WO2014000971A1 - Verfahren für den betrieb eines stromnetzes mit einem energiespeicher - Google Patents

Verfahren für den betrieb eines stromnetzes mit einem energiespeicher Download PDF

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WO2014000971A1
WO2014000971A1 PCT/EP2013/060234 EP2013060234W WO2014000971A1 WO 2014000971 A1 WO2014000971 A1 WO 2014000971A1 EP 2013060234 W EP2013060234 W EP 2013060234W WO 2014000971 A1 WO2014000971 A1 WO 2014000971A1
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energy
operating state
memory
operating
absorb
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PCT/EP2013/060234
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Most
Paul Theo Pilgram
Jacob Johan Rabbers
Wolfgang Weydanz
Philipp Wolfrum
Holger WOLFSCHMIDT
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—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
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a power grid, comprising electrical energy consumers, electrical energy suppliers and buffering electrochemical storage devices configured to receive and dispense energy.
  • Such buffers serve as balancing and control elements.
  • An example of such buffers in power grids are electrochemical memories in the form of rechargeable batteries.
  • Electrochemical storage devices can be designed as batteries based on a lithium-ion system, which can be used in power grids as a rapidly balancing buffer, but also as a stabilizer for frequency stabilization. Lithium-ion systems are characterized by the fact that all individual cell voltages of the single cells connected in series are recorded and controlled. By means of a monitoring device, compliance with limit values for current and temperature of the battery is monitored.
  • an electrochemical storage is monitored by means of a controller which abruptly switches off the storage when a safety-critical parameter is exceeded.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for the operation of a power network, by which a sudden collapse is prevented by the shutdown of one or more electrochemical storage.
  • the decentralized Power network has a central, communicating with the electrochemical storage control device that selects a specific operating condition for each memory, a memory in a first operating condition can absorb and release energy unlimited, in a second operating state receive or release limited energy and in a third operating state can not absorb or release energy or can only absorb or release energy.
  • a plurality of operating states are provided, in which the memory or a controller associated with the memory is subject to restrictions, if necessary.
  • the first operating state of the memory can absorb or release unlimited energy.
  • the controller associated with the memory can operate freely and optimize the operation of the battery.
  • a second operating state of the memory can absorb or release limited energy.
  • This operating state exists when an operating parameter of a memory exceeds a specified limit. Basically, several different operating parameters of a memory can be monitored. As soon as at least one operating parameter exceeds a limit value assigned to it, a transition takes place from the first to the second operating state.
  • the operation of the memory is subject to restrictions in the second operating state, the operation is still possible, in particular a sudden shutdown of a memory is avoided, which also avoids disadvantages for the decentralized power supply.
  • the type and strength of the operating restrictions in the second operating state is usefully made dependent on which operating parameter has exceeded its limit value in what way. Only when further limits for the same parameter are exceeded, a transition from the second operating state to the third operating state takes place. This is followed by a limitation or shutdown of the memory. That is, the operation is limited to too low a state of charge or too low voltage to the extent that this can only absorb energy and at too high state of charge or high voltage can only deliver. When other parameters (eg the temperature) are exceeded, it is expedient to no longer absorb or release energy.
  • a message is sent from the memory to the higher-order control device.
  • the control device is also informed about a transition from the first to the second operating state.
  • the controller may redirect or distribute existing loads or take measures to relieve the battery that caused the message.
  • the message thus has the function of a warning and contains the information that a memory approaches a system limit.
  • the controller may then, for example, reduce the energy delivered or received by the corresponding memory so that operation of the memory may be maintained.
  • the aim is to transfer the memory again from the second operating range into the first operating range, in that unlimited operation is possible.
  • one of the monitored operating parameters is the current consumed by a memory.
  • the current is reduced and / or limited.
  • the reduction or limitation of the current takes place during the transition from the first to the second operating state in order to avoid a sudden switch-off of the memory when a parameter (third range) is reached.
  • This can also be done by the Relative control device to be provided for a discharge, for example, by this an existing power demand within the power network to other consumers or producers relocated, whereby the corresponding memory is relieved.
  • At least one of the following operating parameters of the electrochemical storage can be monitored: current, voltage, temperature, power, state of charge.
  • the invention relates to a decentralized power grid with decentralized energy consumers, decentralized energy suppliers and buffer serving as electrochemical storage, which are designed for receiving and delivering energy.
  • the distributed power grid is characterized in that it has a central, communicating with the electrochemical storage controller, which is adapted to select a particular operating condition for each memory, wherein a memory in the first operating state can absorb or release energy without restriction, can absorb or release energy in a restricted manner in a second operating state, and in a third operating state can not absorb or release energy or energy in one direction only, in order to return to the first two operating states.
  • Fig. 1 a decentralized power grid
  • FIG. 2 shows an exemplary space of operating parameters of an electrochemical store
  • Fig. 3-5 shows the timing of operating parameters in the operation of the decentralized power grid.
  • Fig. 1 shows a decentralized power grid 1 with several decentralized energy consumers 2, which are symbolically represented by squares and a plurality of decentralized energy suppliers 3, which are symbolically represented by circles.
  • energy consumers 2 are electrical machines, residential or factory buildings, in which electrical energy is consumed or the like.
  • decentralized energy suppliers 2 are photovoltaic systems that locally generate electricity and feed it into the decentralized power grid 1.
  • the power grid 1 has electrochemical storage 4, which are designed to receive and deliver energy.
  • the memory 4 are formed as a lithium-ion battery and are used for temporary storage of energy.
  • Part of the power grid 1 is also a control device 5, which is connected to the individual memories 4 via lines not shown.
  • the energy consumers 2 with the energy suppliers 3 and the Store 4 connected via line connections, not shown, in a known manner.
  • the control device 5 communicates with the individual memories 4 such that the memories 4 transmit information about specific operating parameters to the control device 5. Depending on these operating parameters, a specific operating state or mode of operation is selected for each memory, in which the memory can record or release energy indefinitely, only in one direction or not at all.
  • FIG. 2 shows schematically the parameter space of an operating parameter.
  • the parameters state of charge and temperature are considered.
  • the parameter current represents the controlled variable.
  • These two operating parameters are visualized in the two-dimensional representation of FIG. In principle, however, further or several operating parameters can be monitored and taken into account, resulting in a multi-dimensional parameter space.
  • the surface 6 shown in Fig. 2 includes the space in which a memory 4 can be operated in the first operating state.
  • the line 7 shows examples of possible value pairs that can take the two parameters shown.
  • one parameter Upon reaching point 8, one parameter has reached a limit. This means that the corresponding memory 4 is operated from now on in the second operating state in which it can absorb or release energy to a limited extent, that is to say that the current is limited in certain ranges.
  • the corresponding adaptation is made by a memory 4 associated control.
  • a message is transmitted to the higher-level control device 5, which is informed in this way about an approach of a memory 4 to system boundaries.
  • the control device 5 is thereby forewarned and can be a momentary
  • Adjust load profile for example by shifting existing loads to other memory.
  • Fig. 2 it is shown that the corresponding memory is controlled so that the Operating parameter that has reached the limit, does not increase further, at least not to the further limit. In the further course takes place at point 9, a renewed crossing of the boundary 6 instead.
  • the memory 4 is operated in the second operating state, that is to say it can only absorb or release energy to a limited extent.
  • the memory 4 associated control appropriate measures are taken, in the present case, the delivered power is reduced.
  • the line 7 again crosses the surface 6, after passing the point 10, the memory 4 is operated again in the first operating state and can absorb or release energy without restriction. In this case, the memory 4 can again record or deliver the systemic maximum current.
  • FIGS. 3 to 5 show the time profile of operating parameters during operation of the decentralized power grid.
  • Fig. 3 the time course of the cell voltage, the cell temperature and the current is shown.
  • the temperature or the cell voltage reaches the predetermined limit and there is an immediate shutdown of the current, the corresponding memory 4 thus goes from the first operating state to the third operating state.
  • a signal or a message is sent to the higher-order control device 5.
  • the memory 4 is initially operated in the first operating state and when the limit value 15 is exceeded in the second operating state.
  • the message sent to the control device 5 announces an imminent switch-off of the corresponding memory. Since no intervention takes place, the corresponding memory 4 is switched off when the point 16 is reached.
  • FIG. 5 shows the profile of the operating parameters in the method according to the invention.
  • an intervention in the operation takes place in order to reduce the current and / or the power.
  • FIG. 5 shows that the current is reduced when the limit value 17 is exceeded.
  • three actions are performed.
  • a pause will check the state of the memory again.
  • the current is reduced by ramps, the ramp being adapted to the respective operating state.
  • the memory is operated in the second operating state.
  • the relevant parameter is reduced to avoid reaching the hard-shut limit.
  • current status messages and interventions are sent to the controller associated with the memory 4, which is designed as intelligent battery management in order to achieve optimum utilization of the memory.
  • This regulation allows the continuation of the operation and does not lead to a hard shutdown.
  • a message is sent to the higher-level control device 5 of the power grid 1, so that the control device 5 can take into account the existing restriction.
  • a warning or an auxiliary request of the control 4 associated with the memory 4 can continue to be sent in good time to the higher-order control device 5, so that the load within the power system 1 can be rearranged in time. Waiting times, steepness of ramps, control speeds and messages or warnings to the control device 5 are adapted to the chemical properties of the memory used in order to achieve maximum usability.
  • the current is nonlinearly approximated to a previously determined limit value in a short regulation time.
  • This regulation enables a particularly efficient and soft adaptation of the maximum current.
  • a message with all the necessary parameters SOC (state of charge), temperature, voltage, current is sent to the higher-level control device, which in this way receives an accurate status image and can make a prediction for the respective electrochemical storage.
  • SOC state of charge
  • the gentle regulation and the versatile adaptation of the regulation of the maximum current result in a significant gain for use in a large power grid.
  • the control is operated separately for charging and discharging in order to take into account different boundary conditions. Accordingly, the voltage characteristic of an electrochemical memory, which is dependent on chemical properties, can be optimally reacted, and both the cell and the memory can be protected, and consumers are protected against severe power drops.
  • the temperature can also be used as a control parameter.
  • different temperature limits are used for charging and discharging a cell.
  • the discharge temperature may be higher than the charging temperature and may have a larger temperature range.
  • the control allows a distinction between charging and discharging, thus different border areas can be used. Similar to the regulation of the voltage and the SOC, an efficient and soft control takes place. If, for example, the first restriction is set at a limit of 5 - 10 ° C below the maximum permitted temperature, the gentle control allows a further operating range, which can be adapted and utilized by the special control approach.
  • the limited operating range can also be left again by choosing an appropriate power limitation in order to regain full performance. If the high load is not possible, the gentle control results in a tempera- course-sensitive power adjustment up to the limit temperature instead.
  • the separation of charging and discharging temperature limits results in a differentiated and selective control with regard to the temperature behavior. If necessary, the reduction of the electricity even leads to an immediate return to the unrestricted area and thus to the readiness of the decentralized power grid for upcoming high-performance applications.
  • the intelligent control provides that z. B. in the
  • the immediate shutdown as protection of the memory forces a shutdown of the battery load and temperature dependent z. B. in a state of charge of ⁇ 20% SOC by reaching the minimum voltage or a power reduction during charging, as well load and temperature-dependent, at a charge state of about> 80%, since the memory about from this limit changes into a constant voltage state of charge , So z. B. the SOC, in which the charging power or discharge capacity of the battery is reduced, are already at 80% when loading or at 20% when unloading. However, already at z. For example, 75-80% when charging and 20-25% SOC when sending a signal to the control unit assigned to the memory. This will then send a signal to the higher-level control device while the memory is still at full capacity.
  • a self-learning system based on fuzzy logic can also be used. This learns to behave proactively in certain behaviors and before reaching a limit, eg. B. a voltage threshold, already counter. In this context, a coupling with other information, such. B. possible with a weather forecast or a consumption forecast.
  • the protection function by power reduction provided in the method for the operation of the decentralized power supply system is intended to ensure that certain parameters such as voltage, temperature, state of charge and, if applicable, current run at most up to a warning range, the regulation takes place merely by reducing the charging or discharging current.
  • the regulation for the current is based solely on the fact that an absolute maximum current must never be exceeded, this can z. B. 25 amps in continuous operation. For a short pulse operation, the current z. B. 50 amps in the short term, z. B. for 100 seconds.
  • the current can be consciously regulated in stages, z. In terms of temperature. This is useful so that further heating of the cell / battery is avoided.
  • the maximum current that excludes further cell heating z. B. from measurements. From reaching the first limit can then z. B. this current can be specified as the maximum current.

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Abstract

Verfahren für den Betrieb eines Stromnetzes, mit elektrischen Energieverbrauchern, elektrischen Energielieferanten sowie als Puffer dienenden elektrochemischen Speichern, die zum Aufnehmen und Abgeben von Energie ausgebildet sind, wobei das Stromnetz eine zentrale, mit den elektrochemischen Speichern kommunizierende Steuerungseinrichtung aufweist, die einen bestimmten Betriebszustand für jeden Speicher auswählt, wobei ein Speicher in einem ersten Betriebszustand unbeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann, in einem zweiten Betriebszustand eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann und in einem dritten Betriebszustand keine Energie aufnehmen oder abgeben kann oder nur Energie aufnehmen oder abgeben kann.

Description

Beschreibung
VERFAHREN FÜR DEN BETRIEB EINES STROMNETZES M IT EINEM ENERGIESPEICHER Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb eines Stromnetzes, mit elektrischen Energieverbrauchern, elektrischen Energielieferanten sowie als Puffer dienenden elektrochemischen Speichern, die zum Aufnehmen und Abgeben von Energie ausgebildet sind.
Die Erzeugung von elektrischer Energie in dezentralen Stromnetzen beruht zunehmend auf einer Vielzahl von dezentralen Energielieferanten in Form von Generatoren kleiner und mittlerer Größe wie z. B. Photovoltaikanlagen und Windturbinen. Durch die zunehmende Anzahl dieser Energielieferanten bzw. Energieerzeuger findet derzeit ein Wechsel weg von großen, zentralen Energielieferanten bzw. Energieerzeugern hin zu einer Vielzahl dezentraler Energielieferanten statt, von denen die Energie ohne Zwischenschaltung eines zentralen Energie- versorgers an Energieverbraucher über Stromnetze verteilt wird .
Wegen der volatilen Erzeugung und den fehlenden rotierenden Massen und der fehlenden Kurzschlussleistung in diesen Gene- ratoren werden Ausgleichselemente benötigt, die Fluktuationen ausgleichen und Kurzschlussleistung bereitstellen können. Derartige Puffer dienen als Ausgleichs- und Regelelemente. Ein Beispiel für derartige Puffer in Stromnetzen sind elektrochemische Speicher in Form von wiederaufladbaren Batterien. Elektrochemische Speicher können als auf einem Lithium- Ionen- System basierende Batterien ausgebildet sein, die in Stromnetzen als schnell ausgleichender Puffer, aber auch als Stabilisator zur Frequenzstabilisierung benutzt werden können. Lithium- Ionen-Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass alle einzelnen ZellSpannungen der in Reihe angeschlossenen Einzelzellen erfasst und kontrolliert werden. Mittels einer Überwachungseinrichtung wird die Einhaltung von Grenzwerten für Strom und Temperatur der Batterie überwacht. Bei einer er- kannten Überschreitung der Grenzwerte erfolgt aus Sicherheitsgründen zwangsweise eine plötzliche Abschaltung des Speichers, was jedoch nachteilige Folgen für das Stromnetz und die daran angeschlossenen Verbraucher haben kann („hartes Trennen") . Obwohl derartige elektrochemische Speicher sich grundsätzlich sehr gut zum schnellen Aufnehmen und Abgeben von Energie eignen, kann ein plötzliches Abschalten zu einer Destabilisierung des Netzes bis zu dessen Komplettausfall führen. Ein plötzlicher Zusammenbruch kann auch Schäden bei den angeschlossenen Verbrauchern verursachen.
Bei derzeit üblichen, herkömmlichen dezentralen Stromnetzen wird ein elektrochemischer Speicher mittels einer Steuerung überwacht, die den Speicher bei Überschreitung eines sicher- heitskritischen Parameters schlagartig abschaltet. Mögliche
Auswirkungen auf das Stromnetz werden dabei nicht berücksichtigt. Solange die Leistung des abgeschalteten Speichers einen kritischen Anteil im dezentralen Stromnetz nicht überschreitet, kann ein Ausfall durch andere Energielieferanten oder Speicher kompensiert werden. Allerdings sind auch Betriebszu- stände möglich, bei denen mehrere oder viele derartige Speicher plötzlich abgeschaltet werden. Nicht nur, wenn die Leistung dieser Speicher einen signifikanten Anteil, an der gesamten in dem Stromnetz vorhandenen Kapazität darstellt, ist ihr verlässlicher Betrieb essentiell für die Stabilität des
Stromnetzes. Vielmehr wird der Speicher in Zukunft eine zentrale Rolle in der Bereitstellung von Regelleistung spielen. Deshalb muss seine Einsatzbereitschaft immer gewährleistet sein, unvorhergesehene Abschaltungen müssen daher weitgehend ausgeschlossen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für den Betrieb eines Stromnetzes anzugeben, durch das ein plötzlicher Zusammenbruch durch die Abschaltung eines oder mehrerer elektrochemischer Speicher verhindert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das dezentrale Stromnetz eine zentrale, mit den elektrochemischen Speichern kommunizierende Steuerungseinrichtung aufweist, die einen bestimmten Betriebszustand für jeden Speicher auswählt, wobei ein Speicher in einem ersten Betriebszustand unbeschränkt Energie aufnehmen und abgeben kann, in einem zweiten Betriebszustand eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann und in einem dritten Betriebszustand keine Energie aufnehmen oder abgeben kann oder nur Energie aufnehmen oder abgeben kann .
Um ein hartes Trennen eines oder mehrerer Speicher von dem Stromnetz zu vermeiden, sind erfindungsgemäß mehrere Be- triebszustände vorgesehen, in denen der Speicher bzw. eine dem Speicher zugeordnete Steuerung, gegebenenfalls Einschrän- kungen unterliegt. Im ersten Betriebszustand kann der Speicher unbeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben. Die dem Speicher zugeordnete Steuerung kann frei agieren und den Betrieb der Batterie optimieren. In einem zweiten Betriebszustand kann der Speicher eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben. Dieser Betriebszustand liegt dann vor, wenn ein Betriebsparameter eines Speichers einen festgelegten Grenzwert überschreitet. Grundsätzlich können mehrere unterschiedliche Betriebsparameter eines Speichers überwacht werden. Sobald wenigstens ein Betriebsparameter einen ihm zugeordneten Grenzwert überschreitet, findet ein Übergang vom ersten in den zweiten Betriebszustand statt. Der Betrieb des Speichers ist in dem zweiten Betriebszustand zwar Einschränkungen unterworfen, der Betrieb ist je- doch nach wie vor möglich, insbesondere wird ein plötzliches Abschalten eines Speichers vermieden, wodurch auch Nachteile für das dezentrale Stromnetz vermieden werden. Die Art und Stärke der Betriebseinschränkungen im zweiten Betriebszustand wird sinnvollerweise davon abhängig gemacht, welcher Be- triebsparameter seinen Grenzwert auf welche Weise überschritten hat . Erst wenn weitere Grenzwerte für den gleichen Parameter überschritten werden, findet ein Übergang vom zweiten Betriebszustand in den dritten Betriebszustand statt. Daraufhin erfolgt eine Limitierung bzw. Abschaltung des Speichers. Das heißt, der Betrieb ist bei zu geringem Ladezustand oder zu niedriger Spannung dahingehend eingeschränkt, dass dieser nur noch Energie aufnehmen und bei zu hohem Ladezustand bzw. hoher Spannung nur noch abgeben kann. Bei Überschreiten anderer Parameter (z. B. der Temperatur) kann sinnvollerweise keine Energie mehr aufgenommen oder abgegeben werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, dass bei Überschreitung eines festgelegten Grenzwerts eines Betriebsparameters eine Meldung von dem Speicher an die überge- ordnete Steuerungseinrichtung gesendet wird. Auf diese Weise wird die Steuerungseinrichtung auch über einen Übergang vom ersten zum zweiten Betriebszustand informiert. Somit kann die Steuerungseinrichtung vorhandene Lasten umleiten oder verteilen oder Maßnahmen vornehmen, um die Batterie, die die Mel- dung verursacht hat, zu entlasten. Die Meldung hat somit die Funktion einer Warnung und enthält die Information, dass ein Speicher sich einer Systemgrenze annähert. Die Steuerungseinrichtung kann dann beispielsweise die von dem entsprechenden Speicher abgegebene oder aufgenommene Energie reduzieren, so dass der Betrieb des Speichers aufrechterhalten werden kann. Dabei wird das Ziel verfolgt, den Speicher wieder von dem zweiten Betriebsbereich in den ersten Betriebsbereich zu überführen, indem ein unbeschränkter Betrieb möglich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es besonders bevorzugt, dass einer der überwachten Betriebsparameter der von einem Speicher aufgenommene oder abgegebene Strom ist. Bei Erreichen eines festgelegten Grenzwerts eines anderen Parameters wird der Strom reduziert und/oder begrenzt. Die Reduzie- rung oder Begrenzung des Stroms findet beim Übergang vom ersten in den zweiten Betriebszustand statt, um eine plötzliche Abschaltung des Speichers bei Erreichen eines Parameters (dritter Bereich) zu vermeiden. Dazu kann auch durch die übergeordnete Steuerungseinrichtung für eine Entlastung gesorgt werden, beispielsweise indem diese eine vorhandene Leistungsanforderung innerhalb des Stromnetzes auf andere Verbraucher oder Erzeuger umschichtet, wodurch der entspre- chende Speicher entlastet wird. Es ist jedoch auch möglich, den entsprechenden Speicher in dem zweiten Betriebszustand mit Einschränkungen weiter zu betreiben, zumindest zeitweise. Dies gibt Zeit, um andere Maßnahmen wie das Einschalten und Hochfahren weiterer Energieverbraucher oder Energielieferan- ten durchzuführen.
Erst wenn ein Betriebsparameter des Speichers einen weiteren Grenzwert überschreitet, so dass ein Übergang vom zweiten Betriebszustand in den dritten Betriebszustand stattfindet, er- folgt eine sofortige Abschaltung der Batterie, wodurch diese vom Stromnetz getrennt wird bzw. eine Beschränkung auf Laden oder Entladen, um in den zweiten bzw. ersten Bereich zurückzufahren. Da diese sofortige Abschaltung bzw. Einschränkung des Betriebsbereiches erst nach einer „Vorwarnung" durch Durchlaufen des zweiten Betriebszustands erfolgt, sind die
Nachteile geringer im Vergleich zu einem sofortigen Abschalten bzw. einer Einschränkung ohne Vorwarnung.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wenigstens einer der folgenden Betriebsparameter des elektrochemischen Speichers überwacht werden: Strom, Spannung, Temperatur, Leistung, Ladezustand.
Daneben betrifft die Erfindung ein dezentrales Stromnetz mit dezentralen Energieverbrauchern, dezentralen Energielieferanten sowie als Puffer dienenden elektrochemischen Speichern, die zum Aufnehmen und Abgeben von Energie ausgebildet sind.
Das dezentrale Stromnetz zeichnet sich dadurch aus, dass es eine zentrale, mit den elektrochemischen Speichern kommunizierende Steuerungseinrichtung aufweist, die zum Auswählen eines bestimmten Betriebszustands für jeden Speicher ausgebildet ist, wobei ein Speicher in dem ersten Betriebszustand unbeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann, in einem zweiten Betriebszustand eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann und in einem dritten Betriebszustand keine Energie bzw. Energie nur in eine Richtung aufnehmen oder abgeben kann, um in die ersten beiden Betriebszustände zurückzufahren .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 ein dezentrales Stromnetz;
Fig. 2 einen beispielhaften Raum von Betriebsparametern eines elektrochemischen Speichers;
Fig. 3-5 den zeitlichen Verlauf von Betriebsparametern bei dem Betrieb des dezentralen Stromnetzes.
Fig. 1 zeigt ein dezentrales Stromnetz 1 mit mehreren dezentralen Energieverbrauchern 2, die symbolisch durch Quadrate dargestellt sind sowie einer Vielzahl von dezentralen Energielieferanten 3, die symbolisch durch Kreise dargestellt sind. Beispiele für Energieverbraucher 2 sind elektrische Maschinen, Wohn- oder Fabrikgebäude, in denen elektrische Energie verbraucht wird oder dergleichen. Beispiele für dezentrale Energielieferanten 2 sind Photovoltaikanlagen, die lokal elektrischen Strom erzeugen und in das dezentrale Stromnetz 1 einspeisen. Zusätzlich weist das Stromnetz 1 elektrochemischen Speicher 4 auf, die zum Aufnehmen und Abgeben von Energie ausgebildet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Speicher 4 als Lithium- Ionen-Batterie ausgebildet und dienen zum temporären Speichern von Energie.
Bestandteil des Stromnetzes 1 ist darüber hinaus eine Steuerungseinrichtung 5, die mit den einzelnen Speichern 4 über nicht dargestellte Leitungen verbunden ist. Zusätzlich sind die Energieverbraucher 2 mit den Energielieferanten 3 und den Speichern 4 über nicht dargestellte Leitungsverbindungen in bekannter Art und Weise verbunden.
Die Steuerungseinrichtung 5 kommuniziert mit den einzelnen Speichern 4 derart, dass die Speicher 4 Informationen über bestimmte Betriebsparameter an die Steuerungseinrichtung 5 übermitteln. In Abhängigkeit dieser Betriebsparameter wird zu jedem Speicher ein bestimmter Betriebszustand bzw. Betriebsmodus ausgewählt, in dem der Speicher unbeschränkt, einge- schränkt, nur in eine Richtung oder überhaupt nicht Energie aufnehmen oder abgeben kann.
Fig. 2 zeigt schematisch den Parameterraum eines Betriebsparameters. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Parameter Ladezustand und Temperatur betrachtet. Der Parameter Strom stellt dabei die Regelgröße dar. Diese beiden Betriebsparameter werden in der zweidimensionalen Darstellung von Fig. 2 visualisiert . Grundsätzlich können jedoch weitere bzw. mehrere Betriebsparameter überwacht und berücksichtigt werden, so dass sich ein mehrdimensionaler Parameterraum ergibt. Die in Fig. 2 gezeigte Fläche 6, schließt den Raum ein, in dem ein Speicher 4 in dem ersten Betriebszustand betrieben werden kann. Die Linie 7 zeigt dabei beispielhaft mögliche Wertepaare, die die beiden dargestellten Parameter einnehmen können. Beim Erreichen des Punkts 8 hat ein Parameter einen Grenzwert erreicht. Das bedeutet, dass der entsprechende Speicher 4 von nun an in dem zweiten Betriebszustand betrieben wird, in dem er eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann, das heißt, dass der Strom in gewissen Bereichen limitiert ist. Die entsprechende Anpassung wird dabei von einer dem Speicher 4 zugeordneten Steuerung vorgenommen. Gleichzeitig wird eine Meldung an die übergeordnete Steuerungseinrichtung 5 übermittelt, die auf diese Weise über eine Annäherung eines Speichers 4 an Systemgrenzen informiert wird. Die Steuerungsein- richtung 5 ist dadurch vorgewarnt und kann ein momentanes
Lastprofil anpassen, beispielsweise durch Umlagerung vorhandener Lasten auf andere Speicher. In Fig. 2 ist dargestellt, dass der entsprechende Speicher so gesteuert wird, dass der Betriebsparameter, der den Grenzwert erreicht hat, nicht weiter ansteigt, zumindest nicht bis zum weiteren Grenzwert. Im weiteren Verlauf findet am Punkt 9 eine erneute Überschreitung der Grenze 6 statt. Von dort an wird der Speicher 4 in dem zweiten Betriebszustand betrieben, das heißt er kann nur noch eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben. Durch die den Speicher 4 zugeordnete Steuerung werden entsprechende Maßnahmen ergriffen, im vorliegenden Fall wird der gelieferte Strom reduziert. Anschließend kreuzt die Linie 7 wieder die Fläche 6, nach dem Passieren des Punkts 10 wird der Speicher 4 wieder in dem ersten Betriebszustand betrieben und kann unbeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben. In diesem Fall kann der Speicher 4 wieder den systemischen Maximalstrom aufnehmen oder abgeben.
Im weiteren Verlauf kommt es im Punkt 11 zu einer erneuten Überschreitung der Grenzen der Fläche 6, anschließend wird der Speicher 4 in dem zweiten Betriebszustand betrieben. Es erfolgt wiederum eine Warnung an die übergeordnete Steue- rungseinrichtung 5. Die dem Speicher 4 zugeordnete Steuerung reduziert wieder den Parameter, der die Überschreitung verursacht hat. Diese Aktion ist jedoch nicht (schnell genug) erfolgreich, so dass die Linie 7 im Punkt 12 die Grenzen der Flächen 13 erreicht. Die Fläche 13 stellt die Grenze zwischen dem zweiten Betriebszustand und dem dritten Betriebszustand dar. In dem dritten Betriebszustand erfolgt eine sofortige Abschaltung des Speichers 4, bzw. eine komplette Einschränkung in eine Richtung (Laden oder Entladen) , um eine Beschädigung zu vermeiden, beispielsweise um eine Überhitzung oder eine Überladung oder eine zu starke Entladung zu vermeiden.
Das Erreichen des zweiten Grenzwertes ist jedoch sehr unwahrscheinlich, da die Reduzierung bei Erreichen des ersten
Grenzwertes dies zumeist verhindern wird. Die Fig. 3 bis 5 zeigen den zeitlichen Verlauf von Betriebsparametern beim Betrieb des dezentralen Stromnetzes. In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Zellenspannung, der Zellentemperatur und des Stroms gezeigt. In dem Punkt 14 erreicht die Temperatur oder die Zellenspannung den vorgegebenen Grenzwert und es findet eine sofortige Abschaltung des Stroms statt, der entsprechende Speicher 4 geht somit von dem ersten Betriebszustand in den dritten Betriebszustand über. Um diese nachteilige sofortige Abschaltung zu vermeiden, ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 vorgesehen, dass beim Erreichen eines bestimmten Grenzwertes ein Signal oder eine Meldung an die übergeordnete Steuerungseinrichtung 5 gegeben wird. Der Speicher 4 wird zunächst in dem ersten Betriebszustand und bei Überschreiten des Grenzwerts 15 in dem zweiten Betriebszustand betrieben. Durch die an die Steuerungseinrichtung 5 gesendete Mitteilung wird ein bevorstehendes Ab- schalten des entsprechenden Speichers angekündigt. Da kein Eingriff erfolgt, wird der entsprechende Speicher 4 bei Erreichen des Punkts 16 abgeschaltet.
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Betriebsparameter bei dem erfin- dungsgemäßen Verfahren. Beim Erreichen eines Grenzwerts 17 erfolgt ein Eingriff in den Betrieb, um den Strom und/oder die Leistung zu reduzieren. In Fig. 5 ist dargestellt, dass der Strom bei Überschreiten des Grenzwerts 17 reduziert wird. Anschließend werden drei Aktionen durchgeführt. Durch eine Pause wird der Zustand des Speichers nochmals überprüft. Der Strom wird durch Rampen reduziert, wobei die Rampe an den jeweiligen Betriebszustand angepasst ist. Der Speicher wird dabei in dem zweiten Betriebszustand betrieben. Der betreffende Parameter wird reduziert, um ein Erreichen des Grenzwerts für das harte Abschalten zu vermeiden. Durch eine sekundengenaue Regelung wird ein direkter Eingriff in dem Speicher mit maximaler Nutzbarkeit erzeugt. Zusätzlich werden aktuelle Statusmeldungen und Eingriffe an die dem Speicher 4 zugeordnete Steuerung gesendet, die als intelligentes Batteriemanagement ausgebildet ist, um eine optimale Auslastung des Speichers zu erreichen. Diese Regelung erlaubt die Weiterführung des Betriebs und führt nicht zu einer harten Abschaltung. Dabei wird möglichst eine geregelte Rückkehr in den unbeschränkten ersten Betriebszustand angestrebt, in der der volle Strom bzw. die volle Leistung zur Verfügung steht. Während der Reduktion des Stroms oder der Leistung erfolgt eine Mitteilung an die übergeordnete Steuerungseinrichtung 5 des Stromnetzes 1 , so dass die Steuerungseinrichtung 5 die vorhandene Einschränkung berücksichtigen kann. Falls trotz möglicher Gegenmaßnahmen der dem Speicher 4 zugeordneten Steuerung ein Überschreiten des Grenzwerts zum dritten Betriebszustand zu erwarten ist, kann weiterhin rechtzeitig eine Warnung oder eine Hilfsanforderung der dem Speicher 4 zugeordneten Steuerung an die übergeordnete Steuerungseinrichtung 5 erfolgen, so dass die Last innerhalb des Stromnetzes 1 rechtzeitig umgeschichtet werden kann. Wartezeiten, Steilheit von Rampen, Regelgeschwindigkeiten und Meldungen oder Warnungen an die Steue- rungseinrichtung 5 sind an die chemischen Eigenschaften des verwendeten Speichers angepasst, um eine maximale Nutzbarkeit zu erreichen.
Das Verfahren für den Betrieb des dezentralen Stromnetzes wird nachfolgend noch näher erläutert. Beim Erreichen eines bestimmten Spannungswertes, z. B. 250 mV pro in Reihe geschalteter Zelle des elektrochemischen Speichers unterhalb oder oberhalb des festgelegten Grenzwerts wird der Strom weich zurückgeregelt. Die Spannung wird aus Sicherheitsgrünen präzise und zeitnah an jeder Einzelzelle des Speichers bestimmt. Dadurch wird ein weiterer Betrieb des elektrochemischen Speichers gewährleistet. Kritische Abschaltparameter für eine harte Abschaltung werden somit nicht erreicht. Da bedingt durch die Kennlinie des Speichers eine deutliche Än- derung der Spannung in Randbereichen auftritt, kann durch die Verwendung von Grenzwerten für die Spannung besonders effektiv geregelt werden. Dabei werden mehrere Spannungswerte mit unterschiedlichen Stromgrenzen belegt, so dass eine jeweils angemessene Regelung der Strombegrenzung erfolgen kann. Eine stufenweise bzw. kontinuierliche Leistungsreduktion führt zu mehreren Vorteilen beim Betrieb des Stromnetzes. Durch die Regelung wird der Strom in einer kurzen Regelzeit nichtlinear einem vorher bestimmten Grenzwert angenähert. Diese Regelung ermöglicht eine besonders effiziente und weiche Anpassung des Maximalstroms. Zusätzlich zur Regelung erfolgt eine Meldung mit allen notwendigen Parametern SOC (Ladezustand) , Temperatur, Spannung, Strom an die übergeordnete Steuerungseinrich- tung, die auf diese Weise ein genaues Zustandsbild erhält und eine Vorhersage für den jeweiligen elektrochemischen Speicher vornehmen kann. Durch die sanfte Regelung und die vielfältige Anpassung der Regelung des Maximalstroms erfolgt ein deutlicher Zugewinn für die Verwendung in einem großen Stromnetz . Die Regelung wird getrennt für Laden und Entladen betrieben, um auf diese Weise unterschiedliche Randbedingungen zu berücksichtigen. Dementsprechend kann auf die Spannungskennlinie eines elektrochemischen Speichers, die von chemischen Eigenschaften abhängig ist, optimal reagiert werden und sowohl die Zelle als auch der Speicher können geschützt werden, zudem werden Verbraucher vor harten Leistungseinbrüchen bewahrt .
Bei dem Verfahren für den Betrieb des Stromnetzes kann auch die Temperatur als Regelparameter verwendet werden. Dazu werden unterschiedliche Grenzwerte der Temperatur für das Laden und Entladen einer Zelle verwendet. Die Entladetemperatur kann dabei höher liegen als die Ladetemperatur und kann einen größeren Temperaturbereich haben. Die Steuerung erlaubt eine Unterscheidung zwischen Laden und Entladen, somit können verschiedene Grenzbereiche verwendet werden. Analog zur Regelung der Spannung und des SOC findet eine effiziente und weiche Regelung statt. Wenn beispielsweise als erste Einschränkung ein Grenzwert von 5 - 10 °C unterhalb der maximal erlaubten Temperatur angesetzt wird, ermöglicht die sanfte Regelung noch einen weiteren Betriebsbereich, der durch den speziellen Regelansatz angepasst und ausgenutzt werden kann. Durch die Kombination mit der übergeordneten Steuerungseinrichtung, die mit dem jeweiligen Speicher kommuniziert, kann der beschränk- te Betriebsbereich durch die Wahl einer passenden Leistungseinschränkung auch wieder verlassen werden, um wieder die volle Leistungsfähigkeit zu erhalten. Ist die hohe Belastung nicht möglich, findet durch die sanfte Regelung eine tempera- tursensitive Leistungsanpassung bis zur Grenztemperatur statt. Durch die Trennung von Lade- und Entladetemperatur- grenzen ergibt sich eine differenzierte und selektive Steuerung bezüglich des Temperaturverhaltens. Die Reduktion des Stroms führt gegebenenfalls sogar zu einer sofortigen Rückkehr in den unbeschränkten Bereich und somit bei anstehenden Hochleistungsanwendungen zur Bereitschaft des dezentralen Stromnetzes . Die intelligente Steuerung sieht vor, dass z. B. bei der
Überwachung des SOC bei Erreichen eines Grenzwerts, der vom Grenzwert für das sofortige Abschalten noch weit entfernt ist, eine Aktion eingeleitet wird. Die sofortige Abschaltung als Schutz des Speichers erzwingt ein Abschalten der Batterie last- und temperaturabhängig z. B. bei einem Ladezustand von < 20% SOC durch Erreichen der MinimalSpannung bzw. eine Leistungsreduktion beim Laden, ebenso last- und temperaturabhängig, bei einem Ladezustand von ca. > 80%, da der Speicher etwa ab dieser Grenze in einen Konstantspannungs-Ladezustand übergeht. So kann z. B. der SOC, bei dem die Ladeleistung bzw. Entladeleistung der Batterie reduziert wird, bereits bei 80% beim Laden bzw. bei 20% beim Entladen liegen. Jedoch kann schon vorher bei z. B. 75 - 80% beim Laden und bei einem SOC von 20 - 25% beim Entladen ein Signal an die dem Speicher zu- geordnete Steuereinheit gesendet werden. Diese wird dann bei noch voller Leistungsfähigkeit des Speichers ein Signal an die übergeordnete Steuerungseinrichtung senden.
Dadurch wird erreicht, dass der Speicher innerhalb des ersten Bereichs ohne Leistungsreduktion betrieben wird. Weiterhin wird der Speicher in dem ersten Bereich gehalten bzw. wieder in einen Betriebszustand überführt, in dem eine bevorzugte Ladung des Speichers (SOC < 20 - 25%) bzw. eine Entladung der Batterie (SOC > 75 - 80%) durchgeführt wird, um von dem zwei- ten Betriebszustand, in dem lediglich eingeschränkt Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann, wieder in den ersten Betriebszustand zu gelangen, in dem unbeschränkt Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann. Bei dem Verfahren für den Betrieb des dezentralen Stromnetzes kann auch ein selbstlernendes System verwendet werden, das auf Fuzzy-Logik basiert. Dieses lernt bei bestimmten Verhal- tensweisen vorausschauend zu agieren und vor Erreichen eines Grenzwerts, z. B. einer Spannungsschwelle, bereits gegenzusteuern. In diesem Zusammenhang ist auch eine Kopplung mit anderen Informationen, z. B. mit einer Wettervorhersage bzw. einer Verbrauchsvorhersage möglich.
Die bei dem Verfahren für den Betrieb des dezentralen Stromnetzes vorgesehene Schutzfunktion durch Leistungsreduzierung soll sicherstellen, dass bestimmte Parameter wie Spannung, Temperatur, Ladezustand und gegebenenfalls Strom höchstens bis in einen Warnbereich laufen, die Regelung erfolgt dabei lediglich durch Reduzierung des Lade- oder Entladestroms . Die Regelung für den Strom beruht lediglich darauf, dass ein absoluter Maximalstrom nie überschritten werden darf, dieser kann z. B. 25 Ampere im Dauerbetrieb betragen. Für einen kurzzeitigen Pulsbetrieb kann der Strom z. B. 50 Ampere kurzfristig, z. B. für 100 Sekunden, betragen.
Der Strom kann dabei bewusst in Stufen geregelt werden, z. B. in Bezug auf Temperatur. Dies ist sinnvoll, damit eine weite- re Erwärmung der Zelle/Batterie vermieden wird. Hier ist der maximale Strom, der eine weitere Zellenerwärmung ausschließt z. B. aus Messungen bekannt. Ab Erreichen des ersten Grenzwertes kann dann z. B. dieser Strom als Maximalstrom vorgegeben werden.
Für die anderen Parameter oder Messgrößen kann z. B. ein einheitlicher Mechanismus angewendet werden, der dem Fuzzy- Logik-Verfahren von Takagi und Sugeno verwandt ist. Zunächst wird geklärt, bei welchem Messwert frühestens der Strom Null sein muss und bei welchem Messwert spätestens der Maximalstrom erlaubt ist. Auch Datenpunkte zwischen diesen Extremwerten sind von Interesse. Normalerweise gelten unterschiedliche Werte für den Ladevorgang und den Entladevorgang, zudem hat der Strom ein umgekehrtes Vorzeichen. Durch diese Datenpunkte wird eine Ausgleichskurve gezogen, normalerweise kann eine Gerade gemäß der Gleichung y = ax + b durch die Datenpunkte gezogen werden. Dabei ist x ein Messwert und y die Stromgrenze. Wenn beliebige Punkte (xl; yl) und (x2 ; y2) auf der Geraden bekannt sind, lautet die Geradengleichung wie folgt : y = (x - xl) (y2 - yl)/(x2 - xl) + yl woraus sich die Parameter der Geraden für den zulässigen Maximalstrom ergeben: a = (y2 - yl)/(x2 - xl)
b = yl - axl
Für das Laden und das Entladen des elektrochemischen Speichers gibt es jeweils separate Paare (a; b) . Für jede der Messgrößen bzw. Betriebsparameter, den Strom ausgenommen, charakterisieren vier Geraden den Zusammenhang zwischen Messwert und Maximalstrom. Daraus ergibt sich ein trapezförmiger Messwertverlauf, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Zu jedem Zeitpunkt kann man die Messwerte erfassen (Strom, Spannung, Temperatur) oder errechnen (SOC) . Zudem kann festgestellt wer- den, ob ge- oder entladen werden soll. Der entsprechende Maximalstrom kann für jede Messgröße berechnet werden, wobei Ströme kleiner Null durch Null ersetzt werden. Weiterhin kann der niedrigste Wert für den Strom aus den berechneten maximalen Strömen und dem absoluten Maximalstrom ermittelt werden. Dazu wird lediglich geprüft, welche Messgröße diesen niedrigsten Wert erzwungen hat. Es besteht kein Handlungsbedarf, wenn der gemessene Strom unterhalb des Grenzstroms liegt. Andernfalls müssen Maßnahmen ergriffen werden, um den tatsächlich fließenden Strom auf den Grenzstrom zu limitieren. An- schließend wird der Strom mit einem festen Gradienten oder über eine feste Zeitspanne auf den neuen Zielwert eingeregelt . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Verfahren für den Betrieb eines Stromnetzes, mit elektrischen Energieverbrauchern, elektrischen Energielieferanten sowie als Puffer dienenden elektrochemischen Speichern, die zum Aufnehmen und Abgeben von Energie ausgebildet sind dadurch gekennzeichnet, dass das Stromnetz eine zentrale, mit den elektrochemischen Speichern kommunizierende Steuerungseinrichtung aufweist, die einen bestimmten Betriebszustand für jeden Speicher auswählt, wobei ein Speicher in einem ersten Betriebszustand unbeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann, in einem zweiten Betriebszustand eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann und in einem dritten Betriebszustand keine Energie aufnehmen oder abgeben kann oder nur Energie aufnehmen oder abgeben kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Betriebsparameter eines Speichers überwacht werden und bei Überschreitung eines festgelegten Grenzwerts eines Betriebsparameters ein Übergang vom ersten in den zweiten Betriebszustand stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines festgelegten Grenzwerts eines Betriebsparameters eine Meldung von dem Speicher an die Steuerungseinrichtung gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der überwachten Betriebsparameter der von einem Speicher aufgenommene oder abgegebene Strom ist, der bei Erreichen eines festgelegten Grenzwerts reduziert und/oder begrenzt wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines festgelegten Grenzwerts die über das Stromnetz zugeführte Leistung reduziert oder wenigstens ein Verbraucher zugeschaltet wird .
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebszustand der wenigstens eine Betriebsparameter so geregelt wird, dass der zweite Betriebszustand beibehalten oder der erste Betriebszustand wieder erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen des dritten Betriebszustands eine Trennung der Batterie vom Stromnetz erfolgt oder nur noch Energie aufgenommen oder abgegeben werden kann, wobei vorzugsweise zuvor eine Warnung von der Batterie an die Steuerungseinrichtung gesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der folgenden Betriebsparameter überwacht wird: Spannung, Temperatur, Leistung, Ladezustand und gegebenenfalls Strom.
Stromnetz mit Energieverbrauchern, Energielieferanten sowie als Puffer dienenden elektrochemischen Speichern, die zum Aufnehmen und Abgeben von Energie ausgebildet sind dadurch gekennzeichnet, dass das Stromnetz eine zentrale, mit den elektrochemischen Speichern kommunizierende Steuerungseinrichtung aufweist, die zum Auswählen eines bestimmten Betriebszustands für jeden Speicher ausgebildet ist, wobei ein Speicher in einem ersten Betriebszustand unbeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann, in einem zweiten Betriebszustand eingeschränkt Energie aufnehmen oder abgeben kann und in einem dritten Betriebszustand keine Energie aufnehmen oder abgeben kann oder nur Energie aufnehmen oder abgeben kann.
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