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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieerzeugung und -speicherung. Sie umfasst einen regenerativen Energieerzeuger, insbesondere eine Windenergieanlage und/oder eine Fotovoltaikanlage, sowie einen Speicher für elektrische Energie.
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Elektrische Netze müssen zur Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit in der Lage sein, Unterschiede zwischen Leistungserzeugung einerseits und Leistungsverbrauch andererseits schnell ausgleichen zu können. Die dazu benötigte elektrische Leistung wird als Regelleistung bezeichnet. Positive Regelleistung wird benötigt, um ein in der Regel plötzlich auftretendes Defizit in der Leistungserzeugung, beispielsweise den Ausfall eines Kraftwerks, ausgleichen zu können. Bei negativer Regelleistung verhält es sich genau gegenteilig, hier ist zu viel Leistungserzeugung bezogen auf den Leistungsverbrauch vorhanden, so dass die Erzeugung reduziert werden muss. In beiden Fällen überbrückt die Regelleistung den Leistungsüberschuss bzw. das Leistungsdefizit schnell und für eine begrenzte Zeitdauer, nämlich so lange bis weitere Reserveerzeugung hochgefahren werden kann bzw. Erzeugungseinheiten vom Netz genommen werden können. Was hierbei unter einer begrenzten Zeitdauer zu verstehen ist, variiert je nach Land, typischerweise handelt sich um Zeiträume im Bereich zwischen 15 und 60 Minuten.
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In herkömmlichen Stromnetzen wird elektrische Leistung überwiegend mittels konventioneller Kraftwerke erzeugt, die in der Regel von Turbinen angetriebene Synchrongeneratoren aufweisen. Ein Überangebot bzw. ein Mangel an elektrischer Leistung (Wirkleistung) macht sich bemerkbar durch Änderung der Netzfrequenz. Derartige Änderungen der Netzfrequenz rühren daher, dass bei fehlender Wirkleistung im Netz (Erzeugung ist zu gering) die Synchrongeneratoren sich aufgrund ihrer Bauart abbremsen bzw. bei zu viel vorhandener Wirkleistung (Erzeugung ist zu groß für den Verbrauch) die Synchrongeneratoren entlastet werden und damit beschleunigen. Diesem Bremsen bzw. Beschleunigen wirkt entgegen die große Massenträgheit der rotierenden Teile der Synchrongeneratoren einschließlich der damit gekoppelten antreibenden Turbinen. Somit wirken klassische Synchrongeneratoren von Haus aus ausgleichend in Bezug auf Änderungen der Wirkleistung. Diese Wirkung tritt nur im Zeitbereich von wenigen Sekunden auf, so dass auch Netze mit überwiegend konventionellen Kraftwerken auf Regelenergie angewiesen sind.
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Allerdings werden in Stromnetzen zunehmend konventionelle Kraftwerke mit ihren großen Synchrongeneratoren durch kleinere dezentrale Kraftwerke ersetzt, deren einspeisbare Leistung vom Primärenergieangebot (beispielsweise der Windgeschwindigkeit) abhängt. Beispiele hierfür sind typischerweise Anlagen zur regenerativen Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere Windenergieanlagen bzw. Windparks oder Fotovoltaikanlagen. Kraftwerke der regenerativen Energieerzeugung können Regelenergie nur in Abhängigkeit vom Primärenergieangebot bereitstellen, und müssen unterhalb der möglichen Leistung (abgeregelt) betrieben werden, wenn positive Regelleistung bereitgestellt werden soll.
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Auf der anderen Seite ist aber geradezu eine intrinsische, zwingende Voraussetzung für das Anbieten von Regelleistung, dass sie garantiert vorgehalten werden kann. Sie muss zum einen im Bedarfsfall für eine gewisse Zeitdauer garantiert eingespeist werden können (typischerweise eine Zeitdauer von 30 Minuten), und sie muss über einen gewissen Zeitraum garantiert vorgehalten werden können (typischerweise wird in Deutschland für das Vorhalten ein Zeitraum von einer Woche verlangt).
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Während konventionelle Kraftwerke dieses Erfordernis der garantierten Vorhaltung in der Regel von Haus aus erfüllen können, so gilt dies für Anlagen der regenerativen Energieerzeugung meist nicht. Insbesondere fehlt es den Anlagen der regenerativen Energieerzeugung in einer hinreichend sicheren Prognose für den geforderten Zeitraum (der Zeitraum, über den die Vorhaltung der Regelleistung garantiert wird), und ferner können diese Anlagen häufig nicht (oder nur sehr beschränkt) positive Regelleistung bringen (wenn der Wind nicht ausreichend weht, kann keine Mehrleistung eingespeist werden).
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Um die Anlagen der regenerativen Energieerzeugung dennoch an der Bereitstellung von Regelleistung zu beteiligen, werden ihnen zunehmend elektrische Speicher zugeordnet. Das Vorsehen der Speicher ist jedoch aufwendig und deren Ausnutzung mitunter nicht optimal. Typischerweise werden sie mit einem Ladestand von etwa 50 % betrieben, um sowohl Reserve nach oben zu haben zur Aufnahme von Leistung (negative Regelleistung) bzw. Reserve nach unten zur Abgabe von zusätzlicher Leistung (positive Regelleistung). Die Speicher sind damit doppelt so groß zu dimensionieren wie an sich für die bereitzustellende Regelenergie erforderlich.
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Um den dafür erforderlichen Aufwand zu minimieren, ist es bekannt den Speicher zu verkleinern durch Beistellen eines Energiewandlers (
EP 3 148 036 A1 ). Dieser Energiewandler ist dazu ausgebildet, insbesondere im Fall von negativer Regelleistung als zusätzlicher Verbraucher aufzutreten und somit Leistung zu dissipieren, sodass sie nicht in Speicher aufgenommen werden muss. Damit kann der Speicher mit einem höheren Ladestand betrieben werden (idealerweise 100 %) und somit im Ergebnis kleiner dimensioniert sein. Diesem Vorteil steht als Nachteil gegenüber, dass ein zusätzliches Element zum Dissipieren überschüssiger Energie erforderlich ist; ferner ist dieses Dissipieren der elektrischen Energie mangels Speichermöglichkeit eine Energieverschwendung, die es zu vermeiden gilt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine bessere Nutzung des Speichers zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einer Anordnung umfassend einen regenerativen Energieerzeuger und einen Speicher für elektrische Energie zur Abgabe an ein Netz, wobei der regenerative Energieerzeuger einen Energiewandler zur Wandelung erneuerbarer Energiequellen in elektrische Energie sowie eine Leistungssteuereinheit aufweist, welche einen Eingang für eine Soll-Leistungsabgabe aufweist und die Leistungserzeugung durch den regenerativen Energiewandler kontrolliert, und ferner eine Ladesteuerung für den Speicher vorgesehen ist, welche eine bereitzustellende Mindest-Regelenergie einstellt und ein Signal für einen Soll-Ladestand des Speichers ausgibt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die Ladesteuerung eine Korrektureinheit aufgeschaltet ist, die das Signal für den Soll-Ladestand laufend modifiziert, und eine Folgesteuereinheit vorgesehen ist, welche von der Korrektureinheit angesteuert ist und auf die Leistungssteuereinheit des regenerativen Energieerzeugers einwirkt abhängig von einem Ausgangswert der Korrektureinheit.
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Zuerst seien einige verwendete Begriffe erläutert.
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Ein regenerativer Erzeuger ist eine Anlage mit einem Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbarer Primärenergie. Insbesondere umfasst dies Windenergieanlagen, Fotovoltaikanlagen, oder thermische Solarkraftwerke. Typisch für diese ist, dass die Primärenergie nicht direkt kontrollierbar ist (ob und wie stark der Wind weht, die Sonne scheint etc.).
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Der Speicher ist zumindest dazu ausgebildet, von dem Energieerzeuger generierte elektrische Energie ein- bzw. auszuspeichern und in das Netz abzugeben bzw. von diesem zu beziehen.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, den Ladezustand des Speichers während der Bereithaltung von Regelenergie nicht wie in dem Stand der Technik fix (beispielsweise auf 50 % oder auf 100 %) zu belassen, sondern mittels einer Korrektureinheit dynamisch zu modifizieren, wobei abhängig von der Korrektur auf den regenerativen Energieerzeuger eingewirkt wird und dessen Soll-Leistung entsprechend geändert wird. Somit erfolgt eine dynamische Aufteilung der bereitzustellenden negativen Regelenergie zwischen Speicher einerseits und dem regenerativen Energieerzeuger andererseits. Weht beispielsweise viel Wind, so kann der Ladezustand des Speichers durch die Korrektureinheit angehoben werden, da bei viel Wind und somit hoher Leistung der Windenergieanlage die ggf. erforderliche negative Regelleistung durch Drosseln der Windenergieanlage erreicht werden kann, ohne dazu auf den Speicher zurückgreifen zu müssen. Der Speicher braucht also nicht entsprechend viel Freiraum aufweisen, d.h. er kann deutlich höher als 50 % aufgeladen werden. Die Erfindung hat erkannt, dass dies erreicht werden kann durch die Kombination zweier Maßnahmen, nämlich zum einen der dynamischen Gestaltung des Soll-Ladezustands am Speicher, kombiniert mit einer von dem Speicher ausgehenden Veränderung der Sollleistung des regenerativen Energieerzeugers mittels der Folgesteuerung. Auf diese Weise wird mittels der Folgesteuerung der regenerative Energieerzeuger zum „Gehilfen“ des Speichers. Dies ist genau der umgekehrte Ansatz als bisher im Stand der Technik üblich.
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Die dadurch erreichten Vorteile sind beträchtlich. Es wird zum einen nicht nur die Bereitstellung von Regelleistung verbessert, sondern zusätzlich kann die Kapazität des Speichers nunmehr auch verwendet werden zur verzögerten Bereitstellung der erzeugten elektrischen Energie, also zur sogenannten Erzeugungsverzögerung. Dieses auch als „production shifting“ bezeichnete zeitliche Verlagern hat eine erhebliche Bedeutung im Netzbetrieb, da somit aus Sicht des Netzes eine Verschiebung der Leistungseinspeisung ermöglicht ist. Nachfragespitzen können damit erfüllt werden, eignet sich also insbesondere für solche Situationen, wenn Energie im Netz knapp und somit besonders wichtig ist. Dies ermöglicht den erfindungsgemäß ausgerüsteten regenerativen Energieerzeugern neue Nutzungsfelder, insbesondere die Teilnahme am freien Handel der Elektrizität an den sog. Strombörsen.
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Der Energiespeicher wird erfindungsgemäß also doppelt genutzt, nämlich zum einen für die Bereitstellung der Regelenergie (wie bisher), aber darüber hinaus gehend auch zum „production shifting“ zur Befriedigung von Nachfragespitzen (Strombörse). Der Speicher wird damit wesentlich besser genutzt, und ohne dass dazu ein teurer Ausbau der Speicherkapazität als solcher erforderlich wäre. Der Erfindung gelingt dies allein durch eine clevere Nutzung und Ansteuerung des Speichers selbst und des damit verbundenen regenerativen Energieerzeugers. Dabei ist stets gesichert, dass die benötigte Regelenergie auf Anfrage sofort zur Verfügung steht. Hierbei ist vorzugsweise an die Korrektureinheit als Eingangsparameter angelegt ein Maß für die verfügbare Primärleistung, insbesondere kann es sich hierbei um eine Vorhersage (Prognose) für die verfügbare Primärleistung handeln. Ein besonderer Vorzug liegt darin, dass diese Vorhersage kurzräumiger sein kann als der Zeitraum, über den die Vorhaltung der Regelleistung garantiert wird. Der Prognosezeitraum kann also kürzer sein als der Garantiezeitraum (vorstehend auch als „geforderter Zeitraum“ bezeichnet). Das ist ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung.
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Zweckmäßigerweise wirkt die Folgesteuerung derart auf die Leistungssteuereinheit des regenerativen Energieerzeugers ein, dass diese in einer Master/Slave-Beziehung zu der Korrektureinheit des Speichers steht. Hierbei ist die Korrektureinheit der Master und entsprechend die Leistungssteuereinheit des regenerativen Energieerzeugers der Slave. Damit kann erreicht werden, dass beispielsweise bei ausreichend Wind der Speicher komplett vollgeladen werden kann, und mittels der Folgesteuerung die negative Regelleistung dann nicht über den Speicher erbracht wird, sondern durch Abregelung der Windenergieanlage. Sind beispielsweise für einen folgenden Zeitraum (z. B. 48 Stunden) sowohl genügend Wind als auch eine Periode mit tendenziellem Überangebot von Energie im Netz vorausgesagt, dann kann erfindungsgemäß der Speicher voll aufgeladen werden (und verhältnismäßig weniger Leistung an das Netz abgegeben werden), um den Speicher dann erst zu einem späteren Zeitpunkt zu entladen, wenn Nachfragespitzen im Netz bestehen (gegen entsprechendes Entgelt), und dabei dennoch stets ausreichend Regelleistung bereitzuhalten.
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Mit Vorteil ist die Korrektureinheit ausgebildet für mehrere Eingangsparameter. Insbesondere sind weitere Parameter Vorhersagewerte für die verfügbare Primärleistung (Windstärke bzw. Sonnenscheinintensität), Vorhersagewerte für Elektrizitätsbedarf im Netz, Mindestwerte für vorzuhaltende Regelleistung, Speicherkapazität sowie -leistung, Soll-Regelleistung, und/oder Ladestand des Speichers. Mit einem solchen Mehrzahl an Eingangsparametern für die Korrektureinheit lässt sich eine bessere Vorhersage bzw. Anpassung des Ladezustands des Speichers (und davon abhängig über die Folgesteuerung auch eine entsprechende Leistungseinstellung des regenerativen Energieerzeugers) erreichen. Zweckmäßigerweise sind zumindest für einige der Eingangsparameter ferner zusätzlich statistische Kenngrößen angelegt, insbesondere solche für ein Vertrauensintervall. Damit kann eine feinere Anpassung und höhere Zuverlässigkeit insbesondere im Bereich der Vorhersage der Leistungsproduktion (Windvorhersage bzw. Sonnenscheinvorhersage) erreicht werden. Entsprechend gilt auch für die Vorhersage der Nachfragesituation im Netz.
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Zweckmäßigerweise weist die Korrektureinheit eine Optimierungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, anhand der Eingangsparameter mittels eines Optimierungsmoduls das Signal für den Soll-Ladezustand zu bestimmen. Mittels an sich bekannter Optimierungsrechnung kann so bezogen auf die Eingangsparameter der optimale Soll-Ladezustand des Speichers bestimmt werden und über die Folgesteuerung auch entsprechend die von dem regenerativen Energieerzeuger abzugebende Leistung. In dem Optimierungsmodul sind zweckmäßigerweise als Optimierungsverfahren implementiert ein Gradientenverfahren, ein neuronales Netz oder ein evolutionärer Algorithmus. Derartige Optimierungsverfahren sind an sich bekannt und brauchen daher vorliegend nicht näher erläutert zu werden.
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Die Eingangsparameter sind vorzugsweise zeitabhängig, also veränderlich über die Zeit. Dies betrifft insbesondere die Vorhersage für die verfügbar Primärleistung, aber auch die Nachfragesituation im Netz. Ferner ist vorzugsweise die Korrektureinheit so ausgebildet, dass sie die Eingangsparameter zeitgestaffelt auswertet. Damit kann ein dynamischer Verlauf bei der Bestimmung des Soll-Ladestands und somit eine präzisere Anpassung an die jeweils veränderten Bedingungen erreicht werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind ferner Wichtungsfaktoren für mindestens einen der Eingangsparameter vorgesehen, und zwar insbesondere für den Elektrizitätsbedarf im Netz und/oder erzeugte Leistung. Die Gewichtungsfaktoren können optional unterschiedlich je nach Vorzeichen (für positiv bzw. negativ) sein. Mit den Wichtungsfaktoren kann jeweils ein Maß für die Wichtigkeit der Eingangsparameter eingestellt sein, wobei das Maß auch über die Zeit variieren kann. Damit kann ausgedrückt werden, wie wichtig ein bestimmter Parameter zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Besonders günstig ist dies im Hinblick auf ein Ertragsmanagement der regenerativen Energieerzeugung, wobei der Wichtungsfaktor für einen zu erzielenden Preis (zum Beispiel an einer Strombörse) stehen kann. Die Wichtung stellt ein wertvolles Mittel bei der Optimierung dar.
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In Bezug auf die Soll-Leistungsabgabe des regenerativen Energieerzeugers ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein Referenzsignal für eine Soll-Leistungsabgabe von extern angelegt ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass es intern generiert ist, insbesondere mittels einer Frequenzstatik. Im letzteren Fall erhöht beispielsweise der regenerative Energieerzeuger seine Leistungsabgabe im Fall einer absinkenden Frequenz (unter den Normalwert) und erniedrigt seine Leistungsabgabe im umgekehrten Fall bei einer ansteigenden Frequenz (über den Normalwert). Auf diese Weise kann eine Selbstregelung erreicht werden, die im Grundverhalten ähnlich ist zu der eines Synchrongenerators im konventionellen Kraftwerk.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung sei nachfolgend kurz skizziert anhand eines Beispiels einer Windenergieanlage als regenerativen Energieerzeuger. In dem Fall, wenn genügend Primärenergie vorhanden ist (weil der Wind hinreichend stark weht), kann positive und negative Regelleistung im Grunde sowohl durch die Windenergieanlage selbst wie auch durch den Speicher vorgehalten werden. Generell gilt, dass die Wahl der Aufteilung zwischen Erzeuger und Speicher zum einen jederzeit eine vorgehaltene Mindestregelleistung (positiv und negativ) garantieren soll, und zum anderen möglichst effizient und wirtschaftlich sein soll. Hingegen ist in dem Fall, wenn keine oder nur ungenügende Primärenergie zur Verfügung steht (zum Beispiel bei Flaute), sicherzustellen, dass die angebotene Mindestregelleistung allein mit dem Speicher zur Verfügung gestellt werden kann. Dies geschieht in bekannter Weise dadurch, dass ein definierter Ladezustand eingestellt wird, beispielsweise bei dem Erfordernis einer symmetrischen Primärregelleistung (positiv und negativ gleich groß) ist dieser Ladezustand 50 %. Da zu jedem Zeitpunkt diese Regelleistung bereitstehen muss, ist es erforderlich, dass der Ladezustand so eingestellt und erreicht wird. Mit anderen Worten genügt es nicht, eine Flaute festzustellen und dann den Speicher einzuregeln, vielmehr muss die Flaute vorhergesagt werden um mit dem abnehmenden Wind den Speicherzustand anzufahren.
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All dies kann die Erfindung leisten, wie vorstehend beschrieben. Verbessert werden kann das Verhalten durch Auswahl verschiedener Optimierungsalgorithmen, und gegebenenfalls durch optionale weitere Eingangsparameter, wie eine solchen für eine Unsicherheit der Wichtungsfaktoren für die eingespeiste Energie (beispielsweise die Marktpreisvorhersage) oder einen solchen Parameter, der die Speichereffizienz oder Speicherselbstentladung berücksichtigt (und damit eine überlange Speicherdauer eher pönalisiert).
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Übersichtsdarstellung zu einer Windenergieanlage mit Speicher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Übersichtsdarstellung zu einem Solarkraftwerk mit Speicher gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 ein schematisches Blockdiagramm zur Steuerung des Speichers und der Windenergieanlage;
- 4a, b, c Diagramme zum Betriebsverhalten der Windenergieanlage; und
- 5 eine Darstellung des Zugewinns.
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Eine in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Windenergieanlage bildet zusammen mit einem Speicher 2 eine Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Windenergieanlage 1 ist an sich konventionell aufgebaut. Sie weist einen Turm 15 auf, an dessen oberen Ende eine Gondel 11 in Azimutrichtung schwenkbeweglich angeordnet ist. An deren einer Stirnseite ist ein Windrotor 12 drehbar angeordnet, der über eine (nicht dargestellte) Rotorwelle einen Generator 13 antreibt, der mit einem Umrichter 14 zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung. Die so erzeugte elektrische Leistung wird über eine (nicht dargestellte) interne Leitung zu einem Anlagentransformator 16 geführt und über eine Anschlussleitung 17 zu einem meist parkinternen Sammelnetz geführt. An die Anschlussleitung 17 ist ferner angeschlossen der Speicher 2. Ferner können weitere Windenergieanlagen 1 des Windparks angeschlossen sein, die im Wesentlichen gleichartig aufgebaut sind und zweckmäßigerweise an einen gemeinsamen Speicher des Windparks angeschlossen sein; sie können aber auch jeweils über einen eigenen Speicher 2 verfügen. Die so erzeugte elektrische Energie wird über einen Parktransformator 18 zu einem Übergabepunkt 19 geleitet, von wo aus sie in ein öffentliches Netz 9 eingespeist wird. Der Betrieb der Windenergieanlage 1 ist gesteuert von einer Betriebssteuerung 10. All dies ist insoweit herkömmlich und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden. Es sei angemerkt, dass mehrere erfindungsgemäß betriebene Windenergieanlagen nicht zwingend in einem Windpark zusammengefasst zu sein brauchen, sie können auch unabhängig voneinander angeordnet sein.
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Bei dem Speicher 2 handelt es sich um einen im Grunde konventionellen elektrischen Energiespeicher, der insbesondere über eine Vielzahl von Akkumulatoren verfügt, es können aber auch alternative Speichertechnologien vorgesehen sein, wie bspw. Druckluft, Flüssigluft, Wasserstoff oder Pumpspeicher. Der Betrieb des Speichers 2 wird kontrolliert von einer Ladesteuerung 20. Diese stellt insbesondere einen gewünschten Ladezustand (SoC - State of Charge) ein, den der Speicher 2 einnehmen soll. Der Speicher 2 dient insbesondere dazu, Schwankungen der Leistungsabgabe der Windenergieanlage 1 auszugleichen bzw. auf Anforderung zusätzliche Leistung abzugeben oder aufzunehmen, kurzum um Regelleistung bereitzustellen. All dies ist per se ebenfalls bekannt und braucht daher nicht weiter beschrieben zu werden.
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Es sei angemerkt, dass bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Speicher 2 jeweils der Windenergieanlage 1 zugeordnet und extern zu ihr angeordnet ist. Zwingend ist dies nicht. So kann insbesondere der Speicher 2 auch innerhalb der Windenergieanlage 1 oder einmalig zentral im Sammelnetz angeordnet sein, wie in 1 durch die gestrichelte Darstellung angedeutet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 dargestellt. Dort sind als regenerativer Energieerzeuger statt der Windenergieanlage 1 Fotovoltaikeinheiten 1' vorgesehen, die über eine Anschlussleitung 17' miteinander und mit dem Speicher 2' verbunden sind. Die Fotovoltaikeinheit 1' benötigt keine drehenden Teile wie einen Windrotor oder rotierenden Generator, sie wandelt die von der Sonne 99 aufgebrachte Strahlungsleistung direkt in Elektrizität um. Beiden, der Windenergieanlage 1 bzw. der Fotovoltaikeinheit 1', ist gemeinsam, dass sich die jeweilige Primärquelle (Wind bzw. Sonnenschein) nicht kontrollieren lässt und nur eingeschränkt vorhersagbar ist. Es bestehen also bezüglich der Leistungsabgabe erhebliche Unsicherheiten.
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Die Erfindung wird nachfolgend orientiert am Beispiel eines regenerativen Energieerzeugers mit der Primärquelle „Wind“ erläutert. Für andere regenerative Energieerzeuger, wie insbesondere Fotovoltaikeinheiten 1', gilt entsprechendes.
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Um das Leistungsverhalten zu verbessern und den Speicher 2 außer zur Bereitstellung von Regelleistung zusätzlich für weitere Systemdienstleistungen wie Erzeugungsverzögerung nutzbar zu machen, sieht die Erfindung eine Anordnung 3 bestehend aus einer Korrektureinheit 4 sowie einer Folgesteuereinheit 5 vor. An die Korrektureinheit 4 ist als Haupteingangsgröße die vorzuhaltende Regelleistung PR angelegt. Sie berechnet daraus ein Steuersignal für den Ladezustand SoC und legt dieses an ihrem Ausgang auf die Ladesteuerung 20 des Speichers 2 an.
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Es sind weitere Eingangsdaten an die Korrektureinheit 4 angelegt, und zwar insbesondere Vorhersagedaten zu der eigentlichen Primärenergie (im Beispiel: Wind) Vw sowie zu dem vorhergesagten Bedarf für Energie VB . Ferner angelegt sind Daten für mindestens vorzuhaltende Leistung Pmin (positiv und negativ), Vertrauensintervalle σ für die verschiedenen Parameter sowie gegebenenfalls weitere Parameter wie Speicherkapazität und -leistung, Soll-Regelleistung und Ladezustand des Speichers. Ferner angelegt sind Wichtungsfaktoren Wi mit denen die Energie bzw. Leistungsbereitstellung und Lieferung zeitabhängig gewichtet werden kann. Zu diesem Zweck ist ferner ein Zeitmodul in der Korrektureinheit 4 vorgesehen.
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Die Korrektureinheit 4 weist ferner eine Optimierungseinrichtung auf, in der ein Optimierungsverfahren implementiert ist, beispielsweise ein an sich bekanntes Gradientenverfahren.
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Das Zusammenwirken der Korrektureinheit 4 mit dem Speicher 2 und dessen Ladesteuerung 20 ist wie folgt:
- Ist das Angebot an Primärenergie (Wind) nur gering, so muss dennoch sichergestellt sein, dass die angebotene Mindestregelleistung unter Zuhilfenahme des Speichers 2 zur Verfügung gestellt werden kann. Dazu benötigt der Speicher 2 einen gewissen Ladezustand, den er definiert anfährt. So ist beispielsweise in Deutschland, wo Primärregelleistung symmetrisch angeboten werden muss, dieser Ladezustand (SoC) 50 %. Dieses Anfahren muss prädiktiv erfolgen, da zu jedem Zeitpunkt die Regelleistung bereitstehen muss. Dazu dienen insbesondere die Vorhersagewerte für den Wind VW . Der Speicher 2 wird in diesem Fall allein dafür verwendet, die Primärregelleistung wie gefordert garantiert bereitzustellen.
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Ist hingegen genügend Primärenergie vorhanden (weht also der Wind ausreichend stark), dann kann die (garantierte) positive und negative Regelleistung sowohl durch den Speicher 2 vorgehalten werden, aber auch durch die Windenergieanlage 1. Die Korrektureinheit 4 nimmt nun zusammen mit der Folgesteuerung 5 die Aufteilung der Leistung zwischen Windenergieanlage 1 und Speicher 2 derart vor, dass jederzeit die Mindestregelleistung gewährleistet ist, aber andererseits der Speicher 2 auch möglichst weitgehend genutzt werden kann für andere Systemdienstleistungen für das Netz 9, wie beispielsweise eine Erzeugungsverzögerung (production shifting).
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Die Folgesteuerung 5 erhält Referenzsignale für die Soll-Leistung. Vorzugsweise sind sie angelegt über eine Frequenzstatik 51, die so ausgebildet ist um bei Netzfrequenzen oberhalb eines Nennwerts (zzgl. einer normgemäßen Toleranz) eine niedrigere Soll-Leistung vorzugeben und bei Netzfrequenzen unterhalb des Nennwerts (wiederum unter Berücksichtigung einer normgemäßen Toleranz) eine höhere Soll-Leistung vorzugeben.
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Ferner tauscht die Folgesteuerung 5 mit der Ladesteuerung 20 Signale zur Ist-Leistungsabgabe der Windenergieanlage 1 und zum Ist-Ladestand des Speichers 1 aus.
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Erläutert sei dies am Beispiel eines Windparks mit mehreren Windenergieanlagen und einer Nennleistung von insgesamt 4 MW sowie einer Speicherkapazität und -leistung von insgesamt 2 MWh bzw. 2 MW. Bei einem geringen Angebot von Primärenergie, insbesondere Flaute, muss der Speicher 2 bei einem Ladungsstand von 1 MWh gehalten werden, d. h. 50 % seiner Speicherkapazität. Damit ist gewährleistet, dass jederzeit die garantierte Primärregelleistung von 1 MW genügend lange vorgehalten werden kann. - Weht der Wind jedoch hinreichend stark, dann kann der Speicher 2 auch vollgeladen werden. In diesem Fall würde die negative Regelleistung durch Abregelung der Windenergieanlage 1 erbracht werden. Wenn beispielsweise für die nächste Zeit (48 Stunden) sowohl genügend Wind wie auch eine Periode mit geringer Energienachfrage und geringem Energiepreis vorausgesagt ist, so ist die Gewichtung gering und es kann dann unter Einbeziehung des Wichtungsfaktors der Speicher aufgeladen werden zu einem Zeitpunkt mit niedrigen Preisen, um ihn dann zu Zeiten mit höheren Preisen wieder zu entladen (Erzeugungsverzögerung). Die Folgesteuerung 4 bewirkt, dass die Windenergieanlagen 1 ihre jeweilige Leistungserzeugung anpassen, und beispielsweise bei der Anforderung von negativer Regelleistung die Leistungserzeugung drosseln und damit den Speicher 2 davon entlasten, entsprechend Leistung aufnehmen zu müssen. Hiermit werden nicht nur die vorhandenen Windenergieanlagen 1 und Speicher 2 besser ausgenutzt, sondern es wird auch ein zusätzlicher Ertrag realisiert. Hierbei ist erfindungsgemäß dennoch sichergestellt, dass stets genügend Regelleistung zur Verfügung steht.
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Das Ergebnis ist visualisiert in 4 a), b) und c). In 4a) ist mit dicker durchgezogene Linie dargestellt die aufgrund der Windbedingungen sich tatsächlich einstellende reale Leistungserzeugung der Windenergieanlagen 1 (maßgeblich ist die links an der y-Achse von 4a angeordnete Skalierung für die Leistung P), und der Ladestand des Speichers 2 (maßgeblich ist die rechts an der y-Achse von 4a angeordnete Skalierung für den Ladestand Q) ist dargestellt durch die dünne durchgezogene Linie. Betrachtet ist ein Zeitraum von einer Woche (gleich 168 Stunden, von der nur die ersten 150 Stunden dargestellt sind). Wichtungsfaktoren (hier in Gestalt von Verrechnungspreisen an der Strombörse) sind in 4b) dargestellt. Verfügbare Leistungsreserven sind in 4c) dargestellt, und zwar die zu garantierende Leistungsreserve mit der horizontalen gestrichelten Linie und die tatsächlich vorhandene Leistungsreserve mit durchgezogener Linie, und zwar jeweils für positive Leistungsreserve (oben) und negative Leistungsreserve (unten).
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Prognosedaten für den weiteren Windverlauf sind in 4a) durch eine gepunktete Linie im Zeitbereich 100-150h dargestellt (der sich real ergebende, aber zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannte tatsächliche Verlauf ist durch die gestrichelte Linie dargestellt). Anhand dem durch die dünne Linie dargestellten Ladezustand des Speichers 2 erkennt man, dass der Speicher 2 zu Zeiten von genügend Wind unterschiedlich von der Korrektureinrichtung 4 erfindungsgemäß geladen wird, und zwar unter anderen abhängig von den (prognostizierten) Wichtungsfaktoren. Wenn nur wenig Wind weht, wird der Ladezustand im Wesentlichen auf dem konventionellen Wert von 50 % (entsprechend 1 MWh) gehalten, bei viel Wind werden höhere Ladezustände angefahren.
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In 4c) ist die zu jedem Zeitpunkt verfügbare Leistungsreserve dargestellt. Wie man gut erkennen kann, ist die positive Reserve stets 1 MW oder größer (gleich oder oberhalb der oberen gestrichelten Linie), und entsprechendes gilt für die negative Reserve, die stets jenseits von -1 MW liegt. Man erkennt, dass die garantierten Werte (gestrichelte horizontale Linien) für 1 MW positive Regelleistung sowie 1 MW negative Regelleistung stets eingehalten werden. Die für das „production shifting“ genutzte Leistung ist durch den schraffierten Bereich dargestellt.
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Somit ergeben sich Vorteile nicht nur für die Betriebssicherheit und Leistungsversorgung des Stromnetzes 9, sondern auch unter Ertragsgesichtspunkten für den Betreiber der Windenergieanlage. 5 zeigt den durch die zusätzlich bereitgestellte Systemdienstleistung im Rahmen der Erzeugungsverzögerung erreichbaren Mehrertrag (siehe schraffierten Bereich). Dieser ist durchaus relevant, zumal vor dem Hintergrund, dass erfindungsgemäß keine zusätzlichen Speicher benötigt werden, sondern im Kern der vorhandene Speicher besser genutzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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