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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher, der eine Einschaltschwelle und eine Ausschaltschwelle aufweist.
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Viele technische Geräte und Einrichtungen im privaten, gewerblichen und industriellen Bereich benötigen für deren primären Verbraucher nicht permanent, sondern nur in Intervallen elektrische Energie, z. B. Kühl- und Gefriereinrichtungen, Drucklufterzeuger, Boiler-Heißwasserbereiter, Wärmepumpen, Speicherheizungen etc.
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Alle diese Geräte und Einrichtungen arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip. Überschreitet beispielsweise die Temperatur einer Kühl- bzw. Gefriereinrichtung bzw. unterschreitet die Temperatur eines Heißwasserspeichers bzw. unterschreitet der Luftdruck im Windkessel einer Druckluftanlage eine vorbestimmte Einschaltschwelle, wird das Kühlaggregat oder die Heizeinrichtung oder der Drucklufterzeuger oder die Wärmepumpe eingeschaltet. Wird eine vorbestimmte Ausschaltschwelle überschritten, wird das Kühlaggregat, die Heizeinrichtung oder der Drucklufterzeuger ausgeschaltet. Der Bereich zwischen Einschaltschwelle und Ausschaltschwelle stellt den Ladezustand des Wärmespeichers, der Kühleinrichtung oder des Windkessels dar, der auch als Ein-/Ausschalt-Hysterese bezeichnet wird.
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Der Bedarfszeitpunkt von elektrischer Leistung dieser Geräte und Einrichtungen hängt alleine davon ab, wann die zu regelnde Temperatur bzw. der zu regelnde Luftdruck, die Einschaltschwelle unterschreitet (bei Kühlung überschreitet). Die Bedarfsdauer ist durch die Heiz- bzw. Kühl- bzw. Druckluft-Erzeugungsleistung, der Speicherkapazität, dem Wärme- bzw. Kälte- bzw. Druckluftverbrauch und -verlust während der Ladephase und der Hysterese bestimmt. Dies ist schematisch in 10 dargestellt.
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Der Fluss von elektrischer Energie, d. h. von Strom, zwischen den Generatoren (Erzeugern) und den Lasten (Verbrauchern) befindet sich stets im Gleichgewicht. Es kann nur so viel elektrische Energie von den Kraftwerken zu den Verbrauchern fließen wie diese „abnehmen”. Anders gesagt: Es kann nur so viel Strom erzeugt werden, wie gerade verbraucht wird. Ein Indikator für das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch ist die Netzfrequenz, die im ideal ausgeglichen Zustand – im europäischen Raum – exakt 50 Hz beträgt. Eine Abweichung von Erzeugung und Verbrauch führt zu einer Veränderung der Netzfrequenz, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Steigt der Verbrauch, dann sinkt die Netzfrequenz. Sinkt der Verbrauch, dann steigt die Netzfrequenz. Dasselbe gilt mit umgekehrten Vorzeichen für die Erzeugung. Steigt die Erzeugung, dann steigt die Netzfrequenz. Sinkt die Erzeugung, dann sinkt auch die Netzfrequenz. Die Netzfrequenz ist damit der Indikator für einen Erzeugungsüberhang oder einen Verbrauchsüberhang.
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Um Abweichungen von der Soll-Netzfrequenz zu korrigieren gibt es im europäischen UTCE Stromnetz ein mehrstufiges System zur Bereitstellung von Regelenergie. Beispielsweise beginnt ab einer Abweichung der Netzfrequenz von 0,02 Hz nach unten automatisch die erzeugerseitige Regelung der Kraftwerke zu wirken. D. h. es wird mehr elektrische Energie erzeugt, um die Netzfrequenz wieder anzuheben. Dies wird als positive Regelleistung bezeichnet. Beispielsweise beginnt ab einer Abweichung von 0,02 Hz nach oben ebenfalls automatisch die erzeugerseitige Regelung der Kraftwerke zu wirken. D. h. es wird weniger elektrische Energie erzeugt, um die Netzfrequenz wieder abzusenken. Dies wird als negative Regelleistung bezeichnet. Sobald die Netzfrequenz den Schwankungsbereich – der beispielsweise zwischen 49,98 Hz und 50,02 Hz liegt – nach oben oder unten verlässt, greifen die erzeugerseitigen Regelungsmechanismen. Dies passiert einige hundert male am Tag. Die Regelung erfolgt in 3 Stufen: der Primärregelung, der Sekundärregelung und der Tertiärregelung. Die Primärregelleistung, wird vor allem von großen Kraftwerken mit beispielsweise über 100 MW Leistung zur Verfügung gestellt. Die zweite Regelstufe ist die Sekundärregelung, die beispielsweise nach 30 Sekunden beginnt, um die Primärregelung abzulösen. Während die ersten beiden Regelstufen automatisch agieren, wird die dritte Regelstufe, die Tertiärregelung, organisatorisch (manuell) abgerufen, nämlich dadurch, dass Kraftwerke zu- oder abgeschaltet oder beispielsweise Pumpspeicherwerke auf Erzeugungs- oder Pumpbetrieb umgeschaltet werden.
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Das Vorhalten und der Einsatz der Regelleistung ist für den Betrieb der Dampfkraftwerke eine besondere Herausforderung und ein hoher Kostenfaktor. Insbesondere die Primärregelleistung, die beispielsweise von Dampfkraftwerken bereitgestellt wird, die mit gedrosselter Leistung gefahren werden und damit einen reduzierten Wirkungsgrad aufweisen, ist sowohl ökonomisch wie auch ökologisch bedenklich und bedeutet Energieverschwendung.
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Zu den stochastischen Lastschwankungen kommen in den letzten Jahren verstärkt die stochastischen Erzeugungsschwankungen durch Photovoltaik, Windkraftanlagen und wärmegeführte Blockheizkraftwerke hinzu. Kleine, kurzzeitige Last- und Erzeugungsschwankungen im Sekundenbereich werden durch die Energie in den rotierenden Massen der Generatoren und Motoren abgefangen, so dass sich die Netzfrequenz nur geringfügig innerhalb des Schwankungsbereichs von 49,98 Hz bis 50,02 Hz verändert. Bei größeren und länger andauernden Last- bzw. Erzeugungsänderungen überschreitet die Netzfrequenz den zulässigen Schwankungsbereich und die beschriebenen Regelungsmechanismen treten in Kraft.
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Mitverantwortlich für das Ungleichgewicht im Energie- bzw. Stromversorgungsnetz und damit für die erzeugerseitig erforderlichen Regelungseingriffe sind auch die eingangs genannten Geräte und Einrichtungen, weil sie den gerade aktiven primären Verbraucher, d. h. die Heizeinrichtung, das Kühlaggregat oder den Drucklufterzeuger nicht ausschalten, wenn sich die Netzfrequenz dem unteren Schwankungsbereich nähert oder darunter liegt, und umgekehrt, weil sie gerade dann den inaktiven primären Verbraucher nicht einschalten, wenn sich die Netzfrequenz dem oberen Schwankungsbereich nähert oder darüber liegt.
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Große industrielle Anlagen sind heute schon in die Bereitstellung von verbraucherseitiger Regelleistung mit eingebunden, allerdings mit erheblichem technischen Aufwand, der sich nur bei großen Verbrauchern lohnt. Ansätze auch Verbraucher mit niedriger Leistungsaufnahme von wenigen hundert Watt bis einigen Kilowatt sind unter dem Begriff Smart Grid bekannt. Diese Ansätze erfordern allerdings die informationstechnische Vernetzung dieser Verbraucher Einen anderen Ansatz verfolgt beispielsweise
DE 10 2011 122 656 A1 . Das darin beschriebene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zur Stabilisierung von Energieversorgungsnetzen schaltet ausgewählte Verbraucher beim Unter- und/oder Überschreiten der Frequenzgrenzen der Netzregelung und/oder einer festzulegenden Frequenzgrenze im Energieversorgungsnetz ab und/oder zu, schaltet die ausgewählten Stromverbraucher über zentrale Signale und/oder Frequenzsignale im Sinne eines Smart Grid von der Energieversorgung ab und/oder zu und/oder schaltet bei erneuter Unter- oder Überschreitung der Frequenzgrenze des Netzregelbereiches und/oder einer festzulegenden Frequenzgrenze die Stromversorgung der ausgewählten Verbraucher mit einer vorgegebenen Mindestausschaltzeit wieder zu. Bei diesem Ansatz werden die ausgewählten Verbraucher beim Über- oder Unterschreiten ab- oder zugeschaltet. Dies erfolgt unabhängig davon, ob deren vorgesehene Funktion beeinflusst wird oder nicht. Beispielsweise würde eine Kühleinrichtung beim Unterschreiten der Frequenzgrenze des Netzregelbereiches mittels einer speziellen Frequenzdose vom Stromnetz getrennt, auch wenn hierdurch die Kühlung der Kühleinrichtung nachlässt und mithin zu kühlendes Gut wie zum Beispiel Lebensmittel ggf. nicht mehr im erforderlichen Maße gekühlt werden.
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In
US 8341 442 B2 ist ein Verfahren und ein zugehöriges System zur Überwachung eines Frequenzsignals und Durchführen einer Lastverstellungsvorgangs basierend auf einem Wert des Frequenzsignals offenbart. Das Verfahren umfasst Detektieren und Überwachen eines einem Eingangsspannungssignal zugehörigen Frequenzsignals, wobei das Eingangsspannungssignal zum Versorgen einer Vielzahl von Verbrauchern an einem bestimmten Ort verwendet wird. Ferner wird das Frequenzsignal mit einem vorbestimmten Frequenzwert verglichen und bestimmt, dass das Frequenzsignal einen ersten Wert umfasst, der nicht gleich dem vorbestimmten Frequenzwert ist. Gemäß dem Verfahren wird ein Differenzwert zwischen dem ersten Wert und dem vorbestimmten Frequenzwert berechnet und mit einem zweiten Wert verglichen. Basierend auf dem Ergebnis dieses Vergleichs wird ein Lastverstellungsvorgang vorgenommen, welcher nach einer vorbestimmten Zeitperiode beginnt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher vorzuschlagen, das die verbraucherseitig vorgesehene Funktion aufrechterhält und trotzdem zur Stabilisierung des Energieversorgungsnetzes beiträgt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die verbraucherseitig vorgesehene Funktion, insbesondere das Einschalten bei der Einschaltschwelle und das Ausschalten bei der Ausschaltschwelle, beibehalten. Die Verschiebungswerte für die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle werden dabei so begrenzt, dass eine definierte Mindest-Hysterese nicht unterschritten wird. Durch das Verschieben der Einschalt- bzw. der Ausschaltschwelle wird ferner erreicht, dass sich der Verbraucher im Rahmen seiner Ein-/Ausschalt-Hysterese vorzeitig ein- bzw. ausschaltet.
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Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren so verbessert, dass es einerseits toleranter im Hinblick auf kurzzeitiges Über- bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs wird und andererseits das Verbraucher, deren Ladezustand sich „näher” an der Ein- bzw. Ausschaltschwelle befindet, bevorzugt und mithin „früher” ein- bzw. ausgeschaltet werden. Damit werden andere Verbraucher, die ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen und deren Ladezustand bei ausgeschaltetem Verbraucher nahe an der Ausschaltschwelle liegt bzw. bei eingeschaltetem Verbraucher nahe an der Einschaltschwelle liegt auf Grund der längeren Mittelungszeit nicht oder nur bei extremen Abweichungen der Netzfrequenz ein- bzw. ausgeschaltet.
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Im Gegensatz zu den Verfahren des Smart Grid, welche die informationstechnische Vernetzung der Verbraucher voraussetzen, arbeitet das hier erfindungsgemäße Verfahren vollkommen autark, d. h. alleine durch selbstständiges Ermitteln der Netzfrequenz beispielsweise in einer Regelungseinheit des Verbrauchers.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
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Insbesondere bei einer großen Zahl von Verbrauchern, welche das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, wird durch das individuelle Verzögern verhindert, dass das Ein- bzw. Ausschalten dieser Verbraucher nicht zeitgleich erfolgt, um negative Auswirkungen auf die Stabilität der Netzfrequenz zu minimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Patentanspruch 2 wird vorgeschlagen, dass das Verfahren ferner umfasst: Mitteln der ermittelten Netzfrequenz über ein vorzugsweise aus einer vorgegebenen Zeitspanne durch einen Zufallsgenerator ermitteltes Mittelungs-Zeitintervall und Verwenden der über das Mittelungs-Zeitintervall gemittelten Netzfrequenz zum Bestimmen, ob die ermittelte Netzfrequenz einen vorgegebenen Netzfrequenzbereich unter- oder überschreitet.
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Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter verbessert, nämlich dahingehend, dass es einerseits toleranter im Hinblick auf kurzzeitiges Über- bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs wird und andererseits gewährleistet wird, dass eine große Zahl von Verbrauchern, die das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, sich nicht gleichzeitig ein- oder ausschalten, was zu nicht unerheblichen Schwankungen der Netzfrequenz führen kann.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Patentanspruch 2 umfasst das Verfahren Mitteln der ermittelten Netzfrequenz über ein Mittelungs-Zeitintervall, das vom Abstand zwischen dem gemessenen Regelungsparameter und der Einschaltschwelle bzw. der Ausschaltschwelle abhängig ist, und Verwenden der über das Mittelungs-Zeitintervall gemittelten Netzfrequenz zum Bestimmen, ob die ermittelte Netzfrequenz einen vorgegebenen Netzfrequenzbereich unter- oder überschreitet; wobei das Mittelungs-Zeitintervall zumindest innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs zwischen gemessenem Regelungsparameter und Einschaltschwelle und/oder innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs zwischen gemessenem Regelungsparameter und Ausschaltschwelle so gewählt wird, dass bei ausgeschaltetem Verbraucher bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Einschaltschwelle eine kürzere Mittelungs-Zeit gewählt wird und bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Ausschaltschwelle eine größere Mittelungs-Zeit gewählt wird; und dass bei eingeschaltetem Verbraucher bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Einschaltschwelle eine längere Mittelungs-Zeit gewählt wird und bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Ausschaltschwelle eine kürzere Mittelungs-Zeit gewählt wird.
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Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter verbessert, nämlich dahingehend, dass es einerseits toleranter im Hinblick auf kurzzeitiges Über- bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs wird und andererseits das Verbraucher, deren Ladezustand sich „näher” an der Ein- bzw. Ausschaltschwelle befindet, bevorzugt und mithin „früher” ein- bzw. ausgeschaltet werden. Damit werden andere Verbraucher, die ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen und deren Ladezustand bei ausgeschaltetem Verbraucher nahe an der Ausschaltschwelle liegt bzw. bei eingeschaltetem Verbraucher nahe an der Einschaltschwelle liegt auf Grund der längeren Mittelungszeit nicht oder nur bei extremen Abweichungen der Netzfrequenz ein- bzw. ausgeschaltet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner: Ableiten des Verschiebungswertes für Einschaltschwelle und/oder Ausschaltschwelle basierend auf einer Abweichung der ermittelten Netzfrequenz von einer mittleren Netzfrequenz des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs, wobei vorzugsweise der Verschiebungswert größer gewählt wird bei größerer Abweichung der ermittelten Netzfrequenz von der mittleren Netzfrequenz des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs.
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Dies verbessert das erfindungsgemäße Verfahren weiter und ermöglicht insbesondere adaptive Anpassung des Verschiebungswertes, um die Regelung zur Stabilisierung der Netzfrequenz zeitnah einsetzen zu lassen bzw. zu verzögern, falls dies erforderlich ist.
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Außerdem kann des erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem weiteren Aspekt noch umfassen: Zurücksetzen der verschobenen Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle auf die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle, welche vor dem Verschieben gegeben war, wobei vorzugsweise das Zurücksetzen in Abhängigkeit von der Netzfrequenz erfolgt.
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Hierdurch wird die verschobene Ein- oder Ausschaltschwelle wieder auf ihren anfänglichen oder ursprünglichen Wert zurückgesetzt, falls sich die Netzfrequenz stabilisiert hat und eine weitere Stabilisierung nicht mehr erforderlich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 ferner: Verzögern des Einschaltens bzw. Ausschaltens bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs um eine von einem Zufallsgenerator ermittelten Zeit.
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Insbesondere bei einer großen Zahl von Verbrauchern, welche das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, wird durch das individuelle Verzögern verhindert, dass das Ein- bzw. Ausschalten dieser Verbraucher nicht zeitgleich erfolgt, um negative Auswirkungen auf die Stabilität der Netzfrequenz zu minimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Einschalten des Verbrauchers Erhöhen der Energieaufnahme des eingeschalteten Verbrauchers und das Ausschalten des Verbrauchers Verringern der Energieaufnahme des eingeschalteten Verbrauchers.
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Bei bestimmten Verbrauchern, wie zum Beispiel der Heizeinrichtung von Waschmaschinen oder Geschirrspülmaschinen, führt ein vollständiges Ein- bzw. Ausschalten zu nicht gewünschten Wirkungen. Diese werden durch Erhöhen/Verringern der Energieaufnahme anstatt dem vollständigen Einschalten/Ausschalten verhindert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nach einem Aspekt wiederholt ausgeführt, wobei bei jeder Wiederholung die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle im Schritt des Verschiebens um einen vorbestimmten Verschiebungswert verschoben wird.
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Hierdurch wird die Einschalt- oder Ausschaltschwelle kontinuierlich angepasst, so dass bei andauerndem Unter- oder Überschreiten des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs weitere Verbraucher, die das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, aus- bzw. eingeschaltet werden und damit die Stabilität der Netzfrequenz positiv beeinflusst wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der vorgegebene Netzfrequenzbereich so definiert, dass die beiden Grenzen des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs innerhalb des Totbereichs der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes liegen, oder der vorgegebene Netzfrequenzbereich den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes überdeckt oder überschneidet, wobei der vordefinierte Netzfrequenzbereich vorzugsweise den auf den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes abgestimmt ist.
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Hierdurch wird erzielt, dass eine Stabilisierung der Netzfrequenz durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits vor dem Einsetzen der Primärregelung eintritt bzw. diese lastseitig wirksam unterstützt.
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Die vorliegende Erfindung schlägt weiterhin eine Vorrichtung zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes in einem Verbraucher mit den Merkmalen von Patentanspruch 12 oder 13 vor.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet, dass sie die vorgenannten Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
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Erfindungsgemäß ist der Verbraucher eine Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme, insbesondere ein Heizelement oder eine Wärmepumpe, eine Kühleinrichtung oder ein Drucklufterzeuger.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend rein beispielhaft und ohne jegliche Beschränkung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen ist:
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2A bis 2C Beispiele für vorgegebene Netzfrequenzbereiche im Hinblick auf den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes;
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3 ein Beispiel eines typischen Regelungsverhaltens von Verbrauchern mit Wärme-/Kälte-/Druckluft-Speicherkapazität und überlagerter Regelung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4A bis 4C Beispiele für die Verschiebung von Ein- bzw. Ausschaltschwelle für die in den 2A bis 2C gezeigten Beispiele;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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6 eine Vorrichtung zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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7 Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem oder mehreren Verbrauchern;
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8 Beispiel für die Abhängigkeit von Ermittlungsdauer bzw. Messdauer der Netzfrequenz zum Ladezustand des Verbrauchers;
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9 Beispiel für Ladezustands-/Netzfrequenz-abhängige Einschalt- bzw. Ausschaltkennlinien;
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10 ein Beispiel eines typischen Regelungsverhaltens von Verbrauchern mit Wärme-/Kälte-/Druckluft-Speicherkapazität.
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Als Verbraucher wird nachfolgend ein technisches Gerät bzw. Einrichtung verstanden, welches bei einer Einschaltschwelle eines gemessenen Regelungsparameters eingeschaltet wird und bei einer Ausschaltschwelle des gemessenen Regelungsparameters ausgeschaltet wird. Der Regelungsparameter ist hierbei von der Netzfrequenz verschieden. Ferner sind die Einschaltschwelle und die Ausschaltschwelle verschieden.
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Beispielsweise ist der Verbraucher eine Einrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme, insbesondere ein Heizelement oder eine Wärmepumpe, eine Kühleinrichtung oder ein Drucklufterzeuger. Entsprechend ist der Regelungsparameter ein Indikator für die gespeicherte Wärme, die Temperatur des Kühlraumes oder den Druck im Druckluftkessel.
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Ferner sollen als Verbraucher auch solche Geräte und Einrichtungen verstanden werden, die über einen oder mehrere der hiervor beschriebenen Verbraucher verfügen. Insbesondere gehören zu solchen Verbrauchern Kühlschränke, Geschirrspüler, Waschmaschinen, Wäschetrockner, Wärmepumpen usw.
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Insbesondere ist bei Verbrauchern wie z. B. Geschirrspülern, Waschmaschinen oder Wäschetrocknern ein vollständiges Ein- bzw. Ausschalten z. B. der Heizung während des Spülgangs, Waschgangs oder der Trocknung nicht sinnvoll, da hierdurch die Temperatur den eingestellten und zulässigen Wert über- bzw. unterschreitet. Bei diesen Verbrauchern wird vielmehr z. B. die Heizleistung reduziert und nicht vollständig abgeschaltet oder erhöht und nicht vollständig eingeschaltet, sofern das Spül-/Wasch-/Trocknungsergebnis hierdurch nicht beeinflusst wird.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes durch einen Verbraucher wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die Regelung des Verbrauchers ist derart ausgestaltet, wie dies oben beschrieben wurde.
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Das in 1 gezeigte Verfahren 100 beginnt mit dem Ermitteln der Netzfrequenz des Energieversorgungsnetzes 110. Das Ermitteln kann beispielsweise Messen der Netzfrequenz mit bekannten Messverfahren zur Frequenzmessung erfolgen.
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Beispielsweise kann das Ermitteln gemäß Schritt 110 durch Zählen der Nulldurchgänge und der Messung der dafür benötigen Zeit erfolgen. Die erforderliche Genauigkeit kann beispielsweise durch ein Zeitregister (Timer) hinreichender Größe (z. B. 32 bit) und hinreichender Auflösung (z. B. 10 Mikrosekunden) erreicht werden, die für die Funktion der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, d. h. um die oben beschriebene Wirkung zu erzielen. Ferner kann beispielsweise, um die notwendige Genauigkeit einerseits und eine Mittelwertbildung über mehrere Sekunden andererseits zu erreichen, wie dies noch näher beschrieben werden wird, das Ermitteln der Netzfrequenz in Schritt 110 durch Zählen der Nulldurchgänge und der exakten Messung der dafür benötigten Zeit erfolgen. Werden z. B. 100 Halbwellen-Nulldurchgänge gezählt und die dafür benötigte Zeit liegt bei 1000 Millisekunden, liegt die ermittelte – durchschnittliche – Netzfrequenz bei 50,000 Hz. Liegt die Zeit für 100 Nulldurchgänge allerdings bei 1000,1 Millisekunden, dann liegt die ermittelte – durchschnittliche – Netzfrequenz bei 49,995 Hz.
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Danach wird in Schritt 120 bestimmt, ob die ermittelte Netzfrequenz einen vorgegebenen Netzfrequenzbereich unter- oder überschreitet. Hierzu wird die ermittelte Netzfrequenz mit dem vorgegebenen Netzfrequenzbereich verglichen. Zum Bestimmen, ob die ermittelte Netzfrequenz in einem vorgegebenen Netzfrequenzbereich liegt, können bekannte Verfahren verwendet werden.
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Der vorgegebene Netzfrequenzbereich umfasst einen Bereich, in welchem die Netzfrequenz schwanken darf, äquivalent zum Totbereich der Primärregelung, ohne dass einer der oben beschriebenen Regelungsmechanismen eintritt. Insbesondere kann der vorgegebene Netzfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel so definiert sein, dass die beiden Grenzen des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs innerhalb des Totbereichs der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes liegen. Dies ist zum Beispiel in der 2A dargestellt. Demgemäß kann der vorgegebene Netzfrequenzbereich zum Beispiel den Bereich von 49,99 Hz bis 50,01 Hz oder den Bereich von 49,985 Hz bis 50,015 Hz umfassen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der vorgegebene Netzfrequenzbereich auch so definiert sein, dass er den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes überdeckt oder überschneidet, wobei der vordefinierte Netzfrequenzbereich vorzugsweise auf den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes abgestimmt ist. Dies ist zum Beispiel in den 2B und 2C dargestellt.
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Falls in Schritt 120 bestimmt wird, dass die ermittelte Netzfrequenz den vorgegebenen Netzfrequenzbereich überschreitet, wird in Schritt 130 die Einschaltschwelle um einen vorbestimmten Verschiebungswert in Richtung der Ausschaltschwelle verschoben. Dies ist in Bezug auf den vorgenannten Netzfrequenzbereich von 49,99 Hz bis 50,01 Hz zum Beispiel der Fall, wenn die ermittelte Netzfrequenz einen Wert von 50,015 Hz aufweist.
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Andernfalls, wenn die ermittelte Netzfrequenz den vorgegebenen Netzfrequenzbereich unterschreitet, wird in Schritt 140 die Ausschaltschwelle um einen vorbestimmten Verschiebungswert in Richtung der Einschaltschwelle verschoben. Dies ist in Bezug auf den vorgenannten Netzfrequenzbereich von 49,99 Hz bis 50,01 Hz zum Beispiel der Fall, wenn die ermittelte Netzfrequenz einen Wert von 49,985 Hz aufweist.
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Die Verschiebungswerte für das Verschieben von Einschalt- und Ausschaltschwelle können gleich oder verschieden sein. Darüber hinaus können die Verschiebungswerte konstant vordefiniert sein oder adaptiv vorbestimmt werden. Letzteres wird noch näher beschrieben werden.
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Durch das Verschieben der Einschalt- oder Ausschaltschwelle wird die Ein-/Ausschalt-Hysterese des Verbrauchers geändert. Demgemäß erfolgt nach dem Verschieben der Einschalt- oder Ausschaltschwelle in Schritt 130 bzw. 140 das Ein- und Ausschalten des Verbrauchers in Schritt 150 basierend auf der verschobenen Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle.
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Hierdurch wird die Ein-/Ausschalt-Hysterese des Verbrauchers genutzt, um sowohl positive als auch negative Regelungsleistung verbraucherseitig zur Verfügung zu stellen und damit einen Beitrag zur Stabilisierung der Netzfrequenz des Energieversorgungsnetzes zu leisten. Dies geschieht insbesondere durch vorzeitiges Einschalten, wenn die verschobene Einschaltschwelle unterschritten, ist, bzw. durch vorzeitiges Ausschalten, wenn der Verbraucher gerade läuft, d. h. eingeschaltet ist und die verschobene Ausschaltschwelle überschritten ist. Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt.
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3 zeigt ein Beispiel eines typischen Regelungsverhaltens von Verbrauchern mit Wärme-/Kälte-/Druckluft-Speicherkapazität und überlagerter Regelung durch das Verfahren gemäß der beschriebenen Ausführungsform.
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Zum Zeitpunkt t0 ist der Verbraucher beispielsweise eingeschaltet. Danach wird durch das beschriebene Verfahren bestimmt (Schritt 120 in 1), dass die ermittelte Netzfrequenz (Schritt 110 in 1) den vorgegebenen Netzfrequenzbereich unterschreitet, und die Ausschaltschwelle wird um einen vorbestimmten Verschiebungswert in Richtung der Einschaltschwelle verschoben (Schritt 140 in 1). Die verschobene Ausschaltschwelle ist dann beispielsweise s1. Zum Zeitpunkt t1 ist der Verbraucher noch eingeschaltet, aber der Regelungsparameter überschreitet die verschobene Ausschaltschwelle s1 und der Verbraucher wird ausgeschaltet (Schritt 150 in 1). Dann wird durch das beschriebene Verfahren bestimmt (Schritt 120 in 1), dass die ermittelte Netzfrequenz (Schritt 110 in 1) den vorgegebenen Netzfrequenzbereich überschreitet, und die Einschaltschwelle wird um einen vorbestimmten Verschiebungswert in Richtung der Ausschaltschwelle verschoben (Schritt 130 in 1). Die verschobene Einschaltschwelle ist dann beispielsweise s2. Zum Zeitpunkt t2 ist der Verbraucher noch ausgeschaltet, aber der Regelungsparameter unterschreitet die verschobene Einschaltschwelle s2 und der Verbraucher wird eingeschaltet (Schritt 150 in 1). Die Ausschaltschwelle wird danach wieder auf die anfängliche oder ursprüngliche Ausschaltschwelle verschoben, wie noch beschrieben werden wird. Zum Zeitpunkt t3 ist der Verbraucher eingeschaltet und der Regelungsparameter überschreitet die anfängliche Ausschaltschwelle, wodurch der Verbraucher ausgeschaltet wird. Zum Zeitpunkt t4 ist der Verbraucher ausgeschaltet, die Einschaltschwelle verschoben auf s4 und der Regelungsparameter unterschreitet die verschobene Einschaltschwelle s4, wodurch der Verbraucher wieder eingeschaltet wird. Zum Zeitpunkt t5 ist der Verbraucher eingeschaltet, die Ausschaltschwelle auf s5 verschoben und der Regelungsparameter überschreitet die verschobene Ausschaltschwelle s5, wodurch der Verbraucher wiederum ausgeschaltet wird. Zum Zeitpunkt t6 ist der Verbraucher ausgeschaltet, die Einschaltschwelle auf die anfängliche oder ursprüngliche Einschaltschwelle verschoben, wie noch beschrieben werden wird, und der Regelungsparameter unterschreitet die anfängliche Einschaltschwelle. Dadurch wird der Verbraucher eingeschaltet. Zum Zeitpunkt t7 ist der Verbraucher eingeschaltet, die Ausschaltschwelle auf s7 verschoben und der Regelungsparameter überschreitet die verschobene Ausschaltschwelle s7, wodurch der Verbraucher ausgeschaltet wird.
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3 zeigt ferner die elektrische Leistung, welche der Verbraucher aufnimmt, über die Zeit.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die in Schritt 110 von 1 ermittelte Netzfrequenz über ein vorgegebenes konstantes Mittelungs-Zeitintervall oder vorzugsweise aus einer vorgegebenen Zeitspanne durch einen Zufallsgenerator ermitteltes Mittelungs-Zeitintervall gemittelt werden.
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Alternativ hierzu kann die in Schritt 110 von 1 ermittelte Netzfrequenz über ein Mittelungs-Zeitintervall, das vom Abstand zwischen dem gemessenen Regelungsparameter und der Einschaltschwelle bzw. der Ausschaltschwelle abhängig ist, gemittelt werden.
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Als weitere Alternative kann die im Schritt 110 von 1 mit Hilfe der exponentiellen Glättung mit der gemessenen Frequenz, auf Basis einer konstanten Anzahl Nulldurchgänge (z. B. 100), als Eingangsgröße und einem Glättungsfaktor, der sich aus dem Betriebszustand des Verbrauchers und dem internen Ladezustand ermittelt.
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Insbesondere kann im Fall der Abhängigkeit des Mittelungs-Zeitintervalls bzw. des Glättungsfaktors vom Abstand zwischen dem gemessenen Regelungsparameter und der Einschaltschwelle bzw. der Ausschaltschwelle, das Mittelungs-Zeitintervall zumindest innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs zwischen gemessenem Regelungsparameter und Einschaltschwelle und/oder innerhalb eines bestimmten Abstandsbereichs zwischen gemessenem Regelungsparameter und Ausschaltschwelle so gewählt sein, dass bei ausgeschaltetem Verbraucher bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Einschaltschwelle eine kürzere Mittelungs-Zeit bzw. ein größerer Glättungsfaktor gewählt wird und bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Ausschaltschwelle eine größere Mittelungs-Zeit bzw. ein kleinerer Glättungsfaktor gewählt wird; und dass bei eingeschaltetem Verbraucher bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Einschaltschwelle eine längere Mittelungs-Zeit bzw. ein kleinerer Glättungsfaktor gewählt wird und bei geringerem Abstand zwischen gemessenem Regelungsparameters und der Ausschaltschwelle eine kürzere Mittelungs-Zeit bzw. ein größerer Glättungsfaktor gewählt wird.
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Beispielsweise kann bei ausgeschaltetem Verbraucher und in dem Fall, dass der Regelungsparameter näher an der Einschaltschwelle (d. h. weiter entfernt von der Ausschaltschwelle) ist, ein kürzeres Mittelungs-Zeitintervall gewählt werden. Hierdurch kann die Einschaltschwelle dann in Richtung der Ausschaltschwelle, beispielsweise proportional oder überproportional oder unterproportional zur Netzfrequenzabweichung, verschoben werden, wenn diese über dem oberen Wert des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs (z. B. 50,01 Hz) liegt.
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Ferner kann bei ausgeschaltetem Verbraucher und in dem Fall, dass der Regelungsparameter näher an der Ausschaltschwelle (d. h. weiter entfernt von der Einschaltschwelle) ist, ein längeres Mittelungs-Zeitintervall gewählt werden. Hierdurch kann die Einschaltschwelle dann in Richtung der Ausschaltschwelle, beispielsweise proportional oder überproportional oder unterproportional zur Netzfrequenzabweichung, verschoben werden, wenn diese über dem oberen Wert des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs (z. B. 50,01 Hz) liegt.
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Außerdem kann bei eingeschaltetem Verbraucher und in dem Fall, dass der Regelungsparameter näher an der Einschaltschwelle (d. h. weiter entfernt von der Ausschaltschwelle) ist, ein längeres Mittelungs-Zeitintervall gewählt werden. Hierdurch kann die Ausschaltschwelle dann in Richtung der Einschaltschwelle, beispielsweise proportional oder überproportional oder unterproportional zur Netzfrequenzabweichung, verschoben werden, wenn diese unter dem unteren Wert des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs (z. B. 49,99 Hz) liegt.
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Bei eingeschaltetem Verbraucher und in dem Fall, dass der Regelungsparameter näher an der Ausschaltschwelle (d. h. weiter entfernt von der Einschaltschwelle) ist, kann ein kürzeres Mittelungs-Zeitintervall gewählt werden. Hierdurch kann die Ausschaltschwelle dann in Richtung der Einschaltschwelle, beispielsweise proportional oder überproportional oder unterproportional zur Netzfrequenzabweichung, verschoben werden, wenn diese unter dem unteren Wert des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs (z. B. 49,99 Hz) liegt.
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In den beschriebenen Fällen wird in Schritt 120 die über das entsprechende Mittelungs-Zeitintervall gemittelte Netzfrequenz verwendet.
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Basierend auf den Beispielen der 2A bis 2C ist in den 4A bis 4C gezeigt, wie insbesondere die Schritte 130 und 140 des beschriebenen Verfahrens gemäß 1 ausgeführt werden können.
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Der vorgegebene Netzfrequenzbereich kann zum Beispiel einen Bereich umfassen, in welchem die Netzfrequenz schwanken darf, ohne dass einer der oben beschriebenen Regelungsmechanismen eintritt. Insbesondere kann der vorgegebene Netzfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel so definiert sein, dass die beiden Grenzen des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs innerhalb des Totbereichs der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes liegen. Dies ist zum Beispiel in der 2A dargestellt. Demgemäß kann der vorgegebene Netzfrequenzbereich zum Beispiel den Bereich von 49,99 Hz bis 50,01 Hz oder den Bereich von 49,98 Hz bis 50,02 Hz umfassen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der vorgegebene Netzfrequenzbereich auch so definiert sein, dass er den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes überdeckt oder überschneidet, wobei der vordefinierte Netzfrequenzbereich vorzugsweise auf den Totbereich der Primärregelung des Energieversorgungsnetzes angepasst ist. Dies ist zum Beispiel in den 2B und 2C dargestellt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das beschriebene Verfahren ferner umfassen, dass der Verschiebungswert für Einschaltschwelle und/oder Ausschaltschwelle basierend auf einer Abweichung der ermittelten Netzfrequenz von einer mittleren Netzfrequenz des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs abgeleitet wird.
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Insbesondere kann zum Beispiel der Verschiebungswert bei größerer Abweichung der ermittelten Netzfrequenz von der mittleren Netzfrequenz des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs größer gewählt werden. Der Verschiebungswert kann gemäß einem Ausführungsbeispiel proportional zur Abweichung der ermittelten Netzfrequenz von der mittleren Netzfrequenz des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs sein. Das Zurücksetzen ist in den 4A bis 4C gezeigt, falls die gemessene Netzfrequenz innerhalb des „vorgegebenen Netzfrequenzbereichs” liegt.
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Das Verfahren kann gemäß einem Ausführungsbeispiel nach Schritt 150 von 1 ferner umfassen: Zurücksetzen der verschobenen Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle auf die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle, welche vor dem Verschieben gegeben war. Anders gesagt: Die verschobene Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle wird auf die ursprüngliche oder anfängliche Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle gesetzt. Andernfalls – insbesondere bei wiederholtem Ausführen der Schritte 110 bis 150 von 1 – kann die verschobene Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle auf die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle vor der Wiederholung gesetzt werden. Es ist selbstverständlich, dass die Einschaltschwelle zurückgesetzt werden kann, wohingegen die Ausschaltschwelle verschoben bleibt – oder umgekehrt.
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Das Zurücksetzen erfolgt in Abhängigkeit von der Netzfrequenz Führt zum Beispiel das Ausführen der Schritte 110 bis 150 von 1 dazu, dass die ermittelte Netzfrequenz innerhalb des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs liegt, dann können die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle zurückgesetzt werden, da durch den vorgegebenen Netzfrequenzbereich bestimmt ist, dass der Verbraucher nicht mehr zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen kann bzw. darf.
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Außerdem kann der Schritt 150 von 1 ferner Verzögern des Einschaltens bzw. Ausschaltens umfassen, wodurch verhindert wird, dass sich eine große Zahl von Verbrauchern, die das Verfahren nach 1 einsetzen, gleichzeitig ein- oder ausschalten. Dies kann dazu führen, dass die Netzfrequenz so stark beeinflusst wird, dass sie – in die andere Richtung – destabilisiert wird. Insbesondere kann durch Einschalten der großen Zahl von Verbrauchern zur gleichen Zeit, wenn bestimmt ist, dass die ermittelte Netzfrequenz den Netzfrequenzbereich überschreitet, die Netzfrequenz soweit absinken, dass sie nun den Netzfrequenzbereich unterschreitet, wodurch eine Regelung durch Ausschalten der großen Zahl von Verbrauchern erforderlich ist. Um dies zu vermeiden, wird das Einschalten bzw. Ausschalten in Schritt 150 für die Verbraucher um eine von einem Zufallsgenerator ermittelte Zeit verzögert.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das beschriebene Verfahren wiederholt ausgeführt. Hierbei wird bei jeder Wiederholung die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle im Schritt des Verschiebens, d. h. Schritte 130 und 140 in 1, um einen vorbestimmten Verschiebungswert verschoben wird. Dieser Verschiebungswert kann für jede Wiederholung gleich sein oder, wie beschrieben, entsprechend angepasst werden. Vorzugsweise wird vor jeder Wiederholung des Verfahrens eine vorbestimmte Zeit bzw. eine durch einen Zufallsgenerator bestimmte Zeit gewartet, damit sich das Einschalten bzw. Ausschalten stabilisierend auf die Netzfrequenz auswirken kann.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. In Schritt 505 wird der aktuelle Wert des Regelungsparameters ermittelt. Beispielsweise wird bei einem Drucklufterzeuger der Druck der erzeugten Druckluft im Druckluftbehälter ermittelt. In Schritt 510 wird ferner das Mittelungs-Zeitintervall bestimmt. Dies kann insbesondere, wie oben beschrieben, durch einen Zufallsgenerator aus einer vorgegebenen Zeitspanne oder in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem gemessenen Regelungsparameter und der Einschaltschwelle bzw. der Ausschaltschwelle erfolgen. Die Netzfrequenz wird dann in Schritt 515, wie im Zusammenhang mit Schritt 110 von 1 näher beschrieben, ermittelt. Dann wird basierend auf der ermittelten Netzfrequenz in den Schritten 520 und 525 bestimmt, ob die ermittelte Netzfrequenz den vorgegebenen Netzfrequenzbereich über- oder unterschreitet. Dies wurde oben im Zusammenhang mit Schritt 120 näher beschrieben. Basierend auf dem Ergebnis der Schritte 520 bzw. 525 wird dann, sofern Über- bzw. Unterschreiten bestimmt wird, festgestellt, ob der Verbraucher ein- oder ausgeschaltet ist, Schritte 530 und 535. In den Schritten 540 bzw. 545 wird dann der Verschiebungswert abgeleitet, wie oben näher beschrieben. Insbesondere kann der Verschiebungswert größer gewählt werden bei größerer Abweichung der ermittelten Netzfrequenz von der mittleren Netzfrequenz des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs. In den Schritten 550 und 555 wird dann die Ausschaltschwelle bzw. die Einschaltschwelle um den in den Schritten 540 bzw. 545 abgeleiteten Verschiebungswert verschoben. Hierbei wird die Einschaltschwelle in Richtung Ausschaltschwelle und die Ausschaltschwelle in Richtung Einschaltschwelle verschoben. Danach wird in den Schritten 560 und 565 geprüft, ob der Regelungsparameter über der Ausschaltschwelle bzw. unter der Einschaltschwelle liegt. Entsprechend wird der Verbraucher in den Schritten 570 und 575 aus- bzw. eingeschaltet. Die Schritte 560 bis 575 entsprechen dem Schritt 150 von 1, wie oben beschrieben. Sollte in den Schritten 520 und 525 jeweils bestimmt werden, dass kein Über- bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Netzfrequenzbereichs vorliegt, können die Verschiebungswerte bzw. die Ein-/Ausschaltschwelle, wie oben beschrieben, zurückgesetzt werden, in Schritt 580. Die vorgenannten Schritte können, wie oben bereits beschrieben, auch wiederholt ausgeführt werden, wobei beispielsweise bei jeder Wiederholung die Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle im Schritt des Verschiebens um einen vorbestimmten Verschiebungswert verschoben wird.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Unterstützung der Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes in einem Verbraucher, wie oben beschrieben, ist in 6 dargestellt.
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Die Vorrichtung 600 umfasst Mittel zum Ermitteln der Netzfrequenz des Energieversorgungsnetzes 610, Mittel zum Bestimmen 620, ob die durch das Mittel zum Ermitteln 610 ermittelte Netzfrequenz einen vorgegebenen Netzfrequenzbereich unter- oder überschreitet, Mittel zum Verschieben der Einschaltschwelle 630 um einen vorbestimmten Verschiebungswert in Richtung der Ausschaltschwelle, falls durch das Mittel zum Bestimmen 620 bestimmt ist, dass die ermittelte Netzfrequenz den vorgegebenen Netzfrequenzbereich überschreitet, und Verschieben der Ausschaltschwelle 630 um einen vorbestimmten Verschiebungswert in Richtung der Ausschaltschwelle, falls durch das Mittel zum Bestimmen bestimmt ist, dass die ermittelte Netzfrequenz den vorgegebenen Netzfrequenzbereich unterschreitet; und Mittel zum Ein- bzw. Ausschalten des Verbrauchers 640 basierend auf der verschobenen Einschalt- bzw. Ausschaltschwelle.
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Die vorgenannten Mittel der Vorrichtung 600 können hardware-basiert, software-basiert oder als Kombination beider ausgeführt sein.
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Das Mittel zum Ermitteln der Netzfrequenz 610 kann mittels eines geeigneten Mikrocontrollers realisiert werden, welcher beispielsweise mit einem entsprechenden Timer mit einer Zeitauflösung im Mikrosekunden-Bereich ausgestattet ist. Hierbei ist ein Zeit-Messfehler von +/–20 μSek noch akzeptabel, da dieser bei einer Messzeit von 1 Sekunde lediglich einen Fehler von 0,001 Hz in der ermittelten Netzfrequenz ergibt. Geeignete Schaltungen mit Spannungsteilern oder alternativ mit Transformatoren oder Optokopplern zur galvanischen Trennung und Schmitt-Triggern zur Formung eines Rechteck-Signals, welches direkt als Digitalsignal an einen Digitaleingang oder einen Zähleingang eines Mikrocontollers angeschlossen ist, sind für den Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Die zum Ermitteln der Netzfrequenz erforderliche Schaltung kann auch vollständig oder fast vollständig in dem Mikrocontroller integriert sein.
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Die in 6 gezeigte Vorrichtung kann ferner weitere Mittel umfassen, welche die Schritte gemäß den beschriebenen Verfahren ausführen.
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Ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem oder mehreren Verbrauchern ist in 7 dargestellt.
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Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird erreicht, dass der Ein- und Ausschaltpunkt des Verbrauchers nicht nur von der Ein- und Ausschaltschwelle abhängig ist, sondern der tatsächliche Ein- bzw. Ausschaltpunkt durch die aktuelle Temperatur bzw. den aktuellen Luftdruck und der ermittelten – ggf. über einen Zeitraum von einigen Sekunden gemittelten – Netzfrequenz bestimmt wird. Um ferner zu vermeiden dass viele Geräte im Energieversorgungsnetz gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden, wird die Dauer der Zeit zum Ermitteln der Netzfrequenz anhand eines Zufallswertes bestimmt, der beispielsweise zwischen 5 und 30 Sekunden liegen kann. Hierdurch wird einerseits eine Überreaktion auf kurz andauernde Änderungen der Netzfrequenz vermieden und andererseits eine hinreichend hohe Messgenauigkeit der Netzfrequenz erreicht. Bevorzugt wird aber die Ermittlungsdauer aus dem Ladezustand des Verbrauchers abgeleitet. Dies Ermittlungsdauer kann proportional zum Ladezustand für den Einschaltpunkt und umgekehrt proportional für den Ausschaltpunkt sein, wie in 8 exemplarisch dargestellt. Dabei muss die Abhängigkeit keineswegs linear sein, sondern kann auch einer komplexeren Funktion folgen.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Vorrichtungen gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, deren Temperatur bzw. Luftdruck schon nahe an der Einschaltschwelle liegen, Vorrang beim Einschalten, aber Nachrang beim Ausschalten. Dagegen haben Vorrichtungen gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, deren Temperatur bzw. Druck schon nahe an der Ausschaltschwelle liegen, Vorrang beim Ausschalten, aber Nachrang beim Einschalten.
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Der Zusammenhang zwischen Ladezustand und Netzfrequenz ist exemplarisch in 9 dargestellt. Die beiden senkrechten Linien zeigen die verbraucher-interne Ein- und Ausschaltschwelle. Dies sind die beiden Schaltpunkte bei denen unabhängig von der Netzfrequenz die Heizeinrichtung ein- bzw. ausschaltet. Zwischen diesen beiden internen Schaltpunkten zeigen die beiden, zwischen den senkrechten Linien verlaufenden Kurven die vom Ladezustand und der Netzfrequenz abhängigen Ein-/Ausschalt-Kennlinien. Diese können wie dargestellt einen einfachen linearen Zusammenhang aufweisen, aber auch einer komplexeren Funktion folgen.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen wird die Funktion der Verbraucher selbst nicht beeinträchtigt, da nach wie vor, unabhängig von der Netzfrequenz, die Heizung bzw. das Kühlaggregat bzw. der Drucklufterzeuger eingeschaltet wird, wenn der Ladezustand die Einschaltschwelle unterschreitet, und ausschaltet wird, wenn der Ladezustand die Ausschaltschwelle überschreitet. Um hierbei zum Beispiel eine zu kurze Betriebsdauer gerade von Kühl- bzw. Druckluftaggregaten zu vermeiden, kann auch eine bestimmte Mindestbetriebsdauer vorgegeben werden, um zu verhindern dass bei sehr hohen Schwankungsamplituden, nur sehr kurze Betriebsphasen von wenigen Sekunden entstehen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des beschriebenen Verfahrens kann die Hysterese zwischen Ein- und Ausschaltschwelle, wenn möglich, vergrößert werden.
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Grundsätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu, dass bei Netzproblemen unkritische Verbraucher unabhängig von den Schaltschwellen ausgeschaltet werden, damit ein flächendeckender Blackout verhindert wird und die Versorgung wichtiger Institutionen wie z. B. Krankenhäuser, Polizei etc. aufrechterhalten wird.
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Ebenso lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in rein wärmegeführten Blockheizkraftwerken anwenden. In diesem Fall wird dann nicht der Stromverbrauch, sondern die Stromerzeugung autark geregelt.
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Eine weitere Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin bivalente Warmwasserspeicher, die primär mit Gas, Heizöl oder anderen Brennstoffen betrieben werden und sekundär mit einem elektrischen Heizelement ausgestattet sind, immer dann elektrisch zu heizen, wenn die Netzfrequenz über mehrere Minuten deutlich über 50,02 Hz liegt, obwohl bereits erzeugerseitig negative Regelleistung wirksam wird.
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Bezugszeichenliste
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- 505
- Ermitteln des aktuellen Werts des Regelparameters
- 510
- Bestimmen der Messdauer (Mittelungszeitraum) der Netzfrequenz
- 515
- Netzfrequenz über vorher bestimmte Messdauer messen
- 520
- Mittlere Netzfrequenz liegt über dem vorgegebenen Netzfrequenzbereich
- 525
- Mittlere Netzfrequenz liegt unter dem vorgegebenen Netzfrequenzbereich
- 530
- Verbraucher EIN
- 535
- Verbraucher AUS
- 540
- Verschiebungswert der Ausschaltschwelle ermitteln
- 545
- Verschiebungswert der Einschaltschwelle ermitteln
- 550
- Verschieben der Ausschaltschwelle
- 555
- Verschieben der Einschaltschwelle
- 560
- Regelparameter liegt über der verschobenen Ausschaltschwelle
- 565
- Regelparameter liegt unter der verschobenen Einschaltschwelle
- 570
- Verbraucher ausschalten
- 575
- Verbraucher einschalten
- 580
- Verschiebungswerte der Schaltschwellen rücksetzen
