DE102018110630A1 - Method for designing a power supply and distribution system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Simulationssystem (1) und Verfahren zur optimierten Auslegung eines Energieverteiler-und Versorgungssystems (10) bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) in wenigstens einem Effizienzwert (Eff) einer physikalischen oder wirtschaftlichen Größe. The invention relates to a simulation system (1) and method for optimized design of a power distribution and supply system (10) comprising a plurality of energy-generating, energy-storing and energy-consuming system components (SYSi) in at least one efficiency value (Eff) of a physical or economic size.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Auslegung eines Energieversorgungs- und Verteilersystems.The invention relates to a method for optimized design of a power supply and distribution system.
Energieversorgungs- und Verteilersysteme zum Erzeugen, Speichern und zur Entnahme von Energie sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Im Rahmen der Energiewende und der energieeffizienten Versorgung insbesondere möglichst autarken Energieversorgung von Gebäuden, Gebäudekomplexen, Infrastruktur und entsprechend darin betriebenen Anlagen besteht ein zunehmendes Bedürfnis sowohl im privaten als auch im gewerblichen und industriellen Bereich intelligent ausgelegte Systeme zu konzipieren und zu betreiben, welche optimal auf die Verbraucher und Energiesenken einerseits in Relation zu den Komponenten der Energieerzeugung und der Zwischenspeicherung von Energie andererseits abgestimmt sind. Derzeit entstehen häufig Insellösungen, die ggf. später erweitert werden aber nicht unter Optimierungs- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ausgelegt wurden.Energy supply and distribution systems for generating, storing and extracting energy are already known from the prior art. In the context of the energy turnaround and the energy-efficient supply, in particular the most self-sufficient energy supply of buildings, building complexes, infrastructure and correspondingly operated facilities, there is an increasing need in both private and commercial and industrial sector to design and operate intelligently designed systems that optimally on the Consumers and energy sinks on the one hand in relation to the components of energy production and the intermediate storage of energy on the other hand are matched. Currently isolated solutions often arise, which may later be extended but were not interpreted under optimization and economic considerations.
Da solche Energieverteilsysteme in einer Vielzahl von Faktoren auslegbar und skalierbar sind, stoßen Anlagenplaner solcher Systeme schnell an ihre Grenzen bei der Ermittlung geeigneter Gesamtkonzepte.As such power distribution systems are interpretable and scalable in a variety of factors, system designers of such systems quickly reach their limits in determining appropriate overall concepts.
Als lediglich ein Beispiel wird ein 1000 kW Energieversorgungs- und Verteilersystem bestehend aus z. B. einer PV-Anlage, einem Pufferspeicher, zwei Ladestationen zum Laden und Rückspeisen von Energie aus einem Energiespeicher eines Fahrzeugs, einem Netzanschluss zum Einspeisen und Entnehmen von Energie aus dem öffentlichen Netz und eine zentrale Steuerung betrachtet. Für einen Anlagenplaner bleibt es zunächst völlig unbestimmbar, wie er die einzelnen Komponenten und ein entsprechendes System betreffend Systemkonfiguration, Kapazitäten und Dimensionierung auslegen soll. Neben den skalierbaren Variablen der einzelnen Komponenten und deren Leistungsdaten kommen unbekannte Faktoren hinzu, wie Entnahmekapazitäten, Energieverbrauch, Anzahl der Fahrzeuge, die an den Ladestationen geladen und entladen werden sollen, Ausrichtung und Lage des Gebäudes (geographische Klimadaten), wirtschaftliche Daten, wie Einspeisevergütung, Stromkosten, Stromverbrauchsverhalten im Tag/Nach-Zyklus etc. Letztlich muss der Anlagenplaner eine Betrachtung mit vielen Unbekannten machen, die in der Praxis mehr oder weniger genau unter Berücksichtigung bestimmter Annahmen geschätzt werden.As just one example, a 1000 kW power supply and distribution system consisting of z. As a PV system, a buffer memory, two charging stations for charging and recovery of energy from an energy storage of a vehicle, a network connection for feeding and extracting energy from the public network and a central control considered. For a plant planner it is initially completely indefinable how he should interpret the individual components and a corresponding system with regard to system configuration, capacities and dimensioning. In addition to the scalable variables of the individual components and their performance data, unknown factors are added, such as removal capacities, energy consumption, number of vehicles to be charged and discharged at the charging stations, orientation and location of the building (geographical climate data), economic data, such as feed-in tariff, Power costs, power consumption behavior in the day / post cycle, etc. Ultimately, the system designer has to look at many unknowns, which in practice are more or less accurately estimated taking into account certain assumptions.
Typischerweise werden aktuell hierzu theoretische Annahmen für jede einzeine Komponente zu Grunde gelegt, eine jeweilige Sicherheitsreserve auf Basis von Verbrauchswerten ermittelt und darauf basierend die so ausgelegten Komponenten zu einem Gesamtsystem kombiniert. So wird z. B. die PV-Anlage überdimensioniert geplant und es fließen unabhängig von der Konfiguration der Ladesäulen die bekannten Größen wie die Dachneigung, der Standort, die Ausrichtung und insbesondere die gewünschte Leistung in die Planung und Auslegung der PV-Anlage ein. Da zusätzlich auch Reserven kalkuliert werden, ist das System typischerweise nicht im Optimum dimensioniert. Als Optimum im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Zustand verstanden, bei dem insbesondere das Kosten/Nutzenverhältnis möglichst gering ist, was bedeutet, dass man mit einem minimalen Anlagen- und Kostenaufwand die jeweils benötigten Leistungen aus der Anlage entnehmen kann. So wäre es abhängig vom Stromtarif des öffentlichen Netzanbieters ggf. unschädlich, wenn die Kosten für die Pufferspeicher reduziert werden können, da die Ladung von Fahrzeugen in der Nacht erfolgt und demensprechend die Steuerung so konfiguriert sein muss, um den benötigten Strom nur teilweise aus den Pufferspeichern zu beziehen und zu einem anderen Teil aus dem öffentlichen Netzt zu einem vergünstigten Nachttarif über den Netzanschluss.Typically, theoretical assumptions for each individual component are currently used as the basis, a respective safety margin is determined on the basis of consumption values and, based on this, the components designed in this way are combined to form an overall system. So z. For example, the PV system is planned oversized and, regardless of the configuration of the charging stations, the familiar parameters such as roof pitch, location, orientation and, in particular, the desired power are incorporated into the planning and design of the PV system. Since additional reserves are also calculated, the system is typically not dimensioned in the optimum. Optimum in the sense of the present invention is understood to be a state in which, in particular, the cost / benefit ratio is as low as possible, which means that the required services can be taken from the system with minimal investment and expense. Thus it would be harmless, depending on the electricity tariff of the public network provider, if the costs for the buffer memory can be reduced because the charge of vehicles takes place at night and accordingly the controller must be configured to only partially extract the required power from the buffer tanks and to another part of the public network at a discounted night tariff over the mains connection.
Noch wesentlich schwieriger gestaltet sich die Aufgabe, wenn die anwenderbezogenen und kostentreibenden Faktoren bei der Auslegung einzelner Komponenten in Wechselwirkung mit der Systemauslegung der weiteren Komponenten erfolgen sollen. Im Stand der Technik ist bisher kein Verfahren bekannt, wie ein solches System im oder nahe am Optimum auszulegen ist.The task is even more difficult if the user-related and cost-driving factors in the design of individual components are to interact with the system design of the other components. In the prior art, no method is known as to how such a system is to be interpreted in or near optimum.
Typisch ist es auch in der Praxis die Netzanschlussleistung entsprechend hoch zu dimensionieren, um Engpässe und Abnahmespitzen sicher über einen Strombezug aus dem Netz abzufangen. Dies kann aber aufgrund von einer generell zu hohen Netzanschlussleistung zu hohen Grundkosten führen, da der Anlagenplaner hier entsprechend hohe Netzanschlussleistung einplant und zukaufen muss, so dass aber im Ergebnis die geplante Anlage allein aus diesem Grund schon kein optimiertes Anlagenkonzept aufweist.It is also typical in practice to dimension the network connection power correspondingly high, in order to securely catch bottlenecks and acceptance peaks via a power supply from the network. However, this can lead to high basic costs due to a generally too high grid connection power, since the system planner has to plan and purchase correspondingly high grid connection power, so that, as a result, the planned system does not already have an optimized system concept for this reason alone.
Zusätzlich wird für bestimmte Zeiten geringer Energieausbeute aus z. B. der PV-Anlage typischerweise eine Sicherheit beim Netzanschluss mit eingerechnet. Somit wäre aber auch der Netzanschluss unter Berücksichtigung der weiteren Systemkomponenten und der möglichen Zwischenspeicherung völlig fehl dimensioniert. Gleiches gilt für das Entladeverhalten über die Ladesäulen. Wenn von theoretischen Werten ausgegangen wird, würde man den Netzanschluss oder den Pufferspeicher ggf. auf die zu erwartende Entnahmewerte beim Laden zweier Fahrzeuge auslegen, so dass diese die Versorgung von z. B. 2 x 350 kW sicher stellen würden. Wird ergänzend noch eine Brennstoffzelle betrieben, so wäre auch diese passend auszulegen. Je mehr solcher Komponenten in einem Energieversorgungs- und Verteilersystem integriert werden, desto schwieriger ist es, dass die Systemauslegung in einem optimalen Bereich vorzunehmen. Selbst wenn ein Planer alle Komponenten aus einer Hand und damit das Gesamtsystem planerisch auslegen würde, fehlt es derzeit an geeigneten Systemen, Verfahren und Methoden, um eine solche technische Auslegung optimal vorzunehmen.In addition, for certain times low energy yield from z. As the PV system typically includes a security when the grid connection included. In this way, however, the grid connection would also be dimensioned completely incorrectly taking into account the further system components and the possible intermediate storage. The same applies to the discharge behavior via the charging stations. If it is assumed that theoretical values, one would interpret the grid connection or the buffer memory, if necessary, on the expected removal values when loading two vehicles, so that this supply of z. B. 2 x 350 kW would make sure. If a fuel cell is additionally operated, then this would also be interpreted appropriately. The more such components are integrated in a power supply and distribution system, the more difficult it is to make the system design within an optimal range. Even if a planner would design all components from a single source and thus the entire system in a planning manner, there is currently a lack of suitable systems, methods and methods in order to optimally carry out such a technical design.
Es wird darauf hingewiesen, dass es bei der vorliegenden Erfindung nicht darum geht, ein System in einem Betriebsoptimum zu betreiben, sondern zunächst ein Konfigurationsoptimum zu erhalten, um später überhaupt einen sinnvollen Betrieb gewährleisten zu können. Spätere Systemänderungen und Anpassungen sind üblicherweise sehr teuer und teilweise aus rein praktischen Gründen teilweise auch nicht mehr realisierbar. Im Ergebnis lässt sich ein nicht optimal ausgelegtes System auch nicht mehr in ein Systemoptimum verwandeln, da bereits die zur nachträglichen Anpassung erforderlichen zusätzlichen Aufwendungen die Anlagenauslegung in einem solchen Optimum insgesamt unmöglich machen, da das Kosten/Nutzenverhältnis zu diesem Zeitpunkt bereits schlechter ist und sich durch zusätzliche kostentreibende Maßnahmen nur weiter verschlechtert.It should be noted that in the present invention is not about to operate a system at an optimum operating, but initially to obtain a configuration optimum in order to ensure later meaningful operation can. Subsequent system changes and adjustments are usually very expensive and sometimes partly not feasible for purely practical reasons. As a result, a system that is not optimally designed can no longer be transformed into a system optimum, since even the additional expenses required for subsequent adaptation render the system design impossible in such an optimum overall, since the cost / benefit ratio is already worse at this point in time additional cost-cutting measures only further worsened.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereit zu stellen, um ein Energieversorgungs- und verteilersystems (10) insbesondere mit Nutzung eines Anschluss an ein öffentliches Stromnetz zu konfigurieren bzw. ein Systemoptimum ermitteln zu können.The invention is therefore based on the object to provide a device and a method to be able to configure a power supply and distribution system (10) in particular with the use of a connection to a public power grid or to determine a system optimum.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the feature combination according to
Erfindungsgemäß wird hierzu in einer Ausgestaltung ein Simulationssystem vorgeschlagen mit Mitteln zum Erzeugen und/oder Verarbeiten von Simulationsdaten eines Simulationszielraums, in dem sich eine Anzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten befinden, als eine Vielzahl von Elementen, wobei zwischen jeweils mindestens zwei Elementen ein Energiefluss stattfindet, um daraus einen Simulationszielraum darzustellen; Auswerte- und/oder Berechnungsmitteln zum Berechnen eines Leistungs-Faktors, der sich auf jeweils zwei oder mehrere Elemente aus der Vielzahl von Elementen bezieht, unter Berücksichtigung ihrer Priorisierung auf der Basis den Simulationsdaten; Auswertemittel zum Auswerten der Leistungsdaten, die von jedem Element bereitgestellt oder verbraucht werden wird, unter Verwendung der Faktoren, die ermittelt wurden, um daraus die Systemkomponenten zu bestimmen, für die sich bezüglich eines variablen Effizienzwertes ein Optimum ergibt.According to the invention, in one embodiment, a simulation system is proposed with means for generating and / or processing simulation data of a simulation target space in which a number of energy-generating, energy-storing and energy-consuming system components are located, as a plurality of elements, wherein between at least two elements each an energy flow takes place to make it a simulation target space; Evaluation and / or calculating means for calculating a power factor relating to each two or more elements of the plurality of elements, taking into account their prioritization on the basis of the simulation data; Evaluation means for evaluating the performance data that will be provided or consumed by each element, using the factors that have been determined to determine therefrom the system components for which an optimum results with respect to a variable efficiency value.
Insofern bedarf es einer Recheneinheit, die so ausgebildet ist, dass diese sowohl Angaben und/oder Informationen zu den Systemkomponenten als solche als auch Priorisierungsdaten (wie zum Beispiel der Energiepreis zu einer bestimmten Zeit, Vorrang einer Systemkomponente vor einer anderen, der Energiepreis bei Abnahme einer bestimmten Energiemenge, Entnahme von Energie nur bei einem Wert geringer als ein vorbestimmter Wert, usw.) bei der Simulation der Gesamtanlage auf einem Simulationsmodell verarbeiten kann.In this respect, it requires a computing unit that is designed so that this information and / or information on the system components as such as prioritization data (such as the price of energy at a given time, priority of a system component before another, the energy price at a decrease certain amount of energy, extraction of energy only at a value less than a predetermined value, etc.) can process in the simulation of the entire system on a simulation model.
Insofern wird erfindungsgemäß ein Simulationssystem zur optimierten Auslegung eines Energieversorgungs- und verteilersystems bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) in wenigstens einem Effizienzwert einer physikalischen oder wirtschaftlichen Größe, umfassend einer zentralen Steuerung vorgeschlagen, aufweisend:
- a. Mittel zum Auswählen von mindestens den energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi);
- b. Mittel zur Bestimmung der Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen der erforderlichen Systemkomponenten für das Energieverteiler-und Versorgungssystems abhängig von der getroffenen Auswahl von einzelnen, mehreren oder allen Systemkomponenten in Schritt a) und/oder (systemrelevanten) Variablen entsprechend deren physikalischer Größen,
- c. wobei eine Regelungseinrichtung und/oder eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist nach einem systemischen, vorzugsweise iterativen Vergleich eines ausgewerteten Effizienzwertes mit in einem Datenspeicher hinterlegten Kennwert, repräsentierend für einen Effizienzwert eines aus diesen Systemkomponenten gebildeten Energieverteiler-und Versorgungssystems die Ermittlung der Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen bei Bedarf so anzupassen, dass der jeweils darauf basierende Effizienzwert im Bereich eines lokalen oder absoluten Maximums oder Minimums liegt.
- a. Means for selecting at least the power consuming system components (SYSi);
- b. Means for determining the dimensional quantities and / or the physical performance quantities of the required system components for the power distribution and supply system depending on the selection of individual, several or all system components in step a) and / or (system-relevant) variables corresponding to their physical quantities,
- c. wherein a control device and / or an evaluation unit is provided, which is designed according to a systemic, preferably iterative comparison of an evaluated efficiency value with a characteristic stored in a data memory representing an efficiency value of an energy distribution and supply system formed from these system components the determination of the dimensional variables and / or to adjust the physical performance quantities as needed so that the respective efficiency value based thereon is in the range of a local or absolute maximum or minimum.
Die zentrale Steuerung sollte dabei einen auf die Rechenleistung abgestimmten Prozessor aufweisen. Bei Merkmal c) kann dies insbesondere auf Basis eines Simulationsmodells erfolgen. Eine Besonderheit liegt darin, dass man ohne Kenntnis aller Systemgrößen und Verbrauchswerte sozusagen mit wenigen Daten eine erste Simulation vornehmen kann und dann zunehmend im Optimierungsgrad sich dem Systemoptimum nähert. Die Anzahl der Optimierungsschritte bei der Simulation kann dabei auf den gewünschten Optimierungsgrad angepasst werden und bei Erreichen eines bestimmten Optimierungsgrades beendet werden.The central controller should have a computer adapted to the computing power. In the case of feature c), this can be done in particular on the basis of a simulation model. A peculiarity lies in the fact that one can carry out a first simulation so to speak with few data without knowledge of all system sizes and consumption values can and then increasingly approaches the system optimum in the degree of optimization. The number of optimization steps in the simulation can be adapted to the desired degree of optimization and terminated when a certain degree of optimization is reached.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der für die Optimierung hergenommene Kennwert ein Wert aus einem Kennfeld ist, welches diejenigen Kennlinien umfasst, die jeweils eine unterschiedliche Kombination jeweiliger Systemkomponenten unterschiedlichster Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen darstellt. Bei einer unterschiedlichen Anzahl an Systemkomponenten ergeben sich folglich verschiedene Optimierungen.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the characteristic value taken for the optimization is a value from a characteristic diagram which comprises those characteristic curves which in each case represent a different combination of respective system components of very different dimension sizes and / or physical performance variables. With a different number of system components, therefore, different optimizations result.
Die technische Wirkung der Verwendung solcher Kennlinienfelder ist darin zu sehen, dass es nicht ein einziges Auslegungsoptimum gibt, sondern sowohl lokale als auch absolute Maxima bzw. Minima geben und sich abhängig von der Veränderung eines physikalischen Wertes einer Systemkomponente automatisch auch das Optimum verändert. Als Beispiel ist hier anzuführen, dass z. B. eine Veränderung der Reichweite der zu ladenden Fahrzeuge von z. B. 50 km auf 100 km somit bei Veränderung der Leistungsgrößen, nämlich der doppelten Entnahmeleistung elektrischer Energie aus dem System durch die energiespeichernden und auch energieverbrauchenden Systemkomponenten, hier die Bordbatterien der betroffenen Fahrzeuge, automatisch der Kennwert verschiebt zu einem ggf. näher am oder weiter weg vom Optimum liegenden Wert bei ansonsten unveränderten Leistungsgrößen der anderen Systemkomponenten. Bei der Optimierung der Systemauslegung kann dies dann bedeuten, entweder die Kapazität der Pufferspeicher im System zu erhöhen, die Netzanschlussleistung und/oder auch eine andere Systemkomponente in ihren Leistungsdaten anzupassen. Mittels des erfindungsgemäßen Systems kann nun auf einfache und schnelle Weise mittels der Auswerteeinheit eine Anpassung bei der Systemauslegung basierend auf der Optimierung eines Effizienzwertes vornehmen.The technical effect of the use of such characteristic curves can be seen in the fact that there is not a single design optimum, but give both local and absolute maxima or minima and automatically changes the optimum depending on the change of a physical value of a system component. As an example, it should be mentioned that z. B. a change in the range of the vehicles to be loaded of z. B. 50 km to 100 km thus with a change in performance, namely twice the removal power of electrical energy from the system by the energy-storing and energy-consuming system components, here the on-board batteries of the affected vehicles, the characteristic automatically shifts to a possibly closer to or further away the optimum value with otherwise unchanged performance of the other system components. When optimizing the system design, this can mean either increasing the capacity of the buffer memories in the system, adapting the network connection performance and / or another system component in its performance data. By means of the system according to the invention can now make an adjustment in the system design based on the optimization of an efficiency value in a simple and fast way by means of the evaluation.
Der Effizienzwert kann zum Beispiel ein Wert sein, der die Kosten des Gesamtsystems berücksichtigt. Würde bei dem vorausgehenden Beispiel z. B. die Netzanschlussleistung erhöht werden, diese Erhöhung aber mit höheren Kosten verbunden sein als eine vergleichbare Anpassung eines Pufferspeichers, so würde die Auswerteeinheit aus der Funktion des Effizienzwertes, welche eine Funktion diverser Variablen darstellt, z. B. mittels einer partiellen Ableitung die naheliegenden lokalen Maxima ermitteln können. Denkbar wäre es, dass sich zwei oder mehrere Maxima ergeben. So wäre z. B. denkbar, dass unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve für andere Verbraucher sowohl die Netzanschlussleistung als auch die Pufferspeicherkapazität zu erhöhen wäre, das System aber auswertet, dass ein Systemoptimum dadurch erreicht werden würde, dass zusätzlich die Bereitstellung einer PV-Anlage zielführender ist. Denkbar wäre es auch, dass statt einer zunächst konfigurierten PV-Anlage sich nun eine Brennstoffzelle einer bestimmten Leistungsgröße besser eignen würde und das Gesamtsystem bei den anzuschließenden Verbrauchern und den Leistungsdaten für die Fahrzeugbatterien mit gewünschter Reichweite z. B. ohne einen Netzanschluss auskommen würde.The efficiency value may be, for example, a value that takes into account the cost of the overall system. Would in the previous example z. B. the network connection performance can be increased, but this increase be associated with higher costs than a comparable adjustment of a buffer memory, the evaluation unit would from the function of the efficiency value, which is a function of various variables, eg. B. by means of a partial derivative of the local proximate maxima can determine. It would be conceivable that two or more maxima arise. So z. B. conceivable that, taking into account a security reserve for other consumers, both the grid connection capacity and the buffer storage capacity would be increased, but the system evaluates that a system optimum would be achieved that in addition the provision of a PV system is more targeted. It would also be conceivable that instead of a initially configured PV system, a fuel cell of a certain power size would now be better suited and the entire system with the consumers to be connected and the performance data for the vehicle batteries with desired range z. B. would do without a network connection.
Es hat sich gezeigt, dass es nicht möglich ist solche Systeme und deren Auslegung auf einfache Weise zu ermitteln, wenn man einen Systemparameter verändert. Mit dem erfindungsgemäßen Simulationsverfahren wird aber nicht nur eine Ermittlungsmethode bereitgestellt, sondern eine Systemsimulationsvorrichtung, die es möglich macht, die Energieflüsse und Kapazitäten zu erfassen. Damit wird es möglich automatisch eine optimierte Konfiguration mit einem besseren Effizienzwert zu ermittelt und dann Entscheidungsvariablen an einem Ausgabegerät für einen Anwender zur Verfügung gestellt wird. So wäre es z. B. denkbar, dass eine Konfiguration bei der Simulation ausgewertet würde, bei der ein erster Effizienzwert ein Maximum besitzt, z. B. die Herstell- und Betriebskosten, während eine andere Konfiguration einen anderen Effizienzwert maximiert hat, bei dem z. B. die höchste Betriebssicherheit bei dennoch niedrigen Kosten essentiell für die Auslegung des Systems ist.It has been found that it is not possible to easily determine such systems and their design when changing a system parameter. With the simulation method according to the invention, however, not only a determination method is provided, but a system simulation device that makes it possible to detect the energy flows and capacities. This makes it possible to automatically determine an optimized configuration with a better efficiency value and then make decision variables available to a user on an output device. So it would be z. B. conceivable that a configuration would be evaluated in the simulation, in which a first efficiency value has a maximum, z. As the manufacturing and operating costs, while another configuration has maximized a different efficiency value, in which z. B. the highest reliability at low cost is essential for the design of the system.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Auswählen von zu mindestens den energieverbrauchenden Systemkomponenten eine Anzeige- und Eingabevorrichtung umfassen, wobei die Eingabevorrichtung ferner eine Eingabemöglichkeit für das Eingeben von Variablen für wenigstens die Verbrauchswerte der energieverbrauchenden Systemkomponenten und von Betriebsparametern von Systemkomponenten vorsieht, die für das Energieverteiler-und Versorgungssystems vorgesehen sind.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the means for selecting at least the energy consuming system components comprise a display and input device, wherein the input device further comprises an input facility for inputting variables for at least the consumption values of the energy consuming system components and operating parameters System components provided for the power distribution and supply system.
Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Mittel ferner einen Datenspeicher mit einer Vielzahl von gespeicherten Funktionen und/oder Kennlinienfeldern repräsentierend die funktionale Abhängigkeit des Effizienzwertes des Energieverteiler-und Versorgungssystems von der Veränderung einer Systemkomponente in Bezug auf die Dimensionierung der anderen Systemkomponenten aufweist.Further advantageous is an embodiment in which the means further comprises a data memory having a plurality of stored functions and / or characteristic fields representing the functional dependence of the efficiency value of the power distribution and supply system of the change of a system component with respect to the dimensioning of the other system components.
Weiter bevorzugt ist es, wenn der Effizienzwert als eine Funktion von n Variablen vorgesehen ist, wobei ein Optimum des Effizienzwertes eine lokale Extremstelle dieser Funktion darstellt, vorzugsweise ermittelt durch die partiellen Ableitungen der Funktion und die sich daraus ergebenden Maximalwertbedingungen bzw. Minimalwertbedingungen, d. h. grad (f) mit einer entsprechenden Nullstellenauswertung und der Auswertung ob der Verlauf der Funktion in Abhängigkeit der entsprechenden Variable um das lokale Extremum herum konkav (Minimum) oder konvex (Maximum) verläuft.It is further preferred if the efficiency value is provided as a function of n variables, an optimum of the efficiency value representing a local extreme point of this function, preferably determined by the partial derivatives of the function and the resulting maximum value conditions or minimum value conditions, ie grad (f) with a corresponding zero evaluation and the evaluation whether the course of the function in dependence of the corresponding variable around the local extremum concave (minimum) or convex (maximum) runs.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit für die Systemkomponenten jeweils Simulationsmodule verwendet, welche mindestens in ihren Leistungsdaten parametrierbar sind. Dabei sind die Simulationsmodule so ausgelegt, dass diese die Systemkomponente im Gesamtsystem nach einem Simulationsmodell nachstellen.In a likewise advantageous embodiment of the invention, it is provided that the evaluation unit for the system components in each case uses simulation modules which can be parameterized at least in their performance data. The simulation modules are designed so that they simulate the system component in the overall system according to a simulation model.
Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass aus gespeicherten Daten eines Datenspeichers und erhaltenen bzw. eingelesenen Variablen eine bestimmte Konfiguration an Systemkomponenten und deren elektrischer Leistungsdaten und/oder elektrische Speicherkapazität ermittelt wird.Furthermore, it is advantageously provided that a specific configuration of system components and their electrical performance data and / or electrical storage capacity is determined from stored data of a data memory and received or read variables.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit zur Auswertung einen Algorithmus verwendet, der neben den in einem Datenspeicher hinterlegten Daten diejenigen Daten berücksichtigt, die dem System durch Eingabe mitgeteilt wurden. Dabei ist es günstig, wenn bei der Konfiguration der Leistungsgrößen der Systemkomponenten mindestens die Leistungsgrößen der energieerzeugenden und energiespeichernden Systemkomponenten bestimmt werden.It is also advantageous if the evaluation unit uses an algorithm for the evaluation which, in addition to the data stored in a data memory, takes into account those data which have been communicated to the system by input. It is advantageous if, in the configuration of the power quantities of the system components, at least the power quantities of the energy-generating and energy-storing system components are determined.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Effizienzwert einen Wert repräsentiert, welcher das Verhältnis von Gesamtkosten zur Erstellen und/oder zum Betrieb des Energieverteiler-und Versorgungssystems zu einem wirtschaftlichem Wert entsprechend der aus dem System kalkulatorisch entnommenen Leistung darstellt. So kann ein optimierter Effizienzwert z. B. 2 betragen, was bei dem vorgenannten Beispiel bedeuten würde, dass es bei optimaler Systemauslegung möglich wäre mit gegenüber der geplanten Entnahme doppelten Kosten zu rechnen. Bei einer anderen ungünstigeren Systemauslegung wäre dieser Wert dann höher.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the efficiency value represents a value which represents the ratio of total costs for creating and / or operating the power distribution and supply system to an economic value corresponding to the power taken out of the system by calculation. Thus, an optimized efficiency value z. B. 2, which would mean in the aforementioned example that it would be possible with optimal system design with respect to the planned removal double costs expected. With another less favorable system design, this value would then be higher.
Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der wenigstens einer der energieerzeugenden Systemkomponenten einen Netzanschluss an ein öffentliches Stromnetzt darstellt, ausgebildet zum Einspeisen und zur Entnahme von elektrischer Energie mit einer variablen oder festen Netzanschlussleistung. Bei dieser Systemgröße spielt es insbesondere eine Rolle, welche Kosten für eine bestimmte Netzanschlussleistung zu berücksichtigen sind. Da in der Regel die Vergütung für eine Netzeinspeisung geringer ist, als umgekehrt die Kosten für Energieentnahme aus dem Netz, ist tendenziell eher eine niedrige Netzanschlussleistung wünschenswert. Es kann je nach Systemkomponenten auch der Fall sein, dass eine Simulation ein Optimum dort ermittelt, wo ein Netzanschluss gänzlich entfallen kann, da eine vollständig autarke Energieversorgung durch eine andere Systemkonfiguration möglich ist.Further advantageous is an embodiment in which at least one of the energy-generating system components represents a network connection to a public power grid, designed for feeding and for the removal of electrical energy with a variable or fixed network connection power. In this system size, it plays a role in particular, which costs are to be considered for a particular grid connection performance. Since, in general, the fee for grid feed-in is lower than, conversely, the cost of energy removal from the grid, a low grid connection power tends to be more desirable. Depending on the system components, it may also be the case that a simulation determines an optimum where a grid connection can be completely eliminated, since a completely self-sufficient power supply is possible due to a different system configuration.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Variable (VAR) Daten betreffend dem geografischen Standort, der geografischen Ausrichtung und der absoluten Position am Standort berücksichtigt werden.In a further advantageous embodiment, it is provided that data relating to the geographical location, the geographical orientation and the absolute position at the location are taken into account as a variable (VAR).
Besonders vorteilhaft ist eine Lösung bei der eine jeweils definierte (jedoch flexible) Anzahl n an Energieerzeugungsvorrichtungen zum Erzeugen elektrischer Energie einer bestimmten Energiemenge, einer Anzahl k an Ladesäulen zum Einspeisen und zur Entnahme von Energie an oder aus einem Elektrofahrzeug, einer Anzahl i an elektrischen Verbrauchern mit einer Nennleistung als Bestandteil des auszulegenden Energieverteiler-und Versorgungssystems zu berücksichtigen sind.Particularly advantageous is a solution in which a respectively defined (but flexible) number n of energy generating devices for generating electrical energy of a certain amount of energy, a number k of charging columns for feeding and for the removal of energy to or from an electric vehicle, a number i of electrical consumers with a rated power as a component of the energy distribution and supply system to be designed.
Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass als eine Variable eine, mehrere oder alle der folgenden festen oder zeitlich veränderlichen Parameter bei der Auslegung des Energieverteiler-und Versorgungssystems berücksichtigt werden: die Kosten der Systemkomponenten, eine vorgegebene Anzahl an energieverbrauchenden Systemkomponenten, statistische Wetterdaten, Geodaten, Stromkosten bei Bezug elektrischer Energie aus einem angeschlossenen öffentlichen Netz, Einspeisevergütung, Speicherkapaziät der energiespeichernden Systemkomponenten und ein zeitlicher Verlauf einer angenommenen Entnahme elektrischer Energie durch jeweils die energieverbrauchenden Systemkomponenten.It is further advantageously provided that one, several or all of the following fixed or time-varying parameters are taken into account in the design of the power distribution and supply system: the cost of the system components, a predetermined number of energy consuming system components, statistical weather data, geodata , Electricity costs related to electrical energy from a connected public grid, feed-in tariff, storage capacity of energy-storing system components and a time course of an assumed removal of electrical energy by each of the energy-consuming system components.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn eine oder iterativ mehrere oder eine Vielzahl an Schritten bei der Optimierung des Effizienzwertes des Energieverteiler-und Versorgungssystems auf Basis eines Simulationsmodells mit einer bestimmten Konfiguration von Systemkomponenten erfolgt und das Simulationsmodell jeweils das Energieverteiler-und Versorgungssystem mit den daraus gebildeten Systemkomponenten simuliert.It is also advantageous if one or iteratively several or a plurality of steps in the optimization of the efficiency value of the power distribution and supply system on the basis of a simulation model with a specific configuration of system components and the simulation model respectively the power distribution and supply system with the resulting System components simulated.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.
Es zeigen:
-
1 eine beispielhafte Darstellung eines Energieverteiler-und Versorgungssystems; -
2 eine vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung der Ermittlung eines Optimums eines Energieverteiler-und Versorgungssystems und -
3 ein Simulationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
1 an exemplary representation of a power distribution and supply system; -
2 a simplified schematic representation for explaining the determination of an optimum of a power distribution and supply system and -
3 a simulation system according to the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die
In der
Um ein solches System ausgehend von bestimmten Leistungsparametern der Systemkomponenten
Hierzu weist das Simulationssystem
Nach Berücksichtigung der Eingaben der Variablen, wie z. B. Standort, Geodaten, Einspeisevergütung je kW, Stromkosten je KW, Kosten für Pufferspeicher je KW, etc... ermittelt das Mittel
Die Auswerteeinheit
Mittels eines Datenmodells und eines Simulationsmodell werden für den Effizienzwert „minimale Gesamtkosten“ entsprechende Systempunkte im mehrdimensionalen Raum ermittelt, wie die Bildung eines Gradienten mit Berücksichtigung des Umgebungsraumes oder mithilfe der Lösung über eine Hessematrix oder alternativer Extremwert-Ermittlungsmethoden, wie zum Beispiel dem Gradientenabstiegsverfahren oder vergleichbare Verfahren auf prinzipiell folgender Basis:By means of a data model and a simulation model, corresponding system points in the multidimensional space are determined for the efficiency value "minimum total costs", such as the formation of a gradient with consideration of the environmental space or with the solution via a Hessematrix or alternative extreme value determination methods, such as the gradient descent method or similar Procedure based on the following principle:
Für das gesuchte Extrema der Funktion
Der Effizienzwert Eff hat dann dort ein Extremum bzw. Maximum, wo f0 ein Punkt aus der Menge D ist und
Hierzu wird beispielhaft auf die
Der Datenraum ist ein diskretes oder kontinuierliches Spektrum aus variablen Kennlinien (auch als Kennfeld bezeichnet), wobei sich die Kennlinien in Abhängigkeit der Variablen ändern. So ist z. B. die Variable: Einspeisevergütung definiert als eine Funktion EV = EV (t, kW) somit eine zeitabhängige und von der Einspeiseleistung (z. B. 200 kW) abhängige Funktion bzw. Variable. In analoger Weise verhält es sich mit den anderen Variablen. So ist z. B. die energetische Ausbeute der PV-Anlage eine Funktion in Abhängigkeit von mehreren Faktoren wie Standort, Wetterdaten, Ausrichtung der PV-Module, Verschattungsfaktor, etc.The data space is a discrete or continuous spectrum of variable characteristics (also referred to as map), wherein the characteristics change depending on the variables. So z. For example, the variable: feed-in tariff defines as a function EV = EV (t, kW) a time-dependent function or variable depending on the feed-in power (eg 200 kW). In a similar way, it behaves with the other variables. So z. For example, the energy yield of the PV plant is a function of several factors such as location, weather data, orientation of the PV modules, shading factor, etc.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird auch die zentrale Steuerung
Im Simulationsmodell werden aus dem mehrdimensionalen Datenmodell für die einzelnen Variablen entsprechende Dimensionierungen der Systemkomponenten
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.
Es kann z. B. vorgesehen sein, dass nicht nur der Energieversorger (Grid) in dem System Energie gegen Bezahlung anbieten (f(t,€)), sondern, dass die die Elektrofahrzeuge ihren überschüssigen gespeicherten Strom anbieten können. Ebenfalls wäre es denkbar, dass bei Leasingfahrzeugen der Automobilhersteller den Strom anbieten wird. D.h. entweder der Fahrer oder der Hersteller wird einen Strompreis für den Energieinhalt der Energie im Fahrzeugspeicher festlegen können und diese Energie gegen Bezahlung bzw. Verrechnung im System zur Verfügung stellen.It can, for. For example, it may be provided that not only the utility company (Grid) in the system offer energy for payment (f (t, €)), but that the electric vehicles can offer their excess stored power. It would also be conceivable that in leasing vehicles, the car manufacturer will offer the electricity. That Either the driver or the manufacturer will be able to set an electricity price for the energy content of the energy in the vehicle memory and make this energy available against payment or set-off in the system.
Auf diese Weise lässt sich ein dynamisches System bereit stellen, bei dem abhängig vom spezifischem Angebot und der Nachfrage nach Energie, die Energie aus demjenigen Speicher entnommen werden kann, bei dem der zu diesem Zeitpunkt günstigste Energiepreis bereit gestellt wird. Alternativ kann das Regelungssystem auch so eingestellt sein, dass bei Eintreten einer bestimmten Bedingung (zum Beispiel: Energiepreis unterhalb oder oberhalb eines bestimmten Werts) im System ein Ladevorgang oder ein Entladevorgang startet bzw. stoppt.In this way, a dynamic system can be provided, in which, depending on the specific supply and the demand for energy, the energy can be taken from the store at which the cheapest energy price at this time is provided. Alternatively, the control system can also be set so that when a certain condition (for example: energy price below or above a certain value) occurs in the system, a charging or discharging process starts or stops.
Funktional ausgedrückt bedeutet dies, dass in die Funktion f(t,€) nicht nur ein Energieversorger über den Netzanschluss als Variable bzw. als Parameter eingeht, sondern beliebige weitere Energielieferanten, die mit dem System verbunden sind oder verbindet, in der Funktion f(t,€, n1,...,ni) zur Regelung berücksichtigt werden, wobei die Parameter n1 bis ni dabei repräsentativ für die Variablen stehen.Functionally expressed, this means that in the function f (t, €) not only an energy supplier enters via the grid connection as a variable or as a parameter, but any other energy suppliers that are connected or connected to the system, in the function f (t , €, n1, ..., ni) are taken into account, wherein the parameters n1 to ni are representative of the variables.
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