible embodiment of the system according to the invention, the controllers, in particular Droop controllers, receive controller parameters and an operating point of the supply network set for the respective node from the central controller of the supply network via a communication connection.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems besteht die Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Steuerung und dem jeweiligen Regler des Knotens über ein Kommunikationsnetzwerk. In one possible embodiment of the system according to the invention, the communication link between the central controller and the respective controller of the node via a communication network.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems besteht die Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Steuerung und dem jeweiligen Regler über das Versorgungsnetzwerk selbst. In an alternative embodiment of the system according to the invention, the communication link between the central controller and the respective controller via the supply network itself.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems regelt der an einem Knoten des Versorgungsnetzwerkes vorgesehene Regler einen an dem Knoten befindlichen Generator lokal. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the controller provided at a node of the supply network locally controls a generator located at the node.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems regelt der an einem Knoten des Versorgungsnetzwerkes vorgesehene Regler den an dem Knoten befindlichen Generator lokal in Abhängigkeit von dem für den Knoten erhaltenen Betriebspunkt, den erhaltenen Reglerparametern sowie lokalen Messgrößen. In one possible embodiment of the system according to the invention, the controller provided at a node of the supply network locally regulates the generator located at the node as a function of the operating point obtained for the node, the controller parameters obtained and local measured variables.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems handelt es sich bei dem Generator um einen Wechselrichter einer Photovoltaikanlage. In one possible embodiment of the system according to the invention, the generator is an inverter of a photovoltaic system.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems handelt es sich bei dem Generator um einen Wechselrichter einer Batterie. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the generator is an inverter of a battery.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems stellt der Regler eines Knotens eine Wirkleistung pi und eine Blindleistung qi des Generators des Knotens in Abhängigkeit einer gemessenen lokalen Spannung ui und in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel θi bzw. einer lokalen Netzfrequenz θ .i des Knotens wie folgt ein:

Figure DE102013207816A1_0002
wobei pi0, qi0, ui0, ω0 durch den Regler von der zentralen Steuerung empfangene Werte des für den Knoten eingestellten Betriebspunktes innerhalb des Versorgungsnetzwerkes hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an dem jeweiligen Knoten Ni,
k ~qi ein Reglerparameter des Reglers und Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the controller of a node provides an active power p i and a reactive power q i of the generator of the node as a function of a measured local voltage u i and in dependence on a phase angle θ i or a local network frequency θ. i of the node as follows:
Figure DE102013207816A1_0002
where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 values received by the controller from the central controller of the operating point set for the node within the supply network with regard to the active power, reactive power, voltage and angular frequency at the respective node N i ,
k ~ qi a controller parameter of the controller and K i is a droop matrix, in particular a non-diagonal Droop matrix.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems stellt der Regler eines Knotens einen Phasenwinkel θi des Knotens und eine lokale Spannung ui des Generators des Knotens in Abhängigkeit von einer gemessenen Wirkleistung pi und einer gemessenen Blindleistung qi wie folgt ein:

Figure DE102013207816A1_0003
wobei pi0, qi0, ui0, ω0 durch den Regler von der zentralen Steuerung erhaltene Werte des eingestellten Betriebspunktes des Knotens innerhalb des Versorgungsnetzwerkes hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an den jeweiligen Knoten Ni und
k ~qi ein Reglerparameter und
Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the controller of a node sets a phase angle θ i of the node and a local voltage u i of the generator of the node as a function of a measured active power p i and a measured reactive power q i as follows:
Figure DE102013207816A1_0003
where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 values obtained by the controller from the central controller of the set operating point of the node within the supply network with respect to the active power, reactive power, voltage and angular frequency at the respective nodes N i and
k ~ qi a controller parameter and
K i is a Droop matrix, in particular a non-diagonal Droop matrix.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird die nicht-diagonale Droop-Matrix durch eine Berechnungseinheit des Reglers des Knotens in Abhängigkeit von einer Kompensationsmatrix KM wie folgt berechnet:

Figure DE102013207816A1_0004
In another possible embodiment of the system according to the invention, the non-diagonal Droop matrix is calculated by a calculation unit of the controller of the node in dependence on a compensation matrix KM as follows:
Figure DE102013207816A1_0004

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird die Kompensationsmatrix KM des Knotens in Abhängigkeit von einem Kompensationsrotationswinkel ϕi wie folgt berechnet:

Figure DE102013207816A1_0005
In another possible embodiment of the system according to the invention, the compensation matrix KM of the node is calculated as a function of a compensation rotation angle φ i as follows:
Figure DE102013207816A1_0005

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird der Kompensationsrotationswinkel ϕi durch die Berechnungseinheit des Reglers in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel ϕij aller an dem jeweiligen Knoten des Versorgungsnetzwerkes angeschlossenen Versorgungsleitungen wie folgt berechnet: ϕi = 1 / 2(ϕijmax – ϕijmin), wobei

ϕijmax
der maximale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten Ni angeschlossenen Versorgungsleitungen und
ϕijmin
der minimale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten Ni angeschlossenen Versorgungsleitungen ist.
In a further possible embodiment of the system according to the invention, the compensation rotation angle φ i is calculated by the calculation unit of the controller as a function of the rotation angle φ ij of all supply lines connected to the respective node of the supply network as follows: φ i = 1/2 (φ ijmax - φ ijmin ), in which
φ ijmax
the maximum angle of rotation of the supply lines connected to the respective node N i and
φ ijmin
is the minimum angle of rotation of the supply lines connected to the respective node N i .

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung wie folgt berechnet:

Figure DE102013207816A1_0006
wobei xij die Reaktanz der jeweiligen Versorgungsleitung und rij der Widerstand der jeweiligen Versorgungsleitung ist. In one possible embodiment of the system according to the invention, the rotation angle φ ij of a supply line is calculated as follows:
Figure DE102013207816A1_0006
where x ij is the reactance of the respective supply line and r ij is the resistance of the respective supply line.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren mit den in Patentanspruch 15 angegebenen Merkmalen. The invention further provides a method having the features specified in claim 15.

Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk, wobei eine Phasenstabilitätsreserve und eine Spannungsstabilitätsreserve des Versorgungsnetzwerkes durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilter Regler des Versorgungsnetzwerkes maximiert wird. The invention thus provides a method for controlling voltage and frequency in a utility network, wherein a phase stability reserve and a voltage stability reserve of the utility network is maximized by simultaneously setting an operating point of the utility network and controller parameters of distributed controllers of the utility network.

Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In the following, possible embodiments of the method and system according to the invention will be explained in more detail with reference to the attached figures.

Es zeigen: Show it:

1 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Versorgungsleitung zwischen zwei Knoten des Versorgungsnetzwerkes zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung von Spannung und Frequenz in dem Versorgungsnetzwerk; 1 shows a diagram illustrating a supply line between two nodes of the supply network to explain the operation of the system according to the invention and the method according to the invention for controlling voltage and frequency in the supply network;

2 zeigt ein einfaches Beispiel für ein Versorgungsnetzwerk mit mehreren Knoten zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems zur Regelung von Spannung und Frequenz in dem Versorgungsnetzwerk; 2 shows a simple example of a multi-node supply network for explaining the method and system for controlling voltage and frequency in the utility network according to the invention;

3A, 3B zeigen Ausführungsvarianten von Reglern, die in dem erfindungsgemäßen System zur Regelung von Spannung und Frequenz in dem Versorgungsnetzwerk eingesetzt werden; 3A . 3B show embodiments of controllers used in the system according to the invention for controlling voltage and frequency in the supply network;

4 zeigt ein einfaches Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk; 4 shows a simple block diagram for explaining the operation of the method and system for controlling voltage and frequency in a supply network according to the invention;

5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer für das erfindungsgemäße System und Verfahren bereitgestellten Stabilitätsreserve für das Versorgungsnetzwerk. 5 shows a diagram illustrating a provided for the system and method stability reserve for the supply network.

Wie man aus 1 erkennen kann, besteht ein Versorgungsnetzwerk VNW aus einer Vielzahl von Knoten Ni, Nj, die über Versorgungsleitungen VLij miteinander verbunden sein können. Bei dem Versorgungsnetzwerk kann es sich um ein Strom- bzw. Spannungsversorgungsnetzwerk handeln. Die Versorgungsleitungen werden dabei durch Spannungs- bzw. Stromversorgungsleitungen gebildet, die Knoten des Netzwerkes miteinander verbinden. Jeder der Knoten Ni, Nj weist einen Knotenphasenwinkel θi, θj und eine Spannung Ui, Uj auf. Wie in 1 dargestellt, fließt in jeden Knoten auf den beiden Seiten der Versorgungsleitung eine Wirkleistung Pi, Pj und eine Blindleistung Qi, Qj. Die Versorgungsleitung weist einen Widerstand Rij und eine Reaktanz bzw. Induktivität Xij auf. Durch die Impedanz Xij der Versorgungsleitung VLij und durch die Reaktanz Rij der Versorgungsleitung VLij wird ein Rotationswinkel ϕij der Versorgungsleitung bestimmt. Der Rotationswinkel ϕij beträgt

Figure DE102013207816A1_0007
How to get out 1 can recognize, there is a supply network VNW of a plurality of nodes N i , N j , which may be connected to each other via supply lines VL ij . The supply network can be a power supply network. The supply lines are thereby formed by voltage or power supply lines that connect nodes of the network with each other. Each of the nodes N i , N j has a node phase angle θ i , θ j, and a voltage U i , U j . As in 1 1, an active power P i , P j and a reactive power Q i , Q j flows into each node on the two sides of the supply line. The supply line has a resistance R ij and a reactance or inductance X ij . By the impedance X ij of the supply line VL ij and by the reactance R ij of the supply line VL ij a rotation angle φ ij of the supply line is determined. The rotation angle φ ij is
Figure DE102013207816A1_0007

Das Versorgungsnetzwerk VNW kann ein teilweise oder vollkommen vermaschtes Netzwerk sein, bei dem eine Vielzahl von Knoten über Versorgungsleitungen VL miteinander verbunden sind. Von jedem Knoten Ni, Nj können eine oder mehrere Versorgungsleitungen VL zu anderen benachbarten Knoten abgehen. Jede Versorgungsleitung bzw. Powerline weist eine konstante komplexe Impedanz

Figure DE102013207816A1_0008
auf, wobei ϕij der Rotationswinkel der Stromversorgungsleitung bzw. Powerline ist. Dabei gilt rij = rji > 0, xij = xji > 0 und zij > 0, und ϕij ∊ [0, π / 2]. The utility network VNW may be a partially or fully meshed network in which a plurality of nodes are interconnected via utility lines VL. From each node N i , N j , one or more supply lines VL may go to other neighboring nodes. Each power line has a constant complex impedance
Figure DE102013207816A1_0008
where φ ij is the rotation angle of the power supply line. Where r ij = r ji > 0, x ij = x ji > 0 and z ij > 0, and φ ij ε [0, π / 2].

An den beiden Knoten Ni, Nj liegt jeweils eine komplexe Spannung ui, uj wie folgt an:

Figure DE102013207816A1_0009
wobei ui, uj, θi, θj:R → R zeitabhängige reelle Funktionen sind. At the two nodes N i , N j in each case a complex voltage u i , u j is as follows:
Figure DE102013207816A1_0009
where u i , u j , θ i , θ j : R → R are time-dependent real functions.

Die über die Versorgungsleitung übertragene Leistung kann in eine Wirkleistung pij und eine Blindleistung qij unterteilt werden:

Figure DE102013207816A1_0010
The power transmitted via the supply line can be divided into an active power p ij and a reactive power q ij :
Figure DE102013207816A1_0010

Das gesamte Stromversorgungsnetzwerk kann N Knoten besitzen. Es besitzt daher einen Satz von Knoten N = {1, ..., N}. Der Satz Ni = |Ni| ist der Satz aller Knoten J ∊ N, die mit dem Knoten i verbunden sind. The entire power network can have N nodes. It therefore has a set of nodes N = {1, ..., N}. The sentence N i = | N i | is the set of all nodes J ∈ N connected to node i.

Aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes sind alle Wirkleistungen pi und alle Blindleistungen qi, die dem Stromversorgungsnetzwerk an einem Knoten i zugeführt werden gleich der Summe aller Wirk- und Blindleistungen, die den Knoten in Richtung eines seiner Nachbarknoten J ∊ Ni verlassen:

Figure DE102013207816A1_0011
Figure DE102013207816A1_0012
On the basis of the Energy Conservation Act, all active powers p i and all reactive powers q i supplied to the power supply network at a node i are equal to the sum of all active and reactive powers that leave the node in the direction of one of its neighboring nodes J ε N i :
Figure DE102013207816A1_0011
Figure DE102013207816A1_0012

Dies kann auch wie folgt ausgedrückt werden:

Figure DE102013207816A1_0013
wobei gilt:
Figure DE102013207816A1_0014
This can also be expressed as follows:
Figure DE102013207816A1_0013
where:
Figure DE102013207816A1_0014

Folglich kann das Versorgungsnetzwerk VNW wie folgt angegeben werden:

Figure DE102013207816A1_0015
Consequently, the utility network VNW can be specified as follows:
Figure DE102013207816A1_0015

Wobei

Figure DE102013207816A1_0016
als Rotationsmatrix bezeichnet wird. Diese Gleichungen werden auch als gekoppelte Energiegleichungen bezeichnet. In which
Figure DE102013207816A1_0016
is called a rotation matrix. These equations are also called coupled energy equations.

2 zeigt ein Beispiel für ein Versorgungsnetzwerk VNW mit einer Vielzahl von Knoten Ni, die über Versorgungsleitungen VL miteinander verbunden sind. In dem dargestellten einfachen Beispiel von 2 weist das Versorgungsnetzwerk VNW sieben Knoten N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7 auf, die jeweils über Versorgungsleitungen bzw. Spannungsversorgungsleitungen miteinander verbunden sind. Jeder Knoten Ni kann an einen oder mehrere benachbarte Knoten über eine oder mehrere Versorgungsleitungen angeschlossen sein. Jeder Knoten weist einen Bus bzw. eine Schiene auf. In dem dargestellten Beispiel weist jeder Knoten ein Gerät auf, das über einen Bus bzw. eine Schiene an die Versorgungsleitungen angeschlossen ist. Die in 2 dargestellten Vorrichtungen V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 weisen vorzugsweise jeweils einen dezentralen Regler R auf. Die Vorrichtungen Vi können Generatoren und/oder Lasten enthalten. Wie in 2 dargestellt, weist das Versorgungsnetzwerk VNW zudem eine zentrale Steuerung CU auf, welche die in den Vorrichtungen Vi enthaltenen Regler Ri steuern bzw. einstellen kann. Bei den Reglern handelt es sich vorzugsweise um sogenannte Droop-Regler. Bei dem in 2 dargestellten Versorgungsnetzwerk VNW handelt es sich vorzugsweise um ein Mittel- oder Niederspannungsversorgungsnetzwerk, wobei bei jeder Versorgungsleitung VL bzw. Stromversorgungsleitung das Verhältnis zwischen Widerstand R und Reaktanz X der Versorgungsleitung VL deutlich größer als null, insbesondere größer als 0,5, beträgt. Bei einer möglichen Ausführungsform weist das Mittel- oder Niederspannungsversorgungsnetzwerk, wie es in 2 dargestellt ist, ein Spannungsniveau von weniger als 20 kVolt auf. Die in dem Versorgungsnetzwerk VNW innerhalb der Vorrichtungen Vi vorgesehenen Regler Ri können Reglerparameter von der zentralen Steuerung CU über eine Kommunikationsverbindung erhalten. Darüber hinaus erhalten die Regler Ri auch einen eingestellten Betriebspunkt OP des jeweiligen Knotens von der zentralen Steuerung CU des Versorgungsnetzwerkes. Die Kommunikationsverbindung ist in 2 gestrichelt dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Steuerung CU an dem jeweiligen Regler Ri innerhalb der Vorrichtung Vi eine Verbindung, die über ein Kommunikationsnetzwerk, insbesondere ein drahtloses oder drahtgebundenes Kommunikationsnetzwerk, hergestellt wird. Alternativ kann die Kommunikationsverbindung auch über das Versorgungsnetzwerk VNW selbst, beispielsweise über Powerline Communication, hergestellt werden. 2 shows an example of a supply network VNW with a plurality of nodes N i , which are interconnected via supply lines VL. In the illustrated simple example of 2 has the supply network VNW seven nodes N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, which are respectively connected via supply lines or power supply lines. Each node N i may be connected to one or more adjacent nodes via one or more supply lines. Each node has a bus or a rail. In the illustrated example, each node has a device that is connected to the supply lines via a bus or a rail. In the 2 Devices V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 shown preferably each have a decentralized controller R. The devices V i may contain generators and / or loads. As in 2 In addition, the supply network VNW has a central controller CU which can control or adjust the controller R i contained in the devices V i . The controllers are preferably so-called droop controllers. At the in 2 The supply network VNW shown is preferably a medium or low-voltage supply network, with each supply line VL or power supply line the ratio between resistance R and reactance X of the supply line VL being significantly greater than zero, in particular greater than 0.5. In one possible embodiment, the medium or low voltage power supply network as shown in FIG 2 is shown, a voltage level of less than 20 kVolt. The provided in the supply network of the devices within VNW V i R i controller can receive control parameters from the central controller CU via a communication link. In addition, the controllers R i also receive a set operating point OP of the respective node from the central controller CU of the supply network. The communication connection is in 2 shown in dashed lines. In one possible embodiment, the communication link between the central controller CU at the respective controller R i within the device V i is a connection which is established via a communication network, in particular a wireless or wired communication network. Alternatively, the communication connection can also be established via the supply network VNW itself, for example via powerline communication.

3A, 3B zeigen Ausführungsbeispiele für Regler Ri innerhalb der Vorrichtung Vi des Versorgungsnetzwerkes VNW, wobei in den dargestellten Ausführungsbeispielen die Vorrichtungen Vi jeweils einen Generator Gi enthalten. Bei dem Generator Gi kann es sich vorzugsweise um einen Wechselrichter einer Photovoltaikanlage handeln. Weiterhin ist es möglich, dass es sich bei dem Generator Gi um einen Wechselrichter für eine oder mehrere Batterien an dem Knoten handelt. Weiterhin kann es sich bei dem Generator Gi auch beispielsweise um einen Umrichter einer Windkraftanlage handeln. Wie in den 3A, 3B dargestellt, sind die Regler Ri innerhalb der Vorrichtungen Vi über eine bidirektionale Kommunikationsverbindung mit der zentralen Steuerung CU des Versorgungsnetzwerkes VNW verbunden. Bei einer möglichen Ausführungsform liefern die Regler bzw. die in der Vorrichtung enthaltenen Sensoren Messgrößen an die zentrale Steuerung CU. Dies ist auch in 4 verdeutlicht. Dabei werden vorzugsweise als Messgrößen lokale Spannungen U der Knoten übertragen bzw. ein entsprechender Vektor U. Weiterhin wird die lokale Netzfrequenz fi = θ .i über die Kommunikationsverbindung an die entfernte zentrale Steuerung CU des Netzwerkes übertragen. Weiterhin wird vorzugsweise für einen Knoten Ni die jeweilige Wirkleistungs- und Blindleistungseinspeisung Pi und Qi zu der zentralen Steuerung CU übermittelt, welche die erhaltenen Messgrößen bzw. Messgrößenvektoren auswertet. Hierzu kann die zentrale Steuerung CU eine oder mehrere Prozessoren enthalten, die ein entsprechendes Programm ausführen. Die zentrale Steuerung CU liefert einen Betriebspunkt OP des Versorgungsnetzwerkes, wie in 4 angedeutet, wobei für jeden Knoten des Versorgungsnetzwerkes VNW eine eingestellte Referenzspannung Ui0, eine Referenznetzfrequenz fi0, eine eingestellte Referenzwirkleistung Pi0 und eine eingestellte Referenzblindleistung Qi0 berechnet und über die Kommunikationsverbindung übertragen wird. Darüber hinaus erhält der jeweilige Regler Ri innerhalb der Vorrichtung Vi Reglerparameter RP, bei denen es sich um Verstärkungsfaktoren kp, kq und/oder Zeitkonstanten k ~q handeln kann. 3A . 3B show exemplary embodiments of regulator R i within the device V i of the supply network VNW, wherein in the illustrated embodiments, the devices V i each include a generator G i . The generator G i may preferably be an inverter of a photovoltaic system. Furthermore, it is possible that the generator G i is an inverter for one or more batteries at the node. Furthermore, the generator G i can also be, for example, an inverter of a wind power plant. As in the 3A . 3B 2, the regulators R i within the devices V i are connected via a bidirectional communication link to the central controller CU of the supply network VNW. In one possible embodiment, the controllers or the sensors contained in the device supply measured variables to the central controller CU. This is also in 4 clarified. In this case, local voltages U of the node or a corresponding vector U are preferably transmitted as measured variables. Furthermore, the local network frequency f i = θ. i transmitted over the communication link to the remote central controller CU of the network. Furthermore, the respective active power and reactive power feed P i and Q i are preferably transmitted to the central controller CU for a node N i , which evaluates the measured quantities or measured variable vectors obtained. For this purpose, the central controller CU may contain one or more processors that execute a corresponding program. The central controller CU provides an operating point OP of the utility network, as in 4 indicated, for each node of the supply network VNW a set reference voltage U i0 , a reference network frequency f i0 , a set reference active power P i0 and a set reference reactive power Q i0 calculated and transmitted over the communication link. In addition, the respective controller R i within the device V i receives controller parameters RP, which are gain factors k p , k q and / or time constants k ~ q can act.

Wechselrichter, die durch einen Droop-Regler gesteuert werden, können sowohl Generatoren, beispielsweise Photovoltaikinverter, als auch Lasten, beispielsweise Gleichrichter, darstellen. Bei den Reglern Ri kann es sich um Proportional- und/oder PID-Regler handeln. Inverters controlled by a droop regulator can represent both generators, such as photovoltaic inverters, and loads, such as rectifiers. The regulators R i can be proportional and / or PID controllers.

Die 3A, 3B zeigen zwei alternative Ausführungsformen für einen in einem Knoten Ni des Versorgungsnetzwerkes VNW eingesetzten Regler Ri. Bei der in 3A dargestellten Ausführungsform regelt der Regler Ri eine Wirk- und Blindleistung des Generators in Abhängigkeit von einer lokalen Spannung ui und einem lokalen Phasenwinkel θi bzw. einer lokalen Frequenz θ .i wie folgt:

Figure DE102013207816A1_0017
wobei pi0, qi0, ui0, ω0 die durch den Regler Ri von der zentralen Steuerung CU empfangenen Werte des eingestellten Betriebspunktes OP des Versorgungsnetzwerkes an den Knoten hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an dem jeweiligen Knoten,
k ~qi ein Reglerparameter des Reglers Ri und
Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. The 3A . 3B show two alternative embodiments for a used in a node N i of the supply network VNW controller R i . At the in 3A In the illustrated embodiment, the controller R i controls an active and reactive power of the generator as a function of a local voltage u i and a local phase angle θ i or a local frequency θ. i as follows:
Figure DE102013207816A1_0017
where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 are the values of the set operating point OP of the supply network at the node received by the controller R i with respect to the active power, reactive power, voltage and angular frequency at the respective node,
k ~ qi a controller parameter of the controller R i and
K i is a Droop matrix, in particular a non-diagonal Droop matrix.

Bei der in 3B dargestellten alternativen Ausführungsform stellt der Regler Ri eines Knotens Ni einen Phasenwinkel θi des Knotens und eine lokale Spannung ui des Generators des Knotens in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Wirkleistung Pi und gemessenen Blindleistung Qi wie folgt ein:

Figure DE102013207816A1_0018
wobei pi0, qi0, ui0, ω0 die durch den Regler Ri von der zentralen Steuerung CU erhaltenen Werte des eingestellten Betriebspunktes OP des Versorgungsnetzwerkes hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an den jeweiligen Knoten Ni,
k ~qi ein Reglerparameter und
Ki die eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. At the in 3B In the alternative embodiment illustrated, the controller R i of a node N i sets a phase angle θ i of the node and a local voltage u i of the generator of the node as a function of a locally measured active power P i and measured reactive power Q i as follows:
Figure DE102013207816A1_0018
where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 are the values , obtained by the controller R i, of the set operating point OP of the supply network with regard to the active power, reactive power, voltage and angular frequency at the respective node N i ,
k ~ qi a controller parameter and
K i is a droop matrix, in particular a non-diagonal droop matrix.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems erhält jeder Regler Ri eine besondere Berechnungseinheit, welche die nicht-diagonale Droop-Matrix Ki in Abhängigkeit von einer Kompensationsmatrix KM berechnet:

Figure DE102013207816A1_0019
In one possible embodiment of the system according to the invention, each controller R i receives a special calculation unit which calculates the non-diagonal droop matrix K i as a function of a compensation matrix KM:
Figure DE102013207816A1_0019

Die Berechnungseinheit berechnet die Kompensationsmatrix KM des Knotens in Abhängigkeit von einem Kompensationsrotationswinkel ϕi wie folgt:

Figure DE102013207816A1_0020
The calculation unit calculates the compensation matrix KM of the node as a function of a compensation rotation angle φ i as follows:
Figure DE102013207816A1_0020

Der Kompensationsrotationswinkel ϕi wird durch die Berechnungseinheit des Reglers bei einer möglichen Ausführungsform in Abhängigkeit von den Rotationswinkeln ϕij aller an dem jeweiligen Knoten Ni des Versorgungsnetzwerkes VNW angeschlossenen Versorgungsleitungen VL wie folgt berechnet: ϕi = 1 / 2(ϕijmax – ϕijmin), wobei ϕijmax der maximale Rotationswinkel der an dem Knoten Ni angeschlossenen Versorgungsleitungen VL und
ϕijmin der minimale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten angeschlossenen Versorgungsleitungen VL ist.
The compensation rotation angle φ i is calculated by the calculation unit of the controller in one possible embodiment as a function of the rotation angles φ ij of all supply lines VL connected to the respective node N i of the supply network VNW as follows: φ i = 1/2 (φ ijmax - φ ijmin ), where φ ijmax is the maximum rotation angle of the supply lines VL and connected to the node N i
φ ijmin is the minimum angle of rotation of the supply lines VL connected to the node in question.

Der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung VL ist dabei in der Regel konstant und hängt von Eigenschaften der Versorgungsleitung ab. Der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung, die an dem Knoten Ni, welcher die Vorrichtung Vi enthält, angeschlossen ist, beträgt:

Figure DE102013207816A1_0021
wobei xij die Impedanz der jeweiligen Versorgungsleitung VL und rij die Reaktanz der Versorgungsleitung VL ist. The rotation angle φ ij of a supply line VL is generally constant and depends on properties of the supply line. The rotation angle φ ij of a supply line connected to the node N i containing the device V i is:
Figure DE102013207816A1_0021
where x ij is the impedance of the respective supply line VL and r ij is the reactance of the supply line VL.

Der Widerstand und die Reaktanz der Versorgungsleitung VL sind in der Regel fest vorgegeben, sodass die Rotationswinkel ϕij der Versorgungsleitungen in einen lokalen Speicher abgelegt werden können, auf den der jeweilige Regler Ri der Vorrichtung Vi Zugriff hat. Bei einem Strom- bzw. Spannungsversorgungsnetzwerk mit nicht vernachlässigbarem Widerstand kann das erfindungsgemäße Verfahren und System zur Regelung von Spannung und Frequenz besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Der nicht vernachlässigbare Widerstand tritt insbesondere bei einem Mittel- und Niederspannungsversorgungsnetzwerk auf. Demgegenüber ist bei einem Hochspannungsversorgungsnetzwerk in der Regel das Verhältnis zwischen Widerstand und Reaktanz, d.h.

Figure DE102013207816A1_0022
vernachlässigbar und nahe null. The resistance and the reactance of the supply line VL are usually fixed, so that the rotation angle φ ij of the supply lines can be stored in a local memory on the the respective controller R i of the device V i has access. In a power supply network with non-negligible resistance, the method and system according to the invention for controlling voltage and frequency can be used particularly advantageously. The non-negligible resistance occurs especially in a medium and low voltage power supply network. In contrast, in a high voltage power supply network usually the ratio between resistance and reactance, ie
Figure DE102013207816A1_0022
negligible and close to zero.

Das dynamische Verhalten der Frequenz und Spannung des Stromversorgungsnetzwerkes VNW kann wie folgt berechnet werden:

Figure DE102013207816A1_0023
The dynamic behavior of the frequency and voltage of the power supply network VNW can be calculated as follows:
Figure DE102013207816A1_0023

Die dabei verwendete Droop-Matrix Ki dient zur Kompensation für die Rotationsmatrix

Figure DE102013207816A1_0024
welche durch die Reaktanzen der Versorgungsleitung VL hervorgerufen wird. Die Droop-Matrix Ki kann wie folgt berechnet werden:
Figure DE102013207816A1_0025
The droop matrix K i used here compensates for the rotation matrix
Figure DE102013207816A1_0024
which is caused by the reactances of the supply line VL. The droop matrix K i can be calculated as follows:
Figure DE102013207816A1_0025

Bei einer möglichen Ausführungsform wird der Kompensationsrotationswinkel ϕi in Abhängigkeit von allen Rotationswinkeln ϕij aller an den jeweiligen Knoten angeschlossenen Versorgungsleitungen berechnet. Bei einer möglichen Implementierung hängt der Kompensationsrotationswinkel ϕi von einem maximalen Rotationswinkel ϕijmax und von einem minimalen Rotationswinkel ϕijmin ab. Bei einer möglichen Implementierung wird als Kompensationsrotationswinkel ϕi der Mittelwert zwischen dem maximalen Rotationswinkel und dem minimalen Rotationswinkel eingestellt bzw. berechnet. Dieser berechnete Kompensationsrotationswinkel bestimmt die Droop-Matrix Ki. In one possible embodiment, the compensation rotation angle φ i is calculated as a function of all rotation angles φ ij of all supply lines connected to the respective nodes. In one possible implementation, the compensation rotation angle φ i depends on a maximum rotation angle φ ijmax and a minimum rotation angle φ ijmin . In one possible implementation, the average value between the maximum rotation angle and the minimum rotation angle is set or calculated as the compensation rotation angle φ i . This calculated compensation rotation angle determines the droop matrix K i .

Falls das System bereits einen stabilen Zustand hat (u*, ϑ*, Ω), wobei θ* = 1Ωt + ϑ*, der durch die Lösung der stationären Zustandsgleichung bestimmt ist:

Figure DE102013207816A1_0026
zieht dieser stabile Zustand asymptotisch alle Anfangsbedingungen innerhalb eines rautenförmigen Gebietes:
Figure DE102013207816A1_0027
an, die um den stabilen Betriebspunkt OP (u*, ϑ*, Ω) liegen, wobei c+(t) und c(t) wie folgt definiert werden können:
Figure DE102013207816A1_0028
mit ũi = ui – u * / i, ϑi = θi – θ * / i und den Designparameter κ > 0, falls
Figure DE102013207816A1_0029
wobei
Figure DE102013207816A1_0030
mit ∆ϕij = ϕi – ϕij, sinc(x) = sin(x) / x und ε > 0 als Designparameter des Versorgungsnetzwerkes VNW. If the system already has a stable state (u *, θ *, Ω), where θ * = 1Ωt + θ *, which is determined by the solution of the stationary equation of state:
Figure DE102013207816A1_0026
Asymptotically, this stable state draws all initial conditions within a rhombic area:
Figure DE102013207816A1_0027
which lie around the stable operating point OP (u *, θ *, Ω), where c + (t) and c - (t) can be defined as follows:
Figure DE102013207816A1_0028
With ũ i = u i - u * / i, θ i = θ i - θ * / i and the design parameter κ> 0 if
Figure DE102013207816A1_0029
in which
Figure DE102013207816A1_0030
With Δφ ij = φ iij , sinc (x) = sin (x) / x and ε> 0 as a design parameter of the utility network VNW.

5 veranschaulicht die durch das erfindungsgemäße System und Verfahren gebildete Stabilitätsreserve SR des Versorgungsnetzwerkes VNW. Man erkennt in 5 die rautenförmige Ausprägung der Stabilitätsreserve, welche durch eine Phasenstabilitätsreserve PSR und eine Spannungsstabilitätsreserve SSR gebildet wird. Die zentrale Steuerung CU des Versorgungsnetzwerkes VNW maximiert die in 5 dargestellte Stabilitätsreserve des Versorgungsnetzwerkes VNW, um die Betriebspunkte für alle Knoten Ni des Versorgungsnetzwerkes einzustellen und um entsprechende Reglerparameter der dezentralen Droop-Regler Ri zu berechnen, wie in 4 angedeutet. 5 illustrates the stability reserve SR of the supply network VNW formed by the system and method according to the invention. One recognizes in 5 the diamond-shaped form of the stability reserve, which is formed by a phase stability reserve PSR and a voltage stability reserve SSR. The central control CU of the supply network VNW maximizes the in 5 illustrated stability reserve of the supply network VNW to set the operating points for all nodes N i of the supply network and to calculate corresponding control parameters of the decentralized Droop controller R i , as in 4 indicated.

Die Phasenstabilitätsreserve PSR bezeichnet die maximal zulässige Abweichung der Phase eines Knotens des Versorgungsnetzwerkes VNW von der stationären Phasenlage in dem stationären Betriebspunkt OP zu jedem Zeitpunkt. Die Spannungsstabilitätsreserve SSR bezeichnet die maximal zulässige Abweichung der Spannung eines Knotens des Versorgungsnetzwerkes VNW von der Spannung in dem stationären Betriebspunkt OP zu jedem Zeitpunkt. Die Berechnung der Stabilitätsreserve, d.h. der Phasenstabilitätsreserve PSR und der Spannungsstabilitätsreserve SSR, wird vorzugsweise durch ein bestimmtes Ereignis in dem Versorgungsnetzwerk VNW angestoßen, beispielsweise durch einen auftretenden Lastsprung bzw. eine Laständerung. Das erfindungsgemäße Verfahren regelt dann die Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzwerkes, wobei die zentrale Steuerung CU des Versorgungsnetzwerkes die Phasenstabilitätsreserve PSR und gleichzeitig die Spannungsstabilitätsreserve SSR durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes bzw. Operation-Punktes OP des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilter Regler Ri des Versorgungsnetzwerkes VNW maximiert. The phase stability reserve PSR denotes the maximum permissible deviation of the phase of a node of the supply network VNW from the stationary phase position in the stationary operating point OP at any time. The voltage stability reserve SSR denotes the maximum permissible deviation of the voltage of a node of the supply network VNW from the voltage in the stationary operating point OP at any time. The calculation of the stability reserve, ie the phase stability reserve PSR and the voltage stability reserve SSR, is preferably triggered by a specific event in the supply network VNW, for example by an occurring load step or load change. The inventive method then regulates the voltage and frequency of the supply network, the central control CU of the supply network, the phase stability reserve PSR and simultaneously the voltage stability reserve SSR by simultaneously setting an operating point or operation point OP of the supply network and controller parameters of distributed controller R i of the supply network VNW maximized.

Das nicht vernachlässigbare von null abweichende Verhältnis zwischen Widerstand und Reaktanz in Mittel- und Niederspannungsnetzwerken führt zu einer Rotation zwischen Spannungs- und Frequenzdynamik. Für jede Versorgungsleitung bzw. Powerline entsteht eine Rotationsmatrix mit einem Rotationswinkel, der von dem Widerstand-zu-Reaktanz-Verhältnis abhängt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und System wird eine Kompensationsmatrix KM in dem Regler Ri eingesetzt, sodass das Produkt zwischen dieser Kompensationsmatrix KM und der Rotationsmatrix bei allen angeschlossenen Versorgungsleitungen VL nahezu eine Identitätsmatrix ergibt. Dies kann erreicht werden, indem man beispielsweise einen Winkel zwischen der inversen Rotationsmatrix und dem Durchschnitt aus dem größten und kleinsten Rotationswinkel aller angeschlossenen Versorgungsleitungen VL berechnet. Aufgrund dieser Kompensationsmatrix wird die Spannungs- und Frequenzdynamik weitgehend entkoppelt, abhängig von den Differenzen zwischen den R/X-Verhältnissen der verschiedenen Versorgungsleitungen VL. Das erfindungsgemäße Verfahren und System zur Regelung von Spannung und Frequenzen in dem Versorgungsnetzwerk VNW bietet ein besonders stabiles und robustes Versorgungsnetzwerk VNW, das unempfindlich gegenüber Laständerungen innerhalb des Netzwerkes ist. Bei einer möglichen Ausführungsform weisen alle Knoten Ni des Netzwerkes VNW einen entsprechenden Droop-Regler Ri auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen lediglich einige Knoten des Netzwerkes einen entsprechenden Regler auf. Das erfindungsgemäße Verfahren und System eignet sich insbesondere für Mittel- und Niederspannungsversorgungsnetzwerke. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße System bei Hochspannungsversorgungsnetzwerken einzusetzen, wobei hier der Stabilitätsgewinn geringer ausfällt. Die Topologie des Versorgungsnetzwerkes kann variieren. Das Versorgungsnetzwerk kann neben linearen Strukturen auch Ringstrukturen oder Baumstrukturen aufweisen. Die räumliche Ausdehnung des Versorgungsnetzwerkes VNW kann ebenfalls variieren. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Versorgungsnetzwerk VNW ein Inselnetz bzw. ein kleineres lokales Versorgungsnetzwerk. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Versorgungsnetzwerk ein weitumspannendes Versorgungsnetzwerk mit weit voneinander entfernten Knoten. The non-negligible non-zero ratio between resistance and reactance in medium and low voltage networks leads to a rotation between voltage and frequency dynamics. For each supply line or power line, a rotation matrix is created with a rotation angle that depends on the resistance-to-reactance ratio. With the method and system according to the invention, a compensation matrix KM is used in the controller R i , so that the product results in almost an identity matrix between this compensation matrix KM and the rotation matrix for all connected supply lines VL. This can be achieved, for example, by calculating an angle between the inverse rotation matrix and the average of the largest and smallest rotation angles of all connected supply lines VL. Due to this compensation matrix, the voltage and frequency dynamics are largely decoupled, depending on the differences between the R / X ratios of the different supply lines VL. The inventive method and system for controlling voltage and frequencies in the supply network VNW provides a particularly stable and robust supply network VNW, which is insensitive to load changes within the network. In one possible embodiment, all nodes N i of the network VNW have a corresponding droop regulator R i . In an alternative embodiment, only a few nodes of the network have a corresponding controller. The method and system according to the invention are particularly suitable for medium and low-voltage supply networks. It is also possible to use the system according to the invention in high-voltage power supply networks, in which case the stability gain is lower. The topology of the utility network may vary. The supply network can also have ring structures or tree structures in addition to linear structures. The spatial extent of the supply network VNW can also vary. In one possible embodiment, the supply network VNW is an island network or a smaller local supply network. In an alternative embodiment, the utility network is a wide-span utility network with nodes far apart.

Bei einer möglichen Ausführungsvariante wird die erreichte Stabilitätsreserve einem Nutzer, beispielsweise in einem Kontrollzentrum, über eine Nutzerschnittstelle angezeigt. Bei jedem relevanten Ereignis, beispielsweise einem Lastsprung, kann eine neue Stabilitätsreserve berechnet werden und dem Nutzer angezeigt werden. Bei einer möglichen Ausführungsvariante entspricht die erreichte Stabilitätsreserve SR der Fläche der in 5 dargestellten Raute. Bei einer möglichen Ausführungsvariante kann diese Größe ebenfalls dem Nutzer im Kontrollzentrum angezeigt werden, sodass dieser erkennen kann, ob durch einen Lastsprung die Stabilitätsreserve angestiegen ist oder abgefallen ist. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante wird die historische Entwicklung der Stabilitätsreserve SR mit protokolliert. Die Auswertung der Stabilitätsreserve kann im Zusammenhang mit den aufgetretenen Ereignissen im Netzwerk durch eine Auswerteeinheit des Kontrollzentrums erfolgen, um Auswirkungen von Ereignissen auf die Stabilitätsreserve SR untersuchen zu können und um die entsprechenden Gegenmaßnahmen in dem Versorgungsnetzwerk VNW vorbereiten bzw. ausführen zu können. In one possible embodiment variant, the achieved stability reserve is displayed to a user, for example in a control center, via a user interface. For each relevant event, such as a load jump, a new stability reserve can be calculated and displayed to the user. In a possible embodiment, the achieved stability reserve SR corresponds to the area of the 5 shown rhombus. In one possible embodiment variant, this variable can also be displayed to the user in the control center, so that the latter can recognize whether the stability reserve has risen or fallen due to a load jump. In another possible embodiment, the historical development of the stability reserve SR is logged. The evaluation of the stability reserve can take place in connection with the events occurring in the network by an evaluation unit of the control center in order to investigate effects of events on the stability reserve SR and to be able to prepare or execute the corresponding countermeasures in the supply network VNW.

Claims (15)

System zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk (VNW) mit einer zentralen Steuerung (CU), die eine Phasenstabilitätsreserve (PSR) und eine Spannungsstabilitätsreserve (SSR) durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes (VNW) und von Reglerparametern verteilte Regler (R) des Versorgungsnetzwerkes (VNW) maximiert. System for controlling voltage and frequency in a supply network (VNW) with a central control (CU) having a phase stability reserve (PSR) and a voltage stability reserve (SSR) by simultaneously adjusting an operating point of the utility network (VNW) and controller parameters (R) of the utility network (VNW). System nach Anspruch 1, wobei das Versorgungsnetzwerk (VNW) ein vermaschtes Netzwerk mit einer Vielzahl von Knoten (Ni) ist, die über Versorgungsleitungen (VL) miteinander verbunden sind. The system of claim 1, wherein the utility network (VNW) is a meshed network having a plurality of nodes (N i ) interconnected by utility lines (VL). System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Versorgungsnetzwerk (VNW) ein Mittel- oder Niederspannungsnetzwerk ist, bei dem das Verhältnis zwischen Widerstand und Reaktanz der Versorgungsleitungen (VL) annähernd eins beträgt. A system according to claim 1 or 2, wherein the utility network (VNW) is a medium or low voltage network in which the ratio between resistance and reactance of the supply lines (VL) is approximately one. System nach Anspruch 3, wobei das Mittel- oder Niederspannungsversorgungsnetzwerk eine Spannung von weniger als 20 kVolt aufweist. The system of claim 3, wherein the medium or low voltage power supply network has a voltage of less than 20 kVolt. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die an den Knoten des Versorgungsnetzwerkes (VNW) vorgesehenen Regler (R) Droop-Regler sind, welche Reglerparameter und einen für den jeweiligen Knoten (Ni) eingestellten Betriebspunkt des Versorgungsnetzwerkes (VNW) von der zentralen Steuerung (CU) über eine Kommunikationsverbindung erhalten. System according to one of the preceding claims 1 to 4, wherein the controllers (R) provided at the nodes of the supply network (VNW) are Droop controllers, which controller parameters and an operating point (VNW) of the supply network (VNW) set for the respective node (N i ) the central control (CU) via a communication link. System nach Anspruch 5, wobei die Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Steuerung (CU) und dem jeweiligen Regler (R) über ein Kommunikationsnetzwerk oder das Versorgungsnetzwerk besteht. A system according to claim 5, wherein the communication link between the central controller (CU) and the respective controller (R) is via a communication network or the utility network. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der an einem Knoten (Ni) des Versorgungsnetzwerkes (VNW) vorgesehene Regler (R) einen an dem Knoten (Ni) befindlichen Generator (Gi) lokal in Abhängigkeit von dem erhaltenen Betriebspunkt, von den erhaltenen Reglerparametern und lokalen Messgrößen regelt. System according to any one of the preceding claims 1 to 6, wherein the at a node (N i) of the power supply network (V NW) intended controller (R) a to the node (N i) located generator (G i) locally in dependence on the obtained operating point , governed by the obtained controller parameters and local measured variables. System nach Anspruch 7, wobei der Generator (Gi) ein Wechselrichter einer Photovoltaikanlage oder einer Batterie oder der Umrichter einer Windkraftanlage ist. The system of claim 7, wherein the generator (G i ) is an inverter of a photovoltaic system or a battery or the inverter of a wind turbine. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Regler (Ri) eines Knotens (Ni) eine Wirkleistung (pi) und eine Blindleistung (qi) des Generators (Gi) des Knotens (Ni) in Abhängigkeit von einer gemessenen lokalen Spannung (ui) und einem Phasenwinkel (θi) bzw. einer Frequenz (θ .i) des Knotens (Ni) wie folgt einstellt:
Figure DE102013207816A1_0031
wobei pi0, qi0, ui0, ω0 durch den Regler (Ri) von der zentralen Steuerung (CU) empfangene Werte des für den Knoten eingestellten Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an dem jeweiligen Knoten (Ni), k ~qi ein Reglerparameter des Reglers und Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist.
System according to one of the preceding claims 1 to 8, wherein the controller (R i ) of a node (N i ) an active power (p i ) and a reactive power (q i ) of the generator (G i ) of the node (N i ) in dependence of a measured local voltage (u i ) and a phase angle (θ i ) or a frequency (θ i ) of the node (N i ) is set as follows:
Figure DE102013207816A1_0031
where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 are values received by the controller (R i ) from the central control (CU) of the supply node's operating point set for the node in terms of active power, reactive power, voltage and angular frequency at the respective node ( N i ), k ~ q i a controller parameter of the controller and K i is a droop matrix, in particular a non-diagonal Droop matrix.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Regler (Ri) eines Knotens (Ni) einen Phasenwinkel (θi) des Knotens und eine lokale Spannung (ui) des Generators des Knotens in Abhängigkeit von einer gemessenen Wirkleistung (pi) und einer gemessenen Blindleistung (qi) wie folgt einstellt:
Figure DE102013207816A1_0032
wobei pi0, qi0, ui0, ω0 durch den Regler (Ri) von der zentralen Steuerung (CU) empfangene Werte des für den Knoten eingestellten Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes (VNW) hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an den jeweiligen Knoten (Ni), k ~qi ein Reglerparameter und Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist.
System according to one of the preceding claims 1 to 8, wherein the controller (R i ) of a node (N i ) a phase angle (θ i ) of the node and a local voltage (u i ) of the generator of the node in dependence on a measured active power ( p i ) and a measured reactive power (q i ) is set as follows:
Figure DE102013207816A1_0032
where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 by the controller (R i ) from the central controller (CU) received values of the node set operating point of the supply network (VNW) in terms of active power, reactive power, voltage and angular frequency of the respective nodes (N i ), k ~ qi a controller parameter and K i is a droop matrix, in particular a non-diagonal droop matrix.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei die nicht-diagonale Droop-Matrix durch eine Berechnungseinheit des Reglers (Ri) des Knotens (Ni) in Abhängigkeit von einer Kompensationsmatrix (KM) wie folgt berechnet wird:
Figure DE102013207816A1_0033
A system according to claim 9 or 10, wherein the non-diagonal Droop matrix is calculated by a calculation unit of the controller (R i ) of the node (N i ) in dependence on a compensation matrix (KM) as follows:
Figure DE102013207816A1_0033
System nach Anspruch 11, wobei die Kompensationsmatrix (KM) des Knotens in Abhängigkeit von einem Kompensationsrotationswinkel ϕi wie folgt berechnet wird:
Figure DE102013207816A1_0034
System according to claim 11, wherein the compensation matrix (KM) of the node is calculated as a function of a compensation rotation angle φ i as follows:
Figure DE102013207816A1_0034
System nach Anspruch 12, wobei der Kompensationsrotationswinkel ϕi durch die Berechnungseinheit des Reglers (R) in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel ϕij aller an dem jeweiligen Knoten (Ni) des Versorgungsnetzwerkes angeschlossenen Versorgungsleitungen (VL) wie folgt berechnet wird: ϕi = 1 / 2(ϕijmax – ϕijmin), wobei ϕijmax der maximale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten (Ni) angeschlossenen Versorgungsleitungen (VL) und ϕijmin der minimale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten (Ni) angeschlossenen Versorgungsleitungen (VL) ist, wobei der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung (VL) des Versorgungsnetzwerkes
Figure DE102013207816A1_0035
wobei xij die Reaktanz der Versorgungsleitung (VL) und rij der Widerstand der Versorgungsleitung (VL) ist.
A system according to claim 12, wherein the compensation rotation angle φ i is calculated by the controller (R) calculating unit as a function of the rotation angle φ ij of all supply lines (VL) connected to the respective node (N i ) of the utility network as follows: φ i = 1/2 (φ ijmax - φ ijmin ), where φ ijmax is the maximum rotation angle of the supply lines (VL) connected to the respective node (N i ) and φ ijmin is the minimum rotation angle of the supply lines (VL) connected to the node (N i ) concerned, the rotation angle φ ij of a supply line ( VL) of the supply network
Figure DE102013207816A1_0035
where x ij is the reactance of the supply line (VL) and r ij is the resistance of the supply line (VL).
Niederspannungsnetzwerk mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 13. Low-voltage network with a system according to one of Claims 1 to 13. Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk (VNW), wobei eine Phasenstabilitätsreserve (PSR) und eine Spannungsstabilitätsreserve (SSR) des Versorgungsnetzwerkes (VNW) durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes (VNW) und von Reglerparametern verteilter Regler (R) des Versorgungsnetzwerkes (VNW) maximiert wird. Method for controlling voltage and frequency in a supply network (VNW), wherein a phase stability reserve (PSR) and a voltage stability reserve (SSR) of the supply network (VNW) are set by simultaneously setting an operating point of the supply network (VNW) and controller parameters of distributed controllers (R) of the supply network Supply network (VNW) is maximized.
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