DE102014208396A1 - Electric consumer and method of operating an electrical consumer - Google Patents

Electric consumer and method of operating an electrical consumer Download PDF

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Wolfgang Friede
Uwe Limbeck
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Elektrischer Verbraucher (100), aufweisend: – eine Schnittstelleneinrichtung (10), mittels der der Verbraucher (100) an ein Wechselstromnetz (W) anschließbar ist, – eine Stromrichtereinrichtung (20), die mittels einer ersten Regelungseinrichtung (30) ansteuerbar ist, und – eine zweite Regelungseinrichtung (40), der eine elektrische Kenngrösse (K) des Wechselstromnetzes (W) zuführbar ist, wobei mittels der Stromrichtereinrichtung (20) in Abhängigkeit von der elektrischen Kenngröße (K) des Wechselstromnetzes (W) eine elektrische Spannung des Wechselstromnetzes (W) regelbar ist, wobei von der zweiten Regelungseinrichtung (40) eine Regelgröße (R) für die erste Regelungseinrichtung (30) bereitstellbar ist.Electric consumer (100), comprising: - an interface device (10) by means of which the load (100) can be connected to an AC mains (W), - a power converter device (20) which can be controlled by means of a first control device (30), and - A second control device (40) to which an electrical characteristic (K) of the AC network (W) can be supplied, wherein by means of the power converter means (20) in dependence on the electrical characteristic (K) of the AC network (W) an electrical voltage of the AC mains ( W), wherein a control variable (R) for the first control device (30) can be provided by the second control device (40).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verbraucher und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers.The invention relates to an electrical load and a method for operating an electrical load.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Wärmepumpen spielen in der Heizung und Klimatisierung von Gebäuden (z.B. zum Kühlen, Heizen, Warmwasseraufbereiten usw.) eine zunehmend größere Rolle. Dabei wird elektrische Energie genutzt, um Wärme zur Verfügung zu stellen oder abzuführen. Durch die Nutzung elektrischer Leistung kann sich die elektrische Spannung im Stromnetz, an das die elektrische Wärmepumpe angeschlossen ist, verringern. Für zulässige elektrische Spannungsänderungen im öffentlichen Stromnetz gelten Grenzen, die in Normen definiert sind, beispielsweise in der EN 50160 . Dies führt dazu, dass Stromversorgungsnetze unter Umständen überlastet werden können und dadurch gegebenenfalls ein Anschluss zusätzlicher Wärmepumpen nicht genehmigt wird.Electric heat pumps play an increasingly important role in the heating and air conditioning of buildings (eg for cooling, heating, hot water treatment, etc.). This electrical energy is used to provide heat or dissipate. Using electrical power can reduce the electrical voltage in the power grid to which the electric heat pump is connected. For permissible electrical voltage changes in the public power grid, limits defined in standards, such as the EN 50160 , As a result, it is possible that power grids may be overloaded, possibly preventing the connection of additional heat pumps.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die elektrische Netzspannung durch folgende Möglichkeiten in einem zulässigen Band gehalten wird:

  • – Für Erzeuger und Verbraucher kann eine Senkung bzw. eine Begrenzung der eingespeisten Wirkleistung vorgesehen sein. Dies ist zum Beispiel bekannt aus DE 10 2012 016 846 A1 .
  • – Für Erzeuger (z.B. Fotovoltaikanlagen, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, usw.) ist ein Blindleistungsbezug während der Einspeisung, das heißt eine Einstellung des Phasenwinkels φ zwischen elektrischer Spannung und elektrischem Strom vorgesehen. Dies ist beispielsweise aus den Normen VDE AR N 4105 und EN 50438 bekannt.
It is known from the prior art that the electrical mains voltage is kept within a permissible range by the following possibilities:
  • - For producers and consumers, a reduction or limitation of the injected active power can be provided. This is known for example DE 10 2012 016 846 A1 ,
  • - For producers (eg photovoltaic systems, combined heat and power plants, etc.) is a reactive power reference during the feed, that is, an adjustment of the phase angle φ between electrical voltage and electric current provided. This is for example from the Standards VDE AR N 4105 and EN 50438 known.

Es ist ferner bekannt, dass eine Regelung der Blindleistung zwar die elektrische Spannung positiv beeinflussen, dabei aber die Belastung des elektrischen Versorgungsnetzes, insbesondere eines darin verwendeten Transformators erhöhen kann.It is also known that although a regulation of the reactive power positively influence the electrical voltage, it can increase the load on the electrical supply network, in particular of a transformer used therein.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Verwendung eines elektrischen Verbrauchers in einem elektrischen Stromversorgungsnetz bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide an improved use of an electrical load in an electrical power grid.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem elektrischen Verbraucher, aufweisend:

  • – eine Schnittstelleneinrichtung, mittels der der Verbraucher an ein Wechselstromnetz anschließbar ist,
  • – eine Stromrichtereinrichtung, die mittels einer ersten Regelungseinrichtung ansteuerbar ist, und
  • – eine zweite Regelungseinrichtung, der eine elektrische Kenngröße des Wechselstromnetzes zuführbar ist, wobei mittels der Stromrichtereinrichtung in Abhängigkeit von der elektrischen Kenngröße des Wechselstromnetzes eine elektrische Spannung des Wechselstromnetzes regelbar ist, wobei von der zweiten Regelungseinrichtung eine Regelgröße für die erste Regelungseinrichtung bereitstellbar ist.
The object is achieved according to a first aspect with an electrical consumer, comprising:
  • An interface device by means of which the consumer can be connected to an AC mains,
  • - A power converter device which is controllable by means of a first control device, and
  • - A second control device to which an electrical characteristic of the AC power supply can be fed, wherein by means of the power converter device in dependence on the electrical characteristic of the AC power supply, an electrical voltage of the AC power supply is controllable, wherein a control variable for the first control device is provided by the second control device.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers, der an ein elektrisches Wechselstromnetz angeschlossen ist, aufweisend die Schritte:

  • – Erfassen einer elektrischen Kenngröße des Wechselstromnetzes;
  • – Zuführen der Kenngröße an eine zweite Regelungseinrichtung des Verbrauchers; und
  • – Regeln einer elektrischen Spannung des Wechselstromnetzes in Abhängigkeit von der Kenngröße.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for operating an electrical consumer, which is connected to an electrical alternating current network, comprising the steps:
  • - detecting an electrical characteristic of the AC network;
  • - supplying the parameter to a second control device of the consumer; and
  • - Rules of an electrical voltage of the AC network as a function of the characteristic.

Auf diese Weise wird der elektrische Verbraucher in die Lage versetzt, zugleich Wirkleistung zu beziehen und gleichzeitig Blindleistung in das Wechselstromnetz zu liefern oder aus dem Wechselstromnetz zu beziehen, wodurch ein elektrisches Spannungsniveau geregelt wird. Beispielsweise kann dadurch ein Sollwert der elektrischen Spannung gehalten bzw. nicht über- oder unterschritten werden. Vorteilhaft können auf diese Weise elektrische Spannungen begrenzt bzw. wenigstens Extrema der elektrischen Spannungen abgeschwächt werden, ohne die Funktionalität des Verbrauchers zu beeinträchtigen.In this way, the electrical load is enabled to simultaneously draw active power and simultaneously supply reactive power to or from the AC mains, thereby controlling an electrical voltage level. By way of example, this can be used to maintain or not exceed a desired value of the electrical voltage. Advantageously, in this way electrical voltages can be limited or at least extremes of the electrical voltages can be reduced without impairing the functionality of the consumer.

Vorteilhafte Weiterbildungen des elektrischen Verbrauchers und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.Advantageous developments of the electrical load and the method are the subject of dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verbrauchers zeichnet sich dadurch aus, dass als Kenngröße eine elektrische Spannung des Wechselstromnetzes oder eine aus dem Wechselstromnetz aufgenommene Wirkleistung dient. Auf diese Weise können unterschiedliche Kenngrößen des Wechselstromnetzes für den Verbraucher verwendet werden, wodurch eine Vielfalt an Betriebsmoden für den Verbraucher unterstützt ist.An advantageous development of the consumer according to the invention is characterized in that the characteristic used is an electrical voltage of the AC mains or a power absorbed by the AC mains. In this way, different characteristics of the AC network can be used for the consumer, thereby a variety of operating modes for the consumer is supported.

Eine weitere Ausführungsform des Verbrauchers zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelgröße eine Blindleistung oder ein Phasenwinkel ist. Dadurch werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Regelung der Spannung durch den Verbraucher bereitgestellt. Beispielsweise kann von einem Netzbetreiber an den Verbraucher eine bereitzustellende Netzdienstleistung in Form von Blindleistung vorgegeben werden, die der Verbraucher mit der Regelgröße Blindleistung im Wesentlichen erfüllen kann.A further embodiment of the consumer is characterized in that the controlled variable is a reactive power or a phase angle. This provides different options for regulating the voltage by the consumer provided. For example, can be specified by a network operator to the consumer a network service to be provided in the form of reactive power, which can meet the consumer with the control variable reactive power substantially.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verbrauchers zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Regelungseinrichtung eines aus der folgenden Gruppe ist: P-Regler, PI-Regler, PID-Regler. Auf diese Weise können mit unterschiedlichen Reglertypen vorteilhaft unterschiedliche Regelungsstrategien für das Wechselstromnetz umgesetzt werden.A further advantageous development of the consumer is characterized in that the second control device is one of the following group: P controller, PI controller, PID controller. In this way, different control strategies for the AC network can advantageously be implemented with different controller types.

Eine weitere Ausführungsform des Verbrauchers zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Regelungseinrichtung Steuersignale für Halbleiterschalter der Stromrichtereinrichtung oder für passive Bauelemente der Stromrichtereinrichtung bereitstellt. Auf diese Weise sind für den Verbraucher vorteilhaft unterschiedliche Möglichkeiten zum Umsetzen der gewählten Regelungsstrategie unterstützt.A further embodiment of the consumer is characterized in that the second control device provides control signals for semiconductor switches of the power converter device or for passive components of the power converter device. In this way, different options for implementing the selected control strategy are advantageously supported for the consumer.

Eine weitere Ausführungsform des Verbrauchers sieht vor, dass die elektrische Spannung des Wechselstromnetzes intern oder extern von der Stromrichtereinrichtung erfasst wird. Auf diese Weise können unterschiedliche Erfassungspunkte der elektrischen Spannung an den Verbraucher vorgegeben werden, wodurch eine übergeordnete Regelungsstrategie mit mehreren Erzeugern und Verbrauchern umgesetzt werden kann.A further embodiment of the consumer provides that the electrical voltage of the AC mains is detected internally or externally by the power converter device. In this way, different detection points of the electrical voltage can be specified to the consumer, whereby a higher-level control strategy with multiple producers and consumers can be implemented.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Zeichnungen, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all features, regardless of their representation in the description and in the drawings, as well as regardless of their dependency in the claims, the subject of the invention. The figures are intended in particular to clarify the principles essential to the invention.

In den Figuren zeigt:In the figures shows:

1 ein prinzipielles Diagramm zur Erläuterung eines bekannten Verfahrens, bei dem von einem Erzeuger Blindleistung in das Stromversorgungsnetz eingespeist wird; 1 a schematic diagram for explaining a known method in which by a generator reactive power is fed into the power grid;

2 ein Diagramm zur Erläuterung des Phasenwinkels im Verbraucherzählpfeilsystem; 2 a diagram for explaining the phase angle in the Verbraucherzählpfeilsystem;

3 eine Ausführungsform eines elektrischen Verbrauchers; 3 an embodiment of an electrical consumer;

4 eine Kennlinie einer Regelungsstrategie, die mit dem Verbraucher realisierbar ist; 4 a characteristic of a regulatory strategy that is feasible with the consumer;

5 eine Darstellung von Schwellwerten zur Umsetzung der Regelungsstrategie durch den Verbraucher; 5 a representation of thresholds for the implementation of the regulatory strategy by the consumer;

6 eine Kennlinie einer weiteren Regelungsstrategie, die mit dem Verbraucher realisierbar ist; 6 a characteristic of another regulatory strategy that is feasible with the consumer;

7 eine Kennlinie einer weiteren Regelungsstrategie, die mit dem Verbraucher realisierbar ist; 7 a characteristic of another regulatory strategy that is feasible with the consumer;

8 eine Kennlinie einer weiteren Regelungsstrategie, die mit dem Verbraucher realisierbar ist; und 8th a characteristic of another regulatory strategy that can be realized with the consumer; and

9 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des Verfahrens. 9 a basic sequence of an embodiment of the method.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt prinzipiell, dass elektrische Erzeuger in bekannter Weise elektrische Blindleistung Q in ein elektrisches Wechselstromnetz W einspeisen. In der linken Darstellung ist ein Diagramm mit vier Quadranten erkennbar, wobei auf der x-Achse ein Verhältnis einer Wirkleistung P zu einer Nennwirkleistung Pn und auf der y-Achse ein Verhältnis einer Blindleistung Q zur Nennwirkleistung Pn dargestellt ist. Das negative Vorzeichen auf der x-Achse deutet eine Einspeisung von Wirkleistung P in das Wechselstromnetz W an. Eine Schraffierung markiert einen Bereich, der vom Erzeuger leistungsmäßig abgedeckt bzw. bereitgestellt werden muss. Dies bedeutet, dass der Erzeuger in der Lage sein muss, bei Bereitstellung einer gewissen Wirkleistung gleichzeitig einen gewissen Betrag an Blindleistung entweder einzuspeisen oder zu beziehen. 1 shows in principle that electrical generators feed electrical reactive power Q in a known manner in an electrical AC mains W. In the left-hand illustration, a diagram with four quadrants can be seen, wherein on the x-axis a ratio of an active power P to a nominal active power P n and on the y-axis a ratio of a reactive power Q to the nominal active power P n is shown. The negative sign on the x-axis indicates an injection of active power P into the alternating current network W. Hatching marks an area that needs to be covered or provided by the producer in terms of performance. This means that the producer must be able to either feed or purchase a certain amount of reactive power while providing some active power.

In der rechten Darstellung von 1 ist eine Kennlinie einer Regelungsstrategie dargestellt, die vorsieht, dass vom Erzeuger unterhalb eines definierten Wirkleistungswerts P1 und oberhalb eines definierten Wirkleistungswerts P2 ein definierter Blindleistungswert in das Wechselstromnetz eingespeist wird. Bei Erzeugern wird dieses Prinzip oftmals verwendet, um die elektrische Spannung zu senken, da andernfalls die elektrische Spannung über einen maximalen Grenzwert steigen würde.In the right representation of 1 a characteristic of a control strategy is shown, which provides that the generator below a defined active power value P 1 and above a defined active power value P 2, a defined reactive power value is fed into the AC grid. In generators, this principle is often used to lower the voltage, otherwise the voltage would rise above a maximum limit.

2 zeigt eine Definition eines Verbraucherzählpfeilsystems, welches nachfolgend stets verwendet wird. Erkennbar ist ein Koordinatensystem mit der Wirkleistung P auf der x-Achse und der induktiven Blindleistung Q auf der positiven y-Achse sowie der Scheinleistung S als ein Betrag einer Leistung, der als eine komplexe Summe aus Wirkleistung P und Blindleistung Q unter einem definierten Phasenwinkel φ zur Wirkleistung P angeordnet ist. 2 shows a definition of a consumer counting arrow system, which is always used below. Recognizable is a coordinate system with the active power P on the x-axis and the inductive reactive power Q on the positive y-axis and the apparent power S as an amount of power, as a complex sum of active power P and reactive power Q under a defined phase angle φ to the active power P is arranged.

3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbrauchers 100. Der Verbraucher 100 weist eine elektrische Stromrichtereinrichtung 20 auf, der im Falle eines Elektromotors bzw. eines bürstenlosen Gleichstrommotors beispielweise als ein Frequenzumrichter oder im Falle eines Gleichstrommotors als ein Gleichrichter ausgebildet sein kann. Der Verbraucher 100 kann ein Wechselspannungsverbraucher oder ein Gleichspannungsverbraucher sein, er muss jedenfalls eine Schnittstelleneinrichtung 10 aufweisen, um einen elektrischen Anschluss an ein elektrisch versorgendes Wechselstromnetz W zu realisieren. Im Falle eines Gleichrichters/Umrichters übernimmt dieser die Funktion der Schnittstelleneinrichtung 10. 3 shows a first embodiment of an electrical consumer according to the invention 100 , The consumer 100 has an electrical power conversion device 20 on, which may be formed in the case of an electric motor or a brushless DC motor, for example, as a frequency converter or in the case of a DC motor as a rectifier. The consumer 100 may be an AC consumer or a DC consumer, he must in any case an interface device 10 have to realize an electrical connection to an electrically powered AC mains W. In the case of a rectifier / inverter this assumes the function of the interface device 10 ,

Der Verbraucher 100 umfasst ferner eine erste Regelungseinrichtung 30, die verwendet wird, um den Stromrichter 20 mit Steuersignalen für Halbleiterschalter (nicht dargestellt) des Stromrichters 20 anzusteuern. Die erste Regelungseinrichtung 30 kann dabei intern oder extern vom Verbraucher 100 angeordnet sein. Eine elektrische Kenngröße K des Wechselstromnetzes W wird gemessen bzw. erfasst und einer zweiten Regelungseinrichtung 40 des Verbrauchers 100 zugeführt, worauf die zweite Regelungseinrichtung 40 an die erste Regelungseinrichtung 30 eine Regelgröße R (z.B. einen vom Stromrichter 20 einzustellenden Phasenwinkel φ oder einen vom Stromrichter 20 einzustellenden Wert einer Blindleistung Q) ausgibt.The consumer 100 further comprises a first control device 30 that is used to power the converter 20 with control signals for semiconductor switch (not shown) of the power converter 20 head for. The first control device 30 can do this internally or externally by the consumer 100 be arranged. An electrical parameter K of the AC network W is measured or detected and a second control device 40 of the consumer 100 supplied, whereupon the second control device 40 to the first control device 30 a controlled variable R (eg one from the power converter 20 to be set phase angle φ or one of the converter 20 to be set value of a reactive power Q).

Im Ergebnis bedeutet dies, dass je nach Zustand des Wechselstromnetzes W vom Stromrichter 20 in das Wechselstromnetz W eine Blindleistung Q entweder eingespeist oder aus dem Wechselstromnetz W eine Blindleistung Q bezogen wird. Dies bedeutet einen regelnden Einfluss auf die elektrische Spannung V des Wechselstromnetzes W, der es ermöglicht, dass die elektrische Spannung V des Wechselstromnetzes W innerhalb vordefinierter Grenzen bleibt. Dadurch kann erreicht werden, dass ein definierter Pegel der elektrischen Spannung V nicht überschritten bzw. unterschritten wird. Vorteilhaft bedeutet dies, dass ein negativer Einfluss von leistungsstarken elektrischen Verbrauchern 100 auf ein elektrisches Spannungsniveau das Stromversorgungsnetz W begrenzt wird, wodurch eine größere Anzahl von elektrischen Verbrauchern 100 an das Stromversorgungsnetz W angeschlossen werden kann.As a result, this means that depending on the state of the AC mains W from the power converter 20 in the AC mains W, a reactive power Q is either fed or from the AC mains W, a reactive power Q is obtained. This means a regulating influence on the electrical voltage V of the AC mains W, which allows the electrical voltage V of the AC mains W to remain within predefined limits. It can thereby be achieved that a defined level of the electrical voltage V is not exceeded or undershot. Advantageously, this means that a negative influence of powerful electrical consumers 100 is limited to an electrical voltage level, the power grid W, creating a larger number of electrical consumers 100 can be connected to the power grid W.

Der Verbraucher 100 wird beispielsweise mit einer Spannungsmessung ausgerüstet, die entweder an einem Hausanschluss oder am Gerät selbst oder an einem Stromzähler (z.B. mittels Smart Meter) oder innerhalb einer Hausinstallation angeordnet sein kann. Von außerhalb des Hauses kann ein Signal über eine Kommunikationsschnittstelle (z.B. vom Netzbetreiber, Aggregator) übermittelt werden. Im Falle, dass die Spannungsversorgung außerhalb des Verbrauchers 100 liegt, kann der Messwert über eine Kommunikationsleitung bzw. über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle (nicht dargestellt) an den Verbraucher 100 übertragen werden. Alternativ kann auch direkt eine Blindleistungsanforderung vom Sensor an den Verbraucher 100 übertragen werden.The consumer 100 For example, it is equipped with a voltage measurement which can be arranged either at a house connection or at the device itself or at an electricity meter (eg by means of a smart meter) or within a domestic installation. From outside the house, a signal can be transmitted via a communication interface (eg from the network operator, aggregator). In the event that the power supply is outside the consumer 100 is, the measured value via a communication line or via a wireless communication interface (not shown) to the consumer 100 be transmitted. Alternatively, a reactive power demand from the sensor to the consumer may also be directly available 100 be transmitted.

4 zeigt eine Kennlinie einer ersten Regelungsstrategie, die mit dem Verbraucher 100 realisierbar ist. Sie sieht vor, dass elektrische Blindleistung Q vom Verbraucher 100 dann bereitgestellt wird, wenn von der elektrischen Kenngröße K des Wechselstromnetzes W, an das der Verbraucher 100 angeschlossen ist, abgewichen wird. Als Regelgröße R wird dabei der Phasenwinkel φ verwendet, der auch eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung des Wechselstromnetzes W definiert. Er wird derart eingestellt, dass Blindleistung Q entweder bezogen oder eingespeist wird, so dass sich der Spannungswert V wieder auf den sogenannten „Totbandbereich“ T der elektrischen Spannung V zubewegt. 4 shows a characteristic of a first regulatory strategy with the consumer 100 is feasible. It provides that electrical reactive power Q from the consumer 100 is then provided when of the electrical characteristic K of the AC mains W, to which the consumer 100 is deviated. As controlled variable R, the phase angle φ is used, which also defines a phase shift between current and voltage of the alternating current network W. It is set such that reactive power Q is either sourced or fed in, so that the voltage value V moves back to the so-called "deadband range" T of the electrical voltage V.

Es wird zu diesem Zweck die elektrische Netzspannung V gemessen bzw. erfasst, wobei bei einem Unterschreiten einer festgelegten Spannungsgrenze Vset_min der Phasenwinkel φ derart eingestellt wird, dass zusätzlich zum Wirkleistungsbezug Blindleistung Q generiert wird. Ein Blindleistungsfluss entgegen dem Wirkleistungsfluss führt zu einer Spannungserhöhung am Anschlusspunkt des elektrischen Verbrauchers 100 am Wechselstromnetz W. Die Einstellung des Phasenwinkels φ geschieht vorzugsweise über eine Ansteuerung von leistungselektronischen Schaltern der Stromrichtereinrichtung 20 des Verbrauchers 100. Alternativ ist es auch denkbar, dass passive Bauelemente, beispielsweise in Form von Spulen und Kondensatoren (z.B. stufenweise) geschaltet werden. Auf diese Weise ist zur Umsetzung der Regelungsstrategie im Verbraucher 100 vorteilhaft nicht unbedingt eine Leistungselektronik erforderlich.For this purpose, the electrical mains voltage V is measured or detected, the phase angle φ being set in such a way that the reactive power Q is generated in addition to the active power reference when the voltage Vset_min falls below a specified voltage limit. A reactive power flow against the active power flow leads to a voltage increase at the connection point of the electrical load 100 at the AC mains W. The adjustment of the phase angle φ is preferably done by a control of power electronic switches of the power converter device 20 of the consumer 100 , Alternatively, it is also conceivable that passive components, for example in the form of coils and capacitors (eg stepwise) are switched. In this way is to implement the regulatory strategy in the consumer 100 advantageous not necessarily a power electronics required.

4 zeigt somit eine Blindleistungssteuerung, ausgedrückt in cos (φ) in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung V. Die Blindleistungssteuerung erfolgt anhand einer Spannungs-Phasenwinkel φ-Kennlinie, die durch folgende Kenngrößen charakterisiert ist:

  • – maximaler bzw. minimaler Phasenwinkel φ
  • – Steigung der Flanken der Kennlinie
  • – Schwellwerte Vset_min und Vset_max
4 thus shows a reactive power control, expressed in cos (φ) as a function of the electrical voltage V. The reactive power control is based on a voltage-phase angle φ characteristic, which is characterized by the following characteristics:
  • - maximum or minimum phase angle φ
  • - Slope of the flanks of the characteristic
  • - Thresholds Vset_min and Vset_max

Die beiden Spannungsschwellwerte Vset_min und Vset_max können eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:

  • – Identisch sein
  • – Voneinander unabhängig sein
  • – Anhand einer Netzspannungsmessung im ausgeschalteten Zustand des Verbrauchers 100 definiert werden (z.B. täglich). Der Sollwert wird auf diese Spannung oder leicht darunter gesetzt
  • – Anhand einer Mittelwertbildung über eine Spannungsmessung (z.B. im ausgeschalteten) Zustand des Verbrauchers 100 definiert werden
  • – In Abhängigkeit der Position des Verbrauchers 100 am Strang des Wechselstromnetzes W eingestellt werden
The two voltage thresholds Vset_min and Vset_max can have one or more of the following properties:
  • - Be identical
  • - be independent of each other
  • - Based on a mains voltage measurement in the off state of the consumer 100 be defined (eg daily). The setpoint is set to this voltage or slightly below it
  • - By averaging over a voltage measurement (eg in the off state) of the consumer 100 To be defined
  • - Depending on the position of the consumer 100 be set on the strand of AC mains W.

Dabei ist insbesondere günstig, die Werte der Spannungsschwellwerte Vset_min und Vset_max von einem Netzeinspeisungspunkt, z.B. einem Mittelspannungs-/Niederspannungstransformator, zum Ende der Leitung aufsteigend/absteigend einzustellen. Hierbei kann besonders auch die Tatsache genutzt werden, dass der Spannungsabfall bzw. -anstieg durch den Bezug bzw. die Einspeisung einer bestimmten Wirkleistung P bzw. Blindleistung Q anhand der Schleifenimpedanz berechnet werden kann.In this case, it is particularly favorable to set the values of the voltage threshold values Vset_min and Vset_max from a grid feed point, e.g. a medium-voltage / low-voltage transformer, to set the end of the line ascending / descending. In this case, the fact can be used in particular that the voltage drop or increase can be calculated by the reference or the supply of a specific active power P or reactive power Q based on the loop impedance.

Vorzugsweise wird eine Definition der Werte Vset_min und Vset_max einmalig durchgeführt, beispielsweise in einer Initialisierungsphase des elektrischen Verbrauchers 100. Dies kann insbesondere basierend auf einer am Anschlusspunkt des Verbrauchers 100 durchgeführten Messung der Schleifenimpedanz des Wechselstromnetzes W durchgeführt werden.Preferably, a definition of the values Vset_min and Vset_max is performed once, for example in an initialization phase of the electrical load 100 , This may in particular be based on one at the connection point of the consumer 100 carried out measurement of the loop impedance of the AC mains W.

5 zeigt beispielhafte Kennlinien der Kennwerte Vset_min und Vset_max in Abhängigkeit von einer Position des Verbrauchers 100 bezogen auf einen Anschlusspunkt. Dargestellt sind jeweils drei Verläufe von Vset_max und Vset_min, wobei erkennbar ist, dass ein Verlauf der genannten Kennwerte von einer Entfernung d des elektrischen Verbrauchers 100 zum Anschlusspunkt abhängt. 5 shows exemplary characteristics of the characteristic values Vset_min and Vset_max as a function of a position of the consumer 100 related to a connection point. In each case, three curves of Vset_max and Vset_min are shown, wherein it can be seen that a profile of the mentioned characteristic values is at a distance d of the electrical consumer 100 depends on the connection point.

6 zeigt qualitativ eine Kennlinie einer weiteren möglichen Regelungsstrategie für den Verbraucher 100. Dargestellt ist ein Verlauf einer Blindleistungsregelung in Abhängigkeit einer elektrischen Spannung V. Erkennbar sind wiederum die zwei Kennwerte Vset_max und Vset_min, die den Totbandbereich T begrenzen, innerhalb dessen vom Verbraucher 100 keine Blindleistungsregelung durchgeführt wird. Bei einem Abweichen der Spannung V vom Totbandbereich T wird mittels der Blindleistungsregelung versucht, die elektrische Spannung V wiederum in den Totbandbereich hinzuführen bzw. wenigstens an den Totbandbereich T anzunähern. 6 shows qualitatively a characteristic of another possible regulation strategy for the consumer 100 , Shown is a course of a reactive power control as a function of an electrical voltage V. Visible again are the two characteristic values Vset_max and Vset_min, which limit the deadband area T, within which of the consumer 100 No reactive power control is performed. In the case of a deviation of the voltage V from the deadband region T, it is attempted by means of the reactive power regulation to lead the electrical voltage V in turn into the deadband region or at least approach the deadband region T.

Die Kennlinie von 6 ist charakterisiert durch folgende Eigenschaften:

  • – Maximale bzw. minimale Blindleistung Q
  • – Steigung der Flanken der Kennlinie
  • – Kennwerte vset_min und Vset_max
The characteristic of 6 is characterized by the following properties:
  • - Maximum or minimum reactive power Q
  • - Slope of the flanks of the characteristic
  • - Characteristics vset_min and Vset_max

Auch 7 zeigt in prinzipieller Weise eine weitere Kennlinie einer Regelungsstrategie für den Verbraucher 100, die in diesem Fall als eine Blindleistungssteuerung, ausgedrückt in cos φ in Abhängigkeit von der Wirkleistung P des Verbrauchers 100 ausgebildet ist. Vorteilhaft ist eine derartige Ausgestaltung der Regelungsstrategie besonders schwingungsarm. Die Blindleistungssteuerung erfolgt in diesem Fall anhand einer Leistungs-Phasenwinkel-Kennlinie, die sich durch folgende Charakteristika auszeichnet:

  • – maximaler Phasenwinkel φ
  • – Steigung der Flanke der Kennlinie
  • – Totbandbereich T der Wirkleistung P
Also 7 shows in principle a further characteristic of a control strategy for the consumer 100 , in this case as a reactive power control, expressed in cos φ as a function of the active power P of the consumer 100 is trained. Advantageously, such a refinement of the control strategy is particularly low in vibration. The reactive power control in this case is based on a power phase angle characteristic, which is characterized by the following characteristics:
  • - maximum phase angle φ
  • - slope of the slope of the characteristic
  • Deadband area T of active power P

8 zeigt prinzipiell eine Kennlinie einer weiteren möglichen Regelungsstrategie für den Verbraucher 100, ausgedrückt in Blindleistung Q in Abhängigkeit von der vom elektrischen Verbraucher 100 aufgenommenen Wirkleistung P. Die Leistungssteuerung erfolgt in diesem Fall anhand einer Leistungs-Blindleistungs-Kennlinie, die sich durch folgende Charakteristika darstellen lässt:

  • – Maximale Blindleistung Q
  • – Steigung der Flanke der Kennlinie
  • – Totbandbereich T der Wirkleistung P
8th shows in principle a characteristic of another possible control strategy for the consumer 100 expressed in terms of reactive power Q as a function of that of the electrical consumer 100 In this case, power control is based on a power / reactive power characteristic which can be represented by the following characteristics:
  • - Maximum reactive power Q
  • - slope of the slope of the characteristic
  • Deadband area T of active power P

Der Verbraucher 100 kann insbesondere als ein elektrischer Antriebsmotor einer Wärmepumpe ausgebildet sein. Neben Wärmepumpen können jedoch auch andere elektrische Verbraucher 100, wie beispielsweise Kühlschränke, Waschmaschinen, Spülmaschinen, usw. erfindungsgemäß ausgebildet werden.The consumer 100 can be designed in particular as an electric drive motor of a heat pump. In addition to heat pumps, however, other electrical consumers 100 , Such as refrigerators, washing machines, dishwashers, etc. are formed according to the invention.

Die vorgehend beschriebene Einstellung der Blindleistung Q ohne Einfluss auf die Wirkleistungsaufnahme des Verbrauchers 100 kann zwar eine geringfügig leistungsfähigere Dimensionierung der Stromrichtereinrichtung 20 erfordern. Wird die Stromrichtereinrichtung 20 auf die Wirkleistung P ausgelegt, kann die Einstellung der Blindleistung Q auch bei konstanter Scheinleistung S erfolgen, wobei die Blindleistungseinspeisung in diesem Fall mit einer Wirkleistungsreduktion einhergeht.The previously described setting of the reactive power Q without influence on the active power consumption of the consumer 100 Although a slightly more powerful dimensioning of the power converter device 20 require. Will the power converter device 20 designed for the active power P, the adjustment of the reactive power Q can also be done at a constant apparent power S, the reactive power supply is accompanied in this case with an active power reduction.

Sofern eine Kommunikation des Verbrauchers 100 mit einem Transformator (Mittelspannungs-/Niederspannungstransformator) möglich ist, kann der Transformator dem Verbraucher 100 eine Information über seine aktuelle Belastung übermitteln. Solange der Transformator nicht überlastet ist, kann er dem Verbraucher 100 die Blindleistungsregelung freigeben, wenn er in die Nähe der Überlastung kommt, wird die Blindleistungsregelung gesperrt und dafür die Wirkleistung der Verbraucher gesenkt.Unless a communication of the consumer 100 with a transformer (medium voltage / low voltage transformer) is possible, the transformer can the consumer 100 provide information about its current load. As long as the transformer is not overloaded, it can be the consumer 100 Enable the reactive power control, if it comes close to the overload, the reactive power control is disabled and it reduces the active power of the consumer.

Vorteilhaft kann die Erfindung auch im Mittelspannungsnetz eingesetzt werden, wobei anstelle des Mittelspannungs-/Niederspannungstransformators dann die nächsthöhere Spannungsebene (Hochspannungs-/Mittelspannungstransformator) betrachtet werden muss. Advantageously, the invention can also be used in the medium-voltage network, wherein instead of the medium-voltage / low-voltage transformer then the next higher voltage level (high voltage / medium voltage transformer) must be considered.

Die vorgehend beschriebenen Regelungsstrategien können somit mit der zweiten Regelungseinrichtung 40 umgesetzt werden, wobei die zweite Regelungseinrichtung 40 als P-Regler, PI-Regler oder PID-Regler realisiert ist. Die einfachste Regelungsstrategie wird dabei durch den P-Regler repräsentiert, wobei in diesem Fall lediglich eine Kennlinienfunktion ohne Schwellwerte umgesetzt wird.The control strategies described above can thus with the second control device 40 be implemented, wherein the second control device 40 is implemented as a P controller, PI controller or PID controller. The simplest control strategy is represented by the P controller, in which case only a characteristic function without threshold values is implemented.

9 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des Verfahrens. In einem ersten Schritt 201 wird ein Erfassen einer elektrischen Kenngröße K des Wechselstromnetzes W durchgeführt. 9 shows a basic sequence of an embodiment of the method. In a first step 201 a detection of an electrical characteristic K of the AC network W is performed.

In einem zweiten Schritt 202 wird die Kenngröße K an eine zweite Regelungseinrichtung 40 des Verbrauchers 100 zugeführt.In a second step 202 is the characteristic K to a second control device 40 of the consumer 100 fed.

Schließlich wird in einem dritten Schritt 203 ein Regeln einer elektrischen Spannung V des Wechselstromnetzes W in Abhängigkeit von der Kenngröße K durchgeführt.Finally, in a third step 203 a regulation of an electrical voltage V of the AC network W as a function of the characteristic K performed.

Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein elektrischer Verbraucher und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrauchers vorgeschlagen, mit denen es für den Verbraucher ohne einen Einfluss auf einen Wirkleistungsbezug möglich ist, ein Spannungsniveau des versorgenden Wechselstromnetzes innerhalb von normativen Grenzen zu halten. Insbesondere ist es möglich, einen negativen Einfluss von vielen leistungsfähigen Verbrauchern auf eine Spannungshöhe des Versorgungsnetzes einzuschränken.In summary, the present invention proposes an electrical consumer and a method for operating such a consumer, with which it is possible for the consumer without influencing an active power reference to keep a voltage level of the supplying AC network within normative limits. In particular, it is possible to restrict a negative influence of many powerful consumers on a voltage level of the supply network.

Auf diese Weise kann auf ein erhöhtes elektrisches Spannungsniveau im Wechselstromnetz W, das beispielweise aus einer erhöhten Energieeinspeisung von Fotovoltaikanlagen in das Wechselstromnetz W resultiert, reagiert werden, ohne den Betrieb des Verbrauchers einzuschränken. Durch den reduzierten Einfluss auf das Spannungsniveau des Wechselstromnetzes W kann somit ein Risiko einer Beschädigung/Ausfall von anderen Verbrauchern durch eine zu geringe elektrische Spannung V vorteilhaft reduziert werden.In this way, it is possible to respond to an increased electrical voltage level in the alternating current network W, which results, for example, from an increased energy feed of photovoltaic systems into the alternating current network W, without restricting the operation of the consumer. As a result of the reduced influence on the voltage level of the alternating current network W, a risk of damage / failure of other consumers due to a too low electrical voltage V can thus advantageously be reduced.

Vorteilhaft kann die Erfindung als eine Software für den Verbraucher 100 implementiert werden, beispielsweise in einer elektronischen Rechnereinrichtung der Regelungseinrichtungen, wodurch eine leichte Adaptierbarkeit unterstützt ist.Advantageously, the invention as a software for the consumer 100 be implemented, for example, in an electronic computing device of the control devices, whereby an easy adaptability is supported.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale modifizieren oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of specific embodiments, it is by no means limited thereto. The person skilled in the art will thus be able to modify or combine the features described without departing from the essence of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • EN 50160 [0002] EN 50160 [0002]
  • Normen VDE AR N 4105 [0003] Standards VDE AR N 4105 [0003]
  • EN 50438 [0003] EN 50438 [0003]

Claims (14)

Elektrischer Verbraucher (100), aufweisend: – eine Schnittstelleneinrichtung (10), mittels der der Verbraucher (100) an ein Wechselstromnetz (W) anschließbar ist, – eine Stromrichtereinrichtung (20), die mittels einer ersten Regelungseinrichtung (30) ansteuerbar ist, und – eine zweite Regelungseinrichtung (40), der eine elektrische Kenngrösse (K) des Wechselstromnetzes (W) zuführbar ist, wobei mittels der Stromrichtereinrichtung (20) in Abhängigkeit von der elektrischen Kenngröße (K) des Wechselstromnetzes (W) eine elektrische Spannung des Wechselstromnetzes (W) regelbar ist, wobei von der zweiten Regelungseinrichtung (40) eine Regelgröße (R) für die erste Regelungseinrichtung (30) bereitstellbar ist.Electric consumer ( 100 ), comprising: - an interface device ( 10 ), by which the consumer ( 100 ) is connectable to an AC mains (W), - a converter device ( 20 ), which by means of a first control device ( 30 ) is controllable, and - a second control device ( 40 ), to which an electrical parameter (K) of the AC network (W) can be supplied, wherein by means of the power converter device ( 20 ) in dependence on the electrical parameter (K) of the AC network (W), an electrical voltage of the AC network (W) is controllable, wherein of the second control device ( 40 ) a control variable (R) for the first control device ( 30 ) is available. Verbraucher (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße (K) eine elektrische Spannung des Wechselstromnetzes (W) oder eine aus dem Wechselstromnetz (W) aufgenommene Wirkleistung (P) dient.Consumer ( 100 ) according to claim 1, characterized in that as an indicator (K) is an electrical voltage of the AC mains (W) or one of the AC mains (W) recorded active power (P) is used. Verbraucher (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße (R) eine Blindleistung (Q) oder ein Phasenwinkel (φ) ist.Consumer ( 100 ) according to claim 2, characterized in that the controlled variable (R) is a reactive power (Q) or a phase angle (φ). Verbraucher (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelungseinrichtung (40) eines aus folgender Gruppe ist: P-Regler, PI-Regler, PID-Regler.Consumer ( 100 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second control device ( 40 ) is one of the following group: P controller, PI controller, PID controller. Verbraucher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Regelungseinrichtung (40) Steuersignale für Halbleiterschalter der Stromrichtereinrichtung (20) oder für passive Bauelemente der Stromrichtereinrichtung (20) bereitstellt. Consumer ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second control device ( 40 ) Control signals for semiconductor switches of the power converter device ( 20 ) or for passive components of the power converter device ( 20 ). Verbraucher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung des Wechselstromnetzes (W) intern oder extern von der Stromrichtereinrichtung (20) erfasst wird.Consumer ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical voltage of the AC network (W) internally or externally from the power converter device ( 20 ) is detected. Verbraucher (100), dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (100) eine elektrische Wärmepumpe ist.Consumer ( 100 ), characterized in that the consumer ( 100 ) is an electric heat pump. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers (100), der an ein elektrisches Wechselstromnetz (W) angeschlossen ist, aufweisend die Schritte: – Erfassen einer elektrischen Kenngröße (K) des Wechselstromnetzes (W); – Zuführen der Kenngröße (K) an eine zweite Regelungseinrichtung (40) des Verbrauchers (100); und – Regeln einer elektrischen Spannung des Wechselstromnetzes (W) in Abhängigkeit von der Kenngröße (K).Method for operating an electrical consumer ( 100 ) connected to an AC electrical network (W), comprising the steps of: - detecting an electrical characteristic (K) of the AC network (W); - supplying the parameter (K) to a second control device ( 40 ) of the consumer ( 100 ); and - regulating an electrical voltage of the AC network (W) as a function of the parameter (K). Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Kenngröße (K) die elektrische Spannung des Wechselstromnetzes (W) oder eine vom Verbraucher (100) aus dem Wechselstromnetz (W) aufgenommene elektrische Wirkleistung (P) des Verbrauchers (100) ist.Method according to claim 8, wherein the parameter (K) determines the electrical voltage of the alternating current network (W) or one of the consumer ( 100 ) from the AC mains (W) recorded electrical active power (P) of the consumer ( 100 ). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Bereich (T) der Kenngröße (K) definiert wird, in dem die elektrische Spannung des Wechselstromnetzes (W) nicht geregelt wird.A method according to claim 8 or 9, wherein a region (T) of the characteristic (K) is defined in which the electrical voltage of the AC network (W) is not regulated. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Bereich (T) von Grenzwerten (Vset_min, Vset_max) begrenzt ist, die in Abhängigkeit von einer geometrischen Position des Verbrauchers (100) auf einer Verteilungsleitung des Wechselstromnetzes (W) festgelegt werden.Method according to claim 10, wherein the range (T) is limited by limit values (Vset_min, Vset_max) which depend on a geometric position of the consumer ( 100 ) are set on a distribution line of the AC network (W). Verfahren nach einem der Ansprüche nach 8 bis 11, wobei die elektrische Spannung innerhalb des Verbrauchers (100) gemessen oder von extern an den Verbraucher (100) übermittelt wird. Method according to one of claims 8 to 11, wherein the electrical voltage within the consumer ( 100 ) or externally to the consumer ( 100 ) is transmitted. Verwendung eines elektrischen Verbrauchers (100), wobei der Verbraucher (100) mittels einer Schnittstelleneinrichtung (10) an ein Wechselstromnetz (W) anschließbar ist, wobei in Abhängigkeit von einer elektrischen Kenngröße (K) des Wechselstromnetzes (W), die an den Verbraucher (100) zuführbar ist, eine elektrische Spannung (V) des Wechselstromnetzes (W) regelbar ist.Use of an electrical consumer ( 100 ), whereby the consumer ( 100 ) by means of an interface device ( 10 ) is connectable to an alternating current network (W), wherein in dependence on an electrical parameter (K) of the alternating current network (W), which to the consumer ( 100 ), an electrical voltage (V) of the AC network (W) is controllable. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wenn es auf einer elektronischen Regelungseinrichtung (30) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.Computer program product with program code means for carrying out the method according to one of Claims 8 to 12, when it is stored on an electronic control device ( 30 ) or stored on a computer-readable medium.
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