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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer regenerativen Energieerzeugungsanlage und eine regenerative Energieerzeugungsanlage, insbesondere Photovoltaikanlagen.
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Für die Netzintegration von regenerativen Kraftwerken, wie zum Beispiel Windkraft- oder Photovoltaikkraftwerken, wird in zunehmendem Maße die Vorhaltung von positiver Regelleistung während des Betriebes gefordert.
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Unterschiedliche nationale Netzanschlussregeln (Grid Codes) legen vereinzelt Anforderungen fest, die eine Leitungsreserve voraussetzen, die für unterschiedliche Anwendungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgerufen werden kann. So ist zum Beispiel in Rumänien für den Anschluss großer PV-Kraftwerksanlagen an das Hochspannungsnetz die Teilnahme an der Primärregelung zur Frequenzstabilisierung vorzusehen. Ein weiteres Anforderungsbeispiel ist in der aktuellen Ausgabe der südafrikanischen Netzanschlussregeln für Erneuerbare Energien Kraftwerksanlagen zu finden. Dort sind Betriebsweisen für die Regelung der Wirkleistungseinspeisung gefordert, die ebenfalls eine Leistungsreserve fordern.
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Eine weitere mögliche Anforderung besteht in der Begrenzung des Leistungsabfalls von Erneuerbaren Energien Kraftwerken aus fluktuierenden Primärenergiequellen (Photovoltaik, Wind). Sollen negative Leistungsgradienten nur mit einer bestimmten Steilheit zugelassen werden, muss bei steilerem Abfall der Primärenergie die technische Regeleinrichtung der Anlage entsprechend die Differenz zum erlaubten Leistungsgradienten kompensieren können.
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Insbesondere in sogenannten Microgrids mit einer hohen Durchdringung an Einspeisern aus Erneuerbaren Energien werden Systemdienstleistungen für die Netzstabilisierung, wie das Bereitstellen von Blindleistung oder besonders auch die Bereithaltung von Primärregelleistung zur Frequenzstabilisierung benötigt. Regenerative Kraftwerke, die einem übergeordneten Energiemanagementsystem solche Systemdienstleistungen auf Abruf zur Verfügung stellen, können direkt zur Stabilisierung des Microgrids beitragen.
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Gemein ist diesen und ähnlichen Anforderungen, dass die Anlage kurzfristig positive Regelenergie liefern muss. In PV-Anlagen besteht durch die stark und stochastisch fluktuierende Primärleistungsquelle jedoch die außerordentliche Schwierigkeit, zu jedem Zeitpunkt eine entsprechende Leistungsreserve vorhalten zu können, da sich diese an dem zum Teil stark veränderlichen Primärenergieangebot orientieren muss.
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Mit dem Einsatz zusätzlicher Generatoren oder Energiespeicher kann der Vorhalt zusätzlicher, regelbarer Einspeiseleistung für die geforderte Regelleistungsreserve unabhängig von der verfügbaren Primärleistung einer regenerativen Anlage bereitgestellt werden. In der praktischen Umsetzung werden zum Beispiel Diesel-Generatoren verwendet, die mit einer PV-Anlage parallel einspeisen. Zusätzlich oder alternativ werden Energiespeicher, zum Beispiel in Form von Batterien mit geeigneten Umrichtern, eingesetzt.
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Bei diesen Verfahren müssen mit zusätzlichen Investitionen zusätzliche Betriebsmittel eingesetzt werden. Darüber hinaus muss für die Co-Generation aus nicht-erneuerbaren Energien mit zusätzlichen Kosten für die Bereitstellung der Primärenergiequelle (Treibstoff) gerechnet werden. Erschwerend kommt hinzu, das die zusätzlichen Leistungserzeuger schnell genug die Fluktuationen des PV-Anlagenteiles ausregeln können müssen. Bei mit rotierenden Massen arbeitenden Systemen (z.B. Dieselgeneratoren) kann dies zu erhöhtem Verschleiß führen. In jedem Fall muss ein schnelles Regelungssystem die Überwachung der Einspeisung und entsprechende Nachführung der Co-Generatoren vornehmen.
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Ein weiterer naheliegender Ansatz besteht in der direkten Bestimmung des Primärleistungsangebotes zum Beispiel durch Messung der zur Verfügung stehenden solaren Einstrahlung in der Modulebene einer PV-Anlage. Daraus kann unter Berücksichtigung der veränderlichen Anlageneffizienz und Verfügbarkeit bei der Umsetzung in elektrische Leistung die mögliche eingespeiste Wirkleistung abgeschätzt werden.
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Im Detail sind bei diesem Verfahren mehrere Hürden zu überwinden, die dazu führen, dass für ausreichende Genauigkeiten der Leistungsabschätzung hohe messtechnische Aufwendungen im Feld sowie erheblicher Aufwand bei der Umrechnung der Messwerte in eine verfügbare elektrische Leistung zu erbringen sind
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Wie in
WO 2013/041534 A3 beschrieben, kann auch eine Leistungsreserve vorgehalten werden, indem bewusst bei der Leistungsumwandlung aus dem PV-Generator die Effizienz steuerbar verschlechtert wird. Dies geschieht in praktischer Umsetzung durch Eingriff in das Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) am DC-Eingang der Wechselrichter. Hier wird die Leistungsanpassung des Wechselrichtereinganges nicht auf den MPP gefahren, sondern eine wählbare Stufe darunter angefahren.
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Da dieses Verfahren nur durch Eingriff in die interne Wechselrichtersteuerung umsetzbar ist, können Bestandsanlagen nur teilweise nachgerüstet werden. Für Anlagenbetreiber, die Wechselrichter verwenden, welche dieses Verfahren nicht unterstützen, ist diese Lösung nur durch den kostspieligen Austausch der Wechselrichtertechnik anwendbar.
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Die Genauigkeit der prozentualen Leistungseinspeisung bei diesem Verfahren nimmt mit höherer, gewünschter Abweichung vom momentanen MPP drastisch ab, da die genaue Leistungsabschätzung über die komplexe I-U-Kennlinie der zu Arrays verschalteten PV-Module analytisch nur mit hohen Ungenauigkeiten möglich ist. Dies hängt stark von der Einstrahlungssituation sowie der Homogenität der Leistungskennwerte der einzelnen Module ab, wobei eine Inhomogenität auch als Mismatch bezeichnet werden kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die Steuerung einer regenerativen Energieerzeugungsanlage zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Steuerung einer regenerativen Energieerzeugungsanlage, wobei die Energieerzeugungsanlage mehrere Primärenergiewandler, mit diesen verbundene steuerbare Energiewandler und eine Energiewandler steuernde Steuereinheit aufweist, die folgenden Schritte:
- – Zuordnen mindestens eines Energiewandlers in eine erste Gruppe von Energiewandlern, die durch die Steuereinheit auf maximale Ausgangsleistung gesteuert werden;
- – Zuordnen von Energiewandlern in mindestens eine weitere Gruppe von Energiewandlern, die durch die Steuereinheit auf reduzierte Ausgangsleistung gesteuert werden, wobei durch Zuordnung der Energiewandler in die Gruppen eine gewünschte Gesamtleistung der regenerativen Energieerzeugungsanlage eingestellt wird;
- – Erfassen von Leistungsdaten der Energiewandler der ersten Gruppe;
- – Ermitteln einer zur Verfügung stehenden möglichen Gesamtleistung der regenerativen Energieerzeugungsanlage basierend auf den erfassten Leistungsdaten der Energiewandler der ersten Gruppe.
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Eine Energieerzeugungsanlage im Sinne der Erfindung kann ein Kraftwerk, ein Teil eines Krankwerks oder ein Verbund von Kraftwerken bzw. anlagenübergreifend sein. Die Zuordnung zu den oder in die Gruppen erfolgt dynamisch, das heißt veränderlich. Die Gruppen können auch als Klassifizierungen angesehen werden. Die Gruppen sind nicht zwingend zum Beispiel durch Leitungen physikalisch zugeordnet oder ausgebildet, sondern gewissermaßen logisch eingeteilt, dies geschieht vorzugsweise durch die Steuereinheit. Die Steuereinheit kann steuernd und oder regelnd arbeiten. Die Energiewandler der ersten Gruppe arbeiten gewissermaßen als Referenzeinheiten oder Messgeräte zum Messen des aktuell vorhandenen Primärenergieangebots. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Sensorik notwendig ist und dass die Messergebnisse genau den tatsächlichen Zustand am Ort der Energiewandlung widerspiegeln. Der Schritt des Ermittelns kann eine Hochrechnung der anhand der erfassten maximal möglichen Leistungen der Energiewandler der ersten Gruppe auf sämtliche in der Anlage vorhandenen Energiewandler, also auch der abgeregelt in den anderen Gruppen betriebenen Energiewandler umfassen.
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Auch bei verteilter Generation kann die zur Verfügung stehende primäre Leistung ohne zusätzliche Sensorik ermittelt werden. Somit kann bei verteilten Energiewandlersystemen auch bei reduzierter Gesamteinspeisung die verfügbare Gesamtleistung ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine einfache und sehr genaue Ermittlung der zur Verfügung stehenden möglichen Gesamtleistung, also der Ausgangsleistung der Anlage, wenn alle steuerbaren Energiewandler, wie zum Beispiel Gleichrichter, freilaufend oder unbegrenzt die verfügbare Primärenergie wandeln können.
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Die Erfindung erlaubt es, verteilte Energieerzeugungsanlagen oder -einheiten in solch differenzierter Art zu steuern, dass sowohl eine Begrenzung der Gesamtleistung als auch die Angabe der momentan möglichen unbegrenzten Gesamtleistung möglich ist.
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Das Verfahren beschränkt sich nicht auf regenerative, fluktuierende Energiequellen mit verteilten Primärenergiewandlern, wie zum Beispiel Wind oder solare Einstrahlung. Prinzipiell lässt sich das Verfahren auf jede örtlich und zeitlich fluktuierend aber verkoppelt beziehungsweise korrelierend auftretende Primärenergiequelle anwenden, die durch verteilte und steuerbare Primärenergiewandler aufgenommen werden kann. Beispiele hierfür sind verteilte Thermowandler an natürlichen oder künstlichen Wärmeenergiequellen oder bioelektrische Energiequellen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens zwei weitere Gruppen vorgesehen sind und wobei die Energiewandler jeder Gruppe mit einer unterschiedlichen, bestimmten reduzierten Ausgangsleistung betrieben werden. Zum Beispiel können vier Gruppen vorgesehen sein, von denen die erste Gruppe ungeregelt betrieben wird, also mit 100% der möglichen Ausgangsleistung, und drei weitere Gruppen mit jeweils einer reduzierten Ausgangsleistung in Höhe von 60%, 30% und 0% der möglichen Ausgangsleistung. Durch die erhöhte Anzahl von Gruppen kann die gewünschte Ausgangsleistung der Anlage durch geeignete Zuordnung oder Gruppierung der Energiewandler feiner quantisiert werden. Die Zuordnung zu einer Gruppe erfolgt dadurch, dass die Steuereinheit dem Energiewandler einen Stellbefehl oder eine Sollwertvorgabe gibt, zum Beispiel die Ausgangsleistung auf 30% zu setzen. Damit gehört dieser Energiewandler dann zu der Gruppe von Energiewandlern, die durch die Steuereinheit auf eine reduzierte Ausgangsleistung von 30% gesteuert werden.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Ausgangsleistungen von Energiewandlern mindestens einer der weiteren Gruppen zwischen einer minimalen und einer maximalen Ausgangsleistung kontinuierlich gesteuert werden. Dies erlaubt einer größere Flexibilität dahingehend, dass der Spielraum bei der Anpassung der Anlagenleistung ohne Veränderung der Gruppen oder Gruppenzuordnungen erhöht wird und dass über die Regelung oder Steuerung der Ausgangsleistungen von Energiewandlern die Ausgangsleistung der Anlage fein zwischen den durch die Gruppen vorgegebenen Quantisierungsschritten eingestellt werden kann. Die Begriffe minimale und maximale Ausgangsleistung der Energiewandler können einerseits auf die Grenzen der zugehörigen Gruppe bezogen werden und andererseits auf die anlagenweiten Grenzen.
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Die Anzahl der Energiewandler in der ersten Gruppe kann maximiert werden. Dies erhöht die Anzahl der als Messgeräte arbeitenden Energiewandler, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens erhöht wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass Energiewandler basierend auf ihrer räumlichen Anordnung in der Energieerzeugungsanlage, ihrer Verfügbarkeit und/oder der Güte der Korrelation zu einer mittleren Gesamtleistung der Energieerzeugungsanlage der ersten Gruppe zugeordnet werden. Für die Güte der Korrelation kann zu Zeiten mit keiner Abregelung, in der alle Energiewandler maximal einspeisen, fortwährend für jeden Energiewandler die Korrelation zwischen seiner Einspeisung und der Einspeisung der Gesamtanlage automatisiert untersucht werden. Dabei wird sich herausstellen, dass einige Energiewandler die mittlere Leistung der Anlage besser repräsentieren als andere. Das ist zum Beispiel durch die Lage der Erzeugungseinheiten am Rand oder im Zentrum der Gesamtanlage bedingt. Die bei unterschiedlichen Wetterlagen besser die Gesamtleistung repräsentierenden Einheiten sollten immer bevorzugt in der ersten Gruppe der Referenzeinheiten gehalten werden. Andere, nicht so gut korrelierte Einheiten können dann eher bei Abregelung in einer der weiteren Gruppen wechseln.
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Es kann vorgesehen sein, dass Energiewandler, die nicht der ersten Gruppe zugeordnet sind, kurzzeitig auf maximale Ausgangsleistung gesteuert werden. Dies ermöglicht, dass nach und nach alle Energiewandler als Messinstrument eingesetzt werden, was die Genauigkeit der Ermittlung der Gesamtleistung verbessert. Die Energiewandler können zyklisch nach einem Rotationsprinzip durchgewechselt werden.
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Einstrahlungsmessgeräte der Energieerzeugungsanlage können zum Abgleich der ermittelten möglichen Gesamtleistung verwendet werden. Dies erlaubt eine Überprüfung und/oder Verbesserung der Korrelation von tatsächlicher und ermittelter Leistung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bereitstellung einer Regelleistungsreserve eine tatsächliche Einspeiseleistung der Energieerzeugungsanlage unterhalb der zur Verfügung stehenden möglichen Gesamtleistung der Energieerzeugungsanlage eingestellt wird. Da die Erfindung eine genaue Quantifizierung der aufgrund des aktuellen Primärenergieangebots möglichen Einspeiseleistung der Energieerzeugungsanlage erlaubt, kann eine Regelleistungsreserve präzise vorgehalten werden.
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In die Berechnung der momentan möglichen Gesamteinspeisung der regenerativen Anlage aus den verfügbaren Erzeugungseinheiten und deren möglicher Einspeiseleistung kann ein fixer oder mit dem Arbeitspunkt der Anlage variabler Wert zur Kompensation der AC-Verluste auf der Übertragungsstrecke zum Netzverknüpfungspunkt einfließen.
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Bei der Einstellung der tatsächlichen Einspeiseleistung kann ein vorgegebener Einspeisesollwert berücksichtigt werden. Dabei kann zum Beispiel entschieden werden, ob vorrangig die Einspeiseleistung beziehungsweise die geforderte Einspeisebegrenzung oder die Bereitstellung der Regelleistungsreserve erfüllt werden soll.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung eine regenerative Energieerzeugungsanlage mit mehreren Primärenergiewandlern, mit diesen verbundenen steuerbaren Energiewandlern und einer Energiewandler steuernden Steuereinheit, wobei mindestens ein Energiewandler in einer ersten Gruppe von Energiewandlern mit maximaler Ausgangsleistung angeordnet ist und wobei Energiewandler in mindestens einer weiteren Gruppe von Energiewandlern mit abgeregelter reduzierter Ausgangsleistung angeordnet sind, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, durch Zuordnung der Energiewandler in die Gruppen eine gewünschte Gesamtleistung der regenerativen Energieerzeugungsanlage einzustellen. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie oben beschrieben.
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In einer besonders bevorzugten Ausprägung sind die steuerbaren Energiewandler einzelne Wechselrichter oder Wechselrichtercluster, zum Beispiel bei Strangwechselrichtern. Es können aber auch einzeln steuerbare MPP-Tracker oder DC-DC-Wandler auf PV-Modul-, PV-Strang- oder PV-Array-Ebene als steuerbare Energiewandler aufgefasst werden. Darüber hinaus können alle steuerbaren und mit Leistungsmessung ausgestatteten verteilten Energiewandler verwendet werden, wie zum Beispiel Windkraftwerke mit mehreren Windkraftturbinen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Energieerzeugungsanlage ein photovoltaisches Kraftwerk ist, die Primärenergiewandler Photovoltaik-Module sind und die Energiewandler Wechselrichter sind. Das zeitlich und räumlich teils stark und schnell wechselnde solare Primärenergieangebot, zum Beispiel durch Wolkenzug, ist prädestiniert für die Nutzung durch die flexible Steuerung der erfindungsgemäßen regenerativen Energieerzeugungsanlage.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms einer regenerativen Energieerzeugungsanlage gemäß der Erfindung.
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2 eine schematische Darstellung eines Lageplans eines PV-Kraftwerks.
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Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
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1 zeigt schematisch ein regeneratives bzw. Erneuerbare Energien Kraftwerk 1. Dies kann zum Beispiel eine PV- oder eine Windkraftanlage sein.
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Eine Anzahl verteilter Primärenergiewandler 2 empfängt Primärenergie (Sonne, Wind) aus einer örtlich und zeitlich veränderlichen Quelle und wandelt diese in Sekundärenergie (elektrische Energie) um.
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Jeder Primärenergiewandler 2 oder eine Gruppe von Primärenergiewandlern 2 ist mit einem steuerbaren Energiewandler 3 verbunden. Die steuerbaren Energiewandler 3 speisen wiederum Energie über ein standardisiertes Energietransportsystem 4 q auch mit möglicher weiterer Energiewandlung oder Wandlung von Energieformparametern 5 q in ein übergeordnetes Energieverteilungssystem 6 bzw. Stromnetz oder Grid.
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In einem konkreten Beispiel einer PV-Anlage sind die Primärenergiewandler 2 als PV-Module ausgeführt und die Energiewandler 3 sind als Wechselrichter, 4-Quadranten-Umrichter, Inverter, Matrix-Umrichter oder ähnliches realisiert.
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Die Primärenergiewandler 2, die steuerbaren Energiewandler 3 sowie die weiteren Energiewandler 5 können dabei gruppiert in einer Einheit auftreten, sind bezogen auf die Steuerbarkeit jedoch mehrfach parallel vorhanden.
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Die steuerbaren Energiewandler 3 sind beispielhaft in eine erste Gruppe 7, eine zweite Gruppe 8 sowie eine dritte Gruppe 9 aufgeteilt. Die Energiewandler 3 der ersten Gruppe laufen frei, das heißt sie werden mit maximaler Ausgangsleistung betrieben. Die Energiewandler 3 der zweiten Gruppe 8 laufen gesteuert oder geregelt zwischen einer minimalen und einer maximaler Ausgangsleistung. Die Energiewandler 3 der dritten Gruppe 9 werden mit einer minimalen Ausgangsleistung betrieben. Die Zuordnung zu den Gruppen, ein Wechsel zwischen den Gruppen und der Betrieb in den Gruppen wird später im Detail beschrieben.
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Eine übergeordnete Steuereinheit 10 empfängt Vorgaben für die in das übergeordnete Energieverteilungssystem 6 einzuspeisende Leistung von einer übergeordneten Steuereinrichtung 11 oder errechnet autonom Vorgabewerte. Die Regler- oder Steuereinheit 10 kann als zentralisiertes oder verteiltes System sowie als eigenständiges oder in die Architektur der Energiewandler 3 integriertes System umgesetzt sein.
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Die Steuereinheit 10 gibt Steuerparameter oder Sollwerte an die Energiewandler 3 aus; dazu sind sie kabelgebunden oder kabellos miteinander verbunden. Diese Kommunikationsverbindungen können dedizierte Leitungen 12 oder ein Bussystem sein. Vorzugsweise ist die Verbindung über die Leitungen 12 bidirektional ausgeführt, so dass Leistungsdaten, Messwerte, Arbeitspunkte, Auslastungen und/oder Verfügbarkeiten von den Energiewandlern 3 an die Steuereinheit 10 übertragen werden können. Eine drahtlose oder funkbasierte Kommunikationsverbindung kann beispielsweise per WLAN oder Bluetooth realisiert sein.
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Das Verfahren kann bezogen auf die Ist-Einspeisung in das übergeordnete Energieverteilungssystem 6 sowohl geregelt als auch gesteuert umgesetzt werden. Im Falle einer Regelung muss die Regler- oder Steuereinheit 10 mit einer Messeinrichtung 13 der Ist-Einspeisung an einem Einspeisepunkt oder Netzverknüpfungspunkt zum übergeordneten Energieverteilungssystem 6 verbunden sein und über diese aktuelle Ist-Daten zur Verfügung gestellt bekommen.
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Die Steuereinheit 10, die Leitungen 12 und die Messeinrichtung 13 sind Bestandteil eines Monitoring- und Steuersystem 14, was es erlaubt, die Energieerzeugungsanlagen 3 in wichtigen Betriebsparametern zeitlich hoch aufgelöst und mit hoher Verfügbarkeit zu überwachen und zu steuern. Es sind mehrere parallel arbeitende Erzeugungseinheiten 3 vorhanden, die unabhängig voneinander gesteuert werden können.
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Um das regenerative Kraftwerk 1 in seiner Wirkleistungseinspeisung regeln zu können, wird ein übergeordnetes Steuersystem 10 auf die Erzeugungseinheiten 3 aufgesetzt. Dieses System gruppiert die Erzeugungseinheiten 3 in mehrere Gruppen 7, 8 und 9, von denen mindestens eine Gruppe 7 die Erzeugungseinheiten 3 ohne Wirkleistungsbegrenzung betreibt und mindestens eine weitere Gruppe 9 die Erzeugungseinheiten 3 am untersten Wert des Stellbereiches betreibt. Durch das steuerbare Verhältnis von frei einspeisenden Erzeugungseinheiten 3 aus der Gruppe 7 zu minimal einspeisenden Einheiten 3 aus der Gruppe 9 kann die Ausgangsleistung des Kraftwerks 1 in diskreten Schritten zwischen einer Minimaleinspeisung und einer momentan möglichen maximalen Ausgangsleistung (bezogen auf das momentane Primärleistungsangebot) moduliert werden.
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Mit mindestens einer weiteren Gruppe 8 an Erzeugungseinheiten 3, die auf Einspeiseleistungen zwischen der minimalen und der momentan möglichen maximalen Leistung geregelt werden, kann die Einspeiseleistung des Kraftwerks 1 zwischen den diskreten Schritten der beiden Gruppen 7 und 9 fein eingeregelt werden. Somit ist es möglich, fein abgestimmt alle Leistungsstufen zwischen maximaler Einspeisung und Einspeiseuntergrenze der Erzeugungseinheiten 3 zu steuern und gegebenenfalls in einer geschlossenen Regelung auf einen gewünschten Wert einzuregeln.
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Um nun arbeitspunktunabhängig eine Referenzleistung des Kraftwerks 1 zu ermitteln, wird in jedem Betriebspunkt des Kraftwerks 1 versucht, die Anzahl der unlimitiert einspeisenden Erzeugungseinheiten 3 in der Gruppe 7 zu maximieren. Anhand dieser frei nach Verfügbarkeit des örtlich in der Anlage 1 vorhandenen Primärleistungsangebotes (zum Beispiel solare Einstrahlung) einspeisenden Referenzeinheiten 3, kann unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit aller Erzeugungseinheiten die mögliche Gesamtleistung der PV-Anlage berechnet werden. Der Sollwert eines Wirkleistungsreglers oder einer Wirkleistungssteuerung der Gesamtanlage kann nun kontinuierlich um einen wählbaren Betrag an Regelleistungsreserve unterhalb dieser ermittelten, möglichen Momentanleistung gehalten werden. Damit steht die gewünschte Regelleistung zum Abruf bereit, was je nach konkreter Anwendung über die Manipulation des Sollwertes des Wirkleistungsreglers oder durch Eingriff in die Berechnungsvorschrift des Regelleistungsvorhaltes geschehen kann.
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Um auf eine vorgegebene Einspeisegrenze oder die maximal verfügbare Primärleistung eine benötigte positive Regelleistungsreserve vorhalten zu können, werden die verfügbaren steuerbaren Energiewandler 3 dynamisch in die drei Gruppen 7, 8 und 9 eingeteilt. Die Einteilung nimmt die übergeordnete Steuereinheit 10 durch Kommunikation über die Leitungen 12 zu den einzelnen steuerbaren Energiewandlern 3 vor.
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Die erste Gruppe 7 umfasst die Einheiten 3, die die von den Primärenergiewandlern 2 angebotene gesamte Leistung maximal umsetzen. Die Leistungsdaten dieser Gruppe 7 werden von der übergeordneten Steuereinheit 10 für die Ermittlung der tatsächlich zur Verfügung stehenden Gesamtleistung aller steuerbaren Energiewandler 3 beziehungsweise des Kraftwerks 1 verwendet.
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Ausgehend von der ermittelten, tatsächlich zur Verfügung stehenden Gesamtleistung wird die einzuhaltende Einspeisung unter Berücksichtigung der vorzuhaltenden Regelleistung durch die geeignete Gruppierung der steuerbaren Energiewandler 3 in drei Gruppen 7, 8 und 9 eingestellt. Dabei wird die einzuspeisende Leistung durch das Verhältnis zwischen voll einspeisenden Energiewandlern 3 aus der ersten Gruppe 7 und minimal oder nicht einspeisenden Energiewandlern 3 aus der dritten Gruppe 9 grob eingestellt. Die verbleibende Feinausregelung wird durch die Regelung der Energiewandler 3 in der zweiten Gruppe 8 vorgenommen, indem diese Einheiten 3 in ihrer Leistungsabgabe entsprechend moduliert werden. Die Zugehörigkeit einzelner steuerbarer Energiewandler 3 zu einer der drei Gruppen 7, 8 und 9 wird dabei durch entsprechende Sollwertvorgabe der übergeordneten Steuereinheit 10 bestimmt.
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In 2 ist beispielhaft ein Lageplan eines photovoltaischen Kraftwerks 1 dargestellt. Der Lageplan stellt die Draufsicht auf ein PV-Kraftwerk 1 mit circa 27 MWp installierter Leistung auf einer Fläche von etwa 1200 m mal 550 m dar. Die in der Freiflächenanlage auf Modultischen aufgeständerten PV-Module 2 sind in Blöcken 15 organisiert. Alle Module 2 in einem Block 15 speisen über Gleichstromunterverteilungen in jeweils für den Block 15 zentral platzierte Wechselrichterstation 3 mit Mittelspannungstransformator ein. Diese Wechselrichterstationen 3 sind über Mittelspannungstrassen mit dem Umspannwerk 5 verbunden, in dem auch die Ist-Wert-Messung der Einspeisung stattfindet. Das Umspannwerk 5 speist die vom PV-Kraftwerk 1 erzeugte Leistung in das Hochspannungsnetz ein und stellt den Netzanschlusspunkt dar. Die PV-Parkregelung bzw. Parksteuerung 10 befindet sich ebenfalls im Umspannwerk 5. Von dort besteht eine Kommunikationsverbindung zu den Wechselrichterstationen 3 über ein sicheres Glasfaser-Ethernet-Netzwerk.
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Die dargestellte Beispielanlage ist in 15 Blöcken mit jeweils einer Anschlussleistung von 1600 kW organisiert. In 2 ist die beispielhafte momentane Verteilung der Gruppenzugehörigkeit der einzelnen Blöcke 15 dargestellt. Es speisen elf Blöcke A.1 bis A.11 mit maximaler, verfügbarer Leistung ein, diese Blöcke und damit die dazugehörigen steuerbaren Energiewandler bzw. Wechselrichterstationen 3 sind der ersten Gruppe 7 zugeordnet.
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Zwei Blöcke C.1 bis C.2 sind auf die minimale einregelbare Leistungsabgabe eingestellt. Diese Blöcke und damit die dazugehörigen steuerbaren Energiewandler bzw. Wechselrichterstationen 3 sind der dritten Gruppe 9 zugeordnet.
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Durch das Verhältnis dieser beiden Gruppen 7 und 9 wird die gewünschte Einspeisung unterhalb der möglichen Gesamteinspeisung stark quantisiert eingestellt. Zwei weitere Blöcke B.1 q B.2 sind auf einen Sollwert zwischen minimaler und momentan maximal möglicher Blockleistung eingestellt, um die gewünschte Leistungsabgabe des Kraftwerkes 1 feiner zu justieren. Diese Blöcke und damit die dazugehörigen steuerbaren Energiewandler bzw. Wechselrichterstationen 3 sind der zweiten Gruppe 8 zugeordnet.
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Es ist erkenntlich, dass die Referenzstationen, das heißt die Wechselrichterstationen 3 der ersten Gruppe 7, zur Ermittlung der Einstrahlungssituation der ganzen Anlage 1 möglichst gleichmäßig über diese verteilt sind.
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Die folgende Tabelle stellt die Leistungswerte als Rechenbeispiel dar. Dabei wurden vereinfachend alle Verluste vernachlässigt und eine gleichmäßige Einstrahlungsverteilung über das Kraftwerk
1 angenommen.
| | Kraftwerksebene | Blockebene |
| Kraftwerksnominalleistung | 24.000 kW | 100% | | |
| momentan, maximal mögliche Kraftwerksleistung nach Einstrahlungsangebot | 21.600 kW | 90% | | |
| gewünschte Regelleistungsreserve | 4.800 kW | 20% | | |
| gewünschte Einspeiseleistung | 16.800 kW | 70% | | |
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| Blocknominalleistung | | | 1.600 kW | 100% |
| minimale, regelbare Einspeisung pro Block | | | 80 kW | 5% |
| momentan maximal mögliche Einspeiseleistung pro Block | | | 1440 kW | 90% |
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| eingespeiste Leistung Gruppe 7 | 15.840 kW | 66% | 11 × 1440 kW | 90% |
| eingespeiste Leistung Gruppe 9 | 160 kW | 0,7% | 2 × 80 kW | 5% |
| eingespeiste Leistung Gruppe 8 | 800 kW | 3,3% | 2 × 400 kW | 25% |
| Summe der eingespeisten Leistung (7 + 8 + 9) | 14.400 kW | 70% | | |
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Es ist zu erkennen, dass basierend auf der durch die in der ersten Gruppe 7 ermittelte maximale Kraftwerksleistung durch Abzug der vorzuhaltenden Regelleistungsreserve eine gewünschte Einspeiseleistung in Höhe von 16.800 kW berechnet wird. Diese gewünschte Einspeiseleistung wird nun zunächst durch eine maximale Anzahl von freilaufenden Wechselrichterstationen 3 der ersten Gruppe 7 approximiert. Dann werden die minimal einspeisenden Wechselrichterstationen 3 der dritten Gruppe 9 festgelegt. Schließlich wird mit den verbleibenden Wechselrichterstationen 3, die der zweiten Gruppe 8 zugeordnet werden, die gewünschte Leistungsabgabe des Kraftwerkes 1 feinjustiert.
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Dieses Vorgehen funktioniert selbstverständlich auch ohne eine vorzusehende Regelleistungsreserve, dann werden die Gruppen auf die momentan verfügbare Leistung von 21.600 kW aufgeteilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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