DE102014119431A1 - Elektrischer Leistungsverteiler und Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsverteiler für ein Stromnetz mit einer elektrischen Verteilerschaltung, die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüssen Quellen und Senken für elektrische Energie verbindbar sind und wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann. Demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Leistungsverteiler zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine Mehrzahl von Quellen derart zu orchestrieren, dass eine oder eine Mehrzahl von Senken für elektrische Energie die benötigte Leistung zu jedem Zeitpunkt erhält. Dazu ist es notwendig, zum einen die von den Quellen bereitgestellte Leistung derart auf die Senken zu verteilen, dass die von den Senken angeforderten Leistungen diesen auch bereitgestellt werden und auftretende Leistungsüberschüsse oder Leistungsdefizite durch das Berücksichtigen weiterer Quellen und/oder Senken, vorzugsweise durch das Berücksichtigen eines Energiespeichers, der wahlweise als Quelle oder Senke wirkt, abzudecken. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen einen solchen elektrischen Leistungsverteiler derart weiterzuentwickeln, dass jeder der Anschlüsse jeweils einen Leistungssteller aufweist, der so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einstellbar ist, einer Kommunikationseinrichtung, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen und Senken empfängt, und einer Steuerung zum Steuern einer Verteilung eines Flusses der elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an den Anschlüssen, wobei die Steuerung mit der Kommunikationseinrichtung derart verbunden ist, dass die von der Kommunikationseinrichtung empfangenen Daten von der Steuerung verarbeitbar sind, wobei die Steuerung mit jedem der Leistungssteller verbunden ist, wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten berechnet und wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t steuert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsverteiler für ein Stromnetz mit einer elektrischen Verteilerschaltung, die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüssen Quellen und Senken für elektrische Energie verbindbar sind und wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann.
• Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz.
• Ein zentrales Element bei der Nutzung regenerativer Energiequellen in einem Stromnetz, aber auch bei der Energieversorgung mobiler Verbraucher, beispielsweise von Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb, sind Pufferspeicher. Diese dienen dazu, die Volatilität bei Einspeisung von elektrischer Leistung durch die Quellen und den Verbrauch durch Senken für die elektrische Leistung ausgleichen zu können. Ohne einen Pufferspeicher lässt sich zu jedem Zeitpunkt nur die Menge an elektrischer Leistung transportieren und/oder den Verbrauchern bzw. Senken bereitstellen, die zu dem gegebenen Zeitpunkt gerade erzeugt wird. Aufgrund der Volatilität sowohl der Quellen als auch der Senken lässt sich so keine Versorgungssicherheit gewährleisten.
• Die Pufferspeicher müssen insbesondere kurzfristige und kurzzeitige Schwankungen auf Seiten der Quellen und Senken ausgleichen können. Als Beispiel hierfür dient der „Kick-Down”, d. h. das kurzfristige Durchtreten des Beschleunigungsreglers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Aber auch Netzschwankungen aufgrund von kurzzeitigen Wetteränderungen in einem Versorgungsnetz mit einem großen Anteil von erneuerbaren Energiequellen sowie kurzfristige Lastschwankungen bilden ein geeignetes Beispiel für die Notwendigkeit von Ausgleichsmechanismen. Die Pufferspeicher müssen daher dynamisch und variabel Leistung sowohl abgeben als auch aufnehmen können.
• Dabei können verschiedene Arten von Anforderungssituationen für die Pufferspeicher unterschieden werden:
• 1. Überbrücken längerfristiger Perioden bis hin zu Jahreszeitenspeichern,
• 2. bilanzielle Speicher zum Ausgleich von Unter- und Überdeckungen in einem Stromnetz,
• 3. Ausgleichen von kurzfristigen und zeitlich begrenzten Unter- und Übermengen, wie sie zum Beispiel aufgrund von Netzschwankungen in einem Stromnetz auftreten, um das Stromnetz zu stabilisieren,
• 4. Pufferspeicher für einen digitalen Endpunkt in einem gerouteten auf einer paketbasierten Übertragung beruhenden Versorgungsnetz sowie Gateways bzw. Schnittstellen eines solchen gerouteten auf einer paketbasierten Übertragung beruhenden Versorgungsnetz zum klassischen Ohm'schen Stromnetz,
• 5. Anforderung, die aus neuen Konzepten für Stromnetze resultieren, wie zum Beispiel einen paketbasierten Stromtransport und
• 6. Anforderungsszenarien, wie sie beispielsweise in der Leistungsversorgung von elektrisch angetriebenen Verkehrsmitteln wie Autos, Schiffen und Flugzeugen auftreten.
• Dabei können grundsätzlich zwei voneinander zu unterscheidende Fälle auftreten, nämlich zum Einen, dass die von einer oder einer Mehrzahl von Senken zu einem Zeitpunkt angeforderte elektrische Leistung die von den Quellen zu diesem Zeitpunkt bereitgestellte Leistung übersteigt und zum Anderen, dass die von den Quellen zu einem Zeitpunkt bereitgestellte Leistung größer ist als die von den Senken zum gleichen Zeitpunkt abgerufene Leistung.
• Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Leistungsverteiler sowie ein Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine Mehrzahl von Quellen derart zu orchestrieren, dass eine oder eine Mehrzahl von Senken für elektrische Energie die benötigte Leistung zu jedem Zeitpunkt erhält. Dazu ist es notwendig, zum einen die von den Quellen bereitgestellte Leistung derart auf die Senken zu verteilen, dass die von den Senken angeforderten Leistungen diesen auch bereitgestellt werden und auftretende Leistungsüberschüsse oder Leistungsdefizite durch das Berücksichtigen weiterer Quellen und/oder Senken, vorzugsweise durch das Berücksichtigen eines Energiespeichers, der wahlweise als Quelle oder Senke wirkt, abzudecken.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektrischer Leistungsverteiler für ein Stromnetz bereitgestellt mit einer elektrischen Verteilerschaltung, die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüssen Quellen und Senken für elektrische Energie verbindbar sind, wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und wobei jeder der Anschlüsse jeweils einen Leistungssteller aufweist, der so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einstellbar ist, einer Kommunikationseinrichtung, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen und Senken empfängt, und einer Steuerung zum Steuern einer Verteilung eines Flusses der elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an den Anschlüssen, wobei die Steuerung mit der Kommunikationseinrichtung derart verbunden ist, dass die von der Kommunikationseinrichtung empfangenen Daten von der Steuerung verarbeitbar sind, wobei die Steuerung mit jedem der Leistungssteller verbunden ist, wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten berechnet und wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t steuert.
• Die diesem elektrischen Leistungsverteiler zu Grunde liegende Idee ist es, zeitabhängige Leistungsflüsse (diese werden auch als Leistungsprofile bezeichnet) mit unterschiedlichen Charakteristiken, d. h. mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der Leistung P(t) an den Anschlüssen der Verteilerschaltung des Leistungsverteilers, dadurch zu generieren, dass der elektrische Leistungsverteiler Leistungsflüsse von den mit ihm verbundenen Quellen und zu den mit ihm verbundenen Senken so steuert, dass die von den Senken geforderte Leistung bereitgestellt werden kann. Dabei beruhen die Steuerungsmechanismen auf Daten, welche der Leistungsverteiler bzw. dessen Steuerung über eine Kommunikationseinrichtung, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist, von den Quellen oder Senken empfängt.
• Unter Quellen für elektrische Energie im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden alle elektrischen Einrichtungen verstanden, welche, wenn sie mit dem Leistungsverteiler verbunden sind, an diesen elektrische Energie bzw. Leistung bereitstellen. Dies können ganz konkret beispielsweise Kraftwerke aller Art sein oder auch wieder aufladbare Energiespeicher, welche entladen werden. Darüber hinaus können als Quellen ganze Teilnetze erscheinen, welche mit einem der Anschlüsse der Verteilerschaltung verbunden sind.
• Entsprechend sind Senken für elektrische Energie im Sinne der vorliegenden Anmeldung alle Typen oder Arten von elektrischen Verbrauchern, beispielsweise ein Haushaltsanschluss, aber auch ganze Teilnetze, welche Leistung von dem Leistungsverteiler beziehen. Eine Senke im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist somit jede Einheit eines Stromnetzes, in welche elektrische Leistung aus dem Leistungsverteiler fließt.
• Ein Stromnetz, dessen Teil der elektrische Leistungsverteiler in verbautem bzw. eingebautem Zustand bildet, ist beispielsweise ein elektrisches Versorgungsnetz, bei welchem die Quelle und die Senke über eine Freileitung oder eine Erdleitung mit dem Leistungsverteiler verbunden sind oder ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs, eines Luftfahrzeugs, eines Schiffes oder eines anderen Verkehrsmittels.
• Eine elektrische Verteilerschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in einer ersten, einfachen Ausführungsform eine Stromschiene sein, mit welcher alle Anschlüsse des elektrischen Leistungsverteilers in Parallelschaltung verbunden sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Verteilerschaltung werden die Leistungsflüsse innerhalb des Leistungsverteilers alleine durch die Leistungssteller in den jeweiligen Anschlüssen bestimmt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei der Anschlüsse, die mit Quellen verbindbar sind oder bei Betrachtung eines elektrischen Stromnetzes mit Quellen verbunden sind, über ein sogenanntes Cross-Bar, d. h. ein Koppelfeld, schaltbar miteinander und mit einer Verteilerschiene, welche wiederum mit den anderen Anschlüssen, mit welchen weitere Quellen oder vorzugsweise Senken verbindbar sind oder verbunden sind, verbunden. Ein Koppelfeld, früher auch als Kreuzschienenverteiler bezeichnet, im Sinne der vorliegenden Anmeldung dient zum Durchschalten, der von einer jeden mit dem Leistungsverteiler verbundenen Quelle bereitgestellten Leistung zu mindestens einer mit dem Leistungsverteiler verbunden Senke. Koppelfelder für schwache Ströme sind aus der Kommunikationstechnik bekannt und zählen dort zu den so genannten Raummultiplexverfahren. Ein Koppelfeld bezeichnet eine zusammen geschaltete Matrix (so genannte Koppelvielfache) von kommenden und gehenden Leitungen. Während ein Koppelfeld in der Kommunikationstechnik völlig transparent ist, d. h. die Signale der Eingänge ohne Änderungen oder Verfälschungen auf entsprechende Ausgänge schaltet, umfasst der Begriff des Koppelfeldes im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch Koppelfelder, welche mehrere Leistungsflüsse miteinander kombinieren oder Leitungsflüsse aufteilen.
• Eine Ausführungsform der Verteilerschaltung als Koppelfeld weist gegenüber einer Ausführungsform, bei welcher alle Anschlüsse parallel mit einer Stromschiene verbunden sind, den Vorteil auf, dass die Quellen unabhängig von den Spannungen, welche sie an dem Leistungsverteiler bereitstellen, orchestrierbar sind und auf diese Weise jedes beliebige Spannungsniveau bzw. jeder beliebige zeitliche Verlauf der Leistung an den Anschlüssen, welche mit Senken verbunden sind, bereitgestellt werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsverteilers sind alle Anschlüsse für Quellen und Senken mit einer Verteilerschaltung verbunden, die ein elektrisches Koppelfeld ist, welches selektiv jedwede Verschaltung der Anschlüsse miteinander ermöglicht.
• Eine derartige Ausgestaltung weist die höchste Komplexität der Schaltung auf, dafür jedoch auch die größtmögliche Flexibilität der Schaltzustände. Insbesondere muss bei einer derartigen Ausführungsform nicht darauf geachtet werden, ob mit einem Anschluss des Leistungsverteilers eine Quelle oder eine Senke verbunden wird. Insbesondere kann mit jedem der Anschlüsse in diesem Fall auch ein Energiespeicher verbunden werden, welcher über den Leistungsverteiler sowohl entladen als auch geladen wird.
• In einer Ausführungsform der Erfindung werden alle Knoten des Koppelfeldes von einem geregelten Leistungssteller gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet. In einer alternativen Ausführungsform werden alle Knoten des Koppelfeldes von An-/Ausschaltern gebildet.
• In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsverteilers weist die Verteilerschaltung einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt ein Koppelfeld umfasst, das so ausgestaltet ist, dass alle Anschlüsse des ersten Koppelfelds, die mit einer Quelle oder einer Senke verbindbar sind, parallel oder in Reihe geschaltet mit dem zweiten Abschnitt der Verteilerschaltung verbindbar sind. Dazu werden die Knoten des Koppelfeldes des ersten Abschnitts der Verteilerschaltung in einer Ausführungsform von geregelten Leistungsstellern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet. Der zweite Abschnitt der Verteilerschaltung kann in einer Ausführungsform als passive Stromschiene oder auch als Koppelfeld, welches einfache Ein-/Ausschalter an den Knoten aufweist, ausgestaltet sein. Der erste Abschnitt einer solchen Verteilerschaltung wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch als Physical Abstraction Layer bezeichnet. Der Vorteil einer Ausführungsform einer Verteilerschaltung mit einem Physical Abstraction Layer ist, dass sie eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig reduzierter Komplexität der Schaltung aufweist.
• Zentrales Element des elektrischen Leistungsverteilers ist ein Leistungssteller in jedem der Anschlüsse, wobei der Leistungssteller so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit einstellbar ist. Dabei wird unter einem Leistungssteller jedwede elektronische Einrichtung verstanden, mit der die elektrische Leistung P(t), welche über den jeweiligen Anschluss fließt, in Abhängigkeit von der Zeit t eingestellt werden kann.
• Bei dem Leistungssteller handelt es in einer Ausführungsform der Erfindung sich um eine Kombination aus einem Hochsetzsteller und einem Tiefsetzsteller, dessen Spannungsniveau sich steuern lässt. Dazu weist der Leistungssteller in einer Ausführungsform einen Steuersignaleingang auf, welcher mit der Steuerung des Leistungsverteilers verbunden ist. In einer Ausführungsform liegt das Steuersignal in Form der Pulsbreite eines modulierten Spannungssignals vor, wobei die Pulsbreite das Spannungsniveau des Leistungsstellers steuert.
• In einer Ausführungsform sind der Hochsetzsteller und der Tiefsetzsteller des Leistungsstellers in jedem der Anschlüsse vorzugsweise beide bidirektional ausgestaltet. Auf diese Weise kann ein Anschluss des Leistungsverteilers sowohl mit einer Quelle als auch mit einer Senke verbunden werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn es sich bei der Quelle bzw. Senke um einen Energiespeicher im weitesten Sinne handelt, der über den Leistungsverteiler sowohl entladen als auch geladen werden kann.
• Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich sind, bei denen lediglich ein Leistungssteller in den Anschlüssen der Verteilerschaltung vorgesehen ist, sind Ausführungsformen bevorzugt bei welchen der Leistungssteller ein Teil einer im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Leistungsflusscontroller (Digital Flow Controller; DFC) bezeichneten Einrichtung in jedem der Anschlüsse der Verteilerschaltung ist. Ein solcher Leistungsflusscontroller im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann auch als geregelter Leistungssteller beschrieben werden, dessen Leistungsniveau anhand eines von der Steuerung des Leistungsverteilers vorgegebenen Steuersignal geregelt wird.
• Ein solcher DFC weist daher neben dem Leistungssteller oder den Leistungsstellern eine Steuerung auf, welche einerseits über ein Datennetzwerk mit der (zentralen) Steuerung des Leistungsverteilers verbunden ist und andererseits mit dem oder den Leistungsstellern des DFC verbunden ist, so dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers den Zustand des Leistungssteller steuert oder in einer Ausführungsform davon regelt.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung des DFC so eingerichtet, dass sie jeden Wert für den Leistungsfluss P(t) des entsprechenden Anschlusses, welchen die Steuerung des DFC von der (zentralen) Steuerung des Leistungsverteilers erhält, in ein Steuersignal zum Ansteuern des oder der Leistungssteller umsetzt. Ein solches Steuersignal zum Ansteuern des Leistungsstellers ist in einer Ausführungsform die Impulsbreite der Spannungssignale, mit welchen die Gates der steuerbaren Schalter, z. B. Thyristoren, des Leistungsstellers getrieben werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung weist jeder der Anschlüsse des Leistungsverteilers zusätzlich zu dem Leistungssteller eine Messeinrichtung zum Erfassen einer über den Anschluss fließenden elektrischen Ist-Leistung auf.
• Diese Messeinrichtung ist in einer Ausführungsform Teil des DFC und mit der Steuerung des DFC verbunden, wobei die Steuerung des DFC so eingerichtet ist, dass sie die Ist-Leistung über den Anschluss des Leistungsverteilers so regelt, dass diese gleich einer von der zentralen Steuerung des Leistungsverteilers vorgegebenen Leistung P(t) ist, welche in diesem Sinne die Soll-Leistung darstellt. Erst eine Messeinrichtung in jedem der Anschlüsse ermöglicht eine Regelung des über den Anschluss fließenden Leistungsstroms.
• Dem gegenüber weist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsverteilers jeder der Anschlüsse zusätzlich einen Spannungswandler auf. Dieser Spannungswandler ist zweckmäßigerweise Teil des DFC. In einer Ausführungsform ist der Spannungswandler zwischen der Messeinrichtung und dem Leistungssteller in dem DFC angeordnet.
• Solche Spannungswandler sind in der Lage, eine Eingangsspannung in eine höhere oder tiefere Ausgangsspannung zu wandeln. Spannungswandler, welche eine Eingangsspannung in eine höhere Spannung wandeln, werden auch als Hochsetzsteller bezeichnet. Spannungswandler, die eine Eingangsspannung in eine tiefere Spannung wandeln, werden auch als Tiefsetzsteller bezeichnet. Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller sind typischerweise als Gleichstromelemente vorhanden, sodass bei Verwendung von Hochsetzstellern und Tiefsetzstellern in einem Wechselstromsystem vorzugsweise vor und hinter einem solchen Spannungswandler eine Gleich- bzw. Wechselrichtung erfolgt.
• Der Leistungsverteiler bietet gewisse erfindungswesentliche Funktionen auch dann, wenn er Daten entweder von den Quellen oder den Senken empfängt, um daraus die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) zu einem Zeitpunkt t zu berechnen. Die Leistungsflüsse P(t) für die zukünftigen Zeitpunkte t für diejenigen Quellen und/oder Senken, für welche keine Daten vorliegen, müssen in diesem Fall geschätzt werden.
• Dennoch ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei welcher zumindest Daten von den Quellen empfangen werden und vorzugsweise auch von den Senken.
• Eine Leistungsflussstellsteuerung in einem elektrischen Leistungsverteiler setzt in einer ausführungsform voraus, dass der Leistungsverteiler zu jedem Zeitpunkt t über Informationen darüber verfügt, welche Quellen zu diesem Zeitpunkt t welche maximale Leistung P_max(t) zur Verfügung stellen können. Dies setzt einen Informationsfluss von den Quellen hin zu der Steuerung des Leistungsverteilers voraus. Daher weist der erfindungsgemäße elektrische Leistungsverteiler eine Kommunikationseinrichtung auf, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist, und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen empfängt.
• Eine solche Kommunikationseinrichtung ist in einer Ausführungsform eine Schnittstelle zum Verbinden mit einem Datennetzwerk, wobei es für die vorliegende Erfindung unerheblich ist, überwelchen physikalischen Übertragungsweg das Datennetzwerk die Daten an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers überträgt. Das Datennetzwerk kann beispielsweise ein kabelgebundenes Datennetzwerk oder auch ein Funknetzwerk sein.
• Der Leistungsverteiler ist dafür vorgesehen, dass er über die Kommunikationseinrichtung Daten von den Quellen empfängt. Dies setzt voraus, dass die Quellen über entsprechende Technik verfügen, um Daten zu generieren und diese an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers zu übertragen. Jedoch können darüber hinaus in einer Ausführungsform zusätzlich auch Quellen an den Leistungsverteiler angeschlossen werden, die keine Datenverbindung zu dem Leistungsverteiler bereitstellen. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Steuerung des Leistungsverteilers so eingerichtet, dass sie für eine Quelle, die mit dem Leistungsverteiler verbunden ist, der keine Zustandsinformation in Form von Daten an den Leistungsverteilers übermittelt, eine Schätzung der zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal von dieser Quelle bereitstellbaren Leistung P_max(t) vornimmt, um auch diese Quelle in das Stromnetz einbinden zu können. Eine solche Schätzung kann zum Beispiel auf einer Information über den Typ der Quelle und/oder auf einer Messung der über einen zurückliegenden Zeitraum von dieser Quelle bereitgestellten Leistung beruhen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verfügt der Leistungsverteiler zu jedem Zeitpunkt t Informationen darüber, welche mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senken welche Leistung zu eben diesem Zeitpunkt t abnehmen. Dies setzt einen zusätzlichen Inforationsfluss von den Senken hin zu der Steuerung des Leistungsverteilers voraus. Daherweistdererfindungsgemäße elektrische Leistungsverteiler in einer derartigen Ausführungsform eine Kommunikationseinrichtung auf, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist, und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers zusätzlich Daten von den Senken empfängt.
• Die Steuerung zum Steuern einer Verteilung des Flusses der elektrischen Leistung P(t) innerhalb des elektrischen Leistungsverteilers von den mit den Quellen verbundenen Anschlüssen zu den mit den Senken verbundenen Anschlüssen ist beispielsweise ein Mikroprozessor oder allgemein ein Rechner.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die Leistungssteller derart steuert, dass zu jedem Zeitpunkt t die an einem Anschluss, der mit einer Senke verbunden ist, bereitgestellte elektrische Leistung P(t) gleich der zu diesem Zeitpunkt von der Senke benötigten Leistung P_dem(t) ist.
• Die Steuerung ist mit der Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers so verbunden, dass sie die von der Kommunikationseinrichtung empfangenen Daten erhält und verarbeiten kann. Um die Verteilung des Flusses der elektrischen Leistung P(t) innerhalb des Leistungsverteilers bewirken zu können, ist die Steuerung zudem mit jedem der Leistungssteller in den Anschlüssen des Leistungsverteilers verbunden. In einer Ausführungsform der Erfindung gibt die Steuerung jedem der Leistungssteller zumindest einen Soll-Wert für die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t, die über den jeweiligen Anschluss fließen soll, vor. Während in einer Ausführungsform der Erfindung die Steuerung auch eine Regelung der Leistung an dem jeweiligen Anschluss vornimmt und dazu von dem Anschluss einen Messwert für die Ist-Leistung erhält, können in anderen Ausführungsformen die Leistungssteller selbst einen eigenen Regelkreis aufweisen, welcher derart eingerichtet ist, dass er die Ist-Leistung der von der Steuerung vorgegebenen Soll-Leistung anpasst. Die Kombination aus einem Leistungssteller mit der dazugehörigen Regelung aus Steuerung und Messeinrichtung wird in der vorliegenden Anmeldung als DFC bezeichnet.
• In einer Ausführungsform liegt der Steuerung für jeden Zeitpunkt t Information darüber vor, über welchen der Anschlüsse welche Leistung P(t) in den Leistungsverteiler eingespeist wird und über welchen der Anschlüsse welche Leistung P(t) zu dem Zeitpunkt t abgegeben wird.
• Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Steuerung so eingerichtet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers für jeden Zeitpunkt t die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) berechnet aus
• – der zu dem Zeitpunkt t von jeder Quelle maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung P_max(t) und
• – der zu dem Zeitpunkt t von jeder Senke benötigten elektrischen Leistung P_dem(t), und dass sie die Leistungssteller derart steuert, dass die berechnete elektrische Leistung P(t) zu dem Zeitpunkt t an dem jeweiligen Anschluss eingestellt ist.
• Es versteht sich, dass dabei die von den Quellen in den Leistungsverteiler eingespeiste Leistung P(t) zu jedem Zeitpunkt t maximal so groß ist, wie die zu diesem Zeitpunkt von dieser Quelle maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t). Ebenso wird in einer Ausführungsform Idealerweise die zu dem Zeitpunkt t jeder der mit einem Anschluss des elektrischen Leistungsverteilers verbundenen Senken eine elektrische Leistung bereitgestellt, die gleich der zu diesem Zeitpunkt t von der jeweiligen Senke benötigten elektrischen Leistung P_dem(t) ist.
• Mit anderen Worten ausgedrückt, bestimmt die Steuerung für jeden der Anschlüsse des elektrischen Leistungsverteilers ein Leistungsprofil, d. h. ein Profil der für jeden Zeitpunkt t über den jeweiligen Anschluss fließenden elektrischen Leistung P(t).
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als ganzzahliges Vielfaches einer elementaren Leistung dP approximiert bzw. digitalisiert, wobei dP über ein Zeitintervall dt konstant ist. Eine derartige Approximation kann auch als Digitalisierung der Leistungsprofile verstanden und bezeichnet werden. Diese Digitalisierung der Leistungsprofile mit diskreten elementaren Leistungsniveaus dP ermöglicht es, die algorithmische Aufgabe der Verteilung der Leistung von Anschlüssen, welche mit Quellen verbunden sind, an Anschlüsse, welche mit Senken verbunden sind, mit Algorithmen effizient zu lösen. Solche Algorithmen werden nachstehend im Detail beschrieben.
• Alternativ zu einer Approximation bzw. Digitalisierung der Leistungsprofile P(t) durch eine elementare Leistung dP, wobei dP über ein Zeitintervall dt konstant ist, bietet es sich an, dass die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als Formel

  

  approximiert. Diese Approximation ist in der Datenverarbeitung als Power of 2-Darstellung bekannt.
• Um die Leistungsverteilung von den Quellen auf die Senken bewirken zu können, müssen zwei Aufgaben gelöst werden. Zum einen müssen die Beträge der Leistungsflüsse aller Quellen in den Leistungsverteiler auf die Beträge der einzelnen Leistungsflüsse aus dem Leistungsverteiler in die Senken aufgeteilt werden. Diese Aufgabe lässt sich insbesondere für wie zuvor beschrieben digitalisierte Leistungsflüsse P(t) einfach lösen. Zum anderen müssen die für die Verteilung erforderlichen physikalischen Wege innerhalb der Verteilerschaltung bestimmt und geschaltet werden, so dass alle angeforderten Leistungsflüsse für die angeschlossenen Senken erfüllt werden.
• Dazu kombiniert, d. h. addiert, der Leistungsverteiler Leistungsflüsse verschiedener Quellen so dass die gewünschten Leistungsflüsse hin zu den Senken entstehen. Dies geschieht in einer Ausführungsform dadurch, dass an den Anschlüssen der Quellen die Spannungen so eingestellt werden, dass dort die Leistungsflüsse entstehen. Entweder werden im Fall von Parallelschaltungen durch Spannungsnivellierung die Ströme addiert oder im Fall einer Reihenschaltung die Spannungen addiert, sodass sich die einzelnen Leistungsflüsse addieren.
• Die dabei in einer Ausführungsform erforderlichen Schritte lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• 1. Bestimmen der angeforderten Leistungsprofile P_dem(t) einer jeden mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senke für jeden zukünftigen Zeitpunkt t
• 2. Bestimmen der Leistungsprofile für maximal bereitgestellte Leistung P_max(t) einer jeden Quelle für jeden zukünftigen Zeitpunkt t
• 2. Digitalisieren der Leistungsprofile von Quellen und Senken
• 3. Lösung der Optimierungsaufgabe, wie die Leistungsprofile der Quellen auf die Senken verteilt werden können, mit einem Orchestrierungsalgorithmus
• 4. Verschalten der Quellen und Senken mittels der Verteilerschaltung
• 5. Einstellen der einzelnen Leistungsflüsse an den Anschlüssen der Quellen und Senken durch die Leistungssteller
• 6. Kontrolle des Prozesses durch entsprechenden Regel- und Steuerkreise
• Dem unter Ziffer 3 aufgelisteten Schritt liegt folgende Aufgabe zugrunde: Welche Quellen müssen in welcher zeitlichen Abfolge über welche Wege der Verteilerschaltung und DFCs geschaltet werden, sodass an den Anschlüssen des Leistungsverteilers, die mit Senken verbunden sind, die von den Senken angeforderten Leistungsprofile bereitgestellt werden können. Dies kann für kompliziertere Aufgabenstellungen mittels geeigneter Algorithmen gelöst werden. Beispiele für geeignete Algorithmen sind das Simplexverfahren sowie genetische Algorithmen. Ebenfalls geeignet sind Algorithmen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, so wie sie nachstehend im Detail beschrieben werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers digitalisierte über jeden der mit einer Quelle verbundenen Anschlüsse fließende elektrische Leistungen P(t) auf die mit einer Senke verbundenen Anschlüssen fließenden elektrischen Leistungen P(t) aufteilt. Dazu werden in einer Ausführungsform die folgenden Schritte ausgeführt:
• 1. Berechnen für jede Zeitscheibe t und für alle Quellen j die Differenz
  
• 2. falls schon für eine einzige Quelle j gilt
  
  so kann die Anforderung aus einer einzigen Quelle erfüllt werden, die Berechnung endet, und der Restwert der Quelle wird um den entnommenen Wert
  
  und vorzugsweise weitere, vom Typ der Quelle abhängige Korrekturterme Zeitscheiben aktualisiert,
• 3. falls nicht eine einzige Quelle j die Anforderung erfüllt, Prüfen, ob es zwei Quellen j und i gibt, sodass bei
  
  und falls diese Bedingung erfüllt ist Aktualisieren der Restwerte beider Quellen, so dass für beiden Quellen jeweils gilt
  
• 4. falls sich die Anforderung auch mit zwei Quellen nicht erfüllen lasse, Wiederholen des Schritts 2 mit drei und mehr Quellen,
wobei

der Wert des k-ten Anforderungsprofiles und

der Wert der maximalen bereitgestellten Leistung der j-ten Quelle während der t-ten Zeitscheibe sind.
• Auch die Wege durch die Verteilerschaltung von den Quellen zu den Senken werden mit bekannten Algorithmen bestimmt bzw. aus entsprechenden Verknüpfungstabellen ausgelesen.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung des elektrischen Leistungsverteilers derart eingerichtet und ausgestaltet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers den Stromfluss unter der Annahme elementarer Energiepakete mit einer Energie dp × dt steuert.
• In einer Ausführungsform des elektrischen Leistungsverteilers ist einer der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden, wobei der Energiespeicher so eingerichtet ist, dass er im Betrieb elektrische Energie aufnehmen, speichern und/oder abgeben kann, wobei der Energiespeicher weiterhin so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand des Energiespeichers die von dem Energiespeicher zu einem zukünftigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung P_max(t) und eine zu einem Zeitpunkt t maximale Leistungsaufnahme P(t) berechenbar ist, und wobei die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers bei dem Berechnen der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) die zu diesem Zeitpunkt t von dem Energiespeicher bereitstellbare maximale elektrische Leistung P_max(t) oder die zu diesem Zeitpunkt t mögliche Leistungsaufnahme P(t) des Energiespeichers berücksichtigt. Eine solche Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass „Fehlbeträge” zwischen der zu einem Zeitpunkt t in den Leistungsverteiler einfließenden elektrischen Leistung und der zu diesem Zeitpunkt aus dem Leistungsverteiler herausfließenden elektrischen Leistung durch einen derartigen Energiespeicher ausgeglichen werden können. Dazu wird entweder der Energiespeicher mit überschüssiger elektrischer Energie geladen oder aber fehlende elektrische Energie wird von dem Energiespeicher und damit den mit den Senken verbundenen Anschlüssen bereitgestellt. Eine Voraussetzung dafür, dass der Leistungsverteiler arbeiten kann, ist, dass der Energiespeicher so ausgestaltet ist, dass aus einer Zustandsinformation über den Zustand des Energiespeichers zu einem beliebigen Zeitpunkt t₁ die zu jedem beliebigen Zeitpunkt t = t₁ + Δt in der Zukunft sowohl die maximale Leistungsaufnahme P(t) des Energiespeichers als auch dessen zu diesem Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) berechenbar ist. Dies unter der Annahme, dass sämtliche Leistungsflüsse ab dem Zeitpunkt t₁ aufgezeichnet werden und zur Berechnung der Leistungen P_max(t) und P_cap(t) zur Verfügung stehen.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein solcher Energiespeicher beispielsweise ein Superkondensator, ein chemischer Energiespeicher, ein mechanischer/kinematischer Energiespeicher, ein Lageenergiespeicher oder ein thermodynamischer Energiespeicher.
• Während in einer Ausführungsform zumindest ein solcher elektrischer Energiespeicher, welcher mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, mit dem elektrischen Leistungsverteiler ein integriertes System bildet, ist die Anforderung an den elektrischen Energiespeicher in Bezug auf seine zu einem beliebigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung P_max(t) auch an alle anderen Quellen für elektrische Energie zu stellen, die mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden werden.
• Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird daher auch von einem elektrischen Stromnetz gelöst, mit einem elektrischen Leistungsverteiler, so wie er zuvor in Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde und mit einem Datennetzwerk, das mit der Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers verbunden ist, mindestens einer Quelle für elektrische Energie, wobei die Quelle mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, wobei die Quelle so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Energiequelle die von der Energiequelle zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) berechenbar ist, und wobei die Quelle eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Energiequelle und/oder mit einer Information über die zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers überträgt, und mit mindestens einer Senke für elektrische Energie, wobei die Senke mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, und wobei die Senke eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über eine zu einem zukünftigen Zeitpunkt t von der Senke benötigte elektrische Leistung P_dem(t) an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers überträgt.
• Eine wesentliche Eigenschaft des Energiespeichers ist es, dass sich die von ihm zu einem beliebigen zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) bzw. die zu einem beliebigen zukünftigen Zeitpunkt maximal vom Energiespeicher aufnehmbare Leistung P_cap(t) berechenbar ist, wenn zum Zeitpunkt der Berechnung Information über den aktuellen Zustand des Energiespeichers vorliegt. Solche Information umfasst insbesondere den Ladezustand des Energiespeichers und sein Lade- oder Entladeverhalten gegenüber der Zeit. Dabei sind bestimmte Eigenschaften bereits durch den Typ des Energiespeichers definiert. So weist beispielsweise ein Superkondensator eine andere Entladekurve auf als ein herkömmlicher Lithiumionenakkumulator. Eine weitere Information über den Zustand ist beispielsweise die Temperatur, bei welcher sich der Energiespeicher befindet. Insbesondere bei Akkumulatoren hängt das Entladeverhalten beispielsweise von der Temperatur, bei welcher der Akkumulator betrieben, wird sowie von der Anzahl der Ladzyklen, die der Akkumulator bereits durchlaufen hat, ab.
• Man kann einen Energiespeicher, dessen zu einem zukünftigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung und eine zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximale Leistungsaufnahme anhand von Information über einen gegenwärtigen oder aktuellen Zustand des Energiespeichers berechenbar sind, als deterministischen Energiespeicher bezeichnen.
• Für die Funktionalität des Leistungsverteilers ist es dabei unerheblich, ob der Energiespeicher Information über seinen gegenwärtigen Zustand über das Datennetzwerk und die Kommunikationseinrichtung an die Steuerung des Leistungsverteilers überträgt und dieser die Berechnung von P_max(t) und P_cap(t) ausführt oder ob P_max(t) und P_cap(t) auf der Seite des Energiespeichers selbst, d. h. in einer dort vorgesehenen Rechnereinrichtung berechnet werden und dann P_max(t) und P_cap(t) über das Datennetzwerk und die Kommunikationseinrichtung an die Steuerung des Leistungsverteilers übertragen werden. Ebenfalls sind Ausführungsformen denkbar, bei welchen der Energiespeicher lediglich Messeinrichtungen aufweist, welche von der Steuerung des Leistungsverteilers ausgelesen werden, um P_max(t) und P_cap(t) zu bestimmen. In einer Ausführungsform der Erfindung werden P_max(t) und P_cap(t) anhand einer Information über den Speichertyp und die Bauart des Energiespeichers anhand von Messungen von Strom und Spannung in einer Messeinrichtung eines DFC in dem Anschluss des Leistungsverteilers, mit welchem der Energiespeicher verbunden ist, bestimmt. Der Energiespeicher selbst benötigt in einer solchen Ausführungsform keine Kommunikationsschnittstelle oder Messeinrichtungen.
• Ähnlich, wie dies zuvor in einer Ausführungsform des elektrischen Energieverteilers mit einem elektrischen Energiespeicher im Detail beschrieben wurde, ist es Voraussetzung für das erfindungsgemäße Stromnetz, dass die mit dem Leistungsverteiler sowohl über das Stromnetz als auch über ein Datennetzwerk verbundenen Quellen für elektrische Energie deterministische Quellen sind, die es ermöglichen ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Energiequelle die von der Energiequelle zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) zu berechnen. Auch diese Quellen für elektrische Energie kann man als deterministische Quellen bezeichnen. Wie zuvor ist es dabei unerheblich, ob die Quelle als Information über das Datennetzwerk die zu einem jeden Zeitpunkt t in der Zukunft maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) an die Steuerung des Leistungsverteilers übermittelt oder Zustandsinformationen, welche es der Steuerung ermöglichen, P_max(t) zu berechnen. Einfach zu berechnen ist die maximal bereitstellbare Leistung P_max(t) beispielsweise für Dieselgeneratoren mit einer über die Zeit konstanten Leistungsabgabe.
• Aus der Sicht des Leistungsverteilers müssen in einer Ausführungsform zudem die mit den Anschlüssen des Leistungsverteilers verbundenen Senken ebenfalls in dem Sinne deterministisch sein, dass die Steuerung des Leistungsverteilers zu jedem Zeitpunkt t Kenntnis darüber hat, welche Leistung P_dem(t) zu diesem Zeitpunkt t von der jeweiligen Senke benötigt wird. Dazu überträgt die Senke in einer Ausführungsform über das Datennetzwerk und die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers diese Information, sodass sie der Steuerung des Leistungsverteilers zur Verfügung steht. Alternativ kann in einer Ausführungsform die benötigte Leistung einer Senke auch von der Steuerung des Leistungsverteilers geschätzt oder anderweitig berechnet werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Quelle(n) und die Senke(n) über eine Freileitung oder eine Erdleitung oder eine Unterwasserleitung mit dem Leistungsverteiler verbunden. Das heißt in einem solchen Fall ist das elektrische Stromnetz ein Verteilernetz zur Anbindung von Haushalten, Industrieunternehmen oder anderen Verbrauchern an Energieerzeuger, wie zum Beispiel konventionelle Kraftwerke, Kraftwerke zur Bereitstellung erneuerbarer Energie oder Energiespeichern.
• In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das elektrische Stromnetz ein Bordnetz eines Fahrzeugs, eines Luftfahrzeugs oder eines Schiffes.
• In einer Ausführungsform der Erfindung weisen der Energiespeicher und die Quelle für elektrische Energie, welche mit Anschlüssen des Leistungsverteilers verbunden sind, voneinander verschiedene Leistungsprofile P(t) auf. Dies ermöglicht es, mit der Kombination aus dem Energiespeicher und der Quelle für elektrische Energie ganz unterschiedliche Leistungsprofile auf Seite der Senke oder der Senken zu erfüllen.
• Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz mit den Schritten: Verbinden von mindestens drei Quellen und Senken für elektrische Energie mit jeweils einem Anschluss einer Verteilerschaltung, wobei die Anschlüsse der Verteilerschaltung derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und Empfangen von Daten von den Quellen oder Senken, Berechnen der über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t und in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten und Steuern der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) mit Hilfe jeweils eines mit dem Anschluss verbundenen Leistungsstellers.
• Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf den elektrischen Leistungsverteiler sowie das elektrische Stromnetz mit diesem Leistungsverteiler beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz. Soweit das Verfahren mit dem Leistungsverteiler bzw. dem Stromnetz gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist das Verfahren die entsprechenden Schritte hierfür auf. Insbesondere sind aber Ausführungsformen des elektrischen Leistungsverteilers sowie des elektrischen Stromnetzes zum Ausführen von Ausführungsformen des Verfahrens geeignet.
• Der erfindungsgemäße Leistungsverteiler sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz lassen sich in einer Reihe von Anwendungen in vorteilhafter Weise einsetzen. In elektrischen Stromnetzen, beispielsweise einem Versorgungsnetz oder einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs kann der Leistungsverteiler in einer Ausführungsform zur Netzstabilisierung, insbesondere zur Abpufferung von kurzfristigen Schwankungen im Leistungsangebot oder in der Leistungsnachfrage dienen. In einer anderen Ausführungsform kann der Leistungsverteiler eine Schnittstelle zwischen konventionellen Netzen und digital gesteuerten Netzen, sogenannten Smart Grids, oder paketbasierten Stromübertragungsnetzen dienen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungsverteiler für die Bewirtschaftung von Energiespeichern, vorzugsweise von Akkumulatoren, verwendet. Dabei steuert er insbesondere Umladeprozesse und ein Lademanagement der Energiespeicher.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen davon sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
• 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Digitalisierung eines Leistungsprofils eines Kondensators während der Entladung.
• 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Digitalisierung eines Leistungsprofils eines Kondensators während der Entladung.
• 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromnetzes.
• 4 zeigt schematisch eine detaillierte Darstellung des Stromnetzes aus 3.
• 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsflusscontrollers gemäß der vorliegenden Erfindung.
• 6 zeigt ein schematisches Schaltbild eines bidirektionalen Hochsetz-/Tiefsetzstellers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 7 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Verteilerschaltung mit einer passiven Stromschiene für den erfindungsgemäßen Leistungsverteiler.
• 8 zeigt eine schematische Darstellung einer kaskadierten Anordnung von passiven Stromschienen aus 7.
• 9 zeigt eine schematische Darstellung eines vollständig rekonfigurierbaren Koppelfeldes als Verteilerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 10 zeigt eine Schematische Darstellung einer Variante des Koppelfeldes aus 9.
• 11a) zeigt eine beispielhafte Darstellung eines 4 × 1 Koppelfeldes.
• 11b) zeigt eine schematische Darstellung der Schaltzustände des Kopppelfeldes aus 11a).
• 12a) zeigt eine schematische Darstellung einer Verteilerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer passiven Stromschiene und einem sog. Physical Abstraction Layer.
• 12b) zeigt ein schematisches Schaltbild eines DFC aus 12a).
• 13 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Verteilerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Koppelfeld und einem sog. Physical Abstraction Layer.
• 14 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Verteilung elementarer Leistungseinheiten von drei Quellen auf eine Senke.
• 15 zeigt ein Blockschaltbild eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• 16 zeigt schematisch den beispielhaften Leistungsfluss in dem Bordnetz aus 15 in einer ausgezeichneten Lastsituation.
• In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
• In der folgenden Beschreibung konkreter Ausführungsformen wird zunächst die Leistungscharakteristik von Energiespeichern sowie ein Konzept zur Approximation der Leistungsprofile, d. h. dem Verlauf der von den Energiespeichern abgegebenen elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Zeit, diskutiert. Es folgt ein Abschnitt über den Aufbau und die Funktionsweise einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung sowie die Anbindung von Energiespeichern an diese Leistungssteuerung. Abgeschlossen wird die Diskussion mit der Beschreibung mehrerer Beispiele für elektrische Stromnetze, in welchen ein derartiger Leistungsverteiler Anwendung findet.
• Für die Speicherung elektrischer Energie gibt es eine Vielzahl von Verfahren, zum Beispiel elektrochemische Speicher, Lagerenergiespeicher oder kapazitive Speicher. Alle diese Speicher haben unterschiedliche Leistungscharakteristiken, d. h. die in Abhängigkeit von der Zeit maximal von den Speichern bereitgestellte elektrische Leistung P_max(t) bzw. die zu dem Zeitpunkt t aufnehmbare elektrische Leistung P_cap(t) sind voneinander verschieden. Dies nicht nur zwischen unterschiedlichen Speicherprinzipien, sondern auch zwischen den verschiedenen konkreten Technologien innerhalb eines Speicherprinzips.
• Die unterschiedlichen Leistungscharakteristiken der unterschiedlichen Typen, Technologien und Formen von elektrischen Energiespeichern lassen sich, wenn sie miteinander kombiniert werden, dazu verwenden, innerhalb eines Stromnetzes ganz unterschiedliche Anforderungen, welche die Senken des Stromnetzes stellen, zu erfüllen.
• Im Bereich der Elektromobilität, beispielsweise bei Betrachtung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, werden je nach Fahrsituation und Umweltbedingungen wechselnde Anforderungen an die Leistungsversorgung der unterschiedlichen Verbraucher bzw. Senken gestellt. Beispiele für solche Verbraucher sind Heizung, Scheinwerfer, elektroviskose Stoßdämpfer und Radnabenmotoren. Dabei hat jeder Verbraucher andere Kennlinien, d. h. eine andere Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Zeit. Daraus ergibt sich eine komplexe Dynamik der Anforderungen an die bereitzustellende elektrische Leistung.
• Auch das Bereitstellen elektrischer Energie innerhalb eines Stromnetzes zur Versorgung von Haushalten, Industrie und anderen Verbrauchern weist insbesondere dann, wenn das Netz eine große Anzahl an witterungsabhängigen Quellen, z. B. Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen, aufweist, eine hohe Dynamik auf.
• Um in einem elektrischen Stromnetz einen stabilen Netzbetrieb zu garantieren, ist es notwendig, dass die Quellen genauso viel Strom produzieren, wie die Senken verbrauchen.
• Im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung werden als Quellen all diejenigen Elemente in einem Stromnetz bezeichnet, die elektrische Leistung abgeben. Als Senken werden all diejenigen Elemente betrachtet, die elektrische Leistung aufnehmen. Ein Energiespeicher ist in diesem Sinne sowohl Quelle als auch Senke für elektrische Energie. Ein Teilnetz eines elektrischen Stromnetzes, welches sowohl Quellen als auch Senken aufweist, kann aus dem Blickwinkel eines Netzwerkknotens, d. h. eines erfindungsgemäßen Leistungsverteilers, welcher dieses Teilnetz an andere Teilnetze anbindet, sowohl als Quelle als auch als Senke erscheinen, je nachdem, ob der Leistungsverteiler, den es zu betrachten gilt, von dem Teilnetz elektrische Leistung erhält oder elektrische Leistung an dieses abgibt.
• Für den Fall, dass keine Daten für die Quellen und Senken vorliegen, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung versucht, mittels modellbasierten Verfahren, auf künstlicher Intelligenz basierenden Verfahren oder klassischen Fahrplänen sowohl die Leistungsaufnahme der Senken als auch die Leistungsabgabe der Quellen für jeden Zeitpunkt t vorherzusagen.
• Kurzfristige und geringe Schwankungen in der Leistungsabgabe der Quellen und der Leistungsaufnahme der Senken werden in konventionellen Netzen durch die Rotationsenergie der Generatoren, gepuffert. Dieses Überbrücken über die Stützung der Drehfrequenz der Generatoren erfolgt solange, bis die Regelmechanismen des Netzes die Erzeugung angepasst haben. In Netzen, die ohne klassische rotierende elektromechanische Generatoren auskommen oder nur eine geringe Anzahl von diesen aufweisen, muss eine solche Pufferung von einem Leistungsverteiler gemäß der vorliegenden Erfindung verwaltet werden. Dabei treten typischerweise Situationen auf, in denen eine Differenz an elektrischer Leistung zwischen der Nachfrage der Senken und dem Angebot der Quellen kurzfristig durch einen Speicherpuffer abgefangen werden muss und zwar solange, bis der Leistungsfluss aus den mit dem Leistungsverteiler verbundenen Quellen in der Summe wieder so groß ist, wie der Leistungsfluss in die mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senken.
• Entstehende Unter- oder Überdeckungen in der elektrischen Leistung im elektrischen Leistungsverteiler müssen daher in einer Ausführungsform der Erfindung durch entsprechende Energiespeicher oder zusätzlich zuschaltbare Quellen ausgeglichen werden. Insbesondere zum Ausgleich von Netzschwankungen finden die nachstehend beschriebenen Verfahren zur Steuerung des Leistungsverteilers Anwendung, um Leistungsprofile zu generieren, die kurzfristig die notwendigen Leistungsflüsse aus mit dem Leistungsverteiler verbundenen Energiespeichern zur Stützung des Netzes zur Verfügung zu stellen. Dabei werden diese Leistungsprofile zur Stützung des Netzes so gewählt, dass der vorgegebene Leistungsfluss oder das Spannungsniveau oder die Netzfrequenz innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen.
• Um die Anforderungen an die Leistungsverteilung erfüllen zu können, werden in einem elektrischen Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistungsprofile sowohl der Quellen als auch der Senken durch elementare Leistungsprofile mit über einen Zeitabschnitt dt konstanten Leistungseinheiten dP approximiert. Dabei kann die Approximation des tatsächlichen Leistungsprofils P(t) durch dP als Digitalisierung des Leistungsprofils P(t) verstanden werden. Diese Approximation vereinfacht die Algorithmen für die Verteilung der elektrischen Leistung zwischen den zu einem Zeitpunkt t von den Quellen bereitgestellten Leistungen und den von den Senken zu diesem Zeitpunkt benötigten Leistungen.
• Dabei bieten sich für die Approximation der Leistungsprofile zwei unterschiedliche Approximationsverfahren an.
• Zum Einen lässt sich die Leistung P in einem gegebenen Intervall dt approximieren als P#, wobei gilt P# = n_i·dP, wobei P – P# ≤ δ. Das heißt die Leistung P in dem Intervall dt wird approximiert als ein ganzzahliges Vielfaches des elementaren Leistungsprofils dP.
• In 1 ist eine auf diese Weise durchgeführte Approximation des Leistungsprofils P(t) eines sich entladenden Kondensators gezeigt. Ein solcher Kondensator könnte beispielsweise als Energiespeicher, welcher mit einem Anschluss des Leistungsverteilers verbunden ist, Verwendung finden. Für die Leistungsabgabe eines solchen Kondensators gilt allgemein

  

  wobei R der Lastwiderstand und C die Kapazität des Kondensators sind. P₀ ist die im vollständig geladenen Zustand zum Zeitpunkt t₀ abgegebene Leistung.
• Alternativ lässt sich die Approximation mit Hilfe eines Power of 2 Bildungsgesetzes durchführen, so wie es aus der Digitaltechnik bekannt ist. Ein derart approximierter Verlauf der Leistungskurve P(t) des sich entladenen Kondensators ist in 2 beispielhaft gezeigt. Die digitalisierte Approximation P# lässt sich dann beschreiben als

  

  wobei dp_k = 2^k·dp.
• Es bietet sich an, Kondensatoren, deren Leistungsprofil sich durch ein Power of 2 Bildungsgesetz approximieren lässt, durch Kondensatorbänke zu realisieren.
• Um die Leistungsanforderungen P_dem(t) zu jedem Zeitpunkt t der einzelnen mit den Anschlüssen des Leistungsverteilers verbundenen Senken erfüllen zu können, müssen die Leistungsflüsse der verschiedenen Quellen (dies schließt Energiespeicher, wie den zuvor betrachteten Kondensator ein) derart miteinander kombiniert, d. h. in dem Leistungsteiler verschaltet werden, dass die angeforderten Leistungsflüsse jeder einzelnen mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senke bereitgestellt werden können.
• Dazu ist es in der dargestellten Ausführungsform notwendig, zumindest einen Energiespeicher vorzusehen, welcher in der Lage ist, die von den anderen mit dem Leistungsverteiler verbundenen Quellen bereitgestellte Leistung entweder im Falle einer Unterdeckung zu ergänzen oder im Falle einer Überdeckung die zu einem Zeitpunkt t nicht benötigte Leistung aufzunehmen.
• Um die Verteilungsaufgabe lösen zu können, muss zu jedem Zeitpunkt t der aktuelle Zustand aller Quellen einschließlich einer als Energiespeicher ausgezeichneten Quelle sowie zumindest die Leistungsanforderung P_dem(t) der Senken bekannt sein. Zu jeder zu einem Zeitpunkt t gehörenden Zeitscheibe dt, über welche die zur Approximation der Leistungsflüsse P(t) verwendete elementare Leistungseinheit dP konstant ist, wird in einem Zustandsmodell festgelegt, wie die zu diesem Zeitpunkt t maximal bereitgestellte Leistung P_max(t) der Quellen und die angeforderte Leistung P_dem(t) der Senken aussieht und wie die Leistung der Quellen auf die Senken verteilt werden kann. Dies geschieht wie zuvor ausgeführt durch die Approximation der Leistungskurven der Quellen und Senken.
• Alternativ zu einer Betrachtung der Leistungen, könnte die die Steuerung des Leistungsflusses in einer Ausführungsform auch anhand der Spannung U(t) erfolgen, da gilt

  

  wobei R der Widerstand der Quelle bzw. der Senke ist.
• 3 zeigt schematisch ein Stromnetz bestehend aus einer Mehrzahl von Senken bzw. Verbrauchern 1000, eine Mehrzahl von Quellen bzw. Erzeugern 3000 sowie dem erfindungsgemäßen Leistungsverteiler 2000.
• Alle Anschlüsse des Leistungsverteilers 2000 sind bidirektional ausgestaltet, sodass es für den Leistungsverteiler 2000 in der beschriebenen Ausführungsform keinen Unterschied macht, ob mit einem seiner Anschlüsse eine Quelle oder eine Senke verbunden ist. Typischerweise können einzelne mit dem Leistungsverteiler 2000 verbundene Elemente sowohl Quelle als auch Senke sein. Ein Beispiel hierfür ist ein Energiespeicher. Dies gilt aber auch dann, wenn eines der mit dem Leistungsverteiler 2000 verbundenen Elemente, beispielsweise eine der Senken 1000, ein Teilnetz eines Stromnetzes ist, welches über den Leistungsverteiler 2000 mit anderen Teilnetzen verbunden ist. Die Betrachtung, ob ein mit dem Leistungsverteiler 2000 verbundenes Element 1000, 3000 eine Quelle oder eine Senke ist, hängt lediglich davon ab, ob dieses Element zu einem gegebenen Zeitpunkt t dem Leistungsverteiler 2000 elektrische Leistung zur Verfügung stellt oder elektrische Leistung von diesem erhält. Zur Vereinfachung der Betrachtung wird in der folgenden Beschreibung immer davon ausgegangen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt t alle mit 1000 bezeichneten Elemente Senken sind und alle mit 3000 bezeichneten Elemente Quellen. Zusammen werden die Elemente 1000, 3000 auch als Knoten bezeichnet.
• 4 zeigt eine detaillierte Darstellung des Stromnetzes aus 3, wobei in dieser Darstellung erkennbar ist, dass das erfindungsgemäße Stromnetz logisch, aber auch physikalisch zwei Netze umfasst. Dies ist zum einen ein Datennetzwerk, welches einen Informationsaustausch zwischen einzelnen Kommunikationseinrichtungen der Komponenten des Stromnetzes ermöglicht. Das Datennetzwerk verbindet jeden der Senkencontroller 1200 der Senken 1000 mit einer Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers 2000 sowie die Quellecontroller 3200 der Quellen 3000 für elektrische Energie mit der Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers 2000. Demgegenüber sind die elektrischen Anschlüsse 1100 bzw. 3100 der Senken 1000 und der Quellen 3000 mit einem Verbindungssystem 2100 elektrisch verbunden, wobei dieses Verbindungssystem 2100 eine elektrische Verteilerschaltung im Sinne der vorliegenden Anmeldung bildet.
• Über die Verteilerschaltung 2100 sind die elektrischen Anschlüsse 1100, 3100 und damit die eigentlichen Verbraucher 1300 und Generatoren 3300 miteinander verbunden. Die Komponenten 1100, 2100 und 3100 bilden damit den Leistungsteil des gezeigten Stromnetzes. Im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff des Generators 3300 jedwede Art einer elektrischen Energiequelle, beispielsweise in Form einer Turbine, einer Windkraftanlage, einer Photovoltaikanlage oder eines Akkumulators.
• Eine Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000 dient dazu, die zu einem Zeitpunkt t erforderlichen Flüsse der elektrischen Leistung im Leistungsteil 1100, 2100, 3100 zu steuern und die zu diesem Zeitpunkt erforderlichen Leistungsflüsse aus Zustandsinformationen, welche in dem Datennetzwerk zwischen den mit diesem verbundenen Kommunikationseinrichtungen 1200, 2200, 3200 ausgetauscht werden, zu berechnen.
• Aufgabe der Controller 1100 der Senken 1000 ist es, digitalisierte Anforderungsprofile für die benötigte Leistung P_dem(t) in Abhängigkeit von der Zeit t auf Basis des aktuellen und des zu erwartenden Leistungsbedarfs der eigentlichen Verbraucher 1300 zu generieren und diese über das Datennetzwerk an die Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers zu kommunizieren.
• Aufgabe der Controller 3200 der Quellen 3000 ist es hingegen, Zustandsinformation über die Generatoren 3300 zu bestimmen und zu aktualisieren sowie aus diesen Zustandsinformationen die zu jedem zukünftigen Zeitpunkt t von der Quelle 3000 maximal bereitstellbare elektrische Leistung zu berechnen und diese Information an die Kommunikationseinrichtung 2200 der Leistungssteuerung 2000 zu übermitteln.
• In Ausführungsformen, die hier nicht im Detail beschrieben werden, könnte alternativ der Controller 3200 lediglich Zustandsinformationen des Generators 3300 bestimmen und aktualisieren und diese Zustandsinformation über das Datennetzwerk an die Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers 2000 übermitteln, wobei dann die zentrale Steuerung 2300 das Berechnen der von der von der Quelle 3000 zu einem Zeitpunkt t maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung P_max(t) übernimmt.
• Im Folgenden wird nun der Aufbau der Verteilerschaltung 2100, welche das zentrale, von der Steuerung 2300 gesteuerte Element des Leistungsverteilers 2000 bildet, im Detail erläutert.
• Notwendige Voraussetzung für eine Leistungsflusssteuerung in dem elektrischen Leistungsverteiler ist, dass jeder der Anschlüsse einen Leistungssteller aufweist, der es ermöglicht, die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einzustellen. Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines solchen Leistungsstellers beschrieben. Der Leistungssteller ist Teil eines Leistungsflusscontrollers DFC, welcher zusätzlich zu dem Leistungsstellerweitere Komponenten aufweist. Der Leistungsflusscontroller mit dem Leistungssteller kann über seine Verwendung in jedem der Anschlüsse der Verteilerschaltung hinaus auch als variabler Schalter in der elektrischen Verteilerschaltung selbst verwendet werden, so wie sie nachstehend noch erläutert werden wird.
• 5 zeigt ein Blockschaltbild des Leistungsflusscontrollers DFC mit seinen einzelnen Komponenten. Der Leistungsflusscontroller DFC weist eine Rechnereinheit 4 (als Steuerung des DFC im Sinne der vorliegenden Anmeldung) zur Steuerung, Regelung, dem Management und der Kommunikation auf. Der Leistungsflusscontroller weist zudem einer Anbindung an ein Datennetzwerk, hier ein IP-Netzwerk 8, einen Leistungssteller 1 basierend auf einen bidirektionalen Hochsetz-/Tiefsetzsteller, einen DC/DC-Wandler 2 sowie eine Messeinrichtung 3 zum Erfassen der elektrischen Ist-Leistung aus einer Messung von Strom und Spannung auf. Die Rechnereinheit 4 ist über Steuerleitungen 5, 6 mit dem Hochsetz-/Tiefsetzsteller 1 sowie dem DC/DC-Wandler 2 verbunden sowie über eine Messleitung 7 mit der Messeinrichtung 3.
• Der DC/DC-Wandler 2, dient dazu, das von dem Netz geforderte Spannungsniveau einzustellen. Bei dem Leistungsflusscontrollers DFC aus 5 handelt es sich um eine Gleichspannungs-(DC-)komponente. Auch wenn der eigentliche Leistungsflusscontroller DFC einen DC-Betrieb voraussetzt, so lässt sich mit diesem Leistungsflusscontroller DFC dennoch auch eine Leistungsverteilung in einem AC-Stromnetz realisieren. Dazu ist es erforderlich, zwischen dem Leistungssteller 1 des DFC und der jeweiligen AC-Quelle bzw. AC-Senke einen bidirektionalen AC/DC-Wandler vorzusehen, welcher die von einer Quelle kommende Wechselspannung in Gleichspannung zur Verteilung in dem Leistungsverteiler wandelt oder die aus dem Leistungsverteiler kommende DC-Spannung in AC-Spannung wandelt, um die Leistung dann einer Senke bereitzustellen.
• 6 zeigt ein schematisches Schaltbild des bidirektionalen Hochsetz-/Tiefsetzstellers 2 aus 5. Dieser ist in der Lage, einen Leistungsfluss in beiden Richtungen, d. h. sowohl in den Leistungsverteiler hinein als auch aus dem Leistungsverteiler heraus zu Senken bzw. Verbrauchern hin, zu steuern.
• Die elektrische Verteilerschaltung 2100 des elektrischen Leistungsverteilers 2000 kann in einer Reihe von Ausführungsformen realisiert sein.
• In 7 wird eine erste sehr einfache Ausführungsform der Verteilerschaltung 2100 gezeigt, wobei in den Anschlüssen der Verteilerschaltung die jeweiligen Leistungsflusscontroller DFC abgebildet sind. Die Verteilerschaltung 2100 aus 7 umfasst eine einfache Stromschiene 9, mit der sämtliche Anschlüsse und damit die Leistungscontroller DFC parallel verbunden sind.
• Ebenfalls angedeutet ist in 7, dass die einzelnen Leistungsflusscontroller DFC über ein Datennetzwerk 8 miteinander verbunden sind. Das Datennetzwerk 8 wiederum verbindet die Leistungsflusscontroller DFC mit der Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000.
• Diese Ausgestaltung der Verteilerschaltung weist den Vorteil auf, dass sie einfach zu realisieren ist und der Leistungsverteiler insgesamt mit einer Anzahl von Leistungscontrollern DFC auskommt, die gleich der Anzahl der Anschlüsse der Verteilerschaltung ist. Der Nachteil dieser einfachen Ausführungsform der Verteilerschaltung ist, dass sie Einschränkungen bei der Konfigurierbarkeit der Leistungsverteilung von den Quellen zu den Senken aufweist.
• Bei der Anbindung der Quellen an die passive Stromschiene 9 aus 7 werden alle Quellen parallel an die Schiene angeschlossen. Das heißt alle Quellen werden an der Schiene mit gleicher Spannung betrieben, die Ströme addieren sich. Durch die Leistungssteller DFC wird dafür gesorgt, dass die entsprechende Leistung eingespeist wird. Damit alle Quellen auf dem gleichen Spannungsniveau angeschlossen werden können, ist in jedem Leistungsteller ein DC/DC-Spannungswandler vorgesehen 2.
• Eine serielle Verschaltung der Quellen ist mit der passiven Stromschiene 9 nicht möglich. Dazu benötigt man eine Kaskade von passiven Stromschienen, die einen Baum bilden. Eine solche Anordnung ist schematisch in 8 gezeigt. In dieser Schaltung können jeweils einzelne Anschlüsse einer Stromschiene mit einem Anschluss einer Verteilerschiene in einer nächsthöheren Stromschiene verbunden werden.
• Dann kann jeweils nur ein Anschluss einer Stromschiene über einen Anschluss der nächst höheren Stromschiene seriell verschaltet werden. Will man einen Anschluss Z1 an der passiven Stromschiene PPB11 in 8 mit einem Anschluss Z2 an der Stromschiene PPB12 seriell verschalten, so müssen alle anderen Anschlüsse außer Z1 und Z2 auf PPB11, PPB12 abgeschaltet werden. Dann können über PPB21 Z1 und Z2 in Serie geschaltet werden. Dies bedeutet aber, dass alle anderen an PPB11 vorhandene Anschlüsse abgeschaltet sein müssen. Diese Kaskadierung ermöglicht einen einfachen Schaltungsaufbau, führt aber neben der reduzierten Flexibilität auch zu einem Abschalten vieler Anschlüsse.
• Demgegenüber zeigt 9 schematisch den Aufbau des Leistungsverteilers 2100 nach Art eines vollständig rekonfigurierbaren Crossbars, d. h. eines sechs × vier Koppelfeldes. Dieses ermöglicht es, jede der Quellen 3000 (dargestellt ist in 9 nur der Leistungsteil 3100) mit jedem der Verbraucher 1000 (dargestellt ist in 9 nur der Leistungsteil 1100) zu verbinden. Zudem können alle Quellen 1000 wahlweise parallel oder in Serie miteinander verschaltet werden. Zu diesem Zweck verfügt die Verteilerschaltung 2100 aus 9 an jedem Knoten des Koppelfelds über einen Leistungsflusscontroller DFC.
• 10 zeigt eine Variante des Koppelfeldes aus 9, wobei die Schalter S an den Knoten des Koppelfeldes als einfache An-/Aus-Schalter ausgeführt sind. Zusätzlich sind aber in den Anschlüssen der Quellen 3000 und der Verbraucher 1000 DFCs vorgesehen, um die erforderliche Leistungsflusssteuerung bereitzustellen.
• In 11a) ist beispielhaft ein vereinfachtes Crossbar mit vier Quellen 10 und nur einem einzigen Anschluss 11 für eine Senke dargestellt, wobei berücksichtigt ist, dass jede der DC-Quellen 10 über zwei Leitungen mit dem Anschluss 11 für die Senke verbunden sein muss. Mit 12 ist in 11a) jeweils ein Teil eines Leistungsflusscontrollers, nämlich für einen Draht einer Leitung, bezeichnet.
• 11b) zeigt in schematischer Darstellung, dass sich alle möglichen Varianten von Reihen und Parallelschaltungen mit dieser Anordnung realisieren lassen. Diese Form des Koppelfeldes ist in Bezug auf die Anzahl der Anschlüsse für Quellen und Senken skalierbar, wobei der damit verbundene Aufwand mit zunehmender Anzahl der Quellen und Senken im Wesentlichen linear steigt.
• Zwischen der Ausführungsform des Leistungsverteilers aus 7 und der Ausführungsform aus 10 liegt in Bezug auf die Komplexität der Verschaltung eine Ausführungsform, so wie sie ergänzend im Folgenden anhand der 12 und 13 beschrieben wird.
• Sollen beispielsweise mehrere Quellen an einer Stromschiene seriell verschaltet werden, so muss die Stromschiene aktiv geschaltet sein, d. h. ein Koppelfeld, so wie es zuvor beschrieben wurde. Zur Reduktion der Komplexität können die Quellen jedoch zu einem eigenen Netzwerk, einem sogenannten Physical Abstraction Layer zusammengefasst werden. Dieses Physical Abstraction Layer 13 ist wie in 12a) gezeigt über viele Anschlüsse A1 bis A8 an die Stromschiene 9 angebunden.
• Das Physical Abstraction Layer 13 dient dazu die Quellen Z1 bis Z4 parallel und seriell zu verschalten. Jede einzelne Quelle lässt sich so an die Stromschiene 9 anbinden. Quellen Z1 bis Z4, die aufeinander folgen, lassen sich parallel und seriell mit der Stromschiene verbinden. Auch lassen sich Quellen Z1 bis Z4 verschalten indem man andere Quellen Z1 bis Z4 auslässt. Dies hat aber zur Folge, dass die übersprungenen Quellen nicht weiter verwendet werden können. Durch entsprechende Schaltung der DFCs können beliebige Reihen- und Serienschaltungen der Quellen Z1 bis Z4 realisiert werden.
• Anhand von 12a) wird nun beschrieben, wie Quellen Z₁ und Z₂ sowie die Quellen Z₃ und Z₄ seriell verschaltet werden. Die in Serie geschalteten Quellen Z1 und Z2 werden über die Anschlüsse A1 und A4 parallel und über die Anschlüsse A5 und A8, an denen die seriell verbundenen Quellen z3 und z4 verschaltet sind, an die entsprechenden Stromleiter einer Stromschiene 9 angeschlossen. Die Leistungsflusscontroler DFC₁ bis DFC₁₅ weisen in der schematischen Ansicht aus 12a) jeweils drei Anschlüsse auf. Dabei handelt es sich um ein Ersatzschaltbild, dessen genaue Ausgestaltung in 12b) gezeigt ist. Auf der linken Seite von 12b) ist noch einmal das Ersatzschaltbild des 2 × 1 DFC aus 12a) gezeigt, auf der rechten Seite die tatsächliche Versschaltung. Bei genauerer Betrachtung wird der DFC mit drei Anschlüsse wie in 12b) rechts gezeigt durch einen DFC realisiert, dessen Ausgang mit zwei parallel geschalteten Schaltern S₁, S₂ verbunden ist, wobei sowohl der DFC als auch die beiden Schalter S₁, S₂ mit der Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000 verbunden sind und von dieser gesteuert werden.
• 13 zeigt schematisch die Anbindung einer Physical Abstraction Layer 13 an ein aktives, das heißt geschaltetes Koppelfeld. Dabei ist das Koppelfeld ein Koppelfeld mit einfachen An/Aus-Schaltern S, so wie sie bereits für das Koppelfeld aus 10 beschrieben wurden.
• Die Beschaltung der Verteilerschaltung 2100 erfolgt durch die Steuerung 2300 des Leistungsverteilers. Dabei bilden die Steuerung 2300 sowie die Controller der Quellen und Senken 1200, 3200 eine logische Ebene, die auch als Control Plane bezeichnet wird. Aufgaben dieser Control Plane sind insbesondere:
• • Kommunikation der Controller untereinander
• • Verarbeitung und Speicherung der aktuellen Leistungs-, Spannungs- und Stromstärkemesswerte
• • Speicherung der Information über die aktuellen Zustände der einzelnen Quellen
• • Ansteuerung und Regelung der DFCs, sodass die entsprechenden Quellen mit den entsprechenden Senken verschaltet werden.
• • Verwaltung und Konfiguration der Koppelfelder
• • Bestimmung der aktuellen Lastwiderstände der Quellen 1000
• • Bestimmung anderer Parameter wie Temperatur, Zyklusanzahl, Alterung der Quellen bzw. Energiespeicher
• • Systemüberwachung
• • Kommunikation mit übergeordneten Systemen
• • Entgegennahme und Verarbeitung von externen Fahrpläne für planbare Leistungsflüsse
• • Anforderung von Leistung zur Wederaufladung von mit dem Leistungsverteiler verbundenen Energiespeichern
• • Handhabung der spontanen Leistungsabgabe und- aufnahme
• • Bestimmung geeigneter Quellen zur Erfüllung der Anforderung mittels des Orchestrierungsalgorithmus
• • Erstellung der Prozessführung für die Quellen- und DFC-Verschaltung sowie der Steuerung und Regelung der beteiligten DFCs
• • Die Prozessführung und Quellenbestimmung wird iterativ optimiert
• • Quellenbewirtschaftung: Anforderung von externer Leistung zum Wiederaufladen sowie interne Umspeicherung und Selektion von defekten Quellen
• • Mikrobilanzierung und CDR-Erstellung für die Abrechnung
• • Meldung bzgl. der Bereitstellung von positiver und negativer Regelenergie
• • Überbrückung von Lieferlücken bei Kurzfristiger Nachbestellung von Leistung. Das heißt stellt eine Senke während des Verbrauchprozesses fest, dass das bestellte Paket zu klein war, so fordert sie eine Nachbestellung. Da diese nachbestellte Leistung in der Regel mit einer Zeitverzögerung erst geliefert werden kann, aber eine Unterbrechung des Prozesses sehr schädlich ist, wird diese Lücke durch den Leistungsverteiler überbrückt. Dazu erhält dieser von der Senke die entsprechende Leistungsanforderung.
• • Kommunikation mit allen Elementen des Stromnetzes
• Die Verteilung der Leistungsflüsse P(t) der Quellen 3000 auf die Leistungsflüsse P(t) der Senken 1000 durch den Leistungsverteiler 2000 wird nun anhand der 14 beschrieben. Dort sind beispielhaft die Leistungsprofile dreier Quellen Z1 bis Z3 und das Leistungsprofil einer Senke S1 für vier Zeitintervalle dt dargestellt. Jedes der Leistungsprofile P(t) ist mit Hilfe von elementaren Leistungseinheiten dP, welche über ein Zeitintervall dt eine konstante Leistung aufweisen dp wobei gilt, dass die Leistung zu einem Zeitpunkt gleich einem ganzzahligen Vielfachen der elementaren Leistungseinheit dP ist. Dabei sind bei der Darstellung aus 14 die Zeitintervalle dt gerade so gewählt, dass sie der zeitlichen Dauer dt eines elementaren Leistungselements dP entsprechen.
• Die Quellencontroller melden periodisch oder auf Anforderung die Information über ihren aktuellen Ladezustand, aber auch die Temperatur, Alterung oder die Anzahl der bereits durchlaufenen Ladezyklen (für den Fall, dass die Quelle ein Akkumulator ist) in Form einer Zustandsmatrix M_i der ihr zugeordneten Quelle Z_i an die Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000. Diese Zustandsmatrizen werden dann in der Steuerung 2300 gespeichert.
• Die Zustandsmatrix ist immer ein Schnitt durch ein hochdimensionales Kennfeld und wird für feste Lastwiderstandswerte, Temperaturwerte etc. gebildet.
• Die Controller 1200 der Senken 1000 übermitteln nur Anforderungsprofile P_dem(t) mit Zeitstempel an die Steuerung 2300. Es wird jetzt der Lastwiderstand der zu versorgenden Senken 1000 geschätzt oder mithilfe eines Messkopfes in den Leistungsanschlüssen 1100 der Senken 1000 ermittelt. Die Steuerung kennt die Kennfelder der Quellen 3000 und somit die Abhängigkeit der Zustände z. B. vom Lastwiderstand. Dann werden die aktuellen Zustandsmatrizen entsprechend der Auswirkung der einzelnen Lastwiderstände korrigiert. Insbesondere verändert sich zum Beispiel die Entladezeit eines als Quelle verwendeten Speicherkondensators in Abhängigkeit des mit ihm in Summe verbundenen Lastwiderstands.
• Als nächsten Schritt ermittelt die Steuerung 2300 geeignete Quellen 3000, so dass zu jedem Zeitpunkt die Summe der von den einzelnen Quellen 3000 bereitgestellten Leistung gleich der Summe der von den Senken angeforderten Leistung ist. Figur zeigt diese Verteilungsaufgabe insofern vereinfacht, da nur eine einzige Senke versorgt werden muss, deren angefordertes Leistungsprofil P_dem(t) in 14 unten dargestellt ist.
• Dieses angeforderte Leistungsprofil der Senke wird nun aus den drei in 14 oben dargestellten Leistungsprofilen zusammengesetzt.
• Aus der Quelle Z1 werden im ersten und zweiten Zeitintervall z_11 und z_12 jeweils zwei elementare Leistungseinheiten dP entnommen, außerdem werden aus der Quelle Z2 für das zweite Zeitintervall ebenfalls zwei elementare Leistungseinheiten dP entnommen, sodass im zweiten Zeitintervall die Steuerung durch Reihenschaltung der beiden Quellen Z1 und Z2 für die Zeitdauer dt insgesamt vier elementare Leistungseinheiten dP zur Verfügung stellen kann. Für das dritte Zeitintervall wird keine Leistung benötigt. Im vierten Zeitintervall liefern die Quelle Z1 und die Quelle Z3 jeweils zwei elementare Leistungseinheiten dP.
• Der Algorithmus als Teil des Orchestrierungsalgorithmus für das Zusammenbauen des angeforderten Leistungsprofils beruht auf einem Paketierungsproblem. Dabei bildet das angeforderte Leistungsprofil den Packraum und die digitalisierten Leistungsprofile der Quellen stellen die Pakete zur Verfügung. Hinzukommt die Randbedingung, dass die Pakete sowohl quellenseitig als auch senkenseitig eine vorgegebene zeitliche Reihenfolge haben.
• Ein solcher Paketierungsalgorithmus, als Teil des Orchestrierungsalgorithmus, kann wie folgt aussehen:
  Seien

  

  der Wert des k-ten Anforderungsprofiles und

  

  der Wert der maximalen Leistung der j-ten Quelle während der t-ten Zeitscheibe.
• Beginnen wir mit dem Fall, dass nur eine simultane Anforderung k = 1 vorliegt:
• • Während jeder Zeitscheibe t berechne für alle Quellen j die Differenz
  
• • Falls schon für eine Quelle j gilt
  
  dann konnte die Anforderung aus einer Quelle erfüllt werden, die Berechnung endet, und der Restwert der Quelle wird um den entnommenen Wert aktualisiert:
  
  plus eventuelle weitere, vom Typ der Quelle abhängige Korrekturterme für weitere Zeitscheiben.
• • Falls keine einzelne Quelle j die Anforderung erfüllt, so wird geprüft, ob zwei Quellen j und i gibt, sodass bei
  
  In diesem Fall werden die Restwerte beider Quellen aktualisiert.
• • Falls sich die Anforderung auch mit zwei Quellen nicht erfüllen lässt, so wird es mit drei versucht, mit vier, usw.
• Sind mit einem solchen Algorithmus zwei oder mehr angeforderte Leistungsprofile der Senken zu erfüllen, so werden zwei oder mehr Rechnungen parallel durchgeführt. Dabei beginnt die eine Rechnung bei der ersten Quelle und die zweite Rechnung bei der letzten Quelle. Zur Zeitersparnis kann man die Quellen partitionieren und parallel Rechnungen für die Partitionen beginnen. Dafür muss es einen übergeordneten Kontroll- und Vergabemechanismus geben. Sind die Rechnungen in ihren Partitionen nicht erfolgreich so führen sie diese Rechnung iterativ in der nächsten durch. Hatte eine Rechnung in einer Partition Erfolg so wird der Wert für andere Rechnungen gesperrt. Für den Fall das es nur eine Lösung aber zwei oder mehr angeforderte Leistungspakete gibt, und es keine Priorität gibt die eine der anfordernden Senken auszeichnet, so kann die Entscheidung, welche Senke beliefert wird per Zufall entschieden werden oder die vorhandenen Leistungsprofile der Quellen werden gleichmäßig auf alle Senken verteilt.
• Zu beachten ist das auf die Anforderung eines Leistungspakets durch eine Senke in einer definierten Zeit geantwortet werden muss. Dies bedeutet in dem hier betrachteten Beispiel dass dann, wenn Anforderungen in 10 Millisekunden, also mit 100 Hz bearbeitet werden sollen und die CPU mit 1 MHz getaktet ist, der obige Algorithmus die Rechnung in 10.000 Taktzyklen der CPU konvertieren muss. Dies kann aber nicht immer garantiert werden. Damit die Antwortzeit eingehalten wird, werden dann die beiden besten Ergebnisse als Antwort übergeben.
• Möglichkeiten, die Berechenbarkeit in einer vorgegebenen Zeit zu ermöglichen sind beispielsweise ein Power of 2 Ansatz bei der Digitalisierung der Leistungsprofile, eine Typisierung und Klassifizierung der angeforderten Leistungsprofile, eine Parallelisierung oder eine Übermittlung typischer Merkmale.
• Insbesondere für die Anforderungen auf kurzen Zeitskalen, wie z. B. Netzstabilisierung, Nachforderungsüberbrückung und dynamische Aktor-Anforderungen benötigen Anforderungstypen und Klassen. Das heißt für diese Szenarien es gibt nur definierte Anforderungsprofile. Unter Umständen können diese durch Parameter variiert werden.
• In einer weiteren Ausführungsform werden die Quellen in Äquivalenzklassen bzgl. ihrer Leistungseigenschaften kategorisiert, z. B. in Kondensatoren, Batterien, etc. Mit Hilfe einer Mustererkennung werden die angeforderten Leistungsprofile der Senken analysiert und dann aus den Äquivalenzklassen der Quellen diejenigen Klassen ausgewählt, deren Leistungsprofile sich am geeignetsten verwenden lassen, um das jeweilige angeforderte Leistungsprofil zu synthetisieren.
• Bei der Auswahl der Quellen muss der Algorithmus zudem auch die Frage bearbeiten, ob die das angeforderte Leistungsprofil durch eine Reihenschaltung von Quellen (höhere Spannung und kleinere Ströme) oder durch eine Parallelschaltung von Quellen (kleinere Spannung aber höherer Strom) realisiert wird.
• Bei der Erstellung eines Leistungsverteilungsfahrplans für die Leistungsprofile der Quellen bei der Entnahme oder der Leistungsprofile der Senken können noch zusätzliche Parameter zu berücksichtigen sein, beispielsweise Bewirtschaftungsvorgaben auf Basis von Zyklisierungs-Management oder nicht-technische Aspekte wie Wartungsverträge von Batterien. Die Anforderungen sind daher mit einer Relevanz zu versehen. Im einfachsten Fall wird die Relevanz von einer Zahl repräsentiert. Je höher die Zahl, desto höher ist die Relevanz. Jeder Relevanz ist eine Priorität zugeordnet und die jeweilige Anforderung mit der ihrer Relevanz zugeordneten Priorität abgearbeitet.
• Wenn die Paketierungsaufgabe nicht vollständig lösbar, so wird eine Lösung mit der kleinsten Abweichung bzw. einer vorgegebenen Abweichungsschwelle gesucht. Dieses Delta wir dann an die anfordernde Senke gesandt. Diese kann dann die Anforderung ändern oder die sofortige Lieferung auslösen.
• So haben z. B. Anforderungen zur Netzstabilisierung eine höhere Relevanz verglichen mit der Relevanz von Anforderungen zur Überbrückung von Löchern zwischen einer Leistungsnachbestellung und der tatsächlichen Lieferung. Eine Anforderung mit höherer Relevanz wird mit höherer Priorität bearbeitet. Außerdem bekommen in einer Ausführungsform die Quellen dann, wenn es sich um Energiespeicher handelt, aus betrieblichen Gründen Prioritäten für die Bewirtschaftung zugewiesen. Zum Beispiel kann ein bestimmter Typ von Akkumulator für eine hohe Zugriffsfrequenz mit der nur kleine Leistungspakete abgerufen werden, ungeeigneter sein, oder ein Akkumulator hat schon eine höhere Anzahl von Ladezyklen erreicht verglichen mit einem anderen Akkumulator.
• Bei der Priorisierung soll auch die räumliche Anordnung des Netzes berücksichtigt werden. So wird aufgrund des Leitungswiderstands die Relaxationszeit eines Kondensators verändert, dies beeinflusst den Ladungs- und Entladungsprozess.
• Zur Wegfindung in der Verteilerschaltung werden bekannte Algorithmen eingesetzt. Abweichend von den Algorithmen wie sie bei Koppelfeldern in Kommunikationsnetzen eingesetzt werden, wo die Doppelbenutzung von Wegen verboten ist, ist für ein Koppelfeld zur Führung elektrischer Leistung, welche der Versorgung von elektrischen Verbraucher wie Haushalten oder Aggregaten eines Kraftfahrzeugs dienen, die Anzahl der Schalthandlungen zu reduzieren. Dies bedeutet, dass im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Leitungen eine Mehrfachbenutzung vorteilhaft sein kann.
• Anhand der 15 und 16 wird im Folgenden ein besonders instruktives Beispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Leistungsverteilers im Bordnetz eines Elektroautos beschrieben.
• In der Elektromobilität werden je nach Fahrsituation und Umweltbedingungen wechselnde Anforderungen an Strom- und Spannungsversorgung unterschiedlicher Verbraucher gestellt. Heizung, Scheinwerfer, elektroviskose Stoßdämpfer, Radnarbenmotoren: jeder Verbraucher hat andere Kennlinien, und je nach Kombination und zeitlichem Verlauf ergibt sich eine komplexe Dynamik der Anforderungen an Strom und Spannung. Traktionsbatterien eignen sich nicht für die Bordelektronik, Starterbatterien nicht für die Heizung. Keine von ihnen eignet sich dafür, durch Rekuperation gewonnene Bremsenergie aufzunehmen, dafür wären Speicherkondensatoren besser.
• 15 zeigt schematisch den Aufbau eines Bordnetzes eines Elektroautos. Bei dem Motor M handelt es sich um einen Elektromotor, der sowohl für den Antrieb des Fahrzeugs als auch für die Rekuperation von Bremsenergie verwendet wird. Der Motor M ist somit in Abhängigkeit vom Betrachten Zeitpunkt t entweder Quelle oder Senke für elektrische Energie. Der Generator G ist ein elektrischer Generator, z. B. auf Basis eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle, deren primäre Energieträger in einem separaten Tank vorgehalten werden. Batterien B und Kondensator C können ebenfalls sowohl Leistung aufnehmen oder bereitstellen, je nach eingestellter Flussrichtung des DFCs.
• Der Aufbau der Verteilerschaltung entspricht dem Aufbau, so wie er in 10 gezeigt ist. Das wesensgebende Merkmal der DFCs ist es, in dem Bordnetz, durch gezielte Erzeugung einer Potenzialdifferenz zwischen mindestens zwei Anschlüssen, einen definierte Stromfluss und damit einen definierten Leistungsfluss zwischen den Anschlüssen zu erzeugen. Durch Einfügen dieser aktiven Elemente sind die Kirchhoffschen Regeln nur stückweise und zeitweise gültig und verlieren für die globale Bestimmung der Leistungsflüsse in diesem Netz ihre Anwendbarkeit. Die DFCs sind über die Steuerung des Leistungsverteilers miteinander verknüpft und werden zur Orchestrierung der einzelnen Quellen und Senken sowie der Energieflüsse zwischen diesen eingesetzt.
• Der Steuerung der Leistungsflüsse zwischen den beteiligten DFCs und damit die Verteilung der Leistungsprofile auf die Anschlüsse der Verteilerschaltung wird nun anhand eines Beschleunigungsvorganges illustriert. Als Ausgangssituation wird eine konstante Geschwindigkeit mit konstantem Leistungsbedarf vorausgesetzt. Für den Beschleunigungsvorgang wird zusätzliche Leistung benötigt. Diese ist additiv zur bestehenden konstant bereitgestellten Leistung aufzufassen. Zusätzliche Leistung kann nur sehr kurzfristig beziehungsweise, d. h. in Quasi-Echtzeit bereitgestellt werden, da der Leistungsbedarf nach dem Wesen einer Autofahrt nicht vorhersagbar ist.
• 16 zeigt die Zusammensetzung des vom Motor M angeforderten und dann diesem bereitgestellte Leistungsprofil mit dem Einsetzen der plötzlichen Beschleunigung zum Zeitpunkt t₀. Die dazu bereitgestellte Leistung setzt sich aus drei unterschiedlichen Anteilen zusammen, die von drei verschiedenen Quellen geliefert werden. Die einhüllende des Leistungsprofils P(t) ist gleich der für die abrupte Geschwindigkeitserhöhung benötigte Leistung.
• Für t < t0 liefert der Generator G ein Leistungsprofil für den Elektromotor M. Das Leistungsprofil für die von dem Elektromotor als einer mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senke angeforderte Leistung wird von dem Gaspedal des Fahrzeugs generiert und an die Steuerung des Leistungsverteilers in Form von Daten übertragen. Der Elektromotor arbeitet dabei bei einem seiner definierten Arbeitspunkt der sich durch eine hohe Effizienz auszeichnet. Dieses Leistungsprofil stellt einen Art „Grundlast” dar. Für t > t0 wird der Beschleunigungsvorgang eingeleitet. Der Motor fordert die maximale Gesamtleistung an. In dieser Phase wird ein zusätzliches Leistungsprofil von der Kondensatorbank C bereitgestellt, da diese den höchsten Leistungsgradienten liefern kann.
• Der Energieinhalt der Kondensatorbank C reicht jedoch nicht für den gesamten Beschleunigungsvorgang aus, daher wird von der Traktionsbatterie B ein ergänzender Leistungsfluss angefordert.
• Nach Erreichen der Zielgeschwindigkeit wird eine höhere Leistung vom Generator G angefordert, da die benötigte Grundlast gestiegen ist und etwa die von der Traktionsbatterie maximal bereitstellbare Leistung zu gering ist. Dazu wechselt der Generator zu einem anderen Arbeitspunkt, für dessen Erreichen er eine gewisse Zeit benötigt, da er einen flacheren Gradienten aufweist als beispielsweise die Kondensatorbank C.
• Bezugszeichenliste

DFC

Leistungflusscontroller

1

Bidirektionaler Hochsetz-/Tiefsetzsteller

2

DC/DC-Wandler

3

Messeinrichtung

4

Rechnereinheit

5

Steuerleitung

6

Steuerleitung

7

Messleitung

8

IP-Netzwerk

9

passive Stromschiene

10

Quellen

11

Anschluss

12

Schalter

13

Physical Abstraction Layer

14

Verteilerschaltung

15

Bordnetz

1000

Senke

1100

elektrischer Anschluss der Senke

1200

Controller

1300

Verbraucher

2000

elektrischer Leistungsverteiler

2100

Verteilerschaltung

2200

Kommunikationseinrichtung

2300

Steuerung

3000

Quelle

3100

elektrischer Anschluss der Quelle

3200

Controller

3300

Generator

10000

Stromnetz

Claims (15)

1. Elektrischer Leistungsverteiler (2000) für ein Stromnetz mit einer elektrischen Verteilerschaltung (2100), die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüssen Quellen (3000) und Senken (1000) für elektrische Energie verbindbar sind, wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und wobei jeder der Anschlüsse jeweils einen Leistungssteller (1) aufweist, der so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einstellbar ist, einer Kommunikationseinrichtung (2200), die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist und der so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen (3000) oder Senken (1000) empfängt, und einer Steuerung (2300) zum Steuern einer Verteilung eines Flusses der elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an den Anschlüssen, wobei die Steuerung (2300) mit der Kommunikationseinrichtung (2200) derart verbunden ist, dass die von der Kommunikationseinrichtung (2200) empfangenen Daten von der Steuerung (2300) verarbeitbar sind, wobei die Steuerung (2300) mit jedem der Leistungssteller (1) verbunden ist, wobei die Steuerung (2300) derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von den von den Quellen (3000) oder Senken (1000) empfangenen Daten berechnet, und wobei die Steuerung (2300) derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t steuert.
2. Leistungsverteiler (2000) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers für jeden Zeitpunkt t die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) berechnet aus – der zu dem Zeitpunkt t von jeder Quelle (3000) maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung P_max(t) und – der zu dem Zeitpunkt t von jeder Senke (1000) benötigten elektrischen Leistung P_dem(t), und dass sie die Leistungssteller (1) derart steuert, dass die berechnete elektrische Leistung P(t) zum Zeitpunkt t an dem jeweiligen Anschluss eingestellt ist.
3. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerschaltung (2100) ein Koppelfeld umfasst, wobei Knoten des Koppelfelds vorzugsweise von regelbaren Leistungsstellern (1) gebildet werden.
4. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerschaltung (2100) einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt ein Koppelfeld umfasst, das so ausgestaltet ist, dass alle Anschlüsse des ersten Koppelfelds, die mit einer Quelle (3000) oder einer Senke (1000) verbindbar sind, parallel oder in Reihe geschaltet mit dem zweiten Abschnitt der Verteilerschaltung (2100) verbindbar sind.
5. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Anschlüsse einen Spannungswandler (2) und/oder jeder der Anschlüsse eine Messeinrichtung (3) zum Erfassen einer über den Anschluss fließenden elektrischen Ist-Leistung und/oder eine Steuerung (4) aufweist, wobei die Steuerung (4) so ausgestaltet ist, dass er die Ist-Leistung über den Anschluss so regelt, dass diese gleich der berechneten Leistung P(t) ist.
6. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als ganzzahliges Vielfaches einer elementaren Leistung dP approximiert, wobei dP über ein Zeitintervall dt konstant ist.
7. Leistungsverteiler (2000) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als

   

   approximiert.
8. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) digitalisierte über jeden der mit einer Quelle (3000) verbundenen Anschlüsse fließende elektrische Leistungen P(t) auf die mit einer Senke (1000) verbundenen Anschlüssen fließenden elektrischen Leistungen P(t) aufteilt, wobei vorzugsweise folgende Schritte ausgeführt werden: 3. Berechnen für jede Zeitscheibe t und für alle Quellen j die Differenz

   

   5. falls schon für eine einzige Quelle j gilt

   

   so kann die Anforderung aus einer einzigen Quelle erfüllt werden, die Berechnung endet, und der Restwert der Quelle wird um den entnommenen Wert

   

   und vorzugsweise weitere, vom Typ der Quelle abhängige Korrekturterme Zeitscheiben aktualisiert, 6. falls nicht eine einzige Quelle j die Anforderung erfüllt, Prüfen, ob es zwei Quellen j und i gibt, sodass bei

   

   und falls diese Bedingung erfüllt ist Aktualisieren der Restwerte beider Quellen, so dass für beiden Quellen jeweils gilt

   

   7. falls sich die Anforderung auch mit zwei Quellen nicht erfüllen lasse, Wiederholen des Schritts 2 mit drei und mehr Quellen, wobei

   

   der Wert des k-ten Anforderungsprofiles und

   

   der Wert der maximalen bereitgestellten Leistung der j-ten Quelle während der t-ten Zeitscheibe sind.
9. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) den Stromfluss unter der Annahme elementarer Energiepakete mit einer Energie dP × dt steuert.
10. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die Leistungssteller (1) derart steuert, dass zu jedem Zeitpunkt t die an einem Anschluss, der mit einer Senke (1000) verbunden ist, bereitgestellte elektrische Leistung P(t) gleich der zu diesem Zeitpunkt von der Senke (1000) benötigten Leistung P_dem(t) ist.
11. Elektrischer Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem elektrischen Energiespeicher, der so eingerichtet ist, dass er im Betrieb elektrische Energie aufnehmen, speichern und/oder abgeben kann, wobei der Energiespeicher mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers (2000) elektrisch verbunden ist, wobei der Energiespeicher so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand des Energiespeichers die von dem Energiespeicher zu einem zukünftigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung P_max(t) und eine zu einem Zeitpunkt t maximale Leistungsaufnahme P_cap(t) berechenbar ist, und wobei die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) bei dem Berechnen der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) die zu diesem Zeitpunkt t von dem Energiespeicher bereitstellbare maximale elektrische Leistung P_max(t) oder die zu diesem Zeitpunkt t mögliche Leistungsaufnahme P_cap(t) des Energiespeichers berücksichtigt.
12. Elektrisches Stromnetz (10000) mit einem elektrischen Leistungsverteiler nach Anspruch 11, einem Datennetzwerk, das mit der Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers verbunden ist, mindestens einer Quelle (3000) für elektrische Energie, wobei die Quelle (3000) mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, wobei die Quelle (3000) so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Quelle (3000) die von der Quelle (3000) zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) berechenbar ist, und wobei die Quelle (3000) eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung (3200) aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Quelle (3000) und/oder mit einer Information über die zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung P_max(t) an die Kommunikationseinrichtung (2200) des Leistungsverteilers (2000) überträgt, und mit mindestens einer Senke (1000) für elektrische Energie, wobei die Senke (1000) mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers (2000) elektrisch verbunden ist, und wobei die Senke (1000) eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung (1200) aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über eine zu einem zukünftigen Zeitpunkt t von der Senke (1000) benötigte elektrische Leistung P_dem(t) an die Kommunikationseinrichtung (2200) des Leistungsverteilers (2000) überträgt.
13. Elektrisches Stromnetz (10000) nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (3000) und die Senke (1000) über eine Freileitung, eine Erdleitung oder eine Unterwasserleitung mit dem Leistungsverteiler (2000) verbunden sind oder dass das elektrische Stromnetz ein Bordnetz (15) eines Fahrzeugs, eines Luftfahrzeugs oder eines Schiffes ist.
14. Elektrisches Stromnetz (10000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher und die Quelle (3000) ein voneinander verschiedenes Leistungsprofil P(t) aufweisen.
15. Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz mit den Schritten: Verbinden von mindestens drei Quellen und Senken für elektrische Energie mit jeweils einem Anschluss einer Verteilerschaltung, wobei die Anschlüsse der Verteilerschaltung derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und Empfangen von Daten von den Quellen oder Senken, Berechnen der über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t und in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten und Steuern der zu einem Zeitpunktt über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) mit Hilfe jeweils eines mit dem Anschluss verbundenen Leistungsstellers.

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