WO2021228457A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung von energieflüssen zwischen komponenten eines energiesystems - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur steuerung von energieflüssen zwischen komponenten eines energiesystems Download PDF

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Sebastian Schreck
Jochen SCHÄFER
Sebastian THIEM
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for controlling energy flows between participants in an energy network, the participants being able to be energy consumers, energy producers or both (prosumers).
  • the subscribers are at least partially connected to one another via an energy transmission network with lines.
  • energy flows are calculated in advance for a period of time by means of an optimization process.
  • the energy flows in the time segment are controlled on the basis of the result of the calculation.
  • Energy networks have at least two, but typically a large number of participants. Participants are energy producers, energy consumers or both. The participants can be private households, for example. These can appear as pure energy consumers. In recent years, however, private households have also increasingly appeared as energy producers or energy stores if, for example, they have a photovoltaic system or an accumulator (house battery).
  • Participants can also be businesses such as shops, factories, farms or swimming pools. Like the private household, all of these occur in most cases at least as energy consumers, but increasingly also as energy producers. Generators such as coal-fired power plants, gas turbines, large photovoltaic systems or wind energy systems also appear as participants, these typically as pure energy producers.
  • the energy network can be an electrical energy network, that is to say an electricity network. In this case it can be the national supply network. Your or around a locally limited electrical network, whereby the locally limited electrical network can be part of the national supply network, so it does not have to be separate from it. In this case, the energy network can be assigned to a local energy market.
  • the energy network can alternatively or additionally be a thermal network in which heat is exchanged between the participants.
  • the participants are connected to one another by cables. There are typically no direct connections between all participants, but rather the connections are usually structured hierarchically.
  • the energy network is typically divided into local networks that connect a locally limited group of participants.
  • the local networks are connected to other local networks via medium-voltage lines.
  • medium-voltage lines for connecting the sub-networks over a large area.
  • the energy flows between the participants can be organized by a coordination platform.
  • the coordination platform can carry out an optimization process.
  • the energy flows between the participants are calculated as efficiently as possible or optimally in advance, for example one day in advance (day-ahead).
  • the energy flows are then controlled on the basis of the result of the optimization process.
  • the coordination platform can also be designed as a trading platform so that the participants can submit sales offers and purchase offers.
  • the offers for sale and offers to buy with regard to a form of energy can be taken into account in the optimization, with a maximum possible and, in this sense, optimal energy conversion typically being advantageous.
  • the disadvantage of the known procedure for coordinating the energy flows is that, due to the physical structure of the lines, there is a discrepancy between the power fed in and the power that can be drawn, which is unilaterally charged to the network operators.
  • the present invention is based on the object of avoiding the stated disadvantage.
  • a device and a method for controlling energy flows are to be created with which a one-sided burden on the network operator due to losses occurring in the lines is avoided.
  • the device and the method should achieve a minimization of the total losses.
  • the device according to the invention is designed to control energy flows between participants in an energy network, the participants being connected to one another via lines.
  • the device is designed to calculate the energy flows in advance for a time segment by means of an optimization method and to control the energy flows in the time segment on the basis of the result of the calculation.
  • the device is designed to allow for losses that occur in the energy flows in the lines in the calculation using the optimization method.
  • the energy flows are determined in advance for a time segment by means of an opti calculation method. Furthermore, the energy flows in the time segment are controlled on the basis of the result of the calculation. Losses that occur with the energy flows in the lines are included in the calculation using the optimization method.
  • the participants are preferably a plurality of participants, each of whom appears as a consumer, generator, store or a combination of these possibilities.
  • the network itself is not taken into account in known energy markets. In other words, it acts without network constraints and pretends, for example, that the electricity network is a copper plate, which is not the case with either electrical or thermal networks. Because of this neglect of the network properties, network operators have to manage their network losses, since otherwise there would be a shortfall between generation and consumption.
  • the invention closes this gap by taking into account the losses that occur in the lines between the subscribers and thus ensures that the network operators are not unilaterally burdened with the losses.
  • the device preferably comprises a communication interface. This makes it possible to carry out the necessary exchange of data with which the control of the energy flows is carried out.
  • the communication interface can be a connection to the Internet.
  • the communication interface can also have a connection to another, optionally also dedicated communication network.
  • a first such expedient exchange of data is the receipt of data which contain information on the loss rates in the lines of the energy network. These can be received by the network operator, for example. It is possible to receive these anew for each calculation period, for example one day; however, it is also possible to receive this data once or only in certain situations and to store it temporarily.
  • Another such useful exchange of data is the receipt of a minimum sales price from energy producers and a maximum purchase price from energy consumers. These values form the basis for the optimization process and thus the calculation of the energy flows.
  • Another such expedient exchange of data is the sending of data to the subscribers, which contain control information for controlling the power flows. These data are the result of the optimization process or are determined from these results and returned to the participants in the energy network.
  • the communication interface is therefore preferably designed to be bidirectional and allows data to be received and sent. Another such expedient exchange of data is the receipt of a maximum amount of energy that can be provided from energy producers and a maximum amount of energy that can be drawn from energy consumers.
  • a definable proportion of the transmitted power in the line is used as a loss for at least one of the lines. This makes the calculation as part of the optimization process as simple and time-saving as possible.
  • the energy network can be an electrical energy network, that is to say an electricity network.
  • the energy network can also be a thermal network in which one or more types of thermal energy, for example hot water, are exchanged between the participants. It is also possible that the energy network is a network in which both electricity and thermal energy are exchanged. In such a network, there can be an overlap, that is to say common nodes in producers of both types of energy, for example in combined heat and power plants, but also in consumers of both types of energy such as private households.
  • the energy is thermal energy
  • a function of the insulation of the line, the flow temperature in the line, the outside temperature, the flow velocity and / or the heat capacity in the line can be used as a loss in the line.
  • a local energy market with an energy network that connects the participants can advantageously be created.
  • the energies are exchanged locally, that is to say in a localized manner, taking into account the participants' specifications.
  • a computer program that can be loaded directly into a memory of an electronic computing device can comprise program means in order to execute the steps of the method for controlling energy flows when the computer program is executed in an electronic computing device.
  • the computer program can be stored on an electronically readable data carrier with electronically readable control information stored on it, the control information being designed in such a way that it carries out the method for controlling energy flows when the data carrier is used in an electronic computing device.
  • FIG. 1 schematically shows a local energy market 100 with a local electricity network 10.
  • the electricity network 10 includes a number of subscribers 11, including several private households 12, businesses 13 and a wind power station 14.
  • the electricity network 10 is included connected to the national supply network 20, so does not form an island network.
  • the participants 11 are connected to one another by lines 16, with direct te connection of each participant 11 with every other participant 11 is present, but a bus-like connection.
  • the subscribers 11 can exchange electrical power with one another via the lines 16.
  • the wind power plant 14 is a pure power generator. Some of the private households 12 and businesses 13 act as pure electricity consumers, while others act as electricity consumers and electricity producers.
  • the local energy market 100 is controlled and coordinated by a control device 102.
  • the control device 102 controls or regulates the current flows between the subscribers 11 of the electricity network 10.
  • the control device 102 requires physical and technical parameters of the subscribers 11, which are partly constant, but partly also change from time segment to time segment.
  • control device 102 comprises a communication interface 104, for example a connection to the Internet.
  • the participants 11 are also connected to the Internet, which results in a bidirectional possibility of data exchange between the control device 102 and the participants 11.
  • the control device 102 is designed to receive this data from the subscribers 11 to record.
  • a carbon dioxide emission and / or a primary energy input can be transmitted to the control device 102.
  • the data package with which the maximum amount of energy that can be provided at a point in time t and the minimum sales price at point in time t is saved, can be referred to as a sales offer (English: rope order).
  • the energy consumers that is to say the private households 12 and businesses 13, transmit at least their maximum amount of energy that can be drawn at a point in time t, for example in Kilowatt hours, and their maximum purchase price for example in cents per kilowatt hour, to the control device 102.
  • a carbon dioxide emission and / or a primary energy input can be transmitted to the control device 102.
  • the data package with which the maximum amount of energy that can be obtained at a point in time t and the maximum purchase price at point in time t is stored can be used as a purchase offer. Order).
  • the energy network 10 also includes energy stores, then these transmit at least the maximum storage capacity that can be provided for example in kilowatt hours, an initial state of charge, for example in kilowatt hours the maximum charging power the maximum discharge output in kilowatts, for example, its load efficiency its discharge efficiency for example in percent, as well as a possible time-dependent minimum remuneration for each discharged amount of energy, for example in cents per kilowatt hour.
  • the data packet with which the parameters named for the energy storage device are stored can be referred to as a storage offer (English: storage order).
  • the parameters transmitted by means of the data are used to parameterize the optimization process.
  • An optimization procedure typically includes an objective function, whose result is to be minimized or maximized.
  • the objective function comprises variables whose values are the result of the optimization process and parameters which do not change when the optimization is carried out.
  • the optimization process is parameterized when all parameters have a certain value.
  • the variables of the optimization process are the energy flows between the components. Typically, the energy flows are calculated one day in advance, that is, for the next day.
  • the target function can be a total carbon dioxide emission of the energy system, a total primary energy use of the energy system and / or the total costs of the energy system.
  • the index k stands for the subscriber 11, the index n for the network node 18 of the power network 10 and the index t for the time t.
  • the inner summation index i stands for a further network node 18 which is connected to the network node 18 n. and are the variables of the Objective function.
  • the optimization method which is carried out by means of the control device 102, minimizes the aforementioned objective function and determines or calculates the variables and .
  • the optimization problem that is, the calculation of the maximum or minimum of the objective function, typically takes place under secondary conditions. For example, must be physically be fulfilled for all network nodes 18 n and all times t within the time segment to be considered.
  • P i , n , t, out stands for a power that will be taken from a line 16 at the network node 18 n
  • P i , n , t , in stands for the power that is fed into the network node 18 n Management.
  • Energy generator for example the wind turbine
  • a displaceable load can be modeled using the secondary condition and thus with the Opti - the calculation process must be taken into account.
  • the rate of loss can be a constant, for example.
  • the active power losses in the three-phase electrical network are proportional to the real part of the network impedance and the square of the current strength (symmetrical load case):
  • the nominal voltage can be 400V, for example.
  • the losses can not only be calculated as a constant component, but can also be included in a more precise form if the corresponding line impedances are known.
  • the control device 102 After the energy flows have been calculated by means of the control device 102, these calculated values are transferred to the subscribers 11, that is to say are transmitted to the control device 102 by means of the control device 102 or via the communication interface 104. This ensures that the subscribers 11 and thus the energy system are operated in the best possible way in accordance with the solution of the optimization method. In other words, the control device 102 controls the subscribers 11 based on the solution to the optimization method. The efficiency of the electricity network 10, for example a maximum energy consumption, is thus improved.
  • the described optimization problem can be set up, parameterized and then solved by the following procedure (time sequence):
  • the operator of the supply network for the electricity network 10 determines the loss coefficients on the day before energy trading of the respective lines 16. These loss coefficients can be constant values or, for example, as a step-by-step function as a function of the power can be specified.
  • the operator of the supply network 20 transmits the network topology and the calculated loss coefficients to the local energy market 100, that is to say the platform of the operator of the local energy market 100.
  • the loss coefficients are thus available to the control device 102.
  • the participants 11 in the local energy market 100 transmit their respective bids for the purchase and feed-in of electricity to the control device 102.
  • the control device 102 thus has the necessary data to solve the described optimization problem taking into account all secondary conditions in a third step.
  • the power network 10 is operated in a fourth step based on the solution to the optimization problem.
  • the method described can also be used for district heating networks.
  • the rate of loss can, for example, be a function of the power and also depend on the flow temperature in the district heating network, the floor / outside temperature or other environmental conditions.
  • the dependency of the rate of loss of power, flow temperature and floor temperature can be described by a model, the parameters of which can be determined by the data recorded in the control device 102.

Abstract

Für die Steuerung von Energieflüssen in einem Energie-Netzwerk wird ein Optimierungsverfahren verwendet, in das die Vorgaben der Teilnehmer am Energie-Netzwerk eingehen. Bei der Berechnung mit dem Optimierungsverfahren werden Verluste in den Leitungen, die die Teilnehmer untereinander verbinden, als Nebenbedingung berücksichtigt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten eines Energiesystems
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Teilnehmern eines Ener- gie-Netzwerks, wobei die Teilnehmer Energieverbraucher, Ener- gieerzeuger oder beides (engl. Prosumer) sein können. Die Teilnehmer sind über ein Energie-Übertragungsnetz mit Leitun- gen wenigstens teilweise untereinander verbunden. Für die Steuerung werden Energieflüsse vorab für einen Zeitabschnitt mittels eines Optimierungsverfahrens berechnet. Anhand des Ergebnisses der Berechnung werden die Energieflüsse in dem Zeitabschnitt gesteuert.
Energie-Netzwerke weisen wenigstens zwei, aber typischerweise eine Vielzahl von Teilnehmern auf. Teilnehmer sind Energieer- zeuger, Energieverbraucher oder beides. Bei den Teilnehmern kann es sich beispielsweise um private Haushalte handeln. Diese können als reine Energieverbraucher auftreten. In den letzten Jahren treten aber auch private Haushalte zunehmend als Energieerzeuger oder Energiespeicher auf, wenn sie bei- spielsweise über eine Photovoltaik-Anlage verfügen oder einen Akkumulator (Hausbatterie).
Teilnehmer können auch Betriebe sein wie Geschäfte, Fabrikan- lagen, Bauernhöfe oder Schwimmbäder. Alle diese treten ebenso wie der private Haushalt in den meisten Fällen zumindest als Energieverbraucher auf, zunehmend aber ebenfalls als Energie- erzeuger. Auch Generatoren wie Kohlekraftwerke, Gasturbinen, große Photovoltaik-Anlagen oder Windenergie-Anlagen treten als Teilnehmer auf, diese typischerweise als reine Energieer- zeuger.
Bei dem Energie-Netzwerk kann es sich um ein elektrisches Energie-Netzwerk, also ein Strom-Netzwerk handeln. In diesem Fall kann es sich um das nationale Versorgungs-Netzwerk han- dein oder aber um ein lokal begrenztes elektrisches Netzwerk, wobei das lokal begrenzte elektrische Netzwerk durchaus ein Teil des nationalen Versorgungs-Netzwerks sein kann, also nicht davon getrennt vorliegen muss. In diesem Fall kann das Energie-Netzwerk einem lokalen Energie-Markt zugeordnet sein.
Bei dem Energie-Netzwerk kann es sich alternativ oder zusätz- lich um ein thermisches Netzwerk handeln, bei dem Wärme zwi- schen den Teilnehmern ausgetauscht wird.
Zum Austausch der Energie sind die Teilnehmer mittels Leitun- gen untereinander verbunden. Dabei sind typischerweise keine direkten Verbindungen zwischen allen Teilnehmern vorhanden, sondern vielmehr sind die Verbindungen meist hierarchisch aufgebaut. Bei Stromnetzen beispielsweise gliedert sich das Energie-Netzwerk typischerweise in Ortsnetze, die einen ört- lich eng begrenzten Teilnehmerkreis anschließen. Die Ortsnet- ze sind mit anderen Ortsnetzen über Mittelspannungs-Leitungen verbunden. Schließlich gibt es noch Hochspannungs-Leitungen zur großräumigen Verbindung der Teilnetze.
Die Energieflüsse zwischen den Teilnehmern, das heißt der Austausch von Energie über die Leitungen des Energie- Netzwerks können von einer Koordinierungs-Plattform organi- siert werden. Dazu kann die Koordinierungsplattform ein Opti- mierungsverfahren durchführen. Damit werden die Energieflüsse zwischen den Teilnehmern möglichst effizient oder optimal vorab, beispielsweise einen Tag im Voraus (englisch: Day- Ahead), berechnet. Anhand des Ergebnisses des Optimierungs- verfahrens erfolgt dann die Steuerung der Energieflüsse.
Die Koordinierungs-Plattform kann weiterhin als Handelsplatt- form ausgebildet sein, sodass die Teilnehmer Verkaufsangebote und Kaufangebote abgeben können. Die Verkaufsangebote und Kaufangebote bezüglich einer Energieform können bei der Opti- mierung berücksichtigt werden, wobei typischerweise ein mög- lichst maximaler und in diesem Sinne möglichst optimaler Energieumsatz vorteilhaft ist. Nachteilig an der bekannten Vorgehensweise zur Koordinierung der Energieflüsse ist, dass bedingt durch den physischen Auf- bau der Leitungen eine Abweichung zwischen der eingespeisten und der entnehmbaren Leistung entsteht, der einseitig den Netzbetreibern angelastet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den angegebenen Nachteil zu vermeiden. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung von Energieflüs- sen geschaffen werden, mit denen eine einseitige Belastung der Netzbetreiber durch in den Leitungen anfallende Verluste vermieden wird. Insbesondere sollen die Vorrichtung und das Verfahren dabei eine Minimierung der Gesamtverluste errei- chen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgestaltet zur Steue- rung von Energieflüssen zwischen Teilnehmern eines Energie- Netzwerks, wobei die Teilnehmer über Leitungen untereinander verbunden sind.
Ferner ist die Vorrichtung ausgestaltet, die Energieflüsse vorab für einen Zeitabschnitt mittels eines Optimierungsver- fahrens zu berechnen und anhand des Ergebnisses der Berech- nung die Energieflüsse in dem Zeitabschnitt zu steuern.
Dabei ist die Vorrichtung ausgestaltet, bei der Berechnung mittels des Optimierungsverfahrens Verluste einzurechnen, die bei den Energieflüssen in den Leitungen auftreten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von Ener- gieflüssen zwischen Teilnehmern eines Energie-Netzwerks, die über Leitungen untereinander verbunden sind, werden die Ener- gieflüsse vorab für einen Zeitabschnitt mittels eines Opti- mierungsverfahrens berechnet. Weiterhin werden die Energief- lüsse in dem Zeitabschnitt anhand des Ergebnisses der Berech- nung gesteuert. Dabei werden bei der Berechnung mittels des Optimierungsverfahrens Verluste, die bei den Energieflüssen in den Leitungen auftreten, eingerechnet.
Wie eingangs beschrieben, handelt es sich bei den Teilnehmern bevorzugt um eine Mehrzahl von Teilnehmern, die jeder als Verbraucher, Erzeuger, Speicher oder eine Kombination dieser Möglichkeiten auftritt.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass in bekannten Energie- märkten das Netz selbst keine Berücksichtigung findet. Es wird mit anderen Worten ohne Netzrandbedingungen gehandelt und so getan, als wäre beispielsweise das Stromnetz eine Kup- ferplatte, was aber weder bei elektrischen noch bei thermi- schen netzen zutreffend ist. Wegen dieser Vernachlässigung der Netzeigenschaften müssen sich Netzbetreiber ihre Netzver- luste beschaffen, da sonst eine Fehlmenge zwischen Erzeugung und Verbrauch verbleiben würde.
Die Erfindung schließt diese Lücke durch die Berücksichtigung der Verluste, die in den Leitungen zwischen den Teilnehmern auftreten und sorgt damit dafür, dass nicht die Netzbetreiber einseitig mit den Verlusten belastet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich- tung und Verfahren gehen aus den abhängigen Ansprüchen her- vor. Dabei können die Ausführungsformen der unabhängigen An- sprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vor- zugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombi- niert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merk- male vorgesehen werden:
Es ist zweckmäßig, wenn die Verluste für eine der Leitungen durch eine Nebenbedingung für diese Leitung beschrieben wer- den, wobei die Nebenbedingung in die Berechnung eingeht. Es ist weiterhin zweckmäßig, eine solche Nebenbedingung für jede der Leitungen vorzusehen, um alle Verluste im Energie- Netzwerk zu berücksichtigen.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Kommunikations- Schnittstelle. Dadurch wird ermöglicht, den nötigen Austausch von Daten vorzunehmen, mit dem die Steuerung der Energieflüs- se durchgeführt wird. Die Kommunikations-Schnittstelle kann eine Verbindung zum Internet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kommunikations-Schnittstelle auch eine Verbindung zu einem anderen, optional auch dedizierten Kommunikationsnetz aufweisen.
Ein erster solcher zweckmäßiger Austausch von Daten ist der Empfang von Daten, die Angaben zu den Verlustraten in den Leitungen des Energie-Netzwerks enthalten. Diese können bei- spielsweise vom Netzbetreiber empfangen werden. Dabei ist es möglich, diese für jeden Berechnungszeitraum, beispielsweise einen Tag, neu zu empfangen; es ist aber auch möglich, diese Daten einmalig oder nur bei bestimmten Situationen zu empfan- gen und zwischenzuspeichern.
Ein weiterer solcher zweckmäßiger Austausch von Daten ist der Empfang eines minimalen Verkaufspreises von Energieerzeugern und eines maximalen Kaufpreises von Energieverbrauchern. Die- se Werte bilden die Grundlage für das Optimierungsverfahren und somit die Berechnung der Energieflüsse.
Ein weiterer solcher zweckmäßiger Austausch von Daten ist der Versand von Daten an die Teilnehmer, die Steuerinformationen zur Steuerung der Leistungsflüsse umfassen. Diese Daten sind das Ergebnis des Optimierungsverfahrens oder werden aus die- sen Ergebnissen ermittelt und an die Teilnehmer des Energie- Netzwerks zurückgegeben.
Die Kommunikations-Schnittstelle ist also bevorzugt bidirek- tional ausgestaltet und erlaubt einen Datenempfang und einen Datenversand. Ein weiterer solcher zweckmäßiger Austausch von Daten ist der Empfang einer maximal bereitstellbaren Energiemenge von Ener- gieerzeugern und einer maximal beziehbaren Energiemenge von Energieverbrauchern .
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird für wenigstens eine der Leitungen als Verlust ein festlegbarer Anteil der über- tragenen Leistung in der Leitung verwendet. Dadurch wird die Berechnung im Rahmen des Optimierungsverfahrens möglichst einfach und zeitsparend.
Das Energie-Netzwerk kann ein elektrisches Energie-Netzwerk, also ein Strom-Netzwerk sein. Das Energie-Netzwerk kann fer- ner ein thermisches Netzwerk sein, bei dem eine oder mehrere Arten thermischer Energie, beispielsweise Heißwasser, zwi- schen den Teilnehmern ausgetauscht wird. Es ist auch möglich, dass das Energie-Netzwerk ein Netzwerk ist, in dem sowohl Strom als auch thermische Energie ausgetauscht wird. In einem solchen Netzwerk kann eine Überlappung, also gemeinsame Kno- ten bei Erzeugern beider Sorten von Energie, beispielsweise bei Blockheiz-Kraftwerken, aber auch bei Verbrauchern beider Energieformen wie privaten Haushalten bestehen.
Ist die Energie in einer Leitung elektrische Energie, kann als Verlust in der Leitung Pv = nRI2 verwendet werden, wobei n die Anzahl der elektrischen Phasen, Pv die Verlustleistung, R der elektrische Widerstand der Leitung und I der Strom in der Leitung ist.
Ist die Energie thermische Energie kann als Verlust in der Leitung eine Funktion der Isolation der Leitung, der Vorlauf- temperatur in der Leitung, der Außentemperatur, der Fließge- schwindigkeit und/oder der Wärmekapazität in der Leitung ver- wendet werden.
Es ist vorteilhaft für die Lösung des Optimierungsverfahrens, wenn für die Verluste eine streckenweise linearisierte Form der Verluste einberechnet wird. Weiterhin kann im Optimierungsverfahren eine maximal bereit- stellbare Energiemenge jedes Energieerzeugers und eine maxi- mal beziehbare Energiemenge jedes Energieverbrauchers einge- rechnet werden.
Mit den beschriebenen Komponenten und Vorgehensweisen, insbe- sondere der Vorrichtung bzw. dem Verfahren zur Steuerung und den Teilnehmern, kann vorteilhaft ein lokaler Energiemarkt mit einem Energie-Netzwerk, das die Teilnehmer verbindet, geschaffen werden. In dem lokalen Energiemarkt werden die Energien unter Berücksichtigung der Teilnehmervorgaben lokal, also örtlich eng begrenzt ausgetauscht.
Ein Computerprogramm, das direkt in einen Speicher einer elektronischen Recheneinrichtung ladbar ist, kann Programm- Mittel umfassen, um die Schritte des Verfahrens zur Steuerung von Energieflüssen auszuführen, wenn das Computerprogramm in einer elektronischen Recheneinrichtung ausgeführt wird.
Das Computerprogramm kann auf einem elektronisch lesbaren Da- tenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen gespeichert sein, wobei die Steuerinfor- mationen derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer elektronischen Recheneinrichtung das Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen durchführen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der einzigen Figur der Zeichnung im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben und erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch einen lokalen Energiemarkt 100 mit einem lokalen Strom-Netzwerk 10. Das Strom-Netzwerk 10 um- fasst eine Reihe von Teilnehmern 11, darunter mehrere private Haushalte 12, Betriebe 13 und ein Windkraftwerk 14. Das Strom-Netzwerk 10 ist mit dem nationalen Versorgungsnetzwerk 20 verbunden, bildet also kein Inselnetz. Die Teilnehmer 11 sind durch Leitungen 16 untereinander verbunden, wobei direk- te Verbindung jedes Teilnehmers 11 mit jedem anderen Teilneh- mer 11 vorliegt, sondern eine Bus-artige Verbindung. Über die Leitungen 16 können die Teilnehmer 11 elektrische Leistung untereinander austauschen.
Das Windkraftwerk 14 ist ein reiner Stromerzeuger. Ein Teil der privaten Haushalte 12 und Betriebe 13 agieren als reine Stromverbraucher, während ein anderer Teil als Stromverbrau- cher und Stromerzeuger auftreten.
Der lokale Energiemarkt 100 wird von einer Steuervorrichtung 102 gesteuert und koordiniert. Die Steuervorrichtung 102 steuert oder regelt dazu die Stromflüsse zwischen den Teil- nehmern 11 des Strom-Netzwerks 10. Dazu ist die Steuervor- richtung 102 ausgebildet, die Stromflüsse zwischen den Teil- nehmern 11 mittels eines Optimierungsverfahrens für einen Zeitabschnitt, beispielsweise von t = 0 bis t = T zu berech- nen. Hierzu benötigt die Steuervorrichtung 102 physikalische und technische Parameter der Teilnehmer 11, die teilweise konstant, aber teilweise auch von Zeitabschnitt zu Zeitab- schnitt veränderlich sind.
Um diese Parameter zu erhalten, umfasst die Steuervorrichtung 102 eine Kommunikationsschnittstelle 104, beispielsweise eine Verbindung zum Internet. Auch die Teilnehmer 11 sind mit dem Internet verbunden, wodurch sich eine bidirektionale Möglich- keit des Datenaustauschs zwischen der Steuervorrichtung 102 und den Teilnehmern 11 ergibt.
Alle Energieerzeuger im Energie-Netzwerk 10, also im gegebe- nen Beispiel das Windkraftwerk 14 und diejenigen der privaten Haushalte 12 und Betriebe 13, die beispielsweise über Photo- voltaik-Anlagen verfügen, übertragen wenigstens ihre zu einem Zeitpunkt t maximal bereitstellbare Energiemenge
Figure imgf000010_0001
beispielsweise in Kilowattstunden, und ihren minimalen Ver- kaufspreis beispielsweise in Cent pro Kilowattstun-
Figure imgf000010_0002
de, an die Steuervorrichtung 102. Die Steuervorrichtung 102 ist dafür ausgestaltet, diese Daten von den Teilnehmern 11 aufzunehmen. Alternativ oder ergänzend zum Verkaufspreis kann eine Kohlenstoffdioxidemission und/oder ein Primärenergieein- satz an die Steuervorrichtung 102 übertragen werden. Das Da- tenpaket, mit dem die zu einem Zeitpunkt t maximal bereit- stellbare Energiemenge und der zum Zeitpunkt t minimale Ver- kaufspreis
Figure imgf000011_0001
gespeichert ist, kann als Verkaufsangebot (englisch: Seil-Order) bezeichnet werden.
Die Energieverbraucher, also die privaten Haushalte 12 und Betriebe 13, übertragen wenigstens ihre zu einem Zeitpunkt t maximal beziehbare Energiemenge beispielsweise in
Figure imgf000011_0002
Kilowattstunden, und ihren maximalen Kaufpreis
Figure imgf000011_0003
beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde, an die Steuervor- richtung 102. Alternativ oder ergänzend zum Kaufpreis kann eine Kohlenstoffdioxidemission und/oder ein Primärenergieein- satz an die Steuervorrichtung 102 übertragen werden. Das Da- tenpaket, mit dem die zu einem Zeitpunkt t maximale beziehba- re Energiemenge und der zum Zeitpunkt t maximale Kaufpreis gespeichert ist, kann als Kaufangebot (englisch: Buy-
Figure imgf000011_0004
Order) bezeichnet werden.
Umfasst das Energie-Netzwerk 10 auch Energiespeicher, dann übertragen diese wenigstens die maximal bereitstellbare Spei- cherkapazität
Figure imgf000011_0005
beispielsweise in Kilowattstunden, einen initialen Ladezustand beispielsweise in Kilowattstun-
Figure imgf000011_0006
den, die maximale Ladeleistung die maximale Entla-
Figure imgf000011_0007
deleistung beispielsweise in Kilowatt, seinen La-
Figure imgf000011_0008
dewirkungsgrad seinen Entladewirkungsgrad bei-
Figure imgf000011_0010
Figure imgf000011_0009
spielsweise in Prozent, sowie eine mögliche zeitabhängige mi- nimale Vergütung für jede entladene Energiemenge,
Figure imgf000011_0011
beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde. Das Datenpaket, mit dem die für den Energiespeicher genannten Parameter ge- speichert sind, kann als Speicherangebot (englisch: Storage- Order) bezeichnet werden.
Die mittels der Daten übertragenen Parameter werden zur Para- metrisierung des Optimierungsverfahrens verwendet. Ein Opti- mierungsverfahren umfasst typischerweise eine Zielfunktion, deren Ergebnis minimiert oder maximiert werden soll. Die Zielfunktion umfasst Variablen, deren Werte das Resultat des Optimierungsverfahrens sind und Parameter, die sich bei der Durchführung der Optimierung nicht ändern. Das Optimierungs- verfahren ist parametrisiert, wenn alle Parameter einen be- stimmten Wert aufweisen. Die Variablen des Optimierungsver- fahren sind vorliegend die Energieflüsse zwischen den Kompo- nenten. Typischerweise werden die Energieflüsse einen Tag im Voraus, das heißt für den kommenden Tag berechnet. Die Ziel- funktion kann eine Gesamtkohlenstoffdioxidemission des Ener- giesystems, ein Gesamtprimärenergieeinsatz des Energiesystems und/oder die Gesamtkosten des Energiesystems sein.
Eine vorteilhafte Zielfunktion gemäß der obenstehend genann- ten Parameter ist durch
Figure imgf000012_0001
gegeben .
Dabei steht der Index k für den Teilnehmer 11, der Index n für den Netzwerkknoten 18 des Strom-Netzwerks 10 und der In- dex t für den Zeitpunkt t. Der innere Summationsindex i steht für einen weiteren Netzwerkknoten 18, der mit dem Netzwerk- knoten 18 n verbunden ist. und
Figure imgf000012_0003
sind die Variablen der
Figure imgf000012_0002
Zielfunktion. Das Optimierungsverfahren, welches mittels der Steuervorrichtung 102 durchgeführt wird, minimiert die ge- nannte Zielfunktion und ermittelt beziehungsweise berechnet die Variablen und
Figure imgf000012_0005
. Hierbei
Figure imgf000012_0004
ist die Leistung des Energieerzeugers k am Netzknoten
Figure imgf000012_0006
n zum Zeitpunkt Leistung des Energieverbrau-
Figure imgf000012_0007
chers k am Netzknoten n zum Zeitpunkt die Ent-
Figure imgf000012_0008
ladeleistung des Energiespeichers k am Netzknoten n zum Zeit- punkt t, und Pi,n,t die Wirkleitungskapazität zwischen einem Netzknoten i und dem Netzknoten n zum Zeitpunkt t, wobei hierfür für die Verwendung des Energieübertragungsnetzes eine Netzgebühr anfällt.
Figure imgf000013_0002
Das Optimierungsproblem, das heißt das Berechnen des Maximums oder Minimums der Zielfunktion, erfolgt typischerweise unter Nebenbedingungen. Beispielsweise muss physikalisch
Figure imgf000013_0001
für alle Netzwerkknoten 18 n und alle Zeitpunkte t innerhalb des zu betrachtenden Zeitabschnitts erfüllt sein.
Dabei steht Pi,n,t,out für eine Leistung, die einer Leitung 16 am Netzwerkknoten 18 n entnommen werden wird und Pi,n,t,in steht für die Leistung, die am Netzwerkknoten 18 n einge- speist wird in die Leitung.
Weiterhin sind Nebenbedingungen für jeden
Figure imgf000013_0003
Energieerzeuger, also beispielsweise die Windenergieanlage
Figure imgf000013_0005
1) vorgesehen.
Eine verschiebbare Last kann mittels der Nebenbedingung modelliert und somit beim Opti
Figure imgf000013_0004
- mierungsverfahren berücksichtigt werden.
Weitere physikalische/technische Nebenbedingungen, beispiels- weise dass Leistungen nur positive Werte annehmen oder Netz- randbedingungen, können berücksichtigt werden. Insbesondere können die Art eines Stromes, beispielsweise Strom aus Photo- voltaikerzeugung, und/oder Präferenzen der Energieverbraucher und/oder Präferenzen der Energieerzeuger beim Optimierungs- verfahren mittels weiterer Nebenbedingungen berücksichtigt werden. Für mehrere Arten von Strom (Stromarten) gelten die obenstehenden Gleichungen jeweils einzeln. Bei Gleichungen mit physikalischer Basis, beispielsweise physikalische Rand- bedingungen für Energiespeicher, werden die Summen der Leis- tungen aus den einzelnen Stromarten gebildet.
Es gilt also weiterhin für einen Leitungsfluss von Knoten i ZU
Figure imgf000014_0004
Zur Berücksichtigung von Leitungsverlusten wird folgende wei- tere Nebenbedingung eingeführt, in der die oben eingeführten entnommenen und eingespeisten Leistungen verknüpft werden:
Figure imgf000014_0003
Die Verlustrate
Figure imgf000014_0001
kann beispielsweise eine Konstante sein.
In anderen Ausgestaltungen kann auch eine detaillierte Formu- lierung verwendet werden, in der die Verlustrate abhängig von der Stromstärke und Leitungsimpedanz ist.
Die Wirkleistungsverluste im dreiphasigen elektrischen Netz (Netzverlustleistung) sind proportional zum Realteil der Net- zimpedanz sowie dem Quadrat der Stromstärke (symmetrischer Lastfall):
Figure imgf000014_0002
Unter der Annahme, dass in einem Teil des lokalen Energie- markts 100, beispielsweise unterhalb einer Trafostation, die- selbe Nennspannung herrscht, sind somit die Netzverluste quadratisch abhängig von der übertragenen Wirkleistung. Die Nennspannung kann beispielsweise 400V betragen.
Da die übertragenen Wirkleistungen als Variable im Matching- Algorithmus eingeht, können die Verluste nicht nur als kon- stanter Anteil berechnet werden, sondern können bei Kenntnis entsprechender Leitungsimpedanzen auch in genauerer Form ein- gehen. Es ist in einer alternativen Ausgestaltung auch möglich, eine stufenweise Linearisierung des Verlustkoeffizienten im Opti- mierungsproblem zu verwenden, um die Komplexität einer quad- ratischen Optimierung zu vermeiden.
Nach der Berechnung der Energieflüsse mittels der Steuervor- richtung 102 werden diese berechneten Werte an die Teilnehmer 11 übergeben, das heißt mittels der Steuervorrichtung 102 be- ziehungsweise über die Kommunikationsschnittstelle 104 der Steuervorrichtung 102 übertragen. Dadurch wird sicherge- stellt, dass die Teilnehmer 11 und somit das Energiesystem gemäß der Lösung des Optimierungsverfahrens bestmöglich be- trieben wird. Mit anderen Worten steuert die Steuervorrich- tung 102 die Teilnehmer 11 basierend auf der Lösung des Opti- mierungsverfahrens. Somit wird die Effizienz des Strom- Netzwerks 10, beispielsweise ein maximaler Energieumsatz, verbessert .
Das beschriebene Optimierungsproblem kann durch folgendes Verfahren aufgestellt, parametriert und anschließend gelöst werden (zeitlicher Ablauf):
Der Ablauf des Verfahrens, mit dem der Betrieb des Strom- Netzwerks 10 organisiert wird, sieht wie folgt aus:
In einem ersten Schritt ermittelt der Betreiber des Versor- gungsnetzwerks für das Strom-Netzwerk 10 am Vortag des Ener- giehandels die Verlustkoeffizienten
Figure imgf000015_0002
der jeweiligen Lei- tungen 16. Dabei können diese Verlustkoeffizienten konstante Werte sein oder beispielsweise als schrittweise Funktion in Abhängigkeit der Leistung
Figure imgf000015_0001
angegeben werden.
In einem zweiten Schritt übermittelt Betreiber des Versor- gungsnetzwerks 20 die Netztopologie sowie die berechneten Verlustkoeffizienten an den lokalen Energiemarkt 100, also die Plattform des Betreibers des lokalen Energiemarkts 100. Die Verlustkoeffizienten stehen damit der Steuervorrichtung 102 zur Verfügung. Die Teilnehmer 11 am lokalen Energiemarkt 100 übermitteln ih- re jeweiligen Gebote für die Abnahme und die Einspeisung von Strom an die Steuervorrichtung 102.
Die Steuervorrichtung 102 hat dadurch die nötigen Daten, um das beschriebene Optimierungsproblem unter Berücksichtig al- ler Nebenbedingungen in einem dritten Schritt zu lösen.
Ist der so durch das Optimierungsverfahren berechnete Zeitab- schnitt, beispielsweise der nächstfolgende Tag erreicht, wird das Stromnetzwerk 10 in einem vierten Schritt anhand der Lö- sung des Optimierungsproblems betrieben.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die auftretenden Ver- luste in den Leitungen 16 von vornherein berücksichtigt sind. Der Betreiber des Versorgungsnetzwerks 20 ist dadurch nicht gezwungen, zusätzliche Leistung einzuspeisen, die von keinem Verbraucher abgenommen und daher auch nicht bezahlt wird.
Für Fernwärmenetze kann das beschriebene Verfahren ebenso verwendet werden. Dabei ist die Verlustrate
Figure imgf000016_0001
kann bei- spielsweise eine Funktion der Leistung sein, sowie auch von der Vorlauftempertur im Fernwärmenetz, der Boden-/ Außentem- peratur oder anderen Umgebungszuständen abhängen. Die Abhän- gigkeit der Verlustrate von Leistung, Vorlauf- und Bodentem- peratur kann durch ein Modell beschrieben werden, dessen Pa- rameter durch die in der Steuervorrichtung 102 erfassten Da- ten bestimmt werden können.
Bezugszeichenliste
10 Strom-Netzwerk
11 Teilnehmer
12 privater Haushalt
13 Betrieb
14 Windkraftwerk 16 Leitung
18 Netzwerkknoten
20 Versorgungsnetzwerk
100 lokaler Energiemarkt
102 Steuervorrichtung
104 Kommunikations-Schnittstelle

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (102) zur Steuerung von Energieflüssen zwi- schen Teilnehmern (11) eines Energie-Netzwerks (10), die über Leitungen (16) untereinander verbunden sind, wobei die Vor- richtung (102) ausgestaltet ist, die Energieflüsse vorab für einen Zeitabschnitt mittels eines Optimierungsverfahrens zu berechnen und anhand des Ergebnisses der Berechnung die Ener- gieflüsse in dem Zeitabschnitt zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (102) ausgestal- tet ist, bei der Berechnung mittels des Optimierungsverfah- rens Verluste einzurechnen, die bei den Energieflüssen in den Leitungen (16) auftreten.
2. Vorrichtung (102) nach Anspruch 1, ausgestaltet, für we- nigstens einen Teil, insbesondere alle der Leitungen (16) ei- ne Nebenbedingung einzuberechnen, die die Verluste in der Leitung (16) angeben.
3. Vorrichtung (102) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Kommu- nikations-Schnittstelle (104) zum bidirektionalen Austausch von Daten mit den Teilnehmern (11), wobei die Vorrichtung (102) ausgestaltet ist, wenigstens einen Teil der von Teil- nehmern (11) empfangenen Daten beim Optimierungsverfahren, insbesondere in Nebenbedingungen, zu berücksichtigen.
4. Vorrichtung (102) nach Anspruch 3, ausgestaltet zum Emp- fang von Daten, die Angaben zu den Verlustraten in den Lei- tungen (16) des Energie-Netzwerks (10) enthalten.
5. Vorrichtung (102) nach Anspruch 3 oder 4, ausgestaltet zum Versand von Daten an die Teilnehmer (11), die Steuerinforma- tionen zur Steuerung der Leistungsflüsse umfassen.
6. Vorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ausge- staltet zum Empfang eines minimalen Verkaufspreises von Ener- gieerzeugern und eines maximalen Kaufpreises von Energiever- brauchern.
7. Vorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ausge- staltet zum Empfang einer maximal bereitstellbaren Energie- menge von Energieerzeugern und einer maximal beziehbaren Energiemenge von Energieverbrauchern.
8. Vorrichtung (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgestaltet, für wenigstens eine der Leitungen (16) als Ver- lust einen festlegbaren Anteil der übertragenen Leistung in der Leitung (16) zu verwenden.
9. Vorrichtung (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Energie elektrische Energie ist und bei der für eine der Leitungen (16) als Verlust in der Leitung Pv = nRI2 zu verwenden, wobei n die Anzahl der elektrischen Phasen, Pv die Verlustleistung, R der elektrische Widerstand der Leitung und I der Strom in der Leitung (16) ist.
10. Vorrichtung (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Energie thermische Energie ist und bei der für eine der Leitungen (16) als Verlust in der Leitung (16) eine Funktion der Isolation der Leitung (16), der Vorlauftempera- tur in der Leitung (16), der Außentemperatur, der Fließge- schwindigkeit und/oder der Wärmekapazität im der Leitung (16) zu verwenden.
11. Vorrichtung (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgestaltet, im Optimierungsverfahren für die Verluste eine streckenweise linearisierte Form einzuberechnen.
12. Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Teil- nehmern (11) eines Energie-Netzwerks (10), die über Leitungen (16) untereinander verbunden sind, bei dem
- die Energieflüsse vorab für einen Zeitabschnitt mittels ei- nes Optimierungsverfahrens berechnet werden,
- die Energieflüsse in dem Zeitabschnitt anhand des Ergebnis- ses der Berechnung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung mittels des Optimierungsverfahrens Verluste, die bei den Energieflüssen in den Leitungen (16) auftreten, eingerechnet werden.
13. Lokaler Energiemarkt (100) mit einem Energie-Netzwerk
(10) und einer Mehrzahl von Teilnehmern (11), die über Lei- tungen (16) untereinander verbunden sind sowie mit einer Vor- richtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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