DE19716645A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einem Stromerzeuger und einem Stromnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung von einem fluktuierende Energie, insbesondere Windenergie, verarbeitenden Stromerzeuger zum Stromnetz eines Energieversorgungssystems.

Fluktuierende Energie verarbeitende Stromerzeuger sind beispielsweise Windenergie­ anlagen. Der weitaus überwiegende Teil dieser Anlagen wird netzparallel zu einem mehr oder weniger starken Verbundnetz betrieben und speist die erzeugte elektrische Leistung, die aufgrund der fluktuierenden Natur des Windes in ihrem zeitlichen Verlauf schwankt, direkt in das Stromnetz ein. Die Schwankungen der Leistung liegen je nach Windverhält­ nissen im Stunden-, Minuten- oder Sekundenbereich und sind nur begrenzt vorher­ bestimmbar. Auch mit präzisen Wettervorhersagen lassen sich allenfalls Vorhersagen im Stundenbereich durchführen.

Da ein Großteil der von üblichen Stromnetzen gespeisten Verbraucher aus technischen Gründen auf einen relativ konstanten Netzstrom hinsichtlich Spannung und Frequenz angewiesen ist, müssen die Energieversorgungsunternehmen als Netzbetreiber dafür sorgen, daß diese Anforderungen erfüllt werden, d. h. daß die erzeugte Gesamtleistung in engen Grenzen der verbrauchten Gesamtleistung nachgeführt wird. Anderenfalls bleiben Spannung und Frequenz des Netzes nicht konstant. Je größer der Anteil von Strom­ erzeuger mit im zeitlichen Verlauf unbekannten, schwankenden Leistungen ist, desto größer werden die Anforderungen an das Regelverhalten des übrigen Kraftwerksparks.

Soll der aus Wind od. dgl. erzeugte Anteil des Netzstroms im Interesse einer verstärkten Ausnutzung von Windenergie weiter zunehmen, wird damit automatisch die Planung der jeweils zeitweise bereitzustellenden Zusatzleistungen entsprechend schwieriger, da die Schwankungen der Leistung aus Wind im Minuten- und Sekundenbereich liegen und stochastischer Natur und daher nicht planbar sind. Helfen könnten hier zwar auf der Seite der Windenergieanlagen parallel zu diesen betriebene Energiespeicher, indem diese zum Ausgleich der erzeugten Leistung dann zusätzlich in das Netz einspeisen, wenn die momentan erzeugte Windleistung zu gering ist. Derartige Energiespeicher werden jedoch bisher aus Kostengründen nur dort eingesetzt, wo sie absolut unverzichtbar sind. Dies geschieht z. B. in sogenannten Inselnetzen, wo sogar ein größerer Anteil der Grundleistung durch Windenergie erzeugt wird und z. B. ein Dieselgenerator und ein Batteriespeicher bei Flauten zusätzliche elektrische Leistungen liefern können. Auch hierbei wird die Summe der insgesamt an das Netz gelieferten Leistung an den aktuellen Bedarf angepaßt, d. h. dem jeweiligen Leistungsverbrauch nachgeführt.

In einer 1977 anhand einer Simulation durchgeführten Systemstudie wurde die Frage untersucht, ob es den Betreibern von Windenergieanlagen ermöglicht werden könnte, einem Energieversorgungsunternehmen über vorgewählte Zeitintervalle erstreckte Leistungsgarantien zu geben, wie sie sich z. B. beim Betreiben eines Laufwasserwerks bereits aus den aktuellen Wasserständen errechnen lassen, und die eine bedarfsgerechte Leistungsregelung auf der Seite der Energieversorgungsunternehmen wesentlich verein­ fachen (Molly, Jens-Peter, Windenergie, Verlag C.F. Müller, 2. Auflage 1990, S. 220 bis 228). Dabei ist die Systemstudie maßgeblich darauf abgestellt, welche über einen Zeitraum von z. B. einem Jahr aufgenommene Leistungsdauerlinie mit einer Windenergieanlage erzielt werden kann, welche ständig garantierbaren Mindestleistungen sich daraus für zukünftige Zeitintervalle ableiten lassen und wie groß die Wahrscheinlich­ keit ist, daß derartige Mindestleistungen wegen der sich tatsächlich einstellenden Wind­ verhältnisse nicht eingehalten werden können. Außerdem werden u. a. meteorologische Prognosedaten sowie Daten, die die bereits in vorhergehenden Intervallen abgegebenen Leistungen beschreiben, zur Ermittlung von Prognosewerten für in zukünftigen Intervallen abgebbare und garantierbare Leistungen verwendet, und zwar jeweils unter Berücksichti­ gung eines Speichers, dem zur Einhaltung von garantierten Leistungswerten Energie entnommen bzw. zugeführt werden kann, wobei im speziellen Fall das Vorhandensein eines Pumpspeichers vorausgesetzt wird. Ob und ggf. wie die aus der Systemstudie entnommenen Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt werden können, ist nicht angegeben.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen derart zu gestalten, daß es auch bei Anwendung eines fluktuierende Energie verarbeitenden Stromerzeugers, insbesondere einer Windenergieanlage, möglich ist, einerseits einem Energieversorgungsunternehmen für aufeinander folgende Zeitinter­ valle Leistungen zu garantieren, die in jedem dieser Zeitintervalle einen exakt vorherbe­ stimmten Verlauf haben, und andererseits die Energieversorgungsunternehmen rechtzeitig in die Lage zu versetzen, die jeweils garantierten Leistungen in die eigenen Planungen einzubeziehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Eindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die garantierbaren bzw. garantierten Leistungen unabhängig von der Nennleistung des jeweiligen Stromerzeugers und der Wetterlage sind. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die garantierbare Leistung und das Zeitintervall, für das diese Leistung garantiert wird, so zu bemessen sind, daß die gegebene Leistungsgarantie auch bei einer unvorhergesehenen Änderung der Prognosen, der Wetterverhältnisse od. dgl. eingehalten werden kann. Läßt sich prognosti­ zieren, daß unter den gegebenen Umständen für ein ausgewähltes Zeitintervall keine definierte Leistung garantiert werden kann, wird dem Energieversorgungsunternehmen entsprechend mitgeteilt, daß in diesem Zeitintervall überhaupt keine Leistung geliefert wird. Dabei wird von der weiteren Erkenntnis ausgegangen, daß auch eine dem Wert Null entsprechende Leistungsgarantie weit besser in das planerische Konzept eines Energiever­ sorgungsunternehmens paßt, als wenn für irgendein Zeitintervall eine nicht näher definier­ te Leistung angeboten wird, und daß es den Energieversorgungsunternehmen letztlich gleichgültig ist, wie groß die garantierten Leistungen und die vorgewählten Zeitintervalle sind, wenn nur diejenige Leistung, die tatsächlich eingespeist wird, einen vorherbekannten Verlauf hat. Dadurch schafft die Erfindung die Voraussetzungen dafür, daß auch Strom­ erzeuger, die fluktuierende Energie, insbesondere Windenergie verarbeiten, in größerer Anzahl als bisher angewendet werden können, ohne daß dadurch die oben genannten Schwierigkeiten auf der Seite der Energieversorgungsunternehmen entsprechend zuneh­ men.

Die Eindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammen­ hang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer an ein Stromnetz angekoppelten Anordnung aus einer netzparallel betriebenen, drehzahlstarren Windenergieanlage und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer an ein Stromnetz angekoppelten Anordnung aus einer netzparallel betriebenen, drehzahlvariablen Windenergieanlage und einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ist;

Fig. 3 die Abfolge von Zeitintervallen im Zusammenhang mit einer Prognose für eine zukünftig abgebbare Leistung der Windenergieanlage zeigt; und

Fig. 4 in einer Übersicht bestimmte, das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnende Leistungs- oder Energieverläufe an verschiedenen Stellen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung zeigt.

Mit Bezug auf Fig. 1 enthält eine drehzahlstarre Windenergieanlage, die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist, einen Rotor 3 und einen mit diesem verbundenen Stromerzeuger 5 in Form eines Generators, an den eine von diesem abgehende Über­ tragungsleitung 7 angeschlossen ist, in der die vom Stromerzeuger 5 erzeugte Leistung P₁ über eine Koppelstelle 9, an die auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 11 parallel angeschlossen ist, zu einem Transformator 13 übertragen wird, der die erzeugte Wechsel­ spannung zur Einspeisung in ein Stromnetz 15 hochtransformiert. Die Netzfrequenz f wird dabei der Leitung 7 vom Netz direkt aufgeprägt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 enthält einen mit der Ausgangsseite des Strom­ erzeugers 5 verbundenen Meßumformer 17, der über eine Leitung 19 mit einer Prognose­ vorrichtung 21 verbunden ist und dieser ein Signal zuleitet, das für die momentan vom Stromerzeuger 5 abgegebene Leistung P₁ charakteristisch ist. Die Prognosevorrichtung 21 kann vorzugsweise als programmierbarer oder programmierter, elektronischer Chipbau­ stein ausgebildet sein und ist aufgrund ihrer Programmierung dazu geeignet, aus dem abgegriffenen Leistungssignal eine Prognose darüber zu erstellen, welche Leistung P₂ der Stromerzeuger 5 der Windenergieanlage 1 in einem zukünftigen Zeitintervall abzugeben imstande ist bzw. wahrscheinlich abgeben wird. Diese Leistung P₂ wird durch eine Leitung 23 einem Eingang eines Sollwertermittlers 25 mitgeteilt, der an seinem Ausgang einen Sollwert entsprechend einer an das Stromnetz zu liefernden Leistung P₃ abgibt und seinerseits vorzugsweise ebenfalls als programmierbarer oder programmierter Chipbau­ stein ausgebildet ist. Ferner weist die Vorrichtung 11 einen elektrochemischen Speicher 27 zur Speicherung von elektrischer Energie auf, an den eine den Ladezustand des Speichers 27 erfassende Einheit 29 angeschlossen ist, deren Ausgang über eine Leitung 31 mit einem weiteren Eingang des Sollwerterzeugers 25 verbunden ist. Der Ausgang des Sollwerter­ mittlers 25 ist über eine Leitung 33 mit einem Regler 35 verbunden, der seinerseits über eine Steuerleitung 37 an den Steuereingang eines Stellglieds in Form einer zwischen die Koppelstelle 9 und den Speicher 27 geschalteten, steuerbaren Lade- und Entladevor­ richtung 39 angeschlossen ist, mittels derer dem Speicher 27 eine nach Betrag und Richtung vorwählbare Leistung P₄ zugeführt oder entnommen werden kann. Dadurch kann in Abhängigkeit von dem in der Steuerleitung 37 geführten Steuersignal eine Einspeisung von Leistung vom Stromerzeuger 5 in den Speicher 27, eine Einspeisung von Leistung aus dem Stromnetz 15 in den Speicher 27 oder eine Abgabe von Leistung aus dem Speicher 27 in das Stromnetz 15 durchgeführt werden. Die Lade- und Entladevorrichtung 39 ist z. B. als bidirektionales Schaltelement ausgebildet und bevorzugt durch Leistungstyristoren, Triacs od. dgl. realisiert. Bei einer drehzahlstarren Windenergieanlage 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Lade- und Entladevorrichtung 39 mit besonderem Vorteil als bidirektionaler Wechselrichter ausgebildet, der über eine antiparallele, die Stromrichtungs­ umkehr ermöglichende Thyristorbrücke angesteuert wird, wobei der Betrag des fließenden Stroms über den Steuerwinkel des Wechselrichters festgelegt wird. In die Koppelstelle 9 mündet somit die Summe aus der momentan vom Stromerzeuger 5 erzeugten Leistung P₁ und der momentanen Speicherlade- oder Speicherentladeleistung P₄, die positiv oder negativ sein kann. Die Summenleistung wird als Gesamtleistung P₅ an den Transformator 13 zur Übertragung in das Stromnetz 15 abgegeben. Der Speicher 27 kann z. B. aus einem elektrochemischen Bleiakkumulator bestehen, der aus Einzelzellen á zwei Volt zusammen­ gesetzt ist, die durch Serien- und/oder Parallelschaltung zu einem Batterieverbund zusammengeschaltet sind.

Zwischen der Koppelstelle 9 und dem Transformator 13 ist eine Meßeinrichtung 41 in Form eines Meßumformers od. dgl. vorgesehen, die den momentanen Istwert der an das Stromnetz 15 abgegebenen Leistung P₅ erfaßt und über eine Leitung 43 einem weiteren Eingang des Reglers 35 zuführt. Auf diese Weise wird ein geschlossener Regelkreis erhalten, der die Übertragungsleitung 7, die Meßeinrichtung 41, den Sollwertermittler 25, den Regler 35, die an dessen Eingang aus den beiden Leitungen 33, 43 gebildete Summier­ stelle und die Lade- und Entladevorrichtung 39 enthält.

Schließlich ist noch ein in die Leitung 33 geschalteter Abzweigpunkt 45 vorgesehen, der über eine Leitung 46 zu einer Anmeldeeinrichtung 47 führt, über die einem das Stromnetz 15 betreibenden Energieversorgungsunternehmen 49 mitgeteilt wird, welche Übertragungs­ leistungen P₃ in Zeitintervallen, die in der nahen Zukunft, z. B. in einer Stunde, beginnen, in das Stromnetz 15 geliefert werden und die genau den vom Sollwertermittler 25 abgegebenen und dem Regler 35 zugeführten Sollwert-Leistungen P₃ entsprechen. Da der beschriebene Regelkreis keine nennenswerte Trägheit besitzt, kann die dem Stromnetz 15 zugeführte Leistung P₅ sehr genau mit den Sollwert-Leistungen bzw. den über die Anmeldeeinrichtung 47 angemeldeten Leistungen P₃ in Übereinstimmung gebracht werden, d. h. die Leistung P₅ besitzt unabhängig von der vom Stromerzeuger 5 tatsächlich abgege­ benen Leistung P₁ einen nahezu ideal geglätteten Verlauf.

Als besonders bevorzugte Variante des gezeigten Ausführungsbeispiels ist der Regler 35 optional über eine Leitung 51 mit einem Stellglied 53 für die Blattverstellung des Rotors 3 verbunden, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 mit einer zusätzlichen Steuer­ größe für die vom Rotor 3 eingefangene Windleistung eingerichtet ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die Einbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 in eine drehzahlva­ riable Windenergieanlage 1 gezeigt ist. Gleiche Teile sind daher in Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Koppelstelle 9 für die Ankoppelung des Speichers 27 liegt hier im Gleichstromzwischenkreis eines Zwischenkreisumrichters, der zur Entkoppelung der Rotordrehzahl von der Netzfrequenz dient, in die Übertragungs­ leitung 7 geschaltet ist und einen mit dem Stromerzeuger 5 verbundenen Gleichrichter 57 sowie einen mit dem Transformator 13 verbundenen Wechselrichter 59 aufweist. Daher besteht eine Lade- und Entladevorrichtung 61 für den Speicher 27 hier zweckmäßig aus einem steuerbaren Gleichstromumrichter in Form einer Einheit aus Hoch- und Tiefsetzstel­ ler. Wenn aus dem Speicher 27 für Regelzwecke Leistung entnommen werden soll, so wird beispielsweise der Tiefsetzsteller-Teil vom Regler 35 angesteuert, während bei einer Leistungseinspeisung in den Speicher 27 beispielsweise der Hochsetzsteller-Teil des Gleichstromumrichters angesteuert wird.

Fig. 3 zeigt schematisch die zeitliche Abfolge der Arbeit der Prognosevorrichtung 21, die zu Zeitpunkten T_i-1, T_i, T_i+1, T_i+2 usw. zyklisch Daten verarbeitet, die vom Stromerzeuger 5 während der Dauer je eines vorhergehenden, mit ΔT₀ bezeichneten Zeitintervalls erzeugt und vom Meßumformer 17 angeliefert wird. Dabei kann das Zeitintervall ΔT₀ unmittelbar bis zum jeweiligen Zeitpunkt T_i-1, T₁ usw. erstreckt sein, aber auch weiter in der Ver­ gangenheit liegen und vor dem betrachteten Zeitpunkt enden. Die Prognosevorrichtung 21 stellt daraufhin in jedem Zeitpunkt T_i eine geschätzte Leistung P₂ zur Verfügung, die in einem erst in der Zukunft beginnenden Zeitintervall ΔT₂ geliefert werden soll, dessen Beginn beispielsweise um ein Zeitintervall ΔT₁ vom jeweils betrachteten Zeitpunkt T_i usw. beabstandet ist. Dabei folgen alle Zeitpunkte T_i-1, T_i T_i+1, T_i+2 usw. zweckmäßig in konstanten Abständen aufeinander, und die Zeitintervalle ΔT₂ sind untereinander vorzugs­ weise jeweils gleich groß, obwohl sie Einzelfall an sich beliebig gewählt werden können. Entsprechendes gilt für die Zeitintervalle ΔT₀ und ΔT₁. Da die vom Meßumformer 17 gelieferten Daten stochastischer Natur sind, werden sie vorzugsweise zeitlich hoch­ aufgelöst, d. h. sie bilden die Leistung P₁ in Minuten- bzw. Sekundenabständen ab.

Die Art, in der die vom Meßumformer 17 gelieferten Daten in der Prognosevorrichtung 21 verarbeitet werden, ist in weiten Grenzen variabel. Eine einfache Verarbeitung besteht z. B. darin, daß für das jeweils zurückliegende Zeitinvervall ΔT₀ ein Mittelwert für die abgegebene Leistung P₁ ermittelt und dieser Mittelwert als Leistung P₂ für das zukünftige Intervall ΔT₂ ausgegeben wird. Eine solche Prognose bzw. Schätzung beruht auf der Annahme, daß sich die im Intervall ΔT₀ tatsächliche abgegebene Leistung im vorgewähl­ ten späteren Intervall T₂ wiederholen wird, insbesondere wenn die betrachteten und vorgewählten Intervalle ΔT₀ vergleichweise kurz sind und nur einige Stunden betragen und wenn die Intervalle ΔT₂ nur um kurze Zeitabstände von ebenfalls einigen Stunden von den zugehörigen Zeitpunkten T_i beabstandet sind. Außerdem wäre es möglich, die Prognose­ vorrichtung 21 alternativ oder zusätzlich über eine Leitung 63 an eine Windmeßeinrich­ tung anzuschließen und/oder ihr über eine Leitung 64 die von einem Wetterdienst gelieferten Prognosedaten zuzuführen. Die Prognosevorrichtung 21 ist hierzu vorzugweise nach Art eines Mikroprozessors ausgebildet, der alle zugeführten Daten nach einem vorgewählten Prognoseprogramin verarbeitet und daraus die Leistungen P₂ berechnet. Insbesondere ist für diesen Zweck jeweils ein herkömmlicher Industrie-PC anwendbar, wobei beide Vorrichtungen 21 und 25 auch in einem einzigen Industrie-PC vereinigt sein können.

Der Sollwertermittler 25 verarbeitet die von der Prognosevorrichtung 21 abgegebenen Leistungsdaten P₂ sowie die von der Einheit 29 abgegebenen, dem aktuellen Füllungsgrad des Speichers 27 entsprechenden Daten und errechnet daraus Leistungen P₃, die in Abhängigkeit von den genannten Daten und unter Berücksichtigung der Kapazität des Speichers 27 in jedem Fall im nächsten vorgewählten Zeitintervall ΔT₂ abgegeben werden können, wenn die Leistungen P₁ und P₄ in diesem Zeitintervall addiert werden. Diese Leistung P₃ wird einerseits über die Anmeldeeinrichtung 47 dem Energieversorgungs­ unternehmen 49 als die für das nächste Zeitintervall ΔT₂ "garantierbare" Leistung gemeldet und andererseits dem Regler 35 als Sollwert zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft daher im wesentlichen wie folgt ab:
Die Prognosevorrichtung 21 ermittelt anhand der vorgegebenen Daten einen Schätz- oder Prognosewert für eine Leistung, die vom Stromerzeuger 5 in einem späteren Zeitintervall vermutlich abgegeben werden kann. Da diese Leistung aber noch keine garantierbare Lötung für irgendein Zeitintervall darstellt, wird im Sollwertermittler 25 zusätzlich der Inhalt der Speichers 27 berücksichtigt und geprüft, welche Leistung auch dann noch, wenn sich die Prognose als wesentlich falsch erweist, garantiert werden kann. Nach Festlegung dieser den Sollwert für den Regler 35 bildenden Leistung P₃ wird diese beim Energiever­ sorgungsunternehmen mit einer gewissen Vorlaufzeit ΔT₁ angemeldet, und außerdem wird diese Leistung P₃ zu Beginn des nächsten Zeitintervalls ΔT₂ als Sollwert an den Regler 35 weftergegeben. Dieser errechnet dann die Differenzen zwischen der am Ausgang der Koppelstelle 9 gemessenen, dem Stromnetz 15 momentan zugeführten Leistung und dem vorgegebenen Sollwert und stellt daraufhin die Lade- und Entladevorrichtung 39 bzw. 61 so ein, daß die Summe aus der momentan vom Stromerzeuger 5 abgegebenen Leistung P₁ und der dem Speicher 27 momentan entnommenen bzw. zugeführten Leistung P₄ stets genau der angemeldeten Leistung entspricht, was mit der vorausgesetzten Regelvor­ richtung praktisch im Millisekundenbereich erfüllbar ist. Die abgegebene und die garan­ tierte Leistung haben daher einen definierten, deterministischen, von der vom Strom­ erzeuger 5 tatsächlich abgegebenen Leistung P₁ unabhängigen Verlauf.

Das beschriebene Verfahren läßt sich unabhängig davon durchführen, welchen zeitlichen Verlauf die garantierte Leistung hat oder haben soll. Normalerweise wird davon ausgegan­ gen werden können, daß die tatsächlich gelieferte Gesamtleistung P₅ zumindest innerhalb eines jeden vorgewählten Zeitintervalls konstant ist. Denkbar wäre aber auch, der Gesamtleistung einen zeitlich wechselnden, z. B. langsam ansteigenden oder abfallenden und dabei vorzugsweise linearen Verlauf zu geben, um beispielsweise abrupte Leistungs­ sprünge zwischen aufeinander folgenden Zeitintervallen zu vermeiden. In diesen Fällen ist es lediglich erforderlich, den Sollwertermittler so auszubilden oder zu programmieren, daß die von ihm abgegebenen Werte P₃ einen entsprechenden zeitlichen Verlauf haben. Daraus resultiert der für die Erfindung wesentliche Vorteil, daß dem Energieversorgungsunter­ nehmen für jedes vorgewählte Zeitintervall nicht nur irgendeine mehr oder weniger bestimmte Leistung, sondern eine Leistung mit einem vorher festgelegten und angemelde­ ten zeitlichen Verlauf zugeführt werden kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht darin, daß es auch dann zu einer sinnvollen Lesung führt, wenn zu irgendeinem Zeitpunkt T_i der momentane Speicherinhalt zu gering ist, um für ein nachfolgendes Zeitintervall ΔT₂ eine Gesamt­ leistung mit -einem vorher festgelegten Verlauf angeben zu können. Für diesen Fall wird dem Energieversorgungsunternehmen 49 über die Anmeldeeinrichtung 47 mitgeteilt, daß der Wert der für das nächste Zeitintervall garantierten Leistung gleich Null ist. Das betreffende Zeitintervall wird dann dazu genutzt, den Speicher 27 wieder aufzufüllen, wozu eine später vom Stromerzeuger 5 gelieferte Leistung verwendet werden kann. Da jedoch nicht feststeht, wie schnell dies zu einer ausreichenden Ladung des Speichers 27 führen kann, wird die benötigte Leistung zweckmäßig für das nächste vorgewählte Zeitintervall über die Anmeldeeinrichtung 47 angemeldet und dann durch entsprechende Steuerung der Regelvorrichtung dem Stromnetz 15 mit einem definierten Verlauf entnom­ men, so daß im darauf folgenden Zeitintervall das erfundungsgemäße Verfahren wieder aufgenommen werden kann.

Die Kapazität des Speichers 27 ist an sich beliebig, weil die Lange der Zeitintervalle, in denen garantierte Leistungen und Leistungsverläufe an das Stromnetz 15 geliefert werden müssen, an diese Kapazität angepaßt werden können. Abgesehen davon hängt die Kapazität des Speichers 27 natürlich auch von der Nennleistung des jeweiligen Stromerzeugers 15 ab. Insgesamt sollte die Kapazität jedoch wenigstens so groß gewählt werden, daß jedes Zeitintervall ΔT₂ wenigstens zwei bis drei Stunden betragen kann. Vorteilhaft ist ferner, wenn die garantierbaren Leistungen P₃ und die Längen der Zeitintervalle so gewählt werden, daß vor und nach Beginn eines jeden vorgewählten Zeitintervalls eine mittlere Ladung des Speichers 27 erreicht wird. Dadurch kann der Speicher 27 schonend und in Lade- und Entladerichtung etwa gleichförmig betrieben werden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Anordnung außerdem so getroffen, daß der Speicher 27 niemals ganz entleert wird, sondern stets z. B. wenigstens einen Füllungsgrad von 20% besitzt, in welchem Fall die Anmeldeeinrichtung 47 bereits dann eine dem Wert Null entsprechende Leistung meldet, wenn in einem nachfolgenden Zeitintervall dieser Mindestfüllungsgrad unterschritten werden müßte. Der Mindest­ füllungsgrad könnte dem Energieversorgungsunternehmen 49 in der Weise vorgehalten werden, daß dieses bei Bedarf stets darauf zurückgreifen kann. Dies kann z. B. mittels einer bidirektonal betreibbaren Anmeldeeinrichtung 47 und Leitung 46 erfolgen, über die der Sollwertermittler 25 auf Anforderung so programmiert wird, daß er abweichend von der sonstigen Regelung in einem angegebenen Zeitintervall die dem Füllungsgrad von 20% entsprechende Leistung liefert.

In Fig. 4 sind in einer vergleichenden Übersicht die Leistungs- bzw. Energieverläufe an verschiedenen Stellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 gezeigt, wobei in X-Richtung eine einheitliche, in Stunden bemessene Zeitskala angegeben ist, die einen willkürlich gewählten Tagesabschnitt zwischen 3 : 00 und 12 : 00 bezeichnet. Dabei haben die Größen P₁ bis P₅ die oben angegebene Bedeutung, während P_N die Nennleistung der Windenergieanlage, E den momentanen Ladezustand des Speichers 27 und E_max die maximale Speicherkapazität des Speichers 27 bedeuten. Die Ordinatenwerte sind außer­ dem jeweils auf die zugehörigen Maximalwerte der Nennleistung bzw. der maximalen Speicherkapazität normiert.

Es wird im folgenden zunächst das Zustandekommen eines konstanten ersten Istwerts P₅ für die Übertragung an das Energieversorgungsunternehmen 49 während eines ersten Zeitintervalls von 6 : 00 Uhr bis 9 : 00 Uhr geschildert.

Aus dem unruhigen, nicht konstanten Verlauf von P₁ im wesentlichen oberhalb der 50%- Marke zwischen 3 : 00 Uhr und 6 : 00 Uhr berechnet die Prognosevorrichtung 21 einen konstanten, mittleren Wert für P₂, der bei etwa 59% liegt (zweiter Kasten von oben in Fig. 4) und im wesentlichen durch die Annahme gestützt wird, daß sich der relativ hohe Verlauf von P₁ so fortsetzt, wie er bereits im berücksichtigten Intervall von 3 : 00 Uhr bis 6 : 00 Uhr war. Zweckmäßig ist die Annahme eines Mittelwerts aus diesem Intervall für die prognostizierte Leistung im neuen Intervall.

Der Sollwertermittler 25 geht von diesem Ergebnis aus, kalkuliert jedoch ein, daß der Ladezustand des Speichers 27 kurz vor 6 : 00 Uhr etwas - ca. 10% - oberhalb eines als optimal angenommenen Ladezustands liegt, der im dritten Kasten von oben in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie 65 dargestellt ist und z. B. einem Wert von 60% der Kapazität entspricht. Dabei nimmt der Sollwertermittler 25 an, daß der Speicher 27 in den nächsten drei Stunden eines nachfolgenden Anmeldeintervalls noch bis zur Linie 65 entladen und der Sollwert P₃ daher um ein gewisses Maß höher als P₂ gewählt werden kann. Im Ausführungsbeispiel liegt der Wert P₃ z. B. bei ca. 66%. Infolgedessen wird dieser Wert dem Energieversorgungsunternehmen 49 bei einem konstanten Verlauf der Übertragungsleistung auf diesem Wert garantiert.

Im Intervall zwischen 6 : 00 Uhr und 9 : 00 Uhr ist der tatsächliche Verlauf der Leistung P₁ jedoch im Mittel nicht so hoch, wie prognostiziert wurde. Um das Regelziel dennoch zu erreichen, entzieht der Regler 35 dem Speicher 27 während dieses Intervalls kontinuierlich Leistung P₄ entsprechend einer Entladeleistung (vierter Kasten von oben), die im wesentli­ chen in derselben Weise schwankt, wie die Schwankungen der tatsächlich erzielten Leistung P₁ vorgeben. Dabei nähert sich der Ladezustand der gewählten Tiefentladungs­ grenze von ca. 20%, die als gestrichelte Linie 67 eingezeichnet ist und nur in besonderen Ausnahmefällen unterschritten werden sollte. Am Ende des Intervalls, d. h. um 9 : 00 Uhr, beträgt der Füllungsgrad noch etwa 30%. Der Speicher 27 müßte daher im folgenden Intervall stärker aufgeladen werden.

Ein Vergleich der Kurven von P₅ (unterster Kasten in Fig. 4) und P₃ zeigt, daß das Regelziel - Istwert gleich Sollwert - im Intervall von 6 : 00 bis 9 : 00 Uhr exakt erreicht wurde.

Als nächstes folgt die Beschreibung der Übertragung einer zeitlich konstanten Gesamt­ energie P₅ während eines nachfolgenden Zeitintervalls von 9 : 00 Uhr bis 12 : 00 Uhr. Dabei ist der Einfachheit halber wie im obigen Beispiel abweichend von Fig. 3 angenommen, daß die Zeitintervalle, in denen garantierte Energie geliefert wird, unmittelbar an diejeni­ gen Zeitabschnitte anschließen, die zur Prognose der Werte P₂ verwendet wurden.

Aus dem Verlauf von P₁ im wesentlichen unterhalb der 50%-Marke zwischen 6 : 00 Uhr und 9 : 00 Uhr berechnet die Prognosevorrichtung 21 einen mittleren konstanten Wert für P₂ von etwa 35%, wiederum aufgrund der Annahme, daß sich der relativ niedrige Verlauf von P₁ so fortsetzt, wie er im berücksichtigten Intervall von 6 : 00 Uhr bis 9 : 00 Uhr war. Im speziellen Fall geht die Prognosevorrichtung 21 allerdings anhand von zusätzlichen Daten, z. B. den über die Leitungen 63, 64 zugeführten Daten oder zusätzlichen, einer Langzeitstatistik entnommenen Daten, davon aus, daß im Zeitintervall von 9 : 00 Uhr bis 12 : 00 Uhr eine größere Leistung von z. B. 55% zu realisieren ist.

Der Sollwertermittler 25 geht von diesem Ergebnis aus, kalkuliert jedoch ein, daß der Ladezustand des Speichers 27 kurz vor 9 : 00 Uhr, dem Beginn des zweiten Anmelde-Intervalls, weit unterhalb des optimalen Ladezustands von 60% liegt und der Speicher 27 daher in den nächsten drei Stunden wieder auf seinen optimalen Ladezustand von 60% aufgeladen werden müßte. Um dieses Ziel zu erreichen, legt er den Sollwert P₃ auf einen Wert fest, der erheblich niedriger als P₂ ist und etwa bei 35% liegt. Weiter garantiert er dem Energieversorgungsunternehmen 49 wiederum einen konstanten Verlauf der Über­ tragungsleistung auf diesem Wert.

Im Intervall zwischen 9 : 00 Uhr und 12 : 00 Uhr ist der tatsächliche Verlauf der Leistung P₁ im Mittel jedoch höher, als prognostiziert wurde. Um das Regelziel zu erreichen, lädt der Regler 35 daher den Speicher 27 während dieses Intervall kontinuierlich mit einer gewissen, schwankenden Leistung auf, die der Differenz zwischen den Werten P₁ und P₃ entspricht. Als Folge davon überschreitet der Speicher 27 seinen optimalen Füllungs­ zustand, und am Ende des Intervalls, d. h. um 12 : 00 Uhr, befindet sich sein Ladezustand bei etwa 80%, was eine stärkere Entladung im folgenden Intervall erforderlich macht.

Ein erneuter Vergleich der Kurven P₅ und P₃ zeigt, daß das Regelziel auch im Intervall zwischen 9 : 00 Uhr und 12 : 00 Uhr optimal erreicht wurde.

Der Übergang der Übertragungsleistung P₅ von irgendeinem Intervall auf ein folgendes Intervall ist häufig mit einem Leistungssprung verbunden, wie die Linie P₅ im untersten Kasten von Fig. 4 bei ca. 9 : 00 Uhr erkennbar macht. Da derartige Leistungssprünge bei der Einspeisung von Leistung in das Stromnetz 15 vermieden werden sollten, sieht die Erfindung für einen solchen Fall am Anfang des betreffenden Intervalls einen Verlauf für die Gesamtleistung vor, der einer im untersten Kasten der Fig. 4 angedeuteten Linie 69 folgt und einen allmählichen und stetigen Übergang zwischen den konstanten Leistungen in den beiden aufeinander folgenden Zeitintervallen bewirkt. Dieser stetige Übergang kann ebenfalls mit Hilfe der beschriebenen Regelvorrichtung realisiert werden, da sich abrupte Übergänge dieser Art häufig bereits in der vom Stromerzeuger 5 abgegebenen Leistung abbilden und daher von der Prognosevorrichtung 21 berücksichtigt und vom Sollwerter­ mittler 25 in einen entsprechenden Verlauf des Sollwerts umgerechnet werden können, wie in Fig. 4 im zweiten Kasten von oben durch Linien 71 und 73 angedeutet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die in vielfacher Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Bauelemente der Regelvorrichtung, die Art der Prognostizierung und die Art der deterministischen Festlegung der Sollwerte.

Claims (14)

1. Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einem fluktuierende Energie verarbeitenden Stromerzeuger (5) zum Stromnetz (15) eines Energieversorgungsunter­ nehmens (49), wobei Differenzleistungen zwischen der vom Stromerzeuger (5) abgegebe­ nen Leistung (P₁) und der an das Stromnetz (15) gelieferten Gesamtleistung (P₅) einem elektrochemischen Speicher (27) zugeführt oder entnommen werden, enthaltend die folgenden Schritte:
Prognostizierung der vom Stromerzeuger (5) in zukünftigen, vorgewählten Zeit­ intervallen abgebbaren Leistungen,
Festlegung von den vorgewählten Zeitintervallen zugeordneten, zur Lieferung an das Stromnetz (15) bestimmten Sollwert-Leistungen (P₃) mit definierten, garantierbaren Verläufen unter Berücksichtigung des Ladezustands des Speichers (27) und der vom Stromerzeuger (5) abgebbaren Leistungen,
Anmeldung der garantierbaren Leistungsverläufe und der zugehörigen Zeitinter­ valle vor deren Beginn an das Energieversorgungsunternehmen (49), und
Einhaltung der angemeldeten Leistungsverläufe durch Regelung der das Stromnetz (15) gelieferten Gesamtleistungen (P₅) derart, daß die in irgendeinem vorgewählten Zeitpunkt übertragene Summe aus der vom Stromerzeuger (5) tatsächlich abgegebenen Leistung (P₁) und der dem Speicher (27) zugeführten oder entnommenen Leistung (P₄) stets den angemeldeten Verlauf hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung einen geglätteten Verlauf der Gesamtleistung (P₅) vorsieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prognostizierung der vom Stromerzeuger (5) in irgendeinem vorgewählten Zeitintervall abgebbaren Leistung unter Berücksichtigung der in wenigstens einem zeitlich zurückliegenden Zeitintervall tatsächlich vom Stromerzeuger (5) abgegebenen Leistung (P₁) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der momentane Inhalt des Speichers (27) nicht dazu ausreicht, in irgendeinem Zeitintervall eine an das Stromnetz (15) lieferbare Gesamtleistung (P₅) mit einem garan­ tierbaren Verlauf festzulegen, eine dem Speicher (27) zuzuführende Gesamtleistung (P₅) ermittelt, diese Gesamtleistung (P₅) einem vorgewählten, zukünftigen Zeitintervall zugeordnet und vor dessen Beginn dem Energieversorgungsunternehmen (49) gemeldet wird, und daß die angemeldete Gesamtleistung (P₅) dann in dem vorgewählten Zeitinter­ vall aus dem Stromnetz (15) in den Speicher (27) geliefert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Verlauf, mit dem die Gesamtleistung (P₅) in den Speicher (27) geliefert wird, dem Energieversorgungsunter­ nehmen (49) gemeldet und die Lieferung dann entsprechend geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverläufe in den zugeordneten Zeitintervallen zeitlich konstant oder linear ansteigend oder abfallend festgelegt werden.

7. Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung von einem fluktuierende Energie verarbeitenden Stromerzeuger (5), enthaltend:
eine den Stromerzeuger (5) mit dem Stromnetz (15) eines Energieversorgungs­ unternehmens (49) verbindende Übertragungsleitung (7),
einen über eine Koppelstelle (9) mit der Übertragungsleitung (7) verbundenen, elektrochemischen Speicher (27) zur Speicherung elektrischer Energie,
eine zwischen die Koppelstelle (9) und den Speicher (27) geschaltete, steuerbare Lee- und Entladevorrichtung (39, 61), die dazu eingerichtet ist, dem Speicher (27) eine nach Richtung und Betrag definierte Leistung (P₄) zuzuführen oder zu entnehmen,
eine Regelvorrichtung für die an das Stromnetz (15) zu liefernde Gesamtleistung (P₅) mit einem an die Lade- und Entladevorrichtung (39, 61) angeschlossenen Regler (35), einer an den Regler (35) angeschlossenen Meßeinrichtung (41) zur Messung des Istwerts der an das Stromnetz (15) gelieferten Gesamtleistung (P₅), einem Sollwertermittler (25), der mit dem Regier (35) einer den Ladezustand des Speichers (27) ermittelnden Einheit (29) und einer Prognosevorrichtung (21) zur Lieferung von Daten verbunden ist, die vom Stromerzeuger (5) in zukünftigen, vorgewählten Zeitintervallen abgebbare Leistungen betreffen, und der dazu eingerichtet ist, anhand des Ladezustands des Speichers (27) und der Daten Sollwerte (P₃) für die den Zeitintervallen zugeordneten Gesamtleistungen (P₅) festzulegen, die definierte, garantierbare Verläufe aufweisen,
und eine an den Sollwertermittler (25) und das Energieversorgungsunternehmen (49) angeschlossene Anmeldeeinrichtung (47) zur Anmeldung der garantierbaren Lei­ stungsverläufe vor Beginn der ihnen zugeordneten Zeitintervalle, wobei die Regelung der in irgendeinem vorgewählten Zeitintervall an das Stromnetz (15) gelieferten Gesamt­ leistung (P₅) derart erfolgt, daß die Summe aus der vom Stromerzeuger (5) tatsächlich abgegebenen Leistung (P₁) und der dem Speicher (27) zugeführten oder entnommenen Leistung (P₄) stets den angemeldeten Verlauf hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Zeitinter­ valle an die Kapazität des Speichers (27) angepaßt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromerzeuger (5) Teil einer Windenergieanlage (1) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromerzeuger (5) ein Meßumformer (17) für die von diesem abgegebene Leistung (P₁) nachgeschaltet und die Prognosevorrichtung (21) an den Meßumformer (17) angeschlossen ist. .

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine an die Prognosevorrichtung (21) angeschlossene Windmeßeinrichtung aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Prognosevorrichtung (21) dazu eingerichtet ist, von einem Wetterdienst zur Verfügung gestellte Prognosedaten zu verarbeiten.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung derart eingerichtet ist, daß dem Speicher (27) stets eine vorgewählte Mindestleistung entnehmbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anmeldeeinrichtung (47) für einen bidirektionalen Betrieb eingerichtet ist und der Sollwertermittler (25) auf eine Anforderung des Energieversorgungsunternehmens (49) hin in einem vorgegebenen Zeitintervall einen maximal der Mindestleistung entsprechenden Sollwert festlegt.