DE212017000235U1

DE212017000235U1 - Steuereinheit zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz

Info

Publication number: DE212017000235U1
Application number: DE212017000235.2U
Authority: DE
Original assignee: Vattenfall AB
Current assignee: Vattenfall AB
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: EP3529773A4; WO2018074973A1; EP3529773A1

Abstract

Steuereinheit (10) zum Steuern von Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz (21), das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz (22) verbunden ist, wobei die Steuereinheit eine Verarbeitungsschaltung (11) umfasst, die dazu konfiguriert ist:
- Informationen in Bezug auf Folgendes zu erhalten:
• Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten (12) und nicht steuerbaren Lasten (13), die Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz (21) beeinflussen,
• aktueller Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz (21) zugänglichen Energiespeicher (14), wobei der Energiespeicher (14) ein vorgegebenes niedrigeres Energiegehaltniveau aufweist, und
• Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24), die in dem externen Stromnetz (22) verfügbar sind,
- Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf den erhaltenen Informationen zu berechnen,
- die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf den Vorhersagen zu optimieren, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Optimieren der Energiegehaltnutzung und des Leistungsflusses ferner dazu konfiguriert ist, die Verwendung von Energie und Leistung, die in dem lokalen Stromnetz (21) verfügbar sind, zu priorisieren, und
- die optimierte Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) während eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls anzuwenden,
wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Berechnen von Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen ferner dazu konfiguriert ist:
• Leistungsverbrauchsvorhersagen für steuerbare Lasten (12) und nicht steuerbare Lasten (13) über mindestens das erste vorbestimmte Zeitintervall zu berechnen, und/oder
• Preis pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz (22) basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24) zu berechnen, und/oder
• verfügbaren Energiegehalt in dem Energiespeicher (14) basierend auf dem aktuellen Energiegehalt und dem vorgegebenen niedrigeren Energiegehaltniveau zu berechnen und verfügbare Leistung in dem Energiespeicher (14) zu schätzen; und
wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Optimieren der Energiegehaltnutzung und des Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) ferner dazu konfiguriert ist:
einen Auslastungsplan für Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss zu erstellen, der ein zweites vorbestimmtes Zeitintervall abdeckt, das länger als das erste vorbestimmte Zeitintervall ist, wobei der Auslastungsplan regelmäßig basierend auf den erhaltenen Informationen und Vorhersagen aktualisiert wird, und
einen Betriebsplan basierend auf dem Auslastungsplan zu erstellen, der innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls angewendet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Steuereinheit und ein Computerprogramm zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf das Optimieren von Energiegehalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz basierend auf den erhaltenen Informationen und deren Anwendung auf das lokale Stromnetz.
HINTERGRUND
Jede Entität, z. B. Mikronetz, Haushalt, Industrie, Geschäftsgebäude, Netzwerkstation, kann als ein lokales Stromnetz angesehen werden, das steuerbare Lasten (Controllable Loads, CL), wie z. B. ein Heizsystem, und nicht steuerbare Lasten (NCL), wie z. B. Beleuchtung, umfasst. Aus der Sicht eines Benutzers wird der Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes voraussichtlich ausreichend sein, um Leistung an die Lasten zu liefern. Dies gilt im Allgemeinen, sofern Zugang zu einem externen Stromnetz erfüllt ist, aber lokal erzeugte Energie (Locally Generated Energy, LGE) mit oder ohne lokale Energiespeicher (Energy Storage, ES), wie beispielsweise Batterien, kann den notwendigen Energiegehalt und Leistungsfluss bereitstellen, um eine netzunabhängige Lösung zu etablieren. Ein externes Stromnetz ist als eine beliebige Art von Netz definiert, das dem lokalen Netz Energie zuführen kann, wenn es angeschlossen ist. Beispiele für externen Stromnetze sind das nationale Stromnetz, ein regionales Stromnetz und ein weiteres lokales Stromnetz.
Die Einführung der Energiespeicherung in lokalen Stromnetzen erhöht die Möglichkeit, längere Zeit netzunabhängig operieren zu können, insbesondere in Kombination mit lokal erzeugter Energie, wie Solarenergie oder Wind.
1 veranschaulicht ein lokales Stromnetz 21, das unter normalen Betriebsbedingungen über ein Messgerät 6 mit einem externen Stromnetz 22 verbunden ist. Das Messgerät zeichnet die Energiemenge auf, die von dem lokalen Stromnetz 21 an das externe Stromnetz 22 übertragen wird und umgekehrt. Das lokale Stromnetz umfasst steuerbare Lasten (CL) 12 und nicht steuerbare Lasten (NCL) 13. Es können Solarpanels oder Windräder bereitgestellt werden, um lokal erzeugte Energie (LGE) 17 bereitzustellen, und es können lokale Energiespeicher (ES) 14, z. B. eine Batteriebank oder Brennstoffzellen, bereitgestellt werden, um Energie für eine spätere Verwendung zu speichern. Eine Steuereinheit (CU) 5 ist dazu konfiguriert, den Energiegehalt in dem optionalen Energiespeicher 14 zu handhaben und Leistungsflüsse innerhalb des lokalen Netzes zu steuern. Die CU 5 kann eine separate Einheit sein oder in einer anderen Vorrichtung implementiert sein.
Der Zweck des Systems nach dem Stand der Technik, das in 1 veranschaulicht ist, besteht darin, sicherzustellen, dass ausreichend Energie für das lokale Stromnetz verfügbar ist. Die Kosten für das Bereitstellen einer ausreichenden Strommenge für die Lasten in dem lokalen Stromnetz 21 sind von geringerer Bedeutung.
Ein Nachteil des Systems nach dem Stand der Technik ist, dass die Informationen nicht von dem Benutzer, der die Funktionalität in dem lokalen Stromnetz handhabt, und den Betreibern, die die Funktionalität des externen Stromnetzes handhaben, gemeinsam genutzt werden. Ein weiterer Nachteil ist die fehlende Steuerung des Energie- und Leistungsflusses von dem lokalen Netz zu dem externen Stromnetz und umgekehrt.
KURZDARSTELLUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren und eine Steuereinheit bereitzustellen, die dazu konfiguriert ist, das Verfahren auszuführen, das versucht, einen oder mehrere der vorstehend genannten Defizite des Stands der Technik und Nachteile einzeln oder in beliebiger Kombination abzumildern, zu verringern oder zu eliminieren.
Diese Aufgabe wird durch ein in einer Steuereinheit ausgeführtes Verfahren zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz erfüllt, das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz verbunden ist. Das Verfahren umfasst das Erhalten von Informationen in Bezug auf Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten und nicht steuerbaren Lasten, die Energieinhalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz beeinflussen, den aktuellen Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz zugänglichen Energiespeicher und Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die in dem externen Stromnetz verfügbar sind. Das Verfahren umfasst ferner das Berechnen von Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den erhaltenen Informationen, das Optimieren des Energiegehalts und Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den Vorhersagen und das Anwenden des optimierten Energiegehalts und Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes während eines vorbestimmten Zeitintervalls.
Ein Vorteil des offenbarten Verfahrens zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss besteht darin, dass die Energiespeicherung dezentralisiert werden kann und die gespeicherte Energie verwendet werden kann, um Leistung an leistungsbezogene Verbrauchsgüter in dem externen Stromnetz zu liefern, die auch als Zusatzdienste bekannt sind.
Ein weiterer Vorteil des offenbarten Verfahrens zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss besteht darin, dass Energieerzeugung dezentralisiert werden kann und die erzeugte Energie für leistungsbezogene Verbrauchsgüter in dem externen Stromnetz verwendet werden kann.
Ein weiterer Vorteil des offenbarten Verfahrens zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss besteht darin, dass Leistung an steuerbare Lasten reduziert werden kann und verfügbare Leistung innerhalb des lokalen Stromnetzes für leistungsbezogene Verbrauchsgüter in dem externen Stromnetz verwendet werden kann.
Gemäß einigen Gesichtspunkten bezieht sich die Offenbarung auf eine Steuereinheit zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz, das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz verbunden ist. Die Steuereinheit umfasst eine Verarbeitungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, Informationen in Bezug auf Folgendes zu erhalten: Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten und nicht steuerbaren Lasten, die Energieinhalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz beeinflussen, aktueller Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz zugänglichen Energiespeicher und Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die in dem externen Stromnetz verfügbar sind. Die Steuereinheit ist ferner dazu konfiguriert, Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den erhaltenen Informationen zu berechnen, Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den Vorhersagen zu optimieren und den optimierten Energieinhalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes während eines vorbestimmten Zeitintervalls anzuwenden.
Figurenliste
Das Vorstehende wird aus der folgenden spezielleren Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen ersichtlich, wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind, in denen gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten Bezug nehmen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, die Betonung liegt stattdessen auf der Veranschaulichung der beispielhaften Ausführungsformen.

1 veranschaulicht eine Steuereinheit innerhalb eines lokalen Stromnetzes gemäß dem Stand der Technik;
2 veranschaulicht eine Steuereinheit innerhalb eines lokalen Stromnetzes gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung;
3 veranschaulicht eine Modellhypothese gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung;
4 veranschaulicht, wie eine Steuereinheit integriert werden kann, um den Betrieb innerhalb eines lokalen Stromnetzes gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung zu unterstützen;
5 ist ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb eines lokalen Stromnetzes veranschaulicht;
6 ist ein Teilflussdiagramm, das Alternativen veranschaulicht, die sich auf das Verarbeiten erhaltener Informationen gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung beziehen; und
7 veranschaulicht eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Verfahrensschritte durchzuführen, die in Verbindung mit 5 veranschaulicht werden.
8a veranschaulicht einen Leistungsfluss in einer Batterie, aufgetragen als eine Funktion des Gesamtsystemleistungsflusses in einem EV-Ladebeispiel.
8b veranschaulicht den Leistungsfluss durch das EV-Ladegerät, aufgetragen als eine Funktion des Gesamtsystemleistungsflusses in dem EV-Ladebeispiel.
9 veranschaulicht die vorhergesagte Leistung durch das EV-Ladegerät und die Echtzeitleistung in dem EV-Ladebeispiel.
10 veranschaulicht einen Lauf über 10 Tage in einem Beispiel für Spitzenlastregelung (Peak Shaving).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung werden hierin nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Die Vorrichtung und das Verfahren, die hier offenbart sind, können jedoch in vielen verschiedenen Formen realisiert werden und sollten nicht als auf die hierin dargelegten Gesichtspunkte beschränkt aufgefasst werden. Gleiche Zahlen in den Zeichnungen nehmen durchgehend auf gleiche Elemente Bezug.
Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich dem Zweck des Beschreibens bestimmter Gesichtspunkte der Offenbarung und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes an.
Gesichtspunkte der Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, z. B. Blockdiagramme und/oder Flussdiagramme, beschrieben. Es versteht sich, dass mehrere Entitäten in den Zeichnungen, z. B. Blöcke der Blockdiagramme, und Kombinationen von Entitäten in den Zeichnungen, durch Anweisungen eines Computerprogramms implementiert werden können, wobei die Anweisungen in einem computerlesbaren Speicher gespeichert und auch auf einen Computer oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung geladen werden können. Solche Computerprogrammanweisungen können einem Prozessor eines Allzweckcomputers, eines Spezialcomputers und/oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, so dass die Anweisungen, die über den Prozessor des Computers und/oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zum Implementieren der Funktionen/Aktionen schaffen, die in den Blockdiagrammen und/oder dem Flussdiagrammblock oder den Flussdiagrammblöcken spezifiziert sind.
In einigen Implementierungen und gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung können die in den Blöcken angegebenen Funktionen oder Schritte in der in den Betriebsabbildungen angegebenen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise können zwei hintereinander dargestellte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder die Blöcke können manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der/den betreffenden Funktionalität/Aktionen. Darüber hinaus können die in den Blöcken angegebenen Funktionen oder Schritte gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung kontinuierlich in einer Schleife ausgeführt werden.
Wirtschaftlich gesehen ist Elektrizität (sowohl Leistung als auch Energie) ein Verbrauchsgut, das gekauft, verkauft und gehandelt werden kann. Ein Elektrizitätsmarkt ist ein System, das Folgendes ermöglicht: Einkäufe durch Kaufgebote; Verkäufe durch Verkaufsangebote; und kurzfristige Handelsgeschäfte, im Allgemeinen in der Form von Finanz- oder Verpflichtungstauschgeschäften. Gebote und Angebote verwenden Prinzipien von Angebot und Nachfrage, um den Preis festzulegen. Langfristige Handelsgeschäfte sind Verträge, die den Stromkaufvereinbarungen ähnlich sind und im Allgemeinen als private bilaterale Transaktionen zwischen Gegenparteien betrachtet werden.
Großhandelstransaktionen (Gebote und Angebote) für Elektrizität werden in der Regel durch den Marktbetreiber oder eine spezielle unabhängige Entität abgeschlossen und abgewickelt, die ausschließlich mit dieser Funktion betraut ist. Marktbetreiber schließen keine Handelsgeschäfte ab, brauchen jedoch oft Kenntnis des Handels, um Erzeugung und Lastausgleich aufrechtzuerhalten. Die Verbrauchsgüter innerhalb eines Strommarktes bestehen im Allgemeinen aus zwei Arten: Leistung und Energie. Leistung ist die gemessene elektrische Netto-Übertragungsrate zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt und wird in Watt (W) gemessen. Energie ist Elektrizität, die für einen gegebenen Zeitraum durch einen gemessenen Punkt fließt, und wird in Wattstunden (Wh) gemessen.
Märkte für energiebezogene Verbrauchsgüter handeln eine Netto-Erzeugungsausgabe für eine Anzahl von Intervallen gewöhnlich in Schritten von fünf, fünfzehn oder sechzig Minuten. Märkte für leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die von Marktbetreibern gebraucht und verwaltet (und bezahlt) werden, um Zuverlässigkeit sicherzustellen, werden als Zusatzdienste betrachtet und schließen solche Namen wie rotierende Reserve, nicht rotierende Reserve, Betriebsreserven, reagierende Reserve, Hochregelung, Herabregelung und die installierte Kapazität ein.
Energieverbraucher werden in der Zukunft aktiver sein und mehr erneuerbare Energiesysteme, wie Solarenergie und Windkraft, werden in lokalen Stromnetzen installiert werden, die das Bedürfnis einer Flexibilität des Leistungssystems und der Dienste erhöhen. Der Begriff „lokales Stromnetz“ schließt jede Art von Stromnetz ein (z. B. Mikronetz, Haushalt, Industrie, Geschäftsgebäude, Netzwerkstation), das über ein Messgerät mit einem externen Stromnetz verbunden ist. Gemäß einigen Gesichtspunkten sind Batterien mit einem hohen Leistungs-/Energieverhältnis vorteilhaft, um kurzfristige Flexibilität, leistungsbezogene Verbrauchsgüter zu bieten und den Wert für die Photovoltaik-(PV)-Erzeugung zu erhöhen. Darüber hinaus kann lokale Energiespeicherung in Form von Batterien ein Technologie-Hedging bieten, z. B. einen Weg sicherstellen, um weniger pro kWh auf flüchtigeren Elektrizitätsmärkten zu bezahlen.
Ein variableres und intermittierendes Leistungssystem wird für Verbraucher die Anreize erhöhen, beim Energieverbrauch flexibler zu sein. Die Möglichkeit, den Märkten für leistungs- und energiebezogene Verbrauchsgüter lokale Netzflexibilität zu bieten, wird die Anreize für Kunden erhöhen, in flexible Lösungen zu investieren. Zusammen bieten lokale Erzeugung und Flexibilität die Synergie einer erhöhten Selbstversorgung. Dies wird auch die Anreize für Kunden erhöhen, ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Die Netzaufnahmekapazität wird aufgrund einer erhöhten dezentralisierten Flexibilität in den Verteilungsnetzwerken wachsen. Der Wert von intermittierenden erneuerbaren Energien wird unter zunehmender Durchdringung mit variablen erneuerbaren Energien (Variable Renewable Energy, VRE) besser aufrechterhalten, da größere Abweichungen in Angebot und Nachfrage gehandhabt werden können.
Der globale Trend für Elektrizitätssysteme ist eine Zunahme von variablen erneuerbaren Energien (VRE), um sich an eine nachhaltigere Gesellschaft anzupassen. Als eine Folge wird die konventionelle flexible Erzeugung aus dem System verdrängt und durch intermittierende Energieerzeugung mit niedrigem Kapazitätsfaktor ersetzt. Das Entfernen der flexiblen Erzeugung und Hinzufügen von VRE wird das Bedürfnis der Systemflexibilität im Wesentlichen erhöhen.
Es gibt vier Lösungen, um das Gleichgewicht von Erzeugung und Nachfrage zu lösen:

• Flexible Erzeugung - Verringern, wenn die konventionelle Erzeugung aufgrund einer höheren Durchdringung mit VRE außer Betrieb genommen wird.
• Flexible Nachfrage - Digitalisierung, Kommunikation und Sensorenentwicklung bieten mehr Möglichkeiten, Lasten zu steuern, und sind ein wachsendes Segment mit großem Potenzial.
• Speicherung - Lösungen in großem Maßstab wie die Pumpspeicherung sind eine konventionelle Technologie, aber Lösungen wie Batterien und Wasserstoffspeicherung ermöglichen Speicherlösungen in kleinem Maßstab.
• Übertragung - Erhöhte Konnektivität und Übertragungskapazität ermöglichen es, dass das Gleichgewicht von Erzeugung und Nachfrage in einem größeren geografischen Bereich gelöst wird und somit die Auswirkungen lokaler Flexibilitätsbeschränkungen reduziert werden. Jedoch führt eine Anzahl von Faktoren, wie lange Zulassungszeiten, enorme Kapitalinvestitionen und die Dimension für zukünftige Spitzenkapazitätsanforderungen zu einem langsamen Ausbau, der den Bedürfnissen des Systems hinterherhinkt.

Um die Flexibilität des Systems aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen, werden unterschiedliche elektrische Systeme ihre eigene Kombination aus den vorstehend genannten vier Lösungen brauchen, um auf kostengünstige Weise Flexibilität zu schaffen.
Die schnelle Kostenverringerung von PV in Kombination mit geringen Skaleneffekten führt zu einer Erhöhung des überwiegend dezentralisierten PV-Ausbaus, aber auch anderer dezentralisierter Erzeugung. Einer der Hauptvorteile für dezentralisierte Erzeugung wie PV ist die Fähigkeit, die Erzeugung selbst zu verbrauchen und dadurch Kosten für die Übertragung, Energiesteuern und Mehrwertsteuer im Vergleich zur Beschaffung aus dem Netz zu sparen. Eine Erhöhung des Eigenverbrauchs erhöht den Wert der lokalen Erzeugung. Dies kann durch Einführen entweder von steuerbaren Lasten wie Wärmepumpen, die sich an die lokale Erzeugung anpassen können, oder von Speicherlösungen wie Batterien, die die Erzeugung rechtzeitig verschieben können, oder einer Kombination aus beidem erfolgen. Steuerbare Lasten und Energiespeicher fügen auch zusätzliche Vorteile wie einen reduzierte Netztarif hinzu und ermöglichen einen rechtzeitigen flexiblen Verbrauch. Energiespeicherung bietet dem Stromnetz auch Widerstandsfähigkeit gegenüber Netzausfällen und rechtzeitige Flexibilität während des Erzeugens, d. h. die Batterie führt flexiblen Verbrauch und Erzeugung ein.
Aktive Steuerung flexibler Güter ermöglicht es lokalen Stromnetzen, Zusatzdienste bereitzustellen. Durch Berücksichtigen der Bedürfnisse des lokalen und externen Stromnetzes bei der Nutzung der verfügbaren Flexibilität können erhöhte Einnahmen geschaffen werden, wodurch der Wert flexibler Güter erhöht wird. Die elektrischen Systeme erhalten Zugang zu einer verteilten Flexibilitätsreserve, die den Betrieb des externen Stromnetzes unterstützen kann, indem sie leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die auch als Zusatzdienste bekannt sind, durchführt.
Vorteile mit den leistungsbezogenen Verbrauchsgütern sind eine Verschiebung der Investitionen in Verteilungs- und Übertragungsnetze und Angemessenheit der Ressourcen, wodurch eine Überinvestition des Portfolios vermieden wird.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass eine Koordination für die Nachfrage von leistungsbezogenen Verbrauchsgütern, auch bekannt als Zusatzdienste, wie: rotierende/nicht rotierende Reserve, z. B. synthetische Trägheit, Frequenzregelung, strategische Reserve, Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung, Schwarzstart, Übertragungsüberlastungabbau, Spitzenlastregelung (Peak Shaving), Phasenausgleich, Leistungssteuerung etc., in dem externen Stromnetz in der Zukunft von Bedeutung sein wird und Aggregatoren für die Koordination der Nachfrageseite erwünscht sein könnten.
Der Leistungsbedarf unterscheidet sich in Abhängigkeit von den Nachfragen in unterschiedlichen Teilen des Stromnetzes. Beispielsweise ist die Nutzungsoptimierung, z. B. erhöhter PV-Eigenverbrauch, Tarifreduzierung, Lastverschiebung, Verwendungszeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Netzausfällen von großer Bedeutung, wenn der lokale Bedarf berücksichtigt wird. Zusatzdienste, z. B. Frequenzregelung, rotierende/nicht rotierende Reserve (z. B. synthetische Trägheit), strategische Reserve und Schwarzstart, sind von großer Bedeutung, wenn der zentrale Bedarf in dem Stromnetz berücksichtigt wird. Die Upstream-Netzfunktionalität, z. B. Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung, aktive Leistungsbegrenzung, Spitzenlastregelung (Peak Shaving), Phasenausgleich und Blindleistung, ist von großer Bedeutung, wenn der regionale Bedarf berücksichtigt wird.
Somit hängt die optimale Leistungshandhabung von lokalen Bedingungen, dem Standort im Netz und regionalen Märkten für Leistungs- und Energieverbrauchsgüter ab. Der strategische Wert liegt in der optimalen Priorisierung der verfügbaren Ressourcen unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Benutzer, des lokalen Stromnetzes und des externen Stromnetzes.
2 veranschaulicht ein lokales Stromnetz 21, das mindestens intermittierend über ein Messgerät 6 mit einem externen Stromnetz 22 verbunden ist. Das Messgerät zeichnet die Energiemenge, d. h. die Leistung pro Zeitraum, auf, die von dem lokalen Stromnetz 21 an das externe Stromnetz 22 übertragen wird und umgekehrt. Das lokale Stromnetz umfasst steuerbare Lasten (CL) 12 und nicht steuerbare Lasten (NCL) 13. Eine lokale Energiequelle, wie Brennstoffzellen, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Wasserkraft, Photovoltaik und Solarheizung oder Windräder, kann bereitgestellt werden, um lokal erzeugte Energie (LGE) 17 bereitzustellen, und es können lokale Energiespeicher (ES) 14, z. B. Batterien, Kondensatoren, Wasserstoffspeicherung etc. bereitgestellt werden, um Energie für eine spätere Verwendung zu speichern. Es kann ein Detektor 15 bereitgestellt werden, der dazu konfiguriert ist, die Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz 22 zu erfassen.
Eine Steuereinheit 10 wird zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz 21 bereitgestellt und detaillierter in Verbindung mit 7 beschrieben. Die Steuereinheit 10 ist dazu konfiguriert, Informationen in Bezug auf bestimmte Parameter, wie nachfolgend beschrieben, zu erhalten, die aus in Informationen erhalten werden können, die in der Cloud 23 verfügbar sind oder direkt von Betreibern 24, wie zum Beispiel unabhängigen Systembetreibern (Independent System Operators, ISO) und/oder regionalen Übertragungsorganisationen (Regional Transmission Organizations, RTO). Die Steuereinheit 10 muss keine physische Einheit sein, die sich innerhalb des lokalen Stromnetzes befindet, und einige oder alle der Funktionen der Steuereinheit können verteilt sein, z. B. in einer Cloud-Implementierung, oder sogar an einem entfernten Standort außerhalb des lokalen Stromnetzes implementiert sein.
Das externe Stromnetz ist als Stromnetze, die nicht durch die Steuereinheit 10 gesteuert werden, definiert und kann ein nationales Stromnetz, ein regionales Stromnetz oder sogar ein anderes lokales Stromnetz sein, die die Fähigkeit haben, Energie und Leistung an das lokale Stromnetz bereitzustellen.
Gemäß einem Gesichtspunkt ist die Fähigkeit, Energie in dem lokalen Stromnetz zu speichern, temporär und kann durch Elektrofahrzeuge (die als steuerbare Last innerhalb des lokalen Stromnetzes 21 betrachtet werden) bereitgestellt werden. Gemäß einem anderen Gesichtspunkt kann eine Energiespeicherung außerhalb des lokalen Stromnetzes bereitgestellt werden, solange der Energiegehalt für das lokale Stromnetz zugänglich ist.
Energiespeicherung kann als stationäre Batteriebänke, mobile Batteriebänke wie Elektrofahrzeuge (EV) oder Plugin-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV), Schwungräder, Druckluft oder thermische Energiespeicher implementiert werden. Um den verfügbaren Energiegehalt im Energiespeicher zu berechnen, müssen bestimmte Randbedingungen definiert werden, wie das maximale Energiegehaltniveau (oberhalb dessen das Laden keine Option ist), ein niedrigeres Energiegehaltniveau (unterhalb dessen das Entladen nicht empfohlen wird) und Lade-/Entladerate (die bestimmt, wie schnell das Entladen und Laden des Energiespeichers durchgeführt werden kann, d. h. die maximale Leistung beim Laden/Entladen des Energiespeichers). Randbedingungen können auch die Sicherungsgröße der ankommenden Leitungen, die maximale Entladerate des lokalen Energiespeichers, Batteriezyklusbeschränkungen etc. umfassen.
Randbedingungen können auch vom Benutzer spezifizierte Bedingungen, wie Temperaturbereiche, Ladepegel der Batteriebänke etc. sein und der Standort des Benutzers könnte die eingestellten Randbedingungen auch beeinflussen. Zum Beispiel könnten eingestellte Randbedingungen bei einer Immobilie, die ein lokales Stromnetz aufweist, darin bestehen, die Innenraumtemperatur bei zehn Grad Celsius zu halten, und wenn sich der Benutzer der Immobilie nähert, wird die Innenraumtemperatur auf zwanzig Grad Celsius erhöht.
Der verfügbare Energiegehalt in jedem zugänglichen Energiespeicher ist ein wichtiger Parameter beim Optimieren von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes, aber die Entscheidung zum Laden oder Entladen des Energiespeichers kann auf dem Wert der verfügbaren Energie innerhalb des Energiespeichers und der Fähigkeit, Leistung zu empfangen oder Leistung zu liefern, basieren. Daher ist es gemäß einigen Gesichtspunkten notwendig, verfügbare Leistung, z. B. Kilowatt (kW), die in dem Energiespeicher gespeichert ist, abzuschätzen. Diese Information kann verwendet werden, um die beste Nutzung der verfügbaren Energie und Leistung im Hinblick auf lokale Energieerzeugung (falls vorhanden), Zusatzdienste in dem externen Stromnetz und den Energie- und Leistungsbedarf innerhalb des lokalen Stromnetzes während eines vorbestimmten Zeitraums zu bestimmen.
Die Federal Energy Regulatory Commission (FERC) der Vereinigten Staaten definiert die Zusatzdienste als: „solche Dienste, die notwendig sind, um die Übertragung elektrischer Leistung von dem Verkäufer an den Käufer angesichts der Verpflichtungen von Steuerbereichen und Übertragungsversorgern innerhalb dieser Steuerbereiche zu unterstützen, um einen zuverlässigen Betrieb des Verbundübertragungssystems aufrechtzuerhalten.“
Zusatzdienste sind die durch das elektrische Netz bereitgestellten Spezialdienste und Funktionen, die den kontinuierlichen Fluss von Elektrizität erleichtern und unterstützen, so dass das Angebot der Nachfrage kontinuierlich gerecht wird. Der Begriff „Zusatzdienste“ wird verwendet, um auf eine Vielfalt von Vorgängen über Erzeugung und Übertragung hinaus Bezug zu nehmen, die erforderlich sind, um Stabilität und Sicherheit des Netzes aufrechtzuerhalten. Diese Dienste schließen im Allgemeinen Frequenzsteuerung, rotierende Reserven und Betriebsreserven ein. Traditionell werden Zusatzdienste durch Generatoren bereitgestellt, doch die Integration von intermittierender Erzeugung und die Entwicklung von Smart-Grid-Technologien haben zu einer Verschiebung bei der Ausrüstung geführt, die zur Bereitstellung von Zusatzdiensten verwendet werden kann.
3 zeigt eine Modellhypothese gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung. Die Modellhypothese umfasst drei Schritte: Vorhersage 30, Optimieren 31 und Betrieb 32.
Das Grundprinzip der Vorhersage 30 besteht darin, Informationen zu sammeln, die beim Durchführen der nächsten Schritte verwendet werden könnten. Jedes lokale Stromnetz ist in seinem Design einzigartig, und somit hängt der Betrieb jedes lokalen Stromnetzes von unterschiedlichen Parametern ab. Die Parameter schließen Folgendes ein: Leistungsverbrauch in steuerbaren Lasten sowie nicht steuerbaren Lasten, aktueller Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz zugänglichen Energiespeicher und Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die in dem externen Stromnetz verfügbar sind. Die energiebezogenen Verbrauchsgüter schließen Marktpreis für den Kauf von Energie von dem und für den Verkauf von Energie an das externe Stromnetz ein (einschließlich der Tarife und der damit verbundenen Gebühren, wie Steuern und Verteilungsgebühren), und die leistungsbezogenen Verbrauchsgüter schließen Zusatzdienste ein. Die energiebezogenen Verbrauchsgüter können Kosten für Stromausfall umfassen, die verwendet werden können, um zwischen dem Verbrauch innerhalb des lokalen Stromnetzes und dem Bereitstellen von Zusatzdiensten beim Optimieren von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes zu wählen. Die Parameter können auch die Windgeschwindigkeit, wenn Windräder in dem lokalen Stromnetz eingeschlossen sind, die Sonnenzufuhr, wenn Photovoltaik oder Solarheizungen in dem lokalen Stromnetz eingeschlossen sind, Temperaturinformationen zum besseren Abschätzen des Leistungsverbrauchs für Heizsysteme innerhalb des lokalen Stromnetzes, die Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz und historische Daten einschließen, die im Laufe der Zeit Auswirkungen auf die unterschiedlichen Parameter haben. Einige Informationen sind innerhalb des lokalen Stromnetzes verfügbar; andere Informationen können von einer externen Quelle, wie einem cloudbasierten Informationsdienstleister oder direkt von den Betreibern abgerufen werden.
Historische Daten können sich auf den Energiegehalt des Energiespeichers, gemessene Entlade-/Laderaten, Leistungsverbräuche in NCL im Laufe der Zeit, Leistungsverbrauch in CL als eine Funktion externer Parameter (wie Temperatur) beziehen. Historische Daten können sich auch auf den zuvor angewendeten optimierten Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes beziehen.
Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen werden basierend auf den erhaltenen Informationen berechnet, um die Handhabung von Energie und Leistung innerhalb des lokalen Stromnetzes zu optimieren und zu priorisieren. Das Berechnen von Vorhersagen kann das Berechnen von Leistungsverbrauchsvorhersagen für steuerbare Lasten und nicht steuerbare Lasten über mindestens ein vorbestimmtes Zeitintervall und/oder das Berechnen des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter und/oder das Berechnen von verfügbarem Energiegehalt in dem Energiespeicher, der für das lokale Stromnetz zugänglich ist und ein vorbestimmtes niedrigeres Energiegehaltniveau aufweist, basierend auf dem aktuellen Energiegehalt und dem vorgegebenen niedrigeren Energiegehaltniveau und das Abschätzen verfügbarer Leistung, die in dem Energiespeicher gespeichert ist, umfassen.
Der Optimierungsschritt 31 kann einen linearen Optimierer oder einen in einem Prozessor implementierten Algorithmus des maschinellen Lernens umfassen, die den Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den berechneten Vorhersagen optimieren. Gemäß einigen Gesichtspunkten werden die erhaltenen Informationen verarbeitet und das Optimieren wird basierend auf Marktpreisen für Leistungs- und Energieverbrauchsgüter, lokaler Energieerzeugungsvorhersage, lokaler Heizbedarfsvorhersage, lokaler Verbrauchsvorhersage, Verfügbarkeit von EV (oder PHEV) und Randbedingungen durchgeführt.
Die Fähigkeit, einen Stromausfall in dem externen Stromnetz handhaben zu können (da das externe Stromnetz intermittierend mit dem lokalen Stromnetz verbunden ist) kann beim Optimieren von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig in bestimmten Märkten, wo Stromausfälle oft und regelmäßig auftreten. Historische Daten, die sich auf Stromausfallvorkommnisse in dem externen Netz beziehen, können zur weiteren Optimierung von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes verwendet werden.
Der Betriebsschritt 32 kann Steuerschleifen umfassen, um sicherzustellen, dass der Prozess innerhalb vorbestimmter Randbedingungen liegt. Der Betriebsschritt wird normalerweise während eines vorbestimmten Zeitintervalls durchgeführt, das von einigen Minuten (z. B. fünf, fünfzehn oder sechzig Minuten) bis zu mehreren Stunden je nach den spezifischen Bedingungen des lokalen Stromnetzes variieren kann. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst der Optimierungsschritt 31 das Erstellen eines Auslastungsplans für den Energiegehalt und den Leistungsfluss, der einen Zeitraum von bis zu mehreren Tagen abdecken kann, wobei der Auslastungsplan regelmäßig basierend auf den erhaltenen Informationen und Vorhersagen aktualisiert wird. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst der Optimierungsschritt 31 ferner das Erstellen eines Betriebsplans basierend auf dem Auslastungsplan, der innerhalb des lokalen Stromnetzes während des vorbestimmten Zeitintervalls angewendet wird.
Gemäß einigen Gesichtspunkten gibt es keine Optimierung zwischen dem lokalen Stromnetz und dem externen Stromnetz, da keine Zusatzdienste vorhanden sind. In diesen Fällen betrifft der Optimierungsschritt 31 nur das lokale Stromnetz und könnte die folgenden Dienste einschließen: eigener Verbrauch von lokaler Energieerzeugung (falls vorhanden), Backup-Leistung, Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausfällen des externen Stromnetzes, Verwendungszeit, Bedarfssteuerung (Demand Response) und/oder Leistungspreisreduzierung durch Spitzenlastregelung (Peak Shaving) und Phasenausgleich.
4 veranschaulicht, wie eine Steuereinheit 10 integriert werden kann, um den Betrieb innerhalb eines lokalen Stromnetzes 21 gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung zu unterstützen. Das lokale Stromnetz 21 ist in dieser Ausführungsform in zwei Teile geteilt, Gleichstrom-(DC)-Leistung und Wechselstrom-(AC)-Leistung, und ein Sensor 15 wird bereitgestellt, um die Zugänglichkeit zu einem externen Stromnetz 22 zu erfassen. Ein Wechselrichter 25 wandelt die Wechselstromleistung in Gleichstromleistung um und in steuerbare Lasten 12b und nicht steuerbare Lasten 13b sind mit der Gleichstromleistung verbunden.
Steuerbare Lasten 12a und nicht steuerbare Lasten 13a sind in diesem Beispiel mit der Wechselstromleistung verbunden. Das lokale Netz 21 umfasst optional eine lokal erzeugte Energieerzeugung 17 und einen lokalen Energiespeicher 14, die in diesem Beispiel beide mit der Gleichstromleistung des Wechselrichters 25 verbunden sind. Jedoch kann sich der Energiespeicher außerhalb des lokalen Stromnetzes (nicht gezeigt) befinden und dennoch über das externe Stromnetz 22 für das lokale Stromnetz zugänglich sein. Der zugängliche Energiespeicher kann zum Speichern von Energie aus der lokalen Energieerzeugung verwendet werden.
Die Steuereinheit 10 ist dazu konfiguriert, Informationen von den nicht steuerbaren Lasten 13a und 13b, den steuerbaren Lasten 12a und 12b, dem Energiespeicher 14, der lokalen Energieerzeugung 17, dem Sensor 15 zu empfangen und auch externe Informationen von Elektrizitätsbetreibern 24 oder in der Cloud 23 verfügbare Informationen im Hinblick auf energiebezogene Verbrauchsgüter sowie leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die in dem externen Stromnetz verfügbar sind, zu empfangen.
Die Steuereinheit 10 erhält die verfügbaren Informationen und berechnet Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes, um die Nutzung der verfügbaren Energie und Leistung basierend auf vorbestimmten Randbedingungen und/oder benutzerdefinierten Randbedingungen zu optimieren. Die Kenntnis des Marktpreises für leistungsbezogene Verbrauchsgüter, d. h. Zusatzdienste, wie rotierende/nicht rotierende Reserve (z. B. synthetische Trägheit), Frequenzregelung, strategische Reserve, Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung, Schwarzstart, Übertragungsüberlastungabbau, Spitzenlastregelung (Peak Shaving), Phasenausgleich und/oder Leistungssteuerung, die von den Betreibern in dem externen Stromnetz angefordert werden, wird verwendet, um zu optimieren, wie die verfügbare Energie und Leistung innerhalb des lokalen Stromnetzes auf effizienteste Weise genutzt werden kann.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz veranschaulicht, das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz verbunden ist. Das Verfahren wird in einer Steuereinheit, die z. B. in einer Wärmepumpe oder einem Wärmetauscher implementiert ist, durchgeführt und beginnt im Schritt S10. Die Absicht besteht darin, die Steuereinheit nicht auf eine physische Einheit zu beschränken, und das Verfahren kann daher in einer Steuereinheit, die in einer Cloud implementiert ist, oder in anderen geeigneten Konfigurationen durchgeführt werden.
Bei S11 werden Informationen erhalten, die sich auf das lokale Stromnetz und das externe Stromnetz beziehen, und die Informationen können benutzerdefinierte und/oder vom Benutzer spezifizierte Randbedingungen einschließen. Die Informationen beziehen sich auf: Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten und nicht steuerbaren Lasten, die Energiegehalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz beeinflussen, den aktuellen Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz zugänglichen Energiespeicher und Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die in dem externen Stromnetz verfügbar sind. Ein Beispiel des Marktpreises für energiebezogene Verbrauchsgüter ist die Bedarfssteuerung (Demand Response), wie beispielsweise der Kauf von Energie von dem externen Stromnetz und der Verkauf von Energie an das externe Stromnetz. Ein Beispiel für leistungsbezogene Verbrauchsgüter (d. h. Zusatzdienste) ist die Spitzenlastregelung (Peak Shaving), d. h. der Import/Export mit dem externen Stromnetz wird innerhalb bestimmter Leistungsgrenzen gehalten.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfassen die Zusatzdienste ferner rotierende/nicht rotierende Reserve (z. B. synthetische Trägheit), Frequenzregelung, strategische Reserve, Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung, Schwarzstart, Übertragungsüberlastungabbau, Spitzenlastregelung (Peak Shaving), Phasenausgleich und/oder Leistungssteuerung.
Gemäß einem Gesichtspunkt werden Informationen in Bezug auf historische Daten S11a erhalten und in den folgenden Schritten berücksichtigt.
Gemäß einem Gesichtspunkt werden Vorhersagedaten zum Marktpreis für energiebezogene Verbrauchsgüter in dem externen Netz erhalten und in den folgenden Schritten berücksichtigt.
Gemäß einem Gesichtspunkt wird die Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz erfasst S12 und in den folgenden Schritten berücksichtigt.
Das Berechnen S13 von Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den erhaltenen Informationen wird durchgeführt, was in 6 detaillierter beschrieben wird. Die berechneten Vorhersagen werden in den folgenden Schritten berücksichtigt.
Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst das lokale Stromnetz lokale Energieerzeugung, wie Solarenergie (PV), Windräder, Wasserkraft, Brennstoffzellen etc. Das Verfahren umfasst dann das Erhalten von Informationen in Bezug auf die Wettervorhersage zum Bestimmen der lokalen Energieerzeugungsvorhersage S14, und Informationen in Bezug auf die lokale Erzeugungsvorhersage werden in den folgenden Schritten berücksichtigt. Die Vorhersage wird verwendet, um die lokale Energieerzeugung über einen Zeitrahmen zu bestimmen, der Stunden, Tage oder Wochen betragen kann. Die Informationen können auch Kenntnisse aus der lokalen Energieerzeugung an entfernten Orten einschließen. Wenn zum Beispiel die lokale Energieerzeugung Solarpanels umfasst, können Kenntnisse in Bezug auf die Sonnenintensität an entfernten Orten einschließlich der Windrichtung (um Wolkenbewegungen etc. zu bestimmen) verwendet werden, vorausgesetzt, der physische Standort jedes entfernten Ortes ist bekannt. Ferner können lokale und/oder globale Solarvorhersagen verwendet werden, um lokale Energieerzeugungsvorhersagen zu erzeugen, und es ist auch möglich, frühere Vorhersagen mit tatsächlichen Erzeugungsergebnissen zu vergleichen, um zukünftige Vorhersagen weiter zu verbessern.
In Schritt S15 wird das Optimieren des Energiegehalts und Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes basierend auf den Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen durchgeführt. Die Vorhersagen werden basierend auf dem aktuellen Status der Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten und nicht steuerbaren Lasten, die Energiegehalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz beeinflussen, dem aktuellen Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz zugänglichen Energiespeicher und den Marktpreisen für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter, die in dem externen Stromnetz verfügbar sind, berechnet. Gemäß einigen Gesichtspunkten basiert Schritt S15 auf der Zugänglichkeit zum externen Stromnetz, historischen Daten und/oder der lokalen Erzeugungsvorhersage.
Gemäß einem Gesichtspunkt basiert der Schritt des Berechnens S13 der Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen ferner auf den Informationen der historischen Daten, wenn Informationen der historischen Daten erhalten werden.
Gemäß einem Gesichtspunkt basiert beim Erfassen der Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz der Schritt des Optimierens S15 von Energiegehalt und Leistungsfluss ferner auf der Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst der Schritt des Optimierens S15 von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes ferner das Erstellen eines Auslastungsplans S15a für den Energiegehalt und Leistungsfluss, wobei der Auslastungsplan regelmäßig basierend auf den erhaltenen Informationen aktualisiert wird. Der Zweck des Erstellens eines Auslastungsplans besteht darin, die beste Art und Weise des Priorisierens der Nutzung von innerhalb des lokalen Stromnetzes verfügbarer Energie und Leistung zu bestimmen. Das Optimieren kann auf vorbestimmten Randbedingungen, benutzerspezifischen Randbedingungen, regelmäßig aktualisiertem Echtzeitstatus des Energiegehalts und geschätzter verfügbarer Leistung im Energiespeicher, lokalem Leistungsverbrauch, lokaler Energieerzeugung etc. basieren.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt umfasst der Schritt des Optimierens S15 von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes ferner das Erstellen eines Betriebsplans S15b basierend auf dem Auslastungsplan S15a. Der Betriebsplan wird innerhalb des lokalen Stromnetzes während des vorbestimmten Zeitintervalls angewendet. Der Betriebsplan deckt im Vergleich zu dem Auslastungsplan in der Regel einen kleinen Zeitraum ab. Wenn beispielsweise der Auslastungsplan einen Zeitraum von mehreren Tagen abdeckt, dann kann der Betriebsplan derart begrenzt werden, dass er nur einen Bruchteil einer Stunde, z. B. fünfzehn Minuten abdeckt.
In Schritt S16 wird das Anwenden von optimiertem Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes während eines vorbestimmten Zeitintervalls durchgeführt. Das Zeitintervall kann an die Situation angepasst werden und kann so kurz wie ein paar Minuten sein oder bis zu mehreren Stunden betragen. Während dieses Zeitintervalls werden Randbedingungen eingehalten, um ein unbeabsichtigtes Entladen des Energiespeichers unterhalb einer bestimmten Grenze zu verhindern, wobei das Fehlen verfügbarer Energie und Leistung innerhalb des lokalen Stromnetzes ein unbeabsichtigtes Abschalten der Lasten (CL und NCL) etc. bewirkt. Die Randbedingungen des optimierten Energiegehalts und Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes können in S17 überwacht werden, und wenn eine Abweichung von dem optimierten Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes erfasst wird, geht der Prozess weiter zu Schritt S15 zur Einstellung. Wenn der angewendete optimierte Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes jedoch während des Zeitintervalls innerhalb der Randbedingungen liegt, fährt der Prozess mit Schritt S18 fort. Wenn entschieden wird, den Prozess fortzusetzen, geht der Prozess weiter zu Schritt S11 und Informationen werden erhalten, um den optimierten Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes zu aktualisieren (z. B. den Auslastungsplan zu aktualisieren und danach einen neuen Betriebsplan für das nächste Zeitintervall zu erstellen). Andernfalls endet der Ablauf in S19.
6 ist ein Teilflussdiagramm, das Alternativen veranschaulicht, die sich auf das Berechnen von Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf den erhaltenen Informationen gemäß einigen Gesichtspunkten der Offenbarung beziehen. Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst der Schritt des Berechnens S13 der Vorhersagen das Berechnen S13a von Leistungsverbrauchsvorhersagen für steuerbare Lasten und nicht steuerbare Lasten über mindestens das vorbestimmte Zeitintervall. Diese Information hilft beim Bestimmen des Leistungsbedarfs der Lasten innerhalb des lokalen Stromnetzes.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst der Schritt des Berechnens S13 der Vorhersagen das Berechnen S13b des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter und auch auf den Marktpreisvorhersagen, wenn verfügbar. Diese Information kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann Leistung von dem externen Stromnetz empfangen/an das externe Stromnetz geliefert werden soll.
Marktpreise für leistungsbezogene Verbrauchsgüter, d. h. Zusatzdienste, variieren im Laufe der Zeit als Reaktion auf verfügbare Energie-/Leistungsgleichgewichte und Reserven innerhalb des externen Stromnetzes. Lokal gespeicherte Energie und/oder lokal erzeugte Energie kann verwendet werden, um Leistung an das externe Stromnetz zu liefern, vorausgesetzt, der Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz ist angemessen. Eine andere Art von Zusatzdiensten besteht darin, Leistung zu empfangen und sie zu verbrauchen und/oder sie in einem lokalen Energiespeicher zu speichern, vorausgesetzt, der Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz ist angemessen.
Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst der Schritt des Berechnens S13b des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter ferner das Berechnen S13b1 des Gewinns beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz und/oder das Berechnen S13b2 des Gewinns beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz. Dann basiert der Schritt des Berechnens S13 der Energiegehalt- und Leistungsflussvorhersagen auf dem berechneten Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz und/oder dem Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst der Schritt des Berechnens S13 der Vorhersagen das Berechnen S13c von verfügbarem Energiegehalt in dem Energiespeicher, der für das lokale Stromnetz zugänglich ist und ein vorbestimmtes niedrigeres Energiegehaltniveau aufweist, basierend auf dem aktuellen Energiegehalt und dem vorgegebenen niedrigeren Energiegehaltniveau und das Abschätzen verfügbarer Leistung, die in dem Energiespeicher gespeichert ist. Viele Arten von Energiespeichern weisen einen niedrigeren Energiegehalt auf, unterhalb dessen es nicht ratsam ist, Energie zu entladen, wenn nicht das Risiko eingegangen wird, den Energiespeicher zu beschädigen. Es ist zu beachten, dass der Energiespeicher ein stationärer Energiespeicher, wie etwa eine große Batteriebank, Brennstoffzellen etc., oder ein intermittierend zugänglicher Energiespeicher sein kann, wie ein PHEV, EV, Brennstoffzellenfahrzeuge etc., der mit dem lokalen Stromnetz verbunden ist.
Der Wert des Energiespeichers schließt auch die Fähigkeit ein, Leistung zu liefern/zu empfangen. Dies kann basierend auf dem berechneten verfügbaren Energiegehalt im Energiespeicher von Schritt S13c abgeschätzt werden oder basierend auf dem gemessenen verfügbaren Energiegehalt im Energiespeicher abgeschätzt werden. So ist es beispielsweise möglich, die Menge von Energie zu messen, die in einen mit Batterien unter Verwendung der Coulomb-Zählung realisierten Energiespeicher geladen oder aus diesem entladen wird.
7 veranschaulicht eine Steuereinheit 10 zum Steuern von Energiegehalt und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz 21, das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz 22 verbunden ist. Die Steuereinheit 10 umfasst eine Verarbeitungsschaltung, die einen oder mehrere Prozessoren µP 11 umfasst, die dazu konfiguriert sind, Informationen in Bezug auf eine Anzahl von Schlüsselparametern zu erhalten, um Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes 21 basierend auf den erhaltenen Informationen zu optimieren und um den optimierten Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes 21 während eines vorbestimmten Zeitintervalls anzuwenden. Die Schlüsselparameter können in zwei Teile unterteilt werden: Informationen zum lokalen Stromnetz und Informationen zum externen Stromnetz.
Informationen zum lokalen Stromnetz umfassen Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten CL 12 und nicht steuerbaren Lasten NCL 13, die Energiegehalt und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz 21 beeinflussen und den aktuellen Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz 21 zugänglichen Energiespeicher ES 14. Informationen zum externen Stromnetz umfassen Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter 24, die in dem externen Stromnetz 22 durch verschiedene Betreiber verfügbar sind, wie dem unabhängigen Systembetreiber ISO, der regionalen Übertragungsorganisation RTO und dem Übertragungsnetzbetreiber TSO.
Eine regionale Übertragungsorganisation RTO in den Vereinigten Staaten ist eine Organisation, die für das Bewegen von Elektrizität über große zwischenstaatliche Bereiche verantwortlich ist. Wie der Betreiber des europäischen Übertragungsnetzes TSO koordiniert, steuert und überwacht eine RTO ein Elektrizitätsübertragungsnetz. RTOs wurden 1999 von der Federal Energy Regulatory Commission FERC geschaffen.
Ein unabhängiger Systembetreiber ISO ist eine Organisation, die auf Weisung oder Empfehlung der FERC gebildet wird. In den Bereichen, in denen ein ISO eingerichtet ist, koordiniert, steuert und überwacht er den Betrieb des elektrischen Leistungssystems, normalerweise innerhalb eines einzelnen US-Staats, aber manchmal mehrere Staaten umfassend. RTOs führen in der Regel die gleichen Funktionen wie ISOs aus, decken aber einen größeren geografischen Bereich ab.
Die beiden sind ähnlich, wobei eine RTO klarer definiert und aus dem Konzept der Zuverlässigkeit des elektrischen Netzes entstanden ist. Kurz gesagt, ein ISO betreibt das Elektrizitätsnetz einer Region, verwaltet die Großhandelselektrizitätsmärkte der Region und stellt die Zuverlässigkeitsplanung für den Großteil des Elektrizitätssystems der Region bereit.
RTOs von heute tun dasselbe mit einer zusätzlichen Komponente von größerer Verantwortung für das Übertragungsnetzwerk, wie durch die FERC festgelegt.
Ein Übertragungsnetzbetreiber TSO ist eine Entität, die mit dem Transport von Energie in Form von Erdgas oder elektrischer Leistung auf nationaler oder regionaler Ebene unter Verwendung fester Infrastruktur betraut ist. Der Begriff wird durch die Europäische Kommission definiert.
Aufgrund der Kosten des Aufbaus einer Übertragungsinfrastruktur, wie Hauptstromleitungen oder Gashauptleitungen und zugeordneten Anschlusspunkten, ist ein TSO in der Regel ein natürliches Monopol, und als solches oftmals Vorschriften unterworfen. Bei elektrischen Leistungsunternehmen ist ein TSO ein Betreiber, der elektrische Leistung von den Erzeugungswerken über das Stromnetz an regionale oder lokale Elektrizitätsverteilungsbetreiber überträgt.
Das in Verbindung mit den 5 und 6 beschriebene Verfahren kann als ein Computerprogramm implementiert werden, das einen Computerprogrammcode umfasst, der beim Ausführen bewirkt, dass eine Steuereinheit 10 das Verfahren wie in Verbindung mit 7 beschrieben ausführt. Die Steuereinheit kann eine eigenständige Einheit sein, in eine andere Ausrüstung integriert sein oder sogar vollständig oder teilweise in einer Cloud-Implementierung realisiert sein. Gemäß einigen Gesichtspunkten umfasst die Verarbeitungsschaltung 1 mehrere Prozessoren, die lokal und/oder entfernt verteilt sind, d. h. die Prozessoren können an einem entfernten Standort (z. B. in einer Cloud-Umgebung) implementiert sein und/oder lokal implementiert sein.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst die Steuereinheit einen Sensor 15, der dazu konfiguriert ist, die Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz 22 zu erfassen, und die Verarbeitungsschaltung 11 ist ferner dazu konfiguriert, Energiegehalt und Leistungsfluss basierend auf der Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz 22 zu optimieren.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst die Steuereinheit ferner eine Kommunikationsschnittstelle 16, oder einen Kommunikationsport, die dazu konfiguriert sind, Informationen in Bezug auf historische Daten zu erhalten, und wobei die Verarbeitungsschaltung 11 ferner dazu konfiguriert ist, Energiegehalt und Leistung basierend auf den Informationen der historischen Daten zu optimieren. Gemäß einem Gesichtspunkt sind Informationen zum externen Stromnetz auch über die Kommunikationsschnittstelle 16 zugänglich und Informationen zum lokalen Stromnetz sind über die Kommunikationsschnittstelle 19, Eingabe-/Ausgabe-Ports, zugänglich.
Gemäß einem Gesichtspunkt ist die Verarbeitungsschaltung 11 der Steuereinheit 10 dazu konfiguriert, die erhaltenen Informationen zu verarbeiten, und ist ferner dazu konfiguriert, den Energiegehalt und Leistungsfluss basierend auf den verarbeiteten erhaltenen Informationen zu optimieren. Die erhaltenen Informationen sowie das Ergebnis der Verarbeitung können in einem Speicher 18 zur zukünftigen Verwendung gespeichert werden. Der Speicher kann irgendwo, z. B. cloudbasiert, lokal oder extern angeordnet sein, vorausgesetzt, die Steuereinheit hat vollen Zugriff auf den Speicher.
Gemäß einem Gesichtspunkt ist die Verarbeitungsschaltung 11 beim Verarbeiten der erhaltenen Informationen ferner dazu konfiguriert, eine oder mehrere der folgenden Aufgaben durchzuführen: Berechnen von Leistungsverbrauchsvorhersagen für jede CL 12 und NCL 13; Berechnen des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz 22; Berechnen des verfügbaren Energiegehalts in dem Energiespeicher 14 und Schätzen der verfügbaren Leistung in dem Energiespeicher 14.
Die Aufgabe, Leistungsverbrauchsvorhersagen für steuerbare Lasten 12 und nicht steuerbare Lasten 13 zu berechnen, wird über mindestens das vorbestimmte Zeitintervall durchgeführt. Die Aufgabe, den Preis pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz 22 zu berechnen, basiert auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter.
Um den verfügbaren Energiegehalt in dem Energiespeicher 14 berechnen zu können, muss der Energiespeicher für das lokale Stromnetz 21 zugänglich sein. Darüber hinaus muss der Energiespeicher ein vorgegebenes niedrigeres Energiegehaltniveau aufweisen, unterhalb dessen das Entladen nicht empfohlen wird. Die Aufgabe, den Energiegehalt in dem Energiespeicher zu berechnen, basiert auf dem aktuellen Energiegehalt und dem vorgegebenen niedrigeren Energiegehaltniveau. Die Aufgabe, verfügbare Leistung in dem Energiespeicher 14 zu schätzen, erfordert Kenntnis des verfügbaren Energiegehalts in dem Energiespeicher sowie der Entlade- und Laderate. Der Energiegehalt kann jedoch erhalten werden, indem das Laden und Entladen des Energiespeichers kontinuierlich überwacht werden.
Gemäß einem Gesichtspunkt ist die Verarbeitungsschaltung 11 beim Berechnen des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz 22 basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter ferner dazu konfiguriert, den Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz 22 zu berechnen und/oder den Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz 22 zu berechnen. Das Optimieren des Energiegehalts und Leistungsflusses basiert dann ferner auf dem berechneten Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz und/oder dem Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz 22.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst das lokale Stromnetz 21 lokale Energieerzeugung 17, und die Steuereinheit 10 ist dann ferner dazu konfiguriert, Informationen in Bezug auf die Wettervorhersage zu erhalten, um eine lokale Energieerzeugungsvorhersage zu bestimmen. Die Verarbeitungsschaltung ist ferner dazu konfiguriert, den Energiegehalt und Leistungsfluss basierend auf der lokalen Erzeugungsvorhersage zu optimieren.
Gemäß einem Gesichtspunkt ist die Verarbeitungsschaltung 11 beim Optimieren von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes 21 ferner dazu konfiguriert, einen Auslastungsplan für Energiegehalt und Leistungsfluss zu erstellen, wobei der Auslastungsplan regelmäßig basierend auf den erhaltenen Informationen aktualisiert wird. Gemäß einem Gesichtspunkt ist die Verarbeitungsschaltung 11 beim Optimieren von Energiegehalt und Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes 21 ferner dazu konfiguriert, einen Betriebsplan basierend auf dem Auslastungsplan zu erstellen, der innerhalb des lokalen Stromnetzes 21 während des vorbestimmten Zeitintervalls angewendet wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfassen die leistungsbezogenen Verbrauchsgüter, d. h. Zusatzdienste, 24 beispielsweise:

• rotierende/nicht rotierende Reserve, z. B. synthetische Trägheit
• Frequenzregelung
• strategische Reserve
• Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung
• Schwarzstart
• Übertragungsüberlastungabbau
• Spitzenlastregelung (Peak Shaving)
• Energie-Arbitrage
• Phasenausgleich
• Leistungssteuerung

Beispiel, das sich auf das Steuern eines EV-Ladegeräts bezieht, um die Kosten für den Benutzer zu optimieren
Die vorstehend beschriebene Lösung kann verwendet werden, um die Kosten für die Energie- und Leistungsnutzung durch Lenken/Steuern des EV-Ladegeräts für einen Benutzer (wie etwa einen Kunden oder ein lokales Netz) zu minimieren. Der Ladezustand eines oder mehrerer Elektrofahrzeuge (EV) wird als Eingang (zusammen mit allen anderen Eingängen wie Photovoltaikerzeugung, Speicherstatus, Kostenelemente wie Tarife und Leistungspreis, Verbrauch und andere Vorhersagen) beim Herstellen einer langfristigen Vorhersage (d.h. eines Auslastungsplans) verwendet. Da sich der Leistungsverbrauch (Last) jederzeit ändern kann, z. B. durch Einschalten des Ofens, Starten einer Wärmepumpe etc., wird die Vorhersage immer von der tatsächlichen Auslastung abweichen, d. h. die Vorhersage wird stets ungenau sein.
Der kurzfristige Plan (d. h. Betriebsplan) überwacht die Abweichungen von der Vorhersage und stellt gegebenenfalls das Auslastungsmuster für das EV ein (durch Steuern des EV-Ladegeräts). Auf diese Weise kann die aus dem Netz entnommene Leistung unter einem dynamisch eingestellten Wert gehalten werden, während gleichzeitig hohe Kundenkosten vermieden werden. Dies wird in den 8a und 8b veranschaulicht. 8a veranschaulicht den Leistungsfluss in einer stationären Batterie, die in einem lokalen Netz angeordnet ist, aufgetragen als eine Funktion des Gesamtsystemleistungsflusses.
Wie veranschaulicht, wird jedes Mal, wenn der Betriebsplan eine Überprüfung durchführt, eine neuen Kurve erzeugt. Die Sollwerte, die den Batterieeingang/-ausgang lenken, werden aus der Kurve erhalten. In diesem Beispiel ist auch zu sehen, dass sich die Verhaltenskurve für die Batterie (Batterieleistungsfluss) jedes Mal ändert, wenn der Betriebsplan eine Überprüfung durchführt. Da das Modell beim Optimieren mehrere Variablen (Tarife, Vorhersage, Last etc.) gleichzeitig verwenden kann, kann sich das Batterieverhalten als eine Funktion des Systemleistungsflusses ändern, wenn eine neue Überprüfung durchgeführt wird. Die neue Kurve ist das Verhalten der Batterie, das die Kosten minimiert, während der langfristige Plan (Auslastungsplan) erreicht wird.
Die primäre Zeitüberprüfung wird durch 80 (punktierte Linie) angezeigt, die sekundäre Überprüfung 1 wird durch 81 angezeigt, die sekundäre Überprüfung 2 wird durch 82 angezeigt, die sekundäre Überprüfung 3 wird durch 83 angezeigt, die sekundäre Überprüfung 4 wird durch 84 angezeigt und die sekundäre Überprüfung 5 wird durch 85 angezeigt.
In ähnlicher Weise ist in 8b der Leistungsfluss durch das EV-Ladegerät als eine Funktion des Gesamtsystemleistungsflusses aufgetragen. Die zusätzliche Einschränkung, wann das EV geladen werden muss, wird betrachtet, und ein ähnliches Verhalten wie in 8a wird erfasst. Der Betriebsplan minimiert den Fehler in dem Auslastungsplan (Vorhersage) durch Ändern des Leistungsflusses durch das EV-Ladegerät.
9 zeigt die vorhergesagte Leistung durch das EV-Ladegerät und die Echtzeitleistung. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Betriebsplan in das Lademuster übergegangen ist und dieses geändert hat, um sich der Gesamtsystemoptimierung anzupassen. In diesem Lauf wurde der Betriebsplan alle 10 Minuten aktualisiert.
Beispiel für Systemdienste, das die Differenz zwischen dem Auslastungsplan (geschätzt) und dem Betriebsplan (kontinuierlich aktualisierter Plan zur Ausführung) veranschaulicht
Das Liefern von Leistung aus dem Batteriespeicher ist gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept flexibel. Der Energiefluss in die Batterie wird basierend auf den Kosten und der Verfügbarkeit von dem Hauptnetz angepasst.
Hier folgt ein Beispiel dafür, wann das Modell zur Spitzenlastregelung (Peak Shaving) verwendet wird. Dies dient dem Veranschaulichen der Differenz zwischen dem vorhergesagten Auslastungsplan und dem kontinuierlich aktualisierten Betriebsplan. Ein einfacher Aufbau eines Netzes mit Tarifen, einem Industriekunden (Last) und einer Batterie wird zusammen mit dem beschriebenen Steuermodell verwendet.
Basierend auf gemessenen und zuvor gesammelten Daten wird eine 24-Stunden-Vorhersage dazu erstellt, wie die Batterie zu steuern ist (der Auslastungsplan). Die Vorhersage zielt darauf ab, die Kosten für den Kunden zu minimieren und berücksichtigt somit die Tarife (Elektrizitätspreis €/kWh und Leistungspreis €/kW). Einer der Parameter, den das Modell zu minimieren beabsichtigt, ist die maximale Leistung, die aus dem Netz über ein vorbestimmtes Zeitintervall entnommen wird.
In diesem Beispiel wird der deutsche Netzcode verwendet und die mittlere Leistung, die aus dem Netz binnen 15 Minuten gezogen wird, wird unter einem dynamisch eingestellten Niveau gehalten. In Deutschland wird einem die höchste Spitzenleistung eines beliebigen 15-minütigen Zeitraums über das Jahr berechnet. In dem Modell ist eine dynamische Einstellung des durchschnittlichen 15-Minuten-Leistungsniveaus gewünscht und dieses Merkmal ist durch eine Kombination des Auslastungsplans und des Betriebsplans gegeben.
Der Betriebsplan überwacht die Abweichung vom Auslastungsplan (Vorhersage) und erstellt Sollwerte für den Controller, der die Eingangs-/Ausgangsleistung der Batterie steuert. Da die Vorhersage immer falsch sein wird (die Last ist stochastisch), wird der Betriebsplan versuchen, den Fehler zu minimieren. In diesem Beispiel beachtet der Betriebsplan den dynamischen Leistungspreis und versucht, die aus dem Netz gekaufte durchschnittliche Leistung unter einem Zeitraum von 15 Minuten zu minimieren.
10 zeigt einen 10-Tages-Lauf des beschriebenen Aufbaus. Es ist ersichtlich, dass die Last 100 (gepunktete Linie) mit hohen und niedrigen Leistungsspitzen variiert. Die aus dem Netz gekaufte Leistung und das Batterieenergieniveau sind ebenfalls aufgetragen, wie durch 101 (gestrichelte Linie) angezeigt wird. Das dynamische Merkmal ist aus 102 (durchgezogene Linie) ersichtlich, die die aus dem Netz gezogene maximale Leistung zeigt. Das Modell beachtet die höchste mittlere Leistung für 15 Minuten und verwendet dies als das dynamische Niveau.
In diesem Lauf ist ersichtlich, dass die aus dem Netz gezogene maximale durchschnittliche Leistung jedes Mal aufwärts geht, wenn ein höherer Durchschnitt erfasst wird. Ferner ist ersichtlich, dass das Modell innerhalb jedes Zeitraums von 15 Minuten kompensiert, um zu versuchen, die mittlere Leistung unterhalb des dynamischen Werts zu halten. Wenn eine hohe Spitzenleistung aus dem Netz gekauft wird, fährt die Batterie fort, die aus dem Netz gekaufte Leistung herunterzudrücken und dadurch den 15-Minuten-Durchschnitt zu senken. Das Batterieenergieniveau wird durch 103 (durchgezogene Linie mit Ringen) angezeigt. Das dynamische Leistungsniveau ermöglicht dem Auslastungsplan eine bessere Planung für längere Leistungsspitzen. Der Betriebsplan wird in diesem Fall jede Minute aktualisiert.
In den Zeichnungen und der Patentschrift wurden beispielhafte Gesichtspunkte der Offenbarung offenbart. Jedoch können viele Variationen und Modifikationen an diesen Gesichtspunkten vorgenommen werden, ohne im Wesentlichen von den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Somit sollte die Offenbarung eher als veranschaulichend denn als einschränkend und nicht als auf die vorstehend erörterten besonderen Gesichtspunkte beschränkt angesehen werden. Dementsprechend werden, obwohl spezifische Begriffe verwendet werden, diese nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zu Zwecken der Einschränkung verwendet.
Die Beschreibung der hierin bereitgestellten beispielhaften Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung dargestellt. Die Beschreibung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder darauf, dass beispielhafte Ausführungsformen auf die nicht genaue offenbarte Form beschränkt sind. Modifikationen und Variationen sind angesichts der vorstehenden Lehren möglich oder können aus der Praxis verschiedener Alternativen zu den bereitgestellten Ausführungsformen erlangt werden. Die hierin erörterten Beispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien und die Art der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es Fachleuten zu ermöglichen, die beispielhaften Ausführungsformen auf verschiedene Arten und Weisen und mit verschiedenen Modifikationen zu nutzen, wie sie für die jeweilige beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Die Merkmale der hierin beschriebenen Ausführungsformen können in allen möglichen Kombinationen von Verfahren, Vorrichtungen, Modulen, Systemen und Computerprogrammprodukten kombiniert werden. Es versteht sich, dass die hierin dargestellten beispielhaften Ausführungsformen in jeder beliebigen Kombination miteinander ausgeführt werden können.
Es ist zu beachten, dass das Wort „umfassen“ nicht notwendigerweise das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als die aufgelisteten ausschließt und dass die Wörter „ein“ oder „eine“ vor einem Element das Vorhandensein einer Vielzahl von solchen Elementen nicht ausschließen. Ferner ist zu beachten, dass jegliche Bezugszeichen den Umfang der Ansprüche nicht einschränken, dass die beispielhaften Ausführungsformen mindestens teilweise sowohl mittels Hardware als auch Software implementiert werden können und dass mehrere „Mittel“, „Einheiten“ oder „Vorrichtungen“ durch dieselbe Hardware dargestellt werden können.
In den Zeichnungen und der Patentschrift wurden beispielhafte Ausführungsformen offenbart. Es können jedoch viele Variationen und Modifikationen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden. Dementsprechend werden, obwohl spezifische Begriffe verwendet werden, diese nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zu Zwecken der Einschränkung verwendet, wobei der Umfang der Ausführungsformen durch die folgenden Ansprüche vorgegeben wird.

Claims

Steuereinheit (10) zum Steuern von Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz (21), das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz (22) verbunden ist, wobei die Steuereinheit eine Verarbeitungsschaltung (11) umfasst, die dazu konfiguriert ist: - Informationen in Bezug auf Folgendes zu erhalten: • Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten (12) und nicht steuerbaren Lasten (13), die Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz (21) beeinflussen, • aktueller Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz (21) zugänglichen Energiespeicher (14), wobei der Energiespeicher (14) ein vorgegebenes niedrigeres Energiegehaltniveau aufweist, und • Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24), die in dem externen Stromnetz (22) verfügbar sind, - Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf den erhaltenen Informationen zu berechnen, - die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf den Vorhersagen zu optimieren, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Optimieren der Energiegehaltnutzung und des Leistungsflusses ferner dazu konfiguriert ist, die Verwendung von Energie und Leistung, die in dem lokalen Stromnetz (21) verfügbar sind, zu priorisieren, und - die optimierte Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) während eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls anzuwenden, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Berechnen von Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen ferner dazu konfiguriert ist: • Leistungsverbrauchsvorhersagen für steuerbare Lasten (12) und nicht steuerbare Lasten (13) über mindestens das erste vorbestimmte Zeitintervall zu berechnen, und/oder • Preis pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz (22) basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24) zu berechnen, und/oder • verfügbaren Energiegehalt in dem Energiespeicher (14) basierend auf dem aktuellen Energiegehalt und dem vorgegebenen niedrigeren Energiegehaltniveau zu berechnen und verfügbare Leistung in dem Energiespeicher (14) zu schätzen; und wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Optimieren der Energiegehaltnutzung und des Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) ferner dazu konfiguriert ist: einen Auslastungsplan für Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss zu erstellen, der ein zweites vorbestimmtes Zeitintervall abdeckt, das länger als das erste vorbestimmte Zeitintervall ist, wobei der Auslastungsplan regelmäßig basierend auf den erhaltenen Informationen und Vorhersagen aktualisiert wird, und einen Betriebsplan basierend auf dem Auslastungsplan zu erstellen, der innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) während des ersten vorbestimmten Zeitintervalls angewendet wird.
Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) mehrere Prozessoren umfasst, die lokal und/oder entfernt verteilt sind.
Steuereinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf Folgendem zu optimieren: - Backup-Leistung und/oder - Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausfällen des externen Stromnetzes und/oder - Verwendungszeit und/oder - Bedarfssteuerung (Demand Response) und/oder - Leistungspreisreduzierung durch Spitzenlastregelung (Peak Shaving) und Phasenausgleich.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend einen Detektor (15), der dazu konfiguriert ist, die Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz (22) zu erfassen, und wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf der Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz (22) zu berechnen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit ferner eine Kommunikationsschnittstelle (16) umfasst, die dazu konfiguriert ist, Informationen in Bezug auf historische Daten zu erhalten, und wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf den historischen Daten zu berechnen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Berechnen des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz (22) basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24) ferner dazu konfiguriert ist: • den Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz (22) zu berechnen, und/oder • den Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz (22) zu berechnen, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, die Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf dem berechneten Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz (22) und/oder dem berechneten Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz (22) zu berechnen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das lokale Stromnetz (21) lokale Energieerzeugung (17) umfasst und wobei die Steuereinheit (10) ferner dazu konfiguriert ist, Informationen in Bezug auf die Wettervorhersage zu erhalten, um eine lokale Energieerzeugungsvorhersage zu bestimmen, und die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist: - die Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf der lokalen Energieerzeugungsvorhersage zu berechnen, und - die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf dem Verbrauch der lokalen Energieerzeugung zu optimieren.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das lokale Stromnetz (21) ein steuerbares Ladegerät umfasst, das dazu ausgelegt ist, den für das lokale Stromnetz (21) zugänglichen Energiespeicher (14) zu laden, wobei die Verarbeitungsschaltung (11), wenn das lokale Stromnetz (21) mit dem externen Stromnetz (22) verbunden ist, ferner dazu konfiguriert ist: • Abweichungen zwischen dem Betriebsplan und dem Auslastungsplan zu überwachen, und • das Ladegerät dynamisch zu steuern, um den Leistungsfluss von dem externen Stromnetz (22) zu optimieren.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die leistungsbezogenen Verbrauchsgüter (24) eine beliebige der folgenden Gruppen umfassen: • rotierende/nicht rotierende Reserve • Frequenzregelung • strategische Reserve • Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung • Schwarzstart • Übertragungsüberlastungabbau • Spitzenlastregelung (Peak Shaving) • Energie-Arbitrage • Phasenausgleich • Leistungssteuerung
Steuereinheit (10) zum Steuern von Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss in einem lokalen Stromnetz (21), das mindestens intermittierend mit einem externen Stromnetz (22) verbunden ist, wobei die Steuereinheit eine Verarbeitungsschaltung (11) umfasst, die dazu konfiguriert ist: - Informationen in Bezug auf Folgendes zu erhalten: • Leistungsverbräuche in steuerbaren Lasten (12) und nicht steuerbaren Lasten (13), die Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss in dem lokalen Stromnetz (21) beeinflussen, • aktueller Energiegehalt in einem für das lokale Stromnetz (21) zugänglichen Energiespeicher (14), und • Marktpreise für energiebezogene Verbrauchsgüter und leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24), die in dem externen Stromnetz (22) verfügbar sind, - Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf den erhaltenen Informationen zu berechnen, - die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf den Vorhersagen zu optimieren, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Optimieren der Energiegehaltnutzung und des Leistungsflusses ferner dazu konfiguriert ist, die Verwendung von Energie und Leistung, die in dem lokalen Stromnetz (21) verfügbar sind, zu priorisieren, und - die optimierte Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) während eines ersten vorbestimmten Zeitintervalls anzuwenden, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Optimieren der Energiegehaltnutzung und des Leistungsflusses innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) ferner dazu konfiguriert ist: - einen Auslastungsplan zur Energiegehaltnutzung und Leistungsfluss zu erstellen, der ein zweites vorbestimmtes Zeitintervall abdeckt, das länger als das erste vorbestimmte Zeitintervall ist, wobei der Auslastungsplan regelmäßig basierend auf den erhaltenen Informationen und Vorhersagen aktualisiert wird, und - einen Betriebsplan basierend auf dem Auslastungsplan zu erstellen, der innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) während des vorbestimmten Zeitintervalls angewendet wird, und wobei das lokale Stromnetz (21) ein steuerbares Ladegerät umfasst, das dazu ausgelegt ist, den für das lokale Stromnetz (21) zugänglichen Energiespeicher (14) zu laden, wobei die Verarbeitungsschaltung (11), wenn das lokale Stromnetz (21) mit dem externen Stromnetz (22) verbunden ist, ferner dazu konfiguriert ist: • Abweichungen zwischen dem Betriebsplan und dem Auslastungsplan zu überwachen, und • das Ladegerät dynamisch zu steuern, um den Leistungsfluss von dem externen Stromnetz (22) zu optimieren.
Steuereinheit nach Anspruch 10, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) mehrere Prozessoren umfasst, die lokal und/oder entfernt verteilt sind.
Steuereinheit nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf Folgendem zu optimieren: - Backup-Leistung und/oder - Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausfällen des externen Stromnetzes und/oder - Verwendungszeit und/oder - Bedarfssteuerung (Demand Response) und/oder - Leistungspreisreduzierung durch Spitzenlastregelung (Peak Shaving) und Phasenausgleich.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner umfassend einen Detektor (15), der dazu konfiguriert ist, die Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz (22) zu erfassen, und wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf der Zugänglichkeit zu dem externen Stromnetz (22) zu berechnen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Steuereinheit ferner eine Kommunikationsschnittstelle (16) umfasst, die dazu konfiguriert ist, Informationen in Bezug auf historische Daten zu erhalten, und wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf den historischen Daten zu berechnen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Energiespeicher (14) ein vorgegebenes niedrigeres Energiegehaltsniveau aufweist und wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Berechnen von Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen ferner dazu konfiguriert ist: • Leistungsverbrauchsvorhersagen für steuerbare Lasten (12) und nicht steuerbare Lasten (13) über mindestens das erste vorbestimmte Zeitintervall zu berechnen, und/oder • Preis pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz (22) basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24) zu berechnen, und/oder • verfügbaren Energiegehalt in dem Energiespeicher (14) basierend auf dem aktuellen Energiegehalt und dem vorgegebenen niedrigeren Energiegehaltniveau zu berechnen und verfügbare Leistung in dem Energiespeicher (14) zu schätzen.
Steuereinheit nach Anspruch 15, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) beim Berechnen des Preises pro Leistungseinheit in dem externen Stromnetz (22) basierend auf dem Marktpreis für leistungsbezogene Verbrauchsgüter (24) ferner dazu konfiguriert ist: • den Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz (22) zu berechnen, und/oder • den Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz (22) zu berechnen, wobei die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist, die Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf dem berechneten Gewinn beim Empfangen von Leistung von dem externen Stromnetz (22) und/oder dem berechneten Gewinn beim Liefern von Leistung an das externe Stromnetz (22) zu berechnen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei das lokale Stromnetz (21) lokale Energieerzeugung (17) umfasst und wobei die Steuereinheit (10) ferner dazu konfiguriert ist, Informationen in Bezug auf die Wettervorhersage zu erhalten, um eine lokale Energieerzeugungsvorhersage zu bestimmen, und die Verarbeitungsschaltung (11) ferner dazu konfiguriert ist: - die Energiegehaltnutzungs- und Leistungsflussvorhersagen basierend auf der lokalen Energieerzeugungsvorhersage zu berechnen, und - die Energiegehaltnutzung und den Leistungsfluss innerhalb des lokalen Stromnetzes (21) basierend auf dem Verbrauch der lokalen Energieerzeugung zu optimieren.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die leistungsbezogenen Verbrauchsgüter (24) eine beliebige der folgenden Gruppen umfassen: • rotierende/nicht rotierende Reserve • Frequenzregelung • strategische Reserve • Spannungsstützung durch Wirk- und Blindleistungssteuerung • Schwarzstart • Übertragungsüberlastungabbau • Spitzenlastregelung (Peak Shaving) • Energie-Arbitrage • Phasenausgleich • Leistungssteuerung