WO2012175332A1 - Vorrichtung zur steuerung der belastung der phasen eines dreiphasigen energienetzes - Google Patents

Vorrichtung zur steuerung der belastung der phasen eines dreiphasigen energienetzes Download PDF

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WO2012175332A1
WO2012175332A1 PCT/EP2012/060610 EP2012060610W WO2012175332A1 WO 2012175332 A1 WO2012175332 A1 WO 2012175332A1 EP 2012060610 W EP2012060610 W EP 2012060610W WO 2012175332 A1 WO2012175332 A1 WO 2012175332A1
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network
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voltage
energy
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Jochen SCHÄFER
Sebastian Nielebock
Wolfgang Weydanz
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/26—Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
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    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
    • H02M5/453—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/50—Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for controlling the loading of the phases of a three-phase power network, in particular a low-voltage network.
  • the generation of energy in electric power grids today is increasingly based on a plurality of decentralized power generation units in the form of small and medium size generator systems, such.
  • the number of these power generation units increases continuously, with the power generated by the power supply units being fed into the power grid.
  • energy consumers are z.
  • both the power generation units and the energy consumers with outputs of up to 3kW are trained in a single phase.
  • connection of single-phase power generation units and energy consumers to a three-phase power grid can lead to an unbalanced load on the power grid.
  • a power grid with a plurality of energy consumption and / or Energyer Wegungseinhei ⁇ th is known, each associated with at least one agent, the agents are networked with each other so that each agent can communicate with other agents in the power grid , Any change in power output or power consumption requires a commercial act, which avoids large balance errors.
  • Electricity purchase contracts of various kinds are concluded between producers and consumers.
  • the power system is configured such that the distribution of electric energy in the power grid at least partially ba ⁇ sierend on negotiated between the agents monetary transactions takes place. A distribution of energy is ba ⁇ sierend reached on market mechanisms of supply and demand of energy. To the voltage and the frequency in the
  • the inventive device for controlling the loading of the phases of a three phase power network comprising a first terminal for connecting an electrical component, via which the component draw current from the three-phase power network, or can feed into this, and a second terminal to external conductors of the three-phase power network.
  • the device comprises a controllable switching element which selectively connects the first terminal to one of the outer conductors as a function of a respective load of the outer conductors of the three-phase energy network.
  • a three-phase power network in particular a low-voltage network, at least one electrical component is connected via a device according to the invention to the outer conductors of the three-phase power network.
  • controllable switching element selectively connects the first terminal in response to a respective load of the outer conductor of the three-phase power network with an outer conductor.
  • the device according to the invention serves to selectively connect the energy or energy supplied by a component from the three-phase energy network to a specific external conductor of the three-phase energy network, so that an existing phase imbalance can be reduced.
  • the more electrical components are coupled to the three-phase power network with such a device according to the invention, the more phase imbalances can be reduced.
  • the device according to the invention thus allows an equal distribution of energy to the un ⁇ ferent outer conductor of the energy network.
  • the outer conductor of the three-phase power network links that connect to the outer conductor can be produced at a current reference of the component, the has the greatest voltage with respect to a neutral conductor of the power network, or in the case of a current feed of the component, a connection can be established to that outer conductor which has the smallest voltage with respect to the neutral conductor. It can hereby be ensured that by a Energyer Wegungsein- the energy generated by their standardized not being fed in such a Au ⁇ °leiter that already ie the highest voltage relative to the neutral conductor of the power system has the greatest load. Conversely, the apparatus provides for ⁇ since that energy extraction does not take place from the one outer conductor ter having the smallest voltage or load to the neutral conductor.
  • the apparatus comprises a voltage ⁇ measuring device which is designed to determine a respective voltage of the outer conductor with respect to the neutral conductor which can be fed to the control unit for generating the control signal.
  • the inventive device can connect the electrical component to it being ⁇ connected automatically with the SITUATE RECORDER outer conductor of the three-phase power network of any such local stress measuring device.
  • the device also comprises a current measuring device for measuring the current at a terminal (phase or neutral conductor) with which it can be detected whether the component is a power-consuming or an energy-generating unit.
  • the current can optionally be measured at a neutral conductor or a phase, ie an outer conductor.
  • the current measuring device can be th of the first or the second terminal may be provided.
  • the control unit is designed to compare the measured current with a threshold value, wherein the control signal for switching the phase is generated when the measured current is below the threshold value. In this way, in particular ⁇ sondere a loading arm or load-free switching of the phase made possible by the device. How high the threshold value depends essentially on the electrical component connected to the device.
  • a hysteresis curve for the voltage for the switching of a phase is stored in the control unit.
  • the hysteresis curve ensures that not every drop below the threshold value in the case of a detected phase imbalance leads to a switching of the phase, ie the outer conductor. This allows the switching operations are order ⁇ reduces the number, whereby the operation of the closed at ⁇ electrical component is less adversely affected. In particular, this is the time duration ver ⁇ extended, in the can feed one as a power generation unit having formed ⁇ te electrical component current in the three-phase power ⁇ network. As a result, corresponding yields for a power feed can be optimized.
  • the device has a communication unit for data exchange with a communication unit of the electrical component.
  • a communication unit of the electrical component This allows for so-called line-commutated components where the frequencies of the component and of the power network must be made equal to each other ⁇ , the time of the mains isolation for a switching of the phase or of the outer conductor are taken into account as a result of communication.
  • the control unit is designed to generate the control signal as a function of information of a higher-level control, which has knowledge about power flows in the power grid.
  • control system can, for example, on a Agen ⁇ tenbas striving trade mechanism, like this in the WO
  • the component can be coupled to the three-phase power network converter via two inverters of the device coupled to their DC voltage circuits.
  • the advantage is achieved that not only single-phase electrical components can be connected to the three-phase power grid as compo ⁇ nents, but also three-phase electrical components.
  • Um ⁇ judge can be controlled, which loads the outer conductor during operation of the power grid or relieved who ⁇ .
  • the two inverters coupled together enable a variable phase-specific power supply or -dnähme.
  • a Ab ⁇ circuit of a single-phase electrical component during a phase or outer conductor switching is not required.
  • Such a converter arrangement also makes it possible to specify a coscp of the converter connected to the mains via a corresponding regulation.
  • a variation of the coscp determines the ratio between active and reactive power.
  • a further advantage is the possibility of varying the voltage at the feed-in point, ie if a power generation unit (eg a photovoltaic system) is connected to the energy grid, which feeds energy into the energy grid accordingly, the voltage at the feed-in point increases. By simultaneously removing reactive power from the power grid, the voltage can be reduced again.
  • a power generation unit eg a photovoltaic system
  • control unit is configured to generate the control signal in dependence on information of an agent assigned to the device, wherein the agent can communicate with other agents in the energy network, and wherein the energy network is configured such that the distribution the energy in the energy network phase-specific, at least in part based is at Zvi ⁇ rule the agent negotiated monetary transactions.
  • the choice in which the outer conductor energy is fed or from which the outer conductor energy is related, takes place in this embodiment variant is not arbitrary, but via a phase-specific trade.
  • This agent-based trade collects and considers information about the specific phase load across the energy grid. The information can either be provided by appropriate units of the respective components or a higher-level measuring sensors.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN device, and.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN device.
  • the device 10 (hereinafter also referred to as control device) is connected on the one hand to a three-phase power network 1 and on the other hand to a einphasi ⁇ ge electrical component 20.
  • the three-phase power network 1 comprises three outer conductors LI, L2, L3 and a neutral conductor N and a protective conductor PE.
  • the power grid 1 is preferably a low-voltage grid, ie a power grid in which the voltage between one of the outer conductors LI, L2, L3 and the neutral conductor is for example 400V.
  • the electrical component 20 is connected to a first terminal 11 with the control device 10.
  • the electrical component 20 is coupled to the protective conductor PE, the neutral conductor N and a phase of the three-phase power network.
  • the control device 10 is coupled to the three-phase power network 1.
  • the control device 10 connected via this with the three outer conductors LI, L2, L3, the neutral conductor N and the protective conductor PE.
  • the electrical component 20 is a single-phase energy consumption or power generation unit, which is connected via the STEU ⁇ ervorraum 10 to the three-phase power grid 1.
  • CHP plants can use energy, eg. B. based on the combustion of diesel or based on the combustion of hydrogen or hydrocarbons in fuel cells generate. Units of energy consumption in particular households, ge ⁇ advertising consumers (such as office buildings, public baths and the like) and industrial consumers.
  • the electrical component may also be a combined Ener ⁇ gienovs- and power generation unit, which consumes so ⁇ well energy and (excess) is generated energy ready in the power network.
  • Storage in networks can store or buffer energy. Batteries or generally electrical energy storage can serve both as a consumer and as an energy producer. They assume both roles depending on the application scenario or network status.
  • the control device 10 comprises a controllable switching element 13. Furthermore, the control device 10 comprises a control unit 14, a voltage measuring device 15, a current measuring device 16 and an optional communication device 17. By means of the voltage measuring device 15, a voltage measurement of a respective outer conductor LI, L2, L3 with respect to the neutral conductor N is carried out to determine the respective phase voltages.
  • the voltage measurement is carried out DEM according to the second terminal 12 side facing the switching element 13.
  • the current measurement device 13 and the electrical component 20 vorgese ⁇ hen and detects the generated from the electrical component and fed into the power grid 1 or from between the switching element the power grid 1 related electricity.
  • the current measuring device can also be provided in the neutral conductor. Based on the variables determined by the voltage and / or current measuring devices 15, 16, the switching position of the switching element 13 is controlled.
  • the measurement of the phase voltages ie the voltage of a respective outer conductor LI, L2, L3 with respect to the neutral conductor N and / or a detection of the respective phase currents, ie the currents flowing in a respective outer conductor LI
  • the measured values of the control device can be provided by the external measuring devices.
  • a (local) load of the respective outer conductors LI, L2, L3 of the energy network can be determined.
  • L2, L3 is a control signal for the switching element 13th generated by the control unit 14, which connects the electrical component 20 selectively with one of the outer conductor LI, L2, L3.
  • the electrical component is a power generation unit, the connection is made to that outer conductor LI, L2, L3, which has the smallest voltage with respect to the neutral conductor N. If the electrical component 20 draws power from the three-phase power network 1, the electrical component 20 is connected to the outer conductor LI, L2, L3, which has the greatest voltage with respect to the neutral conductor N of the power grid. Whether the electrical component 20 must be connected to the outer conductor with the highest voltage or the outer conductor with the lowest voltage can be determined based on the detection of the current direction.
  • phase asymmetries can be avoided. If phase asymmetries already exist in the three-phase energy network, then they can be reduced by means of the control device according to the invention. In this case, the effect is all the greater, the greater the number of devices connected via a respective invention Steuervorrich ⁇ processing components 20th.
  • a change of phase during operation of the electrical component 20 is possible. It is expedient to carry out the phase change as a function of a current detected by the current measuring device 16. In particular, a switching of the phase should be only when the current fed into the power grid 1 or drawn from the power grid 1 current is below a pre give ⁇ NEN threshold.
  • ⁇ SSIG when in the control unit 14 is a hysteresis curve for. the voltage is deposited.
  • the hysteresis is selected for the To ⁇ switching criterion on the mains voltage, if necessary, set a blocking of the phase change for a defined period after the order switch ⁇ . Otherwise the situation could come to an end. th that a power generating component, for. B. a PV system, after switching on the voltage so far raises that immediately the phase would be changed again. Thereby Kings ⁇ nen - excessively frequent phase change can be avoided - if the phase asymmetry oscillates about the switchover around.
  • the current measurement serves primarily to detect whether the component is an energy producer or an energy consumer. This information is for choosing the "right" phase used, as the following example illustrates. In a house ⁇ hold socket different loads can be ⁇ infected, the current measurement to release the Pha ⁇ sencics used.
  • the serving as a switch controller 10 switches to the phase with the lowest voltage.
  • the component 20 is recognized as an energy consumer. 4. A new phase change takes place to the phase with the highest voltage.
  • the changeover switch switches z. B. on the phase with the highest voltage currently and waits for a current flow.
  • the information of the last company ⁇ nen components for current switch position is used.
  • it is advantageous when the exchange of an outer conductor ⁇ is performed in response to a current efficiency of the electrical component 20th If the elekt ⁇ generic component 20, for example with a high grade of efficacy operated, so a phase change may not be appropriate. At times when the electrical compo ⁇ nent 20 but is operated with low efficiency, a phase change can be carried out easily.
  • a threshold for the efficiency is stored in the control device.
  • the control device 14 has corresponding means which either determine the efficiency of the electrical component or the control device receives appropriate information.
  • the information can be transmitted via a communication link KV of a communication device from the electrical component 20 to the communication unit 17 of the Steuervorrich ⁇ device 14.
  • the efficiency information can be provided by a higher-level instance of the control unit 14.
  • phase changeover during stand-by operation of the electrical component. It is true that a phase switching during a stand-by operation of the electrical component kei ⁇ ne direct impact on a possible Phasenunsym ⁇ geometry in the three-phase power grid. This makes it possible, however, already for a later switching on the electrical component see they are connected to the appropriate phase or the ge ⁇ suitable outer conductor preventively.
  • Blockrobkraftwerken or photovoltaic systems trained electrical components 20 may be provided. If a line commutated electrical component 20 are connected to the power network 1 without network synchronization, equalization currents will flow, which could worsen the ver ⁇ phase imbalance further.
  • the presence of the communication connection KV shown in FIG. 1 with corresponding communication devices makes it possible to inform a network synchronization device in the electrical component 20 also about an imminent changeover of the phase. This makes it possible to perform a short-term phase change, because the elec- generic component 20 can be quickly attached to the power grid 1 ⁇ closed.
  • control unit 14 higher-level control to achieve the highest possible number of operating hours without phase change.
  • a higher-level controller can advantageously use the knowledge about power flows in the entire energy network for a selective phase connection. This is particularly advantageous, since each synchronization process can take several seconds, which would shorten the times of energy supply, for example, in the case of a power generation unit.
  • Such a higher-level control can phase-specific fish by means of the agent-based trading mechanism described in WO 2009/040140 AI. The disclosure content of this specification is included in the ahead ⁇ herein by reference.
  • a plurality of individual agents are provided, which are each assigned to a power generation and / or energy consumption unit or egg ⁇ ner control device in the network.
  • the energy grid distributes the generated or consumed energy evenly within the energy grid.
  • the boundary conditions of this self-organizing energy distribution consist in the fact that on the one hand the voltage and the frequency of the provided energy should be kept constant and on the other hand, an operation of the network should be autonomously possible.
  • the agents are networked with each other so that each agent can communicate with another agent, ie exchange appropriate information.
  • a central local power exchange unit may be provided, which each of the agents can access.
  • the distribution of the energy in the energy network is essentially market-based according to the fact that the individual agents provide each other or with the interposition of the local energy exchange unit their required or surplus energy as merchandise and carry out monetary transactions based thereon.
  • the local energy exchange unit is so ⁇ with essentially a switching unit of supply and demand of each agent is, buy or sell that power for money. According to the trade, this is done phase-specific.
  • the control device comprises two inverters 18, 19 in addition to the components already described.
  • the inverters are coupled to one another via their DC voltage circuit.
  • the converter 19 is connected via the first terminal 11 to the electrical coupled component 20.
  • the electrical component 20 can be not only, as in the previous,sbei ⁇ game, a single-phase power generation and / or energy ⁇ consumption unit, but also a three-phase component.
  • the inverter 18 is connected via the second terminal 12 to the three outer conductors or phases LI, L2, L3 and the neutral conductor N.
  • the voltage measuring device 15 and the current measuring device 16 are provided between the inverter 18 and the second terminal 12. In contrast to the exemplary embodiment in FIG. 1, the current, as arranged on the side of the second terminal, is determined in each phase.
  • a variable, phase-specific power supply or removal can take place.
  • a possible incompatibility in terms of frequency and voltage can be compensated by the two inverters 18 and 19th This makes it possible to connect electrical components with other network connection parameters than the energy network to this.
  • Another advantage is that a phase change is possible without shutting off the electrical component 20.
  • the coscp of the network-side converter 18 can be preset via a corresponding regulation. Thus, a reactive power compensation is possible.
  • the control device according to the invention can be used in a variety of different scenarios.
  • Example 1 In a residential area, a large number of small photovoltaic systems are connected in a single phase to the outer conductor LI of the three-phase power grid. At lunchtime on sunny days a simultaneous strong performance Supply to the outer conductor LI. As a result, an unbalanced load of a distribution network transformer of the energy ⁇ network, which leads to shutdown of individual photovoltaic inverters by the voltage overshoot on the réellelei- ter LI arises.
  • the described control device it is possible to apply the feeding of the photovoltaic systems, depending on the load of the phases of the power grid, on different outer conductors LI, L2, L3. Likewise, several consumers can be connected to those outer conductor, which has the highest voltage.
  • a control device is electrically connected in series with a RCCB.
  • a change of phase of a complete single phase connected to an outdoor ⁇ .leiter of the energy network area of a house is possible.
  • communication takes place between the control device and the "intelligent" component (s) connected to this area, which inhibits a phase change when the "intelligent” component (s) are connected to the energy grid.
  • This is beispielswei ⁇ se with PCs, TVs, etc. sense whose function could be interrupted by a phase change.
  • the phase change is in passive components, such. B. Wasserko ⁇ chern, coffee machines, washing machines without complex control, etc., allowed at any time, even if they are operated during the Phasenwechesels.
  • Power generation units that are capable of phase-specific power consumption can independently reduce the problems in the power grid caused by phase asymmetries.
  • coordination takes place through agent-based and phase-specific trading.
  • the trade mechanism can ensure problem solving via market prices.
  • problem solving takes place economically optimized costs, since technical measures are taken where they make economic sense. This will be illustrated by the following examples.
  • Example 4 In a residential area, a large number of small photovoltaic systems are connected in a single phase to the outer conductor LI. In hours of strong sunlight, there is a strong power feed into this phase. Heat pumps in the residential buildings of the residential area are connected in a single phase to the energy network and have a control device according to the invention which makes it possible to select the phase. In an agent-based energy-based trading network, the price of the LI phase power decreases during periods of high solar radiation. The agents of the heat pumps register this and adjust their buying behavior accordingly.
  • Example 5 Example 5
  • a large photovoltaic system is connected to the outer conductor LI single phase for unknown reasons.
  • Conventional equipped with monitoring relay motors for example are
  • a commercial enterprise is also to be located in the subnetwork with machines whose electric motors are capable of phase-specific power consumption by means of a control device according to the invention.
  • the price for the power from the phase LI drops in the hours of strong sunlight.
  • the agents assigned to the electric motors of the business register this and adjust their purchasing behavior accordingly.
  • Example 7 power generation units such. As combined heat and power plants, usually feed three-phase in the power grid. When phase asymmetries occur, the variable phase-specific feed contributes to network symmetry achieved when on the one hand the cogeneration plant is connected via a control device according to the invention to the power grid and on the other hand, the glassesmechanis ⁇ described mechanism is used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung (10) zur Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes (1), insbesondere eines Niederspannungsnetzes. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Anschluss (11) für den Anschluss einer elektrischen Komponente (20), über den die Komponente (20) Strom aus dem dreiphasigen Energienetz beziehen oder in dieses einspeisen kann. Ferner umfasst die Vorrichtung einen zweiten Anschluss (12) für den Anschluss an die Außenleiter (L1, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes. Über ein steuerbares Schaltelement (13) ist der erste Anschluss (11) in Abhängigkeit einer jeweiligen Belastung der Außenleiter (L1, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes (1) selektiv mit einem der Außenleiter (L1, L2, L3) verbindbar.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes, insbesondere eines Niederspannungsnetzes. Die Erzeugung von Energie in elektrischen Energienetzen beruht heutzutage zunehmend auf einer Vielzahl von dezentralen Energieerzeugungseinheiten in der Form von Generatoranlagen kleiner und mittlerer Größe, wie z. B. Photovoltaik-Anlagen, Windturbinen und andere dezentrale und erneuerbare Energieer- zeugungsanlagen . Die Anzahl dieser Energieerzeugungseinheiten nimmt kontinuierlich zu, wobei die von den Energieversorgungseinheiten erzeugte Energie in das Energienetz eingespeist wird. Als Energieverbraucher sind z. B. Wärmepumpen, Kompressionskälteanlagen oder Ladegeräte für Elektrofahrzeuge an das Energienetz angeschlossen. Vor allem aus Kostengründen werden sowohl die Energieerzeugungseinheiten als auch die Energieverbraucher mit Leistungen von bis zu 3kW einphasig ausgebil- det. Der Anschluss einphasiger Energieerzeugungseinheiten und Energieverbraucher an ein dreiphasiges Energienetz kann zu einer unsymmetrischen Belastung des Energienetzes führen. Je größer die Anzahl der einphasig angeschlossenen Energieerzeugungseinheiten und Energieverbraucher ist, desto stärker kann die Belastung in den Phasen des Energienetzes zunehmen.
Aus der unterschiedlichen Belastung der Phasen, d.h. der Außenleiter des Energienetzes, können Fehler von an das Energienetz angeschlossenen elektrischen Komponenten auftreten. Hierzu zählen beispielsweise die Sättigung von Transformato¬ ren, die Überlastung von Kabelverbindungen und die Abschaltung einzelner Komponenten durch eine Toleranzbandüberschreitung der Netzspannung. Um Phasenunsymmetrien zu vermeiden, ist der koordinierte Anschluss von Energieerzeugungseinheiten und Energieverbrauchern hinsichtlich einer gleichen Verteilung der in die einzelnen Phasen eingespeisten und bezogenen Leistung erforderlich.
Aus der WO 2009/040140 AI ist ein Energienetz mit einer Mehrzahl von Energieverbrauchs- und/oder Energieerzeugungseinhei¬ ten bekannt, welchen jeweils zumindest ein Agent zugeordnet ist, wobei die Agenten derart miteinander vernetzt sind, dass jeder Agent mit anderen Agenten im Energienetz kommunizieren kann. Jeder Wechsel der Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme setzt einen Handelsakt voraus, wodurch große Balancefehler vermieden werden. Zwischen Erzeugern und Verbrauchern werden Stromabnahmeverträge verschiedenster Art geschlossen. Das Energienetz ist derart ausgestaltet, dass die Verteilung der elektrischen Energie im Energienetz zumindest teilweise ba¬ sierend auf zwischen den Agenten ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt. Eine Verteilung der Energie wird ba¬ sierend auf Marktmechanismen von Angebot und Nachfrage an Energie erreicht. Um die Spannung und die Frequenz in dem
Energienetz stabil zu halten werden Energieausgleichs-Anlagen eingesetzt. Um die Verwendung solcher Energieausgleichs- Anlagen möglichst zu reduzieren, werden ungleichmäßige Energieverteilungen identifiziert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, durch die eine verbesserte Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes ermöglicht wird. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein drei- phasiges Energienetz anzugeben, welches eine möglichst gleichmäßige Belastung der Phasen erlaubt. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Belastung der Phasen des dreiphasigen Energienetzes gesteuert werden kann.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein dreiphasiges Energie¬ netz gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 14 und ein Ver- fahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 15. Vorteil¬ hafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen . Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes, insbesondere ei¬ nes Niederspannungsnetzes, umfasst einen ersten Anschluss für den Anschluss einer elektrischen Komponente, über den die Komponente Strom aus dem dreiphasigen Energienetz beziehen oder in dieses einspeisen kann, sowie einen zweiten Anschluss an Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes. Weiter umfasst die Vorrichtung ein steuerbares Schaltelement, das den ersten Anschluss in Abhängigkeit einer jeweiligen Belastung der Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes selektiv mit einem der Außenleiter verbindet.
In einem dreiphasigen Energienetz gemäß der Erfindung, insbesondere einem Niederspannungsnetz ist zumindest eine elektrische Komponente über eine erfindungsgemäße Vorrichtung an die Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes angeschlossen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der Belastung der Phasen des dreiphasigen Energienetzes der oben beschriebenen Art verbindet das steuerbare Schaltelement den ersten Anschluss in Abhängigkeit einer jeweiligen Belastung der Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes selektiv mit einem Außenleiter.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dazu, die von einer Komponente aus dem dreiphasigen Energienetz bezogene Energie oder in dieser eingespeisten Energie selektiv mit einem bestimmten Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes zu verbinden, so dass eine bestehende Phasenunsymmetrie reduziert werden kann. Je mehr elektrische Komponenten mit einer sol- chen erfindungsgemäßen Vorrichtung an das dreiphasige Energienetz gekoppelt sind, desto stärker lassen sich Phasenunsymmetrien reduzieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung er- möglicht damit eine Gleichverteilung der Energie auf die un¬ terschiedlichen Außenleiter des Energienetzes.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das steuerbare Schalt- element den ersten Anschluss in Abhängigkeit eines durch eine Steuereinheit erzeugten Steuersignals selektiv derart mit ei¬ nem der Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes verbindet, dass bei einem Strombezug der Komponente eine Verbindung zu dem Außenleiter herstellbar ist, der die größte Spannung ge- genüber einem Neutralleiter des Energienetzes aufweist, oder bei einer Stromeinspeisung der Komponente eine Verbindung zu demjenigen Außenleiter herstellbar ist, der die kleinste Spannung gegenüber dem Neutralleiter aufweist. Hierdurch kann sicher gestellt werden, dass durch eine Energieerzeugungsein- heit die von ihr erzeugte Energie nicht in einen solchen Au¬ ßenleiter eingespeist wird, der bereits die größte Belastung, d.h. die größte Spannung gegenüber dem Neutralleiter des Energienetzes aufweist. Umgekehrt sorgt die Vorrichtung da¬ für, dass eine Energieentnahme nicht aus demjenigen Außenlei- ter erfolgt, welche die kleinste Spannung bzw. Belastung zu dem Neutralleiter aufweist.
Zweckmäßiger Weise umfasst die Vorrichtung eine Spannungs¬ messeinrichtung, welche zur Ermittlung einer jeweiligen Span- nung des Außenleiters gegenüber dem Neutralleiter ausgebildet ist, welche der Steuereinheit zur Erzeugung des Steuersignals zuführbar ist. Über eine solche lokale Spannungsmesseinrichtung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die an ihr ange¬ schlossene elektrische Komponente selbsttätig mit dem geeig- neten Außenleiter des dreiphasigen Energienetzes verbinden.
Es ist weiter vorgesehen, dass die Vorrichtung auch eine Strommesseinrichtung zur Messung des Stroms an einem Anschluss (Phase oder Neutralleiter) umfasst, mit der detek- tierbar ist, ob die Komponente eine Energieverbrauchs- oder eine Energieerzeugungseinheit ist. Der Strom kann wahlweise an einem Neutralleiter oder einer Phase, d.h. einem Außenleiter, gemessen werden. Die Strommesseinrichtung kann auf Sei- ten des ersten oder des zweiten Anschlusses vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den gemessenen Strom mit einem Schwellwert zu vergleichen, wobei das Steuersignal zur Um- Schaltung der Phase dann erzeugt wird, wenn der gemessene Strom unterhalb des Schwellwerts ist. Hierdurch wird insbe¬ sondere ein lastarmes bzw. lastfreies Umschalten der Phase durch die Vorrichtung ermöglicht. Wie hoch der Schwellwert ist, hängt im Wesentlichen von der an die Vorrichtung ange- schlossenen elektrischen Komponente ab.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn in der Steuereinheit eine Hysteresekurve für die Spannung für die Umschaltung einer Phase hinterlegt ist. Die Hysteresekurve sorgt dafür, dass nicht jedes Unterschreiten des Schwellwerts bei einer detek- tierten Phasenunsymmetrie zu einem Umschalten der Phase, d.h. des Außenleiters, führt. Hierdurch kann die Anzahl der Um¬ schaltvorgänge reduziert werden, wodurch der Betrieb der an¬ geschlossenen elektrischen Komponente weniger stark beein- trächtigt wird. Insbesondere wird dadurch die Zeitdauer ver¬ längert, in der eine als Energieerzeugungseinheit ausgebilde¬ te elektrische Komponente Strom in das dreiphasige Energie¬ netz einspeisen kann. Hierdurch können entsprechende Erträge für eine Stromeinspeisung optimiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Kommunikationseinheit zum Datenaustausch mit einer Kommunikationseinheit der elektrischen Komponente auf. Hierdurch kann bei sogenannten netzgeführten Komponenten, bei denen die Frequenzen der Komponente und des Energienetzes an¬ einander angeglichen sein müssen, die Zeit der Netztrennung für eine Umschaltung der Phase bzw. des Außenleiters in Folge einer Kommunikation berücksichtigt werden. Insbesondere kann eine bevorstehende Umschaltung auf einen anderen Außenleiter der Komponente gegenüber angekündigt werden, so dass die Kom¬ ponente entsprechende Maßnahmen für eine Umschaltung ergrei¬ fen kann. In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Steuersignal in Abhängigkeit einer Information einer übergeordneten Steuerung zu erzeugen, welche Kenntnis über Leistungsflüsse in dem Energienetz hat. Hierdurch kann bei netzgeführten Komponenten eine möglichst hohe Betriebsstundenzahl ohne Phasenwechsel ermöglicht wer¬ den. Ein jeweiliger Wechsel des Außenleiters würde bei netz¬ geführten Komponenten eine Synchronisierung der Komponente auf die Frequenz des Energienetzes erfordern. Da jede erneute Synchronisierung mehrere Sekunden dauern kann, steht diese
Zeit nicht für den eigentlichen Betrieb der elektrischen Komponente zur Verfügung. Eine hierzu vorzugsweise eingesetzte übergeordnete Steuerung kann beispielsweise auf einem Agen¬ tenbasierten Handelsmechanismus, wie dieser in der WO
2009/040140 AI beschrieben ist, basieren. Der Inhalt dieser Schrift wird durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Komponen- te über zwei mit ihren Gleichspannungskreisen gekoppelte Umrichter der Vorrichtung mit dem dreiphasigen Energienetz koppelbar. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass als Kompo¬ nenten nicht nur einphasige elektrische Komponenten an das dreiphasige Energienetz angeschlossen werden können, sondern auch dreiphasige, elektrische Komponenten. Mittels der Um¬ richter kann gesteuert werden, welche der Außenleiter während des Betriebs des Energienetzes belastet oder entlastet wer¬ den. Die beiden miteinander gekoppelten Umrichter ermöglichen eine variable phasenspezifische Leistungseinspeisung bzw. -entnähme. Insbesondere ist bei dieser Ausgestaltung eine Ab¬ schaltung einer einphasigen elektrischen Komponente während einer Phasen- bzw. Außenleiterumschaltung nicht erforderlich. Eine derartige Umrichtanordnung ermöglicht auch die Vorgabe eines coscp des netzseitig angeschlossenen Umrichters über ei- ne entsprechende Regelung. Über eine Variation des coscp wird das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindleistung vorgegeben. In bestehenden Energienetzen gibt es meist durch induktive Lasten entsprechende Blindströme, die das Netz unnötig be- lasten. Mit einem Umrichter könnte dementsprechend kapazitive Blindleistung zur Kompensation zur Verfügung gestellt, und optional entsprechend vergütet, werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Variation der Spannung am Einspeise- punkt, d.h. wird eine Energieerzeugungseinheit (z. B. eine Photovoltaik-Anlage) an das Energienetz angeschlossen, welche entsprechend Energie ins Energienetz einspeist, erhöht sich die Spannung am Einspeisepunkt. Durch gleichzeitige Entnahme von Blindleistung aus dem Energienetz kann die Spannung wie- der reduziert werden.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Energieerzeugungsein¬ heiten und Energieverbrauchseinheiten mit anderen Anschlussparametern hinsichtlich Frequenz und Spannung zu betreiben. Beispielsweise können elektrische Komponenten, die für ein 50 Hz/400 V Energienetz ausgelegt sind, auch an einem 60 Hz/110 V Energienetz angeschlossen werden. Die Umrichteranordnung ermöglicht damit eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Netzanschlussparameter (Frequenz und Spannung) sowie die Mög- lichkeit aus den einzelnen Außenleitern unterschiedliche
Ströme zu beziehen bzw. einzuspeisen. Schließlich kann eine Blindleistungskompensation erfolgen .
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Steuer- einheit dazu ausgebildet, das Steuersignal in Abhängigkeit einer Information eines der Vorrichtung zugeordneten Agenten zu erzeugen, wobei der Agent mit anderen Agenten in dem Energienetz kommunizieren kann, und wobei das Energienetz derart ausgestaltet ist, dass die Verteilung der Energie im Energie- netz phasenspezifisch zumindest teilweise basierend auf zwi¬ schen den Agenten ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt. Die Wahl, in welchen der Außenleiter Energie eingespeist oder aus welchem der Außenleiter Energie bezogen wird, erfolgt bei dieser Ausgestaltungsvariante nicht willkürlich, sondern über einen phasenspezifischen Handel. Im Rahmen dieses Agentenbasierten Handels werden Informationen über die spezifischen Phasenbelastungen im gesamten Energienetz gesammelt und berücksichtigt. Die Informationen können entweder durch entsprechende Einheiten der jeweiligen Komponenten oder eine übergeordnete Mess-Sensorik bereitgestellt werden. Durch die Koordination von Energieerzeugungs- und Energie¬ verbrauchseinheiten, die zur phasenspezifischen Leistungsauf- nähme bzw. Einspeisung befähigt sind, werden die durch Pha¬ senasymmetrie verursachten Probleme in dem Energienetz reduziert. Durch den Agentenbasierten Handelsmechanismus wird ei¬ ne Problemlösung über Marktpreise sichergestellt. Technische Maßnahmen werden somit bei denjenigen Komponenten getroffen, wo sie ökonomisch sinnvoll sind.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungs- bespielen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung, und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der Belastung der Phasen eines Energienetzes ist in Fig. 1 mit dem Bezugs¬ zeichen 10 gekennzeichnet. Die Vorrichtung 10 (nachfolgend auch als Steuereinrichtung bezeichnet) ist einerseits an ein dreiphasiges Energienetz 1 und andererseits an eine einphasi¬ ge elektrische Komponente 20 angeschlossen. Das dreiphasige Energienetz 1 umfasst drei Außenleiter LI, L2, L3 sowie einen Neutralleiter N und einen Schutzleiter PE . Bei dem Energienetz 1 handelt es sich bevorzugt um ein Niederspannungsnetz, d.h. ein Energienetz, in dem die Spannung zwischen einem der Außenleiter LI, L2, L3 und dem Neutralleiter beispielsweise 400 V beträgt. Die elektrische Komponente 20 ist dabei mit einem ersten Anschluss 11 mit der Steuervorrichtung 10 verbunden. Über diesen ist die elektrische Komponente 20 mit dem Schutzleiter PE, dem Neutralleiter N und einer Phase des dreiphasigen Energienetzes gekoppelt. Über einen zweiten Anschluss 12 ist die Steuervorrichtung 10 mit dem dreiphasigen Energienetz 1 gekoppelt. Dabei ist die Steuervorrichtung 10 über diesen mit den drei Außenleitern LI, L2, L3, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE verbunden.
Die elektrische Komponente 20 ist eine einphasige Energie- Verbrauchs- oder Energieerzeugungseinheit, die über die Steu¬ ervorrichtung 10 an das dreiphasige Energienetz 1 angebunden ist. Energieerzeugungseinheiten sind beispielsweise Photovol- taikanlagen, Windturbinen, Stirling-Motoren sowie sogenannte CHP-Anlagen (CHP = Combined Heat and Power) . CHP-Anlagen kön- nen Energie, z. B. basierend auf der Verbrennung von Diesel bzw. basierend auf der Verbrennung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen in Brennstoffzellen generieren. Energieverbrauchseinheiten sind insbesondere private Haushalte, ge¬ werbliche Verbraucher (wie Bürogebäude, öffentliche Bäder und dergleichen) sowie industrielle Verbraucher. Gegebenfalls kann die elektrische Komponente auch eine kombinierte Ener¬ gieverbrauchs- und Energieerzeugungseinheit sein, welche so¬ wohl Energie verbraucht als auch (überschüssige) erzeugte Energie in dem Energienetz bereit stellt.
Speicher in Netzen können Energie speichern oder puffern. Batterien oder generell elektrische Energiespeicher können dabei sowohl als Verbraucher als auch als Energieerzeuger dienen. Sie übernehmen je nach Anwendungsszenario oder Netz- zustand beide Rollen.
Im Idealfall liegt in dem dreiphasigen Energienetz 1 eine symmetrische Belastung der drei Außenleiter LI, L2, L3 bzw. Phasen gegenüber dem Neutralleiter N vor. Dies bedeutet, im Idealfall ist die zwischen einem jeweiligen Außenleiter LI, L2, L3 und dem Neutralleiter N anliegende Spannung gleich groß. Eine ungleichmäßige Spannungsverteilung wird als Pha¬ senasymmetrie bezeichnet, welche durch eine (stark) unter¬ schiedliche Belastung der drei Phasen des Energienetzes ge- kennzeichnet ist. Mögliche, durch eine solche Phasenasymmet¬ rie hervorgerufene, Fehler sind beispielsweise die Sättigung von Verteilnetztransformatoren des Energienetzes, die Überlastung von Kabelverbindungen und die Abschaltung einzelner Komponenten durch eine Toleranzband-Überschreitung der zwischen einem der Außenleiter LI, L2, L3 und dem Neutralleiter N herrschenden Spannung. Um eine solche Phasenasymmetrie nicht auftreten zu lassen oder eine existierende Phasenasymmetrie zu reduzieren, um- fasst die Steuervorrichtung 10 ein steuerbares Schaltelement 13. Weiterhin umfasst die Steuervorrichtung 10 eine Steuereinheit 14, eine Spannungsmesseinrichtung 15, eine Strommess- einrichtung 16 sowie eine optionale Kommunikationseinrich- tungseinheit 17. Mittels der Spannungsmesseinrichtung 15 erfolgt eine Spannungsmessung eines jeweiligen Außenleiters LI, L2, L3 gegenüber dem Neutralleiter N zur Ermittlung der jeweiligen Phasenspannungen. Die Spannungsmessung erfolgt dem- gemäß auf der dem zweiten Anschluss 12 zugewandten Seite des Schaltelements 13. Die Strommesseinrichtung ist zwischen dem Schaltelement 13 und der elektrischen Komponente 20 vorgese¬ hen und erfasst den von der elektrischen Komponente erzeugten und in das Energienetz 1 eingespeisten oder den aus dem Ener- gienetz 1 bezogenen Strom. Alternativ kann die Strommesseinrichtung auch im Neutralleiter vorgesehen sein. Anhand der von der Spannungs- und/oder Strommesseinrichtungen 15, 16 ermittelten Größen erfolgt eine Steuerung der Schaltstellung des Schaltelements 13.
In einer alternativen Variante könnte die Messung der Phasenspannungen, d.h. der Spannung eines jeweiligen Außenleiters LI, L2, L3 gegenüber dem Neutralleiter N und/oder eine Erfassung der jeweiligen Phasenströme, d.h. der in einem jeweili- gen Außenleiter LI fließenden Ströme, auch außerhalb der Steuervorrichtung 10 erfolgen. In diesem Fall können die Messwerte der Steuervorrichtung von den externen Messeinrichtungen zur Verfügung gestellt werden. Anhand der ermittelten Messgrößen kann eine (lokale) Belastung der jeweiligen Außenleiter LI, L2, L3 des Energienetzes ermittelt werden. In Abhängigkeit der Belastung der Außenlei¬ ter LI, L2, L3 wird ein Steuersignal für das Schaltelement 13 durch die Steuereinheit 14 erzeugt, welches die elektrische Komponente 20 selektiv mit einem der Außenleiter LI, L2, L3 verbindet . Ist die elektrische Komponente eine Energieerzeugungseinheit, so erfolgt die Verbindung mit demjenigen Außenleiter LI, L2, L3, welcher die kleinste Spannung gegenüber dem Neutralleiter N aufweist. Bezieht die elektrische Komponente 20 Strom aus dem dreiphasigen Energienetz 1, so wird die elektrische Kom- ponente 20 mit demjenigen Außenleiter LI, L2, L3 verbunden, welcher die größte Spannung gegenüber dem Neutralleiter N des Energienetzes aufweist. Ob die elektrische Komponente 20 mit dem Außenleiter mit der höchsten Spannung oder dem Außenleiter mit der niedrigsten Spannung verbunden werden muss, kann anhand der Detektion der Stromrichtung ermittelt werden.
Hierdurch kann eine Steuerung der Belastung der Phasen des dreiphasigen Energienetzes 1 erfolgen. Präventiv können somit Phasenasymmetrien vermieden werden. Bestehen bereits Phasenasymmetrien in dem dreiphasigen Energienetz, so können diese mittels der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung verringert werden. Dabei ist der Effekt umso größer, je größer die Anzahl der über eine jeweilige erfindungsgemäße Steuervorrich¬ tung angeschlossenen Komponenten 20 ist. Prinzipiell ist ein Wechsel der Phase während des Betriebs der elektrischen Komponente 20 möglich. Hierbei ist es zweckmäßig, den Phasenwechsel in Abhängigkeit eines durch die Strommesseinrichtung 16 detektierten Stroms vorzunehmen. Insbesondere sollte eine Umschaltung der Phase lediglich dann erfolgen, wenn der in das Energienetz 1 eingespeiste oder aus dem Energienetz 1 entnommene Strom unterhalb einer vorgegebe¬ nen Schwelle liegt. Hierdurch kann ein lastarmes bzw. last¬ freies Schalten ermöglicht werden. Weiterhin ist es zweckmä¬ ßig, wenn in der Steuereinheit 14 eine Hysteresekurve für. die Spannung hinterlegt ist. Die Hysterese wird für das Um¬ schaltkriterium der Netzspannung gewählt, um ggf. eine Sperrung des Phasenwechsels für eine definierte Zeit nach dem Um¬ schalten festzulegen. Ansonsten könnte die Situation eintre- ten, dass eine Energieerzeugende Komponente, z. B. eine PV- Anlage, nach dem Einschalten die Spannung so weit anhebt, dass sofort die Phase wieder gewechselt würde. Hierdurch kön¬ nen - sofern die Phasenasymmetrie um das Umschaltkriterium herum pendelt - übermäßig häufige Phasenwechsel vermieden werden .
Die Strommessung dient primär der Detektion, ob die Komponente ein Energieerzeuger oder ein Energieverbraucher ist. Diese Information wird für die Wahl der „richtigen" Phase herangezogen, wie nachfolgendes Beispiel illustriert. In eine Haus¬ haltssteckdose können unterschiedliche Verbraucher einge¬ steckt werden, wobei die Strommessung zur Freigabe des Pha¬ senwechsels verwendet.
1. Als Komponente 20 wird ein Wasserkocher in die Steckdose eingesteckt .
2. Die als Umschalter dienende Steuervorrichtung 10 schaltet auf die Phase mit der niedrigsten Spannung.
3. Die Komponente 20 wird als Energieverbraucher erkannt. 4. Es erfolgt ein erneuter Phasenwechsel auf die Phase mit der höchsten Spannung.
5. Schaltet sich der Wasserkocher ab (Stromfluss ~ 0A) wird das Umschalten auf eine andere Phase wieder freigegeben.
6. Der Umschalter schaltet sich z. B. auf die Phase mit der aktuell höchsten Spannung und wartet auf einen Stromfluss.
7. Sollte der Wasserkocher erneut eingeschaltet werden oder ein anderer Energieverbraucher an die Steckdose angeschlossen werden, ist die Phase richtig gewählt, ansonsten er¬ folgt der Phasenwechsel und es wird ein Erzeuger als letzte Komponente gespeichert.
In diesem Beispiel wird die Information der zuletzt betriebe¬ nen Komponenten für aktuelle Schalterstellung herangezogen. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn der Wechsel eines Außen¬ leiters in Abhängigkeit eines aktuellen Wirkungsgrades der elektrischen Komponente 20 vorgenommen wird. Wird die elekt¬ rische Komponente 20 beispielsweise mit einem hohen Wirkungs- grad betrieben, so ist ein Phasenwechsel unter Umständen nicht zweckmäßig. Zu Zeiten, zu denen die elektrische Kompo¬ nente 20 jedoch mit geringem Wirkungsgrad betrieben wird, kann ein Phasenwechsel problemlos durchgeführt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn ein Schwellwert für den Wirkungsgrad in der Steuervorrichtung hinterlegt ist. Es versteht sich, dass in dieser Ausgestaltungsvariante die Steuervorrichtung 14 über entsprechende Mittel verfügt, welche entweder den Wirkungsgrad der elektrischen Komponente ermitteln oder die Steuervorrichtung eine entsprechende Information erhält. Die Information kann dabei über eine Kommunikationsverbindung KV einer Kommunikationseinrichtung von der elektrischen Komponente 20 an die Kommunikationseinheit 17 der Steuervorrich¬ tung 14 übermittelt werden. Ebenso kann die Wirkungsgradin- formation von einer übergeordneten Instanz der Steuereinheit 14 zur Verfügung gestellt sein.
In einer Alternative kann vorgesehen sein, eine Phasenum- schaltung während eines Stand-By-Betriebs der elektrischen Komponente vorzunehmen. Zwar hat eine Phasenumschaltung während eines Stand-By-Betriebs der elektrischen Komponente kei¬ ne unmittelbare Auswirkung auf eine eventuelle Phasenunsym¬ metrie in dem dreiphasigen Energienetz. Hierdurch kann jedoch präventiv bereits für ein späteres Anschalten der elektri- sehen Komponente diese mit der geeigneten Phase bzw. dem ge¬ eigneten Außenleiter verbunden werden.
Es ist weiterhin zweckmäßig, bei einem Phasenwechsel die Trägheit von Energienetz und elektrischer Komponente zu be- rücksichtigen. Dies bedeutet, der Wechsel der Einspeisung von einem Außenleiter zu einem anderen Außenleiter erfolgt nicht instantan, da es hierbei zu einer Schwingung und einer Instabilität des Gesamtsystems kommen könnte. Insbesondere bei so¬ genannten netzgeführten Komponenten, bei denen die Frequenzen der elektrischen Komponente und des dreiphasigen Energienet¬ zes aneinander angeglichen sein müssen, ist es zweckmäßig, die elektrische Komponente eine vorgegebene Zeit vom Energie¬ netz zu trennen, um anschließend erneut eine Netzsynchroni- sierung durchzuführen. Beispielsweise kann dies bei als
Blockheizkraftwerken oder Photovoltaik-Anlagen ausgebildeten elektrischen Komponenten 20 vorgesehen sein. Würde eine netzgeführte elektrische Komponente 20 ohne Netzsynchronisierung an das Energienetz 1 angeschlossen werden, würden Ausgleichströme fließen, welche die Phasenasymmetrie weiter ver¬ schlechtern könnten.
Dabei wird eine Priorisierung der einzelnen angeschlossenen Komponenten durchgeführt. So werden Komponenten wie z. B. eine PV-Anlage oder ein BHKW im Betrieb, d.h. unter Last, nur ungern vom Netz getrennt, um für sie eine Phasenumschaltung durchzuführen. Bevorzugt werden leicht regelbare und auch kurzfristig abschaltbare Komponenten (Beispiel: Wasserkocher) den Phasenwechsel vornehmen. Hierzu gehören flexible Lasten und evtl. auch elektrische / elektrochemische Energiespei¬ cher .
Das Vorhandensein der in Fig. 1 dargestellten Kommunikations- Verbindung KV mit entsprechenden Kommunikationseinrichtungen ermöglicht es, eine Netzsynchronisiereinrichtung in der elektrischen Komponente 20 auch über eine bevorstehende Um- schaltung der Phase zu informieren. Hierdurch ist es möglich, einen kurzfristigen Phasenwechsel vorzunehmen, da die elekt- rische Komponente 20 schneller an das Energienetz 1 ange¬ schlossen werden kann.
Bei Energieerzeugungseinheiten, welche über eine Netzsynchronisiereinrichtung verfügen, ist es darüber hinaus zweckmäßig, der Steuereinheit 14 übergeordnete Steuerung eine möglichst hohe Betriebsstundenzahl ohne Phasenwechsel zu erreichen. Eine solche übergeordnete Steuerung kann die Kenntnis über Leistungsflüsse im gesamten Energienetz vorteilhaft für einen selektiven Phasenanschluss nutzen. Dies ist insbesondere des- halb von Vorteil, da jeder Synchronisiervorgang mehrere Sekunden dauern kann, wodurch beispielsweise bei einer Energieerzeugungseinheit die Zeiten der Energieeinspeisung verkürzt würden. Eine solche übergeordnete Steuerung kann phasenspezi- fisch mittels des in der WO 2009/040140 AI beschriebenen Agentenbasierten Handelsmechanismus erfolgen. Der Offenbarungsinhalt dieser Schrift wird durch Bezugnahme in die vor¬ liegende Anmeldung aufgenommen.
In einem solchen Agentenbasierten Energienetz ist eine Mehrzahl von einzelnen Agenten vorgesehen, welche jeweils einer Energieerzeugungs- und/oder Energieverbrauchseinheit bzw. ei¬ ner Steuervorrichtung in dem Netz zugeordnet sind. Das Ener- gienetz verteilt die erzeugte bzw. verbrauchte Energie gleichmäßig innerhalb des Energienetzes. Die Randbedingungen dieser selbstorganisierenden Energieverteilung bestehen hierbei darin, dass zum einen die Spannung und die Frequenz der bereitgestellten Energie konstant gehalten werden soll und zum anderen ein Betrieb des Netzes autonom möglich sein soll. Die Agenten sind untereinander derart vernetzt, dass jeder Agent mit einem anderen Agenten kommunizieren, d.h. entsprechende Informationen austauschen, kann. Darüber hinaus kann eine zentrale lokale Energieaustauscheinheit vorgesehen sein, auf welche jeder der Agenten zugreifen kann. Die Verteilung der Energie in dem Energienetz erfolgt im Wesentlichen marktbasiert danach, dass die einzelnen Agenten untereinander bzw. unter Zwischenschaltung der lokalen Energie-Austausch-Einheit ihre benötigte bzw. überschüssige Energie als Handelsgut be- reitstellen und basierend darauf monetäre Transaktionen durchführen. Die lokale Energie-Austausch-Einheit stellt so¬ mit im Wesentlichen eine Vermittlungseinheit von Angebot und Nachfrage der einzelnen Agenten dar, welche Energie für Geld kaufen bzw. verkaufen. Erfindungsgemäß erfolgt der Handel hierbei phasenspezifisch.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 umfasst die Steuervorrichtung über die bereits beschriebenen Komponenten hinaus zwei Umrichter 18, 19. Die Umrichter sind dabei über ihren Gleichspannungskreis miteinander gekoppelt. Es ist ein Kondensator 18' an einem Spannungszwischenkreis vorgesehen sein, welcher für die Glättung von Rippel-Strom sorgt. Der Umrichter 19 ist über den ersten Anschluss 11 mit der elekt- rischen Komponente 20 gekoppelt. Die elektrische Komponente 20 kann dabei nicht nur, wie im Vorangegangen Ausführungsbei¬ spiel, eine einphasige Energieerzeugungs- und/oder Energie¬ verbrauchseinheit, sondern auch eine dreiphasige Komponente sein. Der Umrichter 18 ist über den zweiten Anschluss 12 mit den drei Außenleitern bzw. Phasen LI, L2, L3 und dem Neutralleiter N verbunden. Die Spannungsmesseinrichtung 15 und die Strommesseinrichtung 16 sind zwischen dem Umrichter 18 und dem zweiten Anschluss 12 vorgesehen. Im Gegensatz zum Ausfüh- rungsbeispiel in Fig. 1 wird der Strom, da auf Seiten des zweiten Anschlusses angeordnet, in jeder Phase ermittelt.
Mittels der zwei miteinander gekoppelten Umrichter 18, 19 kann eine variable, phasenspezifische Leistungseinspeisung bzw. Entnahme erfolgen. Insbesondere, ist es möglich aus ein¬ zelnen Phasen unterschiedliche Leistung zu beziehen. Darüber hinaus besteht eine größere Flexibilität hinsichtlich der An¬ passung an die Spannung und Frequenz des Energienetzes 1. Eine eventuelle Inkompatibilität hinsichtlich Frequenz und Spannung kann durch die beiden Umrichter 18 und 19 kompensiert werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit, elektrische Komponenten mit anderen Netzanschlussparametern als das Energienetz aufweist an dieses anzuschließen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Phasenumschaltung ohne Abschal- tung der elektrischen Komponente 20 möglich ist. Über eine entsprechende Regelung kann darüber hinaus der coscp des netz- seitigen Umrichters 18 vorgegeben werden. Somit ist auch eine Blindleistungskompensation möglich . Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann in einer Vielzahl von unterschiedlichen Szenarien zum Einsatz kommen.
Beispiel 1 In einem Wohngebiet ist eine Vielzahl kleiner Photovoltaik- Anlagen einphasig an den Außenleiter LI des dreiphasigen Energienetzes angeschlossen. In der Mittagszeit kommt es an sonnigen Tagen zu einer gleichzeitigen starken Leistungsein- Speisung in den Außenleiter LI. In Folge dessen entsteht eine unsymmetrische Belastung eines Verteilnetztrafos des Energie¬ netzes, welche zum Abschalten einzelner Photovoltaik- Wechselrichter durch die Spannungsüberhöhung an dem Außenlei- ter LI führt. Unter Verwendung der beschriebenen Steuervorrichtung ist es möglich, die Einspeisung der Photovoltaik- Anlagen je nach Belastung der Phasen des Energienetzes, auf unterschiedliche Außenleiter LI, L2, L3 zu legen. Ebenso können mehrere Verbraucher an denjenigen Außenleiter angeschlos- sen werden, welcher die höchste Spannung aufweist.
Beispiel 2
Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist elektrisch in Reihe zu einem FI-Schutzschalter angeschlossen. Damit wird ein Wechsel der Phase eines gesamten einphasig an einen Au¬ ßenleiter des Energienetzes angeschlossenen Bereichs eines Hauses möglich. Zweckmäßigerweise erfolgt eine Kommunikation zwischen der Steuervorrichtung und den an diesen Bereich an- geschlossenen „intelligenten" Komponente (n) , die einen Phasenwechsel unterbindet, wenn die „intelligente" Komponente (n) an das Energienetz angeschlossen sind. Dies ist beispielswei¬ se bei PCs, Fernsehern usw. sinnvoll, deren Funktion durch einen Phasenwechsel unterbrochen werden könnte. Der Phasen- Wechsel ist bei passiven Komponenten, wie z. B. Wasserko¬ chern, Kaffeemaschinen, Waschmaschinen ohne komplexe Steuerung usw., jederzeit erlaubt, auch wenn diese während des Phasenwechesels betrieben werden. Durch die Koordination von Energieverbrauchseinheiten und
Energieerzeugungseinheiten, die zur phasenspezifischen Leistungsaufnahme bzw. -Einspeisung befähigt sind, können die durch Phasenasymmetrien verursachten Probleme in dem Energienetz selbstständig reduziert werden. Wie bereits erläutert, erfolgt eine Koordination durch einen Agentenbasierten und phasenspezifischen Handel. Durch den Handelsmechanismus kann eine Problemlösung über Marktpreise sichergestellt werden. Gleichzeitig erfolgt die Problemlösung zu volkswirtschaftlich optimierten Kosten, da technische Maßnahmen dort getroffen werden, wo sie ökonomisch sinnvoll sind. Dies wird anhand der nachfolgenden Beispiele illustriert. Beispiel 3
In einem Wohngebiet ist eine Vielzahl kleiner Photovoltaik- Anlagen installiert, welche beispielhaft einphasig an den Au¬ ßenleiter LI angeschlossen sind. In Stunden mit starker Son- neneinstrahlung kommt es zu einer großen Leistungseinspeisung in diesen Außerleiter bzw. diese Phase. Andererseits sind elektrische Herde in den Wohnungen bzw. Häusern dreiphasig an das Energienetz angeschlossen und mit einer Leistungselektronik versehen, welche es erlaubt, aus dem Außenleiter LI eine verstärkte oder vollständige Leistungsentnahme vorzunehmen. Bei Realisierung eines agentenbasierten und phasenspezifischen Handels sinkt der Preis für Leistung aus der Phase LI in den Stunden starker Sonneneinstrahlung. Die den jeweiligen Steuervorrichtungen 10 bzw. den elektrischen Komponenten zu- geordneten Agenten registrieren dies und richten ihr Kaufverhalten entsprechend aus.
Beispiel 4 In einem Wohngebiet ist eine Vielzahl kleiner Photovoltaik- Anlagen einphasig an den Außenleiter LI angeschlossen. In Stunden mit starker Sonneneinstrahlung kommt es zu einer starken Leistungseinspeisung in diese Phase. Wärmepumpen in den Wohnhäusern des Wohngebiets sind einphasig an das Ener- gienetz angeschlossen und verfügen über eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung, welche die Auswahl der Phase ermöglicht. In einem agentenbasierten Energienetz mit phasenspezifischem Handel sinkt der Preis für die Leistung aus der Phase LI in den Stunden starker Sonneneinstrahlung. Die Agenten der Wär- mepumpen registrieren dies und richten ihr Kaufverhalten entsprechend aus . Beispiel 5
Eine große Photovoltaik-Anlage ist aus unbekannten Gründen am Außenleiter LI einphasig angeschlossen. Herkömmliche mit Überwachungsrelais ausgestatte Motoren für beispielsweise
Pumpen würden in diesem Teilnetzstrang des Energienetzes bei entsprechend ausgeprägter Phasensymmetrie außerplanmäßig ab¬ geschaltet. Beispielhaft soll sich in dem Teilnetzstrang auch ein Gewerbebetrieb mit Maschinen befinden, deren Elektromoto- ren zur phasenspezifischen Leistungsaufnahme mittels einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung fähig sind. Erfindungsgemäß sinkt der Preis für die Leistung aus der Phase LI in den Stunden starker Sonneneinstrahlung. Die den Elektromotoren des Gewerbebetriebs zugeordneten Agenten registrieren dies und richten ihr Kaufverhalten entsprechend aus.
Beispiel 6
Am Ende einer Stichleitung des Energienetzes sind Energieer- zeugungseinheiten einphasig angeschlossen. Herkömmliche, mit Überwachungsrelais ausgestattete Motoren für beispielsweise Pumpen würden in diesem Teilnetzstrang bei entsprechend ausgeprägter Phasenasymmetrie außerplanmäßig abgeschaltet. In dem Teilnetzstrang befindet sich zusätzlich ein Gewerbebe- trieb mit Maschinen, deren Elektromotoren mittels einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zur phasenspezifischen Leistungsaufnahme fähig sind. Erfindungsgemäß sinkt der Preis für Leistung aus der Phase LI in den Stunden starker Sonneneinstrahlung. Die den Elektromotoren der Maschinen des Gewer- bebetriebs zugeordneten Agenten registrieren dies und richten ihr Kaufverhalten entsprechend aus.
Beispiel 7 Energieerzeugungseinheiten, wie z. B. Blockheizkraftwerke, speisen üblicherweise dreiphasig in das Energienetz ein. Beim Auftreten von Phasenasymmetrien wird durch die variable phasenspezifische Einspeisung ein Beitrag zur Netzsymmetrierung geleistet, wenn einerseits das Blockheizkraftwerk über eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung an das Energienetz angebunden ist und andererseits der beschriebene Handelsmechanis¬ mus zum Einsatz kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes (1), insbesondere eines Nie- derspannungsnetzes , umfassend:
einen ersten Anschluss (11) für den Anschluss einer elektrischen Komponente (20), über den die Komponente (20) Strom aus dem dreiphasigen Energienetz beziehen oder in dieses einspeisen kann;
- einen zweiten Anschluss (12) für den Anschluss an Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes;
ein steuerbares Schaltelement (13), das den ersten An¬ schluss (11) in Abhängigkeit einer jeweiligen Belastung der Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energie- netzes (1) selektiv mit einem der Außenleiter (LI, L2,
L3) verbindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das steuerbare
Schaltelement (11) den ersten Anschluss (11) in Abhängigkeit eines durch eine Steuereinheit (14) erzeugten Steuersignals selektiv derart mit einem der Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes verbindet, dass
bei einem Strombezug der Komponente (20) eine Verbindung zu dem Außenleiter (LI, L2, L3) herstellbar ist, der die größte Spannung gegenüber einem Neutralleiter (N) des
Energienetzes aufweist; oder
bei einer Stromeinspeisung der Komponente (20) eine Verbindung zu demjenigen Außenleiter (LI, L2, L3) herstellbar ist, der die kleinste Spannung gegenüber dem Neut- ralleiter (N) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Vorrichtung eine Spannungsmesseinrichtung (15) umfasst, welche zur Ermittlung einer jeweiligen Spannung des Außenleiters (LI, L2, L3) gegenüber dem Neutralleiter (N) ausgebildet ist, welche der Steuereinheit (14) zur Erzeugung des Steuersignals zuführbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung eine Strommesseinrichtung (16) zur Messung des Stroms umfasst, mit der detektierbar ist, ob die Komponente (20) eine Energieverbrauchs- oder Energieerzeu- gungseinheit ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Steuereinheit (14) dazu ausgebildet ist, den gemessenen Strom mit einem Schwellwert zu vergleichen, wobei das Steuersignal zur Um- Schaltung der Phase dann erzeugt wird, wenn der gemessene Strom unterhalb des Schwellwerts ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der in der Steuereinheit (14) eine Hysteresekurve für die Spannung für die Um- Schaltung einer Phase hinterlegt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der diese eine Kommunikationseinheit (17) zum Datenaustausch mit einer Kommunikationseinheit der elektrischen Komponente (20) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Kommunikationseinheit (17) derart ausgestaltet ist, dass sie eine Netzsyn¬ chronisiereinrichtung in der Komponente (20) über eine bevor- stehende Phasenumschaltung benachrichtigt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die Steuereinheit (14) dazu ausgebildet ist, das Steuersignal in Abhängigkeit einer Information einer übergeordneten Steuerung zu erzeugen, welche Kenntnis über Leistungsflüsse in dem
Energienetz hat, um bei netzgeführten Komponenten eine möglichst hohe Betriebsstundenzahl ohne Phasenwechsel zu ermög¬ lichen .
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Komponente (20) über zwei mit ihren Gleichspannungs¬ kreisen gekoppelte Umrichter (19, 20) der Vorrichtung (10) mit dem dreiphasigen Energienetz (1) koppelbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Komponente (20) eine einphasige, elektrische Kompo¬ nente ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Komponente (20) eine dreiphasige elektrische Komponente ist, welche während ihres Betriebs die Außenleiter (LI, L2, L3) des Energienetzes unterschiedlich belastet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, bei der die Steuereinheit (14) dazu ausgebildet ist, das Steuersignal in Abhängigkeit einer Information eines der Vorrichtung zugeordneten Agenten zu erzeugen, wobei der Agent mit anderen Agenten in dem Energienetz kommunizieren kann, und wobei das Energienetz derart ausgestaltet ist, dass die Verteilung der Energie im Energienetz phasenspezifisch zumindest teilweise basierend auf zwischen den Agenten ausgehandelten monetären Transaktionen erfolgt.
14. Dreiphasiges Energienetz (1), insbesondere eines Nieder¬ spannungsnetzes, in dem zumindest eine elektrische Komponente (20) über eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche an die Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes (1) angeschlossen ist.
15. Verfahren zur Steuerung der Belastung der Phasen eines dreiphasigen Energienetzes (1), insbesondere eines Nieder¬ spannungsnetzes, mit dem zumindest eine elektrische Komponen- te (20) über eine Steuervorrichtung (10) elektrisch gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung (10) umfasst:
einen ersten Anschluss (11) für den Anschluss der elekt¬ rischen Komponente (20), über den die Komponente (20) Strom in das dreiphasige Energienetz beziehen oder ein- speisen kann,
einen zweiten Anschluss (12) für den Anschluss an die Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes; und ein steuerbares Schaltelement (13);
bei dem das steuerbare Schaltelement (13) den ersten An- schluss (11) in Abhängigkeit einer jeweiligen Belastung der Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes (1) selektiv mit einem der Außenleiter (LI, L2, L3) verbindet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das steuerbare
Schaltelement (13) den ersten Anschluss (12) in Abhängigkeit eines durch eine Steuereinheit (14) erzeugten Steuersignals selektiv derart mit einem der Außenleiter (LI, L2, L3) des dreiphasigen Energienetzes verbindet, dass
bei einem Strombezug der Komponente (20) eine Verbindung zu dem Außenleiter (LI, L2, L3) hergestellt wird, der die größte Spannung gegenüber einem Neutralleiter (N) des Energienetzes aufweist; oder
bei einer Stromeinspeisung der Komponente (20) eine Verbindung zu demjenigen Außenleiter (LI, L2, L3) herstellt wird, der die kleinste Spannung gegenüber dem Neutral¬ leiter (N) aufweist.
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