Die Erfindung betrifft ein Steuer/Regelmodul für ein Steuer/Regel-System für ein Stromnetz.The invention relates to a control module for a control system for a power network.
Ein Steuer/Regel-System für ein Stromnetz ist bekannt aus der US2010/0076615A1 und aus der DE102015206510A1 . Die EP1683681B1 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Regeln von Leistung in einem Kraftfahrzeugbordnetz. Der Einsatz einer Brennstoffzelle als Gleichspannungsversorger in einem Stromnetz ist bekannt aus der DE102013220300 A1 und aus der DE102013209396 A1 .A control system for a power grid is known from the US2010 / 0076615A1 and from the DE102015206510A1 . The EP1683681B1 describes a system and a method for regulating power in a vehicle electrical system. The use of a fuel cell as a DC voltage supplier in a power grid is known from the DE102013220300 A1 and from the DE102013209396 A1 .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuer/Regelmodul der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, dass die Kapazität eines Energiespeichers abhängig von dessen Ladezustand flexibel und an dessen Kapazität angepasst ausgenutzt wird.It is an object of the present invention to develop a control module of the type mentioned at the outset in such a way that the capacity of an energy store is used flexibly depending on its state of charge and is adapted to its capacity.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Steuer/Regelmodul mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.This object is achieved according to the invention by a control module with the features specified in claim 1.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Vorgabe verschiedener Energiespeicher-Niveaus, abhängig von denen bestimmte Lade/Entladesituationen mit Hilfe des Steuer/Regelmoduls vorgegeben werden, zu einer vorteilhaft an innerhalb des Steuer/Regelsystem versorgungs- und verbrauchsabhängig vorliegende Situationen angepasst werden kann. Je nach Ausführung des Steuer/Regelmoduls kann die Gleichstrom-Netzregeleinrichtung in das Steuer/Regelmodul integriert sein. Als Gleichspannungsversorger kann eine Fotovoltaikanlage und/oder z.B. auch eine Brennstoffzelle zum Einsatz kommen. Das Steuer/Regelmodul kann auch bei einem Steuer/ Steuer/Regelsystem zum Einsatz kommen, welches nicht modulweise aufgebaut ist.According to the invention, it was recognized that the specification of different energy storage levels, depending on which specific charging / discharging situations are specified with the aid of the control module, can be adapted advantageously to situations present within the control system depending on supply and consumption. Depending on the design of the control module, the DC network control device can be integrated in the control module. A photovoltaic system and / or e.g. a fuel cell can also be used. The control module can also be used in a control system that is not built in modules.
Unterschiedliche Bedingt-Betriebs-Energiespeicher-Niveaus nach Anspruch 2 mit entsprechender Priorisierung der Verbraucher, die an das System angeschlossen sind, ermöglichen eine besonders flexible Ausnutzung des Energiespeichers.Different conditional operating energy storage levels according to claim 2 with appropriate prioritization of the consumers that are connected to the system, allow a particularly flexible use of the energy storage.
Ein Energieverbrauchs-Maximierungs-Energiespeicher-Niveau gemäß nach Anspruch 3 ermöglicht in Situationen, in denen viel Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt werden kann, einen vorausschauenden Betrieb aller angeschlossenen Verbraucher, der so gestaltet werden kann, dass hierüber spätere Zeiträume mit geringerer Versorgungskapazität über den Energiespeicher überbrückt werden können. Beispielsweise können dann externe Batterien der Verbraucher geladen werden oder Kühlaggregate unter eine Normaltemperatur herabgekühlt werden.An energy consumption-maximizing energy storage level according to claim 3 enables, in situations in which a lot of energy can be provided from the energy storage, a predictive operation of all connected consumers, which can be designed so that later periods with a lower supply capacity via the energy storage can be bridged. For example, external consumer batteries can then be charged or cooling units can be cooled below a normal temperature.
Ein Aufrechterhalten von Verbindungszuständen nach Anspruch 4 und ein Trennen von Verbindungszuständen nach Anspruch 5 können abhängig von den Energiespeicher-Niveaus mit einer Hysterese erfolgen, sodass ein unerwünschtes Schwanken der Betriebszustände für den Fall, dass die Ladekapazität des Energiespeichers gerade um eines der Niveaus herumschwankt, vermieden ist.A maintenance of connection states according to claim 4 and a disconnection of connection states according to claim 5 can take place with a hysteresis, depending on the energy storage levels, so that an undesirable fluctuation of the operating states in the event that the charging capacity of the energy storage fluctuates just around one of the levels is avoided is.
Die Vorteile eines Verbrauchssteuerungs-Bauelements nach Anspruch 6 entsprechen denen, die vorstehend in Bezugnahme auf das Steuer/Regelmodul bereits erläutert wurden.The advantages of a consumption control component according to claim 6 correspond to those which have already been explained above with reference to the control module.
Die Vorteile eines Betriebsverfahrens nach Anspruch 7 entsprechen denen, die vorstehend in Bezugnahme auf das Steuer/Regelsystem und das Verbrauchsteuerungs-Bauelement bereits erläutert wurden. Das Verfahren kann auch zum Betrieb eines nicht modular aufgebauten Steuer/Regelsystems zum Einsatz kommen.The advantages of an operating method according to claim 7 correspond to those which have already been explained above with reference to the control / regulating system and the consumption control component. The method can also be used to operate a non-modular control system.
Ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
- 1 in einer schematischen Blockdarstellung ein modulares Steuer/Regelsystem für ein Stromnetz einschließlich eines Steuer/Regelmoduls;
- 2 einer eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisenden Energiespeicher eines Energiespeichermoduls des Steuer/Regelsystems nach 1, wobei verschiedene Energiespeicher-Niveaus, die Steueraktivitäten des Steuer/Regelmoduls auslösen, skaliert dargestellt sind; und
- 3 ein Anschlussschema eines elektronischen Bauelements des Steuer/Regelmoduls, wobei das Bauelement als Verbraucherbaustein ausgeführt ist.
An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In this show: - 1 In a schematic block diagram, a modular control system for a power network including a control module;
- 2nd to an energy storage module of the control system having a plurality of battery cells 1 , wherein different energy storage levels that trigger control activities of the control module are shown scaled; and
- 3rd a connection diagram of an electronic component of the control module, the component being designed as a consumer module.
Ein modulares Steuer/Regelsystem 1 für ein Stromnetz ist unterteilt in mehrere Modulebenen und umfasst ein Wechselspannungsmodul 2, ein Gleichspannungsmodul 3, ein Energiespeichermodul 4, ein Steuer/Regelmodul 5 und ein Netzwerkmodul 6. Die Module 2 bis 6 können in voneinander getrennten Komponenten untergebracht sein, beispielsweise in verschiedenen Schaltschränken. Eine Trennung zwischen den Modulen 2 bis 6 ist in der 1 durch gestrichelte Linien angedeutet.A modular control system 1 for a power grid is divided into several module levels and includes an AC voltage module 2nd , a DC module 3rd , an energy storage module 4th , a control module 5 and a network module 6 . The modules 2nd to 6 can be accommodated in separate components, for example in different control cabinets. A separation between the modules 2nd to 6 is in the 1 indicated by dashed lines.
Das Wechselspannungsmodul beinhaltet ein Ladenetzteil 7, über welches auf Abruf von einer Steuer/Regeleinheit 8 des Steuer/Regelmoduls 5 (vergleiche Signalverbindung 9) Strom aus einem öffentlichen Wechselspannungsnetz 10 gleichgerichtet in ein Gleichspannungsnetz 11 des Gleichspannungsmoduls 3 geladen werden kann. Das Ladenetzteil 7 steht über ein Smartmeter 12 mit einem Einspeiseknoten 13 des Wechselspannungsnetzes 10 in Leitungsverbindung. Über das Smartmeter 12 kann ein Preis des jeweils über das Ladenetzteil nachladnachbaren Wechselstroms abgerufen werden. Über ein Gateway 14 und eine Signalverbindung 15 steht das Smartmeter 12 mit der Steuer/Regeleinheit 8 des Steuer/Regelmoduls 5 in Verbindung.The AC voltage module contains a charging power supply 7 , via which on demand from a control unit 8th of the control module 5 (compare signal connection 9 ) Electricity from a public AC network 10th rectified in a DC network 11 of the DC voltage module 3rd can be loaded. The charger 7 stands over a smart meter 12th with a Feeding node 13 of the AC network 10th in line connection. Via the smart meter 12th a price of the alternating current rechargeable via the charging power supply unit can be called up. Via a gateway 14 and a signal connection 15 is the smart meter 12th with the control unit 8th of the control module 5 in connection.
Das Wechselspannungsmodul 2 hat weiterhin einen Wechselrichter 16, über den auf Abruf vom Steuer/Regelmodul 5 (vergleiche Signalverbindung 17) Gleichstrom aus dem Gleichspannungsnetz 11 des Gleichspannungsmoduls 3 in Wechselstrom für Wechselstrom-Verbraucher 18, 19, 20, 21 umgewandelt wird. Der Wechselrichter 16 verbindet also das Gleichspannungsnetz 11 mit einem Wechselspannungs-Versorgungsnetz 22 des Wechselspannungsmoduls 2 für die Wechselstrom-Verbraucher 18 bis 21.The AC voltage module 2nd still has an inverter 16 , via the on demand from the control module 5 (compare signal connection 17th ) Direct current from the direct voltage network 11 of the DC voltage module 3rd in AC for AC consumers 18th , 19th , 20th , 21 is converted. The inverter 16 connects the DC network 11 with an AC supply network 22 of the AC module 2nd for the AC consumers 18th to 21 .
Das Wechselspannungs-Versorgungsnetz 22 des Wechselspannungsmoduls 2 weist eine Netz-Isolationseinrichtung 23 zum Personen- und Anlagenschutz der am Wechselspannungs-Versorgungsnetz 22 angeschlossenen Netzkomponenten, also der Wechselstrom-Verbraucher 18 bis 21 auf. Entsprechend beinhaltet die Netz-Isolationseinrichtung 23 eine Leckstromüberwachungseinheit 24 und einen Trennschalter 25.The AC supply network 22 of the AC module 2nd has a network isolation device 23 for the protection of persons and systems on the AC supply network 22 connected network components, i.e. the AC consumer 18th to 21 on. Accordingly, the network isolation device includes 23 a leakage current monitoring unit 24th and a disconnect switch 25th .
Beim Wechselstrom-Verbraucher 18 kann es sich um kann es sich um eine Netzwerkkomponente, ein Datenverarbeitungsgerät, beispielsweise um einen Rechner, um eine Steuer/Regeleinheit um einen Server und/oder um eine Telefonanlage handeln. Beim Wechselstrom-Verbraucher 19 kann es sich um Verbraucher handeln, die über Haushaltssteckdosen an das Wechselspannungs-Versorgungsnetz 22 angeschlossen sind. Beim Wechselstrom-Verbraucher 20 kann es sich um eine Wechselstrom-Beleuchtungsanlage handeln. Beim Wechselstrom-Verbraucher 21 kann es sich um eine Ladestelle beziehungsweise Ladestation für ein Elektrofahrzeug handeln. Der Wechselstrom-Verbraucher 18 kann für eine maximale Leistungsentnahme von 0,1 kW ausgelegt sein. Der Wechselstrom-Verbraucher 19 kann für eine maximale Leistungsentnahme von 0,9 kW ausgelegt sein. Der Wechselstrom-Verbraucher 20 kann für eine maximale Leistungsentnahme von 3,2 kW ausgelegt sein. Der Wechselstrom-Verbraucher 21 kann für eine maximale Leistungsentnahme von 3,7 kW ausgelegt sein. Die Leistungsentnahme-Kennzahlen für die Wechselstrom-Verbraucher 18 bis 21 können im Bereich zwischen 0,05 kW und 500 kW liegen.With AC consumers 18th it can be a network component, a data processing device, for example a computer, a control unit, a server and / or a telephone system. With AC consumers 19th It may be consumers who are connected to the AC supply network via household sockets 22 are connected. With AC consumers 20th can be an AC lighting system. With AC consumers 21 can be a charging point or charging station for an electric vehicle. The AC consumer 18th can be designed for a maximum power consumption of 0.1 kW. The AC consumer 19th can be designed for a maximum power consumption of 0.9 kW. The AC consumer 20th can be designed for a maximum power consumption of 3.2 kW. The AC consumer 21 can be designed for a maximum power consumption of 3.7 kW. The power consumption indicators for the AC consumers 18th to 21 can range between 0.05 kW and 500 kW.
Die Wechselstrom-Verbraucher 18 bis 21 weisen jeweils einen Schalter 26 auf, über den diese mit dem Wechselspannungs-Versorgungsnetz 22 verbunden bzw. von diesem getrennt werden können. Diese Schalter 26 können über die Signalverbindung 17 von der Steuer/Regeleinheit 8 des Steuer/Regelmoduls 5 betätigt werden.The AC consumers 18th to 21 each have a switch 26 via which this connects to the AC supply network 22 can be connected or separated from this. These switches 26 can over the signal connection 17th from the control unit 8th of the control module 5 be operated.
Teil des Gleichspannungsmoduls 3 ist ein Gleichspannungsversorger 27. Hierbei kann es sich um eine Fotovoltaikanlage handeln. Auch eine Brennstoffzelle ist als Gleichspannungsversorger 27 möglich. Über Gleichstromleitungen 28, 29 steht der Gleichspannungsversorger 27 mit einer Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 des Gleichspannungsmoduls 3 in Leitungsverbindung. Die Gleichstromleitungen 28, 29 führen zu zwei Eingangsports 31, 32 der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30. Die Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 steht ihrerseits mit dem Gleichspannungsnetz 11 in Leitungsverbindung.Part of the DC module 3rd is a DC voltage supplier 27 . This can be a photovoltaic system. A fuel cell is also a DC voltage supplier 27 possible. Via DC lines 28 , 29 stands the DC voltage supplier 27 with a DC network control device 30th of the DC voltage module 3rd in line connection. The DC power lines 28 , 29 lead to two input ports 31 , 32 the DC network control device 30th . The DC network control device 30th stands in turn with the DC network 11 in line connection.
Zum Gleichspannungsmodul 3 gehören weiterhin Gleichspannungs-Netzteile 33, 34, über welche auf Abruf vom Steuer/Regelmodul 5 (Signalverbindungen 35, 36) eine höhere Netz-Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes 11 in eine niedrigere Versorgungs-Gleichspannung für Gleichstrom-Verbraucher 37, 38 umgewandelt wird.To the DC module 3rd continue to include DC power supplies 33 , 34 , via which on demand from the control module 5 (Signal connections 35 , 36 ) a higher mains DC voltage of the DC voltage network 11 to a lower DC supply voltage for DC consumers 37 , 38 is converted.
Das Gleichspannungsnetz 11 kann mit einer Gleichspannung von 380 Volt betrieben werden.The DC network 11 can be operated with a DC voltage of 380 volts.
Die niedrigere Versorgungs-Gleichspannung kann bei 48 V liegen.The lower DC supply voltage can be 48 V.
Beim Gleichstrom-Verbraucher 37 kann es sich um eine Netzwerkkomponente, ein Datenverarbeitungsgerät, beispielsweise um einen Rechner, um eine Steuer/Regeleinheit um einen Server und/oder um eine Telefonanlage handeln. Beim Gleichstrom-Verbraucher 38 kann es sich um eine Gleichspannungs-Werkstattbeleuchtung handeln.With DC consumers 37 it can be a network component, a data processing device, for example a computer, a control unit, a server and / or a telephone system. With DC consumers 38 it can be a DC workshop lighting.
Der Gleichstrom-Verbraucher 37 kann auf eine Leistungsentnahme von 0,35 kW ausgelegt sein. Der Gleichstrom-Verbraucher 38 kann auf eine Leistungsentnahme von 2 kW ausgelegt sein. Leistungs-Kennzahlen der Gleichstrom-Verbraucher 37, 38 können wiederum in einem Bereich zwischen 0,05 kW und 25 kW liegen, wobei ein Gleichstrom-Verbraucher auch auf eine höhere Leistungsentnahme ausgelegt sein. Es können auch Verbraucher z.B. DC/DC-Lader für E-Mobilität direkt oder über die Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 an das Gleichspannungsnetz 11 angeschlossen werden.The DC consumer 37 can be designed for a power consumption of 0.35 kW. The DC consumer 38 can be designed for a power consumption of 2 kW. Performance indicators of the DC consumers 37 , 38 can in turn be in a range between 0.05 kW and 25 kW, with a DC consumer also being designed for a higher power consumption. Consumers, for example DC / DC chargers for e-mobility, can also use them directly or via the DC network control device 30th to the DC network 11 be connected.
Im Gleichspannungsnetz 11 ist einerseits direkt nach dem Ladenetzteil 7 und andererseits direkt vor der Anbindung der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 jeweils ein Trennschalter 39, 40 einer Netz-Isolationseinrichtung 41 für das Gleichspannungsnetz 11 angeordnet. Die Netz-Isolationseinrichtung 41 hat ihrerseits eine Strom/Leckstrom-Überwachungseinheit 42, mittels der Fehler im Gleichspannungsnetz 11 erfasst werden können und der Personen und Anlagenschutz sichergestellt ist.In the DC network 11 is on the one hand directly after the charging power supply 7 and on the other hand, directly before the connection of the DC network control device 30th one disconnector each 39 , 40 a network isolation device 41 for the DC network 11 arranged. The network isolation device 41 in turn has a current / leakage current monitoring unit 42 , by means of the errors in DC network 11 can be recorded and the person and system protection is ensured.
Das Energiespeichermodul 4 des Steuer/Regelsystems 1 beinhaltet einen Energiespeicher 43 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 44. Die Batterie kann eine Kapazität haben, die größer ist als 15 kWh und die bis zu 1 MWh oder auch noch größer sein kann. Über den Energiespeicher 43 kann eine maximale Leitungsentnahme erfolgen, die größer sein kann als 15 kW und die beispielsweise im Bereich von 20 kW liegen kann.The energy storage module 4th of the control system 1 contains an energy storage 43 with a plurality of battery cells 44 . The battery can have a capacity that is greater than 15 kWh and that can be up to 1 MWh or even larger. About the energy storage 43 a maximum line withdrawal can take place, which can be greater than 15 kW and which can be, for example, in the range of 20 kW.
Sofern der Gleichspannungsversorger 27 als Fotovoltaikanlage ausgeführt ist, kann diese eine Peak-Leistung von mehr als 5 kW, beispielsweise eine Peak-Leistung im Bereich von 8 oder 9 kW, von 10 kW oder auch eine höhere Peak-Leistung bis zu 500 kW oder noch höher haben.If the DC voltage supplier 27 is designed as a photovoltaic system, it can have a peak power of more than 5 kW, for example a peak power in the range of 8 or 9 kW, of 10 kW or a higher peak power of up to 500 kW or even higher.
Der Energiespeicher 43 steht über eine Gleichstromleitung 44a mit drei parallel geschalteten Eingangsports 45, 46, 47 der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 in Leitungsverbindung. Über diese Ports 45 bis 47 der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 ist der Energiespeicher 30 mit dem Gleichspannungsnetz 11 verbunden.The energy storage 43 stands over a direct current line 44a with three parallel input ports 45 , 46 , 47 the DC network control device 30th in line connection. Via these ports 45 to 47 the DC network control device 30th is the energy storage 30th with the DC network 11 connected.
Über eine weitere Signalverbindung 48 ist die Steuer/Regeleinheit 8 mit der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 verbunden.Via another signal connection 48 is the control unit 8th with the DC network control device 30th connected.
Die Steuer/Regeleinheit 8 des Steuer/Regelmoduls 5 dient zur versorgungs- und bedarfsabhängigen Vorgabe:
- - Einer Wechselspannungs-Nachladung über das Ladenetzteil 7;
- - Einer Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom über den Wechselrichter 16;
- - Einer Umwandlung von Netz-Gleichspannung in Versorgungs-Gleichspannung über das mindestens eine Gleichspannungs-Netzteil 33, 34 sowie
- - Einer Gleichspannungs-Ladung des Energiespeichers 43 aus dem Gleichspannungsversorger 27 über die Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30.
The control unit 8th of the control module 5 serves for supply and demand-dependent specification: - - An alternating voltage recharge via the charging power supply 7 ;
- - A conversion of direct current into alternating current via the inverter 16 ;
- - A conversion of mains DC voltage into DC supply voltage via the at least one DC power supply 33 , 34 such as
- - A DC charge of the energy storage 43 from the DC voltage supplier 27 via the DC network control device 30th .
Über eine Datenschnittstelle steht die Steuer/Regeleinheit 8 mit dem Internet 49 zum Abruf von versorgungs-grundbedarfsrelevanten Informationen für das Steuer/Regelsystem 1 in Signalverbindung. Die Datenschnittstelle beinhaltet eine Datenverbindung 50, die als VPN (Virtual Personal Network) ausgeführt sein kann, der Steuer/Regeleinheit 8 mit einem Server 51 sowie eine weitere Datenverbindung 52, die als WAN (Wide Area Network) ausgeführt sein kann, des Servers 51 mit dem Internet 49. Der Server 51 und die Datenverbindungen 50, 52 gehören zum Netzwerkmodul 6 des Steuer/Regelsystems 1.The control unit is located over a data interface 8th with the Internet 49 for accessing information relevant to the basic supply requirements for the control system 1 in signal connection. The data interface contains a data connection 50 , which can be implemented as a VPN (Virtual Personal Network), the control unit 8th with a server 51 as well as another data connection 52 , which can be implemented as a WAN (Wide Area Network) of the server 51 with the Internet 49 . The server 51 and the data connections 50 , 52 belong to the network module 6 of the control system 1 .
Der Server 51 kann auch als Hardware-Firewall zur Absicherung der Steuer/Regeleinheit 8 dienen oder mit einer zusätzlichen Hardware-Firewall ausgestattet werden.The server 51 can also be used as a hardware firewall to protect the control unit 8th serve or be equipped with an additional hardware firewall.
Das Steuer/Regelmodul 5 beinhaltet weiterhin eine lokale Wetterstation 53, die über eine Datenverbindung 54 mit der Steuer/Regeleinheit 8 verbunden ist.
Beim Steuer/Regelsystem 1 wird berücksichtigt, dass der Gleichspannungsversorger 27 als Haupt-Energielieferant nicht ständig zur Verfügung steht. Das Steuer/Regelsystem 1 bezieht in seinen Regelalgorithmus die Verbraucher 18 bis 21, 37 und 38, die Möglichkeit der Einspeisung über das öffentliche Wechselspannungsnetz 10 sowie die zur Verfügung stehende Kapazität des Energiespeichers 43 ein.The control module 5 also includes a local weather station 53 that have a data connection 54 with the control unit 8th connected is.
With the control system 1 is taken into account that the DC voltage supplier 27 as the main energy supplier is not always available. The control system 1 relates to the consumer in its control algorithm 18th to 21 , 37 and 38 , the possibility of feeding in via the public AC network 10th as well as the available capacity of the energy storage 43 on.
Bei der Bewirtschaftung des Energiespeichers 43 erfolgt eine Kostenoptimierung. Stromkosten eines Nachladens über das Wechselspannungsnetz 10 werden mit Speicherkosten im Energiespeicher 43 verglichen. Im Normalbetrieb wird über eine Nachladung über das Ladenetzteil 7 ein Füllstand des Energiespeichers 43 konstant gehalten. Über die Steuer/Regeleinheit 8 wird durch Auswertung von Wetterdaten, wobei einerseits Daten des Internets 49 über das Netzwerkmodul 6 und anders als Daten der lokalen Wetterstation 53 ausgewertet werden, ein Energieeintrag des dann als Fotovoltaikanlage ausgeführten Gleichspannungsversorgers 27 für einen hinsichtlich der Wetterdaten überschaubaren zukünftigen Zeitraum abgeschätzt. In regelmäßigen Abständen wird über das Smartmeter 12 ein aktueller Stromtarif abgerufen, der über den Einspeiseknoten 13 und das Ladenetzteil 7 nachgeladen werden kann. Bei Bedarf werden ebenfalls in regelmäßigen Abständen, beispielsweise täglich, Angebote von Stromlieferanten eingeholt. Soweit Einspeisestrom günstig angeboten wird und die Wettervorhersage sowie der Füllstand des Energiespeichers 43 dies anzeigen, erfolgt eine Nachladung des Energiespeichers 43 über das Ladenetzteil 7, das Gleichspannungsnetz 11, die Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 und die Gleichstromleitung 44. Sobald es anhand der erhobenen Kosten und Vorhersagedaten günstiger ist, Energie aus dem Energiespeicher 43 zu entnehmen, wird die Nachladung über das Ladenetzteil 7 abgeschaltet und eine Stromentnahme erfolgt über den Energiespeicher 43 bzw. direkt über den Gleichspannungsversorger 27.In the management of energy storage 43 there is a cost optimization. Electricity costs of recharging via the AC network 10th are with storage costs in energy storage 43 compared. In normal operation, recharging is carried out using the charger 7 a fill level of the energy store 43 kept constant. Via the control unit 8th is obtained by evaluating weather data, whereby data from the Internet 49 via the network module 6 and unlike local weather station data 53 be evaluated, an energy input of the DC voltage supply then implemented as a photovoltaic system 27 for a future period that is manageable with regard to the weather data. At regular intervals, the smart meter 12th a current electricity tariff is called up via the feed-in node 13 and the charger 7 can be reloaded. If necessary, offers from electricity suppliers are also obtained at regular intervals, for example daily. As far as feed-in electricity is cheap and the weather forecast and the level of the energy storage 43 this indicates that the energy store is being recharged 43 via the charger 7 , the DC network 11 , the dc network control device 30th and the DC line 44 . As soon as it is cheaper based on the costs and forecast data, energy from the energy storage 43 can be seen, the recharge via the charger 7 switched off and a current draw takes place via the energy store 43 or directly via the DC voltage supplier 27 .
In einem Datenspeicher 55 der Steuer/Regeleinheit 8 des Steuer/Regelmoduls 5 sind mehrere Energiespeicher-Niveaus abgelegt, die einen relativen Füllstand des Energiespeichers 43 charakterisieren. Diese Energiespeicher-Niveaus werden anhand der 2 erläutert.In a data store 55 the control unit 8th of the control module 5 several energy storage levels are stored, which show a relative fill level of the energy storage 43 characterize. These energy storage levels are based on the 2nd explained.
Ein höchstes dieser Niveaus ist ein Maximal-Energiespeicher-Niveau 56, welches einer 100%-Ladung des Energiespeichers 43 entspricht. Um den Energiespeicher 43 zu schonen, kann dieses Maximal-Energiespeicher-Niveau 56 geringer sein als ein chemisch bzw. physikalisch maximal möglicher Voll-Ladezustand des Energiespeichers 43.A highest of these levels is a maximum energy storage level 56 which is a 100% charge of the energy storage 43 corresponds. To the energy storage 43 to protect this maximum energy storage level 56 be less than a chemically or physically maximum possible full charge state of the energy store 43 .
Die Steuer/Regeleinheit 8 ist so ausgeführt, dass beim Laden des Energiespeichers 43 auf das Maximal-Energiespeicher-Niveau (MEN) 56 ein Trennen des Energiespeichers 43 vom Gleichspannungsversorger 27 und/oder vom Ladenetzteil 7 erfolgt. Das Trennen vom Gleichspannungsversorger 27 erfolgt durch Ansteuerung der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 über die Signalverbindung 48. Das Trennen vom Ladenetzteil 7 erfolgt durch direktes Ansteuern über die Signalverbindung 9.The control unit 8th is designed so that when charging the energy storage 43 to the maximum energy storage level (MEN) 56 a disconnection of the energy storage 43 from the DC voltage supplier 27 and / or from the charger 7 he follows. The disconnection from the DC voltage supplier 27 is done by controlling the DC network control device 30th over the signal connection 48 . Disconnecting from the charger 7 takes place by direct control via the signal connection 9 .
Ein nächsthöheres Niveau, welches im Datenspeicher 55 abgelegt ist, ist ein Energieverbrauchs-Maximierungs-Energiespeicher-Niveau (EMEN) 57. Solange ein Füllgrad des Energiespeichers 43 höher ist als dieses Niveau EMEN 75 veranlasst die Steuer/Regeleinheit 8 einen Maximalbetrieb der Verbraucher 18 bis 21, 37 und 38.A next higher level, which is in the data storage 55 is an energy consumption maximization energy storage level (EMEN) 57 . As long as a fill level of the energy storage 43 is higher than this level EMEN 75 initiates the control unit 8th maximum operation of the consumers 18th to 21 , 37 and 38 .
Beispielsweise kann in diesem Fall ein maximales Laden von Elektrofahrzeugen über den Wechselstrom-Verbraucher 21 sowie ggf. über einen Gleichstrom-Verbraucher entsprechend den Verbrauchern 37, 38 angesteuert werden. Auch energieintensive Berechnungsaufgaben können dann von einer Rechneranlage durchgeführt werden, die über den Gleichstrom-Verbraucher 37 angeschlossen sind. Es kann auch eine Erwärmung eines Wassertanks und/oder eines Wärmetauschermediums erfolgen. Es kann in einem solchen Fall auch eine Flüssigkeitspumpe betrieben werden, die Flüssigkeit in einen erhöhten Tank zum späteren Nutzen potentieller Energie. Auch eine Klimatisierung kann durch entsprechende Freigabe von Wechselstrom-Verbrauchern oder Gleichstrom-Verbrauchern entsprechend den Verbrauchern 18 bis 21, 37, 38 angesteuert werden.In this case, for example, maximum charging of electric vehicles can take place via the AC consumer 21 as well as possibly via a DC consumer according to the consumers 37 , 38 can be controlled. Even energy-intensive calculation tasks can then be carried out by a computer system using the direct current consumer 37 are connected. A water tank and / or a heat exchange medium can also be heated. In such a case, a liquid pump can also be operated, the liquid in an elevated tank for later use of potential energy. Air conditioning can also be done by appropriately releasing alternating current consumers or direct current consumers according to the consumers 18th to 21 , 37 , 38 can be controlled.
Auch ein Betrieb von Kühleinrichtungen kann bei Erreichen des Niveaus EMEN 57 maximiert werden. Derartige Kühleinheiten können dann als Kühlenergiespeicher genutzt werden.Cooling systems can also be operated when the EMEN level is reached 57 be maximized. Such cooling units can then be used as cooling energy stores.
Das Niveau EMEN 57 liegt beispielsweise bei 90% des Niveaus MEN 56.The EMEN level 57 is, for example, 90% of the MEN level 56 .
Unterhalb des Niveaus EMEN 57 ist im Datenspeicher 55 ein Unbedingt-Betriebs-Energiespeicher-Niveau (UEN) 58 abgelegt, welches beispielsweise bei 50% des Niveaus MEN 56 liegen kann. Die Steuer/Regeleinheit 8 ist so ausgeführt, dass beim Laden des Energiespeichers 43 über das Niveau UEN 58 ein Verbinden aller Verbraucher 37, 38 des Gleichspannungsmoduls 3 mit dem Gleichspannungsnetz 11 und ein Verbinden aller Verbraucher 18 bis 21 des Wechselspannungsmoduls 2 mit dem Wechselspannungsnetz 10 erfolgt. Dies geschieht durch Ansteuern über die Signalverbindungen 35, 36 einerseits und die mehrpolige, die jeweiligen Schalter 26 unabhängig ansteuernde Signalverbindung 17 andererseits. In diesem Betriebsfall „Erreichen des Niveaus UEN 58“ wird der Energieverbrauch nicht wie vorstehend im Zusammenhang mit dem Niveau EMEN 57 maximiert, sondern es wird jeder über die Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 aktiv abgerufene Energiebedarf gedeckt und alle Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 können jederzeit zu den Netzen 10, 11 zu- bzw. abgeschaltet werden.Below the EMEN level 57 is in the data storage 55 an unconditionally operating energy storage level (UEN) 58 filed, which for example at 50% of the level MEN 56 can lie. The control unit 8th is designed so that when charging the energy storage 43 about the level UEN 58 connecting all consumers 37 , 38 of the DC voltage module 3rd with the DC network 11 and connecting all consumers 18th to 21 of the AC module 2nd with the AC network 10th he follows. This is done by actuation via the signal connections 35 , 36 on the one hand and the multi-pole, the respective switches 26 independently controlling signal connection 17th on the other hand. In this operating case "reaching level UEN 58 “Energy consumption will not be the same as the EMEN level above 57 maximized but it gets everyone over the consumer 18th to 21 , 37 , 38 actively accessed energy requirements and all consumers 18th to 21 , 37 , 38 can access the networks at any time 10th , 11 be switched on or off.
Unterhalb des Niveaus UEN 58 liegen mehrere Bedingt-Betriebs-Energiespeicher-Niveaus (BEN) 59 bis 61. Die Steuer/Regeleinheit 5 ist so ausgeführt, dass beim Entladen des Energiespeichers 43 auf diese Niveaus BEN 59, 60, 61 ein prioritätsabhängiges Trennen der Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 gemäß einer Prioritätsvorgabe erfolgt.Below the UEN level 58 there are several conditional operating energy storage levels (BEN) 59 to 61 . The control unit 5 is designed so that when the energy storage is discharged 43 at these levels BEN 59 , 60 , 61 a priority-dependent separation of consumers 18th to 21 , 37 , 38 done according to a priority.
Das Niveau BEN 59, welches im Bereich von 40 % des Niveaus EMEN 56 liegt, kann folgende Prioritäten auf sich vereinigen:
- - Priorität „bedingte Abschaltung bei Überlast“
The BEN level 59 which is in the range of 40% of the EMEN level 56 can combine the following priorities: - - Priority "conditional shutdown in case of overload"
Bei Lastspitzen im Gleichspannungsnetz 11 können alle mit dieser Priorität gekennzeichneten Verbraucher 37 bzw. 38 kurzzeitig abgeschaltet werden. At peak loads in the DC network 11 can all consumers marked with this priority 37 respectively. 38 be switched off briefly.
Eine Dauer einer solchen Kurzzeitabschaltung ist ebenfalls im Datenspeicher 55 der Steuer/Regeleinheit 8 hinterlegt.
- - Priorität „bedingte Abschaltung für ein vorgesehenes Zeitintervall“
A duration of such a short-term shutdown is also in the data memory 55 the control unit 8th deposited. - - Priority "conditional shutdown for a specified time interval"
Alle Verbraucher, die mit dieser Priorität gekennzeichnet sind, können für einen Zeitraum abgeschaltet werden, die als Wert „Abschaltdauer“ ebenfalls im Datenspeicher 55 hinterlegt ist. Nach Ablauf der Abschaltdauer werden diese Verbraucher für einen Zeitraum „Einschaltdauer“, der ebenfalls im Datenspeicher 55 hinterlegt ist, wieder zugeschaltet. Jedem Verbraucher können eigene Zeiträume Abschaltdauer/Einschaltdauer zugeordnet werden, die dann verbraucherspezifisch im Datenspeicher 55 hinterlegt sind. Durch eine entsprechende Staffelung der Zeiträume Abschaltdauer/Einschaltdauer können Belastungsspitzen im Gleichspannungsnetz 11 vermieden werden.
- - Priorität „bedingte Abschaltung beispielsweise Netzausfall“
All consumers that are marked with this priority can be switched off for a period of time that is also stored in the data memory as the value "switch-off time" 55 is deposited. After the switch-off time has elapsed, these consumers are switched on for a period of time, which is also in the data memory 55 deposited, switched on again. Each consumer can be assigned their own switch-off / switch-on periods, which are then user-specific in the data memory 55 are deposited. By appropriately staggering the periods of switch-off / switch-on duration, peak loads in the DC voltage network can be avoided 11 be avoided. - - Priority "conditional shutdown, e.g. power failure"
Alle Verbraucher, die dieser Priorität zugeordnet sind, werden beim Erreichen des Niveaus BEN 59 beim Ausfall einer Versorgung über das Wechselspannungsnetz 10 nach einem vorgegebenen Verzögerungszeitraum abgeschaltet. Auch dieser Verzögerungszeitraum ist im Datenspeicher 55 abgelegt. Verbraucher, denen diese Priorität zugewiesen ist, können beispielsweise die Ladestationen für Elektrofahrzeuge sowie bestimmte Beleuchtungsmodule sein.
- - Priorität „bedingte Abschaltung bei Freigabe“
All consumers that are assigned this priority will be at the BEN level 59 in the event of a supply failure via the AC voltage network 10th switched off after a predetermined delay period. This delay period is also in the data memory 55 filed. Consumers who are assigned this priority can be, for example, the charging stations for electric vehicles and certain lighting modules. - - Priority "conditional shutdown on release"
Mit einer derartigen Priorität gekennzeichnete Verbraucher entsprechend den Verbrauchern 18 bis 21, 37, 38 werden bei Erreichen des Niveaus BEN 59 nur dann abgeschaltet, wenn gleichzeitig das Vorliegen eines Freigabesignals über einen entsprechenden Eingang der Steuer/Regeleinheit 8 erfasst wird. Ein derartiges Freigabesignal kann als aktives Spannungssignal realisiert sein, sodass ein Fehler in der Freigabeleitung, beispielsweise ein Leitungsbruch, automatisch als nicht vorliegende Freigabe erfasst wird. Ein derartiger Verbraucher kann beispielsweise eine Heizungsanlage sein, die nur dann abgeschaltet wird, wenn dies nicht zu Frostschäden führt. Sobald aufgrund entsprechender Außentemperaturen Frostschäden zu befürchten sind, wird das Freigabesignal, gesteuert, über die Steuer/Regeleinheit 8, die aktiviert, sodass es ab dann bei Erreichen dieses Niveaus BEN 59 nicht möglich ist, einen mit dieser Priorität gekennzeichneten Verbraucher abzuschalten.Consumers marked with such a priority correspond to the consumers 18th to 21 , 37 , 38 when the level BEN 59 only switched off if at the same time an enable signal is present via a corresponding input of the control unit 8th is recorded. Such an enable signal can be implemented as an active voltage signal, so that an error in the enable line, for example a line break, is automatically detected as a non-existent enable. Such a consumer can be a heating system, for example, which is only switched off if this does not lead to frost damage. As soon as frost damage is to be feared due to the corresponding outside temperatures, the release signal is controlled via the control unit 8th , which activates so that from then on when this level is reached 59 it is not possible to switch off a consumer marked with this priority.
Dem Niveau BEN 60, welches unterhalb des Niveaus BEN 59 bei etwa 30 % des Niveaus MEN 56 liegt, ist folgende Priorität zugeordnet:
- - Priorität „bedingter Notstrombetrieb“
The BEN level 60 , which is below the BEN 59 at about 30% of the MEN level 56 the following priority is assigned: - - Priority "conditional emergency power operation"
Bei Ausfall aller Stromlieferanten, also sowohl des Einspeiseknotens 13 als auch des Gleichspannungsversorgers 27 stellt die Steuer/Regeleinheit 8 für alle mit dieser Priorität gekennzeichneten Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 einen Notstrombetrieb für einen eingestellten Notstromzeitraum sicher, der ebenfalls im Datenspeicher 55, abhängig von der Nominalkapazität des Energiespeichers 43, abgelegt ist.If all electricity suppliers fail, i.e. both the feed-in node 13 as well as the DC voltage supplier 27 represents the control unit 8th for all consumers marked with this priority 18th to 21 , 37 , 38 an emergency power operation for a set emergency power period, which is also in the data storage 55 , depending on the nominal capacity of the energy storage 43 , is filed.
Dem unterhalb des Niveaus BEN 60 liegenden Niveau BEN 61, welches im Bereich von 20 % des Niveaus MEN 56 liegen kann, ist folgende Priorität zugeordnet:
- - Priorität „unbedingter Notstrombetrieb“
That below the BEN level 60 lying level BEN 61 , which is in the range of 20% of the MEN 56 The following priority is assigned: - - Priority "unconditional emergency power operation"
Bei Ausfall aller Stromlieferanten, also wiederum bei Ausfall des Energieknotens 13 und des Gleichspannungsversorgers 27 stellt die Steuer/Regeleinheit 8 für die mit dieser Priorität gekennzeichneten Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 einen Notstrombetrieb über eine längere und abhängig von der Nominalkapazität des Energiespeichers 43 einstellbare Zeitdauer sicher. Diese Zeitdauer kann ebenfalls im Datenspeicher 55 abgelegt sein.If all electricity suppliers fail, i.e. if the energy node fails 13 and the DC voltage supplier 27 represents the control unit 8th for consumers marked with this priority 18th to 21 , 37 , 38 an emergency power operation over a longer period and depending on the nominal capacity of the energy storage 43 adjustable duration safely. This period of time can also be stored in the data memory 55 be filed.
Beispielsweise kann einer Kühltruhe als Beispiel für einen der Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 zunächst die Priorität „bedingte Abschaltung für ein vorgesehenes Zeitintervall zugewiesen werden. Unterschreitet ein Füllstand im Energiespeicher 43 das dieser Priorität zugewiesene Niveau BEN 59, wird die Kühltruhe für den vorgegebenen Zeitraum „Abschaltdauer“ abgeschaltet. Erreicht die Kühltruhe ihren Taupunkt, schaltet ein Temperaturwächter des Systems die Priorität der Kühltruhe auf „bedingter Notstrombetrieb“. Die Kühltruhe wird dann weiter betrieben bis zum Erreichen des Energiespeicher-Niveaus BEN 60, bis eine bestimmte, niedrigere Temperatur erreicht ist, woraufhin die Priorität wiederum zurück auf „bedingte Abschaltung für einen vorgesehenen Zeitintervall“ geschaltet wird.For example, a freezer can serve as an example for one of the consumers 18th to 21 , 37 , 38 first the priority "conditional shutdown for a designated time interval is assigned. Falls below a fill level in the energy storage 43 the level BEN assigned to this priority 59 , the freezer is switched off for the specified period "switch-off duration". When the freezer reaches its dew point, a system temperature monitor switches the freezer's priority to "conditional emergency power operation". The freezer is then operated until the energy storage level BEN is reached 60 until a certain, lower temperature is reached, whereupon the priority is switched back again to “conditional shutdown for a specified time interval”.
Unterhalb des Niveaus BEN 61 ist im Datenspeicher 55 der Steuer/Regeleinheit 8 ein Minimal-Energiespeicher-Niveau MIN 62 abgelegt, welches beispielsweise bei 5 % des Niveaus MEN 56 liegen kann.Below the BEN level 61 is in the data storage 55 the control unit 8th a minimum energy storage level MIN 62 filed, which for example at 5% of the level MEN 56 can lie.
Die Steuer/Regeleinheit 8 ist so ausgeführt, dass beim Unterschreiten des Niveaus MIN 62 ein Not-Trennen des Energiespeichers 27 vom Gleichspannungsnetz 11 erfolgt. Dies geschieht wiederum über Ansteuerung der Gleichstrom-Netzregeleinrichtung 30 über die Signalverbindung 48.The control unit 8th is designed so that when the level falls below the MIN 62 an emergency disconnection of the energy store 27 from the DC network 11 he follows. This in turn is done by driving the DC network control device 30th over the signal connection 48 .
Zwischen den Niveaus UEN 58 und MIN 62 liegen, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Niveaus BEN 59 bis 61 erläutert, also mehrere unterschiedliche bedingt Betriebs-Energiespeicher-Niveaus vor, wobei das Steuer/Regelmodul 5 abhängig vom Erreichen eines Ladezustands, der dem jeweiligen Niveau BEN 59 bis 61 entspricht, ein Verbinden oder Trennen der Verbraucher 18 bis 21, 37, 38 mit der jeweiligen Priorisierung durchführt.Between the levels UEN 58 and MIN 62 are as above in connection with the levels BEN 59 to 61 explained, i.e. several different conditional operating energy storage levels, the control module 5 depending on reaching a state of charge that corresponds to the respective level BEN 59 to 61 corresponds to connecting or disconnecting the consumer 18th to 21 , 37 , 38 with the respective prioritization.
Je nach Priorisierung der Verbraucher wird durch das Steuer/Regelmodul 5 beim Entladen des Energiespeichers 43 ein Verbindungszustand des Verbrauchers 18 bis 21, 37, 38 mit dem zugehörigen Netz 10, 11 aufrecht erhalten, bis das der jeweiligen Priorität entsprechende Energiespeicher-Niveau unterschritten wird. Umgekehrt bleibt beim Laden des Energiespeichers 43 ein Verbindungszustand des jeweiligen Verbrauchers prioritätsabhängig getrennt, bis das dieser Priorität zugeordnete Energiespeicher-Niveau überschritten wird.Depending on the prioritization of the consumers, the control module 5 when discharging the energy storage 43 a connection state of the consumer 18th to 21 , 37 , 38 with the associated network 10th , 11 maintained until the energy storage level corresponding to the respective priority is undershot. Conversely, when charging the energy storage remains 43 a connection state of the respective consumer is separated depending on priority until the energy storage level assigned to this priority is exceeded.
3 zeigt schematisch ein Bauelement bzw. ein Logik-Baustein 63 der Steuer/Regeleinheit 8, welches mit dem Datenspeicher 55 in Signalverbindung steht. Dieses Logik-Bauelement 63 hat verschiedene logische Ein- und Ausgänge. Mit P0 bis P6 sind verschiedene logische Prioritäts-Eingänge entsprechend dem vorstehenden Zusammenhang mit den Niveaus BEN 59 bis 61 erläuterten Prioritäten bezeichnet. Soweit ein derartiger Prioritäts-Eingang P0 bis P6 aktiv ist, erfolgt mit dem Steuer/Regelmodul 5 ein Zu- bzw. Abschalten von Verbrauchern, entsprechend dem, was vorstehend erläutert wurde. Ein weiterer Eingang 64 signalisiert das Erreichen des Niveaus EMEN 57. Weitere Eingänge 65, 66 signalisieren eine verbraucherspezifische Abschaltdauer bzw. eine verbraucherspezifische Einschaltdauer. Ein weiterer Eingang 67 signalisiert eine verbraucherspezifische Nennleistung. 3rd schematically shows a component or a logic component 63 the control unit 8th which with the data storage 55 is in signal connection. This logic device 63 has various logical inputs and outputs. With P0 to P6 are different logical priority inputs according to the above connection with the levels BEN 59 to 61 priorities described. So much for such a priority input P0 to P6 is active with the control module 5 switching consumers on and off, in accordance with what has been explained above. Another entrance 64 signals that the EMEN level has been reached 57 . Other entrances 65 , 66 signal a consumer-specific switch-off period or a consumer-specific switch-on period. Another entrance 67 signals a consumer-specific nominal power.
Ein weiterer Eingang 68 stellt ein Freigabesignal für die vorstehend erläuterte Priorität „bedingte Abschaltung bei Freigabe“ dar. Ein weiterer Eingang 69 ermöglicht eine Zwangseinschaltung von Verbrauchern zur Vermeidung einer Überlastung des Energiespeichers 43.Another entrance 68 represents an enable signal for the “conditional shutdown on release” priority explained above. Another input 69 enables consumers to be switched on to avoid overloading the energy store 43 .
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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US 2010/0076615 A1 [0002]US 2010/0076615 A1 [0002]
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DE 102015206510 A1 [0002]DE 102015206510 A1 [0002]
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EP 1683681 B1 [0002]EP 1683681 B1 [0002]
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DE 102013209396 A1 [0002]DE 102013209396 A1 [0002]
