EP3238314A1 - Electrical power distributor and method for distributing electrical power - Google Patents

Electrical power distributor and method for distributing electrical power

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Publication number
EP3238314A1
EP3238314A1 EP15813336.3A EP15813336A EP3238314A1 EP 3238314 A1 EP3238314 A1 EP 3238314A1 EP 15813336 A EP15813336 A EP 15813336A EP 3238314 A1 EP3238314 A1 EP 3238314A1
Authority
EP
European Patent Office
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power
time
distributor
electrical
sources
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15813336.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Ebbes
Bernd REIFENHÄUSER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GIP AG
Original Assignee
GIP AG
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Filing date
Publication date
Application filed by GIP AG filed Critical GIP AG
Publication of EP3238314A1 publication Critical patent/EP3238314A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00Systems involving the use of models or simulators of said systems
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    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H02J3/466Scheduling the operation of the generators, e.g. connecting or disconnecting generators to meet a given demand
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60RVEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for

Definitions

  • the present invention relates to an electric power distributor for a power network with an electrical distribution circuit having at least three terminals, wherein the terminals are connected sources and sinks for electrical energy and wherein the three terminals are electrically connected together so that an electric current from each of the ports to each of the other ports.
  • the present invention also relates to a method for distributing electrical power in a power grid.
  • the buffer memories must be able to compensate for short-term and short-term fluctuations on the source and sink sides.
  • An example of this is the "kick-down", ie the short-term passage of the acceleration regulator of an electrically driven motor vehicle, but also network fluctuations due to short-term weather changes in a supply network with a large proportion of renewable energy sources and short-term load fluctuations are a suitable example of this
  • the need for balancing mechanisms means that the buffers must be able to both dynamically and variably output and record power, and different types of cache buffer request situations can be distinguished:
  • an object of the present invention to provide an electric power distributor and a method for distributing electric power in a power network, which makes it possible to orchestrate a plurality of sources such that one or a plurality of electric energy sinks provide the required power to each one Receives time. To do this, it is necessary to distribute the power provided by the sources to the sinks in such a way that the services requested by the sinks are also provided to them and any performance surpluses or performance deficits due to consideration of further sources and / or sinks, preferably by taking into account an energy store, which acts either as a source or sink to cover.
  • an electric power distributor for a power supply is provided with an electrical distribution circuit having at least three terminals, with the terminals sources and sinks for electrical energy are connectable, wherein the three terminals are electrically connected to each other such that an electric current from each of the terminals to each of the other terminals, and each of the terminals each having a power divider arranged such that, in operation of the power distributor, the electrical power P (t) flowing through the respective terminal varies with time t is adjustable, a communication device which is connectable to a data network and which is arranged so that they are in the operation of the power distributor data from the sources and Sinks, and a controller for controlling a distribution of a flow of electric power P (t) in dependence on the time t at the terminals, wherein the controller is connected to the communication device such that the data received from the communication device of the controller processable wherein the controller is connected to each of the power controllers, the controller being arranged to operate, during operation of the power distributor, electrical power P (t) flowing across each of the terminal
  • this electric power distributor is to provide time dependent power flows (also referred to as power profiles) having different characteristics, i. with different time histories of the power P (t) at the terminals of the distribution circuit of the power distributor, generated by the fact that the electric power distributor controls power flows from the sources connected to it and to the sinks connected to them, that of the sinks required service can be provided.
  • the control mechanisms are based on data which the power distributor or its controller receives from the sources or sinks via a communication device which can be connected to a data network.
  • sources of electrical energy are understood to be all electrical devices which, when connected to the power distributor, provide electrical energy or power thereto.
  • This can be very concrete, for example, power plants of all kinds or rechargeable energy storage, which are discharged.
  • whole subnets may appear as sources, which are connected to one of the connections of the distribution circuit.
  • sinks for electrical energy within the meaning of the present application are all types or types of electrical consumers, for example a household connection, but also whole subnetworks which receive power from the power distributor.
  • a sink within the meaning of the present application is thus each unit of a power network into which electric power flows from the power distributor.
  • a power network of which the electric power distributor forms a built-in state, is, for example, an electrical supply network in which the source and the sink are connected to the power distributor via an overhead line or a ground line or an electrical vehicle electrical system Aircraft, a ship or other means of transport.
  • An electrical distribution circuit according to the present invention may be a bus bar in a first, simple embodiment, to which all terminals of the electric power distributor are connected in parallel. In such an embodiment of the distributor circuit, the power flows within the power distributor are determined solely by the power dividers in the respective connections.
  • At least two of the terminals which are connectable to sources or connected to sources when viewing an electrical power network, are connected via a so-called crossbar, i. a switching matrix, switchable with each other and with a bus bar, which in turn connected to the other terminals, with which further sources or preferably depressions are connected or connected.
  • a switching network also referred to in the past as a crossbar distributor, in the context of the present application serves for switching through the power provided by each source connected to the power distributor to at least one sink connected to the power distributor. Coupling fields for weak currents are known from the communication technology and belong there to the so-called space multiplexing.
  • a switching matrix refers to a matrix connected together (so-called coupling multiple) of incoming and outgoing lines. While a switch fabric in communication technology is completely transparent, i.
  • switching network in the context of the present application also includes switching networks which combine several power flows or divide line flows.
  • An embodiment of the distribution circuit as a switching matrix has the advantage over an embodiment in which all the connections are connected in parallel to a busbar, that the sources can be orchestrated irrespective of the voltages which they provide at the power distributor, and in this way each any voltage level or any temporal course of the power at the terminals, which are connected to sinks can be provided.
  • all the sources and sinks are connected to a distribution circuit which is an electrical coupling field which selectively enables any connection of the connections with each other.
  • a distribution circuit which is an electrical coupling field which selectively enables any connection of the connections with each other.
  • Such a configuration has the highest complexity of the circuit, but also the greatest possible flexibility of the switching states.
  • an energy storage are connected, which is both discharged and charged via the power distributor.
  • all nodes of the switching matrix are formed by a controlled power divider according to embodiments of the present invention. In an alternative embodiment, all nodes of the switching matrix are formed by on / off switches.
  • the distributor circuit has a first and a second section, wherein the first section comprises a coupling field that is configured such that all connections of the first coupling field that can be connected to a source or a drain are parallel or in Series connected to the second portion of the distribution circuit are connectable.
  • the nodes of the switching matrix of the first section of the distributor circuit are formed in an embodiment of regulated power controllers according to embodiments of the present invention.
  • the second section of the distributor circuit can be designed as a passive busbar or as a switching network, which has simple on / off switches at the node.
  • the first section of such a distribution circuit is referred to in the context of the present application as a Physical Abstraction Layer.
  • the advantage of an embodiment of a distribution circuit with a physical abstraction layer is that it has a high flexibility with simultaneously reduced complexity of the circuit.
  • the central element of the electric power distributor is a power divider in each of the terminals, wherein the power divider is set up such that, during operation of the power distributor, the electrical power P (t) flowing through the respective connection can be set as a function of time.
  • a power divider is understood to mean any electronic device with which the electrical power P (t), which flows via the respective connection, can be set as a function of time t.
  • the power divider is a combination of a boost converter and a buck converter whose voltage level can be controlled.
  • the power divider in one embodiment has a control signal input which is connected to the control of the power distributor.
  • the control signal is in the form of the pulse width of a modulated voltage signal, the pulse width controlling the voltage level of the power controller.
  • the boost converter and the buck converter of the power controller in each of the terminals are preferably both bidirectionally configured.
  • a port of the power distributor can be connected to both a source and a sink become. This is particularly important if the source or sink is an energy store in the broadest sense, which can be both discharged and charged via the power distributor.
  • the power dividers are part of a device referred to in the present application as the Digital Flow Controller (DFC) in each of Connections of the distribution circuit is.
  • DFC Digital Flow Controller
  • Such a power flow controller in the sense of the present application can also be described as a regulated power divider whose power level is regulated by means of a control signal predetermined by the control of the power distributor.
  • Such a DFC therefore has, in addition to the power divider or the power controllers, a control which is connected, on the one hand, to the (central) control of the power distributor via a data network and, on the other hand, is connected to the one or more power controllers of the DFC, so that they are in operation
  • Power distributor controls the state of the power divider or regulates it in one embodiment thereof.
  • the control of the DTC is arranged to convert each value for the power flow P (t) of the corresponding port which the control of the DTC receives from the (central) control of the power distributor into a control signal for driving the or the power divider implements.
  • a control signal for driving the power controller is, in one embodiment, the pulse width of the voltage signals with which the gates of the controllable switches, e.g. Thyristors, the power controller are driven.
  • each of the terminals of the power distributor has, in addition to the power divider, a measuring device for detecting an actual electrical power flowing across the terminal.
  • This meter is in one embodiment part of the DTC and connected to the controller of the DTC, the controller of the DTC being arranged to control the actual power through the power distributor terminal to be equal to one from the central power distributor controller predetermined power P (t), which represents the target power in this sense.
  • P (t) the central power distributor controller predetermined power P (t)
  • P (t) the target power in this sense.
  • P (t) the target power in this sense.
  • Such voltage transformers are capable of converting an input voltage to a higher or lower output voltage.
  • Voltage transformers which convert an input voltage to a higher voltage are also referred to as boost converters.
  • Voltage transformers that convert an input voltage into a lower voltage are also referred to as a step-down converter.
  • Step-up converters and step-down converters are typically present as direct current elements, so that when using boost converters and step-down converters in an alternating current system, preferably a DC or an alternating direction takes place in front of and behind such a voltage converter.
  • the power distributor also provides certain functions essential to the invention when it receives data from either the sources or the sinks to calculate the electrical power P (t) flowing through each of the terminals at a time t. The power flows P (t) for the future times t for those sources and / or sinks for which there is no data must be estimated in this case.
  • an embodiment is preferred in which at least data is received from the sources, and preferably also from the sinks.
  • a power flow control in an electrical power distributor requires that the power distributor at each time t have information about which sources at that time t can provide what maximum power P ma x (t). This requires an information flow from the sources to the control of the power distributor. Therefore, the electrical power distributor according to the invention has a communication device which can be connected to a data network and which is set up in such a way that it receives data from the sources during the operation of the power distributor.
  • Such a communication device is in one embodiment an interface for connecting to a data network, it being immaterial for the present invention over which physical transmission path the data network transmits the data to the communication device of the power distributor.
  • the data network may be, for example, a wired data network or a wireless network.
  • the power distributor is arranged to receive data from the sources via the communication device. This assumes that the sources have the appropriate technology to generate data and transmit it to the communication facility of the distribution board. However, in one embodiment, in addition, sources may also be connected to the power distributor that do not provide a data connection to the power distributor.
  • the control of the power distributor is arranged so that for a source connected to the power distributor, which does not transmit state information in the form of data to the power distributor, an estimate of at a future time t maximum of this Source provides power P ma x (t) in order to integrate this source in the power grid can.
  • Such an estimate may be based, for example, on information about the type of source and / or measurement of the power provided by that source over a past period of time.
  • the power distributor has at each time t information about which sinks connected to the power distributor decrease which power at precisely this point in time t. This requires an additional flow of information from the sinks to the control of the power distributor. Therefore, in such an embodiment, the electrical power distributor according to the invention has a communication device which can be connected to a data network and which is set up to additionally receive data from the sinks during operation of the power distributor.
  • the controller for controlling a distribution of the flow of electric power P (t) within the electric power distributor from the terminals connected to the sources to the terminals connected to the sinks is, for example, a microprocessor or a computer in general.
  • the controller is configured and configured to control the power dividers in the operation of the power distributor such that at each time t, the electrical power P (t) provided at a port connected to a drain is equal to that power required by the sink at this time is Pdem (t).
  • the controller is connected to the communication device of the power distributor so that it can receive and process the data received from the communication device.
  • the controller is also connected to each of the power dividers in the terminals of the power distributor.
  • the controller gives each of the power splitters at least one desired value for the power P (t) as a function of the time t, which is supposed to flow over the respective connection.
  • the controller also performs a regulation of the power at the respective port and to this end receives a measured value for the actual power from the port
  • the power splitters themselves may have their own control circuit which is set up in this way in that it adjusts the actual power of the target power specified by the control.
  • the combination of a power divider with the associated regulation of control and measuring device is referred to in the present application as DFC.
  • the controller is informed for each time t about which of the terminals which power P (t) is fed into the power distributor and via which of the terminals which power P (t) is delivered at the time t.
  • the controller is set up to calculate the electrical power P (t) flowing through each of the terminals during operation of the power distributor for each instant t
  • P (t) is set at the time t at the respective terminal.
  • the power P (t) fed into the power distributor from the sources at any time t is at most as large as the maximum electric power P ma x (t) that can be provided by this source at that time.
  • an electric power equal to the electric power Pdem (t) required at that time t by the respective sink is provided.
  • the controller determines a power profile, that is, a profile of the electric power P (t) flowing through the respective terminal for each time t.
  • the controller is set up and configured to approximate the power P (t) as an integer multiple of an elementary power dP as a function of the time t at each of the terminals, where dP via a time interval dt is constant.
  • P (t) an integer multiple of an elementary power dP as a function of the time t at each of the terminals, where dP via a time interval dt is constant.
  • digitization of the power profiles can also be understood and referred to as digitization of the power profiles.
  • This digitization of Performance Profiles with Discrete Elementary Performance Levels dP enables the algorithmic task of efficiently distributing the power of port-connected ports to ports connected to sinks with algorithms. Such algorithms will be described in detail below.
  • the amounts of the power flows of all sources in the power distributor must be divided into the amounts of the individual power flows from the power distributor into the sinks.
  • This task can be solved in particular for digitized power flows P (t) as described above.
  • the physical paths required for the distribution within the distribution circuit must be determined and switched so that all requested power flows for the connected sinks are met.
  • the power distributor adds power flows from different sources so that the desired power flows are created towards the sinks. In one embodiment, this is achieved by adjusting the voltages at the terminals of the sources in such a way that the power flows occur there. Either in the case of parallel circuits by voltage leveling the currents are added or in the case of a series connection, the voltages are added, so that the individual power flows add.
  • the step listed in point 3 is based on the following task: Which sources must be switched in which time sequence over which routes of the distribution circuit and DFCs, so that at the terminals of the power distribution, which are connected to sinks, the power profiles requested by the sinks can be provided ,
  • suitable algorithms are the simplex method and genetic algorithms. Also suitable are algorithms according to embodiments of the present invention as described in detail below
  • the controller is arranged to split digitized electrical power P (t) flowing through each of the terminals connected to a drain during operation of the power distribution unit digitized electrical power P (t). To do this, in one embodiment, the following steps are performed:
  • step 2 if the request can not be fulfilled even with two sources, repeating step 2 with three and more sources,
  • a kt is the value of the k th request profile and z 7t is the value of the maximum power provided by the y ' th source during the t th time slice.
  • the paths through the distributor circuit from the sources to the sinks are also determined using known algorithms or read from corresponding linkage tables.
  • the control of the electric power distributor is set up and configured such that it controls the current flow under the assumption of elementary energy packets with an energy dp ⁇ dt during operation of the power distributor.
  • one of the terminals of the power distributor is electrically connected to an electrical energy store, wherein the energy store is set up so that it can receive, store and / or dispense electrical energy during operation, wherein the energy store is further configured such that on the basis of information about a current state of the energy store, the maximum electric power P ma x (t) which can be supplied by the energy store at a future point in time t and a maximum power consumption P cap (t) that is calculable at a point in time t is calculable, and wherein the control is such is set up and configured in the operation of the power distributor in calculating the current at each time t via each of the terminals flowing electrical power P (t) at this time t provided by the energy storage maximum electric power Pmax (t) or to this Z At the time t possible power consumption P ca (t) of the energy storage considered.
  • Such an embodiment has the advantage that "shortfalls" between the electrical power flowing into the power distributor at a time t and the electrical power flowing out of the power distributor at this time can be compensated for by such an energy store Charged with excess electrical energy or lacking electrical energy is provided by the energy store and thus the terminals connected to the sinks
  • such an energy store is, for example, a super capacitor, a chemical energy store, a mechanical / kinematic energy store, a position energy store or a thermodynamic energy store.
  • At least one such electrical energy store which is electrically connected to one of the terminals of the power distributor, forms an integrated system with the electrical power distributor, the requirement for the electrical energy store is in relation to its maximum electrical power that can be supplied at any time t Power P ma x (t) also to all other sources of electrical energy to be electrically connected to one of the terminals of the power distributor.
  • an electric power network having an electric power distributor as described above in embodiments of the invention and having a data network connected to the communication device of the power distributor, at least one source of electrical energy wherein the source is electrically connected to one of the terminals of the power distributor, the source being configured such that based on information about a current state of the power source, the maximum power of the power source P ma x (t ), and wherein the source has a communication device connected to the data network, which is set up in such a way that, during operation of the power network, it receives data with information about a current state of the energy source and / or with information about the e at a future time t transmits maximum electric power P ma x (t) to the communication device of the power distributor, and at least one sink for electrical energy, wherein the sink is electrically connected to one of the terminals of the power distributor, and wherein the sink connected to the data network communication device which is adapted to transmit data in the operation of the power network with information about
  • An essential feature of the energy store is that the maximum power P ma x (t) that can be provided by it at any future time t or the power P ca (t) that can be received by the energy store at any future time is calculable, if there is information about the current state of the energy store at the time of the calculation.
  • Such information includes in particular the state of charge of the energy store and its charging or discharging behavior with respect to time.
  • Certain properties are already defined by the type of energy storage. For example, a supercapacitor has a different discharge curve than a conventional lithium ion secondary battery.
  • Another information about the state is, for example, the temperature at which the energy store is located. Particularly in the case of accumulators, the discharge behavior depends, for example, on the temperature at which the accumulator is operated and on the number of charging cycles which the accumulator has already undergone.
  • An energy store, its maximum electrical power that can be provided at a future time t, and a maximum power consumption at a future time t can be used can be calculated on the basis of information about a current or current state of the energy store, denote as deterministic energy storage.
  • the energy store transmits information about its current state via the data network and the communication device to the controller of the power distributor and this performs the calculation of Pmax (t) and Pcap (t) or whether P ma x (t) and P ca (t) are calculated on the side of the energy store itself, ie in a computing device provided there and then P ma x (t) and P cap (t) via the data network and the communication device to the control of Be transferred to the service distributor.
  • the energy store has only measuring devices which are read out by the control of the power distributor in order to determine P ma x (t) and P ca (t).
  • P ma x (t) and P cap (t) based on information on the storage type and the type of energy storage based on measurements of current and voltage in a measuring device of a DFC in the terminal of the power distributor, with which the Energy storage is connected determined.
  • the energy storage itself does not require any communication interface or measuring devices in such an embodiment.
  • the sources of electrical energy connected to the power distributor via both the power grid and a data network are deterministic sources which, based on information about a current state of the energy source, makes it possible to calculate the maximum electric power P ma x (t) that can be provided by the energy source at a future point in time t.
  • sources of electrical energy can also be called deterministic sources.
  • the source transmits, as information over the data network, the maximum amount of electrical power P ma x (t) that can be provided at any time t in the future to the control of the power distributor or state information which enables the control P ma x (t) to calculate.
  • Easy to calculate is the maximum deliverable power P ma x (t), for example, for diesel generators with a constant power output over time.
  • the sinks connected to the terminals of the power distributor must also be deterministic in the sense that the controller of the power distributor at each instant t has knowledge of what power Pdem (t) at that time t from the respective sink is needed.
  • the sink transmits over the data network and the communication device of the Distributor this information so that it is available to the control of the power distributor.
  • the required power of a sink may also be estimated or otherwise calculated by the controller of the power distributor.
  • the source (s) and the sink (s) are connected to the power distributor via an overhead line or a ground line or underwater line. That is, in such a case, the electrical grid is a distribution network for connecting households, industrial companies or other consumers to energy producers, such as conventional power plants, renewable energy plants or energy storage facilities.
  • the electric power grid is an electrical system of a vehicle, an aircraft or a ship.
  • the energy store and the source of electrical energy which are connected to terminals of the power distributor, have mutually different power profiles P (t). This makes it possible to comply with the combination of the energy storage and the source of electrical energy very different performance profiles on the side of the sink or sinks.
  • At least one of the aforementioned objects is also achieved by a method for distributing electric power in a power network comprising the steps of: connecting at least three sources and electrical energy sinks to one terminal of a distribution circuit, the terminals of the distribution circuit being electrically connected to one another in that an electric current can flow from each of the terminals to each of the other terminals, and receiving data from the sources or sinks, calculating the electric power P (t) flowing through each of the terminals as a function of time t and in response to the data received from the sources or sinks, and controlling the electrical power P (t) flowing through each of the terminals at a time t, by means of a respective power controller connected to the terminal.
  • the power distributor can serve in one embodiment for network stabilization, in particular for buffering short-term fluctuations in the range of services or in the demand for power.
  • the power distributor may serve as an interface between conventional networks and digitally controlled networks, so-called smart grids, or packet-based power transmission networks.
  • the power distributor is used for the management of energy stores, preferably of accumulators. He controls in particular Umladevone and a charge management of energy storage.
  • Figure 1 shows schematically an embodiment of a digitization of a souppro- a capacitor during discharge.
  • FIG. 2 schematically shows a further embodiment of a digitization of a power profile of a capacitor during the discharge.
  • Figure 3 shows schematically the structure of an embodiment of an inventive
  • FIG. 4 schematically shows a detailed representation of the power network from FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a block diagram of an embodiment of a power flow controller according to the present invention.
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a bidirectional boost / buck converter according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows a schematic diagram of a distribution circuit with a passive
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a cascaded arrangement of passive ones
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a completely reconfigurable switching matrix as a distributor circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a variant of the switching matrix from FIG. 9.
  • Figure 1 1 a shows an exemplary representation of a 4 x 1 switching matrix.
  • Figure 1 1 b shows a schematic representation of the switching states of the Kopppelfeldes from Figure 1 1 a).
  • FIG. 12 a shows a schematic representation of a distribution circuit according to an embodiment of the present invention with a passive busbar and a so-called. Physical Abstraction Layer.
  • FIG. 12 b) shows a schematic circuit diagram of a DFC from FIG. 12 a).
  • FIG. 13 shows a schematic circuit diagram of a distributor circuit according to another
  • Embodiment of the invention with a coupling field and a so-called. Physical Abstraction Layer.
  • Figure 14 shows an exemplary schematic representation of the distribution of elementary power units from three sources to one sink.
  • FIG. 15 shows a block diagram of an electrical system of a motor vehicle according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 16 schematically shows the exemplary power flow in the vehicle electrical system from FIG. 15 in an excellent load situation.
  • identical elements are designated by identical reference numerals.
  • weather-dependent sources e.g. Wind turbines or photovoltaic systems
  • sources all those elements in a power network that deliver electrical power.
  • sinks are considered all those elements that absorb electrical power.
  • An energy store is in this sense both source and sink for electrical energy.
  • a subnetwork of an electric power network having both sources and sinks may appear both as a source and as a sink from the point of view of a network node, ie a power distributor according to the invention, which connects this subnetwork to other subnetworks, depending on whether the power Distributor to consider, from the subnet receives electrical power or outputs electrical power to this.
  • Resulting under- or overlaps in the electrical power in the electric power distributor must therefore be compensated in an embodiment of the invention by appropriate energy storage or additionally switchable sources.
  • the methods of controlling the power distributor described below are used to generate power profiles that provide the necessary power flows in the short term from energy storage devices connected to the power distributor to support the network. These power profiles are selected to support the network so that the predetermined power flow or the voltage level or the mains frequency are within the specified tolerances.
  • the power profiles of both the sources and the sinks are approximated by elementary power profiles with constant power units dP over a period dt.
  • the power P in a given interval dt can be approximated as P #, where where P- P # ⁇ . That is, the power P in the interval dt is approximated as an integer multiple of the elementary power profile dP.
  • FIG. 1 shows an approximation of the power profile P (t) of a discharging capacitor carried out in this way.
  • a capacitor could be used, for example, as an energy store, which is connected to a connection of the power distributor.
  • For the power output of such a capacitor is general
  • the approximation can be performed using a Power of 2 education law, as known from digital technology.
  • a Power of 2 education law as known from digital technology.
  • Such an approximated course of the power curve P (t) of the discharged capacitor is shown by way of example in FIG.
  • the digitized approximation P # can then be described as
  • the current state of all sources including a source known as energy storage and at least the power requirement Pdem (t) of the sinks must be known at each instant t.
  • P (t) the power requirement of the sinks
  • FIG. 3 schematically shows a power network consisting of a plurality of sinks or consumers 1000, a plurality of sources or generators 3000 and the power distributor 2000 according to the invention.
  • All of the terminals of the power distributor 2000 are bidirectionally configured, so that it makes no difference to the power distributor 2000 in the described embodiment whether a source or sink is connected to one of its terminals.
  • individual elements connected to the power distributor 2000 may be both source and sink.
  • An example of this is an energy store. This is true even if one of the with the Power Distributor 2000 connected elements, for example, one of the sinks 1000, a subnetwork of a power network, which is connected via the power distributor 2000 with other subnets.
  • the consideration of whether an element 1000, 3000 connected to the power distributor 2000 is a source or sink depends only on whether this element provides electrical power to or receives electrical power from the power distributor 2000 at a given time t. For ease of consideration, it is always assumed in the following description that at a given time t, all elements labeled 1000 are sinks and all elements labeled 3000 are sources. Together, elements 1000, 3000 are also referred to as nodes.
  • FIG. 4 shows a detailed representation of the power network from FIG. 3, it being apparent in this representation that the power network according to the invention comprises two grids both logically and physically.
  • this is a data network which enables an exchange of information between individual communication devices of the components of the power network.
  • the data network connects each of the sink controllers 1200 of the wells 1000 to a communication device 2200 of the power distributor 2000, and the source controllers 3200 of the sources 3000 for electrical energy to the communication device 2200 of the power distributor 2000.
  • the electrical connections 1 are 100 and 3100 of the wells 1000, respectively and the sources 3000 are electrically connected to a connection system 2100, this connection system 2100 forming an electrical distribution circuit in the sense of the present application.
  • the electrical connections 1 100, 3100 and thus the actual consumers 1300 and generators 3300 are interconnected. Components 1 100, 2100 and 3100 thus form the power section of the power grid shown.
  • the term generator 3300 includes any type of electrical energy source, such as a turbine, wind turbine, photovoltaic system or accumulator.
  • a controller 2300 of the power distributor 2000 serves to control the electric power flows in the power unit 1100, 2100, 3100 required at a time t and the power flows required at this time from status information stored in the data network between the communication devices 1200 connected thereto , 2200, 3200 are to be exchanged.
  • the task of the controllers 1 100 of the sinks 1000 is to generate digitized requirement profiles for the required power Pdem (t) as a function of the time t on the basis of the current and expected power requirements of the actual consumers 1300 and these via the Data network to the communication device 2200 of the power distribution to communicate.
  • the controllers 3200 of the sources 3000 determine and update state information about the generators 3300 and to calculate from this state information the maximum achievable electrical power from the source 3000 at any future time t and this information to the communication device 2200 the power control 2000 to submit.
  • the controller 3200 could merely determine and update state information of the generator 3300 and communicate that state information over the data network to the communication device 2200 of the power distributor 2000, in which case the central controller 2300 will do the computing of the from the source 3000 at a time t maximum available electrical power P ma x (t) takes over.
  • each of the terminals has a power divider which makes it possible to set the electrical power P (t) flowing through the respective terminal as a function of the time t.
  • the power divider is part of a power flow controller DFC, which has additional components in addition to the power controller.
  • the power flow controller with the power divider may also be used as a variable switch in the electrical distribution circuit itself beyond its use in each of the terminals of the distribution circuit, as will be explained below.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the power flow controller DFC with its individual components.
  • the power flow controller DFC has a computer unit 4 (as control of the DFC in the sense of the present application) for control, regulation, management and communication.
  • the power flow controller also has a connection to a data network, in this case an IP network 8, a power divider 1 based on a bidirectional step-up / step-down divider, a DC / DC converter 2 and a measuring device 3 for detecting the actual electrical power a measurement of current and voltage.
  • the computer unit 4 is connected via control lines 5, 6 to the boost / buck converter 1 and the DC / DC converter 2 and via a measuring line 7 to the measuring device 3.
  • the DC / DC converter 2 serves to adjust the voltage level required by the network.
  • the power flow controller DFC of FIG. 5 is a DC (DC) component.
  • this power flow controller DFC can nevertheless also be used to implement a power distribution in an AC power grid.
  • Figure 6 shows a schematic circuit diagram of the bidirectional step-up / step down converter 2 of Figure 5. This is capable of producing a power flow in both directions, i. both into the power distributor and out of the power distributor out to sinks or consumers out.
  • the electrical distribution circuit 2100 of the electric power distributor 2000 may be implemented in a number of embodiments.
  • FIG. 7 shows a first very simple embodiment of the distribution circuit 2100, wherein the respective power flow controllers DFC are depicted in the connections of the distribution circuit.
  • the distributor circuit 2100 from FIG. 7 comprises a simple bus bar 9, to which all connections and thus the power controllers DFC are connected in parallel. It is also indicated in FIG. 7 that the individual power flow controllers DFC are connected to one another via a data network 8.
  • the data network 8 in turn connects the power flow controllers DFC to the controller 2300 of the power distributor 2000.
  • This embodiment of the distributor circuit has the advantage that it is easy to implement and the power distributor as a whole manages with a number of power controllers DFC which is equal to the number of terminals of the distributor circuit.
  • the disadvantage of this simple embodiment of the distribution circuit is that it has limitations in the configurability of power distribution from the sources to the sinks.
  • all sources are connected in parallel to the rail. That is, all sources are operated on the rail with the same voltage, the currents add up.
  • the power divider DFC will ensure that that the corresponding power is fed. So that all sources can be connected at the same voltage level, a DC / DC voltage converter is provided in each power controller. 2.
  • a serial connection of the sources is not possible with the passive busbar 9. This requires a cascade of passive busbars that form a tree. Such an arrangement is shown schematically in FIG. In this circuit, individual connections of a busbar can be connected to one terminal of a busbar in a next higher busbar.
  • FIG. 8 shows schematically the structure of the power distributor 2100 in the manner of a fully reconfigurable crossbar, i. a six-by-four switching matrix.
  • the distribution circuit 2100 of FIG. 9 has a power flow controller DFC at each node of the switching network.
  • FIG. 10 shows a variant of the switching matrix from FIG. 9, the switches s being designed as simple on / off switches at the nodes of the switching matrix.
  • 1000 DFCs are provided in the connections of the sources 3000 and the load to provide the required power flow control.
  • FIG. 1 a shows, by way of example, a simplified crossbar with four sources 10 and only one single connection 1 1 for one sink, whereby it is taken into account that each of the DC sources 10 is connected via two lines to the connection 1 1 for the sink have to be.
  • Figure 1 1 a) in each case a part of a power flow controller, namely for a wire of a line, referred to.
  • Figure 1 1 b) shows a schematic representation that all possible variants of series and parallel circuits can be realized with this arrangement.
  • This form of switching matrix is scalable with respect to the number of connections for sources and sinks, with the associated complexity increasing substantially linearly as the number of sources and sinks increases.
  • the physical abstraction layer 13 is used to connect the sources Z1 to Z4 in parallel and in series. Each individual source can be connected to the busbar 9. Sources Z1 to Z4 following each other can be connected in parallel and in series with the bus bar. Also, sources Z1 to Z4 can be interconnected by omitting other sources Z1 to Z4. However, this means that the skipped sources can no longer be used. By appropriate circuit of the DFCs any series and series circuits of the sources Z1 to Z4 can be realized. With reference to Figure 12 a) will now be described how sources Zi and Z2 and the sources Z3 and Z 4 are connected in series.
  • the series-connected sources Z1 and Z2 are connected in parallel via the terminals A1 and A4 and via the terminals A5 and A8, where the serially connected sources z3 and z4 are connected, to the corresponding current conductors of a bus bar 9.
  • the power flow controllers DFC1 to DFC15 each have three connections in the schematic view from FIG. 12 a). This is an equivalent circuit diagram, the exact configuration of which is shown in FIG. 12 b). On the left side of FIG. 12 b), the equivalent circuit diagram of the 2 ⁇ 1 DFC from FIG. 12 a) is shown once more, on the right side the actual switching circuit.
  • the 3-port DTC is implemented by a DTC as shown to the right in Figure 12 b, the output of which is connected to two switches S1, S2 connected in parallel, with both the DTC and the two switches S1, S2 connected to the controller 2300 of the power distributor 2000 are connected and controlled by this.
  • FIG. 13 shows schematically the connection of a physical abstraction layer 13 to an active, that is to say switched, switching network.
  • the switching network is a switching network with simple on / off switches S, as they have already been described for the switching network of Figure 10.
  • the wiring of the distribution circuit 2100 is performed by the controller 2300 of the power distributor.
  • the controller 2300 and the controllers of the sources and sinks 1200, 3200 form a logical level, which is also referred to as a control plane. Tasks of this control plane are in particular:
  • the process control and source determination is iteratively optimized
  • Source Management Requirement of external power for recharging as well as internal re-storage and selection of defective sources
  • each of the power profiles P (t) is based on elementary power units dP, which have a constant power over a time interval dt dp, where the power at one time is equal to an integer multiple of the elementary power unit dP.
  • the time intervals dt are just selected such that they correspond to the time duration dt of an elementary power element dP.
  • the source controllers periodically or on request report the information about their current state of charge, but also the temperature, aging or the number of charge cycles already performed (in the case that the source is an accumulator) in the form of a state matrix M_i of its associated source Z_i the controller 2300 of the power distributor 2000. These status matrices are then stored in the controller 2300.
  • the state matrix is always a section through a high-dimensional map and is formed for fixed load resistance values, temperature values, etc.
  • the controllers 1200 of the sinks 1000 only transmit request profiles Pdem (t) to the controller 2300 with a time stamp.
  • the load resistance of the sinks 1000 to be supplied is now estimated or determined by means of a measuring head in the power connections 1 100 of the sinks 1000.
  • the controller knows the maps of the sources 3000 and thus the dependence of the states z. B. from the load resistance.
  • the current state matrices are corrected according to the effect of the individual load resistances. In particular, for example, the discharge time of a storage capacitor used as a source changes as a function of the total load resistance associated therewith.
  • the controller 2300 determines appropriate sources 3000 so that at any one time the sum of the power provided by the individual sources 3000 is equal to the sum of the power requested by the sinks.
  • Figure shows this distribution task simplified insofar as only a single sink must be supplied whose requested power profile Pdem (t) is shown in Figure 14 below.
  • This requested power profile of the sink is now composed of the three power profiles shown in FIG. 14 above.
  • Two elementary power units dP are taken from the source Z1 in the first and second time intervals z_1 1 and z_12, and two elementary power units dP are also taken from the source Z2 for the second time interval, so that in the second time interval the control is effected by series connection of the two sources Z1 and Z2 can provide a total of four elementary power units dP for the duration dt. No power is needed for the third time interval.
  • source Z1 and source Z3 each provide two elementary power units dP.
  • the algorithm as part of the orchestration algorithm for assembling the requested performance profile relies on a packaging problem.
  • the requested performance profile forms the packaging space and the digitized performance profiles of the sources provide the packages. Added to this is the boundary condition that the packets have a given chronological sequence both on the source side and the lower side.
  • Such a packaging algorithm as part of the orchestration algorithm, can look like this:
  • a kt be the value of the k th requirement profile and z 7t the value of the maximum power of the y ' th source during the t th time slice.
  • Residual values of both sources updated. • If the request can not be fulfilled even with two sources, it will be tried with three, with four, etc.
  • two or more requested power profiles of the sinks are to be fulfilled with such an algorithm, two or more calculations are carried out in parallel.
  • One invoice starts at the first source and the second from the last source. To save time, you can partition the sources and begin parallel calculations for the partitions. There must be a higher-level control and procurement mechanism for this. If the bills in their partitions are unsuccessful, they will perform this calculation iteratively in the next one. If an invoice in a partition has succeeded, the value for other invoices will be blocked. In the event that there is only one solution but two or more requested service packages, and there is no priority marking one of the requesting sinks, then the decision on which sink to serve may be decided randomly or the existing performance profiles of the sources will be uniform all sinks distributed.
  • the request for a service package must be answered by a sink in a defined time.
  • Possibilities to enable predictability in a given time frame include, for example, a Power of 2 approach to digitizing performance profiles, typing and classifying the requested performance profiles, parallelizing or transmitting typical features.
  • the sources are categorized into equivalence classes with regard to their performance properties, eg in capacitors, batteries, etc.
  • the requested power profiles of the sinks are analyzed and then eliminated
  • those classes are selected whose performance profiles can be most suitably used to synthesize the respective requested performance profile.
  • the algorithm must also address the question of whether the requested performance profile is realized by a series connection of sources (higher voltage and smaller currents) or by a parallel connection of sources (smaller voltage but higher current).
  • the requirements are therefore to be provided with relevance.
  • the relevance is represented by a number. The higher the number, the higher the relevance.
  • Each relevance is assigned a priority and the respective request is processed with the priority assigned to its relevance.
  • a solution with the smallest deviation or a predetermined deviation threshold is sought. This delta is then sent to the requesting sink. This can then change the request or trigger the immediate delivery.
  • Network stabilization requirements are more relevant compared to the relevance of hole bridging requirements between re-ordering and actual delivery.
  • a request with higher relevance is processed with higher priority.
  • the sources when it is energy storage, are assigned operational priorities for management purposes. For example, a certain type of high access frequency accumulator with only small power packets retrieved may be less suitable or one accumulator has already reached a higher number of charge cycles compared to another accumulator.
  • FIG 15 shows schematically the structure of a vehicle electrical system of an electric car.
  • the motor M is an electric motor which is used both to drive the vehicle and to recuperate braking energy.
  • the motor M is thus either source or sink for electrical energy depending on the viewing time t.
  • the generator G is an electric generator, e.g. based on an internal combustion engine or a fuel cell whose primary energy sources are kept in a separate tank. Batteries B and capacitor C may also both accept or provide power, depending on the adjusted flow direction of the DFC.
  • the structure of the distribution circuit corresponds to the structure as shown in FIG.
  • the essential feature of the DFCs is to generate a defined current flow and thus a defined power flow between the terminals in the vehicle electrical system by targeted generation of a potential difference between at least two terminals.
  • Kirchhoff's rules are only piecemeal and intermittent valid and lose their applicability for the global determination of the power flows in this network.
  • the DTCs are linked through the power distributor control and are used to orchestrate the individual sources and sinks and the energy flows between them.
  • FIG. 16 shows the composition of the power profile requested by the engine M and then provided to it with the onset of the sudden acceleration at the instant to.
  • the service provided consists of three different shares, which are supplied by three different sources.
  • the envelope of the power profile P (t) is equal to the power required for the abrupt increase in speed.
  • the generator G provides a power profile for the electric motor M.
  • the power profile for the power requested by the electric motor as a sink connected to the power distributor is generated by the accelerator pedal of the vehicle and transmitted to the controller of the power distributor in the form of data.
  • the electric motor works at one of its defined operating point which is characterized by a high efficiency.
  • t> t0 the acceleration process is initiated
  • the motor requests the maximum total power
  • an additional power profile is provided by the capacitor bank C as this can provide the highest power gradient.
  • the energy content of the capacitor bank C is not sufficient for the entire acceleration process, therefore, a supplementary power flow is requested by the traction battery B.
  • a higher power from the generator G is requested, since the required base load has increased and about the maximum of the traction battery Provable power is too low.
  • the generator changes to another operating point, for which it requires a certain amount of time, since it has a shallower gradient than, for example, the capacitor bank C.

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Abstract

The present invention relates to an electrical power distributor (2000) for an electrical grid, and to a method for distributing electrical power in an electrical grid. The method comprises: connecting at least three sources (3000) and sinks (1000) for electrical energy, each having a terminal of a distribution circuit, wherein the terminals of the distribution circuit are electrically connected to one another such that an electrical current can flow from each of the terminals to each of the other terminals; receiving data from the sources (3000) or sinks (1000); calculating the electrical power P(t) flowing via each of the terminals according to time t and according to the data received from the sources (3000) and sinks (1000); and controlling the electrical power P(t) flowing at a time t via each of the terminals by means of a respective power controller connected to the terminal.

Description

Elektrischer Leistungsverteiler und Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung  Electric power distributor and method for distributing electric power
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsverteiler für ein Stromnetz mit einer elektrischen Verteilerschaltung, die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüs- sen Quellen und Senken für elektrische Energie verbindbar sind und wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann. The present invention relates to an electric power distributor for a power network with an electrical distribution circuit having at least three terminals, wherein the terminals are connected sources and sinks for electrical energy and wherein the three terminals are electrically connected together so that an electric current from each of the ports to each of the other ports.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in ei- nem Stromnetz. The present invention also relates to a method for distributing electrical power in a power grid.
Ein zentrales Element bei der Nutzung regenerativer Energiequellen in einem Stromnetz, aber auch bei der Energieversorgung mobiler Verbraucher, beispielsweise von Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb, sind Pufferspeicher. Diese dienen dazu, die Volatilität bei Einspeisung von elektri- scher Leistung durch die Quellen und den Verbrauch durch Senken für die elektrische Leistung ausgleichen zu können. Ohne einen Pufferspeicher lässt sich zu jedem Zeitpunkt nur die Menge an elektrischer Leistung transportieren und/oder den Verbrauchern bzw. Senken bereitstellen, die zu dem gegebenen Zeitpunkt gerade erzeugt wird. Aufgrund der Volatilität sowohl der Quellen als auch der Senken lässt sich so keine Versorgungssicherheit gewährleisten. A central element in the use of renewable energy sources in a power grid, but also in the supply of energy to mobile consumers, such as motor vehicles with electric drive, are buffer storage. These are used to compensate for the volatility of the supply of electric power by the sources and the consumption by sinks for the electric power. Without a buffer memory, only the amount of electrical power can be transported and / or provided to the consumers or sinks that are being generated at the given time at any given time. Due to the volatility of both sources and sinks, security of supply can not be guaranteed.
Die Pufferspeicher müssen insbesondere kurzfristige und kurzzeitige Schwankungen auf Seiten der Quellen und Senken ausgleichen können. Als Beispiel hierfür dient der„Kick-Down", d.h. das kurzfristige Durchtreten des Beschleunigungsreglers eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Aber auch Netzschwankungen aufgrund von kurzzeitigen Wetteränderungen in einem Ver- sorgungsnetz mit einem großen Anteil von erneuerbaren Energiequellen sowie kurzfristige Lastschwankungen bilden ein geeignetes Beispiel für die Notwendigkeit von Ausgleichsmechanismen. Die Pufferspeicher müssen daher dynamisch und variabel Leistung sowohl abgeben als auch aufnehmen können. Dabei können verschiedene Arten von Anforderungssituationen für die Pufferspeicher unterschieden werden: In particular, the buffer memories must be able to compensate for short-term and short-term fluctuations on the source and sink sides. An example of this is the "kick-down", ie the short-term passage of the acceleration regulator of an electrically driven motor vehicle, but also network fluctuations due to short-term weather changes in a supply network with a large proportion of renewable energy sources and short-term load fluctuations are a suitable example of this The need for balancing mechanisms means that the buffers must be able to both dynamically and variably output and record power, and different types of cache buffer request situations can be distinguished:
1. Überbrücken längerfristiger Perioden bis hin zu Jahreszeitenspeichern, 2. bilanzielle Speicher zum Ausgleich von Unter- und Überdeckungen in einem Stromnetz,1. bridging longer-term periods to season memories, 2. Balance sheet memory to compensate for under- and over-coverage in a power grid,
3. Ausgleichen von kurzfristigen und zeitlich begrenzten Unter- und Übermengen, wie sie zum Beispiel aufgrund von Netzschwankungen in einem Stromnetz auftreten, um das Stromnetz zu stabilisieren, 3. Balancing short-term and temporary shortfalls and surpluses, such as those that occur due to grid fluctuations in a grid, in order to stabilize the grid,
4. Pufferspeicher für einen digitalen Endpunkt in einem gerouteten auf einer paketbasierten Übertragung beruhenden Versorgungsnetz sowie Gateways bzw. Schnittstellen eines solchen gerouteten auf einer paketbasierten Übertragung beruhenden Versorgungsnetz zum klassischen Ohm'schen Stromnetz,  4. buffer memory for a digital endpoint in a routed packet-based transmission-based utility network and gateways or interfaces of such a routed packet-based transmission based utility network to the classic ohmic power grid;
5. Anforderung, die aus neuen Konzepten für Stromnetze resultieren, wie zum Beispiel einen paketbasierten Stromtransport und  5. Requirements resulting from new power grid concepts, such as packet-based power transport and
6. Anforderungsszenarien, wie sie beispielsweise in der Leistungsversorgung von elektrisch angetriebenen Verkehrsmitteln wie Autos, Schiffen und Flugzeugen auftreten.  6. Requirements scenarios, as they occur, for example, in the power supply of electrically driven means of transport such as cars, ships and aircraft.
Dabei können grundsätzlich zwei voneinander zu unterscheidende Fälle auftreten, nämlich zum Einen, dass die von einer oder einer Mehrzahl von Senken zu einem Zeitpunkt angeforderte elektrische Leistung die von den Quellen zu diesem Zeitpunkt bereitgestellte Leistung übersteigt und zum Anderen, dass die von den Quellen zu einem Zeitpunkt bereitgestellte Leistung größer ist als die von den Senken zum gleichen Zeitpunkt abgerufene Leistung. There may in principle be two cases to be distinguished from one another, namely that the electrical power demanded by one or a plurality of sinks at a time exceeds the power provided by the sources at that time and, secondly, that the one from the sources to one Power Provided is greater than the power fetched by the sinks at the same time.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Leistungsverteiler sowie ein Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine Mehrzahl von Quellen derart zu orchestrieren, dass eine oder eine Mehrzahl von Senken für elektrische Energie die benötigte Leistung zu jedem Zeitpunkt erhält. Dazu ist es notwendig, zum einen die von den Quellen bereitgestellte Leistung derart auf die Senken zu verteilen, dass die von den Senken angeforderten Leistungen diesen auch bereitgestellt werden und auftretende Leistungsüberschüsse oder Leistungsdefizite durch das Berücksichtigen weiterer Quellen und/oder Senken, vorzugsweise durch das Berücksichtigen eines Energiespeichers, der wahlweise als Quelle oder Senke wirkt, abzudecken. Therefore, it is an object of the present invention to provide an electric power distributor and a method for distributing electric power in a power network, which makes it possible to orchestrate a plurality of sources such that one or a plurality of electric energy sinks provide the required power to each one Receives time. To do this, it is necessary to distribute the power provided by the sources to the sinks in such a way that the services requested by the sinks are also provided to them and any performance surpluses or performance deficits due to consideration of further sources and / or sinks, preferably by taking into account an energy store, which acts either as a source or sink to cover.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektrischer Leistungsverteiler für ein Stromnetz bereitgestellt mit einer elektrischen Verteilerschaltung, die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüssen Quellen und Senken für elektrische Energie verbindbar sind, wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und wobei jeder der Anschlüsse jeweils einen Leistungssteiler aufweist, der so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einstellbar ist, einer Kommunikationseinrichtung, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen und Senken empfängt, und einer Steuerung zum Steuern einer Verteilung eines Flusses der elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an den Anschlüssen, wobei die Steuerung mit der Kommunikationseinrichtung derart verbunden ist, dass die von der Kommunikationseinrichtung empfangenen Daten von der Steuerung verarbeitbar sind, wobei die Steuerung mit jedem der Leis- tungssteller verbunden ist, wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten berechnet und wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t steuert. To achieve this object, an electric power distributor for a power supply is provided with an electrical distribution circuit having at least three terminals, with the terminals sources and sinks for electrical energy are connectable, wherein the three terminals are electrically connected to each other such that an electric current from each of the terminals to each of the other terminals, and each of the terminals each having a power divider arranged such that, in operation of the power distributor, the electrical power P (t) flowing through the respective terminal varies with time t is adjustable, a communication device which is connectable to a data network and which is arranged so that they are in the operation of the power distributor data from the sources and Sinks, and a controller for controlling a distribution of a flow of electric power P (t) in dependence on the time t at the terminals, wherein the controller is connected to the communication device such that the data received from the communication device of the controller processable wherein the controller is connected to each of the power controllers, the controller being arranged to operate, during operation of the power distributor, electrical power P (t) flowing across each of the terminals in response to data received from the sources or sinks and wherein the controller is set up such that, in operation of the power distributor, it controls the electrical power P (t) flowing through the respective connection as a function of the time t.
Die diesem elektrischen Leistungsverteiler zu Grunde liegende Idee ist es, zeitabhängige Leistungsflüsse (diese werden auch als Leistungsprofile bezeichnet) mit unterschiedlichen Charakteristiken, d.h. mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der Leistung P(t) an den Anschlüssen der Verteilerschaltung des Leistungsverteilers, dadurch zu generieren, dass der elektrische Leistungs- Verteiler Leistungsflüsse von den mit ihm verbundenen Quellen und zu den mit ihm verbundenen Senken so steuert, dass die von den Senken geforderte Leistung bereitgestellt werden kann. Dabei beruhen die Steuerungsmechanismen auf Daten, welche der Leistungsverteiler bzw. dessen Steuerung über eine Kommunikationseinrichtung, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist, von den Quellen oder Senken empfängt. The idea underlying this electric power distributor is to provide time dependent power flows (also referred to as power profiles) having different characteristics, i. with different time histories of the power P (t) at the terminals of the distribution circuit of the power distributor, generated by the fact that the electric power distributor controls power flows from the sources connected to it and to the sinks connected to them, that of the sinks required service can be provided. The control mechanisms are based on data which the power distributor or its controller receives from the sources or sinks via a communication device which can be connected to a data network.
Unter Quellen für elektrische Energie im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden alle elektrischen Einrichtungen verstanden, welche, wenn sie mit dem Leistungsverteiler verbunden sind, an diesen elektrische Energie bzw. Leistung bereitstellen. Dies können ganz konkret beispielsweise Kraftwerke aller Art sein oder auch wieder aufladbare Energiespeicher, welche entladen werden. Darüber hinaus können als Quellen ganze Teilnetze erscheinen, welche mit einem der Anschlüsse der Verteilerschaltung verbunden sind. For the purposes of the present application, sources of electrical energy are understood to be all electrical devices which, when connected to the power distributor, provide electrical energy or power thereto. This can be very concrete, for example, power plants of all kinds or rechargeable energy storage, which are discharged. In addition, whole subnets may appear as sources, which are connected to one of the connections of the distribution circuit.
Entsprechend sind Senken für elektrische Energie im Sinne der vorliegenden Anmeldung alle Typen oder Arten von elektrischen Verbrauchern, beispielsweise ein Haushaltsanschluss, aber auch ganze Teilnetze, welche Leistung von dem Leistungsverteiler beziehen. Eine Senke im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist somit jede Einheit eines Stromnetzes, in welche elektrische Leistung aus dem Leistungsverteiler fließt. Correspondingly, sinks for electrical energy within the meaning of the present application are all types or types of electrical consumers, for example a household connection, but also whole subnetworks which receive power from the power distributor. A sink within the meaning of the present application is thus each unit of a power network into which electric power flows from the power distributor.
Ein Stromnetz, dessen Teil der elektrische Leistungsverteiler in verbautem bzw. eingebautem Zu- stand bildet, ist beispielsweise ein elektrisches Versorgungsnetz, bei welchem die Quelle und die Senke über eine Freileitung oder eine Erdleitung mit dem Leistungsverteiler verbunden sind oder ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs, eines Luftfahrzeugs, eines Schiffes oder eines anderen Verkehrsmittels. Eine elektrische Verteilerschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in einer ersten, einfachen Ausführungsform eine Stromschiene sein, mit welcher alle Anschlüsse des elektrischen Leistungsverteilers in Parallelschaltung verbunden sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Ver- teilerschaltung werden die Leistungsflüsse innerhalb des Leistungsverteilers alleine durch die Leistungssteiler in den jeweiligen Anschlüssen bestimmt. A power network, of which the electric power distributor forms a built-in state, is, for example, an electrical supply network in which the source and the sink are connected to the power distributor via an overhead line or a ground line or an electrical vehicle electrical system Aircraft, a ship or other means of transport. An electrical distribution circuit according to the present invention may be a bus bar in a first, simple embodiment, to which all terminals of the electric power distributor are connected in parallel. In such an embodiment of the distributor circuit, the power flows within the power distributor are determined solely by the power dividers in the respective connections.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei der Anschlüsse, die mit Quellen verbindbar sind oder bei Betrachtung eines elektrischen Stromnetzes mit Quellen verbun- den sind, über ein sogenanntes Cross-Bar, d.h. ein Koppelfeld, schaltbar miteinander und mit einer Verteilerschiene, welche wiederum mit den anderen Anschlüssen, mit welchen weitere Quellen oder vorzugsweise Senken verbindbar sind oder verbunden sind, verbunden. Ein Koppelfeld, früher auch als Kreuzschienenverteiler bezeichnet, im Sinne der vorliegenden Anmeldung dient zum Durchschalten, der von einer jeden mit dem Leistungsverteiler verbundenen Quelle bereitgestellten Leistung zu mindestens einer mit dem Leistungsverteiler verbunden Senke. Koppelfelder für schwache Ströme sind aus der Kommunikationstechnik bekannt und zählen dort zu den so genannten Raummultiplexverfahren. Ein Koppelfeld bezeichnet eine zusammen geschaltete Matrix (so genannte Koppelvielfache) von kommenden und gehenden Leitungen. Während ein Koppelfeld in der Kommunikationstechnik völlig transparent ist, d.h. die Signale der Eingänge ohne Änderun- gen oder Verfälschungen auf entsprechende Ausgänge schaltet, umfasst der Begriff des Koppelfeldes im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch Koppelfelder, welche mehrere Leistungsflüsse miteinander kombinieren oder Leitungsflüsse aufteilen. In another embodiment of the invention, at least two of the terminals, which are connectable to sources or connected to sources when viewing an electrical power network, are connected via a so-called crossbar, i. a switching matrix, switchable with each other and with a bus bar, which in turn connected to the other terminals, with which further sources or preferably depressions are connected or connected. A switching network, also referred to in the past as a crossbar distributor, in the context of the present application serves for switching through the power provided by each source connected to the power distributor to at least one sink connected to the power distributor. Coupling fields for weak currents are known from the communication technology and belong there to the so-called space multiplexing. A switching matrix refers to a matrix connected together (so-called coupling multiple) of incoming and outgoing lines. While a switch fabric in communication technology is completely transparent, i. For the purposes of the present application, the term "switching network" in the context of the present application also includes switching networks which combine several power flows or divide line flows.
Eine Ausführungsform der Verteilerschaltung als Koppelfeld weist gegenüber einer Ausführungs- form, bei welcher alle Anschlüsse parallel mit einer Stromschiene verbunden sind, den Vorteil auf, dass die Quellen unabhängig von den Spannungen, welche sie an dem Leistungsverteiler bereitstellen, orchestrierbar sind und auf diese Weise jedes beliebige Spannungsniveau bzw. jeder beliebige zeitliche Verlauf der Leistung an den Anschlüssen, welche mit Senken verbunden sind, bereitgestellt werden kann. An embodiment of the distribution circuit as a switching matrix has the advantage over an embodiment in which all the connections are connected in parallel to a busbar, that the sources can be orchestrated irrespective of the voltages which they provide at the power distributor, and in this way each any voltage level or any temporal course of the power at the terminals, which are connected to sinks can be provided.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsverteilers sind alle Anschlüsse für Quellen und Senken mit einer Verteilerschaltung verbunden, die ein elektrisches Koppelfeld ist, welches selektiv jedwede Verschaltung der Anschlüsse miteinander ermöglicht. Eine derartige Ausgestaltung weist die höchste Komplexität der Schaltung auf, dafür jedoch auch die größtmögliche Flexibilität der Schaltzustände. Insbesondere muss bei einer derartigen Ausführungsform nicht darauf geachtet werden, ob mit einem Anschluss des Leistungsverteilers eine Quelle oder eine Senke verbunden wird. Insbesondere kann mit jedem der Anschlüsse in diesem Fall auch ein Energiespeicher verbunden werden, welcher über den Leistungsverteiler sowohl entladen als auch geladen wird. In a further embodiment of the power distributor according to the invention, all the sources and sinks are connected to a distribution circuit which is an electrical coupling field which selectively enables any connection of the connections with each other. Such a configuration has the highest complexity of the circuit, but also the greatest possible flexibility of the switching states. In particular, in such an embodiment it is not necessary to pay attention to whether a source or a drain is connected to a connection of the power distributor. In particular, with each of the ports in this Case, an energy storage are connected, which is both discharged and charged via the power distributor.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden alle Knoten des Koppelfeldes von einem geregel- ten Leistungssteiler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet. In einer alternativen Ausführungsform werden alle Knoten des Koppelfeldes von An-/Ausschaltern gebildet. In one embodiment of the invention, all nodes of the switching matrix are formed by a controlled power divider according to embodiments of the present invention. In an alternative embodiment, all nodes of the switching matrix are formed by on / off switches.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsverteilers weist die Verteilerschaltung einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt ein Koppelfeld umfasst, das so ausgestaltet ist, dass alle Anschlüsse des ersten Koppelfelds, die mit einer Quelle oder einer Senke verbindbar sind, parallel oder in Reihe geschaltet mit dem zweiten Abschnitt der Verteilerschaltung verbindbar sind. Dazu werden die Knoten des Koppelfeldes des ersten Abschnitts der Verteilerschaltung in einer Ausführungsform von geregelten Leistungsstellern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet. Der zweite Abschnitt der Verteilerschaltung kann in einer Ausführungsform als passive Stromschiene oder auch als Koppelfeld, welches einfache Ein-/Ausschalter an den Knoten aufweist, ausgestaltet sein. Der erste Abschnitt einer solchen Verteilerschaltung wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch als Physical Abstraction Layer bezeichnet. Der Vorteil einer Ausführungsform einer Verteilerschaltung mit einem Physical Abstraction Layer ist, dass sie eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig reduzierter Komplexität der Schaltung aufweist. In an embodiment of the power distributor according to the invention, the distributor circuit has a first and a second section, wherein the first section comprises a coupling field that is configured such that all connections of the first coupling field that can be connected to a source or a drain are parallel or in Series connected to the second portion of the distribution circuit are connectable. For this purpose, the nodes of the switching matrix of the first section of the distributor circuit are formed in an embodiment of regulated power controllers according to embodiments of the present invention. In one embodiment, the second section of the distributor circuit can be designed as a passive busbar or as a switching network, which has simple on / off switches at the node. The first section of such a distribution circuit is referred to in the context of the present application as a Physical Abstraction Layer. The advantage of an embodiment of a distribution circuit with a physical abstraction layer is that it has a high flexibility with simultaneously reduced complexity of the circuit.
Zentrales Element des elektrischen Leistungsverteilers ist ein Leistungssteiler in jedem der Anschlüsse, wobei der Leistungssteiler so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit ein- stellbar ist. Dabei wird unter einem Leistungssteiler jedwede elektronische Einrichtung verstanden, mit der die elektrische Leistung P(t), welche über den jeweiligen Anschluss fließt, in Abhängigkeit von der Zeit t eingestellt werden kann. The central element of the electric power distributor is a power divider in each of the terminals, wherein the power divider is set up such that, during operation of the power distributor, the electrical power P (t) flowing through the respective connection can be set as a function of time. In this case, a power divider is understood to mean any electronic device with which the electrical power P (t), which flows via the respective connection, can be set as a function of time t.
Bei dem Leistungssteiler handelt es in einer Ausführungsform der Erfindung sich um eine Kombi- nation aus einem Hochsetzsteller und einem Tiefsetzsteller, dessen Spannungsniveau sich steuern lässt. Dazu weist der Leistungssteiler in einer Ausführungsform einen Steuersignaleingang auf, welcher mit der Steuerung des Leistungsverteilers verbunden ist. In einer Ausführungsform liegt das Steuersignal in Form der Pulsbreite eines modulierten Spannungssignals vor, wobei die Pulsbreite das Spannungsniveau des Leistungsstellers steuert. In one embodiment of the invention, the power divider is a combination of a boost converter and a buck converter whose voltage level can be controlled. For this purpose, the power divider in one embodiment has a control signal input which is connected to the control of the power distributor. In one embodiment, the control signal is in the form of the pulse width of a modulated voltage signal, the pulse width controlling the voltage level of the power controller.
In einer Ausführungsform sind der Hochsetzsteller und der Tiefsetzsteller des Leistungsstellers in jedem der Anschlüsse vorzugsweise beide bidirektional ausgestaltet. Auf diese Weise kann ein Anschluss des Leistungsverteilers sowohl mit einer Quelle als auch mit einer Senke verbunden werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn es sich bei der Quelle bzw. Senke um einen Energiespeicher im weitesten Sinne handelt, der über den Leistungsverteiler sowohl entladen als auch geladen werden kann. Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich sind, bei denen lediglich ein Leistungssteiler in den Anschlüssen der Verteilerschaltung vorgesehen ist, sind Ausführungsformen bevorzugt bei welchen der Leistungssteiler ein Teil einer im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Leistungsflusscontroller (Digital Flow Controller; DFC) bezeichneten Einrichtung in jedem der Anschlüsse der Verteilerschaltung ist. Ein solcher Leistungsflusscontroller im Sinne der vorlie- genden Anmeldung kann auch als geregelter Leistungssteiler beschrieben werden, dessen Leistungsniveau anhand eines von der Steuerung des Leistungsverteilers vorgegebenen Steuersignal geregelt wird. In one embodiment, the boost converter and the buck converter of the power controller in each of the terminals are preferably both bidirectionally configured. In this way, a port of the power distributor can be connected to both a source and a sink become. This is particularly important if the source or sink is an energy store in the broadest sense, which can be both discharged and charged via the power distributor. While embodiments of the present invention are contemplated in which only a power divider is provided in the terminals of the distribution circuit, embodiments are preferred in which the power dividers are part of a device referred to in the present application as the Digital Flow Controller (DFC) in each of Connections of the distribution circuit is. Such a power flow controller in the sense of the present application can also be described as a regulated power divider whose power level is regulated by means of a control signal predetermined by the control of the power distributor.
Ein solcher DFC weist daher neben dem Leistungssteiler oder den Leistungsstellern eine Steue- rung auf, welche einerseits über ein Datennetzwerk mit der (zentralen) Steuerung des Leistungsverteilers verbunden ist und andererseits mit dem oder den Leistungsstellern des DFC verbunden ist, so dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers den Zustand des Leistungssteiler steuert oder in einer Ausführungsform davon regelt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung des DFC so eingerichtet, dass sie jeden Wert für den Leistungsfluss P(t) des entsprechenden Anschlusses, welchen die Steuerung des DFC von der (zentralen) Steuerung des Leistungsverteilers erhält, in ein Steuersignal zum Ansteuern des oder der Leistungssteiler umsetzt. Ein solches Steuersignal zum Ansteuern des Leistungs- stellers ist in einer Ausführungsform die Impulsbreite der Spannungssignale, mit welchen die Gates der steuerbaren Schalter, z.B. Thyristoren, des Leistungsstellers getrieben werden. Such a DFC therefore has, in addition to the power divider or the power controllers, a control which is connected, on the one hand, to the (central) control of the power distributor via a data network and, on the other hand, is connected to the one or more power controllers of the DFC, so that they are in operation Power distributor controls the state of the power divider or regulates it in one embodiment thereof. In one embodiment of the invention, the control of the DTC is arranged to convert each value for the power flow P (t) of the corresponding port which the control of the DTC receives from the (central) control of the power distributor into a control signal for driving the or the power divider implements. Such a control signal for driving the power controller is, in one embodiment, the pulse width of the voltage signals with which the gates of the controllable switches, e.g. Thyristors, the power controller are driven.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist jeder der Anschlüsse des Leistungsverteilers zusätzlich zu dem Leistungssteiler eine Messeinrichtung zum Erfassen einer über den Anschluss fließenden elektrischen Ist-Leistung auf. In one embodiment of the invention, each of the terminals of the power distributor has, in addition to the power divider, a measuring device for detecting an actual electrical power flowing across the terminal.
Diese Messeinrichtung ist in einer Ausführungsform Teil des DFC und mit der Steuerung des DFC verbunden, wobei die Steuerung des DFC so eingerichtet ist, dass sie die Ist-Leistung über den Anschluss des Leistungsverteilers so regelt, dass diese gleich einer von der zentralen Steuerung des Leistungsverteilers vorgegebenen Leistung P(t) ist, welche in diesem Sinne die Soll-Leistung darstellt. Erst eine Messeinrichtung in jedem der Anschlüsse ermöglicht eine Regelung des über den Anschluss fließenden Leistungsstroms. Dem gegenüber weist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsverteilers jeder der Anschlüsse zusätzlich einen Spannungswandler auf. Dieser Spannungswandler ist zweckmäßigerweise Teil des DFC. In einer Ausführungsform ist der Spannungswandler zwischen der Messeinrichtung und dem Leistungssteiler in dem DFC angeordnet. This meter is in one embodiment part of the DTC and connected to the controller of the DTC, the controller of the DTC being arranged to control the actual power through the power distributor terminal to be equal to one from the central power distributor controller predetermined power P (t), which represents the target power in this sense. Only a measuring device in each of the terminals allows control of the current flowing through the terminal power. In contrast, in one embodiment of the power distributor according to the invention, each of the terminals additionally has a voltage converter. This voltage converter is expediently part of the DFC. In one embodiment, the voltage converter is disposed between the measuring device and the power divider in the DFC.
Solche Spannungswandler sind in der Lage, eine Eingangsspannung in eine höhere oder tiefere Ausgangsspannung zu wandeln. Spannungswandler, welche eine Eingangsspannung in eine höhere Spannung wandeln, werden auch als Hochsetzsteller bezeichnet. Spannungswandler, die eine Eingangsspannung in eine tiefere Spannung wandeln, werden auch als Tiefsetzsteller be- zeichnet. Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller sind typischerweise als Gleichstromelemente vorhanden, sodass bei Verwendung von Hochsetzstellern und Tiefsetzstellern in einem Wechselstromsystem vorzugsweise vor und hinter einem solchen Spannungswandler eine Gleich- bzw. Wechselrichtung erfolgt. Der Leistungsverteiler bietet gewisse erfindungswesentliche Funktionen auch dann, wenn er Daten entweder von den Quellen oder den Senken empfängt, um daraus die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) zu einem Zeitpunkt t zu berechnen. Die Leistungsflüsse P(t) für die zukünftigen Zeitpunkte t für diejenigen Quellen und/oder Senken, für welche keine Daten vorliegen, müssen in diesem Fall geschätzt werden. Such voltage transformers are capable of converting an input voltage to a higher or lower output voltage. Voltage transformers which convert an input voltage to a higher voltage are also referred to as boost converters. Voltage transformers that convert an input voltage into a lower voltage are also referred to as a step-down converter. Step-up converters and step-down converters are typically present as direct current elements, so that when using boost converters and step-down converters in an alternating current system, preferably a DC or an alternating direction takes place in front of and behind such a voltage converter. The power distributor also provides certain functions essential to the invention when it receives data from either the sources or the sinks to calculate the electrical power P (t) flowing through each of the terminals at a time t. The power flows P (t) for the future times t for those sources and / or sinks for which there is no data must be estimated in this case.
Dennoch ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei welcher zumindest Daten von den Quellen empfangen werden und vorzugsweise auch von den Senken. Nevertheless, an embodiment is preferred in which at least data is received from the sources, and preferably also from the sinks.
Eine Leistungsflussstellsteuerung in einem elektrischen Leistungsverteiler setzt in einer ausfüh- rungsform voraus, dass der Leistungsverteiler zu jedem Zeitpunkt t über Informationen darüber verfügt, welche Quellen zu diesem Zeitpunkt t welche maximale Leistung Pmax(t) zur Verfügung stellen können. Dies setzt einen Informationsfluss von den Quellen hin zu der Steuerung des Leistungsverteilers voraus. Daher weist der erfindungsgemäße elektrische Leistungsverteiler eine Kommunikationseinrichtung auf, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist, und die so eingerich- tet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen empfängt. A power flow control in an electrical power distributor, in one embodiment, requires that the power distributor at each time t have information about which sources at that time t can provide what maximum power P ma x (t). This requires an information flow from the sources to the control of the power distributor. Therefore, the electrical power distributor according to the invention has a communication device which can be connected to a data network and which is set up in such a way that it receives data from the sources during the operation of the power distributor.
Eine solche Kommunikationseinrichtung ist in einer Ausführungsform eine Schnittstelle zum Verbinden mit einem Datennetzwerk, wobei es für die vorliegende Erfindung unerheblich ist, über welchen physikalischen Übertragungsweg das Datennetzwerk die Daten an die Kommunikationsein- richtung des Leistungsverteilers überträgt. Das Datennetzwerk kann beispielsweise ein kabelgebundenes Datennetzwerk oder auch ein Funknetzwerk sein. Der Leistungsverteiler ist dafür vorgesehen, dass er über die Kommunikationseinrichtung Daten von den Quellen empfängt. Dies setzt voraus, dass die Quellen über entsprechende Technik verfügen, um Daten zu generieren und diese an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers zu übertragen. Jedoch können darüber hinaus in einer Ausführungsform zusätzlich auch Quel- len an den Leistungsverteiler angeschlossen werden, die keine Datenverbindung zu dem Leistungsverteiler bereitstellen. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Steuerung des Leistungsverteilers so eingerichtet, dass sie für eine Quelle, die mit dem Leistungsverteiler verbunden ist, der keine Zustandsinformation in Form von Daten an den Leistungsverteilers übermittelt, eine Schätzung der zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal von dieser Quelle bereitstellbaren Leistung Pmax(t) vornimmt, um auch diese Quelle in das Stromnetz einbinden zu können. Eine solche Schätzung kann zum Beispiel auf einer Information über den Typ der Quelle und/oder auf einer Messung der über einen zurückliegenden Zeitraum von dieser Quelle bereitgestellten Leistung beruhen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verfügt der Leistungsverteiler zu jedem Zeitpunkt t Informationen darüber, welche mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senken welche Leistung zu eben diesem Zeitpunkt t abnehmen. Dies setzt einen zusätzlichen Inforationsfluss von den Senken hin zu der Steuerung des Leistungsverteilers voraus. Daher weist der erfindungsgemäße elektrische Leistungsverteiler in einer derartigen Ausführungsform eine Kommunikationseinrichtung auf, die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist, und die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers zusätzlich Daten von den Senken empfängt. Such a communication device is in one embodiment an interface for connecting to a data network, it being immaterial for the present invention over which physical transmission path the data network transmits the data to the communication device of the power distributor. The data network may be, for example, a wired data network or a wireless network. The power distributor is arranged to receive data from the sources via the communication device. This assumes that the sources have the appropriate technology to generate data and transmit it to the communication facility of the distribution board. However, in one embodiment, in addition, sources may also be connected to the power distributor that do not provide a data connection to the power distributor. For this purpose, in one embodiment of the invention, the control of the power distributor is arranged so that for a source connected to the power distributor, which does not transmit state information in the form of data to the power distributor, an estimate of at a future time t maximum of this Source provides power P ma x (t) in order to integrate this source in the power grid can. Such an estimate may be based, for example, on information about the type of source and / or measurement of the power provided by that source over a past period of time. In a further embodiment of the invention, the power distributor has at each time t information about which sinks connected to the power distributor decrease which power at precisely this point in time t. This requires an additional flow of information from the sinks to the control of the power distributor. Therefore, in such an embodiment, the electrical power distributor according to the invention has a communication device which can be connected to a data network and which is set up to additionally receive data from the sinks during operation of the power distributor.
Die Steuerung zum Steuern einer Verteilung des Flusses der elektrischen Leistung P(t) innerhalb des elektrischen Leistungsverteilers von den mit den Quellen verbundenen Anschlüssen zu den mit den Senken verbundenen Anschlüssen ist beispielsweise ein Mikroprozessor oder allgemein ein Rechner. The controller for controlling a distribution of the flow of electric power P (t) within the electric power distributor from the terminals connected to the sources to the terminals connected to the sinks is, for example, a microprocessor or a computer in general.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die Leistungssteiler derart steuert, dass zu jedem Zeitpunkt t die an einem Anschluss, der mit einer Senke verbunden ist, bereitgestellte elektrische Leistung P(t) gleich der zu diesem Zeitpunkt von der Senke benötigten Leistung Pdem(t) ist. In one embodiment of the invention, the controller is configured and configured to control the power dividers in the operation of the power distributor such that at each time t, the electrical power P (t) provided at a port connected to a drain is equal to that power required by the sink at this time is Pdem (t).
Die Steuerung ist mit der Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers so verbunden, dass sie die von der Kommunikationseinrichtung empfangenen Daten erhält und verarbeiten kann. Um die Verteilung des Flusses der elektrischen Leistung P(t) innerhalb des Leistungsverteilers bewirken zu können, ist die Steuerung zudem mit jedem der Leistungssteiler in den Anschlüssen des Leistungsverteilers verbunden. In einer Ausführungsform der Erfindung gibt die Steuerung jedem der Leistungssteiler zumindest einen Soll-Wert für die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t, die über den jeweiligen Anschluss fließen soll, vor. Während in einer Ausführungsform der Erfindung die Steuerung auch eine Regelung der Leistung an dem jeweiligen Anschluss vornimmt und dazu von dem Anschluss einen Messwert für die Ist-Leistung erhält, können in anderen Ausführungsformen die Leistungssteiler selbst einen eigenen Regelkreis aufweisen, welcher derart ein- gerichtet ist, dass er die Ist-Leistung der von der Steuerung vorgegebenen Soll-Leistung anpasst. Die Kombination aus einem Leistungssteiler mit der dazugehörigen Regelung aus Steuerung und Messeinrichtung wird in der vorliegenden Anmeldung als DFC bezeichnet. The controller is connected to the communication device of the power distributor so that it can receive and process the data received from the communication device. In order to effect the distribution of the flow of electric power P (t) within the power distributor, the controller is also connected to each of the power dividers in the terminals of the power distributor. In one embodiment of the invention, the controller gives each of the power splitters at least one desired value for the power P (t) as a function of the time t, which is supposed to flow over the respective connection. While in one embodiment of the invention, the controller also performs a regulation of the power at the respective port and to this end receives a measured value for the actual power from the port, in other embodiments the power splitters themselves may have their own control circuit which is set up in this way in that it adjusts the actual power of the target power specified by the control. The combination of a power divider with the associated regulation of control and measuring device is referred to in the present application as DFC.
In einer Ausführungsform liegt der Steuerung für jeden Zeitpunkt t Information darüber vor, über welchen der Anschlüsse welche Leistung P(t) in den Leistungsverteiler eingespeist wird und über welchen der Anschlüsse welche Leistung P(t) zu dem Zeitpunkt t abgegeben wird. In one embodiment, the controller is informed for each time t about which of the terminals which power P (t) is fed into the power distributor and via which of the terminals which power P (t) is delivered at the time t.
Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Steuerung so eingerichtet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers für jeden Zeitpunkt t die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) berechnet aus For this purpose, in one embodiment of the invention, the controller is set up to calculate the electrical power P (t) flowing through each of the terminals during operation of the power distributor for each instant t
- der zu dem Zeitpunkt t von jeder Quelle maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung the maximum power available from each source at the time t
- der zu dem Zeitpunkt t von jeder Senke benötigten elektrischen Leistung Pdem(t), the electric power Pdem (t) required at the time t of each drain,
und dass sie die Leistungssteiler derart steuert, dass die berechnete elektrische Leistung and that it controls the power dividers such that the calculated electrical power
P(t) zu dem Zeitpunkt t an dem jeweiligen Anschluss eingestellt ist. P (t) is set at the time t at the respective terminal.
Es versteht sich, dass dabei die von den Quellen in den Leistungsverteiler eingespeiste Leistung P(t) zu jedem Zeitpunkt t maximal so groß ist, wie die zu diesem Zeitpunkt von dieser Quelle ma- ximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t). Ebenso wird in einer Ausführungsform idealerweise die zu dem Zeitpunkt t jeder der mit einem Anschluss des elektrischen Leistungsverteilers verbundenen Senken eine elektrische Leistung bereitgestellt, die gleich der zu diesem Zeitpunkt t von der jeweiligen Senke benötigten elektrischen Leistung Pdem(t) ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, bestimmt die Steuerung für jeden der Anschlüsse des elektrischen Leistungsverteilers ein Leistungsprofil, d.h. ein Profil der für jeden Zeitpunkt t über den jeweiligen Anschluss fließenden elektrischen Leistung P(t). It is understood that the power P (t) fed into the power distributor from the sources at any time t is at most as large as the maximum electric power P ma x (t) that can be provided by this source at that time. Also, in one embodiment, ideally, at the time t of each of the sinks connected to a terminal of the electric power distributor, an electric power equal to the electric power Pdem (t) required at that time t by the respective sink is provided. In other words, for each of the terminals of the electric power distributor, the controller determines a power profile, that is, a profile of the electric power P (t) flowing through the respective terminal for each time t.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als ganzzahliges Vielfaches einer elementaren Leistung dP approximiert bzw. digitalisiert, wobei dP über ein Zeitintervall dt konstant ist. Eine derartige Approximation kann auch als Digitalisierung der Leistungsprofile verstanden und bezeichnet werden. Diese Digitalisierung der Leistungsprofile mit diskreten elementaren Leistungsniveaus dP ermöglicht es, die algorithmische Aufgabe der Verteilung der Leistung von Anschlüssen, welche mit Quellen verbunden sind, an Anschlüsse, welche mit Senken verbunden sind, mit Algorithmen effizient zu lösen. Solche Algorithmen werden nachstehend im Detail beschrieben. In one embodiment of the invention, the controller is set up and configured to approximate the power P (t) as an integer multiple of an elementary power dP as a function of the time t at each of the terminals, where dP via a time interval dt is constant. Such an approximation can also be understood and referred to as digitization of the power profiles. This digitization of Performance Profiles with Discrete Elementary Performance Levels dP enables the algorithmic task of efficiently distributing the power of port-connected ports to ports connected to sinks with algorithms. Such algorithms will be described in detail below.
Alternativ zu einer Approximation bzw. Digitalisierung der Leistungsprofile P(t) durch eine elementare Leistung dP, wobei dP über ein Zeitintervall dt konstant ist, bietet es sich an, dass die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als Formel P(t) = ^=Q 2kdP approximiert. Diese Approximation ist in der Datenverarbeitung als Power of 2-Darstellung bekannt. As an alternative to an approximation or digitization of the power profiles P (t) by an elementary power dP, where dP is constant over a time interval dt, it makes sense that the controller is set up and configured such that it performs in the operation of the power distributor P (t) is approximated as a function of the time t at each of the terminals as a formula P (t) = ^ = Q 2 k dP. This approximation is known in the data processing as Power of 2 representation.
Um die Leistungsverteilung von den Quellen auf die Senken bewirken zu können, müssen zwei Aufgaben gelöst werden. Zum einen müssen die Beträge der Leistungsflüsse aller Quellen in den Leistungsverteiler auf die Beträge der einzelnen Leistungsflüsse aus dem Leistungsverteiler in die Senken aufgeteilt werden. Diese Aufgabe lässt sich insbesondere für wie zuvor beschrieben digitalisierte Leistungsflüsse P(t) einfach lösen. Zum anderen müssen die für die Verteilung erforderlichen physikalischen Wege innerhalb der Verteilerschaltung bestimmt und geschaltet werden, so dass alle angeforderten Leistungsflüsse für die angeschlossenen Senken erfüllt werden. To accomplish the distribution of power from the sources to the sinks, two tasks have to be solved. On the one hand, the amounts of the power flows of all sources in the power distributor must be divided into the amounts of the individual power flows from the power distributor into the sinks. This task can be solved in particular for digitized power flows P (t) as described above. On the other hand, the physical paths required for the distribution within the distribution circuit must be determined and switched so that all requested power flows for the connected sinks are met.
Dazu kombiniert, d.h. addiert, der Leistungsverteiler Leistungsflüsse verschiedener Quellen so dass die gewünschten Leistungsflüsse hin zu den Senken entstehen. Dies geschieht in einer Ausführungsform dadurch, dass an den Anschlüssen der Quellen die Spannungen so eingestellt werden, dass dort die Leistungsflüsse entstehen. Entweder werden im Fall von Parallelschaltungen durch Spannungsnivellierung die Ströme addiert oder im Fall einer Reihenschaltung die Spannungen addiert, sodass sich die einzelnen Leistungsflüsse addieren. Combined, i. the power distributor adds power flows from different sources so that the desired power flows are created towards the sinks. In one embodiment, this is achieved by adjusting the voltages at the terminals of the sources in such a way that the power flows occur there. Either in the case of parallel circuits by voltage leveling the currents are added or in the case of a series connection, the voltages are added, so that the individual power flows add.
Die dabei in einer Ausführungsform erforderlichen Schritte lassen sich wie folgt zusammenfassen:The steps required in one embodiment can be summarized as follows:
1 . Bestimmen der angeforderten Leistungsprofile Pdem(t) einer jeden mit dem Leistungsvertei- ler verbundenen Senke für jeden zukünftigen Zeitpunkt t 1 . Determining the requested power profiles Pdem (t) of each sink associated with the power distributor for each future time t
2. Bestimmen der Leistungsprofile für maximal bereitgestellte Leistung Pmax(t) einer jeden Quelle für jeden zukünftigen Zeitpunkt t 2. Determine the power profiles for maximum provided power P ma x (t) of each source for each future time t
2. Digitalisieren der Leistungsprofile von Quellen und Senken  2. Digitizing the power profiles of sources and sinks
3. Lösung der Optimierungsaufgabe, wie die Leistungsprofile der Quellen auf die Senken ver- teilt werden können, mit einem Orchestrierungsalgorithmus  3. Solution of the optimization task, how the power profiles of the sources can be distributed to the sinks, with an orchestration algorithm
4. Verschalten der Quellen und Senken mittels der Verteilerschaltung  4. Interconnecting the sources and sinks by means of the distribution circuit
5. Einstellen der einzelnen Leistungsflüsse an den Anschlüssen der Quellen und Senken durch die Leistungssteiler 6. Kontrolle des Prozesses durch entsprechenden Regel- und Steuerkreise 5. Adjustment of the individual power flows at the connections of the sources and sinks by the power dividers 6. Control of the process by appropriate control and control circuits
Dem unter Ziffer 3 aufgelisteten Schritt liegt folgende Aufgabe zugrunde: Welche Quellen müssen in welcher zeitlichen Abfolge über welche Wege der Verteilerschaltung und DFCs geschaltet werden, sodass an den Anschlüssen des Leistungsverteilers, die mit Senken verbunden sind, die von den Senken angeforderten Leistungsprofile bereitgestellt werden können. Dies kann für kompliziertere Aufgabenstellungen mittels geeigneter Algorithmen gelöst werden. Beispiele für geeignete Algorithmen sind das Simplexverfahren sowie genetische Algorithmen. Ebenfalls geeignet sind Algorithmen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, so wie sie nachstehend im Detail beschrieben werden The step listed in point 3 is based on the following task: Which sources must be switched in which time sequence over which routes of the distribution circuit and DFCs, so that at the terminals of the power distribution, which are connected to sinks, the power profiles requested by the sinks can be provided , This can be solved for more complicated tasks by means of suitable algorithms. Examples of suitable algorithms are the simplex method and genetic algorithms. Also suitable are algorithms according to embodiments of the present invention as described in detail below
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers digitalisierte über jeden der mit einer Quelle verbundenen Anschlüsse fließende elektrische Leistungen P(t) auf die mit einer Senke verbundenen Anschlüssen fließenden elektrischen Leistungen P(t) aufteilt. Dazu werden in einer Ausführungsform die folgenden Schritte ausgeführt: In one embodiment of the invention, the controller is arranged to split digitized electrical power P (t) flowing through each of the terminals connected to a drain during operation of the power distribution unit digitized electrical power P (t). To do this, in one embodiment, the following steps are performed:
1 . Berechnen für jede Zeitscheibe t und für alle Quellen j die Differenz  1 . Calculate for each time slice t and for all sources j the difference
2. A1 t= Alt - zj t, 2. A 1 t = A lt - z jt ,
2. falls schon für eine einzige Quelle j gilt Alj7 < 0, so kann die Anforderung aus einer einzigen Quelle erfüllt werden, die Berechnung endet, und der Restwert der Quelle wird um den entnommenen Wert zj : = zj — Alt und vorzugsweise weitere, vom2. if true even for a single source j A LJ7 <0, the requirement can be met from a single source, end the calculation, and the residual value of the resource to the extracted value z j: = zj - lt A and preferably more , from
Typ der Quelle abhängige Korrekturterme Zeitscheiben aktualisiert, Type of source dependent correction term time slices updated,
3. falls nicht eine einzige Quelle j die Anforderung erfüllt, Prüfen, ob es zwei Quellen j und i gibt, sodass bei Alj7 = Alt - (z7 f + zi t gilt Alj7 < 0 und falls diese Bedingung erfüllt ist Aktualisieren der Restwerte beider Quellen, so dass für beiden Quellen jeweils gilt z7 : = z7 - Alt, 3. if a single source j does not satisfy the requirement, check if there are two sources j and i such that A lj7 = A lt - (z 7 f + z it holds A lj7 <0 and if this condition is met, update the residual values of both sources, so that for both sources z 7 : = z 7 - A lt ,
4. falls sich die Anforderung auch mit zwei Quellen nicht erfüllen lasse, Wiederholen des Schritts 2 mit drei und mehr Quellen,  4. if the request can not be fulfilled even with two sources, repeating step 2 with three and more sources,
wobei Akt der Wert des k-ten Anforderungsprofiles und z7t der Wert der maximalen bereitgestellten Leistung der y'-ten Quelle während der t-ten Zeitscheibe sind. where A kt is the value of the k th request profile and z 7t is the value of the maximum power provided by the y ' th source during the t th time slice.
Auch die Wege durch die Verteilerschaltung von den Quellen zu den Senken werden mit bekannten Algorithmen bestimmt bzw. aus entsprechenden Verknüpfungstabellen ausgelesen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung des elektrischen Leistungsverteilers derart eingerichtet und ausgestaltet, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers den Stromfluss unter der Annahme elementarer Energiepakete mit einer Energie dp x dt steuert. In einer Ausführungsform des elektrischen Leistungsverteilers ist einer der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden, wobei der Energiespeicher so eingerichtet ist, dass er im Betrieb elektrische Energie aufnehmen, speichern und/oder abgeben kann, wobei der Energiespeicher weiterhin so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand des Energiespeichers die von dem Energiespeicher zu einem zukünftigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung Pmax(t) und eine zu einem Zeitpunkt t maximale Leistungsaufnahme Pcap(t) berechenbar ist, und wobei die Steuerung derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers bei dem Berechnen der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) die zu diesem Zeitpunkt t von dem Energiespeicher bereitstellbare maximale elektrische Leistung Pmax(t) oder die zu diesem Zeitpunkt t mögliche Leistungsaufnahme Pca (t) des Energiespeichers berücksichtigt. Eine solche Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass„Fehlbeträge" zwischen der zu einem Zeitpunkt t in den Leistungsverteiler einfließenden elektrischen Leistung und der zu diesem Zeitpunkt aus dem Leistungsverteiler herausfließenden elektrischen Leistung durch einen derartigen Energiespeicher ausgeglichen werden können. Dazu wird entweder der Energiespei- eher mit überschüssiger elektrischer Energie geladen oder aber fehlende elektrische Energie wird von dem Energiespeicher und damit den mit den Senken verbundenen Anschlüssen bereitgestellt. Eine Voraussetzung dafür, dass der Leistungsverteiler arbeiten kann, ist, dass der Energiespeicher so ausgestaltet ist, dass aus einer Zustandsinformation über den Zustand des Energiespeichers zu einem beliebigen Zeitpunkt ti die zu jedem beliebigen Zeitpunkt t = ti+At in der Zukunft sowohl die maximale Leistungsaufnahme Pcap(t) des Energiespeichers als auch dessen zu diesem Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) berechenbar ist. Dies unter der Annahme, dass sämtliche Leistungsflüsse ab dem Zeitpunkt ti aufgezeichnet werden und zur Berechnung der Leistungen Pmax(t) und Pcap(t) zur Verfügung stehen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein solcher Energiespeicher beispielsweise ein Super- kondensator, ein chemischer Energiespeicher, ein mechanischer/kinematischer Energiespeicher, ein Lageenergiespeicher oder ein thermodynamischer Energiespeicher. The paths through the distributor circuit from the sources to the sinks are also determined using known algorithms or read from corresponding linkage tables. In one embodiment of the invention, the control of the electric power distributor is set up and configured such that it controls the current flow under the assumption of elementary energy packets with an energy dp × dt during operation of the power distributor. In one embodiment of the electric power distributor, one of the terminals of the power distributor is electrically connected to an electrical energy store, wherein the energy store is set up so that it can receive, store and / or dispense electrical energy during operation, wherein the energy store is further configured such that on the basis of information about a current state of the energy store, the maximum electric power P ma x (t) which can be supplied by the energy store at a future point in time t and a maximum power consumption P cap (t) that is calculable at a point in time t is calculable, and wherein the control is such is set up and configured in the operation of the power distributor in calculating the current at each time t via each of the terminals flowing electrical power P (t) at this time t provided by the energy storage maximum electric power Pmax (t) or to this Z At the time t possible power consumption P ca (t) of the energy storage considered. Such an embodiment has the advantage that "shortfalls" between the electrical power flowing into the power distributor at a time t and the electrical power flowing out of the power distributor at this time can be compensated for by such an energy store Charged with excess electrical energy or lacking electrical energy is provided by the energy store and thus the terminals connected to the sinks A prerequisite for the power distributor can work is that the energy store is configured such that from a state information about the state the energy storage at any time ti at any time t = ti + At in the future, both the maximum power consumption P cap (t) of the energy storage and its at this time t maximum deployable electrical power P ma x (t) is calculable. This is based on the assumption that all power flows are recorded from time ti and are available for calculating the powers P ma x (t) and P cap (t). In one embodiment of the invention, such an energy store is, for example, a super capacitor, a chemical energy store, a mechanical / kinematic energy store, a position energy store or a thermodynamic energy store.
Während in einer Ausführungsform zumindest ein solcher elektrischer Energiespeicher, welcher mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, mit dem elektrischen Leistungsverteiler ein integriertes System bildet, ist die Anforderung an den elektrischen Energiespeicher in Bezug auf seine zu einem beliebigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung Pmax(t) auch an alle anderen Quellen für elektrische Energie zu stellen, die mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden werden. While in one embodiment at least one such electrical energy store, which is electrically connected to one of the terminals of the power distributor, forms an integrated system with the electrical power distributor, the requirement for the electrical energy store is in relation to its maximum electrical power that can be supplied at any time t Power P ma x (t) also to all other sources of electrical energy to be electrically connected to one of the terminals of the power distributor.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird daher auch von einem elektrischen Stromnetz gelöst, mit einem elektrischen Leistungsverteiler, so wie er zuvor in Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde und mit einem Datennetzwerk, das mit der Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers verbunden ist, mindestens einer Quelle für elektrische Energie, wobei die Quelle mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, wobei die Quelle so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Energiequelle die von der Energiequelle zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) berechenbar ist, und wobei die Quelle eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Energiequelle und/oder mit einer Information über die zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers überträgt, und mit mindestens einer Senke für elektrische Energie, wobei die Senke mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, und wobei die Senke eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über eine zu einem zukünftigen Zeitpunkt t von der Senke benötigte elektrische Leistung Pdem(t) an die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers überträgt. Therefore, at least one of the aforementioned objects is also achieved by an electric power network having an electric power distributor as described above in embodiments of the invention and having a data network connected to the communication device of the power distributor, at least one source of electrical energy wherein the source is electrically connected to one of the terminals of the power distributor, the source being configured such that based on information about a current state of the power source, the maximum power of the power source P ma x (t ), and wherein the source has a communication device connected to the data network, which is set up in such a way that, during operation of the power network, it receives data with information about a current state of the energy source and / or with information about the e at a future time t transmits maximum electric power P ma x (t) to the communication device of the power distributor, and at least one sink for electrical energy, wherein the sink is electrically connected to one of the terminals of the power distributor, and wherein the sink connected to the data network communication device which is adapted to transmit data in the operation of the power network with information about a required at a future time t from the sink electrical power Pdem (t) to the communication device of the power distributor.
Eine wesentliche Eigenschaft des Energiespeichers ist es, dass sich die von ihm zu einem beliebigen zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) bzw. die zu einem beliebigen zukünftigen Zeitpunkt maximal vom Energiespeicher aufnehmbare Leistung Pca (t) berechenbar ist, wenn zum Zeitpunkt der Berechnung Information über den aktuellen Zustand des Energiespeichers vorliegt. Solche Information umfasst insbesondere den Ladezustand des Energiespeichers und sein Lade- oder Entladeverhalten gegenüber der Zeit. Dabei sind bestimmte Eigenschaften bereits durch den Typ des Energiespeichers definiert. So weist beispielsweise ein Superkondensator eine andere Entladekurve auf als ein herkömmlicher Lithiumionenakkumulator. Eine weitere Information über den Zustand ist beispielsweise die Temperatur, bei welcher sich der Energiespeicher befindet. Insbesondere bei Akkumulatoren hängt das Entladeverhalten beispielsweise von der Temperatur, bei welcher der Akkumulator betrieben, wird sowie von der Anzahl der Ladzyklen, die der Akkumulator bereits durchlaufen hat, ab. An essential feature of the energy store is that the maximum power P ma x (t) that can be provided by it at any future time t or the power P ca (t) that can be received by the energy store at any future time is calculable, if there is information about the current state of the energy store at the time of the calculation. Such information includes in particular the state of charge of the energy store and its charging or discharging behavior with respect to time. Certain properties are already defined by the type of energy storage. For example, a supercapacitor has a different discharge curve than a conventional lithium ion secondary battery. Another information about the state is, for example, the temperature at which the energy store is located. Particularly in the case of accumulators, the discharge behavior depends, for example, on the temperature at which the accumulator is operated and on the number of charging cycles which the accumulator has already undergone.
Man kann einen Energiespeicher, dessen zu einem zukünftigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung und eine zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximale Leistungsaufnahme anhand von Information über einen gegenwärtigen oder aktuellen Zustand des Energiespeichers berechenbar sind, als deterministischen Energiespeicher bezeichnen. An energy store, its maximum electrical power that can be provided at a future time t, and a maximum power consumption at a future time t can be used can be calculated on the basis of information about a current or current state of the energy store, denote as deterministic energy storage.
Für die Funktionalität des Leistungsverteilers ist es dabei unerheblich, ob der Energiespeicher In- formation über seinen gegenwärtigen Zustand über das Datennetzwerk und die Kommunikationseinrichtung an die Steuerung des Leistungsverteilers überträgt und dieser die Berechnung von Pmax(t) und Pcap(t) ausführt oder ob Pmax(t) und Pca (t) auf der Seite des Energiespeichers selbst, d.h. in einer dort vorgesehenen Rechnereinrichtung berechnet werden und dann Pmax(t) und Pcap(t) über das Datennetzwerk und die Kommunikationseinrichtung an die Steuerung des Leistungsver- teilers übertragen werden. Ebenfalls sind Ausführungsformen denkbar, bei welchen der Energiespeicher lediglich Messeinrichtungen aufweist, welche von der Steuerung des Leistungsverteilers ausgelesen werden, um Pmax(t) und Pca (t) zu bestimmen. In einer Ausführungsform der Erfindung werden Pmax(t) und Pcap(t) anhand einer Information über den Speichertyp und die Bauart des Energiespeichers anhand von Messungen von Strom und Spannung in einer Messeinrichtung eines DFC in dem Anschluss des Leistungsverteilers, mit welchem der Energiespeicher verbunden ist, bestimmt. Der Energiespeicher selbst benötigt in einer solchen Ausführungsform keine Kommunikationsschnittstelle oder Messeinrichtungen. For the functionality of the power distributor, it does not matter whether the energy store transmits information about its current state via the data network and the communication device to the controller of the power distributor and this performs the calculation of Pmax (t) and Pcap (t) or whether P ma x (t) and P ca (t) are calculated on the side of the energy store itself, ie in a computing device provided there and then P ma x (t) and P cap (t) via the data network and the communication device to the control of Be transferred to the service distributor. Embodiments are also conceivable in which the energy store has only measuring devices which are read out by the control of the power distributor in order to determine P ma x (t) and P ca (t). In one embodiment of the invention P ma x (t) and P cap (t) based on information on the storage type and the type of energy storage based on measurements of current and voltage in a measuring device of a DFC in the terminal of the power distributor, with which the Energy storage is connected determined. The energy storage itself does not require any communication interface or measuring devices in such an embodiment.
Ähnlich, wie dies zuvor in einer Ausführungsform des elektrischen Energieverteilers mit einem elektrischen Energiespeicher im Detail beschrieben wurde, ist es Voraussetzung für das erfindungsgemäße Stromnetz, dass die mit dem Leistungsverteiler sowohl über das Stromnetz als auch über ein Datennetzwerk verbundenen Quellen für elektrische Energie deterministische Quellen sind, die es ermöglichen ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Energiequelle die von der Energiequelle zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) zu berechnen. Auch diese Quellen für elektrische Energie kann man als deterministische Quellen bezeichnen. Wie zuvor ist es dabei unerheblich, ob die Quelle als Information über das Datennetzwerk die zu einem jeden Zeitpunkt t in der Zukunft maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) an die Steuerung des Leistungsverteilers übermittelt oder Zustandsinformationen, welche es der Steuerung ermöglichen, Pmax(t) zu berechnen. Einfach zu be- rechnen ist die maximal bereitstellbare Leistung Pmax(t) beispielsweise für Dieselgeneratoren mit einer über die Zeit konstanten Leistungsabgabe. Similarly, as previously described in detail in one embodiment of the electrical energy distributor with an electrical energy store, it is a prerequisite for the power grid according to the invention that the sources of electrical energy connected to the power distributor via both the power grid and a data network are deterministic sources which, based on information about a current state of the energy source, makes it possible to calculate the maximum electric power P ma x (t) that can be provided by the energy source at a future point in time t. These sources of electrical energy can also be called deterministic sources. As before, it is unimportant whether the source transmits, as information over the data network, the maximum amount of electrical power P ma x (t) that can be provided at any time t in the future to the control of the power distributor or state information which enables the control P ma x (t) to calculate. Easy to calculate is the maximum deliverable power P ma x (t), for example, for diesel generators with a constant power output over time.
Aus der Sicht des Leistungsverteilers müssen in einer Ausführungsform zudem die mit den Anschlüssen des Leistungsverteilers verbundenen Senken ebenfalls in dem Sinne deterministisch sein, dass die Steuerung des Leistungsverteilers zu jedem Zeitpunkt t Kenntnis darüber hat, welche Leistung Pdem(t) zu diesem Zeitpunkt t von der jeweiligen Senke benötigt wird. Dazu überträgt die Senke in einer Ausführungsform über das Datennetzwerk und die Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers diese Information, sodass sie der Steuerung des Leistungsverteilers zur Verfügung steht. Alternativ kann in einer Ausführungsform die benötigte Leistung einer Senke auch von der Steuerung des Leistungsverteilers geschätzt oder anderweitig berechnet werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Quelle(n) und die Senke(n) über eine Freileitung oder eine Erdleitung oder eine Unterwasserleitung mit dem Leistungsverteiler verbunden. Das heißt in einem solchen Fall ist das elektrische Stromnetz ein Verteilernetz zur Anbindung von Haushalten, Industrieunternehmen oder anderen Verbrauchern an Energieerzeuger, wie zum Beispiel konventionelle Kraftwerke, Kraftwerke zur Bereitstellung erneuerbarer Energie oder Ener- giespeichern. In addition, in one embodiment, from the perspective of the power distributor, the sinks connected to the terminals of the power distributor must also be deterministic in the sense that the controller of the power distributor at each instant t has knowledge of what power Pdem (t) at that time t from the respective sink is needed. For this purpose, in one embodiment, the sink transmits over the data network and the communication device of the Distributor this information so that it is available to the control of the power distributor. Alternatively, in one embodiment, the required power of a sink may also be estimated or otherwise calculated by the controller of the power distributor. In a further embodiment of the invention, the source (s) and the sink (s) are connected to the power distributor via an overhead line or a ground line or underwater line. That is, in such a case, the electrical grid is a distribution network for connecting households, industrial companies or other consumers to energy producers, such as conventional power plants, renewable energy plants or energy storage facilities.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das elektrische Stromnetz ein Bordnetz eines Fahrzeugs, eines Luftfahrzeugs oder eines Schiffes. In einer Ausführungsform der Erfindung weisen der Energiespeicher und die Quelle für elektrische Energie, welche mit Anschlüssen des Leistungsverteilers verbunden sind, voneinander verschiedene Leistungsprofile P(t) auf. Dies ermöglicht es, mit der Kombination aus dem Energiespeicher und der Quelle für elektrische Energie ganz unterschiedliche Leistungsprofile auf Seite der Senke oder der Senken zu erfüllen. In an alternative embodiment of the invention, the electric power grid is an electrical system of a vehicle, an aircraft or a ship. In one embodiment of the invention, the energy store and the source of electrical energy, which are connected to terminals of the power distributor, have mutually different power profiles P (t). This makes it possible to comply with the combination of the energy storage and the source of electrical energy very different performance profiles on the side of the sink or sinks.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz mit den Schritten: Verbinden von mindestens drei Quellen und Senken für elektrische Energie mit jeweils einem Anschluss einer Verteilerschaltung, wobei die Anschlüsse der Verteilerschaltung derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und Empfangen von Daten von den Quellen oder Senken, Berechnen der über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t und in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten und Steuern der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) mit Hilfe jeweils eines mit dem An- schluss verbundenen Leistungsstellers. At least one of the aforementioned objects is also achieved by a method for distributing electric power in a power network comprising the steps of: connecting at least three sources and electrical energy sinks to one terminal of a distribution circuit, the terminals of the distribution circuit being electrically connected to one another in that an electric current can flow from each of the terminals to each of the other terminals, and receiving data from the sources or sinks, calculating the electric power P (t) flowing through each of the terminals as a function of time t and in response to the data received from the sources or sinks, and controlling the electrical power P (t) flowing through each of the terminals at a time t, by means of a respective power controller connected to the terminal.
Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf den elektrischen Leistungsverteiler sowie das elektrische Stromnetz mit diesem Leistungsverteiler beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz. Soweit das Verfahren mit dem Leistungsverteiler bzw. dem Stromnetz gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist das Verfahren die entsprechenden Schritte hierfür auf. Insbesondere sind aber Ausführungsformen des elektrischen Leistungsverteilers sowie des elektrischen Stromnetzes zum Ausführen von Ausführungsformen des Verfahrens geeignet. Der erfindungsgemäße Leistungsverteiler sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz lassen sich in einer Reihe von Anwendungen in vorteilhafter Weise einsetzen. In elektrischen Stromnetzen, beispielsweise einem Versorgungsnetz oder einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs kann der Leistungsverteiler in einer Ausführungsform zur Netzstabilisierung, insbesondere zur Abpufferung von kurzfristigen Schwankungen im Leistungsangebot oder in der Leistungsnachfrage dienen. In einer anderen Ausführungsform kann der Leistungsverteiler eine Schnittstelle zwischen konventionellen Netzen und digital gesteuerten Netzen, sogenannten Smart Grids, oder paketbasierten Stromübertragungsnetzen dienen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Leistungsverteiler für die Bewirtschaftung von Energiespeichern, vorzugsweise von Akkumulatoren, verwendet. Dabei steuert er insbesondere Umladeprozesse und ein Lademanagement der Energiespeicher. As far as aspects of the invention with respect to the electric power distributor and the electric power grid have been described with this power distributor, they also apply to the corresponding method for distributing electrical power in a power grid. As far as the method is performed with the power distributor or the power grid according to this invention, the method has the corresponding steps for this. In particular, however, embodiments of the electric power distributor and of the electric power network are suitable for carrying out embodiments of the method. The power distributor according to the invention and the method according to the invention for distributing electrical power in a power network can be used advantageously in a number of applications. In electrical power grids, for example a supply network or a vehicle electrical system of a motor vehicle, the power distributor can serve in one embodiment for network stabilization, in particular for buffering short-term fluctuations in the range of services or in the demand for power. In another embodiment, the power distributor may serve as an interface between conventional networks and digitally controlled networks, so-called smart grids, or packet-based power transmission networks. In a further embodiment of the invention, the power distributor is used for the management of energy stores, preferably of accumulators. He controls in particular Umladeprozesse and a charge management of energy storage.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen davon sowie der dazugehörigen Figuren deutlich. Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of embodiments thereof and the accompanying figures.
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Digitalisierung eines Leistungspro- eines Kondensators während der Entladung. Figure 1 shows schematically an embodiment of a digitization of a Leistungspro- a capacitor during discharge.
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Digitalisierung eines Leistungsprofils eines Kondensators während der Entladung. FIG. 2 schematically shows a further embodiment of a digitization of a power profile of a capacitor during the discharge.
Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Figure 3 shows schematically the structure of an embodiment of an inventive
Stromnetzes.  Power grid.
Figur 4 zeigt schematisch eine detaillierte Darstellung des Stromnetzes aus Figur 3. FIG. 4 schematically shows a detailed representation of the power network from FIG. 3.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsflusscontrollers gemäß der vorliegenden Erfindung. FIG. 5 shows a block diagram of an embodiment of a power flow controller according to the present invention.
Figur 6 zeigt ein schematisches Schaltbild eines bidirektionalen Hochsetz-/Tiefsetzstellers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a bidirectional boost / buck converter according to an embodiment of the present invention.
Figur 7 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Verteilerschaltung mit einer passiven Figure 7 shows a schematic diagram of a distribution circuit with a passive
Stromschiene für den erfindungsgemäßen Leistungsverteiler. Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer kaskadierten Anordnung von passivenBusbar for the power distributor according to the invention. FIG. 8 shows a schematic representation of a cascaded arrangement of passive ones
Stromschienen aus Figur 7. Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines vollständig rekonfigurierbaren Koppelfeldes als Verteilerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Busbars from FIG. 7. FIG. 9 shows a schematic representation of a completely reconfigurable switching matrix as a distributor circuit according to an embodiment of the present invention.
Figur 10 zeigt eine Schematische Darstellung einer Variante des Koppelfeldes aus Figur 9. FIG. 10 shows a schematic representation of a variant of the switching matrix from FIG. 9.
Figur 1 1 a) zeigt eine beispielhafte Darstellung eines 4 x 1 Koppelfeldes. Figure 1 1 a) shows an exemplary representation of a 4 x 1 switching matrix.
Figur 1 1 b) zeigt eine schematische Darstellung der Schaltzustände des Kopppelfeldes aus Figur 1 1 a). Figure 1 1 b) shows a schematic representation of the switching states of the Kopppelfeldes from Figure 1 1 a).
Figur 12 a) zeigt eine schematische Darstellung einer Verteilerschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer passiven Stromschiene und einem sog. Physical Abstraction Layer. Figur 12 b) zeigt ein schematisches Schaltbild eines DFC aus Figur 12 a). Figure 12 a) shows a schematic representation of a distribution circuit according to an embodiment of the present invention with a passive busbar and a so-called. Physical Abstraction Layer. FIG. 12 b) shows a schematic circuit diagram of a DFC from FIG. 12 a).
Figur 13 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Verteilerschaltung gemäß einer weiteren FIG. 13 shows a schematic circuit diagram of a distributor circuit according to another
Ausführungsform der Erfindung mit einem Koppelfeld und einem sog. Physical Abstraction Layer.  Embodiment of the invention with a coupling field and a so-called. Physical Abstraction Layer.
Figur 14 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Verteilung elementarer Leistungseinheiten von drei Quellen auf eine Senke. Figure 14 shows an exemplary schematic representation of the distribution of elementary power units from three sources to one sink.
Figur 15 zeigt ein Blockschaltbild eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung. FIG. 15 shows a block diagram of an electrical system of a motor vehicle according to an embodiment of the invention.
Figur 16 zeigt schematisch den beispielhaften Leistungsfluss in dem Bordnetz aus Figur 15 in einer ausgezeichneten Lastsituation. In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. FIG. 16 schematically shows the exemplary power flow in the vehicle electrical system from FIG. 15 in an excellent load situation. In the figures, identical elements are designated by identical reference numerals.
In der folgenden Beschreibung konkreter Ausführungsformen wird zunächst die Leistungscharakteristik von Energiespeichern sowie ein Konzept zur Approximation der Leistungsprofile, d.h. dem Verlauf der von den Energiespeichern abgegebenen elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Zeit, diskutiert. Es folgt ein Abschnitt über den Aufbau und die Funktionsweise einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungssteuerung sowie die Anbindung von Energiespeichern an diese Leistungssteuerung. Abgeschlossen wird die Diskussion mit der Beschreibung mehrerer Bei- spiele für elektrische Stromnetze, in welchen ein derartiger Leistungsverteiler Anwendung findet. In the following description of concrete embodiments, first the power characteristic of energy storage and a concept for approximating the power profiles, ie the History of the output of the energy storage electrical power as a function of time, discussed. The following is a section on the structure and operation of an embodiment of the power control according to the invention and the connection of energy storage devices to this power control. The discussion ends with the description of several examples for electric power grids in which such a power distributor is used.
Für die Speicherung elektrischer Energie gibt es eine Vielzahl von Verfahren, zum Beispiel elektrochemische Speicher, Lagerenergiespeicher oder kapazitive Speicher. Alle diese Speicher haben unterschiedliche Leistungscharakteristiken, d.h. die in Abhängigkeit von der Zeit maximal von den Speichern bereitgestellte elektrische Leistung Pmax(t) bzw. die zu dem Zeitpunkt t aufnehmbare elektrische Leistung Pcap(t) sind voneinander verschieden. Dies nicht nur zwischen unterschiedlichen Speicherprinzipien, sondern auch zwischen den verschiedenen konkreten Technologien innerhalb eines Speicherprinzips. Die unterschiedlichen Leistungscharakteristiken der unterschiedlichen Typen, Technologien und Formen von elektrischen Energiespeichern lassen sich, wenn sie miteinander kombiniert werden, dazu verwenden, innerhalb eines Stromnetzes ganz unterschiedliche Anforderungen, welche die Senken des Stromnetzes stellen, zu erfüllen. Im Bereich der Elektromobilität, beispielsweise bei Betrachtung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, werden je nach Fahrsituation und Umweltbedingungen wechselnde Anforderungen an die Leistungsversorgung der unterschiedlichen Verbraucher bzw. Senken gestellt. Beispiele für solche Verbraucher sind Heizung, Scheinwerfer, elektroviskose Stoßdämpfer und Radnabenmotoren. Dabei hat jeder Verbraucher andere Kennlinien, d.h. eine andere Leistungsaufnahme in Ab- hängigkeit von der Zeit. Daraus ergibt sich eine komplexe Dynamik der Anforderungen an die bereitzustellende elektrische Leistung. For the storage of electrical energy, there are a variety of methods, such as electrochemical storage, storage energy storage or capacitive storage. All of these memories have different performance characteristics, ie the maximum of the memory provided by the electric power P ma x (t) and the time t absorbable electrical power P cap (t) are different from each other. This not only between different storage principles, but also between the different concrete technologies within a storage principle. The different performance characteristics of the different types, technologies and shapes of electrical energy storage devices, when combined together, can be used to meet very different requirements within a power network that make up the power system sinks. In the field of electromobility, for example when considering an electrically driven motor vehicle, depending on the driving situation and environmental conditions, changing demands are placed on the power supply of the different consumers or sinks. Examples of such consumers are heating, headlamps, electroviscous shock absorbers and wheel hub motors. Each consumer has different characteristics, ie a different power consumption as a function of time. This results in a complex dynamics of the requirements for the electrical power to be provided.
Auch das Bereitstellen elektrischer Energie innerhalb eines Stromnetzes zur Versorgung von Haushalten, Industrie und anderen Verbrauchern weist insbesondere dann, wenn das Netz eine große Anzahl an witterungsabhängigen Quellen, z.B. Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen, aufweist, eine hohe Dynamik auf. Also, the provision of electrical energy within a power grid for the supply of households, industry and other consumers, in particular when the network has a large number of weather-dependent sources, e.g. Wind turbines or photovoltaic systems, has a high level of dynamics.
Um in einem elektrischen Stromnetz einen stabilen Netzbetrieb zu garantieren, ist es notwendig, dass die Quellen genauso viel Strom produzieren, wie die Senken verbrauchen. To ensure stable grid operation in an electrical grid, it is necessary that the sources produce as much power as the sinks consume.
Im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung werden als Quellen all diejenigen Elemente in einem Stromnetz bezeichnet, die elektrische Leistung abgeben. Als Senken werden all diejenigen Elemente betrachtet, die elektrische Leistung aufnehmen. Ein Energiespeicher ist in diesem Sinne sowohl Quelle als auch Senke für elektrische Energie. Ein Teilnetz eines elektrischen Stromnetzes, welches sowohl Quellen als auch Senken aufweist, kann aus dem Blickwinkel eines Netzwerkknotens, d.h. eines erfindungsgemäßen Leistungsverteilers, welcher dieses Teilnetz an andere Teilnetze anbindet, sowohl als Quelle als auch als Senke erscheinen, je nachdem, ob der Leistungs- Verteiler, den es zu betrachten gilt, von dem Teilnetz elektrische Leistung erhält oder elektrische Leistung an dieses abgibt. In the language of the present application are referred to as sources all those elements in a power network that deliver electrical power. As sinks are considered all those elements that absorb electrical power. An energy store is in this sense both source and sink for electrical energy. A subnetwork of an electric power network having both sources and sinks may appear both as a source and as a sink from the point of view of a network node, ie a power distributor according to the invention, which connects this subnetwork to other subnetworks, depending on whether the power Distributor to consider, from the subnet receives electrical power or outputs electrical power to this.
Für den Fall, dass keine Daten für die Quellen und Senken vorliegen, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung versucht, mittels modellbasierten Verfahren, auf künstlicher Intelligenz basierenden Verfahren oder klassischen Fahrplänen sowohl die Leistungsaufnahme der Senken als auch die Leistungsabgabe der Quellen für jeden Zeitpunkt t vorherzusagen. In the event that there is no data for the sources and sinks, according to one embodiment of the invention, it is attempted to predict both the power consumption of the sinks and the power output of the sources for each time t by means of model-based methods, artificial intelligence-based methods or classical schedules ,
Kurzfristige und geringe Schwankungen in der Leistungsabgabe der Quellen und der Leistungsaufnahme der Senken werden in konventionellen Netzen durch die Rotationsenergie der Generatoren, gepuffert. Dieses Überbrücken über die Stützung der Drehfrequenz der Generatoren erfolgt solange, bis die Regelmechanismen des Netzes die Erzeugung angepasst haben. In Netzen, die ohne klassische rotierende elektromechanische Generatoren auskommen oder nur eine geringe Anzahl von diesen aufweisen, muss eine solche Pufferung von einem Leistungsverteiler gemäß der vorliegenden Erfindung verwaltet werden. Dabei treten typischerweise Situationen auf, in denen eine Differenz an elektrischer Leistung zwischen der Nachfrage der Senken und dem Angebot der Quellen kurzfristig durch einen Speicherpuffer abgefangen werden muss und zwar solange, bis der Leistungsfluss aus den mit dem Leistungsverteiler verbundenen Quellen in der Summe wieder so groß ist, wie der Leistungsfluss in die mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senken. Short-term and small fluctuations in the power output of the wells and the power consumption of the sinks are buffered in conventional networks by the rotational energy of the generators. This bridging over the support of the rotational frequency of the generators takes place until the control mechanisms of the network have adapted the generation. In networks that do not have or only have a small number of conventional rotating electromechanical generators, such buffering must be managed by a power distributor according to the present invention. Typically, situations arise in which a difference in electrical power between sink demand and source supply must be temporarily trapped by a memory buffer until the power flow from the sources associated with the power distributor is so large again is how the power flow into the sinks connected to the power distributor.
Entstehende Unter- oder Überdeckungen in der elektrischen Leistung im elektrischen Leistungsverteiler müssen daher in einer Ausführungsform der Erfindung durch entsprechende Energiespeicher oder zusätzlich zuschaltbare Quellen ausgeglichen werden. Insbesondere zum Ausgleich von Netzschwankungen finden die nachstehend beschriebenen Verfahren zur Steuerung des Leistungsverteilers Anwendung, um Leistungsprofile zu generieren, die kurzfristig die notwendigen Leistungsflüsse aus mit dem Leistungsverteiler verbundenen Energiespeichern zur Stützung des Netzes zur Verfügung zu stellen. Dabei werden diese Leistungsprofile zur Stützung des Netzes so gewählt, dass der vorgegebene Leistungsfluss oder das Spannungsniveau oder die Netzfrequenz innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen. Um die Anforderungen an die Leistungsverteilung erfüllen zu können, werden in einem elektrischen Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leistungsprofile sowohl der Quellen als auch der Senken durch elementare Leistungsprofile mit über einen Zeitabschnitt dt konstanten Leistungseinheiten dP approximiert. Dabei kann die Approximation des tatsächlichen Leistungsprofils P(t) durch dP als Digitalisierung des Leistungsprofils P(t) verstanden werden. Diese Approximation vereinfacht die Algorithmen für die Verteilung der elektrischen Leistung zwischen den zu einem Zeitpunkt t von den Quellen bereitgestellten Leistungen und den von den Senken zu diesem Zeitpunkt benötigten Leistungen. Resulting under- or overlaps in the electrical power in the electric power distributor must therefore be compensated in an embodiment of the invention by appropriate energy storage or additionally switchable sources. In particular, to compensate for network fluctuations, the methods of controlling the power distributor described below are used to generate power profiles that provide the necessary power flows in the short term from energy storage devices connected to the power distributor to support the network. These power profiles are selected to support the network so that the predetermined power flow or the voltage level or the mains frequency are within the specified tolerances. In order to meet the power distribution requirements, in an electric power grid according to an embodiment of the present invention, the power profiles of both the sources and the sinks are approximated by elementary power profiles with constant power units dP over a period dt. The approximation of the actual Power profile P (t) by dP as digitizing the power profile P (t) are understood. This approximation simplifies the algorithms for distributing the electric power between the powers provided by the sources at a time t and the powers required by the sinks at that time.
Dabei bieten sich für die Approximation der Leistungsprofile zwei unterschiedliche Approximationsverfahren an. Two different approximation methods are available for the approximation of the power profiles.
Zum Einen lässt sich die Leistung P in einem gegebenen Intervall dt approximieren als P#, wobei gilt wobei P— P# < δ. Das heißt die Leistung P in dem Intervall dt wird approximiert als ein ganzzah- liges Vielfaches des elementaren Leistungsprofils dP. On the one hand, the power P in a given interval dt can be approximated as P #, where where P- P # <δ. That is, the power P in the interval dt is approximated as an integer multiple of the elementary power profile dP.
In Figur 1 ist eine auf diese Weise durchgeführte Approximation des Leistungsprofils P(t) eines sich entladenden Kondensators gezeigt. Ein solcher Kondensator könnte beispielsweise als Energiespeicher, welcher mit einem Anschluss des Leistungsverteilers verbunden ist, Verwendung fin- den. Für die Leistungsabgabe eines solchen Kondensators gilt allgemein FIG. 1 shows an approximation of the power profile P (t) of a discharging capacitor carried out in this way. Such a capacitor could be used, for example, as an energy store, which is connected to a connection of the power distributor. For the power output of such a capacitor is general
P(t = P0 * exp(- ^), wobei R der Lastwiderstand und C die Kapazität des Kondensators sind. P0 ist die im vollständig geladenen Zustand zum Zeitpunkt to abgegebene Leistung. P (t = P 0 * exp (- ^), where R is the load resistance and C is the capacitance of the capacitor P 0 is the power delivered in the fully charged state at time to.
Alternativ lässt sich die Approximation mit Hilfe eines Power of 2 Bildungsgesetzes durchführen, so wie es aus der Digitaltechnik bekannt ist. Ein derart approximierter Verlauf der Leistungskurve P(t) des sich entladenen Kondensators ist in Figur 2 beispielhaft gezeigt. Die digitalisierte Approxi- mation P# lässt sich dann beschreiben als Alternatively, the approximation can be performed using a Power of 2 education law, as known from digital technology. Such an approximated course of the power curve P (t) of the discharged capacitor is shown by way of example in FIG. The digitized approximation P # can then be described as
P# = £dpk = £2k * dp, wobei dßk=2k * dp. # P = dp £ £ k = 2 k * dp, wherein DSSK = 2 k * dp.
Es bietet sich an, Kondensatoren, deren Leistungsprofil sich durch ein Power of 2 Bildungsgesetz approximieren lässt, durch Kondensatorbänke zu realisieren. Um die Leistungsanforderungen Pdem(t) zu jedem Zeitpunkt t der einzelnen mit den Anschlüssen des Leistungsverteilers verbundenen Senken erfüllen zu können, müssen die Leistungsflüsse der verschiedenen Quellen (dies schließt Energiespeicher, wie den zuvor betrachteten Kondensator ein) derart miteinander kombiniert, d.h. in dem Leistungsteiler verschaltet werden, dass die angeforderten Leistungsflüsse jeder einzelnen mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senke bereitgestellt werden können. Dazu ist es in der dargestellten Ausführungsform notwendig, zumindest einen Energiespeicher vorzusehen, welcher in der Lage ist, die von den anderen mit dem Leistungsverteiler verbundenen Quellen bereitgestellte Leistung entweder im Falle einer Unterdeckung zu ergänzen oder im Falle einer Überdeckung die zu einem Zeitpunkt t nicht benötigte Leistung aufzunehmen. Um die Verteilungsaufgabe lösen zu können, muss zu jedem Zeitpunkt t der aktuelle Zustand aller Quellen einschließlich einer als Energiespeicher ausgezeichneten Quelle sowie zumindest die Leistungsanforderung Pdem(t) der Senken bekannt sein. Zu jeder zu einem Zeitpunkt t gehörenden Zeitscheibe dt, über welche die zur Approximation der Leistungsflüsse P(t) verwendete elementare Leistungseinheit dP konstant ist, wird in einem Zustandsmodell festgelegt, wie die zu diesem Zeit- punkt t maximal bereitgestellte Leistung Pmax(t) der Quellen und die angeforderte Leistung Pdem(t)der Senken aussieht und wie die Leistung der Quellen auf die Senken verteilt werden kann. Dies geschieht wie zuvor ausgeführt durch die Approximation der Leistungskurven der Quellen und Senken. Alternativ zu einer Betrachtung der Leistungen, könnte die die Steuerung des Leistungsflusses in einer Ausführungsform auch anhand der Spannung U(t) erfolgen, da gilt P(t) = wobei R der Widerstand der Quelle bzw. der Senke ist. It makes sense to realize capacitors whose performance profile can be approximated by a power of 2 education law by means of capacitor banks. In order to meet the power requirements Pdem (t) at each instant t of the individual sinks connected to the power distributor terminals, the power flows of the various sources (including energy storage such as the previously considered capacitor) must be combined, ie in the power divider be interconnected, that the requested power flows of each individual sink connected to the power distributor can be provided. For this purpose, in the illustrated embodiment it is necessary to provide at least one energy store which is able to supplement the power provided by the other sources connected to the power distributor either in the case of underfunding or in the case of overlapping which is not required at a time t To absorb power. In order to be able to solve the distribution task, the current state of all sources including a source known as energy storage and at least the power requirement Pdem (t) of the sinks must be known at each instant t. For each time slice dt belonging to a time t, via which the elementary power unit dP used to approximate the power flows P (t) is constant, it is determined in a state model how the maximum power P ma x (t ) of the sources and the requested power Pdem (t) of the sinks and how the power of the sources can be distributed to the sinks. This is done as previously done by approximating the power curves of the sources and sinks. Alternatively to a consideration of the powers, the control of the power flow in one embodiment could also be based on the voltage U (t), since P (t) = where R is the resistance of the source or sink.
Figur 3 zeigt schematisch ein Stromnetz bestehend aus einer Mehrzahl von Senken bzw. Verbrau- ehern 1000, eine Mehrzahl von Quellen bzw. Erzeugern 3000 sowie dem erfindungsgemäßen Leistungsverteiler 2000. FIG. 3 schematically shows a power network consisting of a plurality of sinks or consumers 1000, a plurality of sources or generators 3000 and the power distributor 2000 according to the invention.
Alle Anschlüsse des Leistungsverteilers 2000 sind bidirektional ausgestaltet, sodass es für den Leistungsverteiler 2000 in der beschriebenen Ausführungsform keinen Unterschied macht, ob mit einem seiner Anschlüsse eine Quelle oder eine Senke verbunden ist. Typischerweise können einzelne mit dem Leistungsverteiler 2000 verbundene Elemente sowohl Quelle als auch Senke sein. Ein Beispiel hierfür ist ein Energiespeicher. Dies gilt aber auch dann, wenn eines der mit dem Leistungsverteiler 2000 verbundenen Elemente, beispielsweise eine der Senken 1000, ein Teilnetz eines Stromnetzes ist, welches über den Leistungsverteiler 2000 mit anderen Teilnetzen verbunden ist. Die Betrachtung, ob ein mit dem Leistungsverteiler 2000 verbundenes Element 1000, 3000 eine Quelle oder eine Senke ist, hängt lediglich davon ab, ob dieses Element zu einem gegebenen Zeitpunkt t dem Leistungsverteiler 2000 elektrische Leistung zur Verfügung stellt oder elektrische Leistung von diesem erhält. Zur Vereinfachung der Betrachtung wird in der folgenden Beschreibung immer davon ausgegangen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt t alle mit 1000 bezeichneten Elemente Senken sind und alle mit 3000 bezeichneten Elemente Quellen. Zusammen werden die Elemente 1000, 3000 auch als Knoten bezeichnet. All of the terminals of the power distributor 2000 are bidirectionally configured, so that it makes no difference to the power distributor 2000 in the described embodiment whether a source or sink is connected to one of its terminals. Typically, individual elements connected to the power distributor 2000 may be both source and sink. An example of this is an energy store. This is true even if one of the with the Power Distributor 2000 connected elements, for example, one of the sinks 1000, a subnetwork of a power network, which is connected via the power distributor 2000 with other subnets. The consideration of whether an element 1000, 3000 connected to the power distributor 2000 is a source or sink depends only on whether this element provides electrical power to or receives electrical power from the power distributor 2000 at a given time t. For ease of consideration, it is always assumed in the following description that at a given time t, all elements labeled 1000 are sinks and all elements labeled 3000 are sources. Together, elements 1000, 3000 are also referred to as nodes.
Figur 4 zeigt eine detaillierte Darstellung des Stromnetzes aus Figur 3, wobei in dieser Darstellung erkennbar ist, dass das erfindungsgemäße Stromnetz logisch, aber auch physikalisch zwei Netze umfasst. Dies ist zum einen ein Datennetzwerk, welches einen Informationsaustausch zwischen einzelnen Kommunikationseinrichtungen der Komponenten des Stromnetzes ermöglicht. Das Da- tennetzwerk verbindet jeden der Senkencontroller 1200 der Senken 1000 mit einer Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers 2000 sowie die Quellecontroller 3200 der Quellen 3000 für elektrische Energie mit der Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers 2000. Demgegenüber sind die elektrischen Anschlüsse 1 100 bzw. 3100 der Senken 1000 und der Quellen 3000 mit einem Verbindungssystem 2100 elektrisch verbunden, wobei dieses Verbin- dungssystem 2100 eine elektrische Verteilerschaltung im Sinne der vorliegenden Anmeldung bildet. FIG. 4 shows a detailed representation of the power network from FIG. 3, it being apparent in this representation that the power network according to the invention comprises two grids both logically and physically. On the one hand, this is a data network which enables an exchange of information between individual communication devices of the components of the power network. The data network connects each of the sink controllers 1200 of the wells 1000 to a communication device 2200 of the power distributor 2000, and the source controllers 3200 of the sources 3000 for electrical energy to the communication device 2200 of the power distributor 2000. In contrast, the electrical connections 1 are 100 and 3100 of the wells 1000, respectively and the sources 3000 are electrically connected to a connection system 2100, this connection system 2100 forming an electrical distribution circuit in the sense of the present application.
Über die Verteilerschaltung 2100 sind die elektrischen Anschlüsse 1 100, 3100 und damit die eigentlichen Verbraucher 1300 und Generatoren 3300 miteinander verbunden. Die Komponenten 1 100, 2100 und 3100 bilden damit den Leistungsteil des gezeigten Stromnetzes. Im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff des Generators 3300 jedwede Art einer elektrischen Energiequelle, beispielsweise in Form einer Turbine, einer Windkraftanlage, einer Photovoltaikanlage oder eines Akkumulators. Eine Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000 dient dazu, die zu einem Zeitpunkt t erforderlichen Flüsse der elektrischen Leistung im Leistungsteil 1 100, 2100, 3100 zu steuern und die zu diesem Zeitpunkt erforderlichen Leistungsflüsse aus Zustandsinformationen, welche in dem Datennetzwerk zwischen den mit diesem verbundenen Kommunikationseinrichtungen 1200, 2200, 3200 ausgetauscht werden, zu berechnen. Via the distribution circuit 2100, the electrical connections 1 100, 3100 and thus the actual consumers 1300 and generators 3300 are interconnected. Components 1 100, 2100 and 3100 thus form the power section of the power grid shown. As used herein, the term generator 3300 includes any type of electrical energy source, such as a turbine, wind turbine, photovoltaic system or accumulator. A controller 2300 of the power distributor 2000 serves to control the electric power flows in the power unit 1100, 2100, 3100 required at a time t and the power flows required at this time from status information stored in the data network between the communication devices 1200 connected thereto , 2200, 3200 are to be exchanged.
Aufgabe der Controller 1 100 der Senken 1000 ist es, digitalisierte Anforderungsprofile für die benötigte Leistung Pdem(t) in Abhängigkeit von der Zeit t auf Basis des aktuellen und des zu erwartenden Leistungsbedarfs der eigentlichen Verbraucher 1300 zu generieren und diese über das Datennetzwerk an die Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers zu kommunizieren. The task of the controllers 1 100 of the sinks 1000 is to generate digitized requirement profiles for the required power Pdem (t) as a function of the time t on the basis of the current and expected power requirements of the actual consumers 1300 and these via the Data network to the communication device 2200 of the power distribution to communicate.
Aufgabe der Controller 3200 der Quellen 3000 ist es hingegen, Zustandsinformation über die Ge- neratoren 3300 zu bestimmen und zu aktualisieren sowie aus diesen Zustandsinformationen die zu jedem zukünftigen Zeitpunkt t von der Quelle 3000 maximal bereitstellbare elektrische Leistung zu berechnen und diese Information an die Kommunikationseinrichtung 2200 der Leistungssteuerung 2000 zu übermitteln. In Ausführungsformen, die hier nicht im Detail beschrieben werden, könnte alternativ der Controller 3200 lediglich Zustandsinformationen des Generators 3300 bestimmen und aktualisieren und diese Zustandsinformation über das Datennetzwerk an die Kommunikationseinrichtung 2200 des Leistungsverteilers 2000 übermitteln, wobei dann die zentrale Steuerung 2300 das Berechnen der von der von der Quelle 3000 zu einem Zeitpunkt t maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung Pmax(t) übernimmt. On the other hand, it is the task of the controllers 3200 of the sources 3000 to determine and update state information about the generators 3300 and to calculate from this state information the maximum achievable electrical power from the source 3000 at any future time t and this information to the communication device 2200 the power control 2000 to submit. Alternatively, in embodiments not described in detail herein, the controller 3200 could merely determine and update state information of the generator 3300 and communicate that state information over the data network to the communication device 2200 of the power distributor 2000, in which case the central controller 2300 will do the computing of the from the source 3000 at a time t maximum available electrical power P ma x (t) takes over.
Im Folgenden wird nun der Aufbau der Verteilerschaltung 2100, welche das zentrale, von der Steuerung 2300 gesteuerte Element des Leistungsverteilers 2000 bildet, im Detail erläutert. Notwendige Voraussetzung für eine Leistungsflusssteuerung in dem elektrischen Leistungsverteiler ist, dass jeder der Anschlüsse einen Leistungssteiler aufweist, der es ermöglicht, die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einzustellen. Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines solchen Leistungsstellers beschrieben. Der Leistungssteiler ist Teil eines Leistungsflusscontrollers DFC, welcher zusätzlich zu dem Leistungsstel- ler weitere Komponenten aufweist. Der Leistungsflusscontroller mit dem Leistungssteiler kann über seine Verwendung in jedem der Anschlüsse der Verteilerschaltung hinaus auch als variabler Schalter in der elektrischen Verteilerschaltung selbst verwendet werden, so wie sie nachstehend noch erläutert werden wird. Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild des Leistungsflusscontrollers DFC mit seinen einzelnen Komponenten. Der Leistungsflusscontroller DFC weist eine Rechnereinheit 4 (als Steuerung des DFC im Sinne der vorliegenden Anmeldung) zur Steuerung, Regelung, dem Management und der Kommunikation auf. Der Leistungsflusscontroller weist zudem einer Anbindung an ein Datennetzwerk, hier ein IP-Netzwerk 8, einen Leistungssteiler 1 basierend auf einen bidirektionalen Hochsetz-/Tief- setzsteiler, einen DC/DC-Wandler 2 sowie eine Messeinrichtung 3 zum Erfassen der elektrischen Ist-Leistung aus einer Messung von Strom und Spannung auf. Die Rechnereinheit 4 ist über Steuerleitungen 5, 6 mit dem Hochsetz-/Tiefsetzsteller 1 sowie dem DC/DC-Wandler 2 verbunden sowie über eine Messleitung 7 mit der Messeinrichtung 3. Der DC/DC-Wandler 2, dient dazu, das von dem Netz geforderte Spannungsniveau einzustellen. Bei dem Leistungsflusscontrollers DFC aus Figur 5 handelt es sich um eine Gleichspannungs-(DC- )komponente. Auch wenn der eigentliche Leistungsflusscontroller DFC einen DC-Betrieb voraus- setzt, so lässt sich mit diesem Leistungsflusscontroller DFC dennoch auch eine Leistungsverteilung in einem AC-Stromnetz realisieren. Dazu ist es erforderlich, zwischen dem Leistungssteiler 1 des DFC und der jeweiligen AC-Quelle bzw. AC-Senke einen bidirektionalen AC/DC-Wandler vorzusehen, welcher die von einer Quelle kommende Wechselspannung in Gleichspannung zur Verteilung in dem Leistungsverteiler wandelt oder die aus dem Leistungsverteiler kommende DC-Spannung in AC-Spannung wandelt, um die Leistung dann einer Senke bereitzustellen. The structure of the distribution circuit 2100, which forms the central element of the power distributor 2000 controlled by the controller 2300, will now be explained in detail below. A necessary prerequisite for a power flow control in the electric power distributor is that each of the terminals has a power divider which makes it possible to set the electrical power P (t) flowing through the respective terminal as a function of the time t. An embodiment of such a power controller will be described below. The power divider is part of a power flow controller DFC, which has additional components in addition to the power controller. The power flow controller with the power divider may also be used as a variable switch in the electrical distribution circuit itself beyond its use in each of the terminals of the distribution circuit, as will be explained below. FIG. 5 shows a block diagram of the power flow controller DFC with its individual components. The power flow controller DFC has a computer unit 4 (as control of the DFC in the sense of the present application) for control, regulation, management and communication. The power flow controller also has a connection to a data network, in this case an IP network 8, a power divider 1 based on a bidirectional step-up / step-down divider, a DC / DC converter 2 and a measuring device 3 for detecting the actual electrical power a measurement of current and voltage. The computer unit 4 is connected via control lines 5, 6 to the boost / buck converter 1 and the DC / DC converter 2 and via a measuring line 7 to the measuring device 3. The DC / DC converter 2 serves to adjust the voltage level required by the network. The power flow controller DFC of FIG. 5 is a DC (DC) component. Even if the actual power flow controller DFC presupposes a DC operation, this power flow controller DFC can nevertheless also be used to implement a power distribution in an AC power grid. For this purpose, it is necessary to provide a bidirectional AC / DC converter between the power divider 1 of the DFC and the respective AC source or AC sink, which converts the coming from a source AC voltage into DC voltage for distribution in the power distributor or the Power Distributor converts incoming DC voltage into AC voltage to then provide the power to a sink.
Figur 6 zeigt ein schematisches Schaltbild des bidirektionalen Hochsetz-/Tiefsetzstellers 2 aus Figur 5. Dieser ist in der Lage, einen Leistungsfluss in beiden Richtungen, d.h. sowohl in den Leistungsverteiler hinein als auch aus dem Leistungsverteiler heraus zu Senken bzw. Verbrauchern hin, zu steuern. Figure 6 shows a schematic circuit diagram of the bidirectional step-up / step down converter 2 of Figure 5. This is capable of producing a power flow in both directions, i. both into the power distributor and out of the power distributor out to sinks or consumers out.
Die elektrische Verteilerschaltung 2100 des elektrischen Leistungsverteilers 2000 kann in einer Reihe von Ausführungsformen realisiert sein. In Figur 7 wird eine erste sehr einfache Ausführungsform der Verteilerschaltung 2100 gezeigt, wobei in den Anschlüssen der Verteilerschaltung die jeweiligen Leistungsflusscontroller DFC abgebildet sind. Die Verteilerschaltung 2100 aus Figur 7 umfasst eine einfache Stromschiene 9, mit der sämtliche Anschlüsse und damit die Leistungscontroller DFC parallel verbunden sind. Ebenfalls angedeutet ist in Figur 7, dass die einzelnen Leistungsflusscontroller DFC über ein Datennetzwerk 8 miteinander verbunden sind. Das Datennetzwerk 8 wiederum verbindet die Leistungsflusscontroller DFC mit der Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000. The electrical distribution circuit 2100 of the electric power distributor 2000 may be implemented in a number of embodiments. FIG. 7 shows a first very simple embodiment of the distribution circuit 2100, wherein the respective power flow controllers DFC are depicted in the connections of the distribution circuit. The distributor circuit 2100 from FIG. 7 comprises a simple bus bar 9, to which all connections and thus the power controllers DFC are connected in parallel. It is also indicated in FIG. 7 that the individual power flow controllers DFC are connected to one another via a data network 8. The data network 8 in turn connects the power flow controllers DFC to the controller 2300 of the power distributor 2000.
Diese Ausgestaltung der Verteilerschaltung weist den Vorteil auf, dass sie einfach zu realisieren ist und der Leistungsverteiler insgesamt mit einer Anzahl von Leistungscontrollern DFC auskommt, die gleich der Anzahl der Anschlüsse der Verteilerschaltung ist. Der Nachteil dieser einfachen Ausführungsform der Verteilerschaltung ist, dass sie Einschränkungen bei der Konfigurierbarkeit der Leistungsverteilung von den Quellen zu den Senken aufweist. Bei der Anbindung der Quellen an die passive Stromschiene 9 aus Figur 7 werden alle Quellen parallel an die Schiene angeschlossen. Das heißt alle Quellen werden an der Schiene mit gleicher Spannung betrieben, die Ströme addieren sich. Durch die Leistungssteiler DFC wird dafür gesorgt, dass die entsprechende Leistung eingespeist wird. Damit alle Quellen auf dem gleichen Spannungsniveau angeschlossen werden können, ist in jedem Leistungsteller ein DC/DC-Spannungs- wandler vorgesehen 2. Eine serielle Verschaltung der Quellen ist mit der passiven Stromschiene 9 nicht möglich. Dazu benötigt man eine Kaskade von passiven Stromschienen, die einen Baum bilden. Eine solche Anordnung ist schematisch in Figur 8 gezeigt. In dieser Schaltung können jeweils einzelne Anschlüsse einer Stromschiene mit einem Anschluss einer Verteilerschiene in einer nächsthöheren Stromschiene verbunden werden. This embodiment of the distributor circuit has the advantage that it is easy to implement and the power distributor as a whole manages with a number of power controllers DFC which is equal to the number of terminals of the distributor circuit. The disadvantage of this simple embodiment of the distribution circuit is that it has limitations in the configurability of power distribution from the sources to the sinks. When connecting the sources to the passive busbar 9 of Figure 7, all sources are connected in parallel to the rail. That is, all sources are operated on the rail with the same voltage, the currents add up. The power divider DFC will ensure that that the corresponding power is fed. So that all sources can be connected at the same voltage level, a DC / DC voltage converter is provided in each power controller. 2. A serial connection of the sources is not possible with the passive busbar 9. This requires a cascade of passive busbars that form a tree. Such an arrangement is shown schematically in FIG. In this circuit, individual connections of a busbar can be connected to one terminal of a busbar in a next higher busbar.
Dann kann jeweils nur ein Anschluss einer Stromschiene über einen Anschluss der nächst höheren Stromschiene seriell verschaltet werden. Will man einen Anschluss Z1 an der passiven Stromschiene PPB1 1 in Figur 8 mit einem Anschluss Z2 an der Stromschiene PPB12 seriell verschalten, so müssen alle anderen Anschlüsse außer Z1 und Z2 auf PPB1 1.PPB12 abgeschaltet werden. Dann können über PPB21 Z1 und Z2 in Serie geschaltet werden. Dies bedeutet aber, dass alle anderen an PPB1 1 vorhandene Anschlüsse abgeschaltet sein müssen. Diese Kaskadierung ermöglicht einen einfachen Schaltungsaufbau, führt aber neben der reduzierten Flexibilität auch zu einem Abschalten vieler Anschlüsse. Demgegenüber zeigt Figur 9 schematisch den Aufbau des Leistungsverteilers 2100 nach Art eines vollständig rekonfigurierbaren Crossbars, d.h. eines sechs x vier Koppelfeldes. Dieses ermöglicht es, jede der Quellen 3000 (dargestellt ist in Figur 9 nur der Leistungsteil 3100) mit jedem der Verbraucher 1000 (dargestellt ist in Figur 9 nur der Leistungsteil 1 100) zu verbinden. Zudem können alle Quellen 1000 wahlweise parallel oder in Serie miteinander verschaltet werden. Zu diesem Zweck verfügt die Verteilerschaltung 2100 aus Figur 9 an jedem Knoten des Koppelfelds über einen Leistungsflusscontroller DFC. Then only one port of a power rail can be connected in series via a connection of the next higher power rail. If one wants to connect a connection Z1 on the passive busbar PPB1 1 in FIG. 8 to a connection Z2 on the busbar PPB12 serially, then all other connections except Z1 and Z2 must be switched off on PPB1 1.PPB12. Then Z1 and Z2 can be connected in series via PPB21. This means that all other connections on PPB1 1 must be switched off. This cascading allows a simple circuit design, but in addition to the reduced flexibility also leads to a shutdown of many connections. In contrast, Figure 9 shows schematically the structure of the power distributor 2100 in the manner of a fully reconfigurable crossbar, i. a six-by-four switching matrix. This makes it possible to connect each of the sources 3000 (shown in FIG. 9 only the power section 3100) to each of the loads 1000 (shown in FIG. 9 only the power section 1100). In addition, all sources 1000 can optionally be interconnected in parallel or in series with each other. For this purpose, the distribution circuit 2100 of FIG. 9 has a power flow controller DFC at each node of the switching network.
Figur 10 zeigt eine Variante des Koppelfeldes aus Figur 9, wobei die Schalter s an den Knoten des Koppelfeldes als einfache An-/Aus-Schalter ausgeführt sind. Zusätzlich sind aber in den Anschlüs- sen der Quellen 3000 und der Verbraucher 1000 DFCs vorgesehen, um die erforderliche Leistungsflusssteuerung bereitzustellen. FIG. 10 shows a variant of the switching matrix from FIG. 9, the switches s being designed as simple on / off switches at the nodes of the switching matrix. In addition, however, 1000 DFCs are provided in the connections of the sources 3000 and the load to provide the required power flow control.
In Figur 1 1 a) ist beispielhaft ein vereinfachtes Crossbar mit vier Quellen 10 und nur einem einzigen Anschluss 1 1 für eine Senke dargestellt, wobei berücksichtigt ist, dass jede der DC-Quellen 10 über zwei Leitungen mit dem Anschluss 1 1 für die Senke verbunden sein muss. Mit 12 ist in Figur 1 1 a) jeweils ein Teil eines Leistungsflusscontrollers, nämlich für einen Draht einer Leitung, bezeichnet. Figur 1 1 b) zeigt in schematischer Darstellung, dass sich alle möglichen Varianten von Reihen und Parallelschaltungen mit dieser Anordnung realisieren lassen. Diese Form des Koppelfeldes ist in Bezug auf die Anzahl der Anschlüsse für Quellen und Senken skalierbar, wobei der damit verbundene Aufwand mit zunehmender Anzahl der Quellen und Senken im Wesentlichen linear steigt. FIG. 1 a) shows, by way of example, a simplified crossbar with four sources 10 and only one single connection 1 1 for one sink, whereby it is taken into account that each of the DC sources 10 is connected via two lines to the connection 1 1 for the sink have to be. With 12 in Figure 1 1 a) in each case a part of a power flow controller, namely for a wire of a line, referred to. Figure 1 1 b) shows a schematic representation that all possible variants of series and parallel circuits can be realized with this arrangement. This form of switching matrix is scalable with respect to the number of connections for sources and sinks, with the associated complexity increasing substantially linearly as the number of sources and sinks increases.
Zwischen der Ausführungsform des Leistungsverteilers aus Figur 7 und der Ausführungsform aus Figur 10 liegt in Bezug auf die Komplexität der Verschaltung eine Ausführungsform, so wie sie ergänzend im Folgenden anhand der Figuren 12 und 13 beschrieben wird. Sollen beispielsweise mehrere Quellen an einer Stromschiene seriell verschaltet werden, so muss die Stromschiene aktiv geschaltet sein, d.h. ein Koppelfeld, so wie es zuvor beschrieben wurde. Zur Reduktion der Komplexität können die Quellen jedoch zu einem eigenen Netzwerk, einem sogenannten Physical Abstraction Layer zusammengefasst werden. Dieses Physical Abstraction Layer 13 ist wie in Figur 12 a) gezeigt über viele Anschlüsse A1 bis A8 an die Stromschiene 9 angebunden. Between the embodiment of the power distributor of FIG. 7 and the embodiment of FIG. 10, with regard to the complexity of the interconnection, there is an embodiment as described in addition in the following with reference to FIGS. 12 and 13. If, for example, several sources are to be connected in series on a power rail, then the power rail must be actively switched, i. a switch fabric as previously described. To reduce the complexity, however, the sources can be combined into a separate network, a so-called physical abstraction layer. As shown in FIG. 12 a), this physical abstraction layer 13 is connected to the bus bar 9 via many connections A1 to A8.
Das Physical Abstraction Layer 13 dient dazu die Quellen Z1 bis Z4 parallel und seriell zu verschalten. Jede einzelne Quelle lässt sich so an die Stromschiene 9 anbinden. Quellen Z1 bis Z4, die aufeinander folgen, lassen sich parallel und seriell mit der Stromschiene verbinden. Auch lassen sich Quellen Z1 bis Z4 verschalten indem man andere Quellen Z1 bis Z4 auslässt. Dies hat aber zur Folge, dass die übersprungenen Quellen nicht weiter verwendet werden können. Durch entsprechende Schaltung der DFCs können beliebige Reihen- und Serienschaltungen der Quellen Z1 bis Z4 realisiert werden. Anhand von Figur 12 a) wird nun beschrieben, wie Quellen Zi und Z2 sowie die Quellen Z3 und Z4 seriell verschaltet werden. Die in Serie geschalteten Quellen Z1 und Z2 werden über die Anschlüsse A1 und A4 parallel und über die Anschlüsse A5 und A8, an denen die seriell verbundenen Quellen z3 und z4 verschaltet sind, an die entsprechenden Stromleiter einer Stromschiene 9 angeschlossen. Die Leistungsflusscontroler DFC1 bis DFC15 weisen in der schematischen Ansicht aus Figur 12 a) jeweils drei Anschlüsse auf. Dabei handelt es sich um ein Ersatzschaltbild, dessen genaue Ausgestaltung in Figur 12 b) gezeigt ist. Auf der linken Seite von Figur 12 b) ist noch einmal das Ersatzschaltbild des 2 x 1 DFC aus Figur 12 a) gezeigt, auf der rechten Seite die tatsächliche Versschaltung. Bei genauerer Betrachtung wird der DFC mit drei Anschlüsse wie in Figur 12 b) rechts gezeigt durch einen DFC realisiert, dessen Ausgang mit zwei parallel geschalteten Schaltern S1 , S2 verbunden ist, wobei sowohl der DFC als auch die beiden Schalter S1 , S2 mit der Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000 verbunden sind und von dieser gesteuert werden. Figur 13 zeigt schematisch die Anbindung einer Physical Abstraction Layer 13 an ein aktives, das heißt geschaltetes Koppelfeld. Dabei ist das Koppelfeld ein Koppelfeld mit einfachen An/Aus- Schaltern S, so wie sie bereits für das Koppelfeld aus Figur 10 beschrieben wurden. The physical abstraction layer 13 is used to connect the sources Z1 to Z4 in parallel and in series. Each individual source can be connected to the busbar 9. Sources Z1 to Z4 following each other can be connected in parallel and in series with the bus bar. Also, sources Z1 to Z4 can be interconnected by omitting other sources Z1 to Z4. However, this means that the skipped sources can no longer be used. By appropriate circuit of the DFCs any series and series circuits of the sources Z1 to Z4 can be realized. With reference to Figure 12 a) will now be described how sources Zi and Z2 and the sources Z3 and Z 4 are connected in series. The series-connected sources Z1 and Z2 are connected in parallel via the terminals A1 and A4 and via the terminals A5 and A8, where the serially connected sources z3 and z4 are connected, to the corresponding current conductors of a bus bar 9. The power flow controllers DFC1 to DFC15 each have three connections in the schematic view from FIG. 12 a). This is an equivalent circuit diagram, the exact configuration of which is shown in FIG. 12 b). On the left side of FIG. 12 b), the equivalent circuit diagram of the 2 × 1 DFC from FIG. 12 a) is shown once more, on the right side the actual switching circuit. On closer inspection, the 3-port DTC is implemented by a DTC as shown to the right in Figure 12 b, the output of which is connected to two switches S1, S2 connected in parallel, with both the DTC and the two switches S1, S2 connected to the controller 2300 of the power distributor 2000 are connected and controlled by this. FIG. 13 shows schematically the connection of a physical abstraction layer 13 to an active, that is to say switched, switching network. In this case, the switching network is a switching network with simple on / off switches S, as they have already been described for the switching network of Figure 10.
Die Beschaltung der Verteilerschaltung 2100 erfolgt durch die Steuerung 2300 des Leistungsverteilers. Dabei bilden die Steuerung 2300 sowie die Controller der Quellen und Senken 1200, 3200 eine logische Ebene, die auch als Control Plane bezeichnet wird. Aufgaben dieser Control Plane sind insbesondere: The wiring of the distribution circuit 2100 is performed by the controller 2300 of the power distributor. The controller 2300 and the controllers of the sources and sinks 1200, 3200 form a logical level, which is also referred to as a control plane. Tasks of this control plane are in particular:
Kommunikation der Controller untereinander  Communication of the controllers with each other
Verarbeitung und Speicherung der aktuellen Leistungs-, Spannungs- und Stromstärkemesswerte  Processing and storage of current power, voltage and current measurements
Speicherung der Information über die aktuellen Zustände der einzelnen Quellen Ansteuerung und Regelung der DFCs, sodass die entsprechenden Quellen mit den entsprechenden Senken verschaltet werden.  Storage of information about the current states of the individual sources Control and regulation of the DFCs so that the corresponding sources are interconnected with the corresponding sinks.
Verwaltung und Konfiguration der Koppelfelder  Administration and configuration of the switching networks
Bestimmung der aktuellen Lastwiderstände der Quellen 1000  Determination of current load resistances of sources 1000
Bestimmung anderer Parameter wie Temperatur, Zyklusanzahl, Alterung der Quellen bzw. Energiespeicher  Determination of other parameters such as temperature, number of cycles, aging of sources or energy storage
Systemüberwachung  system monitoring
Kommunikation mit übergeordneten Systemen  Communication with higher-level systems
Entgegennahme und Verarbeitung von externen Fahrpläne für planbare Leistungsflüsse  Receipt and processing of external timetables for plannable power flows
Anforderung von Leistung zur Wiederaufladung von mit dem Leistungsverteiler verbundenen Energiespeichern  Requesting power to recharge energy stores connected to the power distributor
Handhabung der spontanen Leistungsabgabe und-aufnahme  Handling spontaneous power delivery and recording
Bestimmung geeigneter Quellen zur Erfüllung der Anforderung mittels des Orchestrierungsalgorithmus  Determine appropriate sources to meet the requirement using the orchestration algorithm
Erstellung der Prozessführung für die Quellen- und DFC-Verschaltung sowie der Steuerung und Regelung der beteiligten DFCs  Creation of the process control for the source and DFC interconnection as well as the control and regulation of the involved DFCs
Die Prozessführung und Quellenbestimmung wird iterativ optimiert  The process control and source determination is iteratively optimized
Quellenbewirtschaftung: Anforderung von externer Leistung zum Wiederaufladen sowie interne Umspeicherung und Selektion von defekten Quellen  Source Management: Requirement of external power for recharging as well as internal re-storage and selection of defective sources
Mikrobilanzierung und CDR-Erstellung für die Abrechnung  Microaccounting and CDR creation for billing
Meldung bzgl. der Bereitstellung von positiver und negativer Regelenergie  Notification regarding the provision of positive and negative control energy
Überbrückung von Lieferlücken bei Kurzfristiger Nachbestellung von Leistung. Das heißt stellt eine Senke während des Verbrauchprozesses fest, dass das bestellte Paket zu klein war, so fordert sie eine Nachbestellung. Da diese nachbestellte Leistung in der Regel mit einer Zeitverzögerung erst geliefert werden kann, aber eine Unterbrechung des Prozesses sehr schädlich ist, wird diese Lücke durch den Leistungsverteiler überbrückt. Dazu erhält dieser von der Senke die entsprechende Leistungsanforderung. · Kommunikation mit allen Elementen des Stromnetzes Bridging gaps in delivery in the event of short-term reordering of services. In other words, a sink during the consumption process determines that the ordered package too small, so she demands a reorder. Since this reordered power can usually be delivered with a time delay, but an interruption of the process is very damaging, this gap is bridged by the power distributor. For this, the sink receives the corresponding power requirement from the sink. · Communication with all elements of the electricity network
Die Verteilung der Leistungsflüsse P(t) der Quellen 3000 auf die Leistungsflüsse P(t) der Senken 1000 durch den Leistungsverteiler 2000 wird nun anhand der Figur 14 beschrieben. Dort sind beispielhaft die Leistungsprofile dreier Quellen Z1 bis Z3 und das Leistungsprofil einer Senke S1 für vier Zeitintervalle dt dargestellt. Jedes der Leistungsprofile P(t) ist mit Hilfe von elementaren Leis- tungseinheiten dP, welche über ein Zeitintervall dt eine konstante Leistung aufweisen dp wobei gilt, dass die Leistung zu einem Zeitpunkt gleich einem ganzzahligen Vielfachen der elementaren Leistungseinheit dP ist. Dabei sind bei der Darstellung aus Figur 14 die Zeitintervalle dt gerade so gewählt, dass sie der zeitlichen Dauer dt eines elementaren Leistungselements dP entsprechen. The distribution of the power flows P (t) of the sources 3000 to the power flows P (t) of the sinks 1000 through the power distributor 2000 will now be described with reference to FIG. There, the power profiles of three sources Z1 to Z3 and the power profile of a sink S1 for four time intervals dt are shown by way of example. Each of the power profiles P (t) is based on elementary power units dP, which have a constant power over a time interval dt dp, where the power at one time is equal to an integer multiple of the elementary power unit dP. In the illustration from FIG. 14, the time intervals dt are just selected such that they correspond to the time duration dt of an elementary power element dP.
Die Quellencontroller melden periodisch oder auf Anforderung die Information über ihren aktuellen Ladezustand, aber auch die Temperatur, Alterung oder die Anzahl der bereits durchlaufenen Ladezyklen (für den Fall, dass die Quelle ein Akkumulator ist) in Form einer Zustandsmatrix M_i der ihr zugeordneten Quelle Z_i an die Steuerung 2300 des Leistungsverteilers 2000. Diese Zustandsmatrizen werden dann in der Steuerung 2300 gespeichert. The source controllers periodically or on request report the information about their current state of charge, but also the temperature, aging or the number of charge cycles already performed (in the case that the source is an accumulator) in the form of a state matrix M_i of its associated source Z_i the controller 2300 of the power distributor 2000. These status matrices are then stored in the controller 2300.
Die Zustandsmatrix ist immer ein Schnitt durch ein hochdimensionales Kennfeld und wird für feste Lastwiderstandswerte, Temperaturwerte etc. gebildet. The state matrix is always a section through a high-dimensional map and is formed for fixed load resistance values, temperature values, etc.
Die Controller 1200 der Senken 1000 übermitteln nur Anforderungsprofile Pdem(t) mit Zeitstem- pel an die Steuerung 2300. Es wird jetzt der Lastwiderstand der zu versorgenden Senken 1000 geschätzt oder mithilfe eines Messkopfes in den Leistungsanschlüssen 1 100 der Senken 1000 ermittelt. Die Steuerung kennt die Kennfelder der Quellen 3000 und somit die Abhängigkeit der Zustände z. B. vom Lastwiderstand. Dann werden die aktuellen Zustandsmatrizen entsprechend der Auswirkung der einzelnen Lastwiderstände korrigiert. Insbesondere verändert sich zum Beispiel die Entladezeit eines als Quelle verwendeten Speicherkondensators in Abhängigkeit des mit ihm in Summe verbundenen Lastwiderstands. The controllers 1200 of the sinks 1000 only transmit request profiles Pdem (t) to the controller 2300 with a time stamp. The load resistance of the sinks 1000 to be supplied is now estimated or determined by means of a measuring head in the power connections 1 100 of the sinks 1000. The controller knows the maps of the sources 3000 and thus the dependence of the states z. B. from the load resistance. Then the current state matrices are corrected according to the effect of the individual load resistances. In particular, for example, the discharge time of a storage capacitor used as a source changes as a function of the total load resistance associated therewith.
Als nächsten Schritt ermittelt die Steuerung 2300 geeignete Quellen 3000, so dass zu jedem Zeitpunkt die Summe der von den einzelnen Quellen 3000 bereitgestellten Leistung gleich der Summe der von den Senken angeforderten Leistung ist. Figur zeigt diese Verteilungsaufgabe insofern vereinfacht, da nur eine einzige Senke versorgt werden muss, deren angefordertes Leistungsprofil Pdem(t) in Figur 14 unten dargestellt ist. As a next step, the controller 2300 determines appropriate sources 3000 so that at any one time the sum of the power provided by the individual sources 3000 is equal to the sum of the power requested by the sinks. Figure shows this distribution task simplified insofar as only a single sink must be supplied whose requested power profile Pdem (t) is shown in Figure 14 below.
Dieses angeforderte Leistungsprofil der Senke wird nun aus den drei in Figur 14 oben darge- stellten Leistungsprofilen zusammengesetzt. This requested power profile of the sink is now composed of the three power profiles shown in FIG. 14 above.
Aus der Quelle Z1 werden im ersten und zweiten Zeitintervall z_1 1 und z_12 jeweils zwei elementare Leistungseinheiten dP entnommen, außerdem werden aus der Quelle Z2 für das zweite Zeitintervall ebenfalls zwei elementare Leistungseinheiten dP entnommen, sodass im zweiten Zeitintervall die Steuerung durch Reihenschaltung der beiden Quellen Z1 und Z2 für die Zeitdauer dt insgesamt vier elementare Leistungseinheiten dP zur Verfügung stellen kann. Für das dritte Zeitintervall wird keine Leistung benötigt. Im vierten Zeitintervall liefern die Quelle Z1 und die Quelle Z3 jeweils zwei elementare Leistungseinheiten dP. Der Algorithmus als Teil des Orchestrierungsalgorithmus für das Zusammenbauen des angeforderten Leistungsprofils beruht auf einem Paketierungsproblem. Dabei bildet das angeforderte Leistungsprofil den Packraum und die digitalisierten Leistungsprofile der Quellen stellen die Pakete zur Verfügung. Hinzukommt die Randbedingung, dass die Pakete sowohl quellen- seitig als auch senkenseitig eine vorgegebene zeitliche Reihenfolge haben. Two elementary power units dP are taken from the source Z1 in the first and second time intervals z_1 1 and z_12, and two elementary power units dP are also taken from the source Z2 for the second time interval, so that in the second time interval the control is effected by series connection of the two sources Z1 and Z2 can provide a total of four elementary power units dP for the duration dt. No power is needed for the third time interval. In the fourth time interval, source Z1 and source Z3 each provide two elementary power units dP. The algorithm as part of the orchestration algorithm for assembling the requested performance profile relies on a packaging problem. The requested performance profile forms the packaging space and the digitized performance profiles of the sources provide the packages. Added to this is the boundary condition that the packets have a given chronological sequence both on the source side and the lower side.
Ein solcher Paketierungsalgorithmus, als Teil des Orchestrierungsalgorithmus, kann wie folgt aussehen: Such a packaging algorithm, as part of the orchestration algorithm, can look like this:
Seien Akt der Wert des k-ten Anforderungsprofiles und z7t der Wert der maximalen Leistung der y'-ten Quelle während der t-ten Zeitscheibe. Let A kt be the value of the k th requirement profile and z 7t the value of the maximum power of the y ' th source during the t th time slice.
Beginnen wir mit dem Fall, dass nur eine simultane Anforderung k = 1 vorliegt: Let's start with the case that only one simultaneous requirement k = 1 exists:
• Während jeder Zeitscheibe t berechne für alle Quellen j die Differenz  • During each time slice t compute the difference for all sources j
A1J t= Al t - zJt A 1J t = A lt - z Jt
• Falls schon für eine Quelle j gilt Alj7 < 0, dann konnte die Anforderung aus einer Quelle erfüllt werden, die Berechnung endet, und der Restwert der Quelle wird um den ent- nommenen Wert aktualisiert: zj : = zj —Alt plus eventuelle weitere, vom Typ der• If true even of a source j A LJ7 <0, the request could be met from a source that ends the calculation, and the residual value of the source is updated to the value corresponds taken: zj: = z j -A lt plus any more, of the type
Quelle abhängige Korrekturterme für weitere Zeitscheiben. Source dependent correction terms for further time slices.
• Falls keine einzelne Quelle j die Anforderung erfüllt, so wird geprüft, ob zwei Quellen j und i gibt, sodass bei Alj7 = Alt— (z7 f + zi t) gilt Alj7 < 0. In diesem Fall werden die• If no single source j satisfies the requirement, it is checked whether there are two sources j and i such that A lj7 = A lt - (z 7 f + z it ) holds A lj7 <0. In this case, the
Restwerte beider Quellen aktualisiert. • Falls sich die Anforderung auch mit zwei Quellen nicht erfüllen lässt, so wird es mit drei versucht, mit vier, usw. Residual values of both sources updated. • If the request can not be fulfilled even with two sources, it will be tried with three, with four, etc.
Sind mit einem solchen Algorithmus zwei oder mehr angeforderte Leistungsprofile der Senken zu erfüllen, so werden zwei oder mehr Rechnungen parallel durchgeführt. Dabei beginnt die eine Rechnung bei der ersten Quelle und die zweite Rechnung bei der letzten Quelle. Zur Zeitersparnis kann man die Quellen partitionieren und parallel Rechnungen für die Partitionen beginnen. Dafür muss es einen übergeordneten Kontroll- und Vergabemechanismus geben. Sind die Rechnungen in ihren Partitionen nicht erfolgreich so führen sie diese Rechnung ite- rativ in der nächsten durch. Hatte eine Rechnung in einer Partition Erfolg so wird der Wert für andere Rechnungen gesperrt. Für den Fall das es nur eine Lösung aber zwei oder mehr angeforderte Leistungspakete gibt, und es keine Priorität gibt die eine der anfordernden Senken auszeichnet, so kann die Entscheidung, welche Senke beliefert wird per Zufall entschieden werden oder die vorhandenen Leistungsprofile der Quellen werden gleichmäßig auf alle Sen- ken verteilt. If two or more requested power profiles of the sinks are to be fulfilled with such an algorithm, two or more calculations are carried out in parallel. One invoice starts at the first source and the second from the last source. To save time, you can partition the sources and begin parallel calculations for the partitions. There must be a higher-level control and procurement mechanism for this. If the bills in their partitions are unsuccessful, they will perform this calculation iteratively in the next one. If an invoice in a partition has succeeded, the value for other invoices will be blocked. In the event that there is only one solution but two or more requested service packages, and there is no priority marking one of the requesting sinks, then the decision on which sink to serve may be decided randomly or the existing performance profiles of the sources will be uniform all sinks distributed.
Zu beachten ist das auf die Anforderung eines Leistungspakets durch eine Senke in einer definierten Zeit geantwortet werden muss. Dies bedeutet in dem hier betrachteten Beispiel dass dann, wenn Anforderungen in 10 Millisekunden, also mit 100 Hz bearbeitet werden sollen und die CPU mit 1 MHz getaktet ist, der obige Algorithmus die Rechnung in 10.000 Taktzyklen der CPU konvertieren muss. Dies kann aber nicht immer garantiert werden. Damit die Antwortzeit eingehalten wird, werden dann die beiden besten Ergebnisse als Antwort übergeben. It should be noted that the request for a service package must be answered by a sink in a defined time. In the example considered here, this means that if requests are to be processed in 10 milliseconds, ie at 100 Hz, and the CPU is clocked at 1 MHz, the above algorithm must convert the calculation to 10,000 clock cycles of the CPU. But this can not always be guaranteed. So that the response time is met, then the two best results are passed in response.
Möglichkeiten, die Berechenbarkeit in einer vorgegebenen Zeit zu ermöglichen sind beispiels- weise ein Power of 2 Ansatz bei der Digitalisierung der Leistungsprofile, eine Typisierung und Klassifizierung der angeforderten Leistungsprofile, eine Parallelisierung oder eine Übermittlung typischer Merkmale. Possibilities to enable predictability in a given time frame include, for example, a Power of 2 approach to digitizing performance profiles, typing and classifying the requested performance profiles, parallelizing or transmitting typical features.
Insbesondere für die Anforderungen auf kurzen Zeitskalen, wie z.B. Netzstabilisierung, Nach- forderungsüberbrückung und dynamische Aktor-Anforderungen benötigen Anforderungstypen und Klassen. Das heißt für diese Szenarien es gibt nur definierte Anforderungsprofile. Unter Umständen können diese durch Parameter variiert werden. In particular, for the requirements on short time scales, e.g. Network stabilization, demand bridging and dynamic actuator requirements require requirement types and classes. That means for these scenarios there are only defined requirement profiles. Under certain circumstances these can be varied by parameters.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Quellen in Äquivalenzklassen bzgl. ihrer Leis- tungseigenschaften kategorisiert, z.B. in Kondensatoren, Batterien, etc. Mit Hilfe einer Mustererkennung werden die angeforderten Leistungsprofile der Senken analysiert und dann aus den Äquivalenzklassen der Quellen diejenigen Klassen ausgewählt, deren Leistungsprofile sich am geeignetsten verwenden lassen, um das jeweilige angeforderte Leistungsprofil zu synthetisieren. Bei der Auswahl der Quellen muss der Algorithmus zudem auch die Frage bearbeiten, ob die das angeforderte Leistungsprofil durch eine Reihenschaltung von Quellen (höhere Spannung und kleinere Ströme) oder durch eine Parallelschaltung von Quellen (kleinere Spannung aber höherer Strom) realisiert wird. Bei der Erstellung eines Leistungsverteilungsfahrplans für die Leistungsprofile der Quellen bei der Entnahme oder der Leistungsprofile der Senken können noch zusätzliche Parameter zu berücksichtigen sein, beispielsweise Bewirtschaftungsvorgaben auf Basis von Zyklisierungs- Management oder nicht-technische Aspekte wie Wartungsverträge von Batterien. Die Anforderungen sind daher mit einer Relevanz zu versehen. Im einfachsten Fall wird die Relevanz von einer Zahl repräsentiert. Je höher die Zahl, desto höher ist die Relevanz. Jeder Relevanz ist eine Priorität zugeordnet und die jeweilige Anforderung mit der ihrer Relevanz zugeordneten Priorität abgearbeitet. In a further embodiment, the sources are categorized into equivalence classes with regard to their performance properties, eg in capacitors, batteries, etc. With the aid of pattern recognition, the requested power profiles of the sinks are analyzed and then eliminated For the equivalence classes of the sources, those classes are selected whose performance profiles can be most suitably used to synthesize the respective requested performance profile. When selecting the sources, the algorithm must also address the question of whether the requested performance profile is realized by a series connection of sources (higher voltage and smaller currents) or by a parallel connection of sources (smaller voltage but higher current). When drawing up a power distribution roadmap for the sources' performance profiles at sinks or sink performance profiles, additional parameters may need to be taken into account, such as management requirements based on cyclization management or non-technical aspects such as maintenance contracts for batteries. The requirements are therefore to be provided with relevance. In the simplest case, the relevance is represented by a number. The higher the number, the higher the relevance. Each relevance is assigned a priority and the respective request is processed with the priority assigned to its relevance.
Wenn die Paketierungsaufgabe nicht vollständig lösbar, so wird eine Lösung mit der kleinsten Abweichung bzw. einer vorgegebenen Abweichungsschwelle gesucht. Dieses Delta wir dann an die anfordernde Senke gesandt. Diese kann dann die Anforderung ändern oder die sofortige Lieferung auslösen. If the packaging task is not completely solvable, a solution with the smallest deviation or a predetermined deviation threshold is sought. This delta is then sent to the requesting sink. This can then change the request or trigger the immediate delivery.
So haben z.B. Anforderungen zur Netzstabilisierung eine höhere Relevanz verglichen mit der Relevanz von Anforderungen zur Überbrückung von Löchern zwischen einer Leistungsnachbestellung und der tatsächlichen Lieferung. Eine Anforderung mit höherer Relevanz wird mit höherer Priorität bearbeitet. Außerdem bekommen in einer Ausführungsform die Quellen dann, wenn es sich um Energiespeicher handelt, aus betrieblichen Gründen Prioritäten für die Bewirtschaftung zugewiesen. Zum Beispiel kann ein bestimmter Typ von Akkumulator für eine hohe Zugriffsfrequenz mit der nur kleine Leistungspakete abgerufen werden, ungeeigneter sein, oder ein Akkumulator hat schon eine höhere Anzahl von Ladezyklen erreicht verglichen mit einem anderen Akkumulator. Thus, e.g. Network stabilization requirements are more relevant compared to the relevance of hole bridging requirements between re-ordering and actual delivery. A request with higher relevance is processed with higher priority. In addition, in one embodiment, the sources, when it is energy storage, are assigned operational priorities for management purposes. For example, a certain type of high access frequency accumulator with only small power packets retrieved may be less suitable or one accumulator has already reached a higher number of charge cycles compared to another accumulator.
Bei der Priorisierung soll auch die räumliche Anordnung des Netzes berücksichtigt werden. So wird aufgrund des Leitungswiderstands die Relaxationszeit eines Kondensators verändert, dies beeinflusst den Ladungs- und Entladungsprozess. Zur Wegfind ung in der Verteilerschaltung werden bekannte Algorithmen eingesetzt. Abweichend von den Algorithmen wie sie bei Koppelfeldern in Kommunikationsnetzen eingesetzt werden, wo die Doppelbenutzung von Wegen verboten ist, ist für ein Koppelfeld zur Führung elektrischer Leis- tung, welche der Versorgung von elektrischen Verbraucher wie Haushalten oder Aggregaten eines Kraftfahrzeugs dienen, die Anzahl der Schalthandlungen zu reduzieren. Dies bedeutet, dass im Rahmen der Leistungsfähigkeit der Leitungen eine Mehrfachbenutzung vorteilhaft sein kann. When prioritizing the spatial arrangement of the network should be considered. Thus, due to the line resistance, the relaxation time of a capacitor is changed, this affects the charging and discharging process. For Wegfind in the distribution circuit known algorithms are used. Deviating from the algorithms used in switching networks in communication networks, where the double use of paths is prohibited, the number of switching operations is for a switching network for the management of electrical power, which serve the supply of electrical consumers such as households or units of a motor vehicle to reduce. This means that in the context of the performance of the lines a multiple use may be advantageous.
Anhand der Figuren 15 und 16 wird im Folgenden ein besonders instruktives Beispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Leistungsverteilers im Bordnetz eines Elektroautos beschrieben. A particularly instructive example of the use of a power distributor according to the invention in the electrical system of an electric car will be described below with reference to FIGS. 15 and 16.
In der Elektromobilität werden je nach Fahrsituation und Umweltbedingungen wechselnde Anforderungen an Strom- und Spannungsversorgung unterschiedlicher Verbraucher gestellt. Heizung, Scheinwerfer, elektroviskose Stoßdämpfer, Radnarbenmotoren: jeder Verbraucher hat andere Kennlinien, und je nach Kombination und zeitlichem Verlauf ergibt sich eine komplexe Dynamik der Anforderungen an Strom und Spannung. Traktionsbatterien eignen sich nicht für die Bordelektronik, Starterbatterien nicht für die Heizung. Keine von ihnen eignet sich dafür, durch Rekuperation gewonnene Bremsenergie aufzunehmen, dafür wären Speicher- kondensatoren besser. Depending on the driving situation and environmental conditions, electric mobility places varying demands on the power and voltage supply of different consumers. Heater, headlamps, electroviscous shock absorbers, wheel scarred motors: each consumer has different characteristics, and depending on the combination and timing, a complex dynamic of the requirements of current and voltage results. Traction batteries are not suitable for on-board electronics, starter batteries not for heating. None of them are suitable for absorbing braking energy gained through recuperation, but storage capacitors would be better.
Figur 15 zeigt schematisch den Aufbau eines Bordnetzes eines Elektroautos. Bei dem Motor M handelt es sich um einen Elektromotor, der sowohl für den Antrieb des Fahrzeugs als auch für die Rekuperation von Bremsenergie verwendet wird. Der Motor M ist somit in Abhängigkeit vom Betrachten Zeitpunkt t entweder Quelle oder Senke für elektrische Energie. Der Generator G ist ein elektrischer Generator, z.B. auf Basis eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle, deren primäre Energieträger in einem separaten Tank vorgehalten werden. Batterien B und Kondensator C können ebenfalls sowohl Leistung aufnehmen oder bereitstellen, je nach eingestellter Flussrichtung des DFCs. Figure 15 shows schematically the structure of a vehicle electrical system of an electric car. The motor M is an electric motor which is used both to drive the vehicle and to recuperate braking energy. The motor M is thus either source or sink for electrical energy depending on the viewing time t. The generator G is an electric generator, e.g. based on an internal combustion engine or a fuel cell whose primary energy sources are kept in a separate tank. Batteries B and capacitor C may also both accept or provide power, depending on the adjusted flow direction of the DFC.
Der Aufbau der Verteilerschaltung entspricht dem Aufbau, so wie er in Figur 10 gezeigt ist. Das wesensgebende Merkmal der DFCs ist es, in dem Bordnetz, durch gezielte Erzeugung einer Potenzialdifferenz zwischen mindestens zwei Anschlüssen, einen definierte Stromfluss und damit einen definierten Leistungsfluss zwischen den Anschlüssen zu erzeugen. Durch Einfügen dieser aktiven Elemente sind die Kirchhoffschen Regeln nur stückweise und zeitweise gültig und verlieren für die globale Bestimmung der Leistungsflüsse in diesem Netz ihre Anwendbarkeit. Die DFCs sind über die Steuerung des Leistungsverteilers miteinander verknüpft und werden zur Orchestrierung der einzelnen Quellen und Senken sowie der Energieflüsse zwischen diesen eingesetzt. The structure of the distribution circuit corresponds to the structure as shown in FIG. The essential feature of the DFCs is to generate a defined current flow and thus a defined power flow between the terminals in the vehicle electrical system by targeted generation of a potential difference between at least two terminals. By inserting these active elements, Kirchhoff's rules are only piecemeal and intermittent valid and lose their applicability for the global determination of the power flows in this network. The DTCs are linked through the power distributor control and are used to orchestrate the individual sources and sinks and the energy flows between them.
Der Steuerung der Leistungsflüsse zwischen den beteiligten DFCs und damit die Verteilung der Leistungsprofile auf die Anschlüsse der Verteilerschaltung wird nun anhand eines Beschleunigungsvorganges illustriert. Als Ausgangssituation wird eine konstante Geschwindigkeit mit konstantem Leistungsbedarf vorausgesetzt. Für den Beschleunigungsvorgang wird zusätzliche Leistung benötigt. Diese ist additiv zur bestehenden konstant bereitgestellten Leistung aufzufassen. Zusätzliche Leistung kann nur sehr kurzfristig beziehungsweise, d.h. in Quasi-Echtzeit bereitgestellt werden, da der Leistungsbedarf nach dem Wesen einer Autofahrt nicht vorhersagbar ist. Figur 16 zeigt die Zusammensetzung des vom Motor M angeforderten und dann diesem bereitgestellte Leistungsprofil mit dem Einsetzen der plötzlichen Beschleunigung zum Zeitpunkt to. Die dazu bereitgestellte Leistung setzt sich aus drei unterschiedlichen Anteilen zusammen, die von drei verschiedenen Quellen geliefert werden. Die einhüllende des Leistungsprofils P(t) ist gleich der für die abrupte Geschwindigkeitserhöhung benötigte Leistung. The control of the power flows between the DFCs involved and thus the distribution of the power profiles to the connections of the distribution circuit will now be illustrated by means of an acceleration process. As a starting point, a constant speed with constant power requirement is assumed. Additional power is needed for the acceleration process. This is to be regarded as additive to the existing constantly provided service. Additional power can only be provided at very short notice or, i. be provided in quasi-real-time, since the power requirement is not predictable by the nature of a car. FIG. 16 shows the composition of the power profile requested by the engine M and then provided to it with the onset of the sudden acceleration at the instant to. The service provided consists of three different shares, which are supplied by three different sources. The envelope of the power profile P (t) is equal to the power required for the abrupt increase in speed.
Für t<t0 liefert der Generator G ein Leistungsprofil für den Elektromotor M. Das Leistungsprofil für die von dem Elektromotor als einer mit dem Leistungsverteiler verbundenen Senke angeforderte Leistung wird von dem Gaspedal des Fahrzeugs generiert und an die Steuerung des Leistungsverteilers in Form von Daten übertragen. Der Elektromotor arbeitet dabei bei einem seiner definierten Arbeitspunkt der sich durch eine hohe Effizienz auszeichnet. Dieses Leistungsprofil stellt einen Art„Grundlast" dar. Für t>t0 wird der Beschleunigungsvorgang eingeleitet. Der Motor fordert die maximale Gesamtleistung an. In dieser Phase wird ein zusätzliches Leistungsprofil von der Kondensatorbank C bereitgestellt, da diese den höchsten Leistungsgradienten liefern kann. For t <t0, the generator G provides a power profile for the electric motor M. The power profile for the power requested by the electric motor as a sink connected to the power distributor is generated by the accelerator pedal of the vehicle and transmitted to the controller of the power distributor in the form of data. The electric motor works at one of its defined operating point which is characterized by a high efficiency. For t> t0 the acceleration process is initiated The motor requests the maximum total power At this stage, an additional power profile is provided by the capacitor bank C as this can provide the highest power gradient.
Der Energieinhalt der Kondensatorbank C reicht jedoch nicht für den gesamten Beschleunigungsvorgang aus, daher wird von der Traktionsbatterie B ein ergänzender Leistungsfluss angefordert. Nach Erreichen der Zielgeschwindigkeit wird eine höhere Leistung vom Generator G angefordert, da die benötigte Grundlast gestiegen ist und etwa die von der Traktionsbatterie maximal bereitstellbare Leistung zu gering ist. Dazu wechselt der Generator zu einem anderen Arbeitspunkt, für dessen Erreichen er eine gewisse Zeit benötigt, da er einen flacheren Gradienten aufweist als beispielsweise die Kondensatorbank C. However, the energy content of the capacitor bank C is not sufficient for the entire acceleration process, therefore, a supplementary power flow is requested by the traction battery B. After reaching the target speed, a higher power from the generator G is requested, since the required base load has increased and about the maximum of the traction battery Provable power is too low. For this purpose, the generator changes to another operating point, for which it requires a certain amount of time, since it has a shallower gradient than, for example, the capacitor bank C.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
DFC Leistungflusscontroller DFC power flow controller
1 Bidirektionaler Hochsetz-/Tiefsetzsteller 1 bidirectional boost / buck converter
2 DC/DC-Wandler 2 DC / DC converters
3 Messeinrichtung  3 measuring device
4 Rechnereinheit  4 computer unit
5 Steuerleitung  5 control line
6 Steuerleitung  6 control line
7 Messleitung  7 measuring line
8 IP-Netzwerk  8 IP network
9 passive Stromschiene  9 passive busbar
10 Quellen  10 sources
1 1 Anschluss  1 1 connection
12 Schalter  12 switches
13 Physical Abstraction Layer  13 Physical Abstraction Layer
14 Verteilerschaltung  14 distribution circuit
15 Bord netz  15 board network
1000 Senke  1000 sink
1 100 elektrischer Anschluss der Senke 1 100 electrical connection of the sink
1200 Controller 1200 controllers
1300 Verbraucher  1300 consumers
2000 elektrischer Leistungsverteiler  2000 electrical power distributor
2100 Verteilerschaltung  2100 distribution circuit
2200 Kommunikationseinrichtung  2200 communication device
2300 Steuerung  2300 control
3000 Quelle  3000 source
3100 elektrischer Anschluss der Quelle 3100 electrical connection of the source
3200 Controller 3200 controller
3300 Generator  3300 generator
10000 Stromnetz  10000 power grid

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a t e n t a n s r ü c h e
Elektrischer Leistungsverteiler (2000) für ein Stromnetz mit Electrical power distributor (2000) for a power grid
einer elektrischen Verteilerschaltung (2100), die mindestens drei Anschlüsse aufweist, wobei mit den Anschlüssen Quellen (3000) und Senken (1000) für elektrische Energie verbindbar sind, an electrical distribution circuit (2100) which has at least three connections, sources (3000) and sinks (1000) for electrical energy being connectable to the connections,
wobei die drei Anschlüsse derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und wherein the three terminals are electrically connected to one another such that an electrical current can flow from each of the terminals to each of the other terminals, and
wobei jeder der Anschlüsse jeweils einen Leistungssteiler (1 ) aufweist, der so eingerichtet ist, dass im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t einstellbar ist, wherein each of the connections has a power divider (1), which is set up in such a way that, during operation of the power distributor (2000), the electrical power P(t) flowing through the respective connection can be adjusted as a function of the time t,
einer Kommunikationseinrichtung (2200), die mit einem Datennetzwerk verbindbar ist und der so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers Daten von den Quellen (3000) oder Senken (1000) empfängt, und a communication device (2200) which can be connected to a data network and which is set up so that it receives data from the sources (3000) or sinks (1000) during operation of the power distributor, and
einer Steuerung (2300) zum Steuern einer Verteilung eines Flusses der elektrischen Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an den Anschlüssen, a controller (2300) for controlling a distribution of a flow of electrical power P(t) as a function of time t at the connections,
wobei die Steuerung (2300) mit der Kommunikationseinrichtung (2200) derart verbunden ist, dass die von der Kommunikationseinrichtung (2200) empfangenen Daten von der Steuerung (2300) verarbeitbar sind, wherein the controller (2300) is connected to the communication device (2200) in such a way that the data received from the communication device (2200) can be processed by the controller (2300),
wobei die Steuerung (2300) mit jedem der Leistungssteiler (1 ) verbunden ist, wobei die Steuerung (2300) derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von den von den Quellen (3000) oder Senken (1000) empfangenen Daten berechnet, und wherein the controller (2300) is connected to each of the power dividers (1), the controller (2300) being set up in such a way that, during operation of the power distributor (2000), it controls the electrical power P(t) flowing through each of the connections as a function of the data received from the sources (3000) or sinks (1000), and
wobei die Steuerung (2300) derart eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers die über den jeweiligen Anschluss fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t steuert. wherein the controller (2300) is set up in such a way that, during operation of the power distributor, it controls the electrical power P(t) flowing via the respective connection as a function of the time t.
Leistungsverteiler (2000) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers für jeden Zeitpunkt t die über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) berechnet aus Power distributor (2000) according to the preceding claim, characterized in that the controller (2300) is set up so that it calculates the electrical power P(t) flowing through each of the connections for each time t during operation of the power distributor
der zu dem Zeitpunkt t von jeder Quelle (3000) maximal bereitstellbaren elektrischen Leistung Pmax(t) und the maximum electrical power P ma x(t) that can be provided by each source (3000) at time t and
der zu dem Zeitpunkt t von jeder Senke (1000) benötigten elektrischen Leistung Pdem(t), und dass sie die Leistungssteiler (1 ) derart steuert, dass die berechnete elektrische Leistung P(t) zum Zeitpunkt t an dem jeweiligen Anschluss eingestellt ist. the electrical power P de m(t) required by each sink (1000) at time t, and that it controls the power divider (1) in such a way that the calculated electrical power P(t) is set at the respective connection at time t.
Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerschaltung (2100) ein Koppelfeld umfasst, wobei Knoten des Koppelfelds vorzugsweise von regelbaren Leistungsstellern (1 ) gebildet werden. Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution circuit (2100) comprises a switching network, with nodes of the switching network preferably being formed by controllable power controllers (1).
Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerschaltung (2100) einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt ein Koppelfeld umfasst, das so ausgestaltet ist, dass alle Anschlüsse des ersten Koppelfelds, die mit einer Quelle (3000) oder einer Senke (1000) verbindbar sind, parallel oder in Reihe geschaltet mit dem zweiten Abschnitt der Verteilerschaltung (2100) verbindbar sind. Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution circuit (2100) has a first and a second section, the first section comprising a switching network which is designed such that all connections of the first switching network which are connected to a Source (3000) or a sink (1000) can be connected, connected in parallel or in series with the second section of the distribution circuit (2100).
Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Anschlüsse einen Spannungswandler Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that each of the connections has a voltage converter
(2) und/oder jeder der Anschlüsse eine Messeinrichtung (3) zum Erfassen einer über den Anschluss fließenden elektrischen Ist-Leistung und/oder eine Steuerung (4) aufweist, wobei die Steuerung (4) so ausgestaltet ist, dass er die Ist-Leistung über den Anschluss so regelt, dass diese gleich der berechneten Leistung P(t) ist. (2) and/or each of the connections has a measuring device (3) for detecting an actual electrical power flowing through the connection and/or a controller (4), the controller (4) being designed in such a way that it measures the actual The power via the connection is controlled so that it is equal to the calculated power P(t).
Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als ganzzahliges Vielfaches einer elementaren Leistung dP approximiert, wobei dP über ein Zeitintervall dt konstant ist. Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (2300) is set up and designed in such a way that, during operation of the power distributor (2000), it controls the power P(t) as a function of the time t at each of the connections approximated as an integer multiple of an elementary power dP, where dP is constant over a time interval dt.
Leistungsverteiler (2000) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t an jedem der Anschlüsse als P (t) = Y =Q 2kdP approximiert. Power distributor (2000) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the controller (2300) is set up and designed in such a way that, during operation of the power distributor (2000), it controls the power P (t) as a function of the time t at each of the connections is approximated as P (t) = Y =Q 2 k dP.
Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) digitalisierte über jeden der mit einer Quelle (3000) verbundenen Anschlüsse fließende elektrische Leistungen P(t) auf die mit einer Senke (1000) verbundenen Anschlüssen fließenden elektrischen Leistungen P(t) aufteilt, wobei vorzugsweise folgende Schritte ausgeführt werden: Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (2300) is set up in such a way that, during operation of the power distributor (2000), it digitizes electrical power P(t) flowing via each of the connections connected to a source (3000). ) on those with a sink (1000) electrical power P(t) flowing through the connected connections, the following steps preferably being carried out:
3. Berechnen für jede Zeitscheibe t und für alle Quellen j die Differenz 3. Calculate the difference for each time slice t and for all sources j
4. A1 t= Alt - zj t, 4. A 1 t = A lt - z jt ,
5. falls schon für eine einzige Quelle j gilt Alj7 < 0, so kann die Anforderung aus einer einzigen Quelle erfüllt werden, die Berechnung endet, und der Restwert der Quelle wird um den entnommenen Wert zj : = zj — Alt und vorzugsweise weitere, vom 5. if A lj7 < 0 already applies to a single source j, then the requirement can be fulfilled from a single source, the calculation ends, and the residual value of the source is increased by the extracted value zj : = zj — A lt and preferably others , from the
Typ der Quelle abhängige Korrekturterme Zeitscheiben aktualisiert, correction terms dependent on the source type, time slices updated,
6. falls nicht eine einzige Quelle j die Anforderung erfüllt, Prüfen, ob es zwei Quellen j und i gibt, sodass bei Alj7 = Alt - (z7 f + zi t gilt Alj7 < 0 und falls diese Bedingung erfüllt ist Aktualisieren der Restwerte beider Quellen, so dass für beiden Quellen jeweils gilt z7 : = z7 - Alt, 6. if not a single source j meets the requirement, check whether there are two sources j and i such that if A lj7 = A lt - (z 7 f + z it applies A lj7 < 0 and if this condition is met, update the residual values of both sources, so that z 7 : = z 7 - A lt applies to both sources,
7. falls sich die Anforderung auch mit zwei Quellen nicht erfüllen lasse, Wiederholen des Schritts 2 mit drei und mehr Quellen, 7. if the requirement cannot be met with two sources, repeat step 2 with three or more sources,
wobei Akt der Wert des k-ten Anforderungsprofiles und z7t der Wert der maximalen bereitgestellten Leistung der y'-ten Quelle während der t-ten Zeitscheibe sind. where A kt is the value of the k-th requirement profile and z 7t is the value of the maximum power provided by the y ' th source during the t-th time slice.
Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) den Stromfluss unter der Annahme elementarer Energiepakete mit einer Energie dP x dt steuert. Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (2300) is set up and designed in such a way that it controls the current flow during operation of the power distributor (2000) assuming elementary energy packets with an energy dP x dt.
0. Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) die Leistungssteiler (1 ) derart steuert, dass zu jedem Zeitpunkt t die an einem Anschluss, der mit einer Senke (1000) verbunden ist, bereitgestellte elektrische Leistung P(t) gleich der zu diesem Zeitpunkt von der Senke (1000) benötigten Leistung Pdem(t) ist. 0. Power distributor (2000) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (2300) is set up and designed in such a way that it controls the power divider (1) during operation of the power distributor (2000) in such a way that at every time t Electrical power P(t) provided at a connection that is connected to a sink (1000) is equal to the power Pdem(t) required by the sink (1000) at this point in time.
1 . Elektrischer Leistungsverteiler (2000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem elektrischen Energiespeicher, der so eingerichtet ist, dass er im Betrieb elektrische Energie aufnehmen, speichern und/oder abgeben kann, 1 . Electrical power distributor (2000) according to one of the preceding claims with an electrical energy storage device which is set up so that it can absorb, store and/or release electrical energy during operation,
wobei der Energiespeicher mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers (2000) elektrisch verbunden ist, wobei der Energiespeicher so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand des Energiespeichers die von dem Energiespeicher zu einem zukünftigen Zeitpunkt t bereitstellbare maximale elektrische Leistung Pmax(t) und eine zu einem Zeitpunkt t maximale Leistungsaufnahme Pcap(t) berechenbar ist, und wobei die Steuerung (2300) derart eingerichtet und ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb des Leistungsverteilers (2000) bei dem Berechnen der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) die zu diesem Zeitpunkt t von dem Energiespeicher bereitstellbare maximale elektrische Leistung Pmax(t) oder die zu diesem Zeitpunkt t mögliche Leistungsaufnahme Pcap(t) des Energiespeichers berücksichtigt. wherein the energy storage is electrically connected to one of the connections of the power distributor (2000), wherein the energy storage is designed such that, based on information about a current state of the energy storage, the maximum electrical power P ma x (t) that can be provided by the energy storage at a future time t and a maximum power consumption P cap (t) at a time t can be calculated, and wherein the controller (2300) is set up and designed in such a way that, during operation of the power distributor (2000), it calculates the electrical power P(t) flowing through each of the connections at a time t at this time t of The maximum electrical power P ma x (t) that can be provided to the energy storage or the possible power consumption P cap (t) of the energy storage at this time t is taken into account.
Elektrisches Stromnetz (10000) mit einem elektrischen Leistungsverteiler nach Anspruch 1 1 , Electrical power network (10000) with an electrical power distributor according to claim 1 1,
einem Datennetzwerk, das mit der Kommunikationseinrichtung des Leistungsverteilers verbunden ist, a data network that is connected to the communication device of the power distributor,
mindestens einer Quelle (3000) für elektrische Energie, at least one source (3000) for electrical energy,
wobei die Quelle (3000) mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers elektrisch verbunden ist, wherein the source (3000) is electrically connected to one of the connections of the power distributor,
wobei die Quelle (3000) so ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Quelle (3000) die von der Quelle (3000) zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) berechenbar ist, und wherein the source (3000) is designed such that, based on information about a current state of the source (3000), the maximum electrical power P ma x(t) that can be provided by the source (3000) at a future time t can be calculated, and
wobei die Quelle (3000) eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung (3200) aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über einen gegenwärtigen Zustand der Quelle (3000) und/oder mit einer Information über die zu einem zukünftigen Zeitpunkt t maximal bereitstellbare elektrische Leistung Pmax(t) an die Kommunikationseinrichtung (2200) des Leistungsverteilers (2000) überträgt, und wherein the source (3000) has a communication device (3200) connected to the data network, which is set up so that, during operation of the power network, it transmits data with information about a current state of the source (3000) and / or with information about the transmits the maximum electrical power P ma x(t) that can be provided at a future time t to the communication device (2200) of the power distributor (2000), and
mit mindestens einer Senke (1000) für elektrische Energie, with at least one sink (1000) for electrical energy,
wobei die Senke (1000) mit einem der Anschlüsse des Leistungsverteilers (2000) elektrisch verbunden ist, und wherein the sink (1000) is electrically connected to one of the connections of the power distributor (2000), and
wobei die Senke (1000) eine mit dem Datennetzwerk verbundene Kommunikationseinrichtung (1200) aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Stromnetzes Daten mit einer Information über eine zu einem zukünftigen Zeitpunkt t von der Senke (1000) benötigte elektrische Leistung Pdem(t) an die Kommunikationseinrichtung (2200) des Leistungsverteilers (2000) überträgt. Elektrisches Stromnetz (10000) nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (3000) und die Senke (1000) über eine Freileitung, eine Erdleitung oder eine Unterwasserleitung mit dem Leistungsverteiler (2000) verbunden sind oder dass das elektrische Stromnetz ein Bordnetz (15) eines Fahrzeugs, eines Luftfahrzeugs oder eines Schiffes ist. wherein the sink (1000) has a communication device (1200) connected to the data network, which is set up so that during operation of the power network it receives data with information about an electrical power Pdem() required by the sink (1000) at a future time t t) transmits to the communication device (2200) of the power distributor (2000). Electrical power network (10000) according to the preceding claims, characterized in that the source (3000) and the sink (1000) are connected to the power distributor (2000) via an overhead line, an underground line or an underwater line or that the electrical power network is an on-board electrical system ( 15) a vehicle, an aircraft or a ship.
Elektrisches Stromnetz (10000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher und die Quelle (3000) ein voneinander verschiedenes Leistungsprofil P(t) aufweisen. Electrical power network (10000) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy storage and the source (3000) have a different power profile P(t).
Verfahren zum Verteilen elektrischer Leistung in einem Stromnetz mit den Schritten: Method for distributing electrical power in a power grid with the steps:
Verbinden von mindestens drei Quellen und Senken für elektrische Energie mit jeweils einem Anschluss einer Verteilerschaltung, Connecting at least three sources and sinks for electrical energy, each with one connection of a distribution circuit,
wobei die Anschlüsse der Verteilerschaltung derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass ein elektrischer Strom von jedem der Anschlüsse zu jedem der anderen Anschlüsse fließen kann, und wherein the terminals of the distribution circuit are electrically connected to one another such that an electrical current can flow from each of the terminals to each of the other terminals, and
Empfangen von Daten von den Quellen oder Senken, Receiving data from the sources or sinks,
Berechnen der über jeden der Anschlüsse fließende elektrische Leistung P(t) in Abhängigkeit von der Zeit t und in Abhängigkeit von den von den Quellen oder Senken empfangenen Daten und Calculating the electrical power P(t) flowing through each of the ports as a function of time t and as a function of the data received from the sources or sinks and
Steuern der zu einem Zeitpunkt t über jeden der Anschlüsse fließenden elektrischen Leistung P(t) mit Hilfe jeweils eines mit dem Anschluss verbundenen Leistungsstel- lers. Controlling the electrical power P(t) flowing through each of the connections at a time t using a power controller connected to the connection.
EP15813336.3A 2014-12-22 2015-12-15 Electrical power distributor and method for distributing electrical power Withdrawn EP3238314A1 (en)

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