DE102020212497A1

DE102020212497A1 - Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems und Energiesystem

Info

Publication number: DE102020212497A1
Application number: DE102020212497.3A
Authority: DE
Inventors: Sascha Schulte; Alexander Polleti; Christian Stahl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-10-02
Filing date: 2020-10-02
Publication date: 2022-04-07
Also published as: EP4186137A1; AU2021351885A1; US20230387694A1; WO2022069614A1; AU2021351885B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems mit wenigstens zwei Energiesystemkomponenten und ein Energiesystem. Das Energiesystem umfasst eine zentrale Steuereinheit und wenigstens eine erste Energiesystemkomponente und eine zweite Energiesystemkomponente, jede Energiesystemkomponente eine Steuereinheit aufweist und mit der zentralen Steuereinheit verbunden. Es wird ein erster Selbsteinschätzungswert der ersten Energiesystemkomponente in deren Steuereinheit basierend auf wenigstens einem ersten Zustandswert ermittelt. Weiterhin wird ein zweiter Selbsteinschätzungswerte zweiten Energiesystemkomponente in deren Steuereinheit basierend auf wenigstens einem zweiten Zustandswert ermittelt. Eine aktuellen maximalen Leistungsmenge der ersten Energiesystemkomponente und der zweiten Energiesystemkomponente wird bereitgestellt. In der zentralen Steuereinheit wird eine Anfrage zu einer geforderten elektrischen Leistung aufgenommen. In der zentralen Steuereinheit wird eine Verteilungsgröße der geforderten Leistung für jede Energiesystemkomponente basierend auf den Selbsteinschätzungswerten und der jeweils maximalen Leistungsabgabemenge ermittelt. Die angeforderte elektrische Leistung wird anschließend auf die Energiesystemkomponenten gemäß der Verteilungsgröße verteilt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems mit wenigstens zwei Energiesystemkomponenten und ein Energiesystem.
In einem Energieversorgungsnetz sind verschiedene Arten von Energieerzeugern, Energieverbrauchern und Energiespeichern miteinander elektrisch verbunden. Aufgrund der Dezentralisierung der Energieversorgung wächst die Vielfalt der in einem Energieversorgungsnetz angeordneten Komponenten noch weiter. Als Energieerzeuer werden derzeit inbesondere Kraftwerke, Dieselaggregate, aber auch Photovoltaikanlagen und Windkrafträder eingesetzt. Auch das Energiespeichern kann auf unterschiedliche Weisen, insbesondere in Batteriespeichern oder mittels chemischer Umwandlung, insbesondere der Elektrolyse, erfolgen.
Auch die Größe unterschiedlicher Energieversorgungsnetze kann sich stark unterscheiden: Ein Energieversorgungsnetz kann sich auf die elektrischen Komponenten eines Gebäudes erstrecken. Es kann sich ebenso auf Städte oder einzelne Stadtquartiere erstrecken.
Eine in einem Energieversorgungsnetz angeforderte Leistung oder Energiemenge wird derzeit mittels einer Lastverteilung (engl.: load balancing) derart gesteuert verteilt, dass Leistungsspitzen vermieden werden und einzelne Komponenten nicht über- oder unterbelastet werden. Die Steuerung erfolgt derzeit typischerweise zentral. Die Steuerung erfolgt basierend auf numerischen Optimierungen basierend auf einer Vielzahl von Parametern der elektrischen Komponenten.
Nachteilig ist eine solche auf numerischen Optimierungen beruhende Steuerung in der Vorbereitung, Wartung und Ausführung aufwendig, teuer und empfindlich gegenüber Störungen.
Die Einbindung kleiner dezentraler Komponenten, welche teilweise mit einer hohen Dynamik betrieben werden, in solche numerischen Optimierungen für eine zentrale Steuerung erfordert, insbesondere bei einer unbekannten Topologie, das Wissen eines Fachmanns. Dieses Einbinden ist nachteilig schwer zu automatiseren. Somit ist das Einbinden kleiner dynamischer dezentraler Komponenten, insbesondere einzelner Heimspeicher oder kleiner Photovoltaikanlagen eines Privathaushaltes, in eine zentral gesteuerte Lastverteilung in einem Energieversorgungsnetz nachteilig aufwendig und teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems und ein Energiesystem anzugeben, welche eine zuverlässige, wenig komplexe und günstige Steuerung heterogener dezentraler Energieversorgungsnetze ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Energiesystem gemäß Anspruch 12 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird das Energiesystem umfassend eine zentrale Steuereinheit und wenigstens eine erste Energiesystemkomponente und eine zweite Energiesystemkomponente bereitgestellt. Jede Energiesystemkomponente weist eine Steuereinheit auf und ist mit der zentralen Steuereinheit verbunden. Es wird ein Selbsteinschätzungswert einer ersten Energiesystemkomponente in deren Steuereinheit basierend auf wenigstens einem ersten Zustandswert ermittelt. Weiterhin wird ein zweiter Selbsteinschätzungswert einer zweiten Energiesystemkomponente in deren Steuereinheit basierend auf wenigstens einem zweiten Zustandswert ermittelt. Weiterhin wird der zentralen Steuereinheit eine aktuell maximal mögliche Leistungsmenge der ersten Energiesystemkomponente und der zweiten Energiesystemkomponente bereitgestellt. Weiterhin wird eine Anfrage zu einer geforderten elektrischen Leistung in der zentralen Steuereinheit aufgenommen. Anschließend wird eine Verteilungsgröße der geforderten Leistung für jede Energiesystemkomponente basierend auf den Selbsteinschätzungswerten und der jeweils maximalen Leistungsabgabemenge in der zentralen Steuereinheit ermittelt. Anschließend wird die geforderte elektrische Leistung gemäß der ermittelten Verteilungsgrößen auf die Energiesystemkomponenten verteilt.
Das erfindungsgemäße Energiesystem zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst wenigstens eine zentrale Steuereinheit und zwei Energiesystemkomponenten. Jede Energiesystemkomponente weist eine Steuereinheit auf. Weiterhin ist jede Energiesystemkomponente mit der zentralen Steuereinheit verbunden.
Als eine aktuell maximal mögliche Leistungsmenge wird die basierend auf der Bauart und den Komponentengrenzen maximal mögliche Leistung verstanden. Diese maximal mögliche Leistung kann in Abhängigkeit, insbesondere von Alterungsprozessen, über die Zeit auch variieren. Somit kann sich die maximal mögliche Leistungsmenge bei mehrfacher Wiederholung des erfindungsgemäßen Verfahrens ändern. Unter diesem geänderten Wert wird dann eine aktuell maximal mögliche Leistungsmenge verstanden.
Erfindungsgemäß wird der Selbsteinschätzungswert der jeweiligen Energiesystemkomponente basierend auf wenigstens einem ersten Zustandswert ermittelt. Das Ermitteln des Selbsteinschätzungswerts anhand des Zustandswerts ist vergleichbar mit dem Bestimmen von Mitgliedswerten von vorbestimmten Mitgliedsfunktionen in einem unscharfen Logiksystem (engl.: Fuzzy-Logic-System). Insbesondere werden dem Energiesystem vorbestimmte Zustandswertfunktionen bereitgestellt, anhand derer eine Zuordnung des aktuellen Zustandswerts der Energiesystemkomponente erfolgt. Darauf basierend wird dann ein Selbsteinschätzungswert ermittelt. Der Selbsteinschätzungswert einer Energiesystemkomponente kann auch basierend auf mehreren Zustandswerten ermittelt werden.
Erfindungsgemäß werden die für eine gesteuerte Verteilung elektrischer Leistung nötigen Parameter auf Ebene einzelner Energiesystemkomponenten in einen Selbsteinschätzungswert überführt, welcher sowohl Typ-agnostisch als auch Systemagnostisch an die zentrale Steuerung übermittelt wird. In anderen Worten wird der Selbsteinschätzungswert unabhängig vom Typ der Energiesystemkomponente und unabhängig von der Systemart des Energiesystems an die zentrale Steuereinheit übermittelt. Als agnostisch wird hier ein Verfahren verstanden, das auch ohne Kenntnis der zugrundeliegenden Details des zugehörigen Energiesystems, insbesondere der zugehörigen Energiesystemkomponenten des Energiesystems, eine angeforderte Energiemenge optimal auf mehrere Energiesystemkomponenten verteilen kann.
Das Ermitteln des Selbsteinschätzungswerts erfolgt auf lokaler Ebene, also in jeder Energiesystemkomponente.
Als die angeforderte elektrische Leistung kann im Sinne der Erfindung eine Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme verstanden werden.
Vorteilhaft kann dadurch eine beliebige Anzahl von Energiesystemkomponenten unterschiedlicher System-Art und unterschiedlichen Typs in der zentralen Steuereinheit bei der Verteilung der elektrischen Leistung miteinbezogen werden. Vorteilhaft kann diese Lastverteilung automatisch, also ohne das Eingreifen menschlichen Handelns, durchgeführt werden. Weiterhin kann die Lastverteilung an neue Topologien angepasst werden, ohne in die zentrale Steuerung eingreifen zu müssen. Dies ermöglicht vorteilhaft das Erweitern der für die Verteilung miteinbezogenen Energiesystemkomponenten automatisch, also ohne das Eingreifen eines Fachmanns. Eine komplexe Systemmodellierung umfassend eine numerische Optimierung oder ein händisches Anpassen einzelner Parameter einzelner Energiesystemkomponenten ist vorteilhaft nicht nötig.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden als Energiesystemkomponenten eine Energieerzeugereinheit, eine Energieverbrauchereinheit oder eine Energiespeichereinheit eingesetzt. Die Energiespeichereinheit ist insbesondere ein Batteriespeicher. In anderen Worten ist das Energiesystem heterogen und dezentral aufgestellt und umfasst unterschiedlichste Energiesystemkomponenten. Vorteilhaft wird für jede der Energiesystemkomponenten, unabhängig von ihrer Art, ein Selbsteinschätzungswert ermittelt, der in die Verteilung der angeforderten elektrischen Leistung eingeht. Die Verteilung erfolgt also vorteilhaft unabhängig davon, wie genau das Energiesystem hinsichtlich der Energiesystemkomponenten ausgestaltet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung gehen die Selbsteinschätzungswerte für eine Energieabgabe getrennt von den Selbsteinschätzungswerten für eine Energieaufnahme in das Ermitteln der Verteilungsgröße in der zentralen Steuereinheit ein. Es wird also weiterhin von jeder Energiesystemkomponente ein Selbsteinschätzungswert ermittelt. Dieser wird an die zentrale Steuereinheit übermittelt. Für das Ermitteln der Verteilungsgröße erfasst die zentrale Steuereinheit, ob es sich um einen Selbsteinschätzungswert zur Energieaufnahme oder Energieabgabe handelt. Das Einbeziehen in die Verteilungsgröße erfolgt insbesondere durch das Einsetzen entgegengesetzter Vorzeichen der Energieaufnahme und Energieabgabe bei der Ermittlung der Verteilungsgröße. Vorteilhaft können Energiespeichereinheiten somit in Abhängigkeit davon, ob sie geladen oder entladen werden, in das automatisierte Ermitteln der Verteilungsgröße einbezogen werden, ohne dass ein menschliches Eingreifen notwendig ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden zur Bestimmung der Zustandswerte vorbestimmte Zustandsfunktionen verwendet. Die Zustandswertfunktionen stellen insbesondere Zustandswerte in Abhängigkeit einer physikalischen Eingabevariablen bereit. Es ist aber ebenso möglich, dass die Zustandsfunktionen Zustandswerte in Abhängigkeit von nicht-physikalischen Eingabevariablen bereitstellen. Insbesondere können als Eingabevariablen auch Kosten, insbesondere Betriebskosten, verwendet werden. Eine physikalische Eingabevariable ist insbesondere eine Speichertemperatur und/oder ein Ladezustand einer Energiespeichereinheit oder eine Umgebungstemperatur einer Energiesystemkomponente.
Vorteilhaft ist es also möglich, das jede Energiesystemkomponente für sich einen Selbsteinschätzungswert mittels einer Zuordnung des Zustandswerts zu einer Zustandsfunktion ermittelt, wobei die Zustandsfunktion von physikalischen Eingabevariablen oder nicht-physikalischen Eingabevariablen abhängen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden wenigstens zwei erste Zustandswerte und/oder wenigstens zwei zweite Zustandswerte ermittelt. Insbesondere kann ein Zustandswert auf einer nicht-physikalischen Eingabevariablen und ein weiterer Zustandswert auf einer physikalischen Eingabevariablen beruhen. Besonders vorteilhaft wird der erste Selbsteinschätzungswert als Produkt der jeweils wenigstens zwei ersten Zustandswerte für die erste Energiesystemkomponente ermittelt. Für die zweite Energiesystemkomponente wird der zweite Selbsteinschätzungswert als Produkt der jeweils wenigstens zwei zweiten Zustandswerte ermittelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als die Verteilungsgröße ein Verhältnis des Selbsteinschätzungswerts und der maximalen Leistung einer Energiesystemkomponente zur Summe aller Selbsteinschätzungswerte und deren jeweiliger maximaler Leistung verwendet. In anderen Worten wird eine Energiesystemkomponente anhand ihres Selbsteinschätzungswerts und der maximalen Leistung im Verhältnis zum Gesamtselbsteinschätzungswert und der maximalen Leistung des Systems bewertet. Dieses Vorgehen wird mittels Gleichung 1 verdeutlicht. Darin ist die Verteilungsgröße w der ersten Energiesystemkomponente ES1 in Abhängigkeit des ersten Selbsteinschätzungswertes SA_ES1 und der maximalen Leistung der ersten Energiesystemkomponente P_max,ES1 dargestellt. Zur Berechnung der Verteilungsgröße w werden Selbsteinschätzungswerte SA für alle n Energiesystemkomponenten bestimmt. Weiterhin geht die maximale Leistung für alle n Energiesysteme in die Berechnung der Verteilungsgröße mit ein. $W_{E S 1} = \frac{S A_{E S 1} \times P_{m a x, E S 1}}{\sum_{E S n = 1}^{E S k} (S A_{n} \times P_{m a x, n})}$
Vorteilhaft erfolgt die Berechnung der Verteilungsgröße durch die Gewichtung gemäß Gleichung 1. Im Vergleich zu einer numerischen Simulation, wie sie im Stand der Technik für eine zentrale Steuerung verwendet wird, ist diese Berechnung wenig komplex. Die Berechnung kann in der zentralen Steuereinheit mit geringer Rechenkapazität für jede Energiesystemkomponente durchgeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung werden die Klasse der Energiesystemkomponente und ihre maximale Leistung an die zentrale Steuereinheit übermittelt. Typischerweise übermittelt jede Energiesystemkomponente ihre Klasse an die zentrale Steuereinheit. Falls eine der Energiesystemkomponenten ihre Klasse nicht an die zentrale Steuereinheit übermittelt, werden feste Werte zugeordnet, um dennoch eine Bewertung des Energiesystems zu ermöglichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird ein Systempriorisierungswert jeder Energiesystemkomponente ermittelt, wobei der Systempriorisierungswert in Abhängigkeit eines Zustandswerts, der die Klasse der Energiesystemkomponente beschreibt und der maximalen Leistung der Energiesystemkomponente ermittelt wird. Insbesondere kann dies eine Bewertung eines Dieselaggregats oder eine Bewertung einer Photovoltaikanlage als Klasse sein. Vorteilhaft ist es somit möglich, bei der Ermittlung der Verteilungsgröße auf einfache Weise die Klasse der Energiesystemkomponente einzubeziehen. Insbesondere können regenerative Energieerzeugungseinheiten mit einem höheren Systempriorisierungswert bewertet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird zur Bestimmung des Systempriorisierungswerts eine vorbestimmte Zustandswertfunktionen verwendet, welche Zustandswerte in Abhängigkeit einer physikalischen Eingabevariablen, einer kostenabhängigen Eingabevariablen und/oder einer emissionsabhängigen Eingabevariablen bereitstellen. Eine emissionsabhängigen Eingangsvariable ist insbesondere eine Kohlenstoffdioxid-emissionsabhängige Eingabevariable. Weiterhin kann als eine Eingabevariable ein Wert für eine Versorgungssicherheit in die Zustandswertfunktion für den Systempriorisierungswert eingehen. Somit kann die Klasse der jeweiligen Energiesystemkomponente hinsichtlich unterschiedlichster Aspekte bewertet werden. Es ist ausreichend, dass diese Bewertung lediglich einmalig durch das Erstellen der vorbestimmte Zustandswertfunktionen erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung geht der Systempriorisierungswert in die Verteilungsgröße, insbesondere mittels eines Produkts, ein. Gleichung 2 zeigt eine mögliche Berechnungsart für die Verteilungsgröße w' in Abhängigkeit des Systempriorisierungswerts CA der ersten Energiesystemkomponente, der Selbsteinschätzungswerte SA und der maximalen Leistungen Pmax der Energiesystemkomponenten. $W'_{E S 1} = \frac{C A_{E S 1} \times S A_{E S 1} \times P_{m a x, E S 1}}{\sum_{E S n = 1}^{E S k} (C A_{E S 1} \times S A_{n} \times P_{m a x, n})}$
Vorteilhaft können mit dem Einbeziehen des Systempriorisierungswerts in die Verteilungsgröße komplexe Energiesysteme über eine einfache Berechnung, insbesondere wie in Gleichung 2 gezeigt, derart betrieben werden, dass alle Energiesystemkomponenten unabhängig von ihrer Klasse und Größe bei der Verteilung einer angeforderten Leistung mitberücksichtigt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Energiesystemkomponente ein virtuelles Kraftwerk oder ein Energiesubsystem. Als virtuelles Kraftwerk (engl.: virtual powerplant) wird ein Zusammenschluss unterschiedlicher Energiesystemkomponenten, wie insbesondere ein Dieselaggregat, eine Photovoltaikanlage und/oder ein Batteriespeicher verstanden, welche durch eine Steuereinheit gesteuert werden, welche die einzelnen Energiesystemkomponenten nach außen nicht offenbart. In anderen Worten wird ein virtuelles Kraftwerk unabhängig von den einzelnen Energiesystemkomponenten nach außen, also gegenüber der zentralen Steuereinheit, als eine einzige Energiesystemkomponente dargestellt. Insbesondere umfasst das virtuelle Kraftwerk also eine eigene Steuereinheit, welche mit der zentralen Steuereinheit des Energiesystems kommuniziert. Auch für ein Energiesubsystem, was wiederum unterschiedliche Energiesystemkomponenten umfasst, wird nach außen, also in Bezug zur zentralen Steuereinheit des Energiesystems, genau eine Energiesystemkomponente dargestellt.
Somit werden für das virtuelle Kraftwerk und/oder das Energiesubsystem insgesamt wenigstens ein Selbsteinschätzungswert und/oder ein Systempriorisierungswert ermittelt. Vorteilhaft ist es dann möglich, das virtuelle Kraftwerk oder das Energiesubsystem als genau eine Energiesystemkomponente in das Energiesystem einzubinden. Es ist dann auch möglich, dem virtuellen Kraftwerk oder dem Energiesubsystem eine vorbestimmte Klasse, insbesondere einen Dieselgenerator oder einen Batteriespeicher, zuzuordnen. Somit wird das virtuelle Kraftwerk oder das Energiesubsystem vereinfacht dargestellt, was vorteilhaft das Einbinden des virtuellen Kraftwerks oder des Energiesubsystem in das Energiesystem zur Verteilung einer angefragten Leistung vereinfacht und eine geringe Prozessorleistung der zentralen Steuereinheit fordert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Energiesystemkomponente ein virtueller Batteriespeicher. Als eine virtuelle Batterie wird hier insbesondere ein Computer umfassend einen Prozessor verstanden, der Energiemengen, insbesondere in Abhängigkeit von vertraglichen Energiekontingenten, anfordert, indem er sich gegenüber der zentralen Steuereinheit als leerer Batteriespeicher, der noch Ladekapazität hat, darstellt. Insbesondere kann eine von einem Energieversorger vertraglich an einen Kunden übertragene Energiemenge als voller virtueller Batteriespeicher in das Energiesystem einbezogen werden. Der virtuelle Batteriespeicher des Kunden wird nach außen zunächst mittels eines ersten Zuordnungswerts als leer dargestellt. Nach Übertragen der vertraglich fixierten Energiemenge wird der virtuelle Batteriespeicher gegenüber der zentralen Steuereinheit als voll, also geladen, dargestellt. Typischerweise ist ein virtueller Batteriespeicher mit einer weiteren Energiesystemkomponente, insbesondere einem virtuellen Kraftwerk, direkt verbunden. Somit wird das Übertragen einer definierten Energiemenge an das virtuelle Kraftwerk mittels des virtuellen Batteriespeichers überwacht.
Der Einsatz virtueller Kraftwerke, von Energiesubsystemen und von virtuellen Batteriespeichern als Energiesystemkomponente ermöglicht es vorteilhaft, kaskadierte Energieversorgungsnetze, in denen insbesondere virtuelle Kraftwerke in einem gemischten Verbund mit physikalischen Energiesystemkomponenten aufgebaut sind, optimal und zuverlässig bei geringem Rechenaufwand zu betreiben. Die Anpassung der Verteilung von angefragter elektrischer Leistung an sich physikalisch verändernde Energiesystem kann mittels virtueller Kraftwerke und virtueller Batteriespeicher vorteilhaft zügig und einfach erfolgen. Insbesondere in einer geschlossenen Umgebung, insbesondere einem Industriekomplex, kann somit vorteilhaft vermieden werden, dass eine Gebäudesteuerung oder eine Fabriksteuerung komplexe Verteilungen der elektrischen Energie innerhalb der geschlossenen Umgebung regelt. Vielmehr wird die gesamte geschlossene Umgebung gegenüber der zentralen Steuereinheit insbesondere als eine virtuelle Batterie dargestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die zentrale Steuereinheit örtlich einem Knotenpunkt eines Energienetzes zugeordnet. Vorteilhaft kann somit die Infrastruktur des Energiesystems genutzt werden, um die zentrale Steuereinheit in das Energiesystem einzubinden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:

1 Energiesystem mit zwei Batteriespeichereinheiten, einem Dieselgenerator und einer zentralen Steuereinheit;
2 Ladezustandswert-Funktion einer Batteriespeichereinheit;
3 Temperaturzustandswert-Funktion einer Batteriespeichereinheit;
4 relative Leistungsanforderungszustandswertfunktion einer Batteriespeichereinheit;
5 Energiesystem mit einem Großbatteriespeicher, virtuellen Kraftwerken und einem Dieselgenerator;
6 ein Verfahrensschema zum Betreiben eines Energiesystems.

1 zeigt ein Energiesystem 1 mit mehreren Energiesystemkomponenten. Als Energiesystemkomponenten werden eine erste Batteriespeichereinheit 4, eine zweite Batteriespeichereinheit 5 und ein Dieselgenerator 7 eingesetzt. Die erste Batteriespeichereinheit 4 stellt einen Heimspeicher mit einer Größe von 10 kWh dar. Die zweite Batteriespeichereinheit 5 ist ein Großbatteriespeicher mit einer Größe von 100 kWh. Die maximale Leistung des Heimspeichers 4 beträgt 3 kW. Die maximale Leistung des Großbatteriespeichers beträgt 50 kW. Die maximale Leistung des Dieselgenerators 7 beträgt ebenfalls 50 kW.
Jede Energiesystemkomponente umfasst eine eigene Steuereinheit. Die Energiesystemkomponenten sind alle direkt mit einer zentralen Steuereinheit 6 verbunden. An die zentrale Steuereinheit 6 wird eine Anfrage zu einer geforderten elektrischen Leistung übermittelt. Weiterhin werden Selbsteinschätzungswerte der Energiesystemkomponenten und Systempriorisierungswerte von der zentralen Steuereinheit 6 aufgenommen und darauf basierend wird eine Verteilungsgröße zum Verteilen der angeforderten elektrischen Leistung ermittelt. Anschließend wird die angeforderte elektrische Leistung, in diesem Beispiel 15 kW, auf den Dieselgenerator 7, den ersten Batteriespeichereinheit 4 und die zweite Batteriespeichereinheit 5 verteilt.
Mittels der 2 und 3 wird verdeutlicht, wie für jede Steuerungseinheit der Energiesystemkomponenten ein Selbsteinschätzungswert SA ermittelt wird.
Zunächst werden basierend auf physikalischen und nicht-physikalischen Parametern Zustandswerte ermittelt. 2 verdeutlicht das Ermitteln eines Ladezustand-Zustandswerts 20 basierend auf einem Ladezustand der Batteriespeichereinheit 4, 5. Der erste Ladezustand der ersten Batteriespeichereinheit 4 beträgt 95 %. Mittels der ersten Zustandswertfunktionen kann ein erster Ladezustandswert P1 der ersten Batteriespeichereinheit 4 bestimmt werden. Der Ladezustandswert für einen Ladezustand von 95% beträgt 0,95. Der zweite Ladezustand der zweiten Batteriespeichereinheit 5 beträgt 17 %. Der zweite Ladezustand-Zustandswerts P2 der zweiten Batteriespeichereinheit 5 beträgt somit 0,17.
Weiterhin wird für jede Batteriespeichereinheit ein weiterer Zustandswert ermittelt. 3 verdeutlicht eine entsprechende Zustandswertfunktionen: Die Zustandswertfunktion 35 beschreibt einen Temperaturkorridor, bei dem die Batteriespeichereinheit optimal betrieben wird. In Abhängigkeit der Temperatur der Batteriespeichereinheit 30 wird mittels der zweiten Zustandswertfunktionen 35 ein Temperatur-Zustandswert 40 bestimmt. In diesem Beispiel liegt ein optimaler Temperaturbereich zum Betreiben der Batteriespeichereinheit in einem Bereich von 20 °C bis 40 °C. Für die erste Batteriespeichereinheit 4 wird ein erster Temperatur-Zustandswert P3 ermittelt. Die Temperatur der ersten Batteriespeichereinheit 4 beträgt 33 °C. Daraus ergibt sich ein erster Temperatur-Zustandswert P3 von 1. Für die zweite Batteriespeichereinheit 5 wird ein zweiter Temperatur-Zustandswert P4 ermittelt. Die Temperatur der zweiten Batteriespeichereinheit 5 beträgt 38 °C. Somit wird als der zweite Temperatur-Zustandswert P4 ein Wert von 1 ermittelt. Mittels eines Produkts aus den einer Energiesystemkomponente zugeordneten Zustandswerten wird nun für die erste Batteriespeichereinheit 4 und die zweite Batteriespeichereinheit 5 ein erster Selbsteinschätzungswert SA 1 und ein zweiter Selbsteinschätzungswert SA2 bestimmt: $S A 1 = 0,95 \times 1 = 0,95$
$S A 2 = 0,17 \times 1 = 0,17$
Der Selbsteinschätzungswert des Dieselgenerator SA3 beträgt 1.
Weiterhin wird für die erste Batteriespeichereinheit 4 und die zweite Batteriespeichereinheit 5 jeweils ein erster Systempriorisierungswert CA1 und ein zweiter Systempriorisierungswert CA2 ermittelt. 4 verdeutlicht die Zustandswertfunktionen, welche in diesem Beispiel zum Bestimmen der Systempriorisierungswerte eingesetzt werden. Auf der x-Achse wird eine relative Leistungsanforderungen an die Energiesystemkomponente aufgetragen. Als relative Leistungsanforderungen wird das Verhältnis der angefragten elektrischen Leistung zur maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung der jeweiligen Energiesystemkomponente verstanden. Auf der y-Achse wird ein Leistungsanforderungs-Zustandswert 60 aufgetragen. 4 zeigt nun Zustandswertfunktionen für einen Dieselgenerator 51, für einen Heimspeicher 52 und für einen Großbatteriespeicher 53. Die erste Batteriespeichereinheit 4 wird mit einer relativen ersten Leistungsanforderungen 54 von 30 % betrieben. Die erste Batteriespeichereinheit 4 ist ein Heimspeicher. Es ergibt sich ein erster relativer Leistungsanforderungs-Zustandswert P5 von 0,7. Die zweite Batteriespeichereinheit 5 wird mit einer zweiten relativen Leistungsanforderungen 55 von 5 % betrieben. Die zweite Batteriespeichereinheit 5 verhält sich wie ein Großbatteriespeicher. Ein zweiter Leistungsanforderungen Zustandswert P6 beträgt somit 0,5. Der Dieselgenerator 7 wird mit einer dritten relativen Leistungsanforderungen 56 von 10 % betrieben. Somit ergibt sich ein dritter Leistungsanforderungs-Zustandswert P7 von 0. In diesem Beispiel werden für das Bestimmen des Systempriorisierungswerts CA keine weiteren Zustandswertfunktionen eingesetzt. Somit ergibt sich: $C A 1 = 0,7$
$C A 2 = 0,5$
$C A 3 = 0$
Die Verteilungsgröße wie wird nun nach Gleichung 2 folgendermaßen bestimmt: $W'_{1} = \frac{0,95 \times 0,7 \times 3 k W}{0,95 \times 0,7 \times 3 k W + 0,17 \times 0,5 \times 50 k W + 0 \times 50 k W} = 0,32$
$W'_{2} = \frac{0,17 \times 0,5 \times 50 k W}{0,95 \times 0,7 \times 3 k W + 0,17 \times 0,5 \times 50 k W + 0 \times 50 k W} = 0,68$
$W'_{3} = \frac{0 \times 50 k W}{0,95 \times 0,7 \times 3 k W + 0,17 \times 0,5 \times 50 k W + 0 \times 50 k W} = 0$
Als Verteilungsgröße für die erste Batteriespeichereinheit 4 wird 0,32 ermittelt. Als Verteilungsgröße für die zweite Batteriespeichereinheit 5 wird 0,68 ermittelt. Als Verteilungsgröße für den Dieselgenerator 7 wird 0 ermittelt. Somit wird die angeforderte elektrische Leistung von 15 kW derart verteilt, dass 4,8 kW aus der ersten Batteriespeichereinheit 4 und 10,2 kW aus der zweiten Batteriespeichereinheit 5 entnommen werden.
5 zeigt ein verzweigtes Energiesystem 1 mit mehreren Dieselgeneratoren, virtuellen Kraftwerken und Batteriespeichereinheiten. Anhand der 5 soll erläutert werden, dass eine deutliche Vereinfachung bei der Verteilung einer angeforderten elektrischen Leistung aufgrund der Zuordnung der Selbsteinschätzungswerte und Systempriorisierungswerte erfolgt. Das Energiesystem 1 umfasst eine zentrale Steuereinheit 6. Die zentrale Steuereinheit 6 ist direkt verbunden mit einer zweiten Batteriespeichereinheit 5, also einem Großbatteriespeicher, einem Dieselgenerator 7 und einem ersten virtuellen Kraftwerken 9. Das erste virtuelle Kraftwerk 9 umfasst wiederum einen zweiten Großbatteriespeicher 12 und ein zweites virtuelles Kraftwerk 11. Das zweite virtuelle Kraftwerk 11 wiederum umfasst eine erste Batteriespeichereinheit 4, also einen Heimspeicher, eine Photovoltaikanlage 8 und eine dritte Batteriespeichereinheit 13. Jede Energiesystemkomponente ermittelt einen Selbsteinschätzungswert. Der erste Selbsteinschätzungswert SA1 des ersten Batteriespeichers 4, der achte Selbsteinschätzungswert SA8 der Photovoltaikanlage 8 und der dritte Selbsteinschätzungswert SA3 der dritten Batteriespeichereinheit 13 werden an das virtuelle Kraftwerk 11 übertragen und dort miteinander multipliziert und als vierter Selbsteinschätzungswert S4 zunächst gespeichert. An das erste virtuelle Kraftwerk 9 wird der vierte Selbsteinschätzungswert S4 und der fünfte Selbsteinschätzungswert S5 des zweiten Batteriespeichers 12 übertragen. In dem ersten virtuellen Kraftwerk 9, welches einen Prozessor umfasst, wird mittels einer Multiplikation wiederum ein sechster Selbsteinschätzungswert SA 6 ermittelt. Ebenso wird ein siebter Selbsteinschätzungswert SA7 des Dieselgenerator 7 und ein zweiter Selbsteinschätzungswert SA2 zweiten Batteriespeichereinheit 5 ermittelt. Der zweite Selbsteinschätzungswert SA 2, der sechste Selbsteinschätzungswert SA 6 und der siebte Selbsteinschätzungswert SA 7 werden an die zentrale Steuereinheit 6 übermittelt. Weiterhin werden Systempriorisierungswerte CA 1, CA 2 und CA 3 jeweils für den Dieselgenerator 7, das virtuelle Kraftwerk 9 und die zweite Batteriespeichereinheit 5 ermittelt und an die zentrale Steuereinheit übertragen.
In der zentralen Steuereinheit 6 wird eine Verteilungsgröße für die zweite Batteriespeichereinheit 5, den Dieselgenerator 7 und das erste virtuelle Kraftwerk 9 ermittelt. Eine angeforderte Leistung wird anschließend gemäß diesen Verteilungsgröße auf diese drei Energiesystemkomponenten verteilt. Das Verfahren zum Verteilen der Energie basierend auf Selbsteinschätzungswerten und Systempriorisierungswerten kann dann innerhalb des virtuellen Kraftwerks 9 wiederum auf dieser Ebene, in anderen Worten rekursiv, durchgeführt werden. Dabei wir als die angeforderte Leistung die Energiemenge, die bei der übergeordneten Verteilung ermittelt wurde, verwendet.
6 verdeutlicht das Verfahren zum Verteilen einer angeforderten Leistung auf ein Energiesystem 1 mit mehreren Energiesystemkomponenten. In einem ersten Schritt S1 wird ein Energiesystem mit mehreren Energiesystemkomponenten bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt das Ermitteln eines ersten Selbsteinschätzungswertes einer ersten Energiesystemkomponente. In einem dritten Schritt S3 erfolgt das Ermitteln eines zweiten Selbsteinschätzungswertes einer zweiten Energiesystemkomponente. Der erste und der zweite Schritt können nacheinander oder parallel erfolgen. In einem vierten Schritt S4 erfolgt das Bereitstellen einer aktuellen maximalen Leistungsmenge der Energiesystemkomponente. Aktuell meint hier, dass im Falle einer Speichereinheit die maximal mögliche Leistungsabgabe zum Betriebszeitpunkt bereitgestellt wird. Die maximal mögliche Leistungsabgabe kann sich über die Zeit verschlechtern, sodass dieser Wert angepasst werden sollte. In einem fünften Schritt S5 erfolgt das Aufnehmen einer Anfrage zu einer elektrischen Leistung in einer zentralen Steuereinheit. Das Ermitteln der Selbsteinschätzungswerte und das Aufnehmen der angefragten elektrischen Leistung kann wiederum zeitlich nacheinander oder parallel erfolgen. In einem sechsten Schritt S6 erfolgt das Ermitteln einer Verteilungsgröße für jede Energiesystemkomponente. Anschließend wird in einem siebten Schritt S7 die angeforderte elektrische Leistung gemäß der Verteilungsgröße auf die Energiesystemkomponenten verteilt.
Bezugszeichenliste

1: Energiesystem
4: erste Batteriespeichereinheit
5: zweite Batteriespeichereinheit
6: zentrale Steuereinheit
7: Diesel-Generator
8: Photovoltaikanlage
9: erstes virtuelles Kraftwerk
10: Ladezustand des Batteriespeichers
11: zweites virtuelles Kraftwerk
12: zweiter Großbatteriespeicher
13: dritte Batteriespeichereinheit
14: erster Ladezustand der ersten Batteriespeichereinheit
15: erste Zustandswertfunktion
16: zweiter Ladezustand der zweiten Batteriespeichereinheit
20: Ladezustands-Zustandswert
30: Temperatur des Batteriespeichers
31: Temperatur der ersten Batteriespeichereinheit
32: Temperatur der zweiten Batteriespeichereinheit
35: zweite Zustandswertfunktion
40: Temperatur-Zustandswert
50: relative Leistungsanforderung
51: dritte Zustandswertfunktion eines Diesel-Generators
52: vierte Zustandswertfunktion eines Heimspeichers
53: fünfte Zustandswertfunktion eines Großbatteriespeichers
54: relative Leistungsanforderung an die erste Batteriespeichereinheit
55: relative Leistungsanforderung an die zweite Batteriespeichereinheit
60: Leistungsanforderungs-Zustandswert
P1: erster Ladezustandswert
P2: zweiter Ladezustandswert
P3: erster Temperatur-Zustandswert
P4: zweiter Temperatur-Zustandswert
P5: erster Leistungsanforderungs-Zustandswert
P6: zweiter Leistungsanforderungs-Zustandswert
P7: dritter Leistungsanforderungs-Zustandswert
SA1: erster Selbsteinschätzungswert
SA2: zweiter Selbsteinschätzungswert
SA3: dritter Selbsteinschätzungswert
SA4: vierter Selbsteinschätzungswert
SA5: fünfter Selbsteinschätzungswert
SA6: sechster Selbsteinschätzungswert
SA7: siebter Selbsteinschätzungswert
SA8: achter Selbsteinschätzungswert
CA1: erster Systempriorisierungswert
CA2: zweiter Systempriorisierungswert
CA3: dritter Systempriorisierungswert
W7: Verteilungsgröße des Dieselgenerators
W8: Verteilungsgröße des ersten Großbatteriespeichers
W9: Verteilungsgröße des ersten virtuellen Kraftwerks
S1: Bereitstellen des Energiesystems
S2: Ermitteln eines ersten Selbsteinschätzungswerts
S3: Ermitteln eines zweiten Selbsteinschätzungswerts
S4: Bereitstellen einer aktuellen maximalen Leistungsmenge
S5: Aufnehmen einer Anfrage
S6: Ermitteln einer Verteilungsgröße
S7: Verteilen einer angeforderten elektrischen Leistung

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems (1) mit folgenden Schritten: - Bereitstellen des Energiesystems (1) umfassend eine zentrale Steuereinheit (6) und wenigstens eine erste Energiesystemkomponente (4) und eine zweite Energiesystemkomponente (5), wobei jede Energiesystemkomponente (4, 5) eine Steuereinheit aufweist und mit der zentralen Steuereinheit (6) verbunden ist, - Ermitteln eines ersten Selbsteinschätzungswertes (SA1) der ersten Energiesystemkomponente (4) in deren Steuereinheit basierend auf wenigstens einem ersten Zustandswert (P1), - Ermitteln eines zweiten Selbsteinschätzungswertes (SA2) der zweiten Energiesystemkomponente (5) in deren Steuereinheit basierend auf wenigstens einem zweiten Zustandswert (P2), - Bereitstellen einer aktuellen maximalen Leistungsmenge der ersten Energiesystemkomponente (4) und der zweiten Energiesystemkomponente (5) an die zentrale Steuereinheit (6), - Aufnehmen einer Anfrage zu einer geforderten elektrischen Leistung in der zentralen Steuereinheit (6), - Ermitteln einer Verteilungsgröße (W) der geforderten Leistung für jede Energiesystemkomponente (4, 5) basierend auf den Selbsteinschätzungswerten (SA1, SA2) und der jeweils maximalen Leistungsabgabemenge in der zentralen Steuereinheit (6), - Verteilen einer geforderten elektrischen Leistung auf die Energiesystemkomponenten (4, 5).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als die Energiesystemkomponenten eine Energieerzeugereinheit (7, 8), eine Energieverbrauchereinheit oder eine Energiespeichereinheit (4, 5) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Selbsteinschätzungswerte für eine Energieabgabe (SA1, SA2) getrennt von den Selbsteinschätzungswerten für eine Energieaufnahme in das Ermitteln der Verteilungsgröße (W) in der zentralen Steuereinheit (6) eingehen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der Zustandswerte (P1, P2, P3, P4) vorbestimmte Zustandswertfunktionen (15, 35) verwendet werden, welche Zustandswerte (P1, P2, P3, P4) in Abhängigkeit einer physikalischen Eingabevariablen (10, 30) bereitstellen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei als Eingangsvariable einer Energiespeichereinheit ein Ladezustand (10) und/oder eine Speichertemperatur (30) und/oder eine Umgebungstemperatur verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei erste Zustandswerte (P1, P3) und/oder wenigstens zwei zweite Zustandswerte (P2, P4) ermittelt werden und der erste Selbsteinschätzungswert (SA1) als Produkt der jeweils zwei ersten Zustandswerte (P1, P3) und der zweite Selbsteinschätzungswert (SA2) als Produkt der jeweils zwei zweiten Zustandswerte (P2, P4) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die Verteilungsgröße (W) eine Gewichtungsgröße als Quotient des Selbsteinschätzungswerts (SA1, SA2, SA7, SA8) und der maximalen Leistung einer Energiesystemkomponente (4, 5, 7, 8) zur Summe aller Selbsteinschätzungswerte (SA1, SA2, SA7, SA8) und deren jeweiliger maximaler Leistung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiesystemkomponente (4, 5) ihre Klasse und ihre maximale Leistung an die zentrale Steuereinheit (6) übermittelt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Systempriorisierungswert (CA) jeder Energiesystemkomponente (4, 5, 7, 8) ermittelt wird, wobei der Systempriorisierungswert (CA) in Abhängigkeit eines Zustandswerts (P5, P 6), der die Klasse der Energiesystemkomponente (4, 5, 7, 8) beschreibt, ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei zur Bestimmung des Systempriorisierungswerts (CA) vorbestimmte Zustandswertfunktionen (51, 52, 53) verwendet werden, welche Zustandswerte (60) in Abhängigkeit einer physikalischen Eingabevariablen (50), einer kostenabhängigen Eingabevariablen und/oder einer emissionsabhängigen, insbesondere einer Kohlenstoffdioxidemissions-abhängigen. Eingabevariablen, bereitstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der Systempriorisierungswert (CA) in die Verteilungsgröße (W) eingeht.
Energiesystem (1) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Energiesystem (1) wenigstens eine zentrale Steuereinheit (6) und zwei Energiesystemkomponenten (4, 5, 7, 8) umfasst, wobei jede Energiesystemkomponente (4, 5, 7, 8) eine Steuereinheit aufweist und mit der zentralen Steuereinheit (6) verbunden ist.
Energiesystem (1) nach Anspruch 12, wobei die Energiesystemkomponente ein virtuelles Kraftwerk (9, 11) oder ein Energiesubsystem ist.
Energiesystem (1) nach Anspruch 12, wobei die Energiesystemkomponente eine virtuelle Batterie ist.
Energiesystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die zentrale Steuereinheit (6) einem Knotenpunkt eines Energienetzes örtlich zugeordnet ist.