DE102012106466A1

DE102012106466A1 - Steuerung von Betriebsmitteln über Beeinflussung der Netzspannung

Info

Publication number: DE102012106466A1
Application number: DE102012106466.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Premm; Claus Allert
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: DE102012106466B4; EP2875561A2; WO2014013010A2; WO2014013010A3; US20150123475A1; JP2015523050A

Abstract

Zum Stabilisieren der Netzspannung in einem Netzabschnitt (1), der über eine Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung an ein überlagertes Netz (3) angeschlossen ist und der mindestens eine Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) umfasst, wird die Spannungsübersetzung verändert, um eine Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung zu verändern. Zumindest in einem Verfahrensmodus wird die Netznennspannung erhöht, um einem Anstieg der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) entgegenzuwirken, und/oder die Netznennspannung wird abgesenkt, um einem Abfall der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) entgegenzuwirken. Dies ist effektiv möglich, weil die Leistungsaufnahme und/oder -abgabe jeder Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) in dem Netzabschnitt (1) über eine Kennlinie von der an ihr anliegenden Netzspannung gesteuert wird, die die Leistungsaufnahme der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) mit ansteigender Netzspannung erhöht bzw. die Leistungsabgabe der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) mit ansteigender Netzspannung absenkt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren der Netzspannung in einem Netzabschnitt, der über eine Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung an ein überlagertes Netz angeschlossen ist, wobei die Spannungsübersetzung verändert wird, um eine Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung zu verändern. Insbesondere soll dabei in dem Netzabschnitt mindestens eine Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit vorgesehen sein, deren Leistungsaufnahme und/oder -abgabe über eine Kennlinie von der an ihr anliegenden Netzspannung gesteuert wird, wobei die Kennlinie die Leistungsaufnahme der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit mit ansteigender Netzspannung erhöht und/oder die Leistungsabgabe der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit mit ansteigender Netzspannung absenkt. Außerdem betrifft die Erfindung eine solche Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Insbesondere kann diese Vorrichtung ein Ortsnetztransformator sein, der eine Mittelspannung auf eine Niederspannung herunter transformiert, die in dem Netzabschnitt als Netznennspannung anliegt. Die Vorrichtung kann aber auch ein sogenannter Längsregler sein, der zur Stabilisierung der Netznennspannung in einem Strang eines Netzabschnitts verwendet wird, ohne eine höhere Eingangsspannung herunter zu transformieren.
Wenn hier von Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten die Rede ist, so sollen hiermit auch Energiespeichereinheiten abgedeckt sein, die zeitweise wie eine Energieverbrauchseinheit Energie aufnehmen, um einen Energiespeicher zu laden, und unter Entladung des Speichers diese Energie zu anderen Zeiten wie eine Energieerzeugungseinheit abgeben. Außerdem fallen unter den Begriff der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten auch Netzunterabschnitte mit mehreren Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten, die an den jeweiligen Strang des betrachteten Netzabschnitts über einen gemeinsamen Anschluss angeschlossen sind. Hierzu zählen insbesondere alle Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten in und an einem Gebäude, die über einen gemeinsamen Hausanschluss an einen Strang eines Netzabschnitts angeschlossen sind, oder mehrere Energieerzeugungseinheiten einer Energieerzeugungsanlage, die über einen Anlagenanschluss an einen Strang eines Netzabschnitts angeschlossen sind.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, Transformatoren, wie beispielsweise Ortsnetztransformatoren, die zur Verknüpfung zwischen verschiedenen Netzebenen, z. B. zwischen Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz, eingesetzt werden, mit veränderbarer Spannungsübersetzung auszubilden. Diese Veränderbarkeit der Spannungsübersetzung wird genutzt, um die Netznennspannung innerhalb der unterlagerten Spannungsebene anzuheben oder abzusenken, soweit anderenfalls ein lokaler Abfall oder Anstieg der Netzspannung in dem unterlagerten Netzabschnitts aus einem durch Netzspannungsgrenzen definierten zulässigen Bereich herausführt. Dies kann beispielsweise dann eintreten, wenn am Ende eines Strangs des Netzabschnitts eine große Last zu einer Spannungsabsenkung führt und ein Unterschreiten eines unteren Netzspannungsgrenzwerts droht oder eine große eingespeiste Leistung zu einem Überschreiten eines oberen Netzspannungsgrenzwerts führen könnte.
Zum Beispiel aus der EP 1 906 505 A1 ist es bekannt, Energieerzeugungseinheiten, die an ein Versorgungsnetz angeschlossen sind, bezüglich ihrer Bereitstellung von elektrischer Leistung durch eine von der Netzspannung an der jeweiligen Energieerzeugungseinheit abhängigen Kennlinie zu steuern.
Aus dem Bereich der Inselnetze, wie beispielsweise aus der US 2011 0043160 A1 , ist es bekannt, über netzbildende Betriebsmittel eine gezielte Modifikation der Netzparameter Netzfrequenz und/oder Netzspannung vorzunehmen, um die an das Inselnetz angeschlossenen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten zu einer Änderung ihrer Leistungsaufnahme- und/oder -abgabe zu veranlassen. Es ist weiterhin bekannt, Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten über ein von extern direkt an die jeweilige Einheit übermitteltes Signal einen Maximalwert für die Leistungsaufnahme- oder -abgabe vorzugeben. Das Signal kann als Rundsteuersignal auf das jeweilige Netz, an das die Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten angeschlossen sind, aufmoduliert werden.
Alternativ kann ein anderes Übertragungsmedium für das Signal an die Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten vorgesehen sein. In jedem Fall müssen, wie beispielsweise in der DE 20 2009 018 108 U1 beschrieben ist, ein Empfangsgerät an der jeweiligen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit und eine Schnittstelle zur Steuerung der jeweiligen Einheit vorgesehen werden, um diese Rundsteuersignale empfangen und umsetzen zu können.
Aus der EP 2 084 801 A1 ist ein Verfahren zur geregelten Auskopplung von elektrischer Energie aus einem Niederspannungsnetz bekannt, bei dem elektrische Energie von einer dezentralen Stromerzeugungsanlage in das Niederspannungsnetz eingespeist wird und die Leistungsregelung der Einspeisung durch aktive Variation der Netzspannung in dem Niederspannungsnetz erfolgt. Die Variation der Netzspannung wird innerhalb eines Toleranzbandes der Normspannungen mit einem Betriebsmittel zur Spannungsregelung, insbesondere einen Transformator mit variablem Übersetzungsverhältnis, vorgenommen, wobei die dezentrale Stromerzeugungsanlage ihre Wrkleistungseinspeisung bei fallender Netzspannung erhöht und bei steigender Netzspannung erniedrigt. Damit kann der Energiefluss über den das Niederspannungsnetz versorgenden Transformator vergleichmäßigt werden, wobei die dynamische Anpassung des Energieflusses über den Transformator, wie man sie unter anderem für die Lieferung von Regelleistung braucht, durch die Variation der Netzspannung auf der Niederspannungsseite des Transformators erfolgt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Stabilisieren der Netzspannung in einem Netzabschnitt aufzuzeigen, das speziell der Spreizung der lokalen Netzspannungen in dem Netzabschnitt infolge der Leistungsaufnahme und/oder -abgabe von dezentralen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten in dem Netzabschnitt entgegen wirkt.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 beschrieben. Die abhängigen Patentansprüche 13 bis 16 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Patentanspruch 17 ist auf einen Ortsnetztransformator oder einen Längsregler als konkrete Umsetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Stabilisieren der Netzspannung in einem Netzabschnitt, der über eine Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung an ein überlagertes Netz angeschlossen ist und der mindestens eine Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit umfasst, wird die Spannungsübersetzung verändert, um eine Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung zu verändern. Zumindest in einem Verfahrensmodus wird dabei die Netznennspannung erhöht, um einem Anstieg der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit entgegenzuwirken, und/oder die Netznennspannung wird abgesenkt, um einem Abfall der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit entgegenzuwirken. Dies ist effektiv möglich, da die Leistungsaufnahme und/oder -abgabe jeder Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit in dem Netzabschnitt über eine Kennlinie von der an ihr anliegenden Netzspannung gesteuert wird, die die Leistungsaufnahme der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit mit ansteigender Netzspannung erhöht bzw. die Leistungsabgabe der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit mit ansteigender Netzspannung absenkt. Dieser Kennlinienverlauf hat zur Folge, dass jede gesteuerte Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit die Spreizung der Netzspannung in dem Netzabschnitt als Antwort auf die erfindungsgemäße Veränderung der Netznennspannung tendenziell reduziert, weil eine höhere Netzspannung eine höhere Leistungsaufnahme und eine geringere Leistungsabgabe auslöst und umgekehrt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einzelnen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten lokal mit von der Netzspannung abhängigen Kennlinien gesteuert, wie dies grundsätzlich bekannt ist. Dabei wird jedoch mit einer Vorrichtung, deren veränderbare Spannungsübersetzung bislang nur genutzt wurde, um die Netzspannung in dem ihr unterlagerten Netzabschnitt in vorgegebenen Grenzen zu halten, die Netznennspannung, d. h. das Netzspannungsniveau in dem Netzabschnitt gezielt verändert. Dies geschieht, um die Kennliniensteuerung der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten in dem Netzabschnitt für eine Modulation ihrer Leistungsaufnahme bzw. -abgabe auszunutzen um damit reduzierenden Einfluss auf die Spreizung der lokalen Netzspannung zu nehmen. Dazu wird die Netznennspannung in dem erfindungsgemäßen Verfahrensmodus in einer scheinbar falschen Richtung verändert, nämlich bei zu hohen lokalen Netzspannungen weiter nach oben und bei zu niedrigen lokalen Netzspannungen weiter nach unten.
Im normalen Betrieb einer Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung, über die ein Netzabschnitt an ein überlagertes Netz angeschlossen ist, würde die Spannungsübersetzung im Falle einer Annäherung der Netzspannung an irgendeinem überwachten Punkt an einen oberen oder unteren Netzspannungsgrenzwert zur gegensinnigen Absenkung bzw. Erhöhung der Netznennspannung in dem Netzabschnitt verändert. Hiermit würde angestrebt, die Netzspannung in dem gesamten Netzabschnitt soweit abzusenken oder anzuheben, dass sie überall die vorgegebenen Netzspannungsgrenzen einhält. In dem erfindungsgemäßen Verfahrensmodus wird jedoch die typische Ursache der Annäherung einer von der Netznennspannung abweichenden Netzspannung an einer einzelnen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit berücksichtigt, nämlich eine große lokale Wirkleistungsaufnahme bzw. -abgabe, die nicht durch lokale Leistungsabgabe bzw. Leistungsaufnahme anderer Energieerzeugungs- und/oder -verbrauchseinheiten kompensiert wird. Wenn in einer solchen Situation erfindungsgemäß eine bereits abgefallene Netzspannung durch Reduzieren der Netznennspannung noch weiter abgesenkt wird, führt dies dazu, dass die lokale Leistungsaufnahme von Energieverbrauchseinheiten kleiner und die lokale Leistungsabgabe von Energieerzeugungseinheiten größer wird, wodurch dem Abfall der Netzspannung ursächlich entgegengewirkt wird. Anders gesagt kann durch ein Absenken des Spannungsniveaus in dem Netzabschnitt ein lokales Ungleichgewicht zwischen zu hoher Leistungsaufnahme und zu geringer Leistungsabgabe reduziert werden, wodurch die Spreizung der Netzspannung in dem Netzabschnitt insgesamt verkleinert wird und damit die Netzspannung in dem gesamten Netzabschnitt leichter in den Netzspannungsgrenzen gehalten werden kann. Wenn umgekehrt die lokale Leistungsabgabe größer ist als die lokale Leistungsaufnahme und entsprechend die Netzspannung lokal in dem Netzabschnitt ansteigt, kann durch erfindungsgemäßes weiteres Erhöhen der Netzspannung mit Hilfe der Spannungsübersetzung der Vorrichtung die lokale Leistungsabgabe erschwert und damit reduziert werden, während die lokale Leistungsaufnahme erleichtert und damit erhöht wird. Auch so wird der lokalen Spannungsüberhöhung ursächlich entgegengewirkt. Demgegenüber kann das herkömmliche Vorgehen des Absenkens der Netznennspannung im Falle einer lokalen Spannungsüberhöhung dazu führen, dass die lokale Leistungsabgabe noch weiter gesteigert wird und die lokale Leistungsabnahme noch weiter reduziert wird, wodurch das Leistungsgleichgewicht und damit die Spreizung der Netzspannung in dem Netzabschnitt weiter anwächst. Eine solche große Spreizung der Netzspannung macht es grundsätzlich schwer, die Netzspannung in dem gesamten Netzabschnitt innerhalb der vorgegebenen Netzspannungsgrenzen zu halten.
So geht auch in diesem Verfahrensmodus die grundsätzliche Funktion der Vorrichtung mit der veränderbaren Spannungsübersetzung, nämlich die Netzspannung in dem unterlagerten Netzabschnitt in vorgegebenen Netzspannungsgrenzen zu halten, nicht verloren. Stattdessen wird in dem erfindungsgemäßen Verfahrensmodus nur ein anderer Weg zum Erreichen der schon bislang angestrebten Funktion eingeschlagen.
Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kennlinie einer Energieerzeugungseinheit deren Bereitstellung von Blindleistung steuern, weil auch hiermit Einfluss auf die lokale Netzspannung in dem Netzabschnitt genommen werden kann. Es ist jedoch bevorzugt, wenn die Kennlinien der gesteuerten Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten deren Wirkleistungsaufnahme und/oder -abgabe steuern.
Insbesondere können die Kennlinien ein Totband aufweisen, in dem keine Reaktion auf Änderungen der an der jeweiligen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit anliegenden Netzspannung erfolgt und an das sich beiderseits Steigungsbereiche anschließen. Diese Steigungsbereiche liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch bereits innerhalb eines Toleranzbands der Netzspannung, um sie innerhalb dieses Toleranzbands für das erfindungsgemäße Stabilisieren der Netzspannung in dem Netzabschnitt nutzen zu können.
Der ideale Verlauf der Kennlinie einer an einem bestimmten Punkt des Netzabschnitts angeordneten Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit hängt insbesondere von der an diesem Ort gegebenen Netzimpedanz, d. h. der elektrischen Entfernung dieses Orts von der Vorrichtung mit der veränderbaren Spannungsübersetzung ab. Idealerweise wird die Kennlinie der jeweiligen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit daher abhängig von ihrem Ort und insbesondere abhängig von der an dem Ort gegebenen Netzimpedanz festgelegt. Dabei kann diese Festlegung einmalig oder auch dynamisch in Abhängigkeit von aktuellen Werten der Netzimpedanz vorgenommen werden.
Der erfindungsgemäße Verfahrensmodus kann aktiviert werden, wenn ein Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung einen Wirkleistungsgrenzwert überschreitet. Das heißt, bis zum Überschreiten dieses Wirkleistungsgrenzwerts kann das Ändern der Spannungsübersetzung der Vorrichtung nach einem herkömmlichen Algorithmus erfolgen, bei dem einem Anstieg der Netzspannung durch ein Reduzieren der Netznennspannung begegnet wird und umgekehrt. Ein höherer Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung ist ein Anzeichen dafür, dass in dem Netzabschnitt mehr elektrische Leistung verbraucht als erzeugt wird oder mehr elektrische Leistung erzeugt als verbraucht wird. Beides sind Bedingungen, unter denen tendenziell die Spreizung der Netzspannung in dem Netzabschnitt zunimmt. Dieser Spreizung wird durch den erfindungsgemäßen Verfahrensmodus begegnet.
Um den Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung auf das Überschreiten eines Wirkleistungsgrenzwerts zu überwachen, ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung an der Vorrichtung tatsächlich gemessen wird, indem dort beispielsweise ein Strom und die zugehörige Spannung gemessen werden.
Vielfach ist es für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichend, wenn der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung nur irgendwie auf das Überschreiten eines Wirkleistungsgrenzwerts überwacht werden kann. Hierbei muss es sich auch nicht um einen Grenzwert für die momentane Wirkleistung handeln. Vielmehr kann beispielsweise die Einhaltung eines mittleren Wirkleistungsgrenzwerts auch durch eine Temperaturmessung an der Vorrichtung überwacht werden, da eine höhere übertragene Wirkleistung in aller Regel mit einer entsprechend höheren Verlustleistung und in der Folge mit einer Temperatursteigerung verbunden ist.
Wenn der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung an der Vorrichtung gemessen wird, kann die Veränderung der Spannungsübersetzung derart mit den Kennlinien der einzelnen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten in dem Netzabschnitt abgestimmt werden, dass neben der Stabilisierung der Netzspannung der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung in vorgegebenen Wirkleistungsflussgrenzen gehalten wird. Beispielsweise kann das Ziel verfolgt werden, den Wirkleistungsfluss über die Vorrichtung möglichst klein zu halten, um das überlagerte Netz durch die gesamte Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe des Netzabschnitts möglichst wenig zu belasten. Dazu kann bei zunehmender Wirkleistung, die von dem Netzabschnitt in das überlagerte Netz fließt, die Netznennspannung durch Verändern der Spannungsübersetzung soweit erhöht werden, dass die Energieerzeugungseinheiten weniger Leistung abgeben und die Energieverbrauchseinheiten in dem Netzabschnitt mehr Leistung aufnehmen. Hierdurch wird der Wirkleistungsfluss in der angegebenen Richtung effektiv reduziert. Die genaue Abstimmung zwischen der Veränderung der Spannungsübersetzung und den Kennlinien kann dabei auf Basis einer Kenntnis der Kennlinien im Sinne einer Steuerung erfolgen. Umgekehrt kann die Spannungsübersetzung im Sinne einer Regelung solange verändert werden, bis sich der gewünschte Einfluss auf den Wirkleistungsfluss auch bei zunächst unbekannten Kennlinien einstellt. Auch Zwischenformen sind möglich, wobei die Kennlinien insbesondere im Falle einer Regelungsstruktur alternativ zur direkten Einflussnahme im Sinne eines funktionalen Zusammenhanges zwischen Spannung und abgegebener bzw. aufgenommener Wirkleistung der Energieerzeugungs- bzw. -verbrauchseinheiten auch indirekt wirkend ausgestaltet sein können. Beispielsweise können anhand der Kennlinien Vergütungs- bzw. Bezugstarife für abgegebene bzw. aufgenommene Wirkleistung von der Netzspannung abhängig sein, so dass die Energieerzeugungs- bzw. -verbrauchseinheiten bei einer Beeinflussung der Netzspannung in dem Netzabschnitt ihre abgegebene bzw. aufgenommene Wirkleistung zur Erzielung eines ökonomischen Optimums modifizieren.
Um das originäre Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens in seinem speziellen Verfahrensmodus zu erreichen, kann die Spannungsübersetzung in Abhängigkeit von dem Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung und dem Momentanwert der Netznennspannung an der Netzabschnittsseite der Vorrichtung verändert werden. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, die lokalen Netznennspannungen an den Ort der Vorrichtung mit der veränderbaren Spannungsübersetzung zu kommunizieren. Allerdings sind aus dem Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung und dem Momentanwert der Netznennspannung nur gewisse Rückschlüsse auf die Spreizung der lokalen Netzspannung zu ziehen. Daher ist es bevorzugt, wenn die Spannungsübersetzung in dem erfindungsgemäßen Verfahrensmodus unmittelbar in Abhängigkeit von der an den Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten gemessenen Netzspannung verändert wird.
Wie bereits eingangs angedeutet wurde, kann es sich bei der Vorrichtung mit der veränderbaren Spannungsübersetzung insbesondere um einen regelbaren Ortsnetztransformator oder um einen sogenannten Längsregler handeln. Bei einem Längsregler kann auch aus der absoluten Spannung an seinem Ort auf die Spreizung der lokalen Netzspannungen in dem unterlagerten Netzabschnitt rückgeschlossen werden. Eine hohe Spannung weist auf einen Leistungsfluss zu dem übergeordneten Netz und damit auf erhöhte lokale Netzspannungen in dem unterlagerten Netzabschnitt hin, eine niedrige Spannung auf einen Wirkleistungsfluss in den unterlagerten Netzabschnitt und dort erniedrigte lokale Netzspannungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem kaskadiert für den ganzen Netzabschnitt, beispielsweise mit Hilfe eines Ortsnetztransformators, und zusätzlich extra für einen Netzunterabschnitt dieses Netzabschnitts, beispielsweise mit Hilfe eines Längsreglers, durchgeführt werden. Dabei kommt es zu keiner negativen Überlagerung der Effekte in den einzelnen Kaskadenstufen. Vielmehr tritt allenfalls eine sich gegenseitig stützende Überlagerung auf.
Eine Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung zum Anschluss eines Netzabschnitts an ein überlagertes Netz, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist und einen Controller aufweist, der die Spannungsübersetzung einstellt, um eine Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung einzustellen, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zumindest in einem Betriebsmodus die Netznennspannung erhöht, um einem Anstieg der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit entgegenzuwirken, und/oder die Netznennspannung absenkt, um einem Abfall der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit entgegenzuwirken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Einrichtungen zum Erfassen des Wirkleistungsflusses durch die Vorrichtung den Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung auf das Überschreiten eines Wirkleistungsgrenzwerts überwachen, wobei ihr Controller bei einem Wirkleistungsfluss oberhalb des Wirkleistungsgrenzwerts in den Verfahrensmodus übergeht. Das Erfassen des Wirkleistungsflusses kann darauf beschränkt sein, dass die Einrichtungen überwachen, ob der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung den Wirkleistungsgrenzwert überschreitet. Die Einrichtungen können den Wirkleistungsfluss an der Vorrichtung aber auch direkt messen.
Weiterhin können Einrichtungen vorgesehen sein die die Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung messen. Solche Einrichtungen sind bei Vorrichtungen mit veränderbarer Spannungsübersetzung zum Anschluss eines Netzabschnitts an ein überlagertes Netz aber sowieso regelmäßig vorhanden.
Für die insbesondere bei großem Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung gegenüber dem Üblichen umgekehrte Reaktion der Spannungsübersetzung auf lokale Abfälle oder Überhöhungen der Netzspannung kann der Controller der Vorrichtung Eingänge für an einzelnen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten oder sonstigen Punkten in dem Netzabschnitt gemessene lokale Netzspannungen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller der Vorrichtung Eingänge für aus den gemessenen lokalen Netzspannungen hergeleitete Daten, beispielsweise Meldungen für das Verlassen von Spannungsgrenzen, und/oder für Vorgaben für die Spannungsübersetzung aufweisen.
Ganz insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Ortsnetztransformator oder ein sogenannter Längsregler.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen über einen Ortsnetztransformator an ein überlagertes Netz angeschlossenen Netzabschnitt in schematischer Darstellung.
2 zeigt eine beispielhafte Änderung einer von dem Ortsnetztransformator gemäß 1 bereitgestellten netzabschnittsseitigen Netznennspannung ΔU_NS in Abhängigkeit von einer über den Ortsnetztransformator aus dem überlagerten Netz bezogenen Wirkleistung P_MS; und
3 zeigt eine beispielhafte Kennlinie für die Änderung der Wirkleistung ΔP einer Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit in Abhängigkeit von der an ihrem Netzanschluss anliegenden Netzspannung.
FIGURENBESCHREIBUNG
Der in 1 schematisch dargestellte Netzabschnitt 1 ist über einen Ortsnetztransformator 2 an ein überlagertes Netz 3 angeschlossen. Der Ortsnetztransformator 2 weist eine veränderbare Spannungsübersetzung zwischen dem überlagerten Netz 3 und einer Netznennspannung an einer Sammelschiene 4 auf. Von der Sammelschiene 4 gehen verschiedene Stränge 5 bis 7 des Netzabschnitts 1 ab. An jeden der Stränge 5 bis 7 sind verschiedene Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten 8 bis 11 angeschlossen. Die Energieerzeugungseinheiten 8 sind hier beispielhaft als Photovoltaikanlagen mit Wechselrichtern und Photovoltaikgeneratoren dargestellt; alternativ oder zusätzlich können die Energieerzeugungseinheiten 8 auch andere regenerative Energiequellen nutzen wie Wind nutzen oder als herkömmliche Kraftwerke, insbesondere als Blockheizkraftwerte ausgebildet sein. Die Energieverbrauchseinheiten 9 sind allgemeine Lasten. Die Energieverbrauchseinheiten 10 sind Lasten mit über eine Kennlinie gesteuerter Leistungsaufnahme. Die Energiespeichereinheiten 11 weisen eine Batterie auf, die über einen Batterieinverter an den jeweiligen Strang angeschlossen ist. In dem Strang 6 ist weiterhin ein sogenannter Längsregler 12 vorgesehen, der eine Spannungsstufe hervorrufen kann, um die Netzspannung in dem dem Netz 3 abgekehrten Teil des Strangs 6 auf einem gewünschten Spannungsniveau zu halten. Mit dem Ortsnetztransformator 2 kann die Netznennspannung auf der Sammelschiene 4 in gewissen Grenzen eingestellt werden, die auch als Toleranzband bezeichnet werden. Dies geschieht herkömmlich zu dem Zweck, die Netzspannung mit gegebener Spreizung in dem Netzabschnitt 1 so zu verschieben, dass sie überall in dem Netzabschnitt 1 in vorgegebenen Netzspannungsgrenzen bleibt, also auch dort, wo sie weiter entfernt von der Sammelschiene 4 durch hohe lokale Leistungsaufnahme und/oder -abgabe gegenüber der Netznennspannung auf der Sammelschiene 4 verschoben ist.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Leistungsfluss durch den Ortsnetztransformator 2 gemäß 1 und der Momentanwert der Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite des Ortsnetztransformators 2 gemessen. Basierend hierauf wird die Netznennspannung auf der Sammelschiene 4 durch Ändern seines Übersetzungsverhältnisses um einen Wert ΔU_SS verschoben, wie dies in 2 illustriert ist. Hier entspricht die dargestellte Richtung von P_MS einem Wirkleistungsfluss von dem Netz 3 in den Netzabschnitt 1 gemäß 1. Entsprechend bedeuten negative Werte von P_MS einen Wirkleistungsfluss, d. h. eine Einspeisung in das Netz 3. Bei hohem Wirkleistungsfluss in den Netzabschnitt 1 wird die Netznennspannung abgesenkt, bei hohem Wirkleistungsfluss aus dem Netzabschnitt 1 erhöht. Dies hat zur Folge, dass der Wirkleistungsfluss nivelliert wird, weil eine niedrigere Netznennspannung tendenziell für eine niedrigere Leistungsaufnahme und eine höhere Leistungsabgabe der entsprechenden Energieverbrauchs- und -erzeugungseinheiten in dem Netzabschnitt 1 führt und umgekehrt. Zudem kann damit der Wirkleistungsfluss absolut gesehen minimiert werden, um das Netz 3 durch die Leistungsaufnahme und/oder -abgabe des gesamten Netzabschnitts 1 nur minimal zu belasten.
3 illustriert eine Kennlinie einer Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit 8, 10, 11 mit steuerbarer Leistungsaufnahme und/oder -abgabe in Abhängigkeit von der an der einzelnen Einheit anliegenden Netzspannung UNS. Aufgetragen ist dabei die Wirkleistungsänderung ΔP, bei der positive Werte eine Erhöhung der Leistungsabgabe bzw. eine Verringerung der Leistungsaufnahme bedeuten. Zusätzlich ist ein Bereich U_norm eingezeichnet, der normale Netzspannungen umfasst. Ein darüber hinausgehender Bereich U_zul. bezeichnet zwar noch zulässige Netzspannungen, die sich aber bereits den Netzspannungsgrenzen nähern. Über die Netzspannungsbereiche, die von U_zul., aber nicht von U_norm abgedeckt werden, wird durch Änderung von UNS mit Hilfe des Ortsnetztransformators 2 gemäß 1 die Leistungsaufnahme bzw. -abgabe ΔP modelliert. So wird konkret mit einer Netzspannung UNS in dem mit U_– bezeichneten Teilbereich, d. h. mit einer sehr hohen Netznennspannung, dafür gesorgt, dass die Leistungsabgabe der Energieerzeugungseinheiten 8 gemäß 1 reduziert wird und die Leistungsaufnahme der Energieverbrauchseinheiten 10 erhöht wird bzw. die Energiespeichereinheiten 11 von Leistungsabgabe auf Leistungsaufnahme umstellen. Dies führt alles dazu, dass die lokale Netzspannung in dem Bereich der jeweiligen Einheiten absinkt. Das heißt, trotz einer Verschiebung der Netznennspannung nach oben kommt es zu einer Absenkung der Spitzen und damit einer Reduktion der Spreizung der Netzspannung in dem Netzabschnitt 1. Diese Maßnahmen bieten sich insbesondere dann an, wenn der Wirkleistungsfluss über den Ortsnetztransformator 2 in das Netz anzeigt, dass insgesamt sehr viel mehr elektrische Energie in dem Netzabschnitt 1 erzeugt wird, als sie dort abgenommen wird. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass es zu lokalen Spannungsüberhöhungen kommt.
Umgekehrt kann im Fall eines Wirkleistungsflusses in den Netzabschnitt davon ausgegangen werden, dass lokal mehr elektrische Energie verbraucht als erzeugt wird. In diesem Fall wird mit einer Netzspannung UNS im Bereich U₊, d. h. mit einer Erhöhung Netznennspannung, über die Kennlinie gemäß 3 dafür gesorgt, dass die Leistungsaufnahme der Energieverbrauchseinheiten 10 reduziert wird und die Leistungsabgabe der Energieerzeugungseinheiten 8 erhöht wird bzw. die Energiespeichereinheiten 11 von Leistungsaufnahme auf Leistungsabgabe umschalten.
Damit ein Controller des Ortsnetztransformators 2 gezielt gegen lokale Spitzen der Netzspannung in dem Netzabschnitt 1 vorgehen kann, ist dem Controller die an den einzelnen gesteuerten Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit 8, 10 und 11 gemessene Netzspannung zu übermitteln. Hierfür ist aber eine einfache, auch nur unidirektionale Kommunikationsstruktur ausreichend, die optional auch nur die Übermittlung eines Überschreitens von Grenzwerten für die Netzspannung, beispielsweise einen Eintritt in die Bereiche U₊ oder U_ umfasst.
Der Längsregler 12 übernimmt für den von dem Ortsnetztransformator 2 abgeteilten Teil des Strangs 6 die Funktion des Ortsnetztransformators bei der Steuerung der Leistungsaufnahme der an diesem Teil des Strangs 6 angeschlossenen Energieerzeugungseinheiten 8.
Bezugszeichenliste

1: Netzabschnitt
2: Ortsnetztransformator
3: Netz
4: Sammelschiene
5: Strang
6: Strang
7: Strang
8: Energieerzeugungseinheit
9: Energieverbrauchseinheit
10: Energieverbrauchseinheit
11: Energiespeicher
12: Längsregler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1906505 A1 [0005]
US 20110043160 A1 [0006]
DE 202009108108 U1 [0007]
EP 2084801 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Stabilisieren der Netzspannung in einem Netzabschnitt (1), – der über eine Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung an ein überlagertes Netz (3) angeschlossen ist und – der mindestens eine Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) umfasst, – deren Leistungsaufnahme und/oder -abgabe über eine Kennlinie von der an ihr anliegenden Netzspannung gesteuert wird, – wobei die Kennlinie die Leistungsaufnahme der Energieverbrauchs- und/oder – erzeugungseinheit (8, 10, 11) mit ansteigender Netzspannung erhöht und/oder die Leistungsabgabe der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) mit ansteigender Netzspannung absenkt, wobei die Spannungsübersetzung verändert wird, um eine Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Verfahrensmodus – die Netznennspannung erhöht wird, um einem Anstieg der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) entgegenzuwirken, und/oder – die Netznennspannung abgesenkt wird, um einem Abfall der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie jeder gesteuerten Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) deren Wirkleistungsaufnahme und/oder -abgabe steuert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie ein Totband mit sich beiderseits anschließenden Steigungsbereichen innerhalb eines Toleranzbands der Netzspannung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie in Abhängigkeit einer am Ort der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) gegebenen Netzimpedanz festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung auf das Überschreiten eines Wirkleistungsgrenzwerts überwacht wird und dass bei einem Wirkleistungsfluss oberhalb des Wirkleistungsgrenzwerts der Verfahrensmodus aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung an der Vorrichtung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Spannungsübersetzung derart mit den Kennlinien abgestimmt wird, dass der Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung in vorgegebenen Wirkleistungsflussgrenzen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsübersetzung in dem Verfahrensmodus in Abhängigkeit von dem Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung und dem Momentanwert der Netznennspannung verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsübersetzung in dem Verfahrensmodus in Abhängigkeit von der an der mindestens einen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten (8, 10, 11) gemessenen Netzspannung verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in dem Verfahrensmodus kaskadiert in dem Netzabschnitt (1) und mit mindestens einer weiteren Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung auch in einem Netzunterabschnitt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung ein regelbarer Ortsnetztransformator (2) oder ein Längsregler (12) verwendet wird.
Vorrichtung mit veränderbarer Spannungsübersetzung zum Anschluss eines Netzabschnitts (1) an ein überlagertes Netz (3), wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist und einen Controller aufweist, der die Spannungsübersetzung einstellt, um eine Netznennspannung auf der Netzabschnittsseite der Vorrichtung einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zumindest in einem Betriebsmodus – die Netznennspannung erhöht, um einem Anstieg der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheit (8, 10, 11) entgegenzuwirken, und/oder – die Netznennspannung absenkt, um einem Abfall der Netzspannung an der Energieverbrauchs- und/oder- erzeugungseinheit (8, 10, 11) entgegenzuwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zum Erfassen des Wirkleistungsflusses durch die Vorrichtung den Wirkleistungsfluss durch die Vorrichtung auf das Überschreiten eines Wirkleistungsgrenzwerts überwachen und dass der Controller bei einem Wirkleistungsfluss oberhalb des Wirkleistungsgrenzwerts in den Verfahrensmodus übergeht.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass an den Controller angeschlossene Einrichtungen zum Messen des Wirkleistungsflusses durch die Vorrichtung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den Controller angeschlossene Einrichtungen zum Messen der Netznennspannung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller Eingänge für an einzelnen Energieverbrauchs- und/oder -erzeugungseinheiten (8, 10, 11) in dem Netzabschnitt (1) gemessene lokale Netzspannungen aufweist.
Ortsnetztransformator (2) oder Längsregler (12) nach einem der Ansprüche 12 bis 16.