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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer aktuellen Maximalleistung einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, welche Anlage durch einen Stromrichter gesteuert wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen entsprechenden Stromrichter zum Ermitteln einer aktuellen Maximalleistung der Anlage.
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Im aktuellen politischen und ökonomischen Umfeld ist Energiemanagement eine wichtige Aufgabe. Die Zielsetzungen im Energiemanagement sind unter anderem die Erhöhung der energetischen Effizienz (d. h. Energieverbrauch minimieren, Nutzung erneuerbarer Energiequellen maximieren), die Sicherstellung der elektrischen Energieversorgung trotz fluktuierender, nur teilweise steuerbarer (erneuerbarer) Energieerzeuger, die Reduktion der Energiekosten (wenig Strom verbrauchen, wenn gerade wenig Strom produziert wird und der Strompreis folglich hoch ist) sowie die Reduktion von Treibhausgas-Emissionen („CO2-Footprint“).
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Energiemanagement-Systeme können grundsätzlich alle Arten von Energie betrachten, d. h. neben Elektroenergie z. B. auch Kohle, Gas, Dampf, Fernwärme und Kälte. Sie sind in der Norm ISO 50001 definiert. Ein Powermanagement-System ist ein spezielles Energiemanagement-System, das ausschließlich elektrische Energieflüsse in einer Anlage erfasst und gegebenenfalls bezüglich der oben genannten Kriterien optimalerweise steuert.
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Unter den erneuerbaren Energiequellen sind Photovoltaik-Anlagen weit verbreitet und deshalb für Energie- und Power-Management-Systeme wichtig. Aufgrund gesetzlicher Regelungen müssen Photovoltaik-Anlagen mit einer Spitzenleistung von mehr als 30 kW heruntergeregelt werden können, um beispielsweise die Netzstabilität gewährleisten zu können. Diese Funktionalität ist auch für Energie- bzw. Power-Management-Systeme nutzbar.
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Befindet sich eine Photovoltaik-Anlage in einem gedrosselten Zustand, d. h. es wird weniger Energie am Anschlusspunkt der Photovoltaik-Anlage in ein Versorgungsnetz eingespeist als aufgrund der Sonneneinstrahlung maximal möglich wäre, so ist der Wert der aktuell zur Verfügung stehenden PV-Leistung (photovoltaische Leistung), die nur teilweise abgerufen wird, eine wichtige Größe für ein Energie- bzw. Power-Management-System. Im Bereich zwischen 0 PV-Leistung und der momentan maximal verfügbaren PV-Leistung kann das Power-Management-System die tatsächlich eingespeiste PV-Leistung optimieren. Im Sinne eines wirkungsvollen Energiemanagements oder Powermanagements wäre es also zweckmäßig, die aktuell zur Verfügung stehende maximale Leistung einer Energieerzeugungsanlage (z. B. Photovoltaik-Anlage) die sich im gedrosselten Zustand befindet, zu bestimmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine aktuelle Maximalleistung einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln einer aktuellen Maximalleistung einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, welche Anlage durch einen Stromrichter gesteuert wird, durch
- – Steuern des Stromrichters derart, dass die Anlage in einem vorgegebenen Zeitintervall eine gegenüber der aktuellen Maximalleistung reduzierte Leistung erzeugt,
- – Steuern des Stromrichters derart, dass die Anlage in einem vorgegebenen Kurzzeitintervall, das wesentlich (mindestens um den Faktor 10) kürzer als das vorgegebene Zeitintervall ist, die aktuelle Maximalleistung erzeugt,
- – Messen der aktuellen Maximalleistung in dem vorgegebenen Kurzzeitintervall und
- – Steuern des Stromrichters nach dem Messen derart, dass die Anlage wieder die gegenüber der aktuellen Maximalleistung reduzierte Leistung erzeugt.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Stromrichter zum Ermitteln einer aktuellen Maximalleistung einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, welche Anlage durch den Stromrichter steuerbar ist, umfassend
- – eine Steuereinrichtung zum Steuern des Stromrichters derart, dass die Anlage in einem vorgegebenen Zeitintervall eine gegenüber der aktuellen Maximalleistung reduzierte Leistung erzeugt, sowie zum Steuern des Stromrichters derart, dass die Anlage in einem vorgegebenen Kurzzeitintervall, das wesentlich (mindestens um den Faktor 10) kürzer als das vorgegebene Zeitintervall ist, die aktuelle Maximalleistung erzeugt, und
- – eine Messeinrichtung zum Messen der aktuellen Maximalleistung in dem vorgegebenen Kurzzeitintervall, wobei
- – die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, den Stromrichter nach dem Messen derart zu steuern, dass die Anlage wieder die gegenüber der aktuellen Maximalleistung reduzierte Leistung erzeugt.
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In vorteilhafter Weise wird also in einem vorgegebenen Zeitintervall die von der Anlage erzeugte elektrische Energie kurzfristig maximiert, und dabei wird die aktuelle Maximalleistung gemessen. Da in üblichen Stromrichtern ohnehin Einrichtungen zum Messen der Leistung vorhanden sind, kann also die aktuelle Maximalleistung in der Regel ohne zusätzliche Messeinrichtungen bestimmt werden.
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Vorzugsweise wird die gemessene aktuelle Maximalleistung an einer Schnittstelle des Stromrichters für eine stromrichterexterne Einheit bereitgestellt. Die aktuelle Maximalleistung wird somit nach außen hin beispielsweise für ein Energiemanagementsystem oder ein Powermanagementsystem verfügbar gemacht.
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Des Weiteren kann der Stromrichter so gesteuert werden, dass innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls die erzeugte elektrische Leistung dem Mittel der reduzierten Leistung entspricht. Auf diese Weise lässt sich die innerhalb des Kurzzeitintervalls erzeugte zusätzliche Energie, also diejenige Energie die durch das Drosseln an sich nicht erzeugt worden wäre, durch eine Leistungsreduktion kompensieren.
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Die in dem vorgegebenen Kurzzeitintervall erzeugte zusätzliche Energie kann durch eine vom Stromrichter veranlasste Leistungsreduktion in dem vorgegebenen Zeitintervall kompensiert werden.
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Eine derartige Leistungsreduktion kann innerhalb des noch verbleibenden Zeitintervalls erfolgen oder nur in einem Teil davon. Die Leistungsreduktion gleicht dann die Leistungserhöhung im vorgegebenen Kurzzeitintervall aus.
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Alternativ kann die in dem vorgegebenen Kurzzeitintervall erzeugte zusätzliche Energie in einem Speicher zwischengespeichert werden. Dies hätte den Vorteil, dass die Anlage mit der vorgesehenen Leistung (gedrosselte Leistung) im Übrigen Zeitintervall weiter betrieben werden kann, ohne dass es einer zusätzlichen Steuerfunktion (z. B. für eine Leistungsreduktion) bedarf. Die im Kurzzeitintervall erzeugte zusätzliche Energie geht dabei nicht verloren und kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.
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Eine weitere Alternative zu der Leistungsreduktion der Anlage besteht darin, dass die in dem vorgegebenen Kurzzeitintervall erzeugte zusätzliche Energie von einem Widerstand des Stromrichters verbraucht wird. Diese Lösung ist dann vorteilhaft, wenn der Steuerungsaufwand möglichst gering gehalten werden soll und die zusätzlich erzeugte Energie nicht allzu hoch ist. Außerdem hat diese Variante den Vorteil, dass zum Verbrauchen der Energie ein Widerstand genutzt wird, der in der Regel ohnehin in dem Stromrichter vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise wird die gemessene aktuelle Maximalleistung einem Energiemanagementsystem oder einem Leistungsmanagementsystem (Power-Managementsystem) zur weiteren Nutzung zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise lassen sich Anlagen kostengünstig und mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben, insbesondere wenn der Stromrichter von dem jeweiligen Managementsystem gesteuert bzw. geregelt wird.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter kann in einer Ausprägung ein Kommunikationsprotokoll unterstützen, welches fortlaufend die aktuelle Maximalleistung ausgibt. Demnach wird die aktuelle Maximalleistung zumindest einmal in dem vorgegebenen Zeitintervall zur Verfügung gestellt, wodurch ein dynamisches Verwalten der bereitgestellten Leistung möglich wird.
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Speziell kann eine Photovoltaikanlage oder Windkraftanlage mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter ausgestattet sein. Selbstverständlich können auch andere Energieerzeugungsanlagen, wie Wasserkraftanlagen, Biogasanlagen und andere Kraftwerke, die Stromrichter benötigen, von einem erfindungsgemäßen Stromrichter profitieren. Insbesondere können solche Anlagen in Großgebäuden oder Industrieanlagen integriert sein und der erfindungsgemäße Stromrichter kann in entsprechenden Powermanagementsystemen ausgenutzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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2 eine schematische Skizze einer Energieerzeugungsanlage einschließlich eines erfindungsgemäßen Stromrichters.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Zunächst wird jedoch auf zwei weitere Beispiele eingegangen, die hier nicht beansprucht sind, jedoch zum Verständnis der Erfindung beitragen. Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist, dass eine aktuell zur Verfügung stehende maximale Leistung einer im gedrosselten Zustand befindlichen Energieerzeugungsanlage bestimmt werden soll. Dazu könnten beispielsweise die folgenden beiden Schätzverfahren herangezogen werden, mit denen die aktuelle zur Verfügung stehende Maximalleistung der Energieerzeugungsanlage mittels zusätzlicher Hardware zumindest annähernd geschätzt werden kann. Derzeitig verfügbare Stromrichter für Energieerzeugungsanlagen liefern standardmäßig nämlich noch keinen Wert für die aktuell zur Verfügung stehende Maximalleistung.
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Eine sensorbasierte Schätz- bzw. Bestimmungsmethode für die maximal verfügbare Leistung einer Photovoltaikanlage kann darauf beruhen, dass die aktuell verfügbare, maximale PV-Leistung über einen separaten Helligkeitssensor bestimmt wird. Dabei kann der Helligkeitssensor GHI- bzw. DHI-Messungen durchführen (Global Horizontal Irradiation; Diffuse Horizontal Irradiation). Ein entsprechendes Softwaretool wertet die Sensorergebnisse aus und liefert die Maximalleistung beispielsweise fortlaufend an ein Energiemanagementsystem.
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Ein anderes Schätzverfahren könnte darin bestehen, dass die aktuelle verfügbare maximale PV-Leistung durch ein separates kleines PV-Modul bestimmt wird. Dessen Stell- bzw. Sollwert wird immer auf 100 % gesetzt, so dass stets die Maximalleistung dieses separaten PV-Moduls bereitgestellt wird. Dieses zusätzliche PV-Modul ist unter Umständen nicht mit dem Einspeisepunkt der Anlage in ein Netz verbunden. Die Maximalleistung der eigentlichen PV-Anlage kann durch das kleine separate PV-Modul hochgerechnet werden.
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Bei dem nachfolgend geschilderten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die aktuell zur Verfügung stehende Maximalleistung zum einen direkt bestimmt, also nicht geschätzt und zum anderen bedarf dieses Verfahren in der Regel keiner zusätzlichen Hardwarekomponenten, denn die verwendete Messeinrichtung ist in der Regel in den typischerweise eingesetzten Stromrichtern bereits vorhanden. Auch wenn das folgende Beispiel auf eine PV-Anlage gerichtet ist, ist es ohne Weiteres auch auf andere energieerzeugende Anlagen übertragbar.
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In einem aktuellen Zustand wird die PV-Anlage (allgemein: Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie) gedrosselt betrieben, d. h. die zum aktuellen Zeitpunkt mögliche, maximale zu liefernde Leistung Pmax ist auf den reduzierten Wert Pred herabgesetzt, wie dies Schritt S1 in 1 zeigt. Die Steuerung des PV-Inverters (allgemein: Stromrichter) setzt nun in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen zeitlichen Abständen (vorgegebenes Zeitintervall) von beispielsweise 5 Minuten +/–1 Minute kurzzeitig (vorzugsweise weniger als 10 Sekunden; Kurzzeitintervall) den Stell-/Sollwert für die PV-Leistung vom aktuell gedrosselten Wert Pred (< 100 %) auf den Maximalwert Pmax (= 100%), wie dies in Schritt S2 von 1 wiedergegeben ist. Sobald der Maximalwert gesetzt ist, wird in Schritt S3 die aktuelle Maximalleistung Pmax in dem Kurzzeitintervall gemessen. Anschließend wird der Stell-/Sollwert für den Stromrichter wieder auf den vorherigen gedrosselten Wert gesetzt, so dass die von der Anlage gelieferte Leistung wieder auf den Wert Pred reduziert wird.
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Die so ermittelte maximal verfügbare PV-Leistung wird bis zur nächsten Messung, d. h. bis zur nächsten kurzzeitigen Anhebung des PV-Leistungs-Stell- bzw. -Sollwerts auf 100 %, als maximal verfügbare PV-Leistung im PV-Stromrichter gespeichert. Sie kann dann über eine erweiterte Schnittstelle des PV-Umrichters bzw. Stromrichters beispielsweise an ein übergeordnetes Energiemanagementsystem übertragen werden.
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Damit die oben beschriebene zeitlich wiederkehrende, kurzzeitige Stell- bzw. Sollwerterhöhung der PV-Leistung („Überschwinger“) keinen Einfluss auf die von der PV-Anlage in ein Netz eingespeiste Gesamtenergiemenge hat, können folgende drei Kompensationsvarianten gewählt werden:
- a) Die durch den PV-Leistungs-Überschwinger entstandene, zusätzlich eingespeiste Energiemenge wird über den Stromrichter bestimmt und im Anschluss an die Stell- bzw. Sollwert-Erhöhung durch eine ausgleichende Stell-/Sollwert-Reduktion der PV-Leistung („Unterschwinger“) gemäß Schritt S4 kompensiert. Dabei wird die Anlage kurzzeitig oder für den Rest des vorgegebenen Zeitintervalls mit einer zusätzlich verminderten Leistung Pkomp betrieben, die unter der Leistung Pred liegt. Dadurch lässt sich die zusätzliche Einspeisung aus der Phase mit der aktuellen Maximalleistung Pmax über das vorgegebene Zeitintervall ausgleichen. Das vorgegebene Zeitintervall kann auch einer Periodendauer entsprechen, die bei einer Elektroenergieerfassung bzw. -abrechnung verwendet wird (typischerweise 15 Minuten). Nach der Kompensation der zusätzlichen Einspeisung bzw. der zusätzlichen Energieerzeugung wird der Stell-/Sollwert des Stromrichters wieder auf den ursprünglichen Wert gesetzt, der vor der Messung der maximal verfügbaren PV-Leistung anlag.
- b) Alternativ zu der nachträglichen Reduktion der Leistung kann die durch die oben beschriebene zeitlich wiederkehrende, kurzzeitige Stell-/Sollwert-Erhöhung entstandene zusätzliche Energie in einem lokalen, elektrischen Speicher zwischengespeichert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt, wie beispielsweise bei einer externen Stell-/Sollwert-Vorgabe von 100 % oder nach Sonnenuntergang kann die zwischengespeicherte Energie dann bereitgestellt und z. B. in ein Netz eingespeist werden.
- c) Die durch die oben beschriebene zeitlich wiederkehrende, kurzzeitige Stell-/Sollwert-Erhöhung entstandene zusätzliche Energie kann wiederum alternativ auch von einem in den PV-Inverter bzw. Stromrichter integrierten Widerstand verbraucht bzw. vernichtet werden. Damit stört der Messvorgang die Leistungsbilanz der Anlage nicht.
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2 zeigt symbolisch eine Anlage 1 zur Erzeugung elektrischer Energie. Es handelt sich dabei beispielsweise um eine PV-Anlage oder eine Windkraftanlage insbesondere für ein Großgebäude oder eine Industriefertigung oder dergleichen. Die Anlage 1 liefert über einen Stromrichter 2 elektrische Leistung P. Diese Leistung P kann die Maximalleistung Pmax, die reduzierte Leistung Pred oder eine andere Leistung sein.
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Der Stromrichter 2 besitzt eine Steuereinrichtung 3, mit der eine Stromrichterschaltung 4 gesteuert wird. Über die Stromrichterschaltung 4, die quasi als Ventil wirkt, wird mehr oder weniger Leistung von der Anlage 1 nach außen, beispielsweise zur Einspeisung in ein Netz, bereitgestellt.
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Übliche Stromrichter für PV-Anlagen verfügen in der Regel über eine oder mehrere Einrichtungen zur Strommessung, Spannungsmessung und Phasenmessung. Eine solche Messeinrichtung 5 ist in 2 an der Stromrichterschaltung 4 angedeutet. Mit dieser Messeinrichtung kann nun die von der Anlage aktuell erzeugte Leistung gemessen bzw. ermittelt werden. In der Regel werden hierzu Strom- und Spannungswerte gemessen und durch Multiplikation der entsprechende Leistungswert ermittelt. Dies wird hier auch als „messen“ der Leistung bezeichnet.
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Wird nun kurzfristig von der Anlage die Maximalleistung abgefordert, so wird der aktuelle Messwert Pmax direkt von der Messeinrichtung 5 oder, wenn die entsprechenden Messwerte an die Steuereinrichtung 3 geliefert werden, von dieser gespeichert und bereitgestellt. In 2 ist letztere Variante schematisch dargestellt, wobei die Übertragung der Messwerte von der Messeinrichtung 5 in die Steuereinrichtung 3 aus Platzgründen nicht dargestellt ist. Jedenfalls wird hier in der Steuereinrichtung 3 der aktuelle Maximalwert der Leistung Pmax in der Steuereinrichtung 3 ermittelt bzw. gespeichert und über eine Schnittstelle 6 nach außen für eine stromrichterexterne Einheit bereitgestellt. Die aktuelle Maximalleistung Pmax kann so in einem Energie- bzw. Power-Managementsystem genutzt werden.
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Für das Ermitteln der aktuellen Maximalleistung der energieerzeugenden Anlage ist somit keine zusätzliche Sensorik notwendig. Vielmehr kann zur Ermittlung der aktuellen Maximalleistung die typischerweise bereits verbaute Hardware in Stromrichtern von energieerzeugenden Anlagen verwendet werden.
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In einer weiterentwickelten Ausführungsform kann der Stromrichter und speziell der PV-Inverter ein Kommunikationsprotokoll unterstützen, welches ständig bzw. in kurzen Perioden wiederkehrend die aktuelle maximal verfügbare PV-Leistung ausgibt. Derartige Kommunikationsprotokolle basieren beispielsweise auf Modbus/RTU bzw. BACnet/MS-TP.
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Die obigen Ausführungsbeispiele zeigen zahlreiche Vorteile. Zum einen ist die Bestimmung der aktuell maximal verfügbaren Photovoltaik-Leistung einer gedrosselten PV-Anlage ohne zusätzliche Hardware möglich. Zum anderen ist auch die Korrektur der bei der Maximalwertbestimmung entstandenen Erhöhung der PV-Einspeisung ohne zusätzliche Hardware möglich. Alternativ kann auch eine zeitliche Verschiebung der bei der Maximalwertbestimmung entstandenen Erhöhung der PV-Einspeisung durch einen lokalen Speicher oder eine entsprechende Korrektur durch einen in den Stromrichter integrierten Widerstand ermöglicht werden. Die ermittelten PV-Leistungsgrenzwerte können schließlich in einem Stromrichter-Kommunikationsprotokoll ständig aktualisiert bereitgestellt werden und für eine Energiemanagement- oder Powermanagement-Optimierung genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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