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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Offshore-Windenergiesystems.
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Aus diesem Dokument ist im Speziellen bereits ein Verfahren zur Leistungsregelung eines Offshore-Windenergiesystems bekannt, mittels welchem elektrische Energie erzeugbar ist. Das Offshore-Windenergiesystem weist dabei mindestens ein Kabel auf, das an ein elektrisches Netz angeschlossen ist und über das die vom Offshore-Windenergiesystem erzeugte elektrische Energie dem Netz zugeführt wird. Hierbei ist ein Regler vorgesehen, welcher einem ersten erfassten Temperaturparameter eine erste Leistung und einem zweiten erfassten Temperaturparameter eine zweite Leistung zuordnet. Die erste Leistung ist dabei größer als die zweite Leistung, der zweite Temperaturparameter zudem geringer als der erste Temperaturparameter. Die in das oder die Kabel eingespeiste Leistung wird darüber hinaus derart geregelt, dass die eingespeiste Leistung die durch den Regler vorgegebene Leistung nicht übersteigt, wobei der Regler eine Temperatur in einem Bezugspunkt in einer vorgegebenen Tiefe des Meeresbodens als Eingangsgröße verwendet. Solange die Temperatur an dem Bezugspunkt unter dem ersten Temperaturparameter bleibt, ist dabei die in das Kabel oder die Kabel eingespeiste Leistung nur auf die technisch mögliche Leistung begrenzt. Bei Überschreiten des ersten Temperaturparameters wird durch den Regler die Leistung des angeschlossenen Windparks pauschal auf den Wert der zweiten Leistung begrenzt, wobei dieser Wert der zweiten Leistung so ausgelegt ist, dass eine dauerhafte in das Kabel oder die Kabel eingespeiste Leistung auf dem Niveau oder unterhalb dieser zweiten Leistung möglich ist und dabei das 2K-Kriterium sicher eingehalten wird.
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In der
EP 2 680 390 A2 werden zudem ebenfalls ein Verfahren und ein Offshore-Windenergiesystem beschrieben, mittels dem es möglich ist, das sogenannte 2K-Kriterium einzuhalten, welches aus Umweltschutzauflagen für das Betreiben von Seekabeln, insbesondere Seekabel, die mit Offshore-Windenergiesystemen verbunden sind, einzuhalten ist. Das 2K-Kriterium verlangt dabei, dass der Temperaturanstieg im Meeresboden (oberhalb) des Seekabels in einer Tiefe von z. B. 0,2-0,3 Meter 2 Kelvin (2K) nicht überschreiten darf. Die schon vor Veröffentlichung der
EP 2 680 390 A2 bekannten und eingesetzten Seekabel sind dabei in der Regel zur wirtschaftlichen Optimierung der Kabelquerschnitte nicht auf eine Dauerleistung, sondern auf ein Windlastprofil ausgelegt. Hierdurch wird im Normalbetrieb sichergestellt, dass mit angeschlossenen Offshore-Windenergiesystemen, mittels denen die Leistung der Offshore-Windenergiesysteme über die Seekabel in ein Netz an Land eingespeist wird, ein derartiger Temperaturanstieg von mehr als 2 Kelvin nicht erreicht wird. Gleichzeitig ist das 2K-Kriterium üblicherweise der dimensionierende Faktor, sodass die technische Übertragungsfähigkeit des Seekabels tatsächlich höher ist und sich hierdurch technische Reserven ergeben.
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Neben dem Normalbetrieb können auch Sonderschaltzustände auftreten, die zu einer veränderten Belastung der Seekabel führen. So kann es z.B. Probleme mit der Einhaltung des 2K-Kriteriums geben, wenn eines der Seekabel ausfällt, weil dann das zweite (oder 3. oder n-te) parallel angeordnete Seekabel die Übertragung der gesamten elektrischen Leistung des Offshore-Windenergiesystems vom Meer bis zum Onshore-Anschluss übernehmen muss. Daneben können sich auch innerhalb der Lebensdauer Änderungen ergeben, wenn z.B. die Leistung des angeschlossenen Offshore-Windenergiesystems erhöht wird (z.B. durch Repowering). Weiterhin ist es mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, zur weiteren Optimierung der Kabelquerschnitte, von Beginn an mehr Leistung an das Seekabel anzuschließen als unter Einhaltung des 2K-Kriteriums möglich wäre (sogenanntes Overplanting).
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Für die Anbindung eines Offshore-Windenergiesystems bis zum Onshore-Anschluss sind wenigstens 3 Kabelarten/-abschnitte zu unterscheiden, z. B. ein AC-Seekabel (AC = Wechselstrom) vom Windpark bis zu einer HGÜ-Plattform (HGÜ = Hochspannungs-GleichstromÜbertragung), ein DC-Seekabel (DC = Gleichstrom) von der HGÜ-Plattform bis an Land, oder ein AC-Kabel vom Offshore-Windpark an Land (reiner AC-Anschluss).
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Als weiterer Stand der Technik wird auf die Veröffentlichung „Kabeldimensionierung bei der Netzanbindung von Offshore-Windparks unter Berücksichtigung der zeitlichen Leistungsabgabe“ (DEWI Magazin Nr. 24, Februar 2004, 1. Februar 2004 (2004-02-01), Seiten 38-43) hingewiesen. Daraus ist ein Verfahren zur Dimensionierung eines Seekabels vor dem Verlegen des Kabels bekannt. Die Druckschrift „Thermal Analysis of Submarine Cable Routes: LSM or FEM“ (POWER AND ENERGY CONFERENCE, 2006. PECON '06. IEEE INTERNATIONAL, IEEE, PI, 1. November2006(2006-11-01), Seiten 560-565) offenbart thermische Analysen von Seekabeln. Darüber hinaus betrifft die
DE 28 36 308 A1 eine Gleichstromübertragung und eine Regelung der Gleichstromübertragung. Weiterer Stand der Technik ist aus den Dokumenten
EP 2 636 894 A2 ,
WO 01 / 26 201 A1 und
DE 198 42 076 A1 bekannt.
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Die
DE 30 09 377 A1 zeigt zudem einen als Bimetallschalter ausgeführten Zweipunktregler zur Leistungsregelung von photovoltaischen Wandlern in Abhängigkeit einer Shunttemperatur eines in einem Shuntregelkreis angeordneten Shuntreglers. Der Bimetallschalter dient hierbei dem Schutz des als Ladestromreglers eines Akkumulators dienenden Shuntreglers vor Überhitzung, wobei die Photovoltaikanlage hierbei den Akkumulator speist.
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Der
EP 3 376 626 A1 ist ferner die Regelung einer Wirkleistung eines Offshore-Windenergiesystems zu entnehmen; eine Regelung in Abhängigkeit der Temperaturerhöhung eines Bezugspunkts im Meeresboden erfolgt jedoch nicht. Die
EP 3 376 626 A1 schlägt hingegen die Verbesserung des Regelverhaltens des eingesetzten Reglers dahingehend vor, dass die durch das Windenergiesystem abgegebene Wirkleistung einer Sollwertvorgabe möglichst genau folgt. Dabei beschreibt die
EP 3 376 626 A1 zunächst einen Regelkreis, welcher dem durch die
DE 10 2017 114 309 A1 verwendeten entspricht, gibt an, dass dieser als nachteilig zu betrachten ist und schlägt einen deutlich komplexeren Regelkreis zur Minimierung der Regelabweichungen vor.
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Aus der
US 2011 / 0 218 790 A1 gehen zudem ein System sowie ein Verfahren zur Optimierung der Strombelastung eines Kabels in Abhängigkeit von Temperaturprofilen des Kabels sowie der Kabelumgebung hervor.
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Die aus der
EP 2 680 390 A2 sowie der
DE 10 2017 114 309 A1 bekannten Verfahren und die dort beschriebenen Systeme sind jedoch nicht optimal, denn die dort beschriebenen Verfahren bedeuten in der praktischen Umsetzung, dass dann, wenn das betrachtete Seekabel ausfällt oder abweichend von der ursprünglichen Auslegung belastet wird, mit einer Prognoseeinrichtung immer wieder aufs Neue ein maximal zulässiger zeitabhängiger Strom bestimmt werden muss und somit muss auch, wann immer die Prognoseeinrichtung einen neuen, maximal zulässigen zeitabhängigen Strom bestimmt, ein entsprechendes Reglerverhalten neu konfiguriert werden, das dafür sorgt, dass der in das Seekabel eingespeiste Strom (bzw. die entsprechende Leistung) derart geregelt wird, dass der von der Prognoseeinrichtung bestimmte maximal zulässige zeitabhängige Strom nicht überstiegen wird.
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Eine solche Prognoseeinrichtung muss eine Vielzahl von sehr anspruchsvollen Kriterien erfüllen, insbesondere hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der ständigen Einsatzbereitschaft, denn wenn während des reduzierten Einspeisebetriebs aufgrund des Ausfalls des zweiten Seekabels die Prognoseeinrichtung aufgrund der erfassten Einspeisesituation, das heißt aufgrund der jeweils erfassten Ausgabeleistung des Offshore-Windenergiesystems einerseitsund andererseits aufgrund der Bestimmung des jeweils maximal zulässigen zeitabhängigen Stroms aufgrund der maximal zulässigen Temperaturparameter in einem Bezugspunkt immer wieder aufs Neue den zuständigen Regler neu auslegen muss, kann dies zu einer kritischen Reglersituation führen, insbesondere einer Reglerinstabilität.
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Schließlich geht auch mit den aus der
EP 2 680 390 A2 sowie der
DE 10 2017 114 309 A1 bekannten Verfahren eine offensichtliche Abregelung von Leistung einher, die das Offshore-Windenergiesystem zwar bei guten Windverhältnissen erzeugen könnte, aber eben aufgrund des Eingriffs in den maximal zulässigen zeitabhängigen Strom nicht erzeugen und somit in das Netz einspeisen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher besonders darin, das beschriebene bekannte Verfahren zur Stromregelung eines Offshore-Windenergiesystems zu verbessern, zu vereinfachen, insbesondere auch ein stabileres Verfahren und System vorzuschlagen und schließlich auch eine bessere Leistungs- und somit Energieausbeute zu ermöglichen, jedenfalls eine Energiereduktion zu ermöglichen, die geringer ausfällt als bei den bekannten und beschriebenen Verfahren gemäß der
EP 2 680 390 A2 und der
DE 10 2017 114 309 A1 . Zudem sollen die vorhandenen Regelabweichungen der verwendeten Regler minimiert werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Verfahren zur Leistungsregelung eines Energiesystems, mittels welchem elektrische Energie erzeugbar ist, wobei das Energiesystem mindestens ein (vorzugsweise zwei oder mehr) Kabel aufweist, das an ein elektrisches Netz angeschlossen ist und über das die vom Energiesystem erzeugte elektrische Energie dem Netz zugeführt wird, wobei ein Regler vorgesehen ist, welcher einem ersten erfassten Temperaturparameter eine erste Leistung zuordnet und einem zweiten erfassten Temperaturparameter eine zweite Leistung zugeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Temperaturparameter unterschiedlich sind und die erste und zweite Leistung unterschiedlich sind, wobei der zweite Temperaturparameter geringer ist als der erste Temperaturparameter, wobei die in das oder die Kabel eingespeiste Leistung derart geregelt wird, dass die eingespeiste Leistung die durch den Regler vorgegebene Leistung nicht übersteigt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne eine Prognoseeinrichtung aus, die bei Ausfall eines oder zweier Seekabel den maximal zulässigen zeitabhängigen Strom bestimmen muss.
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Vielmehr sieht das erfindungsgemäße Verfahren die Ausbildung und den Einsatz eines Zweipunktreglers mit Hysterese vor. Das bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Zweipunktregler mit Hysterese ausgestattet ist, wobei der Zweipunktregler auf eine erste (maximale) Leistung und eine zweite (maximale) Leistung ausgelegt ist, wobei die zweite Leistung geringer ist als die erste Leistung.
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Soweit davon ausgegangen werden kann, dass die Spannung, mit der die Leistung mittels eines Kabels zum Netzanschluss übertragen wird, gleich bleibt, bedeutet entsprechend der Formel S = √3 * U * I, dass durch die Vorgabe der ersten (maximalen Leistung als Grenzwert), bzw. durch die Vorgabe der zweiten (maximalen Leistung als Grenzwert), auch jeweils ein entsprechender Grenzwert für einen ersten Strom, bzw. einen zweiten Strom, vorgegeben wird.
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Gibt der Regler den ersten Grenzwert für die erste Leistung, bzw. für den ersten Strom, vor, so darf die eingespeiste Leistung, bzw. der eingespeiste Strom, diesen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten.
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Gleiches gilt umso mehr dann, wenn statt des ersten Grenzwerts der zweite Grenzwert, also der Grenzwert für die zweite (maximale) Leistung, also für den zweiten Strom, dem Regler als maximal möglicher Grenzwert vorgegeben wird. Dann darf die eingespeiste Leistung, also der in das Kabel eingespeiste Strom, diesen zweiten Grenzwert nicht überschreiten.
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Der Regler ist dabei vorzugweise so ausgelegt, dass er immer nur einen einzigen definierten Grenzwert vorgibt, jedenfalls nicht mehr als einen gleichzeitig, wobei - wie noch aufgezeigt wird - der Grenzwert auch Werte zwischen dem ersten und zweiten Grenzwert annehmen kann, insbesondere dann, wenn der Übergang von einem Grenzwert zum anderen keine zeitliche Sprungfunktion ist, sondern über eine Leistungs-(Strom-)Zeitfunktion sich von einem Grenzwert zum anderen hin ändert bzw. entwickelt.
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Ist diese Leistungs-(Strom-)Zeitfunktion z. B. eine Rampenfunktion, ist diese Funktion eine Gerade mit einer voreingestellten Steigung gemäß der Vorgabe x-Megawatt/y-Minuten oder dergleichen.
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Insoweit der Regler einen Grenzwert für die Leistung vorgibt, darf die Leistung und somit der Strom, der in das Seekabel eingespeist wird, diesen Grenzwert dauerhaft nicht überschreiten.
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Die zweite Leistung (zweiter Strom) ist deutlich geringer als die erste Leistung (erster Strom) und wenn der Regler den Bereich der zweiten Leistung (zweiter Strom) als Grenzwert vorgibt, darf diese zweite Leistung (zweiter Strom) vom Energiesystem bei Einspeisen der Leistung des Systems in das Seekabel nicht überschritten werden.
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Arbeitet der Regler im System der zweiten Leistung, kann es durchaus häufiger vorkommen, dass die Ausgangsleistung und somit der eingespeiste Strom des Energiesystems reduziert werden muss, um unterhalb der zweiten Leistung zu bleiben.
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Wie die Reduktion der Ausgangsleistung bzw. des Ausgangsstroms des Energiesystems und somit der Einspeiseleistung bzw. des Einspeisestroms in das Kabel realisiert wird, ist nicht Schwerpunkt der vorliegenden Anmeldung; gleichwohl sei darauf hingewiesen, dass es sich erfindungsgemäß anbietet, bei der Reduktion von Leistung die nicht in das Kabel eingespeiste Leistung z. B. zwischenzuspeichern, z. B. in Batterien oder dergleichen, vor oder dann, wenn das Energiesystem ein Offshore-Windenergiesystem ist, bei welchem innerhalb eines Offshore-Windparks eine Vielzahl von Windenergieanlagen stationiert ist, einzelne Anlagen abzuschalten oder deren Leistung zu reduzieren, oder die gesamte Leistung aller Anlagen des Windparks im gleichen Maße zu reduzieren, oder dann, wenn in dem Energiesystem eine Wasserstoff-Elektrolyse-Einrichtung oder dergleichen angeordnet ist, die nicht in das Kabel einzuspeisende Leistung dem Wasserstoff-Elektrolyse-System (oder einem ähnlichen System, in welchem die Umwandlung von elektrischer Energie in eine andere Energieform erfolgt) zuzuführen, um somit zu einem späteren Zeitpunkt die insoweit zwischengespeicherte Energie dann wieder in das Kabel einzuspeisen, wenn dies die Verhältnisse erlauben.
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Dies hat besonders auch den Vorteil, dass insoweit eine Verstetigung der eingespeisten Leistung zu einem späteren Zeitpunkt erreichbar ist.
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Der beschriebene Zweipunktregler mit Hysterese verwendet dabei die Temperatur im Bezugspunkt, z. B. in einer vorgegebenen Tiefe des Meeresbodens, als Eingangsgröße.
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Diese Temperatur kann gemessen werden, kann aber auch berechnet werden, oder aus einer Erfahrungstabelle erfasst werden.
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Die gemessene oder erfasste oder berechnete Temperatur kann dabei die absolute Temperatur, z. B. in Kelvin, sein, oder eine Temperaturdifferenz (ΔT), bezogen auf einen bestimmten Temperaturwert. Schließlich ist es auch möglich, durch die Ergänzung eines solchen vorbeschriebenen Temperaturparameters auch die zeitliche Ableitung eines Temperaturverlaufs ΔT' zu bilden. In dieser zeitlichen Ableitung kann das Maß des Temperaturanstiegs ermittelt werden, aber auch durch eine einfache Vorzeichen-Erfassung, ob die Temperatur überhaupt ansteigt (dann ist das Vorzeichen positiv; ΔT' > 0), ob sie absinkt (dann ist das Vorzeichen negativ; ΔT' < 0) oder gleich bleibt (dann ist die Steigung 0; ΔT' = 0).
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Wie noch im weiteren Verlauf gezeigt wird, ist es auch vorteilhaft, verschiedene Temperaturparameter gleichzeitig als Reglereingangsgröße zu verwenden, um in Abhängigkeit dieser Eingangsgrößen eine erfindungsgemäße Regelung des Zweipunktreglers mit Hysterese vorzunehmen.
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Insoweit die Temperatur aus einer Erfahrungstabelle erfasst wird, ist dies aber nur möglich, wenn das Systemverhalten sehr gut bekannt ist.
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Eine solche Erfahrungstabelle kann auch durch eine Simulationen erzeugt werden und durch eine spätere Berechnung und/oder Messung auch verifiziert werden.
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Die Hysterese-Funktion des erfindungsgemäßen Zweipunktreglers ergibt sich dadurch, dass die Umschaltung zur Leistungsreduktion von der ersten auf die zweite Leistung bei einer anderen Temperaturparameterbedingung erfolgt, z. B. einem ersten (höheren) Temperaturparameter, als die Umschaltung zur Erhöhung des Leistungswertes von der zweiten auf die erste Leistung bei einem zweiten (niedrigeren) Temperaturparameter.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Auslegung und Implementierung eines Reglers, dessen Eigenschaften sehr gut vor Einsatz des Verfahrens abschließend hinsichtlich aller Möglichkeiten getestet werden können und sich somit auch keine System- und Reglerinstabilitäten einstellen.
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Da eine Prognoseeinrichtung nicht mehr notwendig ist, ist es auch nicht mehr notwendig, die Hardware, wie auch den Betrieb der Prognoseeinrichtung vorzuhalten, wie dies noch in der
EP 2 680 390 A2 der Fall ist.
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In einer ersten Ausführung weist der Zweipunktregler über die Reduktion von der ersten zur zweiten Leistung, wie auch umgekehrt für den Anstieg von der zweiten zur ersten Leistung, eine Sprungfunktion auf.
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Es ist aber auch möglich, die Reduktion von der ersten zur zweiten Leistung und umgekehrt den Anstieg von der zweiten zur ersten Leistung nicht durch eine Sprungfunktion, sondern auch durch eine vordefinierte, voreingestellte Leistungs-Zeit(Watt/Zeit)-Funktion vorzugeben, wobei eine einfache und auch bevorzugte Funktion die einer Rampe ist, z. B. also bei Reduktion der Leistung von der ersten zur zweiten Leistung (als Grenzwert) ein Abstieg gemäß einer voreingestellten Leistungs-Zeitkurve erfolgt. In einem einfachsten Beispiel kann dies eine Gerade sein, es sind aber auch andere nicht lineare Leistung-ZeitFunktionen ohne Weiteres möglich.
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Sodenn der Regler für die Grenzwertreduktion (für Leistung und Strom) einerseits und/oder für den Grenzwertanstieg (für Leistung und Strom) andererseits eine Rampenfunktion aufweist, bildet während des Übergangs bis zum Erreichen des Zielgrenzwerts die Rampenfunktion jeweils den Grenzwert, der sich, anders als bei der Sprungfunktion, wo eine Umschaltung von einem Grenzwert auf den anderen erfolgt, also über den fortbeschriebenen Zeitraum entsprechend der Leistungs-Zeit-Funktion ändert.
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Da die Temperatur an einem Bezugspunkt im Meeresboden - auf welche Weise auch immer, wie erwähnt kann diese Temperatur sowohl gemessen als auch berechnet werden, als auch aus einer Erfahrungstabelle abgeleitet werden, bestimmt wird, bleibt eine Leistungsreduzierung des eingespeisten Stroms auf bzw. unterhalb des zweiten Leistungswerts so lange aufrechterhalten, bis die Temperatur am Bezugspunkt wieder ausreichend gefallen ist und wenn entsprechend der dafür vorgesehene Temperaturparameter, z. B. die zweite Temperatur ΔT2 erreicht ist, wird die Leistungsreduktion wieder aufgehoben und der Regler schaltet den Grenzwert wieder auf die erste Leistung als maximale Leistung um, sodass alle Energieanlagen bzw. alle am Kabel angeschlossenen Energieanlagen wieder ihre maximale Leistung einspeisen können.
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Der bevorzugte Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in einem Offshore-Windenergiesystem, also bevorzugt einer Offshore-Energieerzeugungsanlage, die aus einem oder mehreren Windparks besteht, wobei jeder Windpark eine oder mehrere Windenergieanlagen aufweist und diese Windenergieanlagen/Windparks etc. die die von ihnen erzeugte Leistung in das Kabel, das dann als Seekabel ausgelegt ist, einspeisen.
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Zum Verständnis von Windenergiesystemen ist auch auf Folgendes hingewiesen:
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Die maximale Leistung einer Windenergieanlage ist typischerweise gleich ihrer Nennleistung. Die maximale Leistung eines Windparks ist somit ebenfalls typischerweise die Nennleistung des Windparks (Parknennleistung), die sich aus der Addition der Nennleistungen der einzelnen Windenergieanlagen ermittelt.
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Ist eine Windenergieanlage - aus welchen Gründen auch immer - ausgefallen, kann also auch nicht die Parknennleistung erreicht werden.
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Das Erreichen der Parknennleistung setzt aber auch voraus, dass sämtliche Windenergieanlagen eines Windparks sich auch im Nennwindbetrieb befinden.
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Streicht der Wind aus einer bestimmten Windrichtung auf den Windpark, so ist es auch durchaus möglich, dass die ersten Windenergieanlagen des Windparks, auf die der Wind trifft, sich im Nennwindbetrieb befinden, die hinter diesen ersten Anlagen in zweiter, dritter...n-ter Reihe stehenden Windenergieanlagen allerdings aufgrund eines „Windschatteneffekts“ sich noch nicht im Nennbetrieb befinden, also eine Leistung unterhalb der Nennleistung erzeugen. Auch dann erzeugt der Windpark nicht seine maximal mögliche Dauerleistung, nämlich seine Nennleistung.
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Die Erfindung geht im Übrigen davon aus, dass zu einem in ein Seekabel eingespeisten Strom, welcher an der Eingangsseite, also dort, wo er in das Seekabel eingespeist wird, gemessen wird, es möglich ist, daraus an einem Bezugspunkt im Seeboden die Temperatur zu berechnen (IEC 60287; IEC 60853-2). Solange die Temperatur unter einer definierten Schwelle bleibt (z.B. 1,9 Kelvin) ist die Übertragungsleistung nur auf die technisch mögliche Leistung begrenzt, wobei diese technisch mögliche Leistung üblicherweise der Nennleistung des Windparks entspricht, oder aber auch der technisch maximal möglichen Übertragungsleistung des Seekabels (ohne 2K-Kriterium). Der bzw. die Windparks wiederum speisen eine Leistung auf oder unterhalb dieser Grenzleistung in das Seekabel ein, je nachdem, wie die Windbedingungen gerade sind oder der Service- und Ausfallzustand der Windenergieanlagen des Windparks.
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Wie geschildert wird die erste definierte Schwelle auch in der vorliegenden Anmeldung als erste Schwelle bzw. als erster Temperaturparameter bezeichnet, der beispielsweise den Wert von 1,9 Kelvin annehmen kann, aber auch einen anderen Wert, wobei dieser Wert zur Einhaltung des 2K-Kriteriums regelmäßig nicht größer ist als 2 Kelvin oder weit genug von 2 Kelvin entfernt ist, um im Regelfall auch eine Änderung (Reduktion) der Leistung vorzunehmen, die nicht zu einem Übersteigen bzw. Erreichen von 2 Kelvin führt.
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Wird diese erste definierte Schwelle des ersten Temperaturparameters überschritten, wird, wie erwähnt, durch den erfindungsgemäßen Zweipunktregler mit Hysterese die Leistung des angeschlossenen Windparks pauschal begrenzt, nämlich auf den Wert der zweiten Leistung (zweite Grenzleistung).
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Dieser Wert der zweiten Leistung (zweite Grenzleistung = zweiter Grenzstrom) ist dabei bevorzugt so ausgelegt, dass eine dauerhafte Leistungsübertragung auf dem Niveau oder unterhalb dieser zweiten Leistung möglich ist und dabei das 2K-Kriterium sicher eingehalten wird.
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Wenn die eingespeiste Leistung und somit auch der eingespeiste Strom reduziert wird, wird weiterhin (ständig auch) die Temperatur am Bezugspunkt im Seeboden ermittelt, z.B. durch Berechnung, Erfahrungstabellen, Messung etc.
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Die Leistungsreduzierung auf maximal die zweite Leistung (zweiter Grenzwert) bleibt solange aufrechterhalten, bis die ermittelte Temperatur im Seeboden am Bezugspunkt wieder ausreichend gefallen ist, z.B. auf 1,7 Kelvin, oder einen entsprechenden anderen Temperaturwert annimmt, also die zweite definierte Schwelle (zweiter Temperaturparameter T2), wobei diese zweite Schwelle geringer ist als die erste Schwelle.
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Wird dieser zweite Temperaturparameter (zweite Schwelle) erreicht, wird die Leistungsreduzierung wieder aufgehoben, es gilt dann wieder die erste Leistung als maximaler Grenzwert und alle am Seekabel angeschlossenen Windparks, bzw. Windenergieanlagen, können wieder mit maximaler Leistung einspeisen.
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Wie erwähnt sieht das Verfahren zu seiner Optimierung verschiedene Maßnahmen vor, z.B.
- - nach Überschreiten des ersten Temperaturparameters in die erste definierte Schwelle (obere Temperaturschwelle) wird die Leistung mit einer vorab definierten Funktion (Leistung/Zeit), z.B. einer Rampe, heruntergefahren.
- - Analyse des Temperaturverlaufs und hierauf basierend, z.B. bei einer fallenden Temperatur ΔT' (zeitliche Ableitung der Temperatur), wird die Leistung einer vorab definierten zweiten Funktion, z.B. Rampe, wieder gesteigert.
- - Ausbildung eines Verzögerungsglieds (Verzögerungsfunktion) in dem erfindungsgemäßen Algorithmus und Steigerung der Leistung nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den nachstehenden Zeichnungen und ihrer Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt das grundlegende Prinzip eines Zweipunktreglers mit Hysterese mit Sprungfunktion,
- 2 zeigt die verschiedenen Leistungsreduktions- bzw. -anstiegsstrategien in vier verschiedenen Varianten (es sind eine Vielzahl weiterer Varianten möglich),
- 3 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, bei welcher das Erreichen eines Temperaturkriteriums gekoppelt ist mit einer Zeitverzögerung (durch Verzögerungsglied),
- 4 zeigt eine Modellberechnung,
- 5 zeigt eine Beispielrechnung für eine erste Strategie I,
- 6 zeigt eine Beispielrechnung für eine Strategie IIa,
- 7 zeigt eine Beispielrechnung für die Strategie IIb,
- 8 zeigt eine Beispielrechnung für die Strategie III,
- 9 zeigt eine Beispielrechnung für die Strategie IV,
- 10 zeigt eine Zusammenfassung/Gegenüberstellung der einzelnen Strategien,
- 11 zeigt ein Funktionsdiagramm.
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1 zeigt das grundlegende Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Dabei ist der Verlauf der Temperatur (Temperaturdifferenz gegenüber einem definierten Null-Punkt) in Kelvin und auch ein maximaler Strom (in Ampere) über die Zeit (in Minuten) aufgetragen.
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Dabei ist zu erkennen, dass zu Beginn ein bestimmter maximaler Strom (erster Grenzwert) auf etwa 740 Ampere eingestellt ist. Wird die Leistung mit diesem Strom eingespeist, erhöht sie sich von Temperaturdifferenz von 0 an und steigt an in Richtung von 2 Kelvin.
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Bei Erreichen einer bestimmten Temperaturdifferenz, z.B. 1,9 Kelvin (= 1. Temperaturparameter), schaltet der Zweipunktregler auf einen zweiten Grenzwert für den Strom (in der vorliegenden Anmeldung auch zweiter Strom genannt) um. Dieser zweite Grenzwert liegt im Ausführungsbeispiel bei ca. 630 Ampere.
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Weiterhin wird der Temperaturverlauf und damit die Temperaturdifferenz ermittelt.
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Im gezeigten Beispiel steigt diese Temperaturdifferenz zunächst an, fällt dann jedoch leicht wieder. Sobald der vorbestimmte Abfall der Temperatur ermittelt worden ist (ΔT < 0), schaltet der Regler wiederum vom zweiten auf den ersten Grenzwert um und somit kann dann die maximal mögliche Leistung und somit der maximal mögliche Strom in das Kabel eingespeist werden.
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Im in 1 dargestellten Beispiel erfolgt die Reduktion vom ersten auf den zweiten Grenzwert bzw. die Steigerung der Leistung vom zweiten auf den ersten Grenzwert durch eine Sprungfunktion, das heißt eine zeitlich instante kurze Umschaltung vom ersten auf den zweiten Grenzwert oder umgekehrt.
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In 2 ist die in 1 dargestellte Funktion mit I „Sprung runter, Spruch hoch“ dargestellt. Die weiteren Beispiele in 2 zeigen andere Reglerstrategien (bzw. Funktionen), z.B. Strategie II der Leistungsreduktion mittels „Rampe runter“ und den Leistungsanstieg mittels „Sprung hoch“, Strategie III, Leistungsreduktion durch „Sprung runter“ und Leistungsanstieg durch „Rampe hoch“, und schließlich Strategie IV, Leistungsreduktion durch „Rampe runter“ und Leistungsanstieg durch „Rampe hoch“.
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Wie erwähnt kann durch die Rampenfunktion eine mögliche, vor allem einfache Funktion zur Beschreibung durch eine definierte Steigung, z.B. „x MW/h“ (Leistung/Zeit), vorgegeben werden. Es ist auch nicht zwingend notwendig, dass eine „Rampen hoch“-Funktion mit der gleichen definierten Steigung erfolgen muss wie eine „Rampen runter“-Funktion. Andere Funktionen, die eine entsprechende Steigung (Abfall) der Leistung über die Zeit vorschreiben, sind möglich.
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Während sich der Regler in der Abstiegs- oder Anstiegsfunktion, also in der Funktion „Rampe hoch“ oder „Rampe runter“ befindet, bildet er dann die zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt vorgegebene Leistung, auch die „maximale Leistung“, also eine Art Zwischengrenzwert, der zwischen dem ersten Grenzwert (oberer Grenzwert) und dem zweiten Grenzwert (unterer Grenzwert) liegt.
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Dabei ist es auch nicht zwingend vorgegeben, dass eine Rampenfunktion vollständig „ausgefahren wird“, das heißt, es muss bei der Reduktion der Leistung nicht zwingend im Endpunkt die zweite Grenzleistung erreicht werden. Vielmehr ist es auch möglich, dass dann, wenn die Temperaturdifferenz bereits wieder leicht sinkt - ΔT' < 0 -, und dann wiederum eine Umschaltung des Grenzwerts vorgenommen wird, z.B. „Sprung hoch“ oder „Rampe hoch“, reagiert wird und somit mehr Einspeisung von Leistung ermöglicht wird.
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Ob und wann allerdings eine solche Umschaltung im laufenden Rampenfunktionsbetrieb erfolgt, hängt, wie erwähnt, von der jeweils erfassten Temperatur ab, ob also der vom Regler vorgegebene Temperaturparameter erreicht wird. Dies kann auch davon abhängen, dass die Steigerung der Temperaturkurve negativ wird oder der Zeitparameter dafür sorgt, dass die Leistung wieder gesteigert wird, bevor der untere Temperaturwert erreicht wird.
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Wie bereits ausgeführt darf dabei nicht vergessen werden, dass die Reglerfunktion nur immer den maximalen Einspeisewert vorgibt.
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Für den tatsächlich eingespeisten Strom und damit für die tatsächlich eingespeiste Leistung und damit für die tatsächliche Temperatur am Bezugspunkt sind aber vor allem die Einspeisebedingungen des Offshore-Windenergiesystems verantwortlich, insbesondere die Windverhältnisse, Betriebsbereitschaft von Anlagen etc.
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Wenn beispielsweise alle Windenergieanlagen eines Offshore-Windparks sich nur knapp oberhalb der Startwindbedingungen befinden, können alle Windenergieanlagen dann ihre maximale, also durch den Wind vorgegebene, knapp über Startwindbedingungen vorgegebene Leistung unbeschränkt in das Seekabel einspeisen.
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Wie beschrieben ist also eine maximale Länge einer Rampe vorgegeben, denn dies ist die Leistungszeitfunktion vom ersten Grenzwert (obere maximale Leistungs- und Stromgrenze) zum zweiten Grenzwert (untere maximale Leistungs- und Stromgrenze) und umgekehrt, allerdings ist es wie erwähnt auch durchaus möglich, dass dann, wenn mittels einer Rampenfunktion vom ersten Grenzwert auf den zweiten Grenzwert übergangen wird, aufgrund der dann gerade einsetzenden Windflaute die Rampe nicht in ihre maximale Länge ausgeführt, sondern schon vorher wieder in Richtung des ersten Grenzwerts umgeschaltet/übergegangen wird, z.B. durch eine entsprechende Anstiegsrampe oder einen Anstiegssprung.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung des Prinzips nach 1 unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Temperaturwelle im Erdboden. Dabei kann z.B. die Leistung sofort gesteigert werden bei Erreichen des Scheitelwerts, da ab hier für einen bestimmten Zeitraum mit einer fallenden Temperaturdifferenz zu rechnen ist und der mit der Leistungssteigerung zusammenhängende Wiederanstieg der Temperatur erst für einen späteren Zeitraum zu erwarten ist (wenn nicht in der Zwischenzeit die Leistung durch z.B. fallende Windgeschwindigkeit insgesamt fällt). Zur Bestimmung, ob der Scheitelwert erreicht ist, kann entweder die Laufzeit im Erdboden bestimmt und hieraus eine Zeitverzögerung abgeleitet werden oder die Ableitung der Temperaturfunktion ausgewertet werden.
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4 zeigt eine Modellberechnung.
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Dabei geht das System aus von zwei Kabeln, die jeweils maximal 200 MW seitens des Offshore-Windparks (OWP) einspeisen können. In der Berechnung wird davon ausgegangen, dass der Offshore-Windpark letztlich nur über eine maximal kumulierte Nennleistung von 400 MW (2 mal 200 MW) verfügt, jede einzelne Windenergieanlage eine Nennleistung von 5 MW erbringt, wobei 80 (2 mal 40) Windenergieanlagen im Park aufgestellt sind und ferner wird von einer Verfügbarkeit einer Windenergieanlage von 95 % ausgegangen.
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5 zeigt eine Beispielrechnung (aufgrund einer Simulation) gemäß der Strategie I.
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In dem Diagramm ist im mittleren Bereich gut zu erkennen, dass dann, wenn ΔT > 1,7K ist und ΔT' > 0 (d.h. die Temperatur steigt an) - ersten Temperaturparameter -, der Regler einen „Sprung runter“ auf den zweiten Grenzwert macht, während hingegen dann, wenn - zweiter Temperaturparameter - ΔT' < 0 (d.h. die Temperatur nimmt ab) ist und ΔTmax = 1,98K ist, der Zweipunktregler auf den ersten Grenzwert durch einen „Sprung hoch“ schaltet.
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Bezogen auf das Modell für die Simulation I würde dies bedeuten, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Energiebetrag von 48.602 MWh möglich ist.
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Gemäß der Strategie I wird somit die Temperaturdifferenz sicher unter 2K gehalten und ist also geeignet, das entsprechende Umwelterfordernis des 2K-Kriteriums jederzeit einzuhalten.
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Für die Strategie II sind in den 6 und 7 zwei Varianten aufgezeigt.
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Die Strategie IIa weist für den Zweipunktregler mit Hysterese bei Übergang vom ersten Grenzwert auf den zweiten Grenzwert eine „Rampe runter“-Funktion auf, während hingegen im umgekehrten Fall, also bei der Leistungssteigerung vom zweiten Grenzwert auf den ersten Grenzwert eine Sprungfunktion vorgenommen wird.
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Bei der Berechnung hat sich aber herausgestellt, dass unter Umständen das 2K-Kriterium sich damit nicht einhalten lässt, vor allem im Ergebnis die Temperaturdifferenz sich aufschwingt und daher diese Variante weniger geeignet erscheint.
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Bei der Strategie gemäß IIb sind die Randbedingungen etwas anders. Mithin kann die Temperaturdifferenz sicher unter 2K gehalten werden, das Verfahren ist also gemäß der Strategie IIb geeignet und würde allerdings in der Energieausbeute leicht unterhalb der Performance der Strategie I liegen.
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Gemäß der Strategie III ist der Zweipunktregler mit Hysterese so eingestellt, dass beim Übergang vom ersten Grenzwert auf den zweiten Grenzwert eine „Sprung runter“-Funktion erfolgt, während umgekehrt beim Anstieg vom zweiten Grenzwert auf den ersten eine Rampenfunktion ausgeübt wird (eine Rampensteigerung von 250 kW/h).
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Dieses Verfahren ist grundsätzlich geeignet, das 2K-Kriterium einzuhalten, allerdings fällt es in der Energieübertragungsperformance hinter Strategie I und IIb zurück, denn nach der Berechnung können damit nur 38.020 MWh übertragen werden.
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Strategie IV ist eine Funktion, bei welcher der Regler sowohl bei Leistungsreduktion vom ersten Grenzwert Richtung zweitem Grenzwert eine Rampenfunktion (Rampe runter) aufweist und umgekehrt auch beim Leistungsanstieg vom zweiten Grenzwert auf den ersten eine Rampenfunktion (Rampe hoch) aufweist. Die entsprechende Temperatur- und Rampenfunktionsbedingungen sind angegeben.
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Im Ergebnis kann das 2K-Kriterium sicher eingehalten werden und es findet kein Aufschwingen der Temperaturdifferenz statt. Dieses Verfahren führt im Übrigen im vorliegenden Beispiel zu einer Energieübertragung von maximal 53.473 MWh und liegt somit knapp 2.000 MWh über dem Verfahren, welches aus der
EP 2 680 390 A2 bekannt ist.
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10 zeigt noch einmal die wesentlichen Zahlen aus den vorherigen Beispielen der Strategien I, II, III und IV.
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11 zeigt in einem Blockschaltdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren des Reglers der vorliegenden Anmeldung gemäß der Variante IV.
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Soweit in der vorliegenden Anmeldung, insbesondere auch in den Ansprüche, die erste Leistung P1, ein erster Strom 11, eine zweite Leistung P2 oder ein zweiter Strom I2 gegeben sind, sind dies jeweils Grenzwerte, und die eingespeiste Leistung bzw. der in das Kabel eingespeiste Strom sollten und sollen den Grenzwert/die Grenzwerte nicht übersteigen, jedenfalls nicht über einen längeren Zeitraum, z. B. den Zeitraum von 3 bis 24 Stunden.
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Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass es bei jedem Stromkabel aufgrund der Basisgleichung P = I2 * R (R= Widerstand des Kabels) eben aufgrund der Verluste auch zu einer vorbestimmten Erwärmung um das Kabel herum kommt.
