CN104756345A - 用于调节供能网的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节整个供能网（EV）的方法。该供能网（EV）在此具有三个供电层面（VE1,VE2,VE3）。这三个供电层面（VE1,VE2,VE3）中的每一个在此都被视为独立的调节单元（RE1,RE2,RE3）并与其他供电层面（VE1,VE2,VE3）独立地进行调节。在分别两个调节单元（RE1,RE2,RE3）之间的接口通过在所述两个调节单元（RE1,RE2,RE3）之间所传输的有功功率和无功功率的控制来定义。通过在调节单元之间所传输的有功功率（P）和无功功率（Q）的相应控制，所述调节单元（RE1,RE2,RE3）可以在能量技术上相互分离，或者在能量技术上相互连接。在根据本发明的方法中，供能网（EV）理想地被视为用于供能的独立的调节单元（RE1,RE2,RE3）的链。由此能够实现供能网（EV）的分散控制以及有效和安全的运行，比如在不同供电层面（VE1,VE2,VE3）上分散产生的能量被馈入到该供能网中。另外，通过根据本发明的方法，以有利的方式使在供电层面（VE1,VE2,VE3）之间要交换的数据的数量保持为少量。

Description

用于调节供能网的方法

技术领域

本发明一般涉及供能网领域。本发明尤其涉及用于调节整个供能网的方法。该供能网在此具有三个供电层面。

背景技术

供能网通常理解为电线路的网络，其中的物理过程可以通过所谓的基尔霍夫定律来进行描述，并且通过该网络将能量产生器（比如常规的发电站运营商等）的能量或电流传输或分配给耗电器（比如工业企业、家庭等）。对于这种传输在供能网中通常设置三个供电层面，所述三个供电层面在原则上是具有不同的、确定的电压范围的电网或电网层面。所述供电层面因此按照用于传输电能的电压范围和相应的分配功能来划分。在此在一个供能网中通常具有高压层面或传输层面、中压层面或分配层面、以及低压层面或精细分配层面。

在传输层面中，由大的发电机、诸如大的水力发电站、热力发电站或大的风电场所产生的能量被馈入，并比如通过功率变压器而被传输到分配层面。传输层面在此在最高和高压范围中、尤其在欧洲是在60kV（千伏）至380kV和更高的电压范围中运行。通过在中压范围（比如1kV至60kV）中运行的分配层面，电能通常被分配到区域分布的变电站和/或较大的机构、诸如医院、工厂等。分配层面在此通常通过变电所从上级供电层面、传输层面或高压层面来馈电。为了进行能量的精细分配，于是使用具有电压范围、比如在中欧在约230/400伏至1000伏的低压层面或精细分配层面。也即，能量于是从分配层面被变换到精细分配层面的电压范围，并因此比如给私人家庭、较小的工业企业等来供电。

许多当今运行的供能网在很久之前（大多在五十多年前）在其结构和拓扑上被设计。所述供能网大多具有中央结构或分级结构，其中所需的能量在最高的供电层面-也即在传输层面中被馈入，并从所述传输层面被转运到下级供电层面-也即分配层面和精细分配层面。因此能量流总是从一个或多个中央发电机（比如水力发电站、热力发电站等）向通常连接到下面两个供电层面的耗电器来运行。在最高的供电层面或传输层面上通常实施自动的调节，并且整个供能网通过下面两个供电层面-也即分配层面和精细分配层面上的消耗或需求来控制。

然而，最近由于不同因素、比如目前主要使用的化石能量载体（比如煤炭、天然气、石油）的有限范围、气候保护努力、环境保护利益等，所谓可再生能源、诸如水力、风能、太阳辐射等的利用变得越来越有意义。可再生能源的应用通常与所谓的分散发电和供电相关联，其中电能在耗电器附近被产生。在此发电设施、诸如小的水力发电站、小的风电场或太阳能电场或光伏发电场的效率通常被设计用于满足周围或附近环境中所连接的耗电器的能量需求。与当今供能网设计总还遵照的中央发电相反，在分散发电的情况下电能不仅馈入高压层面或传输层面中，而且还可以从比如小发电站通过中压层面或或分配层面和/或比如借助光伏设施还通过低压层面或精细分配层面来进行能量馈送。

但是，除了比如减小通过变换所致的损耗的优点之外，分散发电还带来以下缺点，来自风力、太阳能以及小规模的水力的能量生产比如由于天气依赖性与比如借助常规发电站的发电相比明显更少地可计划。另外，当今运行的供能网主要针对到一个方向上的能量传输来设计，也即从传输层面通过分配层面和精细分配层面至耗电器。现在如果在低的供电层面、如分配层面和/或精细分配层面上产生与在该供电层面上所消耗的相比更多的能量，那么就导致相反的能量流动方向。这意味着，从供能网的低的供电层面逆向馈入能量。这在供能网的运行安全性和可靠性上能够导致重大的问题。

由2007年6月的IEEE Power Engineering Society General Meeting中Per Lund的文章“The Danish Cell Project－Part 1：Background and General Approach”和N. Martensen、H. Kley、S. Cherian、O. Pacific、Per Lund：“The Cell Controller Pilot Project：Testing a Smart Distribution Grid in Denmark”、Proceedings，2009，216－222页的Grid Intertop2009：The Road to an Interoperable Grid已知以下项目，该项目已由丹麦传输网运营商来推动和实现。在此尝试首先在供能网的运行安全性和运行可靠性方面来解决由于在供能网中分散发电比重大所形成的问题。在该文章所提出的解决方案中，提出重新构建或扩展供能网的已有的结构。在此尤其是传输层面和分配层面或其运营商通过自己的管理***-所谓的电网控制器-而被更高度地集成。由该管理***或该电网控制器来承担超级管理***的一种角色，其中可以由该超级管理***来协调分散的能量产生器、控制到传输层面上的有功和无功功率流、在紧急情况下从传输层面上去耦合部分分配层面、进而共同观测、控制和调节传输以及分配层面的运营商。这种管理***的应用然而也具有结构非常复杂的缺点，并可能是对供能网的现有结构的大的并且昂贵的干预。另外，有争论的是，这种管理***的应用对于相对大的供能网究竟是否可实施，因为主要由所谓的电网控制器来承担管理。

另外，由文献WO 2012/008979 A2已知一种动态的、分布的供能网控制***。通过该控制***，在供能网中可以在传输层面和分配层面上控制和调节动态分布的发电装置。在此供能网在传输层面和分配层面的范围内被划分成区域。每个区域于是都分配有区域控制和调节模块，由该区域控制和调节模块来监控传输层面和分配层面的相应区域部分的控制和调节。另外，每个区域控制和调节模块都与多个局部的控制和调节模块相连，位于该区域中的分散的能量产生器与所述局部的控制和调节模块相耦合。发电和耗电由上级的、中央控制和调节模块来监控和分析，以保证在供能网中的电能平衡。另外还由不同的控制和调节模块来监控和分析，以便保证供能网中的能量平衡。附加地，由不同的控制和调节模块来监控和分析在供能网的特定节点上的能量流，以便在超过特定的***参数时导入相应的用于电网安全和电网稳定的步骤和措施。在文献WO 2012/008979 A2中公开的***还具有以下缺点，即具有非常复杂和昂贵的结构，因为必须将多个控制和调节模块引入到供能网中。另外还必须以大的耗费将模块安装在供能网中，并且为了进行充分的控制必须在供能网的不同位置处监控和分析多个***参数。

由相应文献已知的两个***还共同具有的缺点是，所述***不能实现对精细分配层面或低压层面上分散产生和馈入的能量进行控制和调节。

发明内容

因此本发明所基于的任务是，说明一种用于调节整个供能网的方法，通过该方法能够以简单和有效的方式对整个供能网的不同供电层面进行分散控制和调节，而不用大的耗费并且不用考虑已有的电网拓扑。

该任务通过开头所提及的类型的、具有根据独立权利要求的特征的方法来解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中被描述。

根据本发明，利用开头所提及类型的方法来解决该任务，在该方法中三个供电层面中的每一个都被视为独立的调节单元，并因此可以独立地被调节。在各两个调节单元之间的接口在此通过在所述两个调节单元之间所传输的有功功率和无功功率的控制来定义。

根据本发明所提出的解决方案的主要方面在于，供能网在其整体上来看待，并且供电层面中的每个都被视为独立的调节单元。因此整个供能网的各个供电层面可以理解为链的环节，所述环节可以在接触点上通过有功功率和无功功率的控制而彼此灵活地相互作用。在供能网中的三个供电层面的尤其中间或第二供电层面构成中央的、战略性的位置，因为该供电层面具有与其他两个供电层面的接口。通过根据本发明的方法可以以简单的方式在每个供电层面上考虑或集成分散发电，而不用对供能网的结构进行大的改变。由此也能够实现供能网的有效并且安全的运行以及分散的控制，因为能够在不同的事件（比如过载等）的情况下非常简单地在一个或多个供电层面上实时地进行反应。

如果在每个调节单元中都保持针对相应调节单元所预先给定的电压范围，那么这也是有利的。对于相应的供电层面或调节单元，诸如高压、中压或低压的电压范围比如可以通过不同的国际和/或国家标准来设置。所述电压范围于是就以非常简单的方式针对相应的调节单元而被监控和控制，另外确保，尽管分散的能量馈送，所述范围仍由相应的调节单元来保持。

在此也有利的是，在调节单独的调节单元时采用初级调节、次级调节和三级调节。通过根据本发明的方法，每个供电层面都被分开地视为单独的调节单元-这意味着，控制场分别局限于相应的供电层面。供能网的供电层面中的每个在此都具有本身相同的调节***。也即在能量的馈送和提取之间的波动由每个调节单元本身通过以下方式短期地平衡，即例如通过调节单元来提高或降低能量消耗。

在初级调节中，尤其对在相应供电层面之内或在相应的调节单元中的功率供给和功率需求之间的失衡进行平衡。也即各供电层面的相应发电机被相应地调节。该发电机例如在第一供电层面或传输层面上是大的能量产生器（比如大的水力发电站、热力发电站等）。在第二供电层面或分配层面上，比如作为初级调节的对象来调节向该层面馈入能量的分散的能量产生器（比如小的水力发电站、风力设施等）。在第三供电层面或低压层面中，在初级调节中考虑客户设施，诸如私人光伏设施。初级调节的目的通常是建立稳定的电网频率。

在次级调节中，在根据本发明的方法的每个供电层面上或者每个调节单元之内所追求的是，在该调节单元中出现差别之后重新建立供电与电力需求之间的平衡。与初级调节相反，在此关注在相应调节单元之内的情况，包括与另外的调节单元的电流交换。于是为此关注在调节单元之间的相应接口上的功率流（有功功率和无功功率）。在此比如通过监控电网频率而照顾到，总是将初级调节和次级调节运行到相同的流向上。

在三级调节或所谓的分钟储备（Minutenreserve）中，在相应的调节单元中或为相应的调节单元同样提供能量储备或电力储备（尤其按照相应的需求）。在此可以在正的和负的调节能量之间进行区分。在所谓的正的分钟储备或调节能量中，在相应的调节元件中对能量生产不足进行缓冲。负的分钟储备或调节能量通常指的是，当在相应调节单元中存在太多的能量和太少的需求时为了存储或抑制能量所需的容量。

在根据本发明的方法中还推荐，通过调节单元之间的接口来交换调节值、尤其是无功功率、有功功率和/或所谓的功率因数的值。以该方式使为进行相应控制在调节单元或供电层面之间的调节值的传输和分析保持为少量。在欧洲供能网的常规分配装置中，比如在传输层面和分配层面之间交换直至500个数据或调节值。通过根据本发明的方法，比如可以仅通过传输无功功率、有功功率和/或所谓的功率因数来将电压保持在针对调节单元（比如传输层面、分配层面）分别预先给定的范围之内。因此以简单的方式显著地降低了在供电层面之间要传输的数据和/或调节值的数量。

在本发明的适宜的改进方案中规定，可以通过降低在相应调节单元之间的接口上的在所述调节单元之间传输的有功功率和无功功率来分离所述调节单元，并然后可以相互独立地运行。通过根据本发明的方法能够以非常简单的方式来形成所谓的“微电网”或岛式电网。通过降低在相应调节单元之间的接口上所传输的有功功率和无功功率，可以将一个调节单元与其他调节单元相分离，并作为所谓的岛式电网来工作。因此比如分配层面可以作为独立的调节单元而从传输层面上比如暂时地去耦合，并作为岛式电网来工作。岛式电网在此是电流分配的一种形式，该形式通常仅由一个或少量的较小的能量供应装置（比如小的水力发电站、风电场等）组成，由所述能量供应装置来为定义的区域供应能量。在去耦合的时间段中，调节单元于是就不具有比如与供能网的传输层面的连接。

为了将调节单元（比如岛式电网等）再次连接到另一调节单元（比如传输层面等）上，根据本发明的方法以理想的方式规定，首先在要连接的调节单元之间实施同步。然后，在要连接的调节单元之间传输的有功功率和无功功率于是在所述调节单元之间的接口上被提高。

另外有利的是，将高压层面或传输层面设置为三个供电层面中的第一层面。可以将中压层面或分配层面设置为三个供电层面中的第二层面，并将低压或精细分配层面设置为三个供电层面中的第三层面。这些供电层面通常设置在供能网中，并通过根据本发明的方法理想地被视为独立的调节单元。每个供电层面在此对于其他的供电层面都被视为所谓的“黑箱（Black Box）”。相应的供电层面的交互非常简单地通过相应的接口通过有功功率和无功功率的相应控制来进行，其中有功功率和无功功率可以在两个方向上来传输。

附图说明

本发明下面示例地借助附图来进行解释。图1示意示出了示例的供能网，其中采用了根据本发明的方法以用于调节整个供能网。

具体实施方式

图1示意示出了示例的供能网EV。该供能网EV具有三个供电层面VE1、VE2、VE3。在此高压层面或传输层面被设置为最高的或第一供电层面VE1。第二或中间供电层面VE2在此作为中压层面或分配层面来实施，并将低压或精细分配层面设置为第三或最低供电层面。

在这三个供电层面VE1、VE2、VE3中的每一个上，通过相应的示例的能量产生器EZ、LZ1、LZ2、LZ3、K1、K2、K3将相应的供电层面VE1、VE2、VE3中的能量分散地馈入到供能网EV中。在第一供电层面或传输层面VE1上，由大的能量产生器EZ、诸如大的水力发电站、热力发电站或大的风电场所产生的能量被馈入到供能网中。除了较大的耗电器（比如工厂、医院等）之外，区域或局部的能量产生器LZ1、LZ2、LZ3、诸如小的水力发电站、风电场等也可以被连接到第二供电层面或分配层面上。于是分散产生的能量从所述区域或局部的能量产生器LZ1、LZ2、LZ3被馈入到供能网中。在最低供电层面或精细分配层面VE3上，通常私人家庭、较小的工业企业等作为耗电器被连接到供能网EV上。但在第三供电层面VE3上也可以通过私人能量产生器K1、K2、K3、诸如光伏设施等将能量馈入到供能网EV中。

通过根据本发明的方法，三个供电层面VE1、VE2、VE3中的每一个都被视为独立的调节单元RE1、RE2、RE3，所述调节单元独立地被调节。在此每个调节单元RE1、RE2、RE3都具有相同的调节***R1、R2、R3，并在调节相应的调节单元RE1、RE2、RE3时采用初级调节、次级调节和三级调节。对于相应的调节单元RE1、RE2、RE3因此得出调节R1、R2、R3的不同对象。在构成第一调节单元RE1的第一供电层面VE1中，尤其是调节大的能量产生器。在描绘第二调节单元RE2的第二供电层面VE2上，调节R2的对象、尤其是初级调节的对象尤其是分散的（区域和/或局部的）能量产生器LZ1、LZ2、LZ3。在构成第三调节单元RE3的第三供电层面VE3中，比如由私人发电机K1、K2、K3来产生并馈入能量，由此必须在第三供电层面VE3上相应地调节这些客户设施（比如光伏设施等）。

按照根据本发明的用于调节供能网EV的方法，于是在各两个调节单元RE1、RE2、RE3之间，通过在所述两个调节单元RE1、RE2、RE3之间所传输的有功功率P和无功功率Q的控制来定义接口。在示例示出的供能网EV中，因此通过控制第一和第二调节单元RE1、RE2之间（进而传输层面VE1和分配层面VE2之间）的有功功率P和无功功率Q来定义接口。另外，通过在第二和第三调节单元RE2、RE3或者在分配层面VE2和精细分配层面VE3之间的有功功率P和无功功率Q的控制而形成接口。因此供电层面VE1、VE2、VE3或调节单元RE1、RE2、RE3如同链的环节能够通过在相应接口上的有功功率P和无功功率Q的控制而灵活地相互作用，其中第二调节单元RE2或分配层面VE2由于其位置-其具有与另外两个供电层面VE1、VE2的接口-可以被视为中央的、战略性的链环节。相应的调节单元RE1、RE2、RE3对于其他的调节单元RE1、RE2、RE3来说在此是所谓的“黑箱”，并且通过调节单元RE1、RE2、RE3之间的接口仅仅交换非常少的数据或调节值。因此，比如在第一调节单元RE1或传输层面VE1与第二调节单元RE2或分配层面VE2之间，比如为了保持分别为供电层面VE1、VE2所预先给定的电压范围，而仅仅交换无功功率Q和/或有功功率P的值和/或所谓功率因数cosΦ的值。

另外，每个调节单元RE1、RE2、RE3或每个供电层面VE1、VE2、VE3都可以具有预先给定的电压范围，该电压范围应该由相应的调节单元来保持。第一调节单元RE1或传输层面VE1在此比如在最高和高压范围内（比如60kV至380kV以及必要时还更高）运行。在第二调节单元RE2或分配层面VE2中，比如可以保持中压范围（比如1kV至60kV）。为了能量的精细分配，于是第三调节单元RE3或精细分配层面VE3可以在比如在约230/400伏之间的低压范围内运行。

为了在供电层面RE1、RE2、RE3之间进行能量的电压方面的变换，因此设置相应的变电站T1、T2。第二调节单元RE2或供电层面VE2对此比如具有第一变电站T1（比如变电所等）。在第三供电层面VE3上或在第三调节单元RE3中，对此设置有第二变电站T2（比如变压器等）。

通过在调节单元RE1、RE2、RE3之间所传输的有功功率P和无功功率Q的控制，附加地，所谓的微电网或岛式电网可以非常简单地被构建，或者又被连接到供能网EV中。例如第二调节单元RE2或第二供电层面VE2连同第三调节单元RE3一起可以从第一调节单元RE1或传输层面VE1上（暂时地）去耦合，因为比如由区域或局部的发电机LZ1、LZ2、LZ3生产的能量足以满足第二和第三供电层面VE2、VE3的需求。在此通过第一和第二调节单元RE1、RE2之间的接口所进行的有功功率P和无功功率Q的传输下降到零。第一和第二供电层面VE1、VE2于是还总是被同步，但在其之间不再传输功率P、Q。于是在相应的第一变电站T1被切断之后，这两个供电层面VE1、VE2或者这两个调节单元RE1、RE2相互隔离。第二调节单元于是就作为微电网或岛式电网来运行。

比如因为局部/区域不再能够满足能量需求，为了将第二调节单元RE2再次连接到第一调节单元RE1或传输层面VE1上，首先在第一调节单元RE1与要连接的第二调节单元RE2之间实施同步。然后提高调节单元RE1、RE2之间的要传输的有功功率P和无功功率Q，使得又可以在调节单元RE1、RE2之间交换功率P、Q。

通过根据本发明的方法，供能网EV作为一种供电链来示出，其中各个调节单元RE1、RE2、RE3或链环节彼此可以简单并且灵活地相互作用。由此可以不用大的耗费就非常简单地将分散的能量产生器LZ1、LZ2、LZ3、K1、K2、K3集成到已有的供能网EV中。

Claims (7)

1.用于调节整个供能网（EV）的方法，其中所述供能网（EV）具有三个供电层面（VE1,VE2,VE3），其特征在于，所述三个供电层面（VE1,VE2,VE3）中的每一个都被视为独立的调节单元（RE1,RE2,RE3）并独立地进行调节，并且各两个调节单元（RE1,RE2,RE3）之间的接口通过在所述两个调节单元（RE1,RE2,RE3）之间所传输的有功功率（P）和无功功率（Q）的控制来定义。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个调节单元（RE1,RE2,RE3）中都保持为相应调节单元（RE1,RE2,RE3）所预先给定的电压范围。

3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，在调节（R1,R2,R3）单个的调节单元（RE1,RE2,RE3）时使用初级调节、次级调节和三级调节。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过在所述调节单元（RE1,RE2,RE3）之间的接口来交换调节值、尤其是针对无功功率（Q）、有功功率（P）和/或功率因数（cosΦ）的调节值。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，通过降低在所述调节单元（RE1,RE2,RE3）之间在所述接口上所传输的有功功率（P）和无功功率（Q）来分离调节单元（RE1,RE2,RE3）。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，为了将调节单元（RE1,RE2,RE3）再次连接到其他调节单元（RE1,RE2,RE3）上，首先在要连接的调节单元（RE1,RE2,RE3）之间实施同步，并且然后提高在调节单元（RE1,RE2,RE3）之间的接口上的在所述调节单元（RE1,RE2,RE3）之间所传输的有功功率（P）和无功功率（Q）。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，将高压或传输层面设置为三个供电层面（VE1,VE2,VE3）中的第一层面（VE1），将中压或分配层面设置为三个供电层面（VE1,VE2,VE3）中的第二层面（VE2），并且将低压或精细分配层面设置为三个供电层面（VE1,VE2,VE3）中的第三层面（VE3）。