-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Versorgen von zumindest einem elektrischen Verbraucher mit elektrischer Leistung, die von zumindest einem lokalen Erzeuger erzeugt wird. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben von zumindest einem elektrischen Verbraucher und zumindest einem elektrischen Erzeuger. Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Netzwerk aus einer Mehrzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
-
Mit zunehmender Dezentralisierung der Energieerzeugung, bedingt durch den Ausbau der elektrischen Nutzung erneuerbarer Energien, kommt es immer häufiger vor, dass innerhalb eines einzelnen Haushalts oder eines Industriebetriebs elektrische Energie sowohl erzeugt als auch wieder verbraucht wird. Diese Entwicklung steht der bisherigen Konzeption von Stromversorgungsnetzen diametral gegenüber. Unter einem Versorgungsnetz ist hierbei ein elektrisches Stromverteilnetz zu verstehen, über welches elektrische Leistung von einem Kraftwerk überregional und unidirektional zu elektrischen Verbrauchern übertragen wird, also z.B. ein 230V, 50 Hz Wechselstromnetz. Eine andere Bezeichnung für ein zentrales Versorgungsnetz ist auch Verbundnetz. In Versorgungsnetzen wird elektrische Energie aus großen, zentral gelegenen Kraftwerken, also z.B. Nuklear- oder Kohlekraftwerken, über räumlich weit ausgedehnte Versorgungsnetze den Endverbrauchern unidirektional zugestellt, ohne dass auf die tatsächlichen Energiebedürfnisse individueller Endverbraucher, etwa eines einzelnen Haushalts oder spezifischer elektrischer Verbraucher innerhalb des Haushalts, eingegangen werden muss. In solchen Stromverteilnetzwerken kann elektrische Energie zwar zu einem gewissen Grad auch lokal, beispielsweise von einer Windkraftanlage, erzeugt werden. Häufig wird diese Energie aber nicht an Ort und Stelle wieder verbraucht. Stattdessen speisen heutzutage lokale Energieerzeuger ihre Energie in das zentrale Stromverteilnetz ein, wofür der Betreiber dieses lokalen Energieerzeugers vom Netzbetreiber pro abgegebene Energiemenge entlohnt wird. Hierbei kann es vorkommen, dass in unmittelbarer Nähe der Windkraftanlage ein elektrischer Verbraucher aus dem selben Stromverteilnetz elektrische Energie entnimmt, in welches die Windkraftanlage seine Energie zuvor eingespeist hat. Wegen der Möglichkeit, jederzeit benötigte elektrische Leistung auch von einem Kraftwerk über das Versorgungsnetz zu beziehen und überschüssige Leistung über das Versorgungsnetz an weiter entfernte Verbraucher abzuführen, ist es hierbei aber überflüssig, den Betrieb zwischen der Windkraftanlage und dem nahegelegenen Verbraucher aufeinander abzustimmen.
-
Unter Umständen kann es aber erwünscht sein, in einem eng abgegrenzten Gebiet, beispielsweise innerhalb eines Haushalts oder eines Industriebetriebs, elektrische Verbraucher und elektrische Erzeuger so aufeinander abzustimmen, dass ein autonomer Betrieb, d.h. ein versorgungsnetzunabhängiger Inselbetrieb, ermöglicht ist. Hierfür kann es technische oder wirtschaftliche Gründe gegeben, beispielsweise eine Betriebssicherheit der Geräte gegenüber Instabilitäten im umgebenden Stromverteilnetz. Mitunter erfordert auch die räumliche Lage der Geräte eine lokale Autonomie. In Gegenden, welche von einem Versorgungsnetz nicht abgedeckt sind, muss der Bedarf an elektrischer Energie gänzlich lokal abgedeckt werden. Im Folgenden wird für eine Gruppe von elektrischen Verbrauchern und Erzeugern, die sich auf einem lokal abgegrenzten Bereich, beispielsweise in einem einzelnen Haushalt oder in einem Industriebetrieb, befinden, als Prosumer-Einheit bezeichnet, wobei das Wort Prosumer ein Kofferwort ist, welches aus den Wörtern Produzent und Konsumer geschaffen ist. Produzent steht hierbei für einen elektrischen Energieerzeuger, Konsumer für einen elektrischen Verbraucher.
-
Prosumer-Einheiten entstehen oft durch Investitionen einzelner Haushalte, insbesondere in ländlichen Gegenden von Entwicklungs- oder Schwellenländern. Nach und nach werden einzelne dieser Prosumer-Einheiten dann miteinander elektrisch gekoppelt, um so die einzelnen Prosumer-Einheiten gegenseitig durch Austausch von elektrischer Leistung stützen zu können.
-
Der Betrieb einer einzelnen Prosumer-Einheit und der Betrieb mehrerer untereinander vernetzter Prosumer-Einheiten wird hier als Inselbetrieb bezeichnet. Im Inselbetrieb besteht keine Möglichkeit, elektrische Leistung aus einem zentralen Versorgungsnetz von einem zentralen Kraftwerk zu beziehen. Deshalb ist es besonders wichtig, dass der Leistungsbedarf der Verbraucher auf die Leistungsfähigkeit der Erzeuger abgestimmt ist. Eine besondere Herausforderung stellt vor allem die Volatilität der lokal verbauten erneuerbaren Energiequellen, also Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, dar.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Prosumer-Einheit aus zumindest einem elektrischen Verbraucher und zumindest einem elektrischen Erzeuger zu betreiben.
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Anschlussvorrichtung gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
-
Die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung weist demnach einen Zwischenkreis auf, in welchen in an sich bekannter Weise eine gleichgerichtete Spannung erzeugt werden kann. Die Anschlussvorrichtung dient zum Betreiben von zumindest einem elektrischen Gerät, das jeweils entweder elektrische Leistung erzeugt (elektrischer Erzeuger) oder verbraucht (elektrischer Verbraucher). Die Anschlussvorrichtung kann zusammen mit den angeschlossenen Geräten eine Prosumer-Einheit bilden. Über den Gleichspannungs-Zwischenkreis sind in der Anschlussvorrichtung alle an die Anschlussvorrichtung angeschlossenen Geräte zum gegenseitigen Austauschen von elektrischer Energie gekoppelt. Als Erzeuger können z.B. Solarpanelen angeschlossen sein, als Verbraucher z.B. Haushaltsgeräte. Es kann auch ein Gerät angeschlossen sein, das elektrische Energie zeitweise erzeugt und zeitweise verbraucht, wie z.B. ein elektrischer Akkumulator oder ein Schwungradspeicher. Insbesondere im Zusammenhang mit einem Energiespeicher kann vorgesehen sein, dass dieser direkt, d.h. ohne einen zwischengeschalteten Wandler mit dem Zwischenkreis elektrisch verbunden ist.
-
Die Anschlussvorrichtung umfasst jeweils einen Anschluss für jedes Gerät, der, bevorzugt über einen Wandler, mit dem Zwischenkreis gekoppelt ist. Zusätzlich ist zumindest ein steuerbarer Wandler vorgesehen, welcher jeweils den Zwischenkreis mit einem Anschluss für ein Kabel koppelt, dass zum Übertragen von elektrischer Energie an eine weitere erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung angeschlossen sein kann. So lassen sich die Anschlussvorrichtungen untereinander zu einem Netz zusammenschalten.
-
Eine Prozessoreinheit der Anschlussvorrichtung, also z.B. ein Mikrocontroller oder ein Embedded-System, ist dazu ausgelegt, für zukünftige Zeitintervalle jeweils einen Energiebilanzwert für angeschlossene Geräte zu ermitteln. Der Energiebilanzwert gibt die Differenz zwischen einer in den Zwischenkreis von angeschlossenen energieerzeugenden Geräten einspeisbaren Energie und einer von angeschlossenen energieverbrauchenden Geräten benötigten Energie an. Diesen Energiebilanzwert kann die Prozessoreinheit über eine Kommunikationseinrichtung der Anschlussvorrichtung, z.B. eine Kabelverbindung oder eine Funkverbindung, an eine zentrale Zuteilungseinheit übermitteln. Die Prozessoreinheit ist weiter dazu ausgebildet, von der Zuteilungseinheit dann einen Vorgabewert zu empfangen und durch Steuern des zumindest einen steuerbaren Wandlers gemäß dem Vorgabewert eine Energieübertragung über den Anschluss für das jeweilige Kabel an den Zwischenkreis zumindest einer anderen Anschlussvorrichtung zu bewirken. Der Vorgabewert gibt hierbei vor, wie viel Energie die jeweilige Anschlussvorrichtung mit den Anschlussvorrichtungen austauschen muss, um die Energiebilanzen auszugleichen. Das Ermitteln des Energiebedarfs bzw. Energieüberschusses eines einzelnen angeschlossenen Geräts ist nicht Teil der Erfindung. Hier kann auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann ein Energiebedarf eines Verbrauchers aus vorangegangen beobachteten Verbraucherprofilen oder aus durch eine Kommunikation mit dem Verbraucher ermittelt werden. So kann z.B. eine Information zu einem momentan aktiven Waschprogramm einer Waschmaschine ermittelt und daran der zukünftige Energiebedarf geschätzt werden.
-
So können in vorteilhafter Weise durch den Austausch von Energie zwischen den vernetzten Anschlussvorrichtungen lokale Energieüberschüsse in Prosumer-Einheiten und lokale Energiedefizite in anderen Prosumer-Einheiten innerhalb des Netzes ausbalanciert werden. Dies kann die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gesamtheit der über die Anschlussvorrichtung betriebenen Geräte erhöhen.
-
Die Balancierung der Energie in dem aus den Anschlussvorrichtungen gebildeten Netz wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt. Das Verfahren dient zum Steuern von zumindest zwei elektrischen Anschlussvorrichtungen, an welchen jeweils zumindest ein Gerät angeschlossen ist, das in der oben beschriebenen Weise elektrische Energie erzeugt und/oder verbraucht. In die Anschlussvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ dazu ein Energiespeicher integriert sein, indem der Energiespeicher direkt an den Zwischenkreis angeschlossen ist. Das Verfahren ist auch ausführbar, wenn an eine Anschlussvorrichtung nur Erzeuger und/oder an eine Anschlussvorrichtung nur Verbraucher angeschlossen sind.
-
In jeder Anschlussvorrichtung wird gemäß dem Verfahren zu vorbestimmten Zeitpunkten jeweils für ein vorbestimmtes zukünftiges Zeitintervall der Energiebilanzwert ermittelt, also etwa alle fünf oder alle zehn Minuten. Als besonders geeignet hat sich eine Wiederholdung in Zeitabständen von einer Minute bis zehn Minuten erwiesen. Die Dauer der Zeitintervalle kann auch variabel und auch dynamisch anpassbar sein. Die Anschlussvorrichtungen übermitteln dann ihren Energiebilanzwert an die Zuteilungseinheit. Bei dieser kann es sich um eine zentrale Prozessoreinheit handeln, die im Netz bereitgestellt ist, also z. B. einen weiteren Mikrocontroller oder ein Steuergerät. Bevorzugt wird Zuteilungseinheit aber durch eine Prozessoreinheit einer der Anschlussvorrichtungen bereitgestellt. Dies hat den Vorteil, dass die Anschlussvorrichtungen selbstorganisierend betrieben werden können. Hierzu wird bevorzugt durch die am Netz teilnehmenden Anschlussvorrichtungen auch selbständig festgelegt, welche von ihnen die Zuteilungseinheit bereitstellt.
-
Durch die Zuteilungseinheit werden die Energiebilanzwerte dahingehend ausgewertet, welche Anschlussvorrichtung in dem fraglichen Zeitintervall noch Energie benötigt und welche diese zumindest teilweise bereitstellen kann. Auf Grundlage der Auswertung wird dann durch die Zuteilungseinrichtung für die Anschlussvorrichtungen jeweils der erwähnte Vorgabewert ermittelt. Zusätzlich kann ein weiteres Optimierungskriterium erfüllt werden. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Wirtschaftlichkeitskriterium handeln, gemäß welchem beispielsweise zeitabhängige Bezugskosten von elektrischer Leistung von einer anderen Prosumer-Einheit bzw. ein entsprechender Einspeisepreis berücksichtigt wird und beispielsweise bei einer positiven Leistungsbilanz, wenn mehr Energie erzeugt werden kann, als die Verbraucher benötigen, die überschüssige Leistung dennoch von den Erzeugern abgegriffen und an die weitere Prosumer-Einheit abgegeben wird. Auch technische Rahmenbedingungen können von dem Optimierungskriterium umfasst sein. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass ein als Energiespeicher angeschlossener Akkumulator bestimmte Ladezyklen durchlaufen muss, um nicht vorzeitig zu altern. Auch soziale Komponenten können berücksichtigt werden. Hierunter fällt beispielsweise die Einteilung der Woche in Arbeitstage und Feiertage, woraus sich ein entsprechend variierender Leistungsbedarf der Verbraucher ergeben kann. Auch die Auswertung eines Fernsehprogramms kann eine zuverlässige Vorhersage eines Leistungsbedarfs z. B. eines Fernsehers ermöglichen. Des Weiteren können geografische Informationen berücksichtigt sein, wie beispielsweise die Überprüfung, ob die Vorrichtung in einer eher nördlichen Region oder einer südlichen, beispielsweise tropischen, Region aufgestellt ist. Algorithmen für die Berechnung eines solchen Optimierungsproblems sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Die berechneten Vorgabewerte werden dann an die einzelnen Anschlussvorrichtungen zurück übermittelt. Die Anschlussvorrichtungen tauschen dann über die Kabel untereinander elektrische Energie gemäß den Vorgabewerten durch Ansteuern ihrer Wandler aus. Innerhalb jeder Anschlussvorrichtung kann dann noch eine Leistungsflusskontrolle zwischen angeschlossenen Geräten und dem Zwischenkreis über jeweilige weitere in den Anschlüssen integrierte Wandler erfolgen.
-
Um verbesserte Optimierungsmöglichkeiten zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass die Anschlussvorrichtungen jeweils Energiebilanzwerte zu mehreren zukünftigen Zeitintervallen zugleich an die Zuteilungseinheit übermitteln. Auch kann vorgesehen sein, durch die Anschlussvorrichtungen Speicherfüllstandswerte und Speicherkapazitätswerte von angeschlossenen Energiespeichern an die Zuteilungseinheit zu übermitteln. Diese können dann ebenfalls bei der Optimierung berücksichtigt werden, was die Flexibiltät bei der Planung vergrößern kann.
-
Die einzelnen Anschlussvorrichtungen können in dem Netz auch als Router (Vermittlungsknoten) sowohl für die im Netz übertragene Energie als auch für zu übertragende Daten dienen. So kann z.B. elektrische Energie über mehrer Anschlussvorrichtungen hinweg und über mehrer Zeitintervalle hinweg im Netz schrittweise übertragen werden, um dann rechtzeitig in der benötigten Menge im vorbestimmten Zeitintervall bei einer Anschlussvorrichtung anzukommen. Die gemäß den Vorgabewerten an diese Anschlussvorrichtung zu übertragende Energie wird also in einem Energiespeicher einer anderen Vorsorgungsvorrichtung zunächst zwischengespeichert. So können Erzeuger und Verbraucher in vorteilhafter Weise auch für einen längeren Zeitraum und über größere Strecken hinweg miteinander koordiniert werden.
-
In dem Netz kann eine Anschlussvorrichtung auch wahlweise dynamisch zu- und/oder abgeschaltet werden. Ein Wegfall wird durch die intervallweise Planung kompensiert. Das Zuschalten im Betrieb ermöglicht die sukzessive Erweiterung des Netzes im Betrieb desselben.
-
Für die Festlegung der Vorgabewerte wird bevorzugt eine geographische Lage der Anschlussvorrichtungen ermittelt und durch die Zuteilungseinheit beim Ermitteln der Vorgabewerte berücksichtigt. Insbesondere werden hierbei Vorgabewerte für die Energieübertragung ermittelt, für die sich eine minimierte Übertragungsweglänge der Energie ergibt. Dies verringert in vorteilhafter Weise die Übertragungsverluste.
-
Zwei geographisch nahe beieinander gelegene Anschlussvorrichtungen müssen aber nicht zwingend mit einem Kabel verbunden sein. In diesem Fall gibt die Berücksichtigung der geographischen Lage eventuell falsche Ergebnisse. Deshalb kann auch eine Topologie des Netzes ermittelt und durch die Zuteilungseinheit beim Ermitteln der Vorgabewerte berücksichtigt werden. Hierbei wird bevorzugt eine Kabelweglänge bei der Energieübertragung minimiert.
-
Eine Minimierung ist aber nicht zwingend. Es kann auch z. B. nur vorgegeben sein, dass die Übertragungsverluste bzw. die Kabelweglänge unter einem vorbestimmten Wert liegen soll, der nicht zwingend das Minimum darstellt. Dies eröffnet Freiheitsgrade, um die Vorgabewerte derart festzulegen, dass noch weitere Randbedingungen erfüllt werden können, z. B. geographische und/oder technische und/oder wirtschaftliche Vorgaben.
-
Die Vernetzung der Anschlussvorrichtungen kann an ihre Grenzen stoßen, wenn die geographische Erstreckung des Netzes und die Anzahl der Anschlussvorrichtungen derart groß sind, dass die Menge der übertragenen Energiebilanzwerte über die großen Distanzen und die Menge der Vorgabewerte der vielen Anschlussvorrichtungen nicht mehr schnell genug erfolgen kann und die Zuteilungseinheit die Daten auch nicht mehr schnell genug verarbeiten kann. Eine Lösung dieses Problems durch Vergrößerung der Übertragungsbandbreiten und der Rechenleistung würde alle Anschlussvorrichtungen im Netz betreffen und wäre daher nicht wirtschaftlich sowie technisch nicht in unbegrenztem Ausmaß möglich.
-
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist stattdessen vorgesehen, dass das Netz organisatorisch in Teilnetze unterteilt wird. Ein solches Teilnetz wird hier als Netzzelle oder kurz Zelle bezeichnet. Eine solche Netzzelle ist jeweils aus den von einer bestimmten Zuteilungseinheit über die Vorgabewerte gesteuerten Anschlussvorrichtungen gebildet. Mit anderen Worten stellt ein Verbund aus Anschlussvorrichtungen und zugehöriger Zuteilungseinheit eine Netzzelle dar. Umfasst das Netz nun weiteren Anschlussvorrichtungen, weil diese z.B. im Nachhinein hinzugeschaltet wurden oder weil diese in so großer Entfernung von der Zuteilungseinheit liegen, dass sie nicht mehr von dieser gesteuert werden sollen, so werden diese weiteren Anschlussvorrichtungen zu einer oder mehreren weiteren Netzzellen zusammengefasst. Mit anderen Worten werden sie durch zumindest eine weitere Zuteilungseinheit in der genannten Weise gesteuert, wobei insgesamt jede weitere Anschlussvorrichtung genau einer Netzzelle zugeordnet ist.
-
Jede Zuteilungseinheit hat dann nur den Berechnungsaufwand für eine Netzzelle zu betreiben. Hierbei zerfällt das Netz aber nicht in unabhängige Netzzellen. Es ist vielmehr weiterhin ein Austausch von Energie über das gesamte Netz ermöglicht. Hierzu wird durch die Zuteilungseinheiten der einzelnen Netzzellen jeweils ein Zellen-Energiebilanzwert ermittelt und dieser an eine übergeordnete Zellen-Zuteilungseinheit übermittelt. Die Zellen-Zuteilungseinheit bildet damit eine logische Ebene. Auf dieser Ebene können die einzelnen Netzzellen genauso verwaltet werden, wie die einzelnen Anschlussvorrichtungen innerhalb jeder Netzzelle, d.h. es werden die Bedarfs- oder Energiebilanzwerte zu einer Zellen-Zuteilungseinheit hin und die Vorgabewerte zu einer zentralen, für die jeweilige Zelle zuständigen Zuteilungseinheit zurückübertragen. Denn jede Netzzelle wird durch ihren Energiebilanzwert repräsentiert, so wie innerhalb jeder Netzzelle die Anschlussvorrichtungen. Durch die übergeordnete Zellen-Zuteilungseinheit wird dann entsprechend für die Zuteilungseinheiten jeder Netzzelle jeweils ein Zellen-Vorgabewert für einen Energieaustausch zwischen den Netzzellen ermittelt. Hierbei können prinzipiell dieselben Algorithmen genutzt werden, wie sie auch innerhalb jeder Netzzelle genutzt werden.
-
Entsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass auch Zellen-Zuteilungseinheiten jeweils durch eine Prozessoreinheit einer der Anschlussvorrichtungen bereitgestellt werden. Dann ist auch für die Ermittlung der Zellen-Vorgabewerte kein zusätzliches Steuergerät nötig.
-
Genauso vorteilhaft ist es, wenn durch die Anschlussvorrichtungen das Netz selbständig in Netzzellen eingeteilt wird. So bleibt das Netz selbstorganisierend.
-
Um auf Veränderungen im Netz flexibel reagieren zu können, etwa einen Ausfall einer leistungsstarken Energiequelle in einer Netzzelle oder die graduelle Veränderung der Netzstruktur durch zu- und abschalten von Anschlussvorrichtungen, wird die Zuordnung einer Anschlussvorrichtung zu einer Netzzelle im Betrieb verändert.
-
Bei der Einteilung des Netzes in Netzzellen werden die Anschlussvorrichtungen bevorzugt auf der Grundlage von geographischen und/oder technischen und/oder wirtschaftlichen Vorgaben zu den Netzzellen zugeordnet. So können die beschriebenen Probleme in einem großen Netz vermieden werden.
-
Um ein Netz mit einer beliebigen Größe zu ermöglichen, bilden die Zellen-Zuteilungseinheiten bevorzugt eine Hierarchie, in welcher Energiebilanzwerte an übergeordnete Zellen-Zuteilungseinheiten und Vorgabewerte an untergeordnete Zellen-Zuteilungseinheiten übermitteln werden. Dann ist für jede Zellen-Zuteilungseinheit die Anzahl der zu verwaltenden Netzzellen stets auf einen vorgebbaren Wert begrenzbar. Um auch hier auf Veränderungen im Netz flexibel reagieren zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl der Hierarchieebenen im Betrieb der Anschlussvorrichtungen verändert wird.
-
Wie bereits ausgeführt, kann es sich bei der Anschlussvorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens um eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung handeln. Als Anschlussvorrichtung kann auch eine Vorrichtung verwendet werden, wie sie von der Anmelderin am selben Anmeldetag wie diese Anmeldung zum Patent angemeldet wurde.
-
Des weiten kann auch umgekehrt die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung in derselben Weise weitergebildet sein, wie es in der bereits genannten parallelen Anmeldung der Anmelderin beschrieben ist. Aus diesem Grunde ist der Inhalt der parallelen Anmeldung hier vollumfänglich als Bestandteil der vorliegenden Erfindungsbeschreibung anzusehen. Auch im Zusammenhang mit der Ermittlung des Energiebedarfs der einzelnen angeschlossenen Geräte einer Anschlussvorrichtung wird auf die parallele Anmeldung verweisen.
-
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung, welche Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden. Aus diesem Grund sind diese Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
-
Zu der Erfindung gehört des Weiteren ein nicht gesondert beanspruchtes Netz aus Anschlussvorrichtungen, welches zum Durchführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
-
Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal genauer anhand von konkreten Ausführungsbeispielen erläutert. Dazu zeigt:
-
1 ein Blockschaltbild zu einer prinzipiellen Bauweise einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung,
-
2 eine schematische Darstellung eines Netzes aus Anschlussvorrichtungen,
-
3 das Netz aus 2, wobei es logisch in Netzzellen unterteilt ist, und
-
4 eine Skizze zur Veranschaulichung von logischen Ebenen der Netzzellen.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Beispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Vorrichtung jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In 1 ist eine Prosumer-Einheit 10 gezeigt, wie sie beispielsweise in einem Haushalt oder in einem Industriebetrieb installiert sein kann. Die Prosumer-Einheit 10 kann einen oder mehrere elektrische Erzeuger 12, einen oder mehrere elektrische Verbraucher 14 und einen oder mehrere elektrische Energiespeicher 16 umfassen, die alle über eine Schaltvorrichtung 18 miteinander verschaltet sind. Bei der Schaltvorrichtung 18 handelt es sich um eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Schaltvorrichtung 18 kann zudem über ein Kabel 20 mit weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden sein. Die Prosumer-Einheit 10 und die über das Kabel 20 angeschlossenen weiteren Prosumer-Einheiten bilden ein Energieversorgungssystem, das nicht auf die Versorgung durch zentrale Kraftwerke über ein Energieversorgungsnetz angewiesen ist. Die Schaltvorrichtung 18 verwaltet hierbei die angeschlossenen Erzeuger 12, Verbraucher 14 und Speicher 16 sowie den Energiefluss über das Kabel 20 zu den übrigen Prosumer-Einheiten. Die Schaltvorrichtung 18 kann auch mehrere Anschlüsse vom Typ des Anschlusses 66 aufweist, so dass sie über mehrere Kabel mit mehreren weiteren Schaltvorrichtungen verbunden sein kann.
-
Die Schaltvorrichtung 18 umfasst einen leistungselektronischen Teil 22 und eine Prozessoreinheit 24, die in einem gemeinsamen Gehäuse 26 angeordnet sein können.
-
Bei der Prozessoreinheit 24 kann es sich z.B. um einen Mikrokontroller oder ein Embedded-System (Integriertes Computersystem) handeln. Über die Leistungselektronik 22 sind die an die Schaltvorrichtung 18 angeschlossenen Geräte 12, 14, 16, 20 elektrisch miteinander gekoppelt.
-
Die Leistungselektronik 22 umfasst einen Zwischenkreis ZK, der beispielsweise mehrere Stromschienen 28 und einen Glättungskondensator 30 umfassen kann.
-
Die Erzeuger 12 sind jeweils über einen Erzeugeranschluss 32 mit dem Zwischenkreis ZK verbunden. In dem Zwischenkreis ZK ist eine Gleichspannung Uzk bereitgestellt. Sie kann beispielsweise einen Nennwert zwischen 10 Volt und 400 Volt aufweisen. Jeder Erzeugeranschluss 32 weist diejenigen elektrischen Komponenten auf, die zur Übertragung von elektrischer Leistung von einem der Erzeuger 12 in den Zwischenkreis ZK nötig sind. So kann ein Anschluss 32 beispielsweise einen am Gehäuse 26 befestigten Stecker 34 für ein Anschlusskabel 36 eines Erzeugers und einen Wandler 38 umfassen. Bei dem Wandler 38 kann es sich je nach anzuschließendem Erzeuger um einen DC-DC-Wandler (DC-Gleichstrom) oder einen AC-DC-Wandler (AC-Wechselstrom) handeln. Von den Komponenten der Anschlüsse 32 sind in 1 der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei mit einem Bezugszeichen versehen. Über die Erzeugeranschlüsse 32 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel eine Photovoltaikanlage 40, eine Brennstoffzelle 42, eine Windkraftanlage 44 und eine Wasserkraftanlage 46 angeschlossen. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann es hierbei insbesondere auch ermöglicht sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung über einen Erzeugeranschluss auch an ein externes, großes Versorgungsnetz anzuschließen, also ein Verbundnetz. So kann beispielsweise in einem Gebiet, in welchem durch dieses Versorgungsnetz nur sehr unzuverlässig oder nur zu bestimmten Zeiten elektrische Leistung bereitgestellt wird, dieses Versorgungsnetz aus Sicht der Vorrichtung wie einer von mehreren Erzeugern behandelt werden, wobei dem Versorgungsnetz dann der gleiche Stellenwert wie anderen Erzeugern eingeräumt ist.
-
Ein Speicheranschluss 48 verbindet den Zwischenkreis ZK mit dem Energiespeicher 16. Auch der Speicheranschluss 48 kann einen im Gehäuse 26 befestigten Stecker 50 und einen Wandler 52 aufweisen. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist als Energiespeicher 16 eine wiederaufladbare Batterie 54 (d.h. ein Akkumulator) bereitgestellt. Entsprechend handelt es sich bei dem Wandler 52 um einen DC-DC-Wandler.
-
Die Verbraucher 14 sind jeweils über Verbraucheranschlüsse 56 mit dem Zwischenkreis ZK verbunden. Auch die Verbraucheranschlüsse 56 können jeweils einen Stecker 58 und einen Wandler 60 aufweisen, von denen in 1 lediglich jeweils nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Je nach Typ der angeschlossenen Verbraucher ist als Wandler 60 ein DC-DC-Wandler oder ein DC-AC-Wandler bereitgestellt. Als Verbraucher sind in 1 beispielhaft zwei Gleichstrom-Verbraucher 62 und zwei Wechselstrom-Verbraucher 64 bereitgestellt, wobei letztere beispielsweise mit 230 Volt, 50 Hz Wechselspannung zu betreiben sein können.
-
Das Kabel 20 ist über einen Netzanschluss 66 mit dem Zwischenkreis ZK verbunden. Auch der Netzanschluss 66 kann einen Wandler 68 aufweisen. Die Leistungsübertragung über das Kabel 20 kann als Gleichstrom (DC) oder als Wechselstrom (AC) erfolgen. Entsprechend handelt es sich bei dem Wandler 68 um einen DC-DC-Wandler oder einen AC-DC-Wandler.
-
Die Wandler 38, 52, 60, 68 der Anschlüsse 32, 48, 56, 66 können steuerbar sein. Die Steuerung erfolgt dann durch die Prozessoreinheit 24. Insgesamt sind hierdurch Steuermittel bereitgestellt. Die Prozessoreinheit 24 steuert den Leistungsfluss zwischen den angeschlossenen Geräten 12, 14, 16, 20 und dem Zwischenkreis ZK. Hierbei wird eine vorausschauende Ansteuerung der lokalen Erzeuger 12, Speicher 16 und Verbraucher 14 realisiert, so dass Schwankungen im lokalen Energiehaushalt dadurch vermieden werden, dass einzelne Verbraucher 14 stets nur dann betrieben werden, wenn entsprechende Leistung von den Erzeugern 12 oder von anderen Prosumer-Einheiten über das Kabel 20 oder aus dem Speicher 16 bezogen werden kann. Die Anpassung der Betriebsspannung und gegebenenfalls der Betriebsfrequenz der angeschlossenen Erzeuger 12, Verbraucher 14, Speicher 16 und dem Kabel 20 kann hierbei über die Wandler 38, 52, 60, 68 bewirkt werden. Die elektrische Sicherheit kann beispielsweise durch Isolationswächterschaltungen gewährleistet sein, welche Isolationsfehler im Zwischenkreis oder in den angeschlossenen Geräten 12, 14, 16, 20 erkennen und gegebenenfalls einen entsprechenden Stromfluss über die Wandler 38, 52, 60, 68 blockieren. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Anzeige des erkannten Fehlers und/oder eine Benachrichtigung eines Servicetechnikers automatisch erfolgt.
-
Ein Anschluss 32, 48, 56, 66 kann des Weiteren eine Sicherung oder einen Trennschalter, z.B. ein Relais, umfassen sowie die für den Leistungsfluss benötigten Starkstromleitungen. Des Weiteren kann ein Anschluss 32, 48, 56, 66 ein Filter zur Unterdrückung von Oberwellen und auch ein separates Gehäuse umfassen. In einem Anschluss 32, 48, 56, 66 können durch einen Energiezähler und/oder ein Amperemeter und/oder eine Messschaltung für elektrische Leistung Erfassungsmittel bereitgestellt sein.
-
Des Weiteren kann eine Kommunikationsleitung in den Anschluss integriert sein, über welches ein angeschlossenes Gerät Daten mit der Prozessoreinheit 24 austauschen kann. Die Prozessoreinheit 24 kann die Daten der angeschlossenen Geräte 12, 14, 16, 20 dazu nutzen, deren voraussichtlichen Bedarf an elektrischer Leistung bzw., im Falle eines Erzeugers oder eines Energiespeichers, die von der Schaltvorrichtung 18 empfangbare elektrische Leistung für eine vorbestimmtes zukünftiges Zeitintervall vorherzusagen. Des Weiteren können hierzu externe Datendienste von der Prozessoreinheit 24 genutzt werden, wie beispielsweise Wetterdaten oder auch eine Information über die geografische Lage der Prosumer-Einheit 10, wie sie beispielsweise über GPS ermittelt werden kann. Auch ein Leistungsbedarf bzw. ein Leistungsüberschuss einer anderen Prosumer-Einheit, die über das Kabel 20 angeschlossen ist, kann der Planung der Leistungsflüsse zugrundegelegt werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Benutzer der Prosumer-Einheit 10 diese über eine Benutzeroberfläche konfiguriert und hierbei Informationen über einen voraussichtlichen Leistungsbedarf bereitstellt. Die Benutzeroberfläche kann z.B. eine grafische Benutzeroberfläche auf einem Bildschirm und/oder ein Bedienfeld aus Bedienelementen umfassen. Auch eine Bedienung über eine Netzwerkverbindung z. B. von einem Computer aus kann vorgesehen sein. Informationen über den voraussichtlichen Leistungsbedarf einzelner Verbraucher bzw. die Leistungsfähigkeit einzelner Erzeuger können beispielsweise auch über das Internet von der Prozessoreinheit 24 empfangen werden. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Hersteller der entsprechenden Geräte solche Informationen bereitstellen.
-
Die entsprechenden von der Prozessoreinheit 24 gesammelten Informationen sind dabei sicher innerhalb der Schaltvorrichtung 18 gespeichert. Sie werden bevorzugt nicht über beispielsweise das Kabel 20 an andere Prosumer-Einheiten übermittelt. Lediglich das Ergebnis des Abgleichs aus verfügbarer Leistung und benötigter Leistung, d.h. die Leistungsbilanz, wird mit anderen Schaltvorrichtungen ausgetauscht.
-
Neben der eigentlichen Steuerung der Leistungsflüsse durch die Prozessoreinheit 24 kann auch eine Optimierung derselben erfolgen, um beispielsweise einen Energiespeicher 16 zu schonen, indem dieser nur in der Weise auf- bzw. entladen wird, wie es für eine Maximierung der Lebensdauer beispielsweise der Batterie 24 nötig ist.
-
Das Beispiel von 1 veranschaulicht, wie durch den Einsatz von Rechentechnik, Kommunikationstechnik und Leistungselektronik in der Schaltvorrichtung 18 ein Gesamtsystem bereitgestellt werden kann, das zu einer zuverlässigen, sicheren und wirtschaftlichen Energieversorgung führt, indem eine lokale Steuerung und Kontrolle der Erzeuger 12, Verbraucher 14 und Speicher 16 in einer einzelnen Prosumer-Einheit 10 sowie die Einbindung der Prosumer-Einheit 10 in ein Netz aus mehreren Prosumer-Einheiten ermöglicht ist.
-
In 2 ist ein Netz 100 aus Anschlussvorrichtungen 102 gezeigt, die über Kabel 104 miteinander vernetzt sind. Von den Kabeln 104 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Das Netz 100 ist nicht von einer bestimmten Topologie abhängig. Es kann sich z. B. um einen Bus, ein vermaschtes Netz (wie hier dargestellt) oder einen Ring handeln. Die Kabel 104 sind für die Energieübertragung ausgestaltet und können auch für die Datenübertragung ausgestaltet sein. Die Energieübertragung kann z. B. als Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) bei einer elektrischen Effektivspannung zwischen 10 V und 400 V erfolgen. Bei den Anschlussvorrichtungen 102 kann es sich jeweils um Ausführungsformen der in 1 gezeigten Anschlussvorrichtung handeln. Die Anschlussvorrichtungen 102 können jeweils Verbraucheranschlüsse 106 zum Anschließen von elektrischen Verbrauchern (nicht dargestellt), Erzeugeranschlüsse 108 zum Anschließen von elektrischen Erzeugern (nicht dargestellt), Speicheranschlüsse 110 zum Anschließen von elektrischen Speichern (nicht dargestellt) und einen oder mehrere Kabelanschlüsse 112 für die Kabel 104 aufweisen. In 2 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Anschlüsse 106 bis 112 einer Anschlussvorrichtung 102 mit Bezugszeichen versehen. Die Anschlussvorrichtungen 102 bilden jeweils zusammen mit ihren angeschlossenen Geräten eine Prosumer-Einheit. Das Netz 100 ist nicht auf eine zentrale Versorgung durch ein Kraftwerk, z. B. ein Atomkraftwerk, angewiesen. Die elektrische Energie wird von den Erzeugern des Netzes, z. B. Solaranlagen und Windkraftanlagen, erzeugt und über die Kabel 104 unter den Prosumer-Einheiten verteilt. Beispielsweise kann ermöglicht sein, dass über ein Kabel 104 eine elektrische Leistung von bis zu 500 W übertragen wird.
-
Die elektrische Energie wird hierbei durch die Anschlussvorrichtungen 102 ausgetauscht. Die Anschlussvorrichtungen 102 kontrollieren und koordinieren den Austausch von elektrischer Energie. Unter Austausch von elektrischer Energie ist zu verstehen, dass eine bestimmte Energiemenge aus dem Zwischenkreis einer Anschlussvorrichtung 102 zum Zwischenkreis einer anderen Anschlussvorrichtung 102 innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls transferiert wird. Für den kontrollierten Energieaustausch über ein Kabel 104 kann der in der jeweiligen Anschlussvorrichtung 102 zwischen dem Zwischenkreis und dem Kabelanschluss 112 angeordnete steuerbare Wandler sorgen, der z. B. ein Stromrichter sein kann und der von einer Prozessoreinheit der jeweiligen Anschlussvorrichtung 102 gesteuert sein kann.
-
Der Energieaustausch wird dadurch koordiniert, dass ein Kommunikationsnetzwerk zwischen den Anschlussvorrichtungen 102 besteht, das z. B. ebenfalls mittels der Kabel 104 gebildet sein kann. In einer vorbestimmten Zeittaktung wird auf der Grundlage von Energiebilanzwerten jeder Anschlussvorrichtung 102 von einer der Anschlussvorrichtung 102 mittels eines Optimierungsalgorithmus der nötige Energiefluss an jedem Kabelanschluss 112 aller Anschlussvorrichtungen 102 berechnet. Hierfür geeignete Optimierungsalgorithmen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann von dem Algorithmus für das Problem des Handlungsreisenden ausgegangen werden. Die einzelnen Soll-Leistungsflusswerte bilden jeweils einen Vorgabewert.
-
Die Zuteilung der Vorgabewerte für den Leistungsfluss erfolgt durch eine Zuteilungseinheit, die in der erwähnten Anschlussvorrichtung durch ein Softwaremodul in einer Prozessoreinheit bereitgestellt sein kann. Beim Zusammenschluss zweier oder mehr Anschlussvorrichtungen 102 zu dem Netz 100 wurde eine Anschlussvorrichtung 102 automatisch zur Bereitstellung der Zuteilungseinheit ausgewählt. Gleiches gilt, wenn die existierende Zuteilungseinheit, z.B. wegen eines Ausfalls der betreffenden Anschlussvorrichtung 102, ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen kann.
-
Über den vorstehend beschriebenen stationären Betrieb des Netzes 100 hinaus ist der Betrieb des Netzes 100 auch unter veränderlichen Bedingungen möglich. Einzelne Anschlussvorrichtungen 102 können dynamisch an das Netz 100 angeschlossen und vom Netz 100 getrennt werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die geographische Lage jeder Anschlussvorrichtung und die Topologie des Netzes 100, d.h. dessen physikalische Verschaltung, automatisch ermittelt werden. Hierzu können z. B. GPS-Empfänger in den Anschlussvorrichtungen 102 bereitgestellt sein und jede Anschlussvorrichtung 102 mit einer eindeutigen Identitätsnummer versehen sein, die dann über die Kabel 104 zur nächsten Anschlussvorrichtung 102 übertragen wird.
-
Im Folgenden ist anhand von 3 und 4 eine Hierarchie 114 bestehend aus einer physikalischen Ebene PL und einer oder (hier) mehreren logischen Ebenen L1, L2, L3, L4 beschrieben. Die Hierarchie 114 kann der Koordination der Leistungsflüsse in dem Netz 100 zugrundegelegt sein. Zur Veranschaulichung ist in 3 das Netz 100 noch einmal gezeigt. Das Netz 100 ist hier logisch in drei Netzzellen oder kurz Zellen Cell1, Cell2, Cell3 unterteilt. Zwischen den Zellen Cell1, Cell2, Cell3 wird Leistung nur über vorbestimmte Kabelverbindungen 116 ausgetauscht.
-
Die physikalische Ebene PE umfasst die tatsächlich installierten elektrischen Leitungen 104 und Kommunikationskanäle, zum Beispiel Kommunikationsleitungen bzw. Funkstrecken. Die Leitungen 104 bilden das vermaschte Netz 100, dessen Knoten die Anschlussvorrichtungen 102 bilden und das eine flache (nicht hierarchische) Topologie hat. Die Leitungslängen der elektrischen Leitungen, d.h. der Kabel 104, und der Kommunikationsleitungen (bzw. die Länge der Funkstrecken) zwischen je zwei in diesem Netz verbundenen Knoten (Anschlussvorrichtungen 102) sind aus technischen Gründen begrenzt. Trotz der Beschränkung der Leitungslängen zwischen zwei Knoten kann das vermaschte Gesamtnetz 100 zu einer beliebigen Größe anwachsen. Die Anschlussvorrichtungen fungieren hier als Router sowohl im Energienetz 100 als auch im Kommunikationsnetz. Sie nehmen elektrischer Energie von anderen Anschlussvorrichtungen 102 an ihren elektrischen Netzanschlüssen 112 an, speichern sie in ihren Zwischenkreisen (bzw. in angeschlossenen Energiespeichern) und transportieren sie dann weiter. Weiterhin können Sie Daten/Nachrichten aus dem Kommunikationsnetz annehmen und weiterleiten. Neben der Routing-Funktion im elektrischen Netz 100 und im Kommunikationsnetz treten die Anschlussvorrichtungen potentiell auch als Quellen und Senken elektrischer Energie und von Daten/Nachrichten auf. Die physikalische Ebene PE ist keine logische Ebene und bildet die unterste Ebene der Hierarchie 114.
-
Jede logische Ebene L1 bis L4 umfasst ein logisches vermaschtes Netz, dessen Knoten virtuelle, logische Anschlussvorrichtungen bilden.
-
Der Übergang von der physikalischen Ebene PE oder einer untergeordneten logischen Ebene auf die nächsthöhere logische Ebene ergibt sich wie folgt:
Einige der Anschlussvorrichtungen 102 schließen sich zu einer Zelle Cell1 bis Cell3 zusammen und stellen sich nach außen als eine logische Anschlussvorrichtung der nächsthöheren Ebene L1 bis L4 dar. In 4 sind auf der logischen Ebene L1 z.B. sieben Zellen Cell1.1 bis Cell1.7 aus jeweils mehreren Anschlussvorrichtungen 102 gebildet. auf der logischen Ebene L2 sind jeweils zumindest zwei der Zellen Cell1.1 bis Cell1.7 zu übergeordneten Zellen Cell2.1 bis Cell2.3 zusammengefasst, zu insgesamt drei übergeordnete Zellen. Auf der logischen Ebene L3 gibt es nur noch zwei übergeordnete Zellen Cell3.1 und Cell3.2, die auf der logischen Ebene L4 zu einer einzigen übergeordneten Zelle Cell4.1 zusammengefasst sind.
-
Das Zusammenfassen der Anschlussvorrichtungen 102 zu den Zellen Cell1.1 bis Cell1.7 bzw. das Zusammenfassen von Zellen zu übergeordneten Zellen wird durch die jeweilige Zuteilungseinheit der Zelle bzw. übergeordneten Zelle bewirkt. Die Kommunikation zwischen den Zellen erfolgt dann ausschließlich durch die Zuteilungseinheit jeder Zelle. Die Zuteilungseinheiten verhalten sich dann also so, als würden sie Energiebilanzwerte für eine einzige, eben eine gedachte, logische Anschlussvorrichtung miteinander austauschen. So verschmelzen die Anschlussvorrichtungen 102 einer Zelle Cell1.1 bis Cell1.7 zu einer virtuellen oder logischen Anschlussvorrichtung. Die physikalischen bzw. logischen Anschlussvorrichtungen einer Ebene (der physikalischen Ebene PE oder einer der untergeordneten logischen Ebenen L1 bis L3) verschmelzen so auf der nächsthöheren Ebene (jeweils Ebene L1 bis L4 bezüglich der Ebene PE bis L3) zu einer logischen Anschlussvorrichtung. Die Kabel 104 zwischen den zelleninternen Anschlussvorrichtungen 102 sind auf der übergeordneten Ebene nicht sichtbar, das heißt Leistungsflüsse über sie werden auf der übergeordneten Ebene nicht verwaltet. Die Kabel 116, die auf einer logischen Ebene zellübergreifend verlaufen, bilden das logische Netz der übergeordneten Ebene und stellen die externen Verbindungen der logischen Anschlussvorrichtungen auf der übergeordneten Ebene dar.
-
Über den oben beschriebenen stationären Betrieb eines modularen, zellenbasierten Netzes hinaus ist der Betrieb des Versorgungsnetzes 100 auch in folgender Weise möglich. Die Zelleneinteilung kann automatisch ausgebildet und auch während des Betriebs angepasst werden. Die Zelleneinteilung kann hierbei unter Vorgabe von technischen, geographischen und wirtschaftlichen Randbedingungen erfolgen. Die Anzahl der logischen Ebenen L1 bis L4 kann auch angepasst werden.
-
Diese logische Organisation in automatisch anpassbaren Zellen und hierarchisch angeordneten logischen Ebenen ermöglicht im Gegensatz zum Einsatz eines nicht hierarchisch organisierten Netzes die Skalierbarkeit des Energieversorgungssystems für beliebig große Netze mit einer großen Anzahl an Anschlussvorrichtungen. Somit sind limitierende Faktoren für die Größe des Netzes 100, wie die Menge der zu übertragenden Daten im Zuge der Datenkommunikation zur/von den Zuteilungseinheiten und die für die Optimierung erforderliche Rechenleistung, überwunden. Dadurch kann ein Netz aus Prosumer-Einheiten für beliebig große geographische Regionen und eine beliebig große Anzahl von Anschlussvorrichtungen gebildet werden.
