DE102019220347A1 - Determination of the structure of an energy system that is resilient to the failure of one or more of its components - Google Patents
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Abstract
Es wird ein computergestütztes Verfahren zur numerischen Bestimmung der Struktur eines gegenüber einem Ausfall einer oder mehrerer seiner Komponenten (21, ..., 23) resilienten Energiesystems (1) vorgeschlagen, wobei das Energiesystem (1) durch eine für eine Optimierung vorgesehene Zielfunktion beschrieben wird, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Zielfunktion die Struktur des Energiesystems (1) bestimmt wird. Das Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung erfolgt, dass eine kritische LastPL*(42) durch eine oder mehrere beitragende Komponenten i (21, ..., 23) des Energiesystems (1) für eine Abrufdauer TDderart weiter gedeckt wird, dass von der kritischen LastPL*(42) abhängige Komponenten und/oder Prozesse nicht wesentlich beeinträchtigt werden, wobei hierfür die zeitliche Änderung der LeistungPi*jeder beitragenden Komponente (21, ..., 23) innerhalb einer Antwortzeit TRdes Energiesystems (1) durch die mit der Anlaufzeit Tnet,igewichtete Nennleistung Pnet,ider jeweiligen Komponente (21,...,23) beschränkt wird.Weiterhin betrifft die Erfindung ein zugehöriges Energiemanagementsystems sowie ein Energiesystem (1).A computer-aided method is proposed for the numerical determination of the structure of an energy system (1) that is resilient to failure of one or more of its components (21, ..., 23), the energy system (1) being described by a target function intended for optimization so that the structure of the energy system (1) is determined by calculating an extremum of the objective function. The method is characterized in that the extremum is calculated under the secondary condition that a critical load PL * (42) continues through one or more contributing components i (21, ..., 23) of the energy system (1) for a call duration TDderart What is covered is that components and / or processes that are dependent on the critical load PL * (42) are not significantly impaired, whereby the time change in the power Pi * of each contributing component (21, ..., 23) within a response time TR of the energy system (1st ) is limited by the nominal power Pnet weighted with the start-up time Tnet, id of the respective component (21, ..., 23). Furthermore, the invention relates to an associated energy management system and an energy system (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
Energiesysteme umfassen typischerweise mehrere Komponenten, insbesondere energietechnische Anlagen, beispielsweise Energiewandlungsanlagen, Verbrauchsanlagen und/oder Speicheranlagen. Multimodale Energiesysteme sind Energiesysteme, die Energie in mehreren Energieformen erzeugen und/oder bereitstellen. Insbesondere stellt ein multimodales Energiesystem für einen Energieverbraucher, beispielsweise ein Gebäude, eine Industrieanlage oder eine private Anlage, eine oder mehrere Energieformen bereit, wobei die Bereitstellung insbesondere durch eine Umwandlung verschiedener Energieformen, durch einen Transport verschiedener Energieformen und/oder durch gespeicherte Energieformen erfolgt. Mit anderen Worten werden die verschiedenen Energieformen, beispielsweise Wärme, Kälte oder elektrische Energie, mittels des multimodalen Energiesystems bezüglich ihrer Erzeugung, ihrer Bereitstellung und/oder ihrer Speicherung gekoppelt.Energy systems typically include several components, in particular energy-related systems, for example energy conversion systems, consumption systems and / or storage systems. Multimodal energy systems are energy systems that generate and / or provide energy in several forms of energy. In particular, a multimodal energy system for an energy consumer, for example a building, an industrial plant or a private plant, provides one or more forms of energy, the provision being made in particular by converting various forms of energy, by transporting various forms of energy and / or through stored forms of energy. In other words, the various forms of energy, for example heat, cold or electrical energy, are coupled by means of the multimodal energy system with regard to their generation, their provision and / or their storage.
Ein typisches industrielles multimodales Energiesystem, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, weist mehrere energietechnische Anlagen (Technologien für die Energieumwandlung) auf, verschiedene Speichervorrichtungen (Speichertechnologien), einen Anschluss an ein (öffentliches) Stromnetz, einen Anschluss an ein (öffentliches) Gasnetz und/oder Wasserstoffnetz sowie mehrere elektrische und thermische Lasten auf.A typical industrial multimodal energy system, for example in the food industry, has several energy-related systems (technologies for energy conversion), various storage devices (storage technologies), a connection to a (public) electricity network, a connection to a (public) gas network and / or hydrogen network as well as several electrical and thermal loads.
Es ist bekannt, Energiesysteme mittels eines Energiesystemdesignverfahrens (Energiesystemanalyse) möglichst effizient auszulegen, das heißt ihre möglichst optimale Struktur zu bestimmen. Hierzu wird ein mathematisches Modell des Energiesystems verwendet, welches eine Optimierung des Energiesystems bezüglich einer Zielfunktion mittels eines nummerischen Optimierungsverfahrens ermöglicht. Typischerweise sind hierzu eine Mehrzahl von physikalischen Parametern (Eingangsparametern), beispielsweise Vorhersagen von Lastprofilen und/oder Zustandsmessungen, zur Parametrisierung des mathematischen Modells beziehungsweise der Zielfunktion sowie mehrere Nebenbedingungen erforderlich. Mit anderen Worten werden Energiesysteme, insbesondere multimodale Energiesysteme, mittels datenbasierten Optimierungsverfahren ausgelegt.It is known to design energy systems as efficiently as possible using an energy system design method (energy system analysis), that is, to determine their optimal structure. For this purpose, a mathematical model of the energy system is used, which enables the energy system to be optimized with regard to a target function by means of a numerical optimization method. A plurality of physical parameters (input parameters), for example predictions of load profiles and / or state measurements, for parameterizing the mathematical model or the target function, as well as several secondary conditions, are typically required for this. In other words, energy systems, in particular multimodal energy systems, are designed using data-based optimization methods.
Ein solches Energiesystemdesignverfahren ist beispielsweise aus dem Dokument
Durch ein Energiesystemdesignverfahren wird somit eine möglichst optimale Struktur des Energiesystems, beispielsweise bezüglich seiner energetischen Effizienz, bestimmt. Die Struktur des Energiesystems wird insbesondere durch seine Komponenten, die Dimension und/oder Kapazitäten seiner Komponenten, die Kosten seiner Komponenten, Energieflüsse, Leistungsflüsse und/oder durch seine Energietransferleitungen gebildet.An energy system design method thus determines the best possible structure of the energy system, for example with regard to its energetic efficiency. The structure of the energy system is formed in particular by its components, the dimensions and / or capacities of its components, the costs of its components, energy flows, power flows and / or by its energy transfer lines.
Beispielsweise stellt eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) in Hochlastzeiten Strom, das heißt elektrische Energie, bereit. Die Abwärme der KWK-Anlage kann wiederum mittels eines Wärmespeichers wenigstens teilweise zwischengespeichert werden und zur Deckung thermischer Lasten herangezogen werden. Grundlage der Optimierung können hierbei Messdaten bezüglich der genannten elektrischen und thermischen Lasten sein.For example, a combined heat and power plant (CHP plant) provides electricity, i.e. electrical energy, during peak times. The waste heat from the CHP plant can in turn be at least partially temporarily stored by means of a heat store and used to cover thermal loads. The optimization can be based on measurement data relating to the electrical and thermal loads mentioned.
Allerdings werden bei bekannten Verfahren Messdaten bezüglich des (externen) Stromnetzes nicht verwendet. Dadurch ist die Versorgungssicherheit des Energiesystems gefährdet. Um dies zu verhindern werden sogenannte Backup-Generatoren verwendet. However, in known methods, measurement data relating to the (external) power grid are not used. This jeopardizes the security of supply of the energy system. So-called backup generators are used to prevent this.
Dadurch kann eine bestimmte Resilienz des Energiesystems, die jedoch nicht optimal ist, bereitgestellt werden. Typischerweise sind somit Energiesysteme, die eine bestimmte Resilienz, beispielsweise gegenüber einem Ausfall des externen Stromnetzes aufweisen, überdimensioniert.As a result, a certain resilience of the energy system, which is not optimal, can be provided. Typically, energy systems that have a certain resilience, for example to a failure of the external power grid, are overdimensioned.
Hierbei bezeichnet der Begriff der Resilienz beispielsweise die Fähigkeit des Energiesystems bei Störungen, Ausfällen und/oder Teilausfällen und/oder disruptiven Ereignissen nicht vollständig zu versagen, sondern kritische Lasten aufrechtzuerhalten, das heißt zu decken. Eine Last ist in diesem Sinne kritisch, wenn sie auch beim Auftreten einer Störung, eines Ausfalls und/oder Teilausfalls, und/oder eines disruptiven Ereignisses zwingend wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aufrechterhalten werden muss.Here, the term resilience denotes, for example, the ability of the energy system not to fail completely in the event of malfunctions, failures and / or partial failures and / or disruptive events, but rather to maintain critical loads, i.e. to cover them. In this sense, a load is critical if it has to be at least partially, in particular completely, maintained even if a fault, a failure and / or partial failure and / or a disruptive event occurs.
Eine typische Störung beziehungsweise ein typischer Ausfall ist eine Störung beziehungsweise ein Ausfall eines mit dem Energiesystem verbundenen jedoch bezüglich diesem externen Stromnetzes. Ausfälle oder Störungen können somit bezüglich des Energiesystems durch interne und/oder externe Ereignisse ausgelöst sein. Insbesondere ist ein disruptives Ereignis ein Stromausfall, ein Hackerangriff auf eine Kontrollwarte und/oder ein technischer Ausfall von KWK-Anlagen.A typical malfunction or a typical failure is a malfunction or a failure of an external power grid connected to the energy system but with respect to this. Failures or malfunctions can therefore be triggered by internal and / or external events in relation to the energy system. In particular, a disruptive event is a power failure, a hacker attack on a control room and / or a technical failure of CHP systems.
Ein Ausfall des externen Stromnetzes ist die häufigste Ursache von elektrischen Versorgungsunterbrechungen. Durch Redundanzen und Umschaltungen innerhalb des externen Stromnetzes können längerfristige Unterbrechungen (Netzunterbrechungen) vermieden werden. Kurzfristige Stromunterbrechungen (< 3 Minuten) sind typischerweise durch Umschaltungen bedingt und korrelieren mit atmosphärischen Ereignissen beziehungsweise Einwirkungen, beispielsweise Gewittern. Somit ergeben sich bei kurzfristigen Versorgungsunterbrechungen kaum Eingriffsmöglichkeiten für einen Netzbetreiber des Stromnetzes. Gemäß EN 50160 ist daher mit bis zu mehreren 100 kurzen Versorgungsunterbrechungen (< 3 Minuten) pro Jahr zu rechnen. A failure of the external power grid is the most common cause of electrical supply interruptions. Long-term interruptions (network interruptions) can be avoided through redundancies and switchovers within the external power grid. Short-term power interruptions (<3 minutes) are typically caused by switchings and correlate with atmospheric events or effects, for example thunderstorms. Thus, in the event of short-term supply interruptions, there are hardly any opportunities for a network operator to intervene. According to EN 50160, up to several hundred short supply interruptions (<3 minutes) per year can therefore be expected.
Elektrische Versorgungsunterbrechungen können zu erheblichen Schäden führen, beispielsweise durch Schäden an Produktionsanlagen oder durch mangelhafte Produkte. Neuere Produktionsanlagen, insbesondere im Hinblick auf die Digitalisierung der industriellen Energiesysteme beziehungsweise Produktion (Industrie 4.0), sind durch ihre sensible Steuerungselektronik (Steuereinheit) besonders anfällig. Der Ausfall kritischer Prozesse kann zudem ein Sicherheitsrisiko für Menschen darstellen.Electrical supply interruptions can lead to considerable damage, for example through damage to production facilities or through defective products. Newer production plants, especially with regard to the digitization of industrial energy systems or production (Industry 4.0), are particularly vulnerable due to their sensitive control electronics (control unit). The failure of critical processes can also pose a security risk to people.
Es ist daher geboten, resiliente und dennoch möglichst effiziente Energiesysteme bereitzustellen.It is therefore imperative to provide energy systems that are resilient and yet as efficient as possible.
Diesbezüglich ist aus dem Dokument
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Struktur eines Energiesystems bereitzustellen, welches zu einer verbesserten Resilienz des Energiesystems führt. Weiterhin soll ein Energiesystem mit einer verbesserten Resilienz bereitgestellt werden.The present invention is based on the object of providing a method for determining the structure of an energy system which leads to an improved resilience of the energy system. Furthermore, an energy system with improved resilience is to be provided.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, durch ein Energiemanagementverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 sowie durch ein Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 15 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.The object is achieved by a method with the features of independent patent claim 1, by an energy management method with the features of independent patent claim 13 and by an energy system with the features of independent patent claim 15. Advantageous configurations and developments of the invention are specified in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße computergestützte Verfahren zur numerischen Bestimmung der Struktur eines gegenüber einem Ausfall einer oder mehrerer seiner Komponenten resilienten Energiesystems, wobei das Energiesystem durch eine für eine Optimierung vorgesehene Zielfunktion beschrieben wird, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Zielfunktion die Struktur des Energiesystems bestimmt wird, ist gekennzeichnet dadurch, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung erfolgt, dass eine kritische Last
Es können eine oder mehrere kritische Lasten vorliegen.There can be one or more critical loads.
Leistungen beim oder nach dem Ausfall sind mit einem Asterisk gekennzeichnet. Die Leistungen beim oder vor dem Ausfall weisen keinen Asterisk auf.Services during or after the failure are marked with an asterisk. The services at or before the failure do not have an asterisk.
Ein Ausfall ist, wie obenstehend beschrieben, jede mögliche Störung des Betriebes des Energiesystems, insbesondere der wenigstens teilweise Ausfall einer Komponente des Energiesystems und/oder der wenigstens teilweise Ausfall eines bezüglich des Energiesystems externen Stromnetzes, an welches das Energiesystem zum Austausch elektrischer Energie (Bezug und/oder Einspeisung) angebunden ist. Fällt dieses Stromnetz aus, so fallen äquivalent ebenfalls bestimmte Komponenten des Energiesystems aus. Weitere Netze, Datennetze und/oder Versorgungsnetze, beispielsweise Gasnetze und/oder Wasserstoffnetze, können alternativ oder ergänzend vorgesehen sein.As described above, a failure is any possible disruption of the operation of the energy system, in particular the at least partial failure of a component of the energy system and / or the at least partial failure of a power grid external to the energy system to which the energy system is connected to exchange electrical energy (reference and / or feed) is connected. If this power grid fails, certain components of the energy system also fail. Other networks, data networks and / or supply networks, for example gas networks and / or hydrogen networks, can alternatively or additionally be provided.
Die komponentenspezifischen Größe, wie beispielsweise die Leistungen
Durch die Bestimmung der Struktur des Energiesystems (Auslegung des Energiesystems) werden insbesondere seine Komponenten, die Dimensionierung und/oder Kapazitäten seiner Komponenten, die Kosten seiner Komponenten, seine Energieflüsse, seine Leistungsflüsse und/oder seine Energietransferleitungen und/oder die energetische Kopplungen zwischen seinen Komponenten ermittelt. Durch die Optimierung wird der Aufbau des Energiesystems und seiner Energieflüsse beziehungsweise Leistungsflüsse ganzheitlich abgebildet oder modelliert, sodass Synergiepotentiale zwischen den Komponenten und/oder den verschiedenen Energieformen ermittelt werden können. Insbesondere wird die energietechnische Struktur des Energiesystems bestimmt.By determining the structure of the energy system (design of the energy system), its components, the Dimensioning and / or capacities of its components, the costs of its components, its energy flows, its power flows and / or its energy transfer lines and / or the energetic coupling between its components is determined. Through the optimization, the structure of the energy system and its energy flows or power flows are mapped or modeled holistically so that synergy potentials between the components and / or the various forms of energy can be determined. In particular, the energy-related structure of the energy system is determined.
Eine Last ist kritisch, wenn sie auch beim Auftreten des Ausfalls zwingend wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aufrechterhalten, das heißt gedeckt werden muss. Hierbei muss die Last zwingend wenigstens teilweise gedeckt werden, wenn davon abhängige Komponenten und/oder Prozesse durch eine Störung der Last wesentlich beeinträchtigt sind. Eine Beeinträchtigung ist beispielsweise wesentlich, wenn ein Betrieb, der von der kritischen Last abhängigen Komponente nicht mehr möglich ist und/oder der von der kritischen Last abhängige Prozess nicht mehr durchführbar oder aufrechthaltbar ist. Mit anderen Worten wird die kritische Last während des Ausfalls derart weiter gedeckt, dass damit assoziierte kritische Prozesse nicht unzulässig beeinträchtigt werden.A load is critical if it must be at least partially, in particular completely, maintained, that is to say must be covered, even when the failure occurs. In this case, the load must be at least partially covered if dependent components and / or processes are significantly impaired by a disturbance in the load. An impairment is significant, for example, if an operation of the component that is dependent on the critical load is no longer possible and / or the process that is dependent on the critical load can no longer be carried out or maintained. In other words, the critical load continues to be covered during the failure in such a way that critical processes associated therewith are not impaired in an impermissible manner.
Eine Optimierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Minimierung oder Maximierung (Berechnen eines Extremums) einer Zielfunktion. Die Minimierung beziehungsweise Maximierung der Zielfunktion ist typischerweise äußerst komplex und kann daher lediglich numerisch erfolgen. Die Zielfunktion charakterisiert hierbei eine Eigenschaft oder eine Größe des Systems, beispielsweise die Kohlenstoffdioxidemissionen oder die Betriebskosten eines Energiesystems. Die Zielfunktion ist somit ein mathematisches Modell des Energiesystems. Die Zielfunktion weist Parameter und Variablen auf. Das Ergebnis der Optimierung, das heißt vorliegend die Struktur des Energiesystems, korrespondiert zu den Werten der Variablen der Zielfunktion. Die Parameter sind typischerweise messdatenbasierte Lastprofile und parametrisieren die für das Energiesystem spezifische Zielfunktion. Weiterhin erfolgt die Optimierung typischerweise unter einer Berücksichtigung mehrerer Nebenbedingungen, beispielsweise der Energieerhaltung.An optimization within the meaning of the present invention is a method for minimizing or maximizing (calculating an extremum) of an objective function. The minimization or maximization of the objective function is typically extremely complex and can therefore only be done numerically. The objective function characterizes a property or a size of the system, for example the carbon dioxide emissions or the operating costs of an energy system. The objective function is thus a mathematical model of the energy system. The objective function has parameters and variables. The result of the optimization, i.e. in the present case the structure of the energy system, corresponds to the values of the variables of the objective function. The parameters are typically load profiles based on measurement data and parameterize the target function specific to the energy system. Furthermore, the optimization is typically carried out taking into account several secondary conditions, for example energy conservation.
Nebenbedingungen, Randbedingungen oder Zwangsbedingungen - hier zusammenfassend als Nebenbedingungen bezeichnet - sind Bedingungen, Eigenschaften und/oder Relationen, die die Parameter und/oder Variablen des Optimierungsverfahrens erfüllen müssen. Diese können als Gleichung und/oder Ungleichung gegeben sein, und/oder explizit eine Menge von zulässigen Werten der Parameter und/oder zulässigen Werten der Variablen beschreiben.Constraints, constraints or constraints - here collectively referred to as constraints - are conditions, properties and / or relations that the parameters and / or variables of the optimization process must meet. These can be given as an equation and / or inequality and / or explicitly describe a set of permissible values of the parameters and / or permissible values of the variables.
Beispielsweise charakterisiert die Zielfunktion die Gesamtkohlenstoffdioxidemission des Energiesystems. Die Gesamtkohlenstoffdioxidemission umfasst die einzelnen Kohlenstoffdioxidemissionen der Komponenten des Energiesystems. Jede der Komponenten kann eine bestimmte elektrische und/oder thermische Leistung für eine spezifische Kohlenstoffdioxidmenge bereitstellen. Somit sind hierbei die elektrischen und/oder thermischen Leistungen die Variablen der Zielfunktion und die Kohlenstoffdioxidmengen pro erzeugte elektrische und/oder thermische Leistung (spezifische Kohlenstoffdioxidmenge) die Parameter der Zielfunktion. Durch die Optimierung wird die Gesamtkohlenstoffdioxidemission (Zielfunktion) minimiert. Dadurch kann des Energiesystem möglichst optimal bezüglich seiner Kohlenstoffdioxidemission ausgelegt und/oder betrieben werden.For example, the objective function characterizes the total carbon dioxide emissions of the energy system. The total carbon dioxide emission comprises the individual carbon dioxide emissions of the components of the energy system. Each of the components can provide a specific electrical and / or thermal output for a specific amount of carbon dioxide. Thus, the electrical and / or thermal outputs are the variables of the objective function and the amounts of carbon dioxide per generated electrical and / or thermal output (specific amount of carbon dioxide) are the parameters of the objective function. The optimization minimizes the total carbon dioxide emission (target function). As a result, the energy system can be designed and / or operated as optimally as possible with regard to its carbon dioxide emissions.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistung
Die Antwortzeit TR ist die Zeitdauer der Betriebsänderung des Energiesystems, die aufgrund des Ausfalls erfolgt. Mit anderen Worten ist dies die Zeitdauer, in welcher das Energiesystem auf den Ausfall reagieren kann, beziehungsweise reagiert. Sie kann somit ebenfalls als Reaktionszeit bezeichnet werden. Typischerweise weist jede Komponente des Energiesystems eine verschiedene Antwortzeit auf. Die Antwortzeit TR kann hierbei als die längste der Antwortzeiten der Komponenten festgelegt werden. Mit anderen Worten ist die Antwortzeit TR des Energiesystems durch die bezüglich der Reaktionszeit langsamste Komponente des Energiesystems bestimmt. Die Antwortzeit TR des Energiesystems ist somit durch seine Komponenten festgelegt. Insbesondere können KWK-Anlagen und/oder Netzersatzanlagen ihren Betriebspunkt nicht beliebig schnell anpassen.The response time T R is the duration of the change in operation of the energy system that occurs due to the failure. In other words, this is the period of time in which the energy system can react, or reacts, to the failure. It can therefore also be referred to as the response time. Typically, each component of the energy system has a different response time. The response time T R can be defined as the longest of the response times of the components. In other words, the response time T R of the energy system is determined by the component of the energy system that is slowest in terms of response time. The response time T R of the energy system is thus determined by its components. In particular, CHP systems and / or emergency power systems cannot adjust their operating point at will.
Die Abrufdauer TD ist die Zeitdauer, in welcher die Versorgung der kritischen Last sichergestellt werden muss. Mit anderen Worten muss für die Zeitdauer TD der Zustand, der sich aus der Änderung der Betriebspunkte beziehungsweise Arbeitspunkte ergibt, aufrechterhalten werden. Typischerweise ist die Abrufdauer TD größer, insbesondere wesentlich größer als die Antwortzeit TR. Die Abrufdauer TD wird beispielsweise festgelegt und kann einer durchschnittlich zu erwartenden Ausfallzeit entsprechen. Beispielsweise wird die Abrufdauer TD aufgrund einer lokalen Verfügbarkeitsstatistik eines bezüglich des Energiesystems externen Stromnetzes festgelegt. Sind derartige Daten nicht verfügbar und/oder liegen diese nicht vor, so kann auf Erfahrungswerte vergleichbarer Standorte zurückgegriffen werden. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren auf die Versorgungsqualität am Ort des Energiesystems optimal angepasst werden.The call duration T D is the time in which the supply of the critical load must be ensured. In other words must for the time T D is the condition that occurs or from the change in operating points Working points are maintained. Typically, the retrieval duration T D is greater, in particular significantly greater than the response time T R. The retrieval duration T D is defined, for example, and can correspond to an average expected downtime. For example, the retrieval duration T D is determined on the basis of local availability statistics of a power grid external to the energy system. If such data are not available and / or are not available, empirical values from comparable locations can be used. The method according to the invention can thus be optimally adapted to the supply quality at the location of the energy system.
Die Anlaufzeit Tnet,i ist die komponentenspezifische Zeitdauer, in welcher die jeweilige Komponente seine Leistung von Null auf die Nennleistung Pnet,i erhöht (von 0 Prozent auf 100 Prozent). Die jeweilige Anlaufzeit Tnet,i ist somit durch die jeweilige zugehörige Komponente festgelegt.The start-up time T net, i is the component-specific period of time in which the respective component increases its output from zero to the nominal output P net, i (from 0 percent to 100 percent). The respective start-up time T net, i is thus determined by the respective associated component.
Die Änderung der Leistung einer Komponente wird während der Abrufzeit durch die mit der Anlaufzeit Tnet,i gewichtete Nennleistung Pnet,i der Komponente (von oben) beschränkt. Beispielsweise ist die Änderung der Leistung der Komponente kleiner oder gleich Pnet,i/Tnet,i (bei linearer Änderung des Betriebspunktes) für alle Zeitpunkte innerhalb der Abrufdauer TD. Die Beschränkung erfolgt für alle beitragenden Komponenten, das heißt für alle Komponenten, die zur Deckung der kritischen Last beitragen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Betriebszustandsänderung der jeweiligen beitragenden Komponente berücksichtigt wird. Mit anderen Worten braucht jede beitragende Komponente eine bestimmte Zeit zur Änderung des Betriebszustandes, beispielsweise zur Erhöhung ihrer Leistung. Die Leistung kann jedoch nicht schneller als Pnet,i/Tnet,i erhöht werden. Durch die erfindungsgemäße Nebenbedingung wird dies berücksichtigt. Es gibt somit eine Übergangsphase, die der Antwortzeit TR entspricht, in welcher nicht sofort die geforderte stationäre Leistung zur Deckung der kritischen Last zur Verfügung steht. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß die Anlaufzeit beziehungsweise die Anlaufzeiten der Komponenten bei der Optimierung berücksichtigt.The change in the power of a component is limited during the call time by the nominal power P net, i of the component (from above) weighted with the start-up time T net, i. For example, the change in the power of the component is less than or equal to P net, i / T net, i (with a linear change in the operating point) for all times within the call duration T D. The restriction applies to all contributing components, i.e. for all components that contribute to covering the critical load. This ensures that the change in operating status of the respective contributing component is taken into account. In other words, each contributing component needs a certain time to change the operating state, for example to increase its output. However, the performance cannot be increased faster than P net, i / T net, i . This is taken into account by the secondary condition according to the invention. There is thus a transition phase, which corresponds to the response time T R , in which the required stationary power to cover the critical load is not immediately available. In other words, according to the invention, the start-up time or the start-up times of the components is taken into account in the optimization.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass insbesondere kurzfristige Unterbrechungen des externen Stromnetzes ausgeglichen werden und somit der Betrieb des Energiesystems nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Das vorliegende Verfahren ermöglicht somit eine Absicherung kritischer Lasten und/oder Prozesse und/oder Anlagen zu jedem Zeitpunkt. Hierdurch können Ausfallkosten minimiert und bestenfalls vollständig vermieden werden.A further advantage of the present invention is that, in particular, short-term interruptions in the external power grid are compensated for and the operation of the energy system is therefore not significantly impaired. The present method thus enables critical loads and / or processes and / or systems to be safeguarded at any point in time. In this way, downtime costs can be minimized and, at best, completely avoided.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass dadurch ein netzdienlicher Betrieb des Energiesystems ermöglicht wird. Insbesondere wird dadurch ein Inselbetrieb des Energiesystems ermöglicht, bei welchem dezentrale energietechnische Anlagen, beispielsweise Erzeugungsanlagen und/oder Speicheranlagen unabhängig vom Stromnetz beziehungsweise öffentlichen Stromnetz betrieben werden können. Dadurch kann das Energiesystem eine Flexibilität bereitstellen, welche zur Stabilisierung des Gesamtnetzes, insbesondere des Stromnetzes, beiträgt oder für einen beschleunigten Netzwiederaufbau verwendet werden kann.Another advantage of the present invention is that it enables the energy system to be operated in a manner that is beneficial to the grid. In particular, this enables isolated operation of the energy system, in which decentralized energy-related systems, for example generating systems and / or storage systems, can be operated independently of the power grid or public power grid. As a result, the energy system can provide a flexibility which contributes to the stabilization of the overall network, in particular the power network, or can be used for accelerated network reconstruction.
Weiterhin ist für viele Anwendungen und/oder Einbindungen des Energiesystems, insbesondere für eine Einbindung in einen lokalen Energiemarkt, eine möglichst hohe zeitliche Auflösung erforderlich, beispielsweise minütlich. Das erfindungsgemäße Verfahren bildet energiewirtschaftliche relevante Abrechnungen auf niedriger zeitlicher Auflösung, beispielsweise auf 15 Minuten Mittelwerte, richtig ab.Furthermore, for many applications and / or integration of the energy system, in particular for integration in a local energy market, the highest possible temporal resolution is required, for example every minute. The method according to the invention correctly maps energy management-relevant bills to a low temporal resolution, for example to 15-minute mean values.
Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem umfasst wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung mehrerer Komponenten eines Energiesystems, wobei das Steuern der Komponenten auf einer für eine Optimierung vorgesehenen Zielfunktion basiert, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Zielfunktion Steuerwerte für das Steuern der Komponenten bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung erfolgt, dass eine kritische Last
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und/oder Ausgestaltungen.Similar and equivalent advantages and / or configurations result for the method according to the invention.
Besonders bevorzugt weist das Energiemanagementsystem eine Datenschnittstelle auf, die einen Datenaustausch zwischen dem Energiemanagementsystem und einem lokalen Energiemarkt, einem Cloud-Server und/oder einem dezentralen Rechenzentrum ermöglicht.The energy management system particularly preferably has a data interface which enables data to be exchanged between the energy management system and a local energy market, a cloud server and / or a decentralized data center.
Das erfindungsgemäße Energiesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Energiemanagementsystem gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltung umfasst.The energy system according to the invention is characterized in that it comprises an energy management system according to the present invention and / or one of its configuration.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren und/oder zum erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem gleichartige und gleichwertige Vorteile und/oder Ausgestaltungen.Similar and equivalent advantages and / or configurations result for the method according to the invention and / or for the energy management system according to the invention.
Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Abrufdauer TD des zugehörigen Energiemanagementsystems in Abhängigkeit des Standortes des Energiesystems festgelegt ist.It is preferred here if the call duration T D of the associated energy management system is determined as a function of the location of the energy system.
Dadurch kann vorteilhafterweise eine lokale Versorgungsqualität, insbesondere im Hinblick auf ein Stromnetz, an welchem das Energiesystem angeschlossen ist, berücksichtigt werden.As a result, a local supply quality, in particular with regard to a power grid to which the energy system is connected, can advantageously be taken into account.
Weiterhin kann das Energiesystem räumlich verteilte Teilenergiesysteme umfassen. Dies ist beispielsweise bei mehreren Produktionsstandorten der Fall.Furthermore, the energy system can comprise spatially distributed partial energy systems. This is the case, for example, with several production sites.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zeitliche Änderung der Leistungen
Mit anderen Worten liegt vorteilhafterweise eine lineare Änderung des Betriebspunktes der jeweiligen Komponente vor. Alternativ oder ergänzend liegt eine nichtlineare Änderung der Leistung für zumindest eine der beitragenden Komponenten vor. Beispielsweise ist für eine nichtlineare Änderung die zeitliche Leistung wenigstens einer der beitragenden Komponente durch Gi(Pnet,i/Tnet,i) beschränkt, wobei Gi die nichtlineare Abhängigkeit der Komponente i beschreibt. Alternativ oder ergänzend ist Gi unabhängig von der Komponente i, das heißt die nichtlineare Abhängigkeit ist für alle i durch G(Pnet,i/Tnet,i) gegeben. Im linearen Fall ist beispielsweise G(x) = x mit x = Pnet,i/Tnet,i.In other words, there is advantageously a linear change in the operating point of the respective component. As an alternative or in addition, there is a non-linear change in the power for at least one of the contributing components. For example, for a non-linear change, the time output of at least one of the contributing components is limited by G i (P net, i / Tnet, i ), where G i describes the non-linear dependence of component i. Alternatively or in addition, G i is independent of the component i, that is, the nonlinear dependence is given for all i by G (P net, i / T net, i ). In the linear case, for example, G (x) = x with x = P net, i / T net, i .
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Leistung
Im Wesentlichen ist Pi + Pnet,iTR/Tnet,i das Integral der Bedingung, dass die zeitliche Änderung der Leistung der jeweiligen Komponente durch Pnet,i/Tnet,i innerhalb der Antwortzeit TR von oben beschränkt ist. Die beiden genannten Bedingungen sind somit äquivalent. Mit anderen Worten bedeutet die Bedingung, dass zur Weiterversorgung der kritischen Last innerhalb der Antwortzeit nur ein Teil der jeweiligen Nennleistung durch die jeweilige Komponente bereitgestellt werden kann. Somit ist ebenfalls die Bedingung Pi + Pnet,iTR/Tnet,i ≤ Pnet,i stets zu erfüllen. Mit anderen Worten ist die jeweilige Leistung der Komponente innerhalb der Antwortzeit durch Pi + Pnet,iTR/Tnet,i und durch Pnet,i von oben beschränkt.Essentially, P i + P net, i T R / T net, i is the integral of the condition that the temporal change in the power of the respective component is limited by P net, i / T net, i within the response time T R from above . The two conditions mentioned are therefore equivalent. In other words, the condition means that only part of the respective nominal power can be provided by the respective component in order to continue to supply the critical load within the response time. Thus, the condition P i + P net, i T R / T net, i ≤ P net, i must also always be fulfilled. In other words, the respective performance of the component within the response time is limited from above by P i + P net, i T R / T net, i and by P net, i.
Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn die Leistung
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden nicht kritische Lasten während der Abrufdauer TD nicht gedeckt.According to a preferred embodiment of the invention, non-critical loads are not covered during the call duration T D.
Mit anderen Worten werden vorteilhafterweise nur kritische Lasten beziehungsweise die kritische Last weiterversorgt. Dadurch steht vorteilhafterweise grundsätzlich mehr Leistung für die Versorgung der kritischen Last beziehungsweise der kritischen Last bereit.In other words, only critical loads or the critical load are advantageously supplied further. As a result, there is advantageously basically more power available for supplying the critical load or the critical load.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine der beitragenden Komponenten ein Energiespeicher, wobei das Berechnen des Extremums unter der weiteren Nebenbedingung erfolgt, dass die durch den Energiespeicher bereitgestellte Leistung PES während der Abrufdauer TD die Ungleichung ηESPESTD ≤ SOC · CapES erfüllt, wobei ηES den Entladewirkungsgrad des Energiespeichers, SOC den Ladezustand des Energiespeichers vor oder beim Ausfall und CapES die Kapazität des Energiespeichers bezeichnet.In an advantageous development of the invention, at least one of the contributing components is an energy store, the calculation of the extremum taking place under the further secondary condition that the power P ES provided by the energy store during the call period T D satisfies the inequality η ES P ES T D ≤ SOC · Cap ES met, where η ES denotes the discharge efficiency of the energy store, SOC the state of charge of the energy store before or after failure and Cap ES the capacity of the energy store.
Mit anderen Worten kann der Energiespeicher (für einen Zeitpunkt) nur einen Teil seiner Nennleistung (Gesamtleistung) bereitstellen. Diese physikalische Grenze wird durch die Nebenbedingung ηESPESTD ≤ SOC · CapES in die Optimierung integriert, sodass vorteilhafterweise die Optimierung beziehungsweise die Lösung der Optimierung (Struktur des Energiesystems) die physikalischen Randbedingungen des Energiespeichers berücksichtigt. Die genannten Größen, insbesondere der Ladezustand SOC, können zeitabhängig sein, das heißt es gilt beispielsweise SOC = SOC(t), sodass diese ebenfalls vom Zeitpunkt des Ausfalls abhängen können.In other words, the energy store can only provide part of its nominal output (total output) (for a given point in time). This physical limit is integrated into the optimization by the secondary condition η ES P ES T D SOC · Cap ES , so that advantageously the optimization or the solution to the optimization (structure of the energy system) takes into account the physical boundary conditions of the energy store. The variables mentioned, in particular the state of charge SOC, can be time-dependent, that is, SOC = SOC (t), for example, so that they can also depend on the time of the failure.
Vorteilhafterweise wird durch den Energiespeicher eine Flexibilität innerhalb des Energiesystems bereitgestellt. Alternativ oder ergänzend kann der Energiespeicher beim Vorliegen eines Energiemanagementsystems Spitzenlasten reduzieren. Der Energiespeicher ist bevorzugt ein elektrochemischer EnergieSpeicher, insbesondere ein Batteriespeicher. Ein oder mehrere Energiespeicher können vorgesehen sein.The energy store advantageously provides flexibility within the energy system. Alternatively or in addition, the energy store can reduce peak loads when an energy management system is in place. The energy store is preferably an electrochemical energy store, in particular a battery store. One or more energy stores can be provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt während der Abrufdauer TD das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung
Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die kritische Last während des Ausfalls, das heißt innerhalb der Abrufdauer TD, durch die beitragenden Komponenten gedeckt ist.This advantageously ensures that the critical load is covered by the contributing components during the failure, that is to say within the retrieval period T D.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die kritische Last während der Abrufdauer TD durch
Mit anderen Worten modelliert die Funktion F die Bedingung, dass von der kritischen Last abhängige Komponenten und/oder Prozesse, das heißt mit der kritischen Last assoziierte kritische Prozesse, im Wesentlichen nicht beeinträchtigt werden, das heißt nicht unzulässig beeinträchtigt werden. Insbesondere müssen ebenfalls kurzzeitige und nicht vorhersehbare Lastspitzen gedeckt werden. Beispielsweise könnte zur Aufrechterhaltung eines kritischen Prozesses ein bestimmter Prozentsatz α der vor dem Ausfall vorliegenden kritischen Last zusätzlich durch die Komponenten des Energiesystems zur Verfügung gestellt werden können. Mit anderen Worten ist beispielsweise
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden/wird als beitragende Komponenten ein Energiespeicher, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und/oder eine Netzersatzanlage verwendet.According to an advantageous embodiment of the invention, an energy store, a combined heat and power plant and / or an emergency power system are used as contributing components.
Vorteilhafterweise können die genannten Komponenten dynamisch bezüglich der Bereitstellung von Leistung betrieben werden. Insbesondere können der Energiespeicher und/oder die Netzersatzanlage im Wesentlichen unmittelbar auf einen Ausfall reagieren, sodass sich dadurch vorteilhafterweise die Antwortzeit des Energiesystems insgesamt reduziert.The components mentioned can advantageously be operated dynamically with regard to the provision of power. In particular, the energy store and / or the emergency power system can react essentially immediately to a failure, so that the response time of the energy system is thereby advantageously reduced overall.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird für mehrere Abrufdauern TD die jeweilige Struktur des Energiesystems bestimmt.In a preferred development of the invention, the respective structure of the energy system is determined for a plurality of call periods T D.
Mit anderen Worten werden mehrere Strukturen des Energiesystems für mehrere zugehörige Abrufdauern ermittelt beziehungsweise bestimmt. Vorteilhafterweise ist dadurch die Struktur des Energiesystems an die Abrufdauer TD anpassbar. Die Abrufdauer kann vom Ort des Energiesystems abhängen, insbesondere davon, in welcher Region und/oder welchem Land das Energiesystem installiert ist beziehungsweise installiert werden soll. Die Abrufdauer kann daher für verschiedene Orte oder vorgesehene Orte des Energiesystems deutlich verschieden sein. Wird die Struktur in Abhängigkeit der Abrufdauer bestimmt, so kann eine für den Ort beziehungsweise Region möglichst optimale Struktur des Energiesystems ermittelt werden. Mit anderen Worten wird dadurch vorteilhafterweise der Ort des Energiesystems mitberücksichtigt. Besonders bevorzugt wird TD für aus einer lokalen Verfügbarkeitsstatistik eines lokalen bezüglich des Energiesystems übergeordneten Stromnetzes ermittelt und für diese ermittelte Abrufdauer TD die Struktur des Energiesystems bestimmt. Das Energiesystem ist hierbei an dem genannten Stromnetz angeschlossen.In other words, several structures of the energy system are ascertained or determined for several associated retrieval periods. As a result, the structure of the energy system can advantageously be adapted to the call duration T D. The retrieval duration can depend on the location of the energy system, in particular on the region and / or country in which the energy system is installed or is to be installed. The retrieval duration can therefore be significantly different for different locations or intended locations of the energy system. If the structure is determined as a function of the call duration, the most optimal structure of the energy system can be determined for the location or region. In other words, the location of the energy system is thereby advantageously also taken into account. Particularly preferably, T D is determined for from local availability statistics of a local power network that is superordinate with respect to the energy system, and the structure of the energy system is determined for this determined call duration T D. The energy system is connected to the aforementioned power grid.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden für die mehreren bestimmten Strukturen der jeweilige Wert der Zielfunktion und ein jeweiliger Wert einer Ausfallfunktion ermittelt, wobei die Ausfallfunktion in Abhängigkeit der Abrufdauer TD das Ausfallrisiko der kritischen Last quantifiziert, und eine Struktur aus den bestimmten Strukturen ermittelt wird, die den kleinsten Wert der aus der Zielfunktion und Ausfallfunktion gebildeten Summe aufweist.According to a preferred embodiment of the invention, the respective value of the objective function and a respective value of a failure function are determined for the several specific structures, the failure function quantifying the failure risk of the critical load as a function of the call duration T D , and a structure being determined from the specific structures which has the smallest value of the sum formed from the objective function and failure function.
Der Wert der Zielfunktion (Extremum) kennzeichnet die möglichst optimale Struktur des Energiesystems. Mit anderen Worten wird somit der Wert der Zielfunktion, das heißt ihr Extremum in Abhängigkeit der Abrufdauer ermittelt. Typischerweise kennzeichnet die Zielfunktion eine Größe, die möglichst minimiert werden soll, beispielsweise die Kohlenstoffdioxidemissionen des Energiesystems, seinen Primärenergieeinsatz und/oder seine Kosten (Betriebskosten und Investitionskosten). Die Zielfunktion ist allerdings zur Bestimmung einer möglichst optimalen Struktur im Hinblick auf einen Ausfall und der Schaffung einer Resilienz vorteilhaft erweiterbar, da diese typischerweise von einem Betrieb des Energiesystems ohne einen solchen Ausfall, das heißt vom bestmöglichsten Betrieb ausgeht. Mit einem Ausfall ist jedoch ein bestimmtes Ausfallsrisiko verbunden, welches durch die Ausfallfunktion beschrieben wird. Die Ausfallfunktion ist zur ursprünglichen Zielfunktion zu addieren, sodass sich dadurch eine neue ausfallberücksichtigende Zielfunktion in Abhängigkeit der Abrufdauer ergibt. Die optimale Struktur ergibt sich nun aus dem Minimum der genannten neuen Zielfunktion. Mit anderen Worten ist die optimale Struktur diejenige Lösung mit dem geringsten Wert der Summe gebildet aus der Zielfunktion, beispielsweise geringster Summe aus den Kosten (englisch: Total Expenditure; Totex), und dem geringsten Ausfallrisiko, beispielsweise einem finanziellen Ausfallrisiko.The value of the objective function (extremum) characterizes the optimal structure of the energy system. In other words, the value of the objective function, that is, its extreme, is determined as a function of the call duration. The objective function typically characterizes a variable that should be minimized as much as possible, for example the carbon dioxide emissions of the energy system, its primary energy use and / or its costs (operating costs and investment costs). The objective function can, however, be advantageously expanded to determine the best possible structure with regard to a failure and the creation of resilience, since this typically assumes that the energy system is operated without such a failure, that is, from the best possible operation. However, a failure is associated with a certain risk of failure, which is described by the failure function. The failure function is to be added to the original target function, so that a new failure-taking into account target function results depending on the call duration. The optimal structure now results from the minimum of the new objective function mentioned. In other words, the optimal structure is the solution with the lowest value of the sum formed from the objective function, for example the lowest total of the costs (English: Total Expenditure; Totex), and the lowest default risk, for example a financial default risk.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
-
1 ein Energiesystem gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; -
2 ein erstes Diagramm; und -
3 ein zweites Diagramm.
-
1 a power system according to an embodiment of the present invention; -
2 a first diagram; and -
3 a second diagram.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.Identical, equivalent or identically acting elements can be provided with the same reference symbols in one of the figures or in the figures.
Die
Das Energiesystem
Das Energiesystem
Weiterhin umfasst das Energiesystem
Vorliegend ist die erste Last
Die energietechnischen Komponenten
Bei einem Ausfall des Stromnetzes
Typischerweise kann das Energiesystem
Die
An der Abszisse
An der Ordinate
Vor dem Ausfall werden die Lasten
Innerhalb der Antwortzeit TR erfolgt die Änderung des Betriebszustandes der beitragenden Komponenten, das heißt vorliegend des Energiespeichers und der KWK-Anlage. Der Energiespeicher und der KWK-Anlage können innerhalb der Antwortzeit nicht die letztendlich geforderte Leistung beitragen, sondern nur einen Teil ihrer Nennleistung. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Nebenbedingungen berücksichtigt, die die zeitliche Änderung der Leistungen von oben beschränkt. Nach der Antwortzeit TR und innerhalb der Abrufdauer TD erfolgt die Deckung der kritischen Last mit konstanten Leistungen. Dies wird durch die Geraden innerhalb der Antwortzeit im ersten Diagramm symbolisiert.The change in the operating state of the contributing components, that is to say in the present case of the energy store and the CHP system, takes place within the response time T R. The energy storage and the CHP system cannot contribute the ultimately required output within the response time, but only part of their nominal output. According to the present invention, this is taken into account by the secondary conditions which limit the change in the power over time from above. After the response time T R and within the call duration T D , the critical load is covered with constant power. This is symbolized by the straight line within the response time in the first diagram.
Ist der Ausfall des Stromnetzes
Die
An der Abszisse
Das Diagramm ist ein Balkendiagramm, wobei die gestreiften Balken zum Wert der Zielfunktion und die nicht gestreiften Balken zum Wert der Ausfallfunktion korrespondieren. Die Summe der beiden Werte entspricht somit der Summe der genannten Balken.The diagram is a bar diagram, with the striped bars corresponding to the value of the objective function and the unstriped bars corresponding to the value of the failure function. The sum of the two values thus corresponds to the sum of the bars mentioned.
Das Vorhandensein einer optimalen Struktur mit einer möglichst geringen Summe aus Zielfunktion und Ausfallfunktion kann basierend auf zwei Extremen der Abrufdauer verstanden werden.The existence of an optimal structure with the lowest possible sum of objective function and failure function can be understood based on two extremes of the retrieval duration.
Weist die Abrufdauer den Wert Null auf, so sind keine zusätzlichen Komponenten oder Redundanzen zur Schaffung einer Resilienz des Energiesystems gegen einen Ausfall vorhanden. Der Wert der Zielfunktion ist somit diesbezüglich minimal. Allerdings besteht ebenfalls ein hohes Ausfallrisiko, da das Energiesystem keinerlei Sicherheiten bezüglich des Ausfalls aufweist. Das Ausfallrisiko wird diesbezüglich durch den Wert der Ausfallfunktion quantifiziert. Mit anderen Worten ist hierfür der Wert der Ausfallfunktion maximal. Dadurch liegt für diese Abrufdauer typischerweise kein Minimum der Gesamtsumme (Summe der beiden Balken im Diagramm) vor.If the call duration has the value zero, there are no additional components or redundancies to create a resilience of the energy system against failure. The value of the objective function is therefore minimal in this regard. However, there is also a high risk of failure, since the energy system has no guarantees whatsoever with regard to failure. The default risk is quantified in this regard by the value of the default function. In other words, the value of the failure function is a maximum for this. As a result, there is typically no minimum of the total (sum of the two bars in the diagram) for this retrieval period.
Für eine Abrufdauer, die gegen unendlich strebt, das heißt für eine möglichst lange Abrufdauer, müssen viele zusätzliche Komponenten die Resilienz des Energiesystems über einen solchen langen Zeitbereich sicherstellen. Beispielsweise muss das Energiesystem eine Mehrzahl von Energiespeichern, insbesondere elektrochemische Speicher, aufweisen. Dadurch ist zwar das Ausfallrisiko minimal, jedoch der Wert der Zielfunktion maximal. Dies entspricht ebenso nicht einer möglichst optimalen Struktur des Energiesystems.For a call duration that tends towards infinity, that is, for the longest possible call duration, many additional components must ensure the resilience of the energy system over such a long period of time. For example, the energy system must have a plurality of energy stores, in particular electrochemical stores. As a result, the risk of failure is minimal, but the value of the objective function is maximal. This also does not correspond to a structure of the energy system that is as optimal as possible.
Es ist somit erforderlich einen Kompromiss zwischen dem Zubau oder das Vorhalten von Komponenten und dem Ausfallrisiko zu ermitteln. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, das Minimum der Summe aus Zielfunktion und Ausfallfunktion in Abhängigkeit der Abrufdauer zu bestimmen. Dieses Minimum entspricht einer möglichst optimalen Struktur mit einer bestimmten Abrufdauer und einer bestmöglichsten Effizienz. Das genannte Minimum muss zwischen den obenstehend beschriebenen Extremen angeordnet sein, und ist vorliegend mit dem Pfeil 242 gekennzeichnet. Durch das beschriebene Verfahren kann somit eine möglichst optimale Lösung, das heißt eine möglichst optimale Struktur des Energiesystems ermittelt werden.It is therefore necessary to find a compromise between the addition or the provision of components and the risk of failure. In other words, it is advantageous to determine the minimum of the sum of the target function and failure function as a function of the call duration. This minimum corresponds to a structure that is as optimal as possible with a certain call duration and the best possible efficiency. The specified minimum must be arranged between the extremes described above and is indicated in the present case by the
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in more detail by the preferred exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples or other variations can be derived from them by the person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- EnergiesystemEnergy system
- 22
- kritisches Systemcritical system
- 33
- Stromnetzpower grid
- 2020th
- SteuereinheitControl unit
- 2121
- EnergiespeicherEnergy storage
- 2222nd
- Kraft-Wärme-Kopplungs-AnlageCombined heat and power plant
- 2323
- NetzersatzanlageEmergency power system
- 4141
- nicht kritische Lastnot critical load
- 4242
- kritische Lastcritical load
- 100100
- Abszisseabscissa
- 101101
- Ordinateordinate
- 201201
- Leistung EnergiespeicherPerformance energy storage
- 202202
- Leistung KWK-AnlageCHP plant power
- 203203
- Leistung StromnetzPower grid
- 204204
- Leistung kritische LastPerformance critical load
- 205205
- Leistung nicht kritische LastPerformance not critical load
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3561743 A1 [0005]EP 3561743 A1 [0005]
- WO 2019/110220 A1 [0015]WO 2019/110220 A1 [0015]
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Priority Applications (2)
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