SE1251343A1 - Energinav, energidistributionssystem och förfarande därför - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett energinav (i) innefattande: ett energilager (), en dubbelriktad växelriktare () ansluten till nämnda energilager, en styranordning (), konfigurerad att mäta ett laddningstillstånd för nämnda energilager, konfigurerad att styra energiflöde till och från nämnda energilager och konfigurerad att styra nämnda dubbelriktade växelriktare, och en kommunikationsenhet (6) för kommunikation med en distributionssystemoperatör (), varvid nämnda dubbelriktade växelriktare är anslutningsbar till en lokal last (8) vid vilken nämnda energinav ska anordnas under användning och är anslutningsbar till ett distributionsnät () och är konfigurerad att generera aktiv effekt från nämnda energilager och att generera reaktiv effekt, nämnda styranordning är anslutningsbar till nämnda lokala last och konfigurerad att mäta elektriska parametrar hos nämnda lokala last och är konfigurerad att motta styrbegäran från nämnda kommunikationsenhet och konfigurerad att styra nämnda energiflöde till och från nämnda energilager och att styra nämnda dubbelriktade växelriktare i beroende på nämnda styrbegäran, nämnda kommunikationsenhet är konfigurerad att motta nämnda styrbegäran från nämnda distributionssystemoperatör och konfigurerad att sända information om åtminstone en lokal last, tillgänglig aktiv effekt och tillgänglig reaktiv effekt till nämnda distributionssystemoperatör.(Fig. 3)

Description

15 20 25 med kraftelektronik i ett elektriskt nät i formen av en mångfald av PV- växelriktare i ett energiöverförings- och -distributionssystem. Detta tillhandahåller en ökning i komplexitetet att styra exempelvis nätspänning, -frekvens och effektkvalitet för det elektriska nätet.

SAMMANFATTNING Ett syfte med föreliggande uppfinning är att förbättra styrning av ett elektriskt nät.

Detta syfte uppnås enligt föreliggande uppfinning genom ett energinav, ett energidistributionssystem respektive ett förfarande därför, såsom definierade i de bilagda kraven.

I typiska elektriska nät placeras lösningar såsom SVC och STATCOM i medelspänningsdistributionsnivån (MV = 3 - 36 kV) och används för att justera reaktiv effekt, effektkvalitet och spänningsnivå för att underhålla ett stabilt nät Vidare byggs energilagringsplatser i MV-nivån. Dessa energilager används för att jämna ut med låga överföringsförluster. stora fluktuerande produktion av förnybara energikällor såsom vind och sol genom att växla konsumtions- och produktionstoppar för att reducera nätlast (toppväxling).

Emellertid, genom att aggregera multipla små energinav, installerade vid lokala distributionssystemoperatör (DSO, distribution system operator), kan dessa konsumenter, till en gemensam styrcentral, såsom en energinav styras att agera som ett mycket större system. Om exempelvis 5000 enheter med energinav simultant producerar 5 kVAr reaktiv effekt skulle det motsvara ett enda 25 MVA SVC.

Användningen av multipla, aggregerade energinav introducerar fördelarna med ett massivt, redundant system, finjusterad nätövervakning och -reglering, reducerade distributionsförluster, och mät- och styrfunktioner i lågspänningsdistributionsnivån.

Massivt, redundant system 10 15 20 25 Kommersiella MV-energilagerplatser planerade idag har en storlek av 100- 5000 kWh. Ett distribuerat system med 5 kWh per konsument skulle erfordra energinav vid 20-1000 konsumenter för samma totala energilagring.

Detta resulterar i ett massivt, redundant system där urkoppling av ett antal energinav inte påverkar det elektriska nätet signifikant, medan urkoppling av en kommersiell MV-energilagringspats allvarligt skulle påverka det elektriska nätet.

Finjusterad nätövervakning och -reglering Nätspänning, effektkvallitet (harmonier, balans, etc.) kan mätas vid ändnoderna i lågspännings(LV)distributionsnivån. På liknande sätt kan reaktiv effekt och toppkapning/växling göras i LV-distributionsnivån, tillhandahållande en finjusterad reglering, vilket bland annat reducerar distributionsförluster.

Reducerade distributionsförluster Eftersom förnybara kraftkällor ofta placeras vid elkonsumenter i lokalt genererande reaktiv effekt lokalt för styrning av nätspänningen kommer att lågspänningsdistributionsnätet, lagrande energin såväl som reducera distributionsförluster bland annat till följd av mindre överföring av energi.

Vidare, för installationer av traditionella, kommersiella MV SVC,STATCOM och energilager, görs investeringen av DSOn (distribution system operator).

Om denna funktion placeras vid ändkonsumentet i formen av energinav kommer denna investering huvudsakligen täckas av elabonnenterna som erhåller fördelarna av ett energinav. Samtidigt kan reservkapacitet i energinavet användas av DSO för att underhålla nätstabilitet och effektkvalitet, utan att ta huvudelen av investeringen därför.

En PV-växelriktare installerad vid en lokal konsuments plats är typiskt konstruerad att hantera toppeffekten från solcellerna i PV-systemet, vilken toppeffekt sker vid några få procent av dagen. Under majoriteten av dygnet 10 15 20 25 BO (exempelvis natt, gryning, skymning och regnigt väder) är växelriktarna avstängda och används inte. PV-växelriktarna i nätet har således en enorm reservkapacitet som kan användas till nytta för det elektriska nätet och distributionssystemoperatörerna (DSO) genom att exempelvis generera reaktiv effekt, korrigera effektkvalitet, eller genom att kombinera växelriktaren med ett lokal energilager som kan tillhandahålla frekvensstöd, toppeffektreserv, etc.

Genom att tillhandahålla ett energinav innefattande: ett energilager, en dubbelriktad växelriktare ansluten till energilagret, en styranordning konfigurerad att mäta ett laddningstillstånd för energilagret, konfigurerad att styra energiflöde till och från energilagret och konfigurerad att styra den dubbelriktade kommunikation växelriktaren, och en kommunikationsenhet för med en distributionssystemoperatör, varvid den dubbelriktade växelriktaren är anslutningsbar till en lokal last vid vilken energinavet ska anordnas vid under användning och är anslutningsbar till ett distributionsnät och är konfigurerad att generera aktiv effekt från energilagret och att generera reaktiv effekt, styranordningen är anslutningsbar till den lokala lasten och är konfigurerad att mäta elektriska parametrar hos den lokala lasten och är konfigurerad att motta styrbegäran från kommunikationsenheten och konfigurerad att styra energiflödet till och från energilagret och att styra den dubbelriktade växelriktaren i beroende på styrbegärandena, kommunikationsenheten är konfigurerad att motta styrbegärandena från distributionssystemoperatören och konfigurerad att sända information om åtminstone en lokal last, tillgänglig aktiv effekt och effekt till distributionssystemoperatören kan styra en lågspänningsnivå i ett elektriskt tillgänglig reaktiv distributionssystemoperatören, nät och det är inte längre nödvändigt med medelspänningsenergilager, SVC, STATCOM, etc.

Den dubbelriktade växelriktaren i energinavet är företrädesvis ansluten till en lokal kraftkälla, särkskilt ett PV-system, och kommunikationsenheten är konfigurerad att sända information också om tillgänglig effekt genererad av 10 15 20 25 30 den lokala kraftkällan, ökande flexibiliteten för styrbegäran sända från distributionssystemoperatören till energinavet.

Energinavet innefattar företrädesvis en DC/DC-växelriktare för anslutning till en lokal kraftkälla och för spänningsanpassning därav och/eller en DC/ DC-växelriktare för spänningsanpassning av energilagret, för att göra installation av ett energinav mindre beroende av anslutningsbara komponenter och för att förbättre effektiviteten i energinavet.

En styrbegäran från en distributionssystemoperatör är företrädes konfigurerad att innefatta en eller flera av följande parametrar: aktiv effekt till/från distributionsnätet, och reaktiv effekt ledande/släpande vid energinavet, för att tillhandahålla betryggande systemstyrning.

Ett energidistributionssystem innefattande en distributionssystemoperatör, ett energinav och en lokal last vid energinavet tillhandahålls också.

Energidistributionssystemet innefattar företrädesvis också en lokal kraftkälla vid energinavet, särskilt ett PV-system.

För att energinavet i energidistributionssystemet ska kunna rapportera en lokal last till energidistributionssystemet företrädesvis en mätanordning anordnad vid den distributionssystemoperatören innefattar lokala lasten för att mäta elektriska parametrar hos den lokala lasten.

Genom att tillhandahålla ett förfarande för ett energidistributionssystem, innefattande följande steg: mätning av ett laddningstillstånd för ett energilager i ett energinav hos en konsument, mätning av en elektrisk parameter hos en lokal last hos konsumenten, sändning av information om den lokala lasten och genererbar aktiv effekt från energilagret och reaktiv effekt, till en distributionssystemoperatör, mottagning av en styrbegäran from distributionssystemoperatören, och styrning av energiflöde till och från energilagret och styrning av en dubbelriktad växelriktare i energinavet i beroende av styrbegäran, kan distributionssystemoperatören styra en lågspänningsnivå i ett elektriskt nät och det är inte längre nödvändigt med medelspänningsenergilager, SVC, STATCOM, etc. 10 15 20 25 Generellt sätt ska alla begrepp använda i kraven tolkas enligt deras vanliga betydelse inom det tekniska området, om inte explicit definierade på annat sätt häri. Alla hänvisningar till ”en/ ett/ den/ det element, anordning, komponent, medel, steg etc.” ska tolkas fritt som hänvisande till åtminstone ett fall av elementet, anordningen, komponenten, medlet, steget, etc., om inte explicit annat sägs. Stegen i varje förfarande beskrivet häri behöver inte utföras i exakt den beskrivna ordningen, om inte explicit angivet.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppflnningen kommer nu att beskrivas, genom exempel, med hänvisning till de medföljande ritningarna, i vilka: Fig. 1 illustrerar schematiskt ett typiskt energiöverförings- och -distributionssystem.

Fig. 2 illustrerar schematiskt ett energidistributionssystem enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 3 illustrerar schematiskt ett energinav i ett energidistributionssystem enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, energinavet är anordnat vid en lokal konsument tillhandahållande en lokal last.

Fig. 4 illustrerar schematiskt ett flertal energinav anslutna till en distributionssystemoperatör.

Fig. 5 illustrerar schematiskt ett energinav i ett energidistributionssystem enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, energinavet är anordnat vid en lokal konsument tillhandahållande en lokal last.

DETALJERAD BESKRIVNING Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer fullständigt härefter med hänvisning till de medföljande ritningarna, i vilka vissa utföringsformer av uppfinningen visas. Denna uppfinning kan emellertid utföras i många olika former och bör inte tolkas som begränsad till utföringsformerna angivna häri, snarare tillhandahålls dessa utföringsformer som exempel för att denna 10 15 20 25 30 beskrivning ska vara noggrann och fullständig, och kommer fullständigt att förmedla omfånget av uppfinningen för fackmän inom området. Samma hänvisningssiffror hänvisar till lika element genom hela beskrivningen.

Ett energinav i ett energidistributionssystem enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning kommer nu att beskrias med hänvisning till Fig. 2-4.

Energinavet 1 innefattar ett energilager 2, en dubbelriktad växelriktare 3 ansluten till energilagret 2, en styranordning 4, konfigurerad att mäta ett laddningstillständ hos energilagret 2, konfigurerad att styra energiflödet till och från energilagret 2 och konfigurerad att styra den dubbelriktade växelriktaren 3, och en kommunikationsenhet 6 för kommunikation med en distributionssystemoperatör (DSO) 7.

Den dubbelriktade växelriktaren 3 är anslutningsbar till en lokal last 8 vid vilken energinavet 1 ska anordnas under användning och är anslutningsbar till ett distributionsnät 9 och är konfigurerad att generera aktiv effekt från energilagret 2 och att generera reaktiv effekt. Reaktiv effekt genereras typiskt två gånger varje huvudcykel genom laddning och urladdning av energi i kondensatorer i en intern DC-länk (ej visad i ritningarna) därav. Energilagret 2 behöver inte delta i reaktiv energigenerering.

Styranordningen 4 är anslutningsbar till den lokala lasten 8 och konfigurerad att mäta elektriska parametrar för den lokala lasten 8 och är konfigurerad att motta styrbegäran från kommunikationsenheten 6 och konfigurerad att styra energiflödet till och från energilagret 2 och att styra den dubbelriktade växelriktaren 3 i beroende av styrbegärandena.

Kommunikationsenheten 6 är konfigurerad att motta styrbegärandena från distributionssystemoperatören 7 och är konfigurerad att sända information om åtminstone en lokal last 8, tillgänglig aktiv effekt och tillgänglig reaktiv effekt till distributionssystemoperatören 7. Informationen sänd till DSO 7 innefattar företrädesvis också effektkvalitet, såsom harmonier och flimmer, vid energinavet. Ytterligare möjliga parametrar att sändas som parametrar till DSO är exempelvis energiflöde till/ från energilagret 2, spänningsnivå hos 10 15 20 25 30 lokal last 8, laddningstillstånd för energilagret 2, fas-till-fas-balans hos lastströmmar och -spänningar, och nätfel.

En styrbegäran innefattar företrädesvis en eller fler av följande parametrar: aktiv effekt till/från distributionsnätet, och reaktiv effekt ledande/släpande distributionsnätet. Styrbegäran innefattar företrädesvis också en parameter avseende effektkvalitet, när information därav finns tillgänglig. Effektkvalitet kan exempelvis vara relaterad till harmonier och flimmer.

Energidistributionssystemet innefattar distributionssystemoperatören 7, lokala Energidistributionssystemet innefattar företrädesvis också en mätanordning energinavet 1 och den lasten 8 och elektriskt nät 9. 16, typiskt en strömsensor såsom en strömtransformator och en spänningssensor, anordnade vid lokal last 8 för mätning av elektriska parametrar hos den lokala lasten 8. DSO 7 kommunicerar med energivav 1 vid ett flertal lokala konsumenter 20 via ett kommunikationsnät 5. tillhandahålls datakommunikationslänk såsom Internet, datakommunikation via 3G eller Kommunikationsnätet 5 företrädesvis genom en 4G eller liknande trådlös kommunikation. Kommunikationen mellan DSO7 och en kommunikationsenhet 6 i ett energinav 1 kan alternativt exempelvis PLC kraftledningskommunikation) över det elektriska nätet 9. utföras genom (Power line communication, Det elektriska nätet 9 är typiskt del av ett överförings- och distributionssystem, innefattande en HV 10, MV 11 och LV 12 nivå såsom illustrerat i Fig. 2. 220 kV HV-överföringssystemet använder en transformator, typiskt inkluderande en lindningskopplare använd för att finjustera spänningen, 21 för att ansluta HV-överföringssystemet 10 till multipla MV-överförings- och -distributionssystem 11. MV-nivån 11 har en eller flera mätanordningar 22 för övervakning av det elektriska nätet. Även om MV SVC och STATCOM-stationer inte är nödvändiga när ett flertal styrbara energinav finns närvarande i nätet vid LV-nivå 12, kan sådana MV- stationer exempelvis kvarhållas i nät använda idag eller läggas till utöver ett flertal styrbara energinav vid LV-nivå 12. 10 15 20 25 För styrning av energidistributionssystemet innefattar följande steg: mätning av ett laddningstillstånd hos energilagret 2 i energinav 1 hos en konsument 20, mätning av en elektrisk parameter för den lokala lasten 8 hos konsumenten 20, sändning av information om den lokala lasten 8, och genererbar aktivt effekt från energilagret 2 och reaktiv effekt från den dubbelriktade växelriktaren 2, till distributionssystemoperatören 7, mottagning av en styrbegäran från distributionssystemoperatören 7, och styrning av energiflöde till och från energilagret 2 och styrning av den dubbelriktade växelriktaren 3 i energinavet 1 i beroende på styrbegäran.

Energilagret 2 kan laddas från det elektriska nätet 9.

Den lokala lasten 8 är illustrerad som hela hushållslasten, men individuella laster i ett helt hushåll kan användas, exempelvis viktiga delar såsom värmning / kylning.

Energilagret 2 utgörs exempelvis av ett batteri, exempelvis innefattande multipla celler anslutna parallellt och i serie för att uppnå en önskad energilagringskapacitet och spänningsnivå. Batteriet innefattar typiskt också ett batterihanteringssystem (BMS, battery management system) för att styra, balansera och skydda individuella battericeller.

Styranordningen 4 är konfigurerad att mäta interna värden såsom laddningstillstånd hos energilagret 2, effektkvalitet, såsom harmonier och flimmer vid energinavet 1, och energiflöde till/från energilagret 2.

Styranordningen 4 är vidare konfigurerad att mäta externa värden såsom spänningsnivå, last och nätfel hos lokal last 8. Särskilt för mätningar av externa värden kan styranordningen 4 kommunicera med en dedikerad mätenhet i energinavet 1.

Ett energinav i ett energidistributionssystem enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas med hänvisning till Fig. 5.

Denna andra utföringsform av föreliggande uppfinning är samma som den första utföringsformen beskriven ovan, förutom det följande. 10 15 20 10 Den dubbelriktade växelriktaren 3 är också anslutningsbar till en lokal kraftfkälla 13, särskilt ett PV-system, och kommunikationsenheten 6 är konfigurerad att sända information också om tillgänglig effekt, genererad av den lokala kraftkällan 13, till DSO 7.

Energinavet 1 innefattar företrädesvis en DC/DC-växelriktare 14 för anslutning till den lokala kraftkällan 123 och för spänningsanpassning därav till en spänningsnivå hos energinavet 1. Energinavet 1 innefattar företrädesvis också en DC/DC-växelriktare 15 för spänningsanpassning av energilagret 2 till en spänningsnivå hos energinavet 1.

Energidistributionssystemet innefattar också den lokala kraftkällan 13 vid energinavet 1. Den lokala lasten 8 är ansluten mellan energinavet 1 och en huvudsäkring 17 till det elektriska nätet 9.

Den lokal kraftkällan 13 är företrädesvis ett PV-system innefattande ett flertal solceller. Effekt från den lokala kraftkällan 13 kan emellertid alternativt, eller dessutom, komma från exempelvis vindkraft eller vattenkraft.

Uppfinningen har huvudsakligen beskrivits ovan med hänvisning till några få utföringsformer. Emellertid, såsom enkelt inses av en fackman inom området, kan andra utföringsformer än de beskrivna ovan vara lika möjliga inom omfånget av uppfinningen, såsom definierat av de bifogade patentkraven.

Claims (13)

1O 15 20 25 11 KRAV

1. Energinav (1) innefattande: ett energilager (2), en dubbelriktad växelriktare (3) ansluten till nämnda energilager, en styranordning (4), konfigurerad att mäta ett laddningstillstånd hos nämnda energilager, konfigurerad att styra energiflöde till och från nämnda energilager och konfigurerad att styra nämnda dubbelriktade växelriktare, och en kommunikationsenhet (6) för kommunikation med en distributionssystemoperatör (7), varvid nämnda dubbelriktade växelriktare är anslutningsbar till en lokal last (8) vid vilken nämnda energinav ska anordnas under användning och är anslutningsbar till ett distributionsnät (9) och är konfigurerad att generera aktiv effekt från nämnda energilager och att generera reaktiv effekt, nämnda styranordning är anslutningsbar till nämnda lokala last och konfigurerad att mäta elektriska parametrar hos nämnda lokala last och konfigurerad att motta styrbegäran från nämnda kommunikationsenhet och konfigurerad att styra nämnda energiflöde till och från nämnda energilaget och att styra nämnda dubbelriktade växelriktare i beroende på nämnda styrbegäran, nämnda kommunikationsenhet är konfigurerad att motta nämnda styrbegäran från nämnda distributionssystemoperatör och konfigurerad att sända information om åtminstone en lokal last, tillgänglig aktiv effekt och tillgänglig reaktiv effekt till nämnda distributionssystemoperatör.

2. Energinav enligt krav 1, varvid nämnda dubbelriktade växelriktare är anslutningsbar till en lokal kraftkälla (13), särskilt ett PV-system, och nämnda kommunikationsenhet är konfigurerad att sända information också om tillgänglig effekt genererad av nämnda lokala kraftkälla. 10 15 20 25 12

3. Energinav enligt krav 1 eller 2, innefattande en DC/DC-växelriktare (14) för anslutning till en lokal kraftkälla (13) och spänningsanpassning därav och/eller en DC/DC-växelriktare (15) för spänningsanpassning av nämnda energilager.

4. Energinav enligt något av kraven 1 till 3, varvid nämnda styrbegäran är konfigurerad att innefatta en eller flera av följande: aktiv effekt till/från nämnda distributionsnät, och reaktiv effekt ledande/släpande nämnda distributionsnät.

5. Energidistributionssystem innefattande en distributionssystemoperatör, ett energinav enligt något av kraven 1 till 4, och nämnda lokala last.

6. Energidistributionssystem enligt krav 5, innefattande en lokal kraftkälla vid nämnda energinav.

7. Energidistributionssystem enligt krav 5 eller 6, innefattande en mätanordning (16) anordnad vid nämnda lokala last för mätning av elektriska parametrar hos nämnda lokala last.

8. Förfarande för ett energidistributionssystem, innefattande följande steg: mätning av ett laddningstillstånd hos ett energilager (2) i ett energinav (1) hos en konsument (20), mätning av en elektrisk parameter för en lokal last (8) hos nämnda konsument, sändning av information om nämnda lokala last, och genererbar aktiv effekt från nämnda energilager och reaktiv effekt, till en distributionssystemoperatör (7), mottagning av en styrbegäran från nämnda distributionssystemoperatör, och styrning av energiflöde till och från nämnda energilager och styrning av en dubbelriktad växelriktare (3) i nämnda energinav i beroende av nämnda styrbegäran. 1O 15 13

9. Förfarande enligt krav 8, innefattande stegen: sändning av information också om en lokal kraftkälla (13), särskilt ett PV- system, till nämnda distributionssystemoperatör.

10. Förfarande enligt krav 8 eller 9, innefattande stegen: anpassning av en spänningsnivå hos nämnda energilager till en spänningsnivå hos nämnda energinav, och/eller anpassning av en spänningsnivå hos en lokal kraftkälla (13), särskilt ett PV-system, till en spänningsnivå hos nämnda energinav.

11. Förfarande enligt något av kraven 8 till 10, varvid nämnda styrbegäran från nämnda distributionssystemoperatör är konfigurerad att innefatta en eller flera av följande: aktiv effekt till/ från ett distributionsnät (9) anslutet till nämnda energinav, och reaktiv effekt ledande/släpande nämnda distributionsnät.

12. F örfarande enligt något av kraven 8 till 11, innefattande stegen: sändning av information också om effektkvalitet till nämnda distributionssystemoperatör.

13. Förfarande enligt krav 12, varvid nämnda styrbegäran från nämnda distributionssystemoperatör är konfigurerad att innefatta effektkvalitet.