WO2014001055A2 - Verfahren und vorrichtung zur dezentralen regelung einer spannung in einem verteilnetz - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur dezentralen regelung einer spannung in einem verteilnetz Download PDF

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WO2014001055A2 PCT/EP2013/061682 EP2013061682W WO2014001055A2 WO 2014001055 A2 WO2014001055 A2 WO 2014001055A2 EP 2013061682 W EP2013061682 W EP 2013061682W WO 2014001055 A2 WO2014001055 A2 WO 2014001055A2
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Andrei Szabo
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for decentralized regulation of a voltage in a distribution network, which supplies voltage to nodes via power supply lines or power lines, in particular to a method and a device for decentralized regulation of a voltage in a low-voltage or local area network.
  • Reactive power is compared to an expansion of the
  • the invention accordingly provides a method of decentralized regulation of a voltage in a distribution network which supplies voltage to nodes via voltage supply lines, each having an integral voltage regulator which reduces a reactive power drawn by the node if a voltage of the distribution network locally present at the node is below one depending on the network topology of the distribution network preconfigured target voltage of the respective node is located, and which one of the node related
  • Reactive power increases, if that at the node local
  • preconfigured target voltage of the respective node is located.
  • the peculiarity of the method according to the invention lies in the determination of the preconfigured setpoint voltages for the various nodes of the distribution network. These nominal voltages are determined in advance for each node or each inverter of the distribution network specifically.
  • the setpoint voltages are calculated in such a way that when the permissible voltage at any node of the distribution network is exceeded, the voltages at all other nodes or inverters in the vicinity of the respective node are above their respective setpoint voltages, so that the nodes or the
  • the preconfigured setpoint voltage of the node is preconfigured such that an exceeding of a
  • Distribution network at the respective node causes.
  • the integral controller additionally reduces an active power fed in by the node, provided that the increase in the power consumed by the node
  • the integral controller additionally increases an active power obtained by the node, provided that the increase in the power consumed by the node
  • Reactive power is not sufficient to the permissible Mains voltage range within the distribution network to achieve.
  • a method according to the invention is a reduction of the reactive power obtained by the node by the
  • the integral voltage controller of the node is inhibited as soon as the reactive power drawn by the node is zero
  • Integral voltage controller of a node as manipulated variable, the reactive power obtained by the node as follows: where K t is a gain factor,
  • U i is the measured local voltage of the respective node and the preconfigured setpoint voltage of the respective node
  • Node stored in a local data store of the respective node Node stored in a local data store of the respective node.
  • the method according to the invention is preconfigured
  • Target voltage for each node of the distribution network is calculated centrally based on the network topology of the distribution network and at the node via a wireless or wired
  • Integral voltage regulator a DC / AC inverter of
  • the distribution network is formed by a low-voltage network which supplies voltage to nodes via voltage supply lines, which draw electricity as a consumer from the distribution network and / or as a generator in the electricity
  • the invention further provides an apparatus for a
  • the invention accordingly provides a device for a node for decentralized regulation of a voltage
  • Distribution network which supplies voltage to nodes via voltage supply lines, with
  • the device has a predetermined voltage of the respective node preconfigured by the network topology of the distribution network and which increases a reactive power drawn by the node, if such at the node locally existing voltage of the distribution network is above the preconfigured target voltage of the respective node.
  • the device has a predetermined voltage of the respective node preconfigured by the network topology of the distribution network and which increases a reactive power drawn by the node, if such at the node locally existing voltage of the distribution network is above the preconfigured target voltage of the respective node.
  • the device also has an interface for receiving the pre-configured for each node nominal voltage.
  • the device also has a DC / AC inverter, which by the
  • Integral voltage regulator of the device is driven.
  • the invention also provides a distribution network with in
  • Claim 14 specified characteristics.
  • the invention accordingly provides a distribution network which supplies voltage to nodes via voltage supply lines, wherein the nodes each have a node for decentralized
  • the device each includes an integral voltage regulator, which reduces a reactive power received by the node, if one locally present at the node
  • the distribution network is a low-voltage network.
  • the distribution network is a medium-voltage network.
  • Fig. 1 shows an example of a distribution network with several
  • FIG. 2 is a block diagram showing a node of a distribution network, in which a device for decentralized control of a voltage of
  • Distribution network is provided according to the invention.
  • Distribution network VN can be detected, the distribution network VN consists of a plurality of nodes KN, the over
  • Voltage supply lines are supplied with voltage.
  • the distribution network VN may be, for example, a low-voltage network or local area network.
  • nodes KN can draw electricity or energy from the distribution network VN as consumers and / or feed electricity or energy into the distribution network VN as producers.
  • each node KN ⁇ prevails a local voltage Ui, as shown in Fig. 1.
  • the variables Pi and Qi show the active or reactive power obtained by a node K i.
  • Each node KN shown in FIG. 1 can have an inverter to which, for example, a photovoltaic system can be connected.
  • each node KN preferably has one
  • Integral voltage regulator present in the node KN reduces a reactive power Q related to the respective node KN, if a locally existing voltage U of the distribution network VN at the node KN is below one depending on the network topology of the network
  • Distribution network VN preconfigured nominal voltage of the
  • Integral voltage regulator one of the node KN from the Distribution network VN related reactive power Q, if that at the
  • Target voltage of the respective node KN can be any value.
  • Node KN are calculated in advance for each node KN.
  • the nominal voltages of the various nodes are thereby
  • Distribution network VN voltages U j at all nodes KN j in the vicinity of the affected node KN ⁇ are above their respective nominal voltages.
  • Target voltages will be a coordination between the
  • each node of the distribution network VN is used not only for compliance with the allowable mains voltage range or voltage band to the respective node KN, but also for the Compliance with the permissible voltage band at the adjacent node KN j influenced by the respective node KN 1.
  • Network topology of distribution network VN It can be
  • the behavior of the distribution network VN can be further improved with the aid of the control method according to the invention.
  • Each node KN of the distribution network VN has a local integration controller I-R for compliance with a
  • the respectively provided in the node KN integration controller IR causes the node KN below the target voltage no reactive power Q refers or a maximum possible
  • the local integration controller IR take all necessary measures to maintain the voltage limit within the distribution network VN. The coordination of
  • decentralized integration controller I-R which are each provided in the node KN of the distribution network VN, via a suitable specification of the setpoint voltages has the advantage that no additional communication between the nodes KN is needed and thus no corresponding
  • the voltage U in the distribution network VN represents a physical quantity that can be quickly and reliably exchanged or measured between the nodes KN of the distribution network.
  • the integral controller I-R of a node additionally reduces an active power P fed in by the node, provided that the increase in the value obtained by the node KN
  • the integral calculator IR of the node KN can increase an active power P obtained through the node KN, provided that the increase in the reactive power Q obtained by the node KN is insufficient to allow the permissible mains voltage range [U min , U max ] within the distribution network VN to reach.
  • a reduction of the reactive power Q obtained by the node KN is prevented by the integral voltage regulator IR of the node KN as soon as the reactive power Q obtained by the node KN reaches the value zero. If the voltage U i at node KN ⁇ below the
  • Target voltage is in the inventive
  • U i is the measured local voltage of the respective node KNi and
  • the preconfigured setpoint voltage for each node KN of the distribution network VN is initially centralized
  • Fig. 2 shows a block diagram of a node KN within a distribution network VN, via a
  • Voltage control device UR for decentralized control of a voltage U within the distribution network VN has.
  • the node KN is, as shown in Fig. 2, with a
  • the distribution network VN is, for example, a
  • the node KN has a
  • Photovoltaic system PV which applies a direct current to a DC / AC inverter, which is connected to the mains connection NA through node KN.
  • the DC / AC inverter of the node KN is connected to the voltage regulating device UR as shown in FIG.
  • the voltage regulation device UR has an integral voltage regulator I-R.
  • Integral voltage regulator IR reduces a reactive power Q obtained by the node KN, if a voltage U of the distribution network VN locally present at the node KN is below a preconfigured setpoint voltage of the respective node KNi
  • Network topology of distribution network VN calculated and in one
  • Knot's KN is located. In that shown in Fig. 2
  • respective node KNi is stored, in addition via an interface INT for receiving the calculated for the respective node KNi preconfigured target voltage of one
  • This interface INT may be a wireless or wired interface.
  • the node KN has a DC / AC inverter capable of detecting the voltage U at the node KN.
  • the DC / AC inverter is able to obtain or supply a controllable amount of reactive power Q from the distribution network VN
  • Distribution network VN is first determined for each node KN a maximum voltage difference.
  • the I controller has an input variable, namely the voltage at the node KNi and two output variables, namely, on the one hand, the reactive power Q to be sourced and, on the other, the injected active power P.
  • Integration controller I-R is designed such that a
  • Integration controller IR cyclically following steps: 1. Reading in the current voltage U i (t) 2. Reading in the currently applied active power
  • the method according to the invention for decentralized regulation of a voltage in a distribution network VN is particularly robust and does not require any additional communication infrastructure between the various nodes KN of the distribution network VN in order to keep the voltage U within the distribution network VN within an admissible mains voltage range.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum dezentralen Regeln einer Spannung (U) in einem Verteilnetz (VN), das Knoten (KN) über Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt, die jeweils einen Integralspannungsregler (I-R) aufweisen, welcher eine von dem Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) verringert, falls eine an dem Knoten (KN) lokal vorhandene Spannung (Ui) des Verteilnetzes (VN) unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des Verteilnetzes vorkonfigurierte Sollspannung (Ui soll) des jeweiligen Knotens (KN) liegt, und welcher eine von dem Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) erhöht, falls die an dem Knoten (KN) lokal vorhandene Spannung (Ui) des Verteilnetzes (VN) oberhalb der vorkonfigurierten Sollspannung (Ui soll) des jeweiligen Knotens (KN) liegt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur dezentralen Regelung einer Spannung in einem Verteilnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dezentralen Regeln einer Spannung in einem Verteilnetz, das Knoten über Spannungsversorgungsleitungen bzw. Netzleitungen mit Spannung versorgt, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dezentralen Regeln einer Spannung in einem Niederspannungs- bzw. Ortsnetz.
Bei Verteilnetzen erfolgt zunehmend eine dezentrale
Energieerzeugung und Energieeinspeisung in das Verteilnetz an Knoten, die sowohl Energie verbrauchen als auch erzeugen. Die Verbraucher verfügen zunehmend über Photovoltaikanlagen zur dezentralen Erzeugung und Einkopplung von Energie in ein Verteilnetz. Aufgrund der dezentralen Einkopplung von Energie kann es zu Schwierigkeiten bei der Einhaltung eines
zulässigen Netzspannungsbereichs innerhalb des Verteilnetzes kommen. Neben einem Ausbau des betroffenen Verteilnetzes kann durch gezielten Bezug oder Einspeisung von Blindleistung und/oder durch Reduktion der Wirkleistung eine Abweichung von einem zulässigen Netzspannungsbereich vermieden werden. Die Veränderung der durch die Knoten bezogenen Wirk- oder
Blindleistung ist im Vergleich zu einem Ausbau des
betroffenen Verteilnetzes mit deutlich weniger Aufwand verbunden und zudem schneller realisierbar. Ein pauschaler Bezug von Blind- oder Wirkleistung durch
Knoten kann jedoch nicht erfolgen, da beide Maßnahmen direkt oder indirekt zu einem Verlust von Wirkleistung innerhalb des Verteilnetzes führen. Im Fall eines Blindleistungsbezugs wird zudem noch die angespannte Blindleistungsbilanz im
Verteilnetz belastet. Aus diesem Grunde dürfen diese
Maßnahmen nur dann zum Einsatz kommen, wenn sie zur
Einhaltung eines zulässigen Netzspannungsbereiches innerhalb des Verteilnetzes tatsächlich notwendig sind. Allerdings gibt es bei herkömmlichen Verteilnetzen keine zentrale Stelle, welche die verschiedenen Spannungsniveaus, die in dem
Verteilnetz herrschen, kennt. Somit ist eine zentrale
Bestimmung entsprechender Spannungssollwerte, beispielsweise für Blindleistungsbezug bzw. Wirkleistungsreduktion, nicht möglich. Eine dezentrale Berechnung von Spannungssollwerten an den verschiedenen Knoten bzw. Wechselrichtern ist insofern kritisch, da jeder Knoten nur seine lokale Spannung kennt und daher nicht sicher abschätzen kann, ob eine lokale Regelung in dem Verteilnetz an anderer Stelle zu einem
Spannungsproblem bzw. einem Abweichen von dem zulässigen Spannungsbereich führt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dezentralen Regeln einer Spannung in einem Verteilnetz zu schaffen, mit der die
Einhaltung eines zulässigen Netzspannungsbereichs an den Knoten des Verteilnetzes sichergestellt wird, ohne dass zwischen dem Knoten eine Kommunikationsinfrastruktur
bereitgestellt werden muss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum dezentralen Regeln einer Spannung in einem Verteilnetz, das Knoten über Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt, die jeweils einen Integralspannungsregler aufweisen, welcher eine von dem Knoten bezogene Blindleistung verringert, falls eine an dem Knoten lokal vorhandene Spannung des Verteilnetzes unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des Verteilnetzes vorkonfigurierte Sollspannung des jeweiligen Knotens liegt, und welcher eine von dem Knoten bezogene
Blindleistung erhöht, falls die an dem Knoten lokal
vorhandene Spannung des Verteilnetzes oberhalb der
vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen Knotens liegt.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Bestimmung der vorkonfigurierten Sollspannungen für die verschiedenen Knoten des Verteilnetzes. Diese Sollspannungen werden vorab für jeden Knoten bzw. jeden Wechselrichter des Verteilnetzes spezifisch ermittelt. Die Sollspannungen werden dabei derart berechnet, dass bei einem Überschreiten der zulässigen Spannung an irgendeinem Knoten des Verteilnetzes die Spannungen an allen anderen Knoten bzw. Wechselrichtern in der Umgebung des jeweiligen Knotens über deren jeweiligen Sollspannungen liegen, sodass die Knoten bzw. die
Wechselrichter in der Umgebung des jeweils betroffenen
Problemknotens so lange Blindleistung beziehen bzw. ihre Wirkleistung reduzieren, bis sie ihren spezifischen
Spannungssollwert erreicht haben. Hierdurch unterstützen die Wechselrichter bzw. Knoten in der Umgebung des betroffenen Problemknotens diesen Problemknoten bei der Einhaltung der zulässigen Spannung, ohne dass hierfür eine externe,
insbesondere echtzeitfähige, Kommunikationsinfrastruktur notwendig ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vorkonfigurierte Sollspannung des Knotens derart vorkonfiguriert, dass ein Überschreiten einer
Spannungsobergrenze eines zulässigen Netzspannungsbereichs innerhalb des Verteilnetzes an irgendeinem anderen Knoten des Verteilnetzes ein Überschreiten der vorkonfigurierten
Sollspannung durch die lokal vorhandene Spannung des
Verteilnetzes an dem jeweiligen Knoten hervorruft.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens verringert der Integralregler zusätzlich eine durch den Knoten eingespeiste Wirkleistung, sofern die Erhöhung der durch den Knoten bezogenen
Blindleistung nicht ausreichend ist, um den zulässigen
Netzspannungsbereich innerhalb des Verteilnetzes zu
erreichen . Bei einer möglichen Ausführungsform erhöht der Integralregler zusätzlich eine durch den Knoten bezogene Wirkleistung, sofern die Erhöhung der durch den Knoten bezogenen
Blindleistung nicht ausreichend ist, um den zulässigen Netzspannungsbereich innerhalb des Verteilnetzes zu erreichen .
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Verringerung der durch den Knoten bezogenen Blindleistung durch den
Integralspannungsregler des Knotens unterbunden, sobald die durch den Knoten bezogene Blindleistung den Wert null
erreicht .
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet der
Integralspannungsregler eines Knotens als Stellgröße die durch den Knoten bezogene Blindleistung wie folgt:
Figure imgf000006_0001
wobei Kt ein Verstärkungsfaktor,
Ui die gemessene lokale Spannung des jeweiligen Knotens und die vorkonfigurierte Sollspannung des jeweiligen Knotens
Figure imgf000006_0002
ist .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vorkonfigurierte Sollspannung eines
Knotens in einem lokalen Datenspeicher des jeweiligen Knotens gespeichert .
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vorkonfigurierte
Sollspannung für jeden Knoten des Verteilnetzes zentral auf Basis der Netzwerktopologie des Verteilnetzes berechnet und an den Knoten über eine drahtlose oder drahtgebundene
Schnittstelle übertragen. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens steuert der
Integralspannungsregler einen DC/AC-Wechselrichter des
Knotens zur Verringerung oder Erhöhung der durch den Knoten bezogenen Blindleistung und der von dem Knoten eingespeisten Wirkleistung .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verteilnetz durch ein Niederspannungsnetz gebildet, welches Knoten über Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt, die als Verbraucher Strom aus dem Verteilnetz beziehen und/oder als Erzeuger Strom in das
Verteilnetz einspeisen.
Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung für einen
Knoten zur dezentralen Regelung einer Spannung eines
Verteilnetzes mit den in Patentanspruch 8 angegebenen
Merkmalen .
Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung für einen Knoten zur dezentralen Regelung einer Spannung eines
Verteilnetzes, das Knoten über Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt, mit
einem Integralspannungsregler, der eine von dem Knoten bezogene Blindleistung verringert, falls eine an dem Knoten lokal vorhandene Spannung des Verteilnetzes unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des Verteilnetzes vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen Knotens liegt, und welcher eine von dem Knoten bezogene Blindleistung erhöht, falls die an dem Knoten lokal vorhandene Spannung des Verteilnetzes oberhalb der vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen Knotens liegt. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung einen
Konfigurationsdatenspeicher auf, in welchem die
vorkonfigurierte Sollspannung des jeweiligen Knotens
gespeichert ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung zudem eine Schnittstelle zum Empfang der für den jeweiligen Knoten vorkonfigurierten Sollspannung auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung zudem einen DC/AC-Wechselrichter auf, der durch den
Integralspannungsregler der Vorrichtung angesteuert wird.
Die Erfindung schafft zudem ein Verteilnetz mit den in
Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen. Die Erfindung schafft demnach ein Verteilnetz, welches Knoten über Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt, wobei die Knoten jeweils einen Knoten zur dezentralen
Regelung einer Spannung des Verteilnetzes aufweisen, wobei die Vorrichtung jeweils einen Integralspannungsregler enthält, der eine von dem Knoten bezogene Blindleistung verringert, falls eine an dem Knoten lokal vorhandene
Spannung des Verteilnetzes unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des Verteilnetzes vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen Knotens liegt, und welcher eine von dem Knoten bezogene Blindleistung erhöht, falls die an dem Knoten lokal vorhandene Spannung des Verteilnetzes oberhalb der vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen Knotens liegt. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilnetzes handelt es sich bei dem Verteilnetz um ein Niederspannungsnetz .
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilnetzes handelt es sich bei dem Verteilnetz um ein Mittelspannungsnetz .
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur dezentralen Regelung einer Spannung in einem Verteilnetz unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert:
Es zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für ein Verteilnetz mit mehreren
Knoten, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur dezentralen Regelung einer Spannung in dem Verteilnetz eingesetzt werden kann; Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Knotens eines Verteilnetzes, in dem eine Vorrichtung zur dezentralen Regelung einer Spannung des
Verteilnetzes gemäß der Erfindung vorgesehen ist.
Wie man aus dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel eines
Verteilnetzes VN erkennen kann, besteht das Verteilnetz VN aus einer Vielzahl von Knoten KN, die über
Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt werden. Bei dem Verteilnetz VN kann es sich beispielsweise um ein Niederspannungsnetz bzw. Ortsnetz handeln. Verschiedene
Knoten KN können dabei als Verbraucher Strom bzw. Energie aus dem Verteilnetz VN beziehen und/oder als Erzeuger Strom bzw. Energie in das Verteilnetz VN einspeisen. In jedem Knoten KN^ herrscht eine lokale Spannung Ui, wie in Fig. 1 dargestellt. Darüber hinaus zeigen die Größen Pi und Qi die durch einen Knoten K i bezogene Wirk- bzw. Blindleistung. Die in Fig. 1 in den Knoten KN angegebenen Größen
Figure imgf000009_0001
geben die zwischen den Knoten KN übertragenen Wirk- bzw.
Blindleistungen an. Jeder in Fig. 1 dargestellte Knoten KN kann einen Wechselrichter aufweisen, an dem beispielsweise eine Photovoltaikanlage angeschlossen sein kann. Darüber hinaus verfügt vorzugsweise jeder Knoten KN über einen
Integralspannungsregler. Der in dem Knoten KN vorhandene Integralspannungsregler verringert eine von dem jeweiligen Knoten KN bezogene Blindleistung Q, falls eine an dem Knoten KN lokal vorhandene Spannung U des Verteilnetzes VN unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des
Verteilnetzes VN vorkonfigurierte Sollspannung des
Figure imgf000009_0002
jeweiligen Knotens KN abfällt bzw. liegt. Darüber hinaus erhöht der in dem Knoten KN vorhandene
Integralspannungsregler eine von dem Knoten KN aus dem Verteilnetz VN bezogene Blindleistung Q, falls die an dem
Knoten KN lokal vorhandene Spannung Ui des Verteilnetzes VN oberhalb der vorkonfigurierten Sollspannung des
Figure imgf000010_0002
jeweiligen Knotens KN liegt. Die vorkonfigurierte
Sollspannung des jeweiligen Knotens KN kann
Figure imgf000010_0001
beispielsweise in einem lokalen Datenspeicher des Knotens KN abgespeichert sein. Die vorkonfigurierte Sollspannung
Figure imgf000010_0003
des Knotens KN wird dabei vorzugsweise derart
vorkonfiguriert, dass ein Überschreiten einer
Spannungsobergrenze Umax eines zulässigen
Netzspannungsbereichs innerhalb des Verteilnetzes VN an irgendeinem anderen Knoten KN des Verteilnetzes VN ein
Überschreiten der vorkonfigurierten Sollspannung durch
Figure imgf000010_0004
die lokal vorhandene Spannung des Verteilnetzes VN an dem jeweiligen Knoten KN bewirkt. Die Sollspannungen der
Figure imgf000010_0005
Knoten KN werden vorab für jeden Knoten KN berechnet. Die Sollspannungen der verschiedenen Knoten werden dabei
Figure imgf000010_0006
derart konfiguriert, dass bei einem Überschreiten der zulässigen Spannung an dem jeweiligen Knoten KN des
Verteilnetzes VN Spannungen Uj an allen Knoten KNj in der Umgebung des betroffenen Knotens KN^ über deren jeweiligen Sollspannungen liegen. Als Folge beziehen die Knoten KNj
Figure imgf000010_0007
in der Umgebung des betroffenen Problemknotens K i so lange Blindleistung Qi bzw. reduzieren so lange ihre Wirkleistung P , bis sie ihren spezifischen vorkonfigurierten
Spannungssollwert erreicht haben. Dadurch unterstützen
Figure imgf000010_0008
die Knoten KNj in der Umgebung des betroffenen Knotens KNi diesen bei der Einhaltung des zulässigen
Netzspannungsbereichs, ohne dass hierfür eine externe, echtzeitfähige Kommunikation zwischen den Knoten KN notwendig ist. Dementsprechend muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch keine separate Kommunikationsinfrastruktur zwischen den verschiedenen Knoten KN des Verteilnetzes VN geschaffen werden. Über die Vorgabe der lokalen vorkonfigurierten
Sollspannungen wird eine Koordination zwischen den
Figure imgf000010_0009
dezentralen Reglern der Knoten KN erreicht. Somit wird jeder Knoten des Verteilnetzes VN nicht nur für die Einhaltung des zulässigen Netzspannungsbereichs bzw. Spannungsbandes an den jeweiligen Knoten KN eingesetzt, sondern auch für die Einhaltung des zulässigen Spannungsbandes an den von dem jeweiligen Knoten KN^ beeinflussten benachbarten Knoten KNj .
Die Berechnung der vorkonfigurierten Sollspannungen der
Figure imgf000011_0002
verschiedenen Knoten KN des Verteilnetzes VN erfolgt im
Vorfeld an zentraler Stelle auf Basis der bekannten
Netzwerktopologie des Verteilnetzes VN. Dabei können
zusätzlich Einspeiseprofile bzw. deren Erwartungswerte berücksichtigt werden. Auf Basis dieser Daten kann die
Bestimmung der Sollspannungen derart erfolgen, dass
Figure imgf000011_0001
diese ein möglichst günstiges Verhalten des Knotens KNi im Hinblick auf Blindleistungsbezug und Leistungsverluste sowie Fairness zwischen den einspeisenden Knoten ergibt. Durch wiederholtes Berechnen der vorkonfigurierten Sollspannungen für die verschiedenen Knoten des Verteilnetzes,
beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen, unter
Einbindung von zusätzlichen zeitveränderlichen Informationen, beispielsweise hinsichtlich der Einspeiseprofile der
verschiedenen Knoten bei unterschiedlichen Wetterlagen, kann das Verhalten des Verteilnetzes VN unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens weiter verbessert werden .
Jeder Knoten KN des Verteilnetzes VN verfügt über einen lokalen Integrationsregler I-R zur Einhaltung eines
vorgegebenen Spannungsbandes innerhalb des Verteilnetzes VN. Der in dem Knoten KN jeweils vorgesehene Integrationsregler I-R bewirkt, dass der Knoten KN unterhalb der Sollspannung keine Blindleistung Q bezieht bzw. eine maximal mögliche
Figure imgf000011_0003
Wirkleistung P einspeist. Wird jedoch eine Sollspannung
Figure imgf000011_0004
überschritten, ergreifen die lokalen Integrationsregler I-R alle notwendigen Maßnahmen zur Einhaltung der Spannungsgrenze innerhalb des Verteilnetzes VN. Die Koordination der
dezentralen Integrationsregler I-R, die jeweils in den Knoten KN des Verteilnetzes VN vorgesehen sind, über eine geeignete Vorgabe der Sollspannungen bietet den Vorteil, dass keine zusätzliche Kommunikation zwischen den Knoten KN benötigt wird und somit auch keine entsprechende
Kommunikationsinfrastruktur bereitgestellt werden muss. Darüber hinaus stellt die Spannung U in dem Verteilnetz VN eine physikalische Größe dar, die schnell und zuverlässig zwischen den Knoten KN des Verteilnetzes ausgetauscht bzw. gemessen werden kann.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verringert der Integralregler I-R eines Knotens zusätzlich eine durch den Knoten eingespeiste Wirkleistung P, sofern die Erhöhung der durch den Knoten KN bezogenen
Blindleistung Q nicht ausreichend ist, den zulässigen
Netzspannungsbereich [Umin, Umax] innerhalb des Verteilnetzes VN zu erreichen. Darüber hinaus kann der Integralrechner I-R des Knotens KN eine durch den Knoten KN bezogene Wirkleistung P erhöhen, sofern die Erhöhung der durch den Knoten KN bezogenen Blindleistung Q nicht ausreichend ist, um den zulässigen Netzspannungsbereich [Umin, Umax] innerhalb des Verteilnetzes VN zu erreichen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Verringerung der durch den Knoten KN bezogenen Blindleistung Q durch den Integralspannungsregler I-R des Knotens KN unterbunden, sobald die durch den Knoten KN bezogene Blindleistung Q den Wert null erreicht. Falls die Spannung Ui am Knoten KN^ unterhalb der
Sollspannung liegt, wird bei dem erfindungsgemäßen
Figure imgf000012_0005
Verfahren die bezogene Blindleistung verringert:
Figure imgf000012_0001
Die Verringerung der Blindleistung hört auf, sobald die
Blindleistung erreicht ist.
Figure imgf000012_0004
Falls die Spannung Ui am Knoten KNi oberhalb der Sollspannung liegt, wird bei dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren
Figure imgf000012_0003
die bezogene Blindleistung erhöht:
Figure imgf000012_0002
wobei Kt ein Verstärkungsfaktor,
Ui die gemessene lokale Spannung des jeweiligen Knotens KNi und
die vorkonfigurierte Sollspannung des jeweiligen Knotens K i ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die vorkonfigurierte Sollspannung für jeden Knoten KN des Verteilnetzes VN zentral auf
Basis der Netzwerktopologie des Verteilnetzes VN berechnet und anschließend an die Knoten KN des Verteilnetzes VN jeweils über eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle übertragen .
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Knotens KN innerhalb eines Verteilnetzes VN, der über eine
Spannungsregelungsvorrichtung UR zur dezentralen Regelung einer Spannung U innerhalb des Verteilnetzes VN verfügt. Der Knoten KN ist, wie in Fig. 2 dargestellt, mit einem
Netzanschluss NA an das Verteilnetz VN angeschlossen. Bei dem Verteilnetz VN handelt es sich beispielsweise um ein
Niederspannungsnetz bzw. Ortsnetz. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel verfügt der Knoten KN über eine
Photovoltaikanlage PV, die einen Gleichstrom an einen DC/AC- Wechselrichter anlegt, der mit dem Netzanschluss NA durch Knoten KN verbunden ist. Der DC/AC-Wechselrichter des Knotens KN ist an die Spannungsregelungsvorrichtung UR angeschlossen, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Spannungsregelungsvorrichtung UR verfügt über einen Integralspannungsregler I-R. Der
Integralspannungsregler I-R verringert eine von dem Knoten KN bezogene Blindleistung Q, falls eine an dem Knoten KN lokal vorhandene Spannung U des Verteilnetzes VN unterhalb einer vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen Knotens KNi
Figure imgf000013_0001
liegt. Diese vorkonfigurierte Sollspannung des
Figure imgf000013_0002
jeweiligen Knotens KNi wird in Abhängigkeit von der
Netzwerktopologie des Verteilnetzes VN berechnet und in einem
Konfigurationsdatenspeicher KDS der
Spannungsregelungsvorrichtung UR abgelegt. Darüber hinaus erhöht der Spannungsregler UR des Knotens KN die von dem
Knoten KN bezogene Blindleistung Q, falls die an dem Knoten
KN lokal vorhandene Spannung U des Verteilnetzes VN oberhalb der vorkonfigurierten Sollspannung des jeweiligen
Figure imgf000014_0004
Knotens KN liegt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel verfügt die Spannungsregelungsvorrichtung UR des Knotens KNi neben dem Konfigurationsdatenspeicher KDS, in welchem die vorkonfigurierte Sollspannung des
Figure imgf000014_0001
jeweiligen Knotens KNi gespeichert ist, zusätzlich über eine Schnittstelle INT zum Empfang der für den jeweiligen Knoten KNi berechneten vorkonfigurierten Sollspannung von einer
Figure imgf000014_0002
zentralen Stelle. Bei dieser Schnittstelle INT kann es sich um eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle handeln. Der Knoten KN verfügt über einen DC/AC-Wechselrichter, der in der Lage ist, die Spannung U an dem Knoten KN zu erfassen bzw. zu messen. Darüber hinaus ist der DC/AC-Wechselrichter in der Lage eine steuerbare Menge an Blindleistung Q aus dem Verteilnetz VN zu beziehen bzw. eine eingespeiste
Wirkleistung P zu reduzieren. Zur Ermittlung der
Sollspannungen für die verschiedenen Knoten des
Figure imgf000014_0003
Verteilnetzes VN wird zunächst für jeden Knoten KN eine maximale Spannungsdifferenz ermittelt.
Falls die Spannung an dem Knoten KNi unterhalb des Wertes
bleibt, kann die Spannung an dem Knoten J nicht
Figure imgf000014_0006
größer als Umax werden. Daher wird der Wert als
Figure imgf000014_0005
Sollspannung US0n für die jeweiligen Knoten KN gewählt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der I-Regler eine Eingangsgröße auf, nämlich die Spannung an dem Knoten KNi und zwei Ausgangsgrößen, nämlich einerseits die zu beziehende Blindleistung Q und andererseits die eingespeiste Wirkleistung P. Der
Integrationsregler I-R ist derart ausgelegt, dass ein
Überschreiten oder Unterschreiten einer vorgegebenen Spannung U vermieden wird. Um dies zu erreichen, führt der
Integrationsregler I-R zyklisch folgende Schritte durch: 1. Einlesen der aktuellen Spannung Ui(t) 2. Einlesen der aktuell eingespeisten Wirkleistung
Figure imgf000015_0006
welche vom Wechselrichter auf der AC-Seite in das Netz abgegeben wird.
3. Ausführen der Integration:
Figure imgf000015_0002
Alternativ wäre auch eine Integration mit der
Mittelpunktsregel (entspricht der Tustin Transformation im Laplace-Bereich) denkbar (bzw. bei großen
Zeitschritten interessant) :
Figure imgf000015_0003
4. Entfernen von negativen Werten:
Figure imgf000015_0004
5. Umrechnung von z (t) auf die Stellgrößen. Hierfür
existieren vier Fälle: Falls z kleiner (oder gleich) wie die aktuell mögliche
Blindleistung :
Figure imgf000015_0005
Figure imgf000015_0001
ist, wird die volle Wirkleistung eingespeist und
Blindleistung entsprechend z (t) bezogen. Hierfür werden die Ausgänge auf
Figure imgf000016_0001
gesetzt .
Falls z größer als ist, und , wird
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0003
zusätzlich die eingespeiste Wirkleistung um Δρ
reduziert. In diesem Fall sind die folgenden Gleichungen zu erfüllen:
Figure imgf000016_0004
Die Lösung dieser Gleichungen lautet:
Figure imgf000016_0005
Das erfindungsgemäße Verfahren zum dezentralen Regeln einer Spannung in einem Verteilnetz VN ist besonders robust und bedarf keiner zusätzlichen Kommunikationsinfrastruktur zwischen den verschiedenen Knoten KN des Verteilnetzes VN, um die Spannung U innerhalb des Verteilnetzes VN innerhalb eines zulässigen Netzspannungsbereichs zu halten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum dezentralen Regeln einer Spannung (U) in einem Verteilnetz (VN) , das Knoten (KN) über
Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung versorgt, die jeweils einen Integralspannungsregler (I-R) aufweisen, welcher eine von dem Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) verringert, falls eine an dem Knoten (KN) lokal vorhandene Spannung (Ui) des Verteilnetzes (VN) unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des
Verteilnetzes vorkonfigurierte Sollspannung des
Figure imgf000017_0001
jeweiligen Knotens (KN) liegt, und welcher eine von dem Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) erhöht, falls die an dem Knoten (KN) lokal vorhandene Spannung (U±) des Verteilnetzes (VN) oberhalb der vorkonfigurierten
Sollspannung des jeweiligen Knotens (KN) liegt.
Figure imgf000017_0002
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die vorkonfigurierte Sollspannung des
Figure imgf000017_0003
Knotens (KN) derart vorkonfiguriert wird, dass ein
Überschreiten einer Spannungsobergrenze eines zulässigen Netzspannungsbereiches innerhalb des Verteilnetzes (VN) an irgendeinem anderen Knoten (KN) des Verteilnetzes (VN) ein Überschreiten der vorkonfigurierten Sollspannung ( durch die lokal vorhandene Spannung des
Figure imgf000017_0004
Verteilnetzes (VN) an dem jeweiligen Knoten (KNi)
bewirkt .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Integralregler (I-R) zusätzlich eine durch den
Knoten (KN) eingespeiste Wirkleistung (P) verringert, sofern die Erhöhung der durch den Knoten (KN) bezogenen Blindleistung (Q) nicht ausreichend ist, um den
zulässigen Netzspannungsbereich innerhalb des
Verteilnetzes (VN) zu erreichen, und/oder eine durch den
Knoten (KN) bezogene Wirkleistung (P) erhöht, sofern die Verringerung der durch den Knoten (KN) bezogenen
Blindleistung (Q) nicht ausreichend ist, um den zulässigen Netzspannungsbereich innerhalb des Verteilnetzes (VN) zu erreichen.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Verringerung der durch den Knoten (KN)
bezogenen Blindleistung (Q) durch den
Integralspannungsregler (I-R) des Knotens (KN)
unterbunden wird, sobald die durch den Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) den Wert null erreicht.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Integralspannungsregler (I-R) eines Knotens (KN) als Stellgröße die durch den Knoten bezogene
Blindleistung (Q) wie folgt berechnet:
Figure imgf000018_0001
wobei Kt ein Verstärkungsfaktor,
Ui die gemessene lokale Spannung des jeweiligen Knotens (KN) und
die vorkonfigurierte Sollspannung des jeweiligen
Figure imgf000018_0002
Knotens (KN) ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die vorkonfigurierte Sollspannung
Figure imgf000018_0003
eines
Knotens (KN) in einem lokalen Datenspeicher des
jeweiligen Knotens (KN) gespeichert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die vorkonfigurierte Sollspannung für jeden
Figure imgf000018_0004
Knoten (KN) des Verteilnetzes (VN) zentral auf Basis der Netzwerktopologie des Verteilnetzes (VN) berechnet und an den Knoten (KN) über eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Integralspannungsregler (I-R) einen DC/AC- Wechselrichter des Knotens (KN) zur Verringerung oder Erhöhung der durch den Knoten (KN) bezogenen Blindleistung (Q) und der von dem Knoten (KN)
eingespeisten Wirkleistung (P) steuert.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verteilnetz (VN) durch ein Niederspannungsnetz gebildet wird, welches Knoten (KN) über
Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung (U) versorgt, die als Verbraucher Strom aus dem Verteilnetz (VN) beziehen und/oder als Erzeuger Strom in das Verteilnetz (VN) einspeisen.
10. Vorrichtung für einen Knoten (KN) zur dezentralen
Regelung einer Spannung eines Verteilnetzes (VN) , das Knoten (KN) über Spannungsversorgungsleitungen mit
Spannung (U) versorgt, mit
einem Integralspannungsregler (I-R), welcher eine von dem Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) verringert, falls eine an dem Knoten (KN) lokal vorhandene Spannung (Ui) des Verteilnetzes (VN) unterhalb einer in Abhängigkeit von der Netzwerktopologie des Verteilnetzes
vorkonfigurierten Sollspannung
Figure imgf000019_0001
des jeweiligen
Knotens (KN) liegt, und welcher eine von dem Knoten (KN) bezogene Blindleistung (Q) erhöht, falls die an dem
Knoten (KN) lokal vorhandene Spannung (U±) des
Verteilnetzes (VN) oberhalb der vorkonfigurierten
Sollspannung
Figure imgf000019_0002
des jeweiligen Knotens (KN) liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
wobei die Vorrichtung einen Konfigurationsdatenspeicher
(KDS) aufweist, in welchem die vorkonfigurierte
Sollspannung des jeweiligen Knotens (KN)
Figure imgf000019_0003
gespeichert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
wobei die Vorrichtung eine Schnittstelle (INT) zum
Empfang der für den jeweiligen Knoten (KN)
vorkonfigurierten Sollspannung aufweist.
Figure imgf000019_0004
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12,
wobei die Vorrichtung einen DC/AC-Wechselrichter
aufweist, der durch den Integralspannungsregler (I-R) der Vorrichtung angesteuert wird.
14. Verteilnetz (VN), welches Knoten (KN) über
Spannungsversorgungsleitungen mit Spannung (U) versorgt, wobei die Knoten (KN) jeweils eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 13 aufweisen.
15. Verteilnetz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilnetz (VN) ein Niederspannungsnetz oder ein Mittelspannungsnetz ist.
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