DE102015101738A1 - Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage und Energieerzeugungsanlage - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage (10) beschrieben, die eine Energieerzeugungseinheit (14) mit einem Wechselrichter (14a), einen elektrischen Energiespeicher (15) und elektrische Verbraucher (16) umfasst, über einen Netzanschlusspunkt (11) mit einem öffentlichen Wechselspannungsnetz (12) verbunden ist und eine elektrische Austauschleistung (PNAP) bidirektional mit dem Wechselspannungsnetz (12) austauscht. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: – Erfassen eines Istwertes der Austauschleistung (PNAP) am Netzanschlusspunkt; – Erfassen einer Spannung (UNAP) und/oder einer Frequenz (fNAP) am Netzanschlusspunkt (11); – Festlegen eines Sollwertes für die Austauschleistung (PNAP) am Netzanschlusspunkt (11); – Einstellen der Austauschleistung (PNAP) am Netzanschlusspunkt (11) auf den Sollwert durch Ansteuern der Energieerzeugungseinheit (14), des Energiespeichers (15) und/oder der Verbraucher (16), und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Zielgröße (P0) für die Austauschleistung (PNAP) als konstanter Wert und eine zweite Zielgröße (P(U)) für die Austauschleistung (PNAP) in Abhängigkeit von mindestens einer der am Netzanschlusspunkt erfassten Größen (UNAP, fNAP) vorgegeben sind, wobei der Sollwert für die Austauschleistung (PNAP) in Abhängigkeit von der ersten Zielgröße (P0) und von der zweiten Zielgröße (P(U)) festgelegt wird. Eine Energieerzeugungsanlage (10) ist zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet.

Description

• TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage, die eine Energieerzeugungseinheit mit einem Wechselrichter, einen elektrischen Energiespeicher und elektrische Verbraucher umfasst, über einen Netzanschlusspunkt mit einem öffentlichen Wechselspannungsnetz verbunden ist und elektrische Leistung bidirektional mit dem Wechselspannungsnetz austauscht, sowie eine entsprechende Energieerzeugungsanlage mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• STAND DER TECHNIK
• Energieerzeugungsanlagen können elektrische Leistung erzeugen und in ein Energieversorgungsnetz, beispielsweise ein Wechselspannungsnetz einspeisen. Als Energieerzeugungseinheit können dabei insbesondere Generatoren verwendet werden, die elektrische Leistung aus regenerativen Quellen verwenden, beispielsweise Photovoltaik- oder Windgeneratoren. Derart erzeugte elektrische Leistung, die insbesondere in Form von Gleichstrom vorliegen kann, kann mittels eines Leistungswandlers, beispielsweise mittels eines Wechselrichters, in einen Wechselstrom gewandelt werden, der zum Betrieb von Wechselstrom-Verbrauchern verwendet und/oder in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden kann.
• Energieerzeugungsanlagen können darüber hinaus Energiespeicher aufweisen, die dazu verwendet werden können, Energie für eine spätere Verwendung zwischenzuspeichern. Diese Energiespeicher können von der Energieerzeugungseinheit gespeist werden und die gespeicherte Energie bedarfsweise an Verbraucher abgeben oder in ein Wechselspannungsnetz einspeisen.
• Bei einem Anschluss einer Energieerzeugungsanlage an ein Wechselspannungsnetz müssen normative Vorgaben beachtet werden, die insbesondere von Netzbetreibern, Normungsgremien und/oder dem Gesetzgeber definiert werden. Insbesondere eine zulässige Einspeisung elektrischer Leistung in ein Wechselspannungsnetz kann dabei von einem aktuellen Zustand des Wechselspannungsnetzes abhängig sein, beispielsweise indem eine eingespeiste Wirk- und/oder Blindleistung in Abhängigkeit von einer Spannung an einem Netzanschlusspunkt und/oder von einer Frequenz des Wechselspannungsnetzes eingestellt werden muss. Dadurch kann die Energieerzeugungsanlage zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes beitragen.
• Die von der Energieerzeugungseinheit erzeugte elektrische Leistung kann teilweise oder ganz zum Betrieb von Verbrauchern verwendet werden, die in räumlicher Nähe zur Energieerzeugungsanlage angeordnet sind. Insbesondere können derartige Verbraucher an demselben Netzanschlusspunkt wie die Energieerzeugungsanlage angeschlossen sein. Eine über den Netzanschlusspunkt fließende elektrische Leistung ergibt sich dann aus der Differenz der von der Energieerzeugungsanlage ausgegebenen Leistung und der für die Verbraucher verwendeten Leistung, wobei die von der Energieerzeugungsanlage ausgegebene Leistung wiederum die Differenz zwischen der von der Energieerzeugungseinheit erzeugten Leistung und der von dem Energiespeicher aufgenommenen Leistung ist.
• Angesichts der Kosten für den Bezug von Energie aus dem Wechselspannungsnetz kann es für einen Betreiber einer Energieerzeugungsanlage vorteilhaft sein, die von der Energieerzeugungseinheit erzeugte Leistung möglichst vollständig selbst zu verbrauchen, d.h. in Form von Eigenverbrauch an Verbraucher zu leiten, die der Energieerzeugungsanlage zugeordnet sind und insbesondere von demselben Betreiber betrieben werden. Gleichzeitig werden insbesondere von regenerativen Energiequellen gespeiste Energieerzeugungseinheiten in der Regel derart betrieben, dass stets die maximal mögliche Leistung erzeugt wird, um keine Energie zu verschwenden.
• Somit sind im Wesentlichen zwei unterschiedliche Arten der Betriebsführung einer Energieerzeugungsanlage bekannt, welche auf unterschiedlichen Ansätzen basieren. Einerseits kann eine Energieerzeugungsanlage die Spannung und/oder die Frequenz eines Wechselspannungsnetzes stützen, indem die über den Netzanschlusspunkt fließende Leistung gezielt in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften des Wechselspannungsnetzes eingestellt wird. Andererseits kann anhand eines Energiemanagementsystems eine Maximierung des Eigenverbrauchs angestrebt werden, wobei im Idealfall keine Leistung über den Netzanschlusspunkt fließt.
• Aus der DE 10 2012 103 081 A1 ist ein Verfahren zum Optimieren des zeitlichen Verbrauchs von elektrischer Leistung bekannt, bei dem ein Plan für eine Zuteilung von elektrischer Leistung an einzelne Verbraucher erstellt und elektrische Leistung entsprechend des Plans zugeteilt wird, wobei der Plan unter anderem auf Prognosen für eine Erzeugung elektrischer Leistung durch einen Solargenerator und für einen Verbrauch elektrischer Leistung durch die einzelnen Verbraucher basiert. Zusätzlich werden Bedingungen des Austausches elektrischer Leistung mit einem öffentlichen Stromnetz berücksichtigt. Ein mögliches Optimierungsziel dieses Verfahrens ist eine möglichst kostengünstige Bereitstellung der den Verbraucher zur Verfügung gestellten Energie, die insbesondere durch eine Maximierung der Nutzung der durch den Solargenerator eigenerzeugten Energie erreicht wird, wobei im Falle eines momentanen Leistungsüberschusses eine eigenerzeugte Energiemenge in einem Energiespeicher zwischengespeichert werden kann.
• Aus der DE 10 2008 057 563 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum netzkonformen Betreiben eines Niederspannungsnetzes mit einer Mehrzahl von dezentralen Einheiten bekannt, wobei die dezentralen Einheiten Verbraucher, Erzeuger und/oder Speicher von elektrischer Energie aufweisen. In dem Verfahren werden an Netzanschlusspunkten der Einheiten auftretende Netzparameter ermittelt und auf die Einhaltung von ihnen zugewiesenen Toleranzbereichen überwacht. Wenn die Netzparameter am Netzanschlusspunkt wenigstens einer kritischen Einheit die ihnen zugewiesenen Toleranzbereiche verlassen, wird zumindest an diese kritische Einheit ein abgeändertes Tarifprofil übermittelt, das zu einer zeitlichen Änderung des Einsatzplans in der kritischen Einheit führt, indem mittels eines der kritischen Einheit zugeordneten Optimierungsprogramms ein Einsatzplan mit Zeitintervallen und einer Höhe des Verbrauchs bzw. der Erzeugung von elektrischer Energie durch die Verbraucher bzw. die Erzeuger in jeder Einheit festgelegt wird.
• Aus der DE 10 2011 006 214 A1 ist ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung bekannt, bei dem eine Verbrauchsregeleinheit und/oder eine Versorgungsregeleinheit eine Netzspannung und/oder eine Netzfrequenz eines Wechselspannungsnetzes ermittelt und mittels einer von einem Netzregler vorgegebenen Leistungsentnahmekennlinie bzw. Einspeiseleistungskennlinie eine elektrische Leistungsentnahme eines Verbrauchers aus dem Wechselspannungsnetz bzw. eine elektrische Einspeiseleistung einer Versorgungseinheit in das Wechselspannungsnetz in Abhängigkeit von der ermittelten Netzspannung und/oder der Netzfrequenz regelt.
• Aus der DE 10 2012 106 466 A1 ist ein Verfahren zum Stabilisieren der Netzspannung in einem Netzabschnitt bekannt, wobei eine Leistungsaufnahme einer Energieverbrauchseinheit und/oder einer Energieerzeugungseinheit mit ansteigender Netzspannung erhöht und/oder die Leistungsabgabe der Energieverbrauchseinheit und/oder der Energieerzeugungseinheit mit ansteigender Netzspannung anhand einer Kennlinie absenkt wird. Ein Energiespeicher in Kombination mit einem bidirektionalen Wechselrichter kann dabei sowohl eine Energieverbrauchseinheit als auch eine Energieerzeugungseinheit darstellen. Bei dem Verfahren wird die Netzspannung in dem Netzabschnitt gezielt geändert, um ein gewünschtes Verhalten der Energieerzeugungseinheiten und/oder der Energieverbrauchseinheiten in dem Netzabschnitt zu erzielen. Die in diesem Verfahren verwendete Kennlinie kann sich durch ein Totband mit sich beiderseits anschließenden Steigungsbereichen innerhalb eines Toleranzbands der Netzspannung auszeichnen.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen Energieerzeugungsanlage bereitzustellen, das einerseits durch eine geeignete Steuerung der Verläufe der verbrauchten und der gespeicherten Leistung den Eigenverbrauch maximiert und andererseits effektiv zur Stabilisierung der Netzspannung und/oder der Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes beiträgt, wobei das Verfahren insgesamt ein kostenoptimales und gleichzeitig netzdienliches Ergebnis erzielen soll.
• LÖSUNG
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• In einem Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage, die eine Energieerzeugungseinheit mit einem Wechselrichter, einen elektrischen Energiespeicher und elektrische Verbraucher umfasst, über einen Netzanschlusspunkt mit einem öffentlichen Wechselspannungsnetz verbunden ist und eine elektrische Austauschleistung bidirektional mit dem Wechselspannungsnetz austauscht, werden ein Istwert der Austauschleistung sowie eine Spannung und/oder eine Frequenz am Netzanschlusspunkt erfasst, ein Sollwert für die Austauschleistung am Netzanschlusspunkt festgelegt und die Austauschleistung am Netzanschlusspunkt durch Ansteuern der Energieerzeugungseinheit, des Energiespeichers und/oder der Verbraucher auf den Sollwert eingestellt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Zielgröße für die Austauschleistung als konstanter Wert und eine zweite Zielgröße für die Austauschleistung in Abhängigkeit von mindestens einer der am Netzanschlusspunkt erfassten Größen vorgegeben sind, wobei der Sollwert für die Austauschleistung in Abhängigkeit von der ersten Zielgröße und von der zweiten Zielgröße festgelegt wird.
• Durch die erste Zielgröße für die Austauschleistung kann eine optimaler Eigenverbrauch erzielt werden, während durch die zweite Zielgröße netzseitige Anforderungen optimal umgesetzt werden können. Durch die Festlegung des Sollwertes für die Austauschleistung in Abhängigkeit von der ersten Zielgröße und von der zweiten Zielgröße steht ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Verfügung, der es ermöglicht, die durch die erste und die zweite Zielgröße repräsentierten Anforderungen gegeneinander abzuwägen und somit einen kostenoptimalen Betrieb der Energieerzeugungsanlage zu gewährleisten.
• Aus den Merkmalen der Unteransprüche geht hervor, wie der Sollwert in verschiedenen Situationen konkret definiert werden kann und wovon die dann konkret einzustellende Austauschleistung abhängt. Insbesondere kann dabei eine monetäre Ertragsmaximierung angestrebt werden, wobei die Erträge sich beispielweise zusammensetzen aus einer Einspeisevergütung, Einsparungen durch Eigennutzung der in der Energieerzeugungsanlage erzeugten Leistung, sowie Vergütungen für Netzdienstleistungen, insbesondere für einen Beitrag zur Netzstützung.
• Der Sollwert kann insbesondere mittels eines Gewichtungsfaktors auf einen Wert zwischen der ersten Zielgröße und der zweiten Zielgröße festgelegt werden, wobei der Gewichtungsfaktor die relative Gewichtung der Zielgrößen zueinander angibt und bevorzugt einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist. Durch einen Gewichtungsfaktor in diesem Zahlenbereich kann der Betrieb der Energieerzeugungsanlage sowohl auf maximalen Eigenverbrauch als auch auf optimale Netzstützung ausgelegt werden und ermöglicht zusätzlich bei Bedarf eine kostenoptimale Mischung aus Eigenverbrauch und Netzstützung.
• Der Gewichtungsfaktor kann in Abhängigkeit eines Netzzustandes eingestellt werden, wobei der Netzzustand insbesondere mindestens drei Netzzustandswerte umfasst. Dabei kann einem erstem Netzzustandswert ein Gewichtungsfaktor von 1 zugeordnet sein, so dass der Sollwert der ersten Zielgröße entspricht, einem zweiten Netzzustandswert ein Gewichtungsfaktor von 0 zugeordnet sein, so dass der Sollwert der zweiten Zielgröße entspricht, und einem dritten Netzzustandswert ein Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1 zugeordnet sein, so dass der Sollwert zwischen der ersten und der zweiten Zielgröße liegt. Durch diese Zuordnung des Gewichtungsfaktors zu den Netzzustandswerten kann der Betrieb der Energieerzeugungsanlage in verschiedenen Szenarien anhand einer einzelnen Größe einfach und stabil gesteuert werden.
• In diesen verschiedenen Szenarien kann der erste Netzzustandswert verwendet werden, wenn Abweichungen der am Netzanschlusspunkt erfassten Größen von ihnen jeweils zugeordneten Referenzwerten ihnen jeweils zugeordnete erste Grenzwerte unterschreiten, d.h. insbesondere dann, wenn das Wechselspannungsnetz sich in einem stabilen Zustand befindet und der Betrieb der Energieerzeugungsanlage insbesondere auf einen maximalen Eigenverbrauch ausgerichtet ist. Der zweite Netzzustandswert kann verwendet werden, wenn mindestens eine der Abweichungen einen zweiten Grenzwert überschreitet, wobei der zweite Grenzwert eine betragsmäßig größere Abweichung der an dem Netzanschlusspunkt erfassten Größen von ihrem jeweiligen Referenzwert als der erste Grenzwert darstellen; in diesem Fall kann die Stabilität des Wechselspannungsnetzes gefährdet sein, da beispielsweise die Spannung und/oder die Frequenz des Wechselspannungsnetzes außerhalb definierter Grenzwerte liegt, und die Energieerzeugungsanlage kann das Wechselspannungsnetz optimal stützen, insbesondere indem normativen Anforderungen Folge geleistet wird. Der dritte Netzzustandswert kann verwendet werden, wenn mindestens eine der Abweichungen zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwert liegt, so dass einerseits keine zwingende Notwendigkeit zur Netzstützung besteht und ein maximaler Eigenverbrauch angestrebt werden könnte, andererseits jedoch eine Netzstützung aus Präventionsgründen wünschenswert ist und beispielsweise durch eine Vergütung eines netzstützendes Verhaltens ein Anreiz dazu besteht.
• Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung des Netzzustandswertes anhand der am Netzanschlusspunkt erfassten Größen kann ein aktueller Netzzustandswert von einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben werden, wobei die übergeordnete Steuereinheit insbesondere von einem Netzbetreiber eines öffentlichen Wechselspannungsnetzes betrieben werden kann. Dadurch kann ein Netzbetreiber direkten Einfluss auf das Verhalten der Energieerzeugungsanlage nehmen und insbesondere bei drohenden Stabilitätsproblemen im Wechselspannungsnetz, die sich nicht oder noch nicht in den am Netzanschlusspunkt erfassten Größen abzeichnen, einen Anreiz zur Netzstützung schaffen beziehungsweise die Energieerzeugungsanlage zur Netzstützung zwingen.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die erste Zielgröße derart bestimmt werden, dass eine von der Energieerzeugungseinheit erzeugte Leistung vollständig innerhalb der Energieerzeugungsanlage verwendet wird, wobei die erste Zielgröße insbesondere den Wert null aufweist. Dadurch wird der Eigenverbrauch maximiert, indem die innerhalb der Energieerzeugungsanlage verbrauchte und/oder in den Energiespeicher eingespeiste bzw. aus dem Energiespeicher entnommene Leistung derart aufeinander abgestimmt werden, dass die von der Energieerzeugungseinheit erzeugte Leistung zumindest zeitweise vollständig innerhalb der Energieerzeugungsanlage genutzt wird.
• In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die zweite Zielgröße eine Kennlinie sein, die insbesondere von einem Netzbetreiber vorgegeben ist. Die Vorgabe einer derartigen Kennlinie oder auch einer Kennlinienschar, die beispielsweise die Abhängigkeit einer Austauschleistung von einer Spannung und/oder einer Frequenz am Netzanschlusspunkt definiert, ist ein besonders einfaches Mittel, um das Verhalten der Energieerzeugungsanlage verlässlich und reproduzierbar vorzugeben. Dabei ist es denkbar, die Kennlinie bzw. Kennlinienschar in Abhängigkeit von weiteren Parametern geeignet zu modifizieren, beispielsweise in Abhängigkeit von der insbesondere momentan maximal zur Verfügung stehenden Austauschleistung der Energieerzeugungsanlage oder auch der elektrischen Position der Energieerzeugungsanlage relativ zu anderen Energieerzeugungsanlagen innerhalb eines Verteilnetzes. Insbesondere durch letztgenannte positionsabhängige Parametrierung der Kennline bzw. der Kennlinienschar kann ein Wechselspannungsnetz besonders effektiv stabilisiert werden, da ein konzertiertes Verhalten der Energieerzeugungsanlagen in dem Verteilnetz ermöglicht wird.
• Der Gewichtungsfaktor kann insbesondere in Abhängigkeit von einer Vergütung eingestellt wird, wobei die Vergütung eine Funktion der tatsächlichen Austauschleistung sein kann und insbesondere von dem Netzbetreiber vorgegeben wird. Durch eine derartige Vergütung, die ein Anreizsystem für Netzdienstleistungen darstellt und insbesondere dann greift, wenn die Netzdienstleistungen nicht zwingend gefordert werden, d.h. wenn die Einstellung einer bestimmten Austauschleistung vergütet wird, aber nicht eingestellt werden muss, kann der Netzbetreiber das Verhalten der Energieerzeugungsanlagen zumindest indirekt steuern. Dabei können deutlich unterschiedliche Anreize für die lokale Spannungsstützung und für die globale Frequenzstützung existieren, wobei denkbar ist, dass die Frequenzhaltung als globaler Stabilitätsaspekt deutlich kritischer ist und daher eine Frequenzstützung deutlich besser vergütet wird als eine Spannungsstützung. Zudem kann die Vergütung derart gestaltet sein, dass eine optimale Ausnutzung der von mehreren in einem Netzabschnitt angeordneten Energieerzeugungseinheiten erzeugten Leistung erreicht wird, insbesondere indem die in einer Energieerzeugungsanlage erzeugte Leistung Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird, die sich außerhalb dieser Energieerzeugungsanlage befinden. Dieses Vorgehen kann ebenfalls unter dem Begriff Eigenverbrauch subsumiert werden, indem der gesamte Netzabschnitt als Einheit betrachtet und konzertiert betrieben wird.
• Zusätzlich oder alternativ kann der Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von einem Verbrauchspreis und/oder in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers eingestellt werden. Insgesamt ergeben diese ggf. variablen Rahmenbedingungen ein System aus Freiheitsgraden, in dem anhand geeigneter Optimierungsalgorithmen jederzeit ein wirtschaftlich optimaler Arbeitspunkt der Energieerzeugungsanlage gefunden werden kann.
• Konkret kann der Gewichtungsfaktor derart eingestellt werden, dass eine Kostenfunktion mit mehreren Variablen minimiert wird, wobei die Variablen der Kostenfunktion die Vergütung, den Verbrauchspreis, den Ladezustand des Energiespeichers und/oder Prognosen für von den elektrischen Verbrauchern verbrauchte Leistungen, für von der Energieerzeugungseinheit erzeugte Leistung und/oder für den Netzzustandswert umfassen.
• Es versteht sich, dass bei ungünstigen Randbedingungen Situationen auftreten können, in denen der gewünschte Sollwert nicht eingestellt werden kann. Derartige Situationen können insbesondere dann auftreten, wenn der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers einen Extremwert annimmt, d.h. wenn der Speicher entweder nahezu leer oder nahezu voll ist. In einer solchen Situation können jedoch ergänzende oder alternative Strategien angewandt werden, beispielsweise indem die erste Zielgröße in Abhängigkeit von der von der Energieerzeugungseinheit erzeugten Leistung und/oder von der von den elektrischen Verbrauchern verbrauchten Leistungen angepasst wird oder indem die von der Energieerzeugungseinheit erzeugte Leistung geeignet gedrosselt wird. Darüber hinaus kann die Energieerzeugungsanlage insbesondere Blindleistung bereitstellen, die zur Stützung einer Netzspannung und ggf. auch einer Netzfrequenz geeignet ist, wobei die Kapazität einer Energieerzeugungsanlage zur Bereitstellung von Blindleistung umso größer ist, je kleiner der Anteil an Wirkleistung an der Austauschleistung am Netzanschlusspunkt ist.
• Eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage, die eine Energieerzeugungseinheit mit einem Wechselrichter, einen elektrischen Energiespeicher und elektrische Verbraucher umfasst und über einen Netzanschlusspunkt mit einem öffentlichen Wechselspannungsnetz verbunden ist und eine elektrische Austauschleistung bidirektional mit dem Wechselspannungsnetz austauscht, umfasst eine Steuerungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die Energieerzeugungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben. Es versteht sich, dass die Energieerzeugungsanlage einphasig oder dreiphasig aufgebaut sein kann und entsprechend einen einphasigen oder einen dreiphasigen Anschluss an das Wechselspannungsnetz zur Einspeisung eines einphasigen bzw. dreiphasigen Wechselstroms aufweist. Insbesondere bei dreiphasigen Energieerzeugungsanlagen, die einen dreiphasigen Wechselstrom einspeisen, erweist sich der Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als besonders vorteilhaft, indem weitere Möglichkeiten der Netzstützung wie beispielsweise die Bereitstellung einer Schieflast bestehen, wobei für diese weitere Möglichkeiten ebenfalls Anreize bestehen können, indem entsprechende Vergütungen definiert werden.
• KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
• 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 zeigt eine beispielhafte Abhängigkeit einer Austauschleistung am Netzanschlusspunkt der Energieerzeugungsanlage gemäß 1 von einer Spannung am Netzanschlusspunkt, und
• 3 zeigt eine schematische Darstellung relevanter Parameter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• FIGURENBESCHREIBUNG
• 1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage 10, die über einen Netzanschlusspunkt 11 (kurz NAP) an ein Wechselspannungsnetz 12 angeschlossen ist. Im Betrieb wird zwischen der Energieerzeugungsanlage 10 und dem Wechselspannungsnetz 12 eine Austauschleistung P_NAP ausgetauscht. Die Austauschleistung P_NAP besitzt im Rahmen dieser Beschreibung ein positives Vorzeichen, wenn elektrische Leistung von der Energieerzeugungsanlage 10 in das Wechselspannungsnetz 12 fließt, während ein negatives Vorzeichen der Austauschleistung P_NAP bedeutet, das elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz 12 in die Energieerzeugungsanlage 10 fließt. Am Netzanschlusspunkt 11 erfassen geeignete Messmitteln 13 elektrische Größen des Wechselspannungsnetzes 12, wobei diese elektrischen Größen insbesondere eine Spannung U_NAP und eine Frequenz f_NAP umfassen.
• Die Energieerzeugungsanlage 10 umfasst eine Energieerzeugungseinheit 14, die hier durch einen Photovoltaikgenerator 14a und einen Wechselrichter 14b gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich sind andere Arten von Energieerzeugungseinheiten 14 denkbar, insbesondere Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerke, Brennstoffzellen und dergleichen. Die Energieerzeugungseinheit 14 erzeugt eine elektrische Leistung P_PV, die im Wesentlichen der vom Photovoltaikgenerator 14a erzeugten maximal möglichen Leistung entspricht, sofern der Wechselrichter 14b den Photovoltaikgenerator 14a zur bestmöglichen Nutzung der eingestrahlten Solarenergie in seinem optimalen Arbeitspunkt betreibt.
• Weiterhin umfasst die Energieerzeugungsanlage 10 einen elektrischen Energiespeicher 15, der hier durch eine Batterie 15a und einen bidirektionalen Batterie-Wechselrichter 15b gebildet wird. Der Energiespeicher 15 kann über den Wechselrichter 15b eine elektrische Leistung P_Batt wahlweise aus der Batterie 15a entnehmen und ausgeben oder empfangen und in die Batterie 15a einspeichern. Im Rahmen dieser Beschreibung besitz P_Batt ein positives Vorzeichen, wenn der Energiespeicher 15 Leistung abgibt, während ein negatives Vorzeichen bedeutet, dass der Energiespeicher 15 Leistung aufnimmt.
• Weiterhin umfasst die Energieerzeugungsanlage 10 mindestens einen Verbraucher 16, der eine elektrische Leistung P_Last bezieht. Als Verbraucher 16 sind hier elektrische Geräte jeglicher Art gemeint, die wiederum in elektrischen Subnetze angeordnet sein können. Insbesondere können die Verbraucher 16 solche sein, bei denen die bezogene elektrische Leistung P_Last grundsätzlich beeinflussbar ist, z.B. Heiz- oder Kühlgeräte, Maschinen, Beleuchtungen usw. Darüber hinaus können die Verbraucher 16 selbst ebenfalls Energiespeicher darstellen und/oder umfassen.
• Die über den Netzanschlusspunkt fließende Austauschleistung P_NAP ergibt sich somit als Summe der Leistungen P_PV, P_Batt und P_Last. Die Austauschleistung P_NAP kann mittels eines Energiemanagers 17 beeinflusst werden, indem der Energiemanager 17 kommunikativ mit der Energieerzeugungseinheit 14, dem Energiespeicher 15 und ggf. den Verbraucher 16 in Verbindung steht und Vorgaben für die elektrischen Leistungen P_PV, P_Batt bzw. P_Last übermittelt. Diese Vorgaben können konkrete Leistungs-Sollwerte für die Leistungen P_PV, P_Batt bzw. P_Last und/oder Schaltsignale für einzelne Verbraucher 16 umfassen. Die Vorgaben können an die Energieerzeugungseinheit 14 und den Energiespeicher 15 direkt oder an dazu jeweils zugeordnete Steuereinheiten oder an die Wechselrichter 14b und 15b sowie an die Verbraucher 16 direkt oder an den Verbrauchern 16 zugeordnete Schaltmittel, beispielsweise Funksteckdosen übermittelt werden.
• Der Energiemanager 17 erhält Messwerte von am Netzanschlusspunkt 11 erfassten Größen von dem Messmittel 13. Insbesondere kann das Messmittel 13 die am Netzanschlusspunkt 11 erfasste Spannung U_NAP und/oder die dort erfasst Frequenz f_NAP an den Energiemanager 17 übermitteln. Darüber hinaus können weitere elektrische Größen, insbesondere Messwerte der elektrischen Leistungen P_NAP, P_PV, P_Batt und/oder P_Last an den Energiemanager übermittelt werden. Dazu können die Energieerzeugungseinheit 14, der Energiespeicher 15 und ggf. die Verbraucher mit geeigneten Messmitteln ausgerüstet sein, oder es können weitere, hier nicht dargestellte Messmittel, insbesondere Zähler vorgesehen sein, mit denen der Energiemanager 17 in Verbindung stehen kann.
• Im Folgenden wird erläutert, wie der Energiemanager die derart empfangenen Daten zur Steuerung der Austauschleistung P_NAP am Netzanschlusspunkt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzen kann.
• 2 zeigt beispielhaft eine Abhängigkeit der Austauschleistung P_NAP von der Spannung U_NAP am Netzanschlusspunkt. Für die Spannung U_NAP ist eine Nominalspannung U₀ vorgegeben, die einer normativ vorgegebenen Netznennspannung des Wechselspannungsnetzes 12 entspricht. Solange sich die Spannung U_NAP in einem ersten Bereich I um die Nominalspannung U₀ befindet, ist das Wechselspannungsnetz 12 in einem stabilen Zustand.
• Der Bereich I der Spannung U_NAP, in dem dieser stabile Zustand angenommen wird, ist in 2 mit der Ziffer I versehen und erstreckt sich von einem linksseitigen ersten Grenzwert G1 bis zu einem rechtsseitigen ersten Grenzwert G1. Die Differenz zwischen der Nominalspannung U₀ und dem rechtsseitigen bzw. dem linksseitigen ersten Grenzwert G1 ist hier identisch gewählt; es versteht sich, dass auch unterschiedliche Werte für die Differenz zwischen dem rechtsseitigen bzw. dem linksseitigen ersten Grenzwert G1 und der Nominalspannung U₀ definiert werden können.
• Alternativ oder zusätzlich zur in 2 dargestellten Abhängigkeit der Austauschleistung P_NAP von der Spannung U_NAP ist eine Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 bei Abweichungen einer Frequenz f des Wechselspannungsnetz 12 von einer Nennfrequenz denkbar, indem eine weitere Abhängigkeit der Austauschleistung P_NAP von der Frequenz f_NAP definiert wird. Durch eine Kombination dieser Abhängigkeiten können die Vorteile von lokaler Stabilisierung, d.h. Beitrag zur Spannungshaltung, und globaler Stabilisierung, d.h. Beitrag zur Frequenzstützung kombiniert werden. Je nach priorisierter Anforderung kann die Energieerzeugungsanlage 10 somit primär lokal oder global an der Netzstützung beteiligt werden, je nachdem, welcher Anteil an der kombinierten Abhängigkeit wie stark gewichtet wird.
• Wenn eine deutliche Abweichung der Spannung U_NAP von der Nominalspannung U₀ auftritt, so dass die Spannung U_NAP sich in einem der in 2 mit der Ziffer II bezeichneten zweiten Bereiche II unterhalb eines linksseitigen zweiten Grenzwertes G2 oder oberhalb eines rechtsseitigen zweiten Grenzwertes G2 befindet, besteht die Gefahr, dass sich das Wechselspannungsnetz 12 in einem instabilen Zustand befindet. Diese Situation kann insbesondere dann eintreten, wenn ein sehr hoher Verbrauch bzw. eine sehr hohe Erzeugung innerhalb eines Netzabschnittes des Wechselspannungsnetz 12 stattfindet, so dass entlang einer Leitung eines solchen Netzabschnittes, insbesondere innerhalb eines Verteilnetzes wie z.B. eines Ortsnetzes, ein hoher Spannungsabfall bzw. eine Spannungserhöhung auftritt.
• 2 zeigt weitere, mit der Ziffer III bezeichnete dritte Bereiche III der Spannung U_NAP, die linksseitig sowie rechtsseitig von der Nominalspannung U₀ jeweils zwischen dem jeweiligen ersten Grenzwert G1 und dem zweiten Grenzwert G2 angesiedelt sind. Diese dritten Bereiche III zeichnen sich dadurch aus, dass die Spannung U_NAP zwar signifikant von der Nominalspannung U₀ abweicht und der erste Bereich I mit ausreichender Netzstabilität bereits verlassen ist, aber der zweite Bereich II mit instabilen Verhältnissen noch nicht erreicht ist. Insofern ist das Wechselspannungsnetz 12 bei Spannungen U_NAP in den dritten Bereichen III als semistabil anzusehen.
• Die Grenzwerte G1 und G2 können als Absolutwerte einer Spannung bzw. einer Frequenz oder als Absolutwerte einer Abweichung der Spannung U_NAP bzw. der Frequenz f_NAP von einem jeweiligen Nominalwert U₀ bzw. f₀ definiert werden. Im Falle einer Definition einer der Grenzwerte G1 und G2 als Abweichung von einem Nominalwert kann der jeweilige linksseitige und rechtsseitige Grenzwert G1 bzw. G2 denselben Betrag der Abweichung vom Nominalwert U₀ bzw. f₀ aufweisen oder mit unterschiedlichen Beträgen definiert werden.
• Im Sinne der Patentansprüche dieser Anmeldung besitzt ein Wechselspannungsnetz 12 mit einer Spannung U_NAP, die im ersten Bereich I liegt, einen Netzzustand mit einem ersten Netzzustandswert. Analog besitzt ein Wechselspannungsnetz 12 mit einer Spannung U_NAP, die im zweiten Bereich II oder im dritten Bereich III liegt, einen Netzzustand mit einem zweiten bzw. einem dritten Netzzustandswert. Der Energiemanager 17 kann den aktuellen Netzzustandswert anhand der erfassten Spannung U_NAP bestimmen und darauf basierend einen Sollwert für die Austauschleistung P_NAP der Energieerzeugungsanlage 10 mit dem Wechselspannungsnetz 12 festlegen.
• Wenn die Spannung U_NAP im ersten Bereich I liegt, weist der Netzzustand den ersten Netzzustandswert auf und das Wechselspannungsnetz 12 ist in einem stabilen Zustand. Da es in diesem Fall keine Notwendigkeit gibt, mittels der Energieerzeugungsanlage 10 zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 beizutragen, kann die Austauschleistung P_NAP grundsätzlich frei gewählt werden. In 2 wird beispielhaft einer Spannung U_NAP im ersten Bereich I eine erste Zielgröße P₀ = 0 für die Austauschleistung P_NAP zugeordnet. Diese Zielgröße P₀ = 0 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Energieerzeugungsanlage 10 derart eingesetzt werden soll, dass ein möglichst großer Anteil der von der Energieerzeugungseinheit 14 erzeugten Energie innerhalb der Energieerzeugungsanlage 10 direkt genutzt werden soll, d.h. direkt von den Verbrauchern 16 verbraucht oder bei etwaigen Überschüssen in dem Energiespeicher 15 für eine spätere Nutzung gespeichert wird. Es versteht sich, dass zumindest zeitweise, insbesondere bei vollem oder leerem Energiespeicher oder einer großen Differenz zwischen der von der Energieerzeugungseinheit 10 erzeugten Leistung P_PV und der von den Verbrauchern 16 verbrauchten Leistung P_Last, auch ein anderer Wert als null für die erste Zielgröße P₀ eingestellt werden kann; der in 2 dargestellte Verlauf würde sich dadurch insgesamt vertikal verschieben. Grundsätzlich ist die erste Zielgröße P₀ jedoch zumindest zeitweise konstant, insbesondere solange keine fundamentalen Änderungen des Systemparameter auftreten.
• Wenn die Spannung U_NAP im zweiten Bereich II liegt, weist der Netzzustand den zweiten Netzzustandswert auf und das Wechselspannungsnetz 12 ist in einem instabilen Zustand. In einem solchen Fall kann es beispielsweise durch gesetzliche oder normative Vorgaben oder von einem Betreiber des Wechselspannungsnetz 12 vorgeschrieben sein, mittels der Energieerzeugungsanlage 10 zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 beizutragen. Dazu kann eine Kennlinie P(U) vorgegeben sein, die die Austauschleistung P_NAP im Falle einer Spannung U_NAP vorschreibt. In der Regel muss die die Austauschleistung P_NAP erhöht werden, d.h. eine Einspeisung erhöht oder ein Bezug verringert werden, wenn die Spannung U_NAP unterhalb des linksseitigen Grenzwertes G2 liegt, und die Austauschleistung P_NAP muss reduziert werden, d.h. eine Einspeisung verringert oder ein Bezug erhöht werden, wenn die Spannung U_NAP oberhalb des rechtsseitigen Grenzwertes G2 liegt.
• Die durch die Kennlinie P(U) für den zweiten Bereich II vorgegebene Kennlinie gibt somit eine zweite Zielgröße für die Austauschleistung P_NAP vor. Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Zielgröße P₀ und der zweiten Zielgröße P(U) besteht darin, dass die erste Zielgröße P₀ von der Energieerzeugungsanlage 10 selbst bestimmt und für den Betrieb der Energieerzeugungsanlage 10 bei unkritischen Zuständen des Wechselspannungsnetz 12 verwendet und ggf. modifiziert werden kann, während die zweite Zielgröße P(U) von außerhalb der Energieerzeugungsanlage 10, z.B. von einem Netzbetreiber vorgegeben werden kann, so dass die Energieerzeugungsanlage 10 in kritischen Zuständen zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 12 beiträgt.
• Mathematisch kann der vorstehende Zusammenhang der Austauschleistung P_NAP von der Spannung U_NAP am Netzanschlusspunkt 11 in Bereichen I und II anhand eines Gewichtungsfaktors G ausgedrückt werden, indem die Austauschleistung P_NAP einer mittels des Gewichtungsfaktors G gewichteten Summe der ersten Zielgröße P₀ und der zweiten Zielgröße P(U) entspricht, d.h. P_NAP = G·P₀ + (1 – G)·P(U), wobei der Gewichtungsfaktor G im ersten Bereich I den Wert 1 und im zweiten Bereich II den Wert 0 aufweist.
• Wenn die Spannung U_NAP im dritten Bereich III liegt, weist der Netzzustand den dritten Netzzustandswert auf und das Wechselspannungsnetz 12 ist in einem Zustand, in dem ein Beitrag der Energieerzeugungsanlage 10 zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 zwar noch nicht vorgeschrieben ist, aber durchaus sinnvoll sein kann. In einem solchen Fall kann beispielsweise von einem Netzbetreiber ein Anreiz in Form von zusätzlichen Vergütungen geschaffen werden, die dem Betreiber der Energieerzeugungsanlage 10 gezahlt werden, wenn die Energieerzeugungsanlage 12 durch eine geeignete Veränderung der Austauschleistung P_NAP zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 beiträgt.
• In 2 ist beispielhaft dargestellt, wie der Sollwert für die Austauschleistung P_NAP im dritten Bereich III aus der ersten Zielgröße P₀ und der zweiten Zielgröße P(U) unter Verwendung des Gewichtungsfaktors G festgelegt werden kann. Die erste Zielgröße P₀ besitzt auch im dritten Bereich III den Wert null, und die bereits für den dritten Bereich III definierte zweite Zielgröße P(U) ist beispielhaft in den zweiten Bereich II linear extrapoliert. Alternativ ist auch denkbar, dass die zweite Zielgröße P(U) im dritten Bereich III unabhängig vom Verlauf von P(U) im zweiten Bereich definiert ist; so kann die zweite Zielgröße P(U) in dem dritten Bereich III eine andere Steigung als im zweiten Bereich II oder einen von P₀ abweichenden konstanten Wert aufweisen. Der Sollwert für die Austauschleistung P_NAP bei einer Spannung U_NAP im dritten Bereich III kann anhand der oben genannten Formel P_NAP = G·P₀ + (1 – G)·P(U) berechnet werden, wobei für den Dritten Bereich III ein Gewichtungsfaktor G verwendet wird, der einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist. In 2 ist der Gewichtungsfaktor G im gesamten Bereich III konstant und weist einen Wert von etwa 0,5 auf. Bei einer Spannung U_NAP = U_n im dritten Bereich III liegt der Sollwert für die Austauschleistung P_NAP = P_n somit genau in der Mitte zwischen der ersten Zielgröße P₀ und der zweiten Zielgröße P(U). Die Abweichung ∆P_n repräsentiert hier einen zu vergütenden optionalen Beitrag zur Stabisilierung des Wechselspannungsnetz 12.
• Die Energieerzeugungsanlage 10 stellt somit bei Spannungen U_NAP im dritten Bereich III eine Austauschleistung P_NAP zur Verfügung, die einerseits von dem durch die erste Zielgröße P₀ ausgedrückten Standardverhalten der Energieerzeugungsanlage 10 abweicht, andererseits jedoch zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 beiträgt, wenn auch nicht in dem durch die zweite Zielgröße P(U) ausgedrückten maximal möglichem Maße. Durch eine geeignete Modifikation des Gewichtungsfaktors lässt sich nun das Verhalten der Energieerzeugungsanlage 10 bei Spannungen U_NAP im Bereich III hinsichtlich eines wirtschaftlich optimalen Betriebs steuern, indem einerseits ein möglichst hoher Anteil der von der Energieerzeugungsanlage 14 erzeugten Energie innerhalb der Energieerzeugungsanlage 10 verbraucht bzw. zwischengespeichert wird und andererseits eine Vergütung des geleisteten Beitrags zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 optimal genutzt wird, sofern dies in der Gesamtbetrachtung sinnvoll und gewinnbringend ist.
• 3 zeigt schematisch relevante Parameter zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zur Ermittlung des Gewichtungsfaktors G. Es kann grob unterschieden werden zwischen Systemparametern, die im Wesentlichen Eigenschaften der Energieerzeugungsanlage 10 repräsentieren, und Rahmenbedingungen, die von außerhalb der Energieerzeugungsanlage 10 vorgegeben werden und insbesondere von Marktmechanismen beeinflusst sein können. Die einzelnen Systemparametern können mit dazu komplementären Rahmenbedingungen verknüpft werden, so dass die derart verknüpften Daten in einem Optimierungsalgorithmus derart verarbeitet werden können, dass ein Gewichtungsfaktor G ermittelt wird, der ein wirtschaftlich optimalen Betrieb der Energieerzeugungsanlage 10 bewirkt.
• Konkret können beispielsweise das Eigenverbrauchs-Potential, d.h. der voraussichtliche Nutzen des innerhalb der Energieerzeugungsanlage 12 erzeugten und direkt oder nach Zwischenspeicherung verbrauchten Energie, mit den Kosten für den Bezug von elektrischer Leistung aus dem Wechselspannungsnetz 12 in Beziehung gesetzt werden. Damit kann abgeschätzt werden, welchen Nachteil ein Verzicht auf eigenverbrauchte Energie durch die entstehende Notwendigkeit eines Bezugs von elektrischer Energie mit sich bringt. Darüber hinaus kann insbesondere aus den einzelnen ermittelten Leistungen innerhalb der Energieerzeugungsanlage 10 auf ein P(U)-Potential geschlossen werden, d.h. es kann abgeschätzt werden, welche Werte für die Austauschleistung P_NAP aus technischer Sicht von der Energieerzeugungsanlage 10 eingestellt werden könnten, und dieser Wert mit der erzielbaren Vergütung für die Bereitstellung einer bestimmten Austauschleistung P_NAP = P(U) zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 verknüpft werden. Dieselbe Verknüpfung ist auch für eine Stabilisierung des Wechselspannungsnetz 12 bei Abweichungen einer Frequenz f des Wechselspannungsnetz 12 von einer Nennfrequenz denkbar, indem alternativ oder zusätzlich zur spannungsabhängigen zweiten Zielgröße P(U) eine weitere frequenzabhängige Zielgröße P(f) definiert bzw. vorgegeben wird. Durch eine kombinierte Zielgröße P(U, f) können die Vorteile von lokaler Stabilisierung, d.h. Beitrag zur Spannungshaltung, und globaler Stabilisierung, d.h. Beitrag zur Frequenzstützung kombiniert werden. Je nach priorisierter Anforderung kann die Energieerzeugungsanlage 10 somit primär lokal oder global an der Netzstützung beteiligt werden, je nachdem, welcher Anteil an der kombinierten Zielgröße P(U, f) wie stark gewichtet wird.
• Zur Optimierung des wirtschaftlichen Betriebs der Energieerzeugungsanlage 10 anhand des Maximierungsalgorithmus können weitere Daten berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Ladezustand des Energiespeichers, hier einer Batterie, berücksichtigt werden. Zudem können verschiedene Prognosen berücksichtigt werden, die das zukünftige Verhalten der Systemparameter abbilden, beispielsweise den zukünftigen Verlauf der erzeugten und verbrauchten Leistungen P_PV bzw. P_Last, sowie die zukünftige Entwicklung der Rahmenbedingungen, beispielsweise der Bezugspreise oder der P(U)-Vergütung,
• Konkret können beispielhaft folgende Fälle unterschieden werden, bei denen die Spannung U_NAP sich in dem dritten Bereich III bewegt und somit ein Beitrag zur Stabilisierung der Spannung U_NAP des Wechselspannungsnetzes 12 zwar nicht gefordert ist, aber zumindest vergütet wird:
• Fallbeispiel 1: Überspannung bei hoher Einstrahlung
• Wenn die Leistung P_PV der Energieerzeugungseinheit 14 so hoch ist, beispielsweise aufgrund einer hohen Sonneneinstrahlung auf den Photovoltaikgenerator 14a, dass sie die von den Verbrauchern 16 bezogene Leistung P_Last übersteigt, kann die Differenz aus P_PV und P_Last als P_Batt in den Energiespeicher 15 eingespeist werden, um die Austauschleistung P_NAP auf den ersten Sollwert null entsprechend der ersten Zielgröße P₀ einzustellen. Sobald die Spannung U_NAP den rechtsseitigen Grenzwert G1 überschreitet, d.h. einen Wert im dritten Bereich III aufweist, kann ein Anreiz für einen Beitrag zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 12 in Form einer Vergütung für eine Reduzierung der Anschlussleistung, d.h. eine Einstellung von P_NAP < 0 entsprechend der zweiten Zielgröße P(U) vorliegen. Diese Reduzierung kann erreicht werden, indem die in den Energiespeicher 15 eingespeiste Leistung P_Batt erhöht wird. Dadurch steht im Energiespeicher 15 mehr Energie zur Verfügung, die zu einem späteren Zeitpunkt, an dem die erzeugte Leistung P_PV kleiner ist als die verbrauchte Leistung P_Last wieder abgerufen werden kann. Somit tritt ein positiver wirtschaftlicher Effekt ein, wenn der aktuelle Bezugspreis abzüglich Vergütung geringer ist als der Bezugspreis zu dem späteren Zeitpunkt mit P_PV < P_Last. Alternativ zur Erhöhung der Leistung P_Batt kann auch die Leistung P_Last erhöht werden, sofern dadurch Energie verbraucht wird, die ansonsten zu einem späteren Zeitpunkt verbraucht werden würde und somit ebenfalls den Bezug zu einem späteren Zeitpunkt verringert.
• Fallbeispiel 2: Überspannung bei geringer Einstrahlung
• Wenn die Leistung P_PV der Energieerzeugungseinheit 14 so gering ist, beispielsweise aufgrund einer geringen Sonneneinstrahlung auf den Photovoltaikgenerator 14a oder nachts, dass sie die von den Verbrauchern 16 bezogene Leistung P_Last unterschreitet, kann die Differenz aus P_PV und P_Last als P_Batt aus dem Energiespeicher 15 entnommen werden, um die Austauschleistung P_NAP auf den ersten Sollwert null entsprechend der ersten Zielgröße einzustellen. Sobald die Spannung U_NAP den rechtsseitigen Grenzwert G1 überschreitet, d.h. einen Wert im dritten Bereich III aufweist, kann ein Anreiz für einen Beitrag zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 12 in Form einer Vergütung für eine Reduzierung der Anschlussleistung, d.h. eine Einstellung von P_NAP < 0 vorliegen. Diese Reduzierung kann erreicht werden, indem die aus dem Energiespeicher 15 entnommene Leistung P_Batt verringert wird. Dadurch steht im Energiespeicher 15 mehr Energie zur Verfügung, die über einen längeren Zeitraum abgerufen werden kann. Somit tritt ein positiver wirtschaftlicher Effekt ein, wenn der aktuelle Bezugspreis abzüglich Vergütung geringer ist als der Bezugspreis zu dem späteren Zeitpunkt. Alternativ zur Verringerung der Leistung P_Batt kann auch die Leistung P_Last erhöht werden, sofern dadurch Energie verbraucht wird, die ansonsten sowieso, nur zu einem späteren Zeitpunkt verbraucht werden würde und somit ebenfalls den Bezug zu einem späteren Zeitpunkt verringert.
• Fallbeispiel 3. Unterspannung bei hoher Einstrahlung
• Wenn die Leistung P_PV der Energieerzeugungseinheit 14 so hoch ist, beispielsweise aufgrund einer hohen Sonneneinstrahlung auf den Photovoltaikgenerator 14a, dass sie die von den Verbrauchern 16 bezogene Leistung P_Last übersteigt, kann die Differenz aus P_PV und P_Last als P_Batt in den Energiespeicher 15 eingespeist werden, um die Austauschleistung P_NAP auf den ersten Sollwert null entsprechend der ersten Zielgröße einzustellen. Sobald die Spannung U_NAP den linksseitigen Grenzwert G1 unterschreitet, d.h. einen Wert im dritten Bereich III aufweist, kann ein Anreiz für einen Beitrag zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 12 in Form einer Vergütung für eine Erhöhung der Anschlussleistung, d.h. eine Einstellung von P_NAP > 0 entsprechend der zweiten Zielgröße P(U) vorliegen. Diese Erhöhung kann erreicht werden, indem die in den Energiespeicher 15 eingespeiste Leistung P_Batt verringert wird. Dadurch steht im Energiespeicher 15 zwar weniger Energie zur Verfügung, die zu einem späteren Zeitpunkt, an dem die erzeugte Leistung P_PV kleiner ist als die verbrauchte Leistung P_Last wieder abgerufen werden kann. Nichtsdestotrotz tritt ein positiver wirtschaftlicher Effekt ein, wenn die Gesamtvergütung für die Einspeisung mit P_NAP > 0, die sich zusammensetzt aus einer regulären Einspeisevergütung und einer Vergütung für die stabilisierende Netzdienstleistung, höher ist als der Bezugspreis zu dem späteren Zeitpunkt mit P_PV < P_Last. Alternativ zur Verringerung der Leistung P_Batt kann auch die Leistung P_Last verringert werden, insbesondere indem die Aktivierung von Verbrauchern auf einen späteren Zeitpunkt verschoben wird.
• Fallbeispiel 4: Unterspannung bei geringer Einstrahlung
• Wenn die Leistung P_PV der Energieerzeugungseinheit 14 so gering ist, beispielsweise aufgrund einer hohen Sonneneinstrahlung auf den Photovoltaikgenerator 14a oder nachts, dass sie die von den Verbrauchern 16 bezogene Leistung P_Last unterschreitet, kann die Differenz aus P_PV und P_Last als P_Batt aus dem Energiespeicher 15 entnommen werden, um die Austauschleistung P_NAP auf den ersten Sollwert null entsprechend der ersten Zielgröße einzustellen. Sobald die Spannung U_NAP den linksseitigen Grenzwert G1 unterschreitet, d.h. einen Wert im dritten Bereich III aufweist, kann ein Anreiz für einen Beitrag zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes 12 in Form einer Vergütung für eine Erhöhung der Anschlussleistung, d.h. eine Einstellung von P_NAP > 0 entsprechend der zweiten Zielgröße P(U) vorliegen. Diese Erhöhung kann erreicht werden, indem die aus dem Energiespeicher 15 entnommene Leistung P_Batt erhöht wird. Dadurch steht im Energiespeicher 15 zwar weniger Energie zur Verfügung, die somit in einem kürzeren Zeitraum verbraucht ist.. Nichtsdestotrotz tritt ein positiver wirtschaftlicher Effekt ein, wenn die Gesamtvergütung für die Einspeisung mit P_NAP > 0, die sich zusammensetzt aus einer regulären Einspeisevergütung und einer Vergütung für die stabilisierende Netzdienstleistung, höher ist als der Bezugspreis zu dem späteren Zeitpunkt, an dem der Energiespeicher 15 geleert ist. Alternativ zur Erhöhung der Leistung P_Batt kann auch die Leistung P_Last erhöht werden, insbesondere indem die Aktivierung von Verbrauchern von einem späteren auf den aktuellen Zeitpunkt vorgezogen wird.
• Es versteht sich, dass die angegebenen Fallbeispiele sinngemäß auf eine Stabilisierung der Frequenz f_NAP des Wechselspannungsnetzes 12 angewendet werden können.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
• Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Elemente können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Elemente sein, auf die sich das jeweilige Verfahren oder die jeweilige Vorrichtung bezieht.
• Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
• Bezugszeichenliste

10

Energieerzeugungsanlage

11

Netzanschlusspunkt

12

Wechselspannungsnetz

13

Messmittel

14

Energieerzeugungseinheit

14a

Photovoltaikgenerator

14b

Wechselrichter

15

Energiespeicher

15a

Batterie

15b

Wechselrichter

16

Verbraucher

17

Energiemanager

P_PV

elektrische Leistung des Photovoltaikgenerators

P_Batt

Austauschleistung des Energiespeichers

P_Last

elektrische Bezugsleistung der Verbraucher

P_NAP

Austauschleistung am Netzanschlusspunkt

P₀

erste Zielgröße

P(U)

zweite Zielgröße

U_NAP

Spannung am Netzanschlusspunkt

U₀

Nominalspannung

G

Gewichtungsfaktor

G1, G2

Grenzwerte

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012103081 A1 [0008]
• DE 102008057563 A1 [0009]
• DE 102011006214 A1 [0010]
• DE 102012106466 A1 [0011]

Claims (12)

1. Verfahren zum Betrieb einer Energieerzeugungsanlage (10), die eine Energieerzeugungseinheit (14) mit einem Wechselrichter (14a), einen elektrischen Energiespeicher (15) und elektrische Verbraucher (16) umfasst, über einen Netzanschlusspunkt (11) mit einem öffentlichen Wechselspannungsnetz (12) verbunden ist und eine elektrische Austauschleistung (P_NAP) bidirektional mit dem Wechselspannungsnetz (12) austauscht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Erfassen eines Istwertes der Austauschleistung (P_NAP) am Netzanschlusspunkt (11); – Erfassen einer Spannung (U_NAP) und/oder einer Frequenz (f_NAP) am Netzanschlusspunkt (11); – Festlegen eines Sollwertes für die Austauschleistung (P_NAP) am Netzanschlusspunkt (11); – Einstellen der Austauschleistung (P_NAP) am Netzanschlusspunkt (11) auf den Sollwert durch Ansteuern der Energieerzeugungseinheit (14), des Energiespeichers (15) und/oder der Verbraucher (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Zielgröße (P₀) für die Austauschleistung (P_NAP) als konstanter Wert und eine zweite Zielgröße (P(U)) für die Austauschleistung (P_NAP) in Abhängigkeit von mindestens einer der am Netzanschlusspunkt erfassten Größen (U_NAP, f_NAP) vorgegeben sind, wobei der Sollwert für die Austauschleistung (P_NAP) in Abhängigkeit von der ersten Zielgröße (P₀) und von der zweiten Zielgröße (P(U)) festgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert mittels eines Gewichtungsfaktors (G) auf einen Wert zwischen der ersten Zielgröße (P₀) und der zweiten Zielgröße (P(U)) festgelegt wird, wobei der Gewichtungsfaktor (G) die relative Gewichtung der Zielgrößen (P₀, P(U)) zueinander angibt und einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (G) in Abhängigkeit eines Netzzustandes eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzzustand mindestens drei Netzzustandswerte umfasst, wobei – einem erstem Netzzustandswert ein Gewichtungsfaktor (G) von 1 zugeordnet ist, so dass der Sollwert der ersten Zielgröße (P₀) entspricht, – einem zweiten Netzzustandswert ein Gewichtungsfaktor (G) von 0 zugeordnet ist, so dass der Sollwert der zweiten Zielgröße (P(U)) entspricht, und – einem dritten Netzzustandswert ein Gewichtungsfaktor (G) zwischen 0 und 1 zugeordnet ist, so dass der Sollwert zwischen der ersten Zielgröße (P₀) und der zweiten Zielgröße (P(U)) liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Netzzustandswert verwendet wird, wenn Abweichungen der am Netzanschlusspunkt (11) erfassten Größen (U_NAP, f_NAP) von ihnen jeweils zugeordneten Referenzwerten (U₀, f₀) ihnen jeweils zugeordnete erste Grenzwerte (G1) unterschreiten, – der zweite Netzzustandswert verwendet wird, wenn mindestens eine der Abweichungen einen zweiten Grenzwert (G2) überschreitet, wobei der zweite Grenzwert (G2) betragsmäßig größer als der erste Grenzwert ist, und – der dritte Netzzustandswert verwendet wird, wenn mindestens eine der Abweichungen zwischen dem ersten Grenzwert (G1) und dem zweiten Grenzwert (G2) liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Netzzustandswert von einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben wird, wobei die übergeordnete Steuereinheit von einem Netzbetreiber eines öffentlichen Wechselspannungsnetzes (12) betrieben wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zielgröße (P₀) derart bestimmt wird, dass eine von der Energieerzeugungseinheit (14) erzeugte Leistung (P_PV) vollständig innerhalb der Energieerzeugungsanlage (10) verwendet wird, wobei die erste Zielgröße (P₀) insbesondere den Wert null aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zielgröße (P(U)) eine Kennlinie ist, die insbesondere von einem Netzbetreiber des Wechselspannungsnetzes (12) vorgegeben ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (G) in Abhängigkeit von einer Vergütung eingestellt wird, wobei die Vergütung eine Funktion der tatsächlichen Austauschleistung (P_NAP) ist und insbesondere von dem Netzbetreiber des Wechselspannungsnetzes (11) vorgegeben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (G) in Abhängigkeit von einem Verbrauchspreis und/oder in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers (15) eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor (G) derart eingestellt wird, dass eine Kostenfunktion mit mehreren Variablen minimiert wird, wobei die Variablen der Kostenfunktion die Vergütung, den Verbrauchspreis, den Ladezustand des Energiespeichers (15) und/oder Prognosen für von den elektrischen Verbrauchern verbrauchte Leistungen (P_Last), für von der Energieerzeugungseinheit (14) erzeugte Leistung (P_PV) und/oder für den Netzzustandswert umfassen.
12. Energieerzeugungsanlage (10), die eine Energieerzeugungseinheit (14) mit einem Wechselrichter (14a), einen elektrischen Energiespeicher (15) und elektrische Verbraucher (16) umfasst und über einen Netzanschlusspunkt (11) mit einem öffentlichen Wechselspannungsnetz (12) verbunden ist und eine elektrische Austauschleistung (P_NAP) bidirektional mit dem Wechselspannungsnetz (12) austauscht, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungsanlage (10) eine Steuerungseinheit (17) umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Energieerzeugungsanlage (10) mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche zu betreiben.

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