WO2009019306A1 - Verfahren zur steuerung elektrischer verbraucher im niederspannungsnetz - Google Patents

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WO2009019306A1
WO2009019306A1 PCT/EP2008/060405 EP2008060405W WO2009019306A1 WO 2009019306 A1 WO2009019306 A1 WO 2009019306A1 EP 2008060405 W EP2008060405 W EP 2008060405W WO 2009019306 A1 WO2009019306 A1 WO 2009019306A1
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power
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mains voltage
low
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Gunnar Kaestle
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Gunnar Kaestle
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a low-voltage network to which one or more controllable power consumers are connected.
  • the invention is particularly concerned with the provision of balancing or control energy in the power grid by loads on the low voltage grid.
  • Control energy is needed to keep the generation of electrical energy at the same level of consumption at the same time. This is necessary for stable operation of power networks. A distinction is made here between primary control power, secondary control power and tertiary control power (so-called minute reserve). Normally, control energy is supplied by throttled thermal power plants and quickly approachable and retractable power plants such. B. gas turbines and hydroelectric plants.
  • Primary control power serves to maintain the balance of power generation and consumption. It is usually automatically retrieved by an active power frequency statics generator sets of power plants. In this case, the active power is changed as a function of the grid frequency on the basis of the statics, a linear controller characteristic. If the mains frequency drops, the active power is increased and vice versa.
  • Secondary control power is used to restore the setpoint frequency of, for example, the 50 Hz in the UCTE network and is fully automatic by means of a network controller of the respective control zone (automatic generation control) with integrative behavior.
  • Activation of the Minute reserve is usually done manually, eg. By telephone call, and has the economic optimization of the interconnected operation for the purpose.
  • DSM Demand Side Management
  • One way of coordinating the network of electrical loads may be through a central control room, from which the control and optimization of the DSM takes place.
  • Conventional concepts for DSM require a communication link for each consumer in addition to the power supply. This extra effort for control technology pays off for large-scale, industrial-scale services, but less so for small consumers with a few kW connected load.
  • the costs of communication and control in the LV network are greater than those of the higher voltage levels due to the fine-grained structure of the DSM system and the size distribution of small consumers.
  • the object of the invention is to provide a simple and robust method for operating a low-voltage network that integrates a plurality of controllable power consumers in a stable and self-regulating network operation.
  • connection that the active power of a consumer related to the grid depends on the voltage level at its connection point is known per se, such as, for example, B. the voltage-dependent power ohmic loads (P ⁇ Uc).
  • P ⁇ Uc the voltage-dependent power ohmic loads
  • decoupling of the active power consumption from the grid sizes is noticeable due to the ever increasing spread of switched-mode power supplies, electronic ballasts and converter-fed drives.
  • the present invention proposes, in a first basic idea, to regulate the behavior of the (controllable) consumers according to the voltage level Ui at the connection point i.
  • the consumers are controlled so that the power consumption of the consumer increases with increasing mains voltage; with decreasing mains voltage the power decreases.
  • the rated load is varied depending on the voltage over a linear characteristic.
  • a battery charger which calculates a charging power of 3 kW for a recharge, continuously shift this charging power up and down, depending on the level at which the average value of the mains voltage is exceeded or fallen short of.
  • a linear shift of the turn-on and turn-off thresholds can occur, i.
  • the switching hysteresis of a two-position controller for refrigeration compressors of freezer chests is adjusted - at high voltage the compressor switches on earlier and off earlier at low voltage.
  • Fig. 1 illustrates the basic idea of the invention: If the voltage Ui drops at the connection node i, the load reduces the reference power Pi and vice versa.
  • the consumers are designed as thermally acting devices with a heat or cold buffer; but there are also engines and similar consumers controllable type possible, which essentially depends on the work done in a defined period, such. As the energy that fills the battery of an electric vehicle during a nightly storage cycle again.
  • the mains voltage in the low-voltage network increases or decreases as a function of the active power taken from the respective network segment and fed in decentrally.
  • the invention proposes an active variation of the mains voltage, i. H.
  • a variable reference value for the voltage is specified by a superordinate point, for example a control room with automatically operating master computers.
  • the low-voltage line L itself and, if appropriate, the medium-voltage line serving this purpose serve as the physical layer of the data connection for the network guidance.
  • the usable date, which conveys these as a data bus, is the voltage level.
  • low voltage lines In contrast to the inductive property of medium and high voltage lines, low voltage lines have a predominantly ohmic characteristic. It can therefore be concluded from the voltage drop to the load state of the network segment.
  • the above-described consumer behavior in the case of grid management results in a uniform flow of energy over the network segment or the low-voltage line L supplying transformer T.
  • the variation will expediently take place in the time range of minutes, on the one hand to minimize the switching operations on the tap changer, on the other hand, a fast primary control is easier to implement via the frequency signal.
  • the variable secondary voltage serves as a signal carrier for the request of the regulated power. It should expediently the tolerance band of the standard voltages, z. B. Do not leave according to DIN IEC 60038, as otherwise damage to connected devices may occur and decentralized feeders switch off automatically, thereby provoking network instability.
  • a transformer with a variable transmission ratio for example a series regulator with transformer-coupled additional voltage or else an on-load tap changer, is preferably used.
  • the voltage variation can be done in local network stations, but also at a higher voltage level in the substations.
  • additional resources for voltage regulation in distribution networks are mains voltage regulator in the form of autotransformers, decentralized power generation units with active and reactive power control or medium-voltage DC couplings to call.
  • a voltage-variable transformer slightly lowers the voltage, then in the network segment supplied by it, the displaceable LV loads are stimulated to reduced energy consumption, which leads to a reduced network load. Conversely, raising the voltage causes a higher active power reference and thus a larger network load.
  • the shift of the reference value for the active variation of the mains voltage is preferably carried out via the on-load tap-changer on the power transformer, but also possible is the variation by means of voltage-variable distribution transformer at the local network station.
  • the presented method of the invention deviates from the arrangements known in the prior art by violating the iron principle of the energy technology for the operation of AC networks to couple the active power P with that of the frequency f and the reactive power Q with the mains voltage U.
  • the distributed primary regulation of voltage and frequency by means of local proportional controllers based on Pf and QU statics in the past to a stable Pf and QU-Statiken in the past led to a stable and robust network operation, so that a deviating methodology with the combination of the active power P with the voltage U seems to be inappropriate.
  • Influencing the voltage at the medium voltage level in order to move voltage-sensitive consumers in the low-voltage network for the purpose of tertiary control energy supply to increased or reduced active power consumption contradicts the practiced practice of regulating the active power as a function of the grid frequency.
  • the inventive use of the voltage level as an information carrier for the active power reference in low-voltage networks has the advantage that consumers show a self-organizational behavior to the day. They communicate with each other via the voltage as a local signal, so that loads which are equipped with disposable power due to available storage capacities can automatically at least partially compensate for the fluctuating power requirements of non-controllable loads.
  • the proposed method of complexity reduction since autonomous controls interact with the network based on the product parameters of the current, such as voltage and possibly also frequency.
  • the voltage can be influenced as local size as opposed to the frequency in a dedicated network segment.
  • the requirements for the communication effort are greatly reduced, since only sensors for voltage and possibly frequency are needed.
  • the transmitter for the message "less or more load" is already available as equipment with the tap-changer on the power transformer.As a uniform communication standard, only voltage-quality standards such as EN 50160 must be adhered to also integrates participants who have no stress-sensitive behavior.
  • a heat pump The method according to the invention is explained below using the example of a heat pump.
  • Fig. 2 the energy flows are shown within a building B, further the composite to other buildings B via a common low-voltage line L, which is fed by a distribution transformer T with variable transmission ratio.
  • a clocking electric heating cartridge H2 is also shown. If necessary, it serves to provide the desired high temperatures for hot water preparation, as a reserve for the event of a fault and as a peak load, should the performance of the heat pump unit no longer suffice at the lowest outside temperatures.
  • the heating current 1 is composed of the proportion for the heat pump 2 and the heating element 3.
  • Heat pump H1 and heating element H2 generate heat flows at low 4 and high 5 temperature level, which are cached in the heat storage S.
  • the thermal load 6 absorbs this heat.
  • Neighboring houses B connected to the same low-voltage power L may also have bidirectional power flows.
  • the heat storage S Thanks to the heat storage S, a temporal decoupling between the heat demand and production is possible. This allows a network management of electrical loads, d. H.
  • the plant operation of the consumers H1 and H2 depends on the conditions in the power grid. As a result, the reference power is reduced in the event of a heavy network load and the heat pump charges the storage tank during periods of low load.
  • the system control measures the voltage curve and determines typical trajectories depending on the season and the day of the week. Furthermore, it learns the typical requirement profile of the heat requirement as a function of weather conditions, in particular the outside temperature as well as the year and time of day on the basis of measured past heat reference data. Using the requirement profile, the plant controller can create a forecast that estimates the electricity purchase within a forecast horizon. This period depends on the size of the energy storage (here as a heat storage) and the average load this period.
  • an adaptive controller adjusts the mode of operation of the heater depending on the expected voltage curve and the energy requirement as well as stored tariff information.
  • the value of the current at the transmission network level usually correlates positively with the measured network load at the low-voltage level.
  • Fig. 3 illustrates how live loads in the low voltage grid G-2 are controlled from a central location.
  • the central point of the on-load tap-changer of the power transformer T1 which is connected to the high-voltage network GO, feeds the medium-voltage grid G-1 and also supplies the low-voltage grid G-2 via the local grid transformer T2.
  • the system boundary S includes the controllable load, which is connected to the low voltage node G2-i.
  • the global grid frequency f G o and the voltage at the connection point U G2 - ⁇ are measured.
  • a primary control of the referenced active power PQ 2 - shown.
  • the active power consumption P G2 - ⁇ is linked to the voltage via a parameter pair U ref (setpoint for the voltage [V]) and Ku (power factor of the voltage [V / Hz]).
  • U ref setpoint for the voltage [V]
  • Ku power factor of the voltage [V / Hz]
  • a processing of the input signal U G2 - ⁇ (Mains voltage at low voltage node i [V]) by suitable estimators or filters to hide fast voltage changes.
  • the signal to be used is the slow voltage changes in the time range of minutes, as defined, for example, in EN 50160.
  • the voltage regulator on the on-load tap-changer of the power transformer can now deviate from a fixed reference value for U GI - O and select a value slightly above or below it. This change in voltage propagates through the medium-voltage and low-voltage links to the consumer, where it is stimulated to draw more or less power.
  • the same methodology can also be implemented for the reactive power Q at the low-voltage level, eg. B. when consumers are freely adjustable in the choice of their reactive power current, as is the case, for example, for inverter-controlled drives, which have a four-quadrant operation.
  • the setpoint value for the reactive power Q is dependent both on a voltage statics and on a frequency statics and the parameterization of these statics varies (slope and setpoint value for the voltage U) with the network size.
  • One way to determine changing network sizes is the impedance-hopping method, which is used to detect small island meshes. The emergence of large network islands, such as a distribution network with sufficient self-generation can be communicated for example by a (radio) ripple control system.
  • the control technology behind the voltage regulator can not assume a deterministic behavior of a single load on the given voltage change.
  • the system response is statistically detectable in a variety of live loads.
  • the power flow Po can be measured and brought into relation with the reference voltage voltage Uo.
  • Voltage changes DU cause power changes DP in the subordinate distribution network segment.
  • measured annual and time-dependent dP / dU voltage elasticities of the active power are stored. These values can be used to determine which control energy pulse can be generated.
  • a higher-level control system can thus also fulfill DSM tasks via the voltage control equipment in order to optimize network operation or power consumption, for example. On the one hand, this can be done by generating power strokes DP, on the other hand, upper limits Pmax or quantities derived therefrom can be set to specific operating means, such as eg transformers or lines.

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Abstract

An einem Niederspannungsnetz NS sind steuerbare Stromverbraucher angeschlossen. Diese können Regelenergie zur Verfügung stellen. Die Regelung der von den Stromverbrauchern bezogenen Wirkleistung erfolgt durch eine aktive Variation der Netzspannung mittels eines Transformators T mit variablem Übersetzungsverhältnis.

Description

Verfahren zur Steuerung elektrischer Verbraucher im Niederspannungsnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Niederspannungsnetzes, an das ein oder mehrere steuerbare Stromverbraucher angeschlossen sind. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der Bereitstellung von Ausgleichs- oder Regelenergie im Stromnetz durch Lasten am Niederspannungsnetz.
Regelenergie wird benötigt, um die Erzeugung elektrischer Energie zeitgleich auf dem Niveau des Verbrauches zu halten. Dies ist für einen stabilen Betrieb von Stromnetzwerken notwendig. Es wird dabei zwischen Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Tertiärregelleistung (so genannte Minutenreserve) unterschieden. Üblicherweise wird Regelenergie von gedrosselten Wärmekraftwerken und schnell an- und abfahrbaren Kraftwerken geliefert wie z. B. Gasturbinen und Wasserkraftwerken.
Primärregelleistung dient der Wahrung der Balance von Stromerzeugung und -verbrauch. Sie wird üblicherweise durch eine Wirkleistungs-Frequenz-Statik an Generatorsätzen von Kraftwerken automatisch abgerufen. Dabei wird an- hand der Statik, einer linearen Reglerkennlinie, die Wirkleistung in Abhängigkeit der Netzfrequenz verändert. Sinkt die Netzfrequenz, wird die Wirkleistung erhöht und umgekehrt. Sekundärregelleistung dient zur Wiederherstellung der Sollfrequenz von beispielsweise den im UCTE-Netz geltenden 50 Hz und erfolgt vollautomatisch durch einen Netzregler der jeweiligen Regelzone (engl. automatic generation control) mit integrativem Verhalten. Die Aktivierung der Minutenreserve erfolgt üblicherweise manuell, bspw. per Telefonanruf, und hat die ökonomische Optimierung des Verbundbetriebes zum Zweck.
Elektrische Verbraucher treten unter anderem im Niederspannungsnetz auf. Als steuerbare Lasten mit verschiebbarer Leistungsanforderung sind beispielsweise die Kompressormotoren von Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräten zu nennen. Sie können aufgrund thermisch träger Bauelemente bzw. wegen Kälte- oder Wärmespeichern ohne Komforteinbußen ihre Laufzeiten in gewissen Grenzen zeitlich verschieben und wirken dadurch als funktio- nale Stromspeicher. Die Koppelung mehrerer Verbraucher zu einem steuerbaren Verbund ist als Demand Side Management (DSM) bekannt. DSM bietet durch die Synergieeffekte für das Gesamtsystem Vorteile. Durch die externe Beeinflussung der Einzelanlagen können kooperative Aufgaben wahrgenommen werden, z. B. zur Verkleinerung von Leistungsspitzen und einer damit einhergehenden Reduzierung des Leistungspreises bzw. Optimierung der Netznutzung, aber auch zur kollektiven Lieferung von Regelenergie.
Eine Möglichkeit der Koordinierung des Verbundes elektrischer Lasten kann durch eine zentrale Leitwarte erfolgen, von der die Steuerung und Optimie- rung des DSM erfolgt. Übliche Konzepte für DSM benötigen für jeden Verbraucher neben dem Stromnetzanschluss eine Kommunikationsanbindung. Dieser Extra-Aufwand für die Leittechnik lohnt sich bei großen Leistungen im industriellen Maßstab, weniger jedoch für Kleinverbraucher mit einigen kW Anschlussleistung. Die Kosten für die Kommunikation und Regelung sind im NS-Netz aufgrund der feingranularen Struktur des DSM-Systems und der Größenverteilung von Kleinverbrauchern größer als jene der höheren Spannungsebenen.
Bekannt sind auch Verfahren, die mittels Rundsteuersignalen eine große An- zahl von Verbrauchern ansprechen. Dies wird beispielsweise bei elektrischen Nachtspeicheröfen getan, die auf diese Weise eine Freigabe erhalten. Nachteilig ist der induzierte Lasthub, bedingt durch die Gleichzeitigkeit des verteilten Verbrauches und die fehlende Rückkopplung aufgrund der unidirek- tionalen Signalflussrichtung. In US 4 363 974 wird eine Methodik vorgestellt, bei der mit Hilfe eines Laststufenschalters codierte Spannungssignale, d. h. ein Muster von Auf- und Abstufungen, Befehle an elektrische Geräte gesendet werden. Der Decoder an den Verbrauchern schaltet diese dann zum Lastmanagement ab bzw. wieder hinzu und kann auch zur Blindleistungskompensation Kondensatorbänke ansteuern. Durch die häufigen Schaltvorgänge wird die Standzeit des Stufenschalters reduziert und der Wartungsaufwand steigt an.
Intelligente Lasten, die sich je nach Frequenz- (vgl. US 4 317 049) und Span- nungsabweichungen ein- und ausschalten, wurden ebenfalls schon vorgeschlagen und in Prototypen realisiert. Beispielhaft ist der Konferenzbeitrag Distributed intelligence in power networks von Klaus-Wilhelm Köln zum World Climate & Energy Event (RIO 5), Rio de Janeiro, 2005 zu nennen. Weiterhin wird auf die Veröffentlichungen der Initiativen „Dynamic Demand" aus Großbri- tannien (z. B. der Artikel „A dynamically-controlled refrigerator" vom Oktober 2005, http://www.dynamicdemand.co.uk/pdf_fridge_test.pdf) und „GridWise" aus den USA verwiesen.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines einfachen und robusten Verfah- rens zum Betreiben eines Niederspannungsnetzes, das eine Vielzahl von steuerbaren Stromverbrauchern in einem stabilen und selbstregelnden Netzbetrieb integriert.
Zur Lösung dieses technischen Problems wird gemäß Patentanspruch 1 vor- geschlagen, dass die Regelung der Wirkleistung, die von mindestens einem steuerbaren Verbraucher aus dem Niederspannungsnetz bezogen wird, durch eine aktive Variation der Netzspannung erfolgt.
Der Zusammenhang, dass sich die vom Netz bezogene Wirkleistung eines Verbrauchers nach dem Spannungsniveau an seinem Anschlusspunkt richtet, ist an sich bekannt, wie z. B. die spannungsabhängige Leistung ohmscher Lasten (P ~ Uc). Im Gegensatz hierzu wird durch die immer stärker zunehmende Verbreitung von Schaltnetzteilen, elektronischen Vorschaltgeräten und umrichtergespeisten Antrieben eine Entkopplung der Wirkleistungsaufnahme von den Netzgrößen spürbar. Im Rahmen der Erfindung wurde hiervon aus- gehend erkannt, dass prinzipiell auch eine lineare Kennlinie im Sinne einer Wirkleistungs-Spannungs-Statik bei steuerbaren Lasten mit direkt oder indirekt gekoppeltem Speicher, wie zum Beispiel Wärmepumpen, Batterieladegeräte oder Förderpumpen, möglich ist.
Der Grundsatz, Elektroenergie in Abhängigkeit der Spannung zu bewerten und damit auch auf den Verbrauch Einfluss zu nehmen, ist beispielsweise im Bereich eines automatischen Stromhandelsystems angedacht worden ("Der gangbare Weg in die regenerative Energiewirtschaft", Christoph Müller, PoIy- gon-Verlag, 1992). Prinzipiell ähnliche Ansätze sind auch aus dem Posterbeitrag "Netz ohne Kraftwerk" (von Klaus-Wilhelm Köln, 23. Symposium Photo- voltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, März 2008) bekannt.
Ausgehend von diesem allgemeinen Fachwissen und der oben genannten Erkenntnis schlägt die vorliegende Erfindung nun in einem ersten Grundgedanken vor, das Verhalten der (steuerbaren) Verbraucher nach dem Spannungsniveau Ui am Anschlusspunkt i zu regeln. Dabei werden die Verbraucher derart gesteuert, dass bei steigender Netzspannung die Leistungsaufnahme des Verbrauchers zunimmt; bei fallender Netzspannung nimmt die Leistung ab.
Vorzugsweise wird bei steuerbaren Verbrauchern dazu eine Statik verwendet, d. h. die Nennlast wird in Abhängigkeit der Spannung über eine lineare Kennlinie variiert. So kann zum Beispiel ein Batterieladegerät, welches für eine Wiederaufladung eine Ladeleistung von 3 kW ermittelt, diese Ladeleistung kontinuierlich nach oben und unten verschieben, je nachdem, in welcher Höhe ein Über- oder Unterschreiten des Mittelwertes der Netzspannung vorliegt. Bei taktenden Verbrauchern kann eine lineare Verschiebung der Ein- und Ausschaltschwellen erfolgen, d.h. in Abhängigkeit der Spannung wird beispiels- weise die Schalthysterese eines Zweipunktreglers für Kältekompressoren von Tiefkühltruhen angepasst - bei hoher Spannung schaltet der Kompressor eher ein und bei niedriger Spannung früher aus.
Fig. 1 verdeutlicht den Grundgedanken der Erfindung: Sinkt am Anschluss- knoten i die Spannung Ui, so reduziert der Verbraucher die Bezugsleistung Pi und umgekehrt. Bevorzugt sind die Verbraucher als thermisch wirkende Geräte mit einem Wärme- bzw. Kältepuffer ausgeführt; es sind aber auch Motoren und ähnliche Verbraucher steuerbarer Art möglich, bei denen es im Wesentlichen auf die in einer definierten Periode geleisteten Arbeit ankommt, wie z. B. die Energie, die während eines nächtlichen Speicherzyklus die Batterie eines Elektrofahrzeugs wieder auffüllt.
Bei den bekannten Systemen und Verfahren steigt oder sinkt die Netzspannung im Niederspannungsnetz in Abhängigkeit der aus dem betreffenden Netzsegment entnommenen und dezentral eingespeisten Wirkleistung. Im Gegensatz dazu schlägt die Erfindung eine aktive Variation der Netzspannung vor, d. h. zur Regelung der Netzspannung wird von einer übergeordneten Stelle, zum Beispiel einer Leitwarte mit automatisiert arbeitenden Leitrechnern, ein variabler Referenzwert für die Spannung vorgegeben.
Als physikalische Schicht der Datenverbindung für die Netzführung dient erfindungsgemäß die Niederspannungsleitung L selbst sowie gegebenenfalls die diese versorgende Mittelspannungsleitung. Das nutzbare Datum, das diese als Datenbus vermittelt, ist die Spannungshöhe. Im Gegensatz zur indukti- ven Eigenschaft von Mittel- und Hochspannungsleitungen haben Niederspannungsleitungen eine überwiegend ohmsche Charakteristik. Es kann daher vom Spannungsabfall auf den Lastzustand des Netzsegmentes geschlossen werden.
Das oben beschriebene Verbraucherverhalten im Falle der Netzführung resultiert in einem vergleichmäßigtem Energiefluss über den das Netzsegment bzw. die Niederspannungsleitung L versorgenden Transformator T. Die dynamische Anpassung des Energieflusses über den Transformator, wie man sie unter anderem für die Lieferung von Regelenergie oder das Abfahren sich ändernder Erzeugungsprofile benötigt, erfolgt erfindungsgemäß durch die aktive Variation der Spannungshöhe auf der Niederspannungshöhe des Transformators. Die Variation wird dabei zweckmäßigerweise im Zeitbereich von Minuten stattfinden, zum einen um die Schaltvorgänge am Stufenschalter zu minimieren, zum anderen ist eine schnelle Primärregelung einfacher über das Frequenzsignal zu realisieren. Die variable Sekundärspannung dient dabei als Signalträger für die Anforderung der geregelten Leistung. Dabei sollte zweckmäßigerweise das Toleranzband der Normspannungen, z. B. Nach DIN IEC 60038 nicht verlassen werden, da es ansonsten zu Schäden an angeschlossenen Geräten kommen kann und dezentrale Einspeiser selbsttätig abschalten und dadurch eine Netzinstabilität provoziert werden kann.
Zur aktiven Variation der Netzspannung wird bevorzugt ein Transformator mit variablem Übersetzungsverhältnis, zum Beispiel ein Längsregler mit transfor- matorisch eingekoppelter Zusatzspannung oder auch ein Laststufenschalter (engl, on load tap changer) eingesetzt. Die Spannungsvariation kann dabei in Ortsnetzstationen, aber auch auf einer höheren Spannungsebene in den Umspannstationen erfolgen. Als weitere Betriebsmittel zur Spannungsregelung in Verteilnetzen sind Netzspannungsregler in Form von Spartransformatoren, dezentrale Stromerzeugungseinheiten mit Wirk- und Blindleistungsregelung oder auch Mittelspannungs-Gleichstromkupplungen zu nennen.
Senkt ein spannungsvariabler Transformator die Spannung geringfügig ab, so werden in dem von ihm versorgten Netzsegment die verschiebbaren NS- Lasten zu reduziertem Energiebezug angeregt, was zu einer verringerten Netzlast führt. Umgekehrt bewirkt ein Anheben der Spannung einen höheren Wirkleistungsbezug und damit eine größere Netzlast. Als unmittelbarer datentechnischer Knotenpunkt ist somit nur noch ein spannungsvariabler Transformator in ein übergeordnetes Leitsystem einzubinden, was den Kommunikati- onsaufwand drastisch reduziert. Die Verschiebung des Referenzwertes für die aktive Variation der Netzspannung erfolgt vorzugsweise über den Laststufenschalter am Leistungstrafo, möglich ist aber auch die Variation mittels spannungsvariablem Distributionstrafo an der Ortsnetzstation.
Das vorgestellte Verfahren der Erfindung weicht von im Stand der Technik bekannten Regelungen ab, indem es gegen den ehernen Grundsatz der E- nergietechnik zum Betrieb von Wechselspannungsnetzen verstößt, die Wirkleistung P mit der der Frequenz f zu koppeln und die Blindleistung Q mit der Netzspannung U. In Elektroenergiesystemen hat die verteilte Primärregelung von Spannung und Frequenz mittels lokaler Proportionalregler auf Basis von P-f- und Q-U-Statiken in der Vergangenheit zu einem stabilen P-f- und Q-U-Statiken in der Vergangenheit zu einem stabilen und robusten Netzbetrieb geführt, so dass eine hiervon abweichende Methodik mit der Verknüpfung der Wirkleistung P mit der Spannung U abwegig erscheint. Die Beeinflussung der Spannung auf Mittelspannungsebene, um damit spannungs- sensitive Verbraucher im Niederspannungsnetz zum Zwecke der tertiären Regelenergielieferung zu gesteigerter oder verminderter Wirkleistungsaufnahme zu bewegen, widerspricht der geübten Praxis, die Wirkleistung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz zu regeln.
Die erfindungsgemäße Nutzung der Spannungshöhe als Informationsträger für den Wirkleistungsbezug in Niederspannungsnetzen hat dabei den Vorteil, dass Verbraucher ein selbstorganisatorisches Verhalten an den Tag legen. Sie kommunizieren über die Spannung als lokales Signal miteinander, so dass Lasten, welche aufgrund vorhandener Speicherkapazitäten mit disponibler Leistung ausgestattet sind, automatisch den schwankenden Leistungsbedarf nicht steuerbarer Lasten zumindest teilweise ausgleichen können. Weiterhin dient das vorgestellte Verfahren einer Komplexitätsreduktion (plug & play), da autonome Steuerungen mit dem Netz auf Basis der Produktparameter des Stromes, wie Spannung und gegebenenfalls auch Frequenz, interagieren. Die Spannung kann dabei als lokale Größe im Gegensatz zur Frequenz in einem dedizierten Netzsegment beeinflusst werden. Die Anforderungen an den Kommunikationsaufwand sind stark reduziert, da lediglich Sensoren für Spannung und gegebenenfalls Frequenz benötigt werden. Der Sender für die Nachricht „weniger bzw. mehr Last" ist als Betriebsmittel mit dem Stufenschal- ter am Leistungstrafo bereits vorhanden. Als einheitlicher Kommunikationsstandard sind lediglich Normen zur Spannungsqualität wie z.B. die EN 50160 einzuhalten. Es ist in diesem Sinne ein offenes Protokoll, welches auch Teilnehmer integriert, die kein spannungssensitives Verhalten aufweisen.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer Wärmepumpe erläutert. In Fig. 2 sind die Energieflüsse innerhalb eines Gebäudes B dargestellt, des Weiteren der Verbund zu weiteren Gebäuden B über eine gemeinsame Niederspannungsleitung L, welche von einem Distributionstransformator T mit variablem Übersetzungsverhältnis gespeist wird. Neben einer teillastfähigen Wärmepumpe H1 ist auch noch eine taktende e- lektrische Heizpatrone H2 dargestellt. Sie dient gegebenenfalls dazu, zur Warmwasserbereitung die gewünschten hohen Temperaturen bereitzustellen, als Reserve für den Störungsfall und als Spitzenlast, sollte bei tiefsten Außen- temperaturen die Leistung des Wärmepumpenaggregates nicht mehr ausreichen. Der Heizstrom 1 setzt sich zusammen aus dem Anteil für die Wärmepumpe 2 und der Heizpatrone 3. Wärmepumpe H1 und Heizpatrone H2 erzeugen Wärmeflüsse auf niedrigem 4 und hohem 5 Temperaturniveau, die im Wärmespeicher S zwischengespeichert werden. Die thermische Last 6 nimmt diese Wärme auf. Auf elektrischer Seite ergeben der Heizstrom 1 , die sonstigen Verbraucherströme 7 und eventuell vorhandenen Einspeisungen 8 - hier beispielhaft mit einer Photovoltaikanlage P - den Stromsaldo 9 zum Netz. Benachbarte Häuser B, die an derselben Niederspannungsleistung L angeschlossen sind, können ebenfalls bidirektionale Leistungsflüsse aufweisen.
Dank des Wärmespeichers S ist eine zeitliche Entkoppelung zwischen der Wärmenachfrage und -erzeugung möglich. Dies erlaubt eine Netzführung von elektrischen Lasten, d. h. der Anlagenbetrieb der Verbraucher H1 und H2 richtet sich nach den Gegebenheiten im Stromnetz. Dadurch wird bei starker Netzlast die Bezugsleistung reduziert und in Schwachlastphasen lädt die Wärmepumpe den Speicher wieder auf.
Eine Form der Netzführung auf Basis lokal messbarer Größen ist die Spannungsführung. Da bei Niederspannungsleitung der ohmsche Widerstandsbe- lag den Induktivitätsbelag dominiert, kann die Wärmepumpe von der Messung der Spannung am Anschlusspunkt auf die Last des Niederspannungsnetzsegmentes schließen. Die Anlagensteuerung misst den Spannungsverlauf und ermittelt typische Verlaufskurven je nach Jahreszeit und Wochentag. Des Weiteren lernt sie anhand gemessener vergangener Wär- mebezugsdaten das typische Anforderungsprofil des Wärmebedarfs in Abhängigkeit von Witterung, insbesondere der Außentemperatur sowie der Jahres- und Tageszeit. Mit Hilfe des Anforderungsprofils kann die Anlagensteuerung eine Prognose erstellen, welche den Strombezug innerhalb eines Prognosehorizontes abschätzt. Dieser Zeitraum ist abhängig von der Größe des Energiespeichers (hier als Wärmespeicher) sowie der durchschnittlichen Last dieser Periode. In jedem Prognoseintervall passt ein adaptiver Regler in Abhängigkeit des erwarteten Spannungsverlaufs und des Energiebedarfs sowie hinterlegter Tarifinformationen die Betriebsweise des Heizgerätes an. Vorteilhafterweise wählt eine selbstlernende Anlagensteuerung für die Lage und Steigung der Wirkleistungs-Spannungs-Statik bei der Wärmepumpe H1 bzw. Schaltschwellen des Hysterese-Schalters bei der Heizpatrone H2 einen solchen Parametersatz, dass bevorzugt bei niedriger Netzlast Strom bezogen wird, d. h. wenn ein Spannungsberg vorliegt. Üblicherweise korreliert der Wert des Stromes auf Übertragungsnetzebene positiv mit der gemessenen Netzlast auf Niederspannungsebene.
Des Weiteren ermöglichen spannungssensitive Verbraucher eine verbesserte Ausnutzung der Netzbetriebsmittel, da Netzausbaumaßnahmen aufgrund von Verletzungen des Spannungsbandes verhindert bzw. verzögert werden kön- nen. So ist im Beispiel von Fig. 2 im Sommer bei einer starken Durchdringung mit PV-Anlagen P mit Spannungsspitze um die Mittagszeit zu rechnen. Wärmepumpen H1 und Elektroboiler H2 treten bevorzugt bei angehobener Spannung in Aktion, laden den Wärmespeicher mittags auf und wirken somit automatisch der Spannungsanhebung entgegen.
Fig. 3 erläutert, wie spannungsgeführte Verbraucher im Niederspannungsnetz G-2 von zentraler Stelle aus geregelt werden. In diesem Fall ist die zentrale Stelle der Laststufenschalter des Leistungstransformators T1 , welcher am Hochspannungsnetz G-O angeschlossen ist, das Mittelspannungsnetz G-1 speist und über den Ortsnetztrafo T2 auch die Niederspannungsnetz G-2 versorgt. In die jeweiligen Netzebenen fließen positive und negative Wirkleistungen P und Blindleistungen Q. Die Systemgrenze S umfasst den steuerbaren Verbraucher, der am Niederspannungsknoten G2-i angeschlossen ist. Die globale Netzfrequenz fGo sowie die Spannung am Anschlusspunkt UG2-ι wer- den gemessen. In dem Beispiel ist mittels der Parameter fref (Sollwert für die Frequenz [Hz]) und Kf (Leistungszahl der Frequenz [W/Hz]) eine Primärregelung der bezogenen Wirkleistung PQ2-, dargestellt. Zusätzlich erfolgt die Verknüpfung der Wirkleistungsaufnahme PG2-ι mit der Spannung über ein Parameterpaar Uref (Sollwert für die Spannung [V]) und Ku (Leistungszahl der Spannung [V/Hz]). Hierbei erfolgt eine Bearbeitung des Eingangssignals UG2-ι (Netzspannung am Niederspannungsknoten i [V]) durch geeignete Schätzer bzw. Filter, um schnelle Spannungsänderungen auszublenden. Das zu nutzende Signal sind die langsamen Spannungsänderungen im Zeitbereich von Minuten, wie sie beispielsweise in der EN 50160 definiert werden. Der Span- nungsregler am Laststufenschalter des Leistungstrafos kann nun von einem fixen Referenzwert für UGI-O abweichen und einen Wert wählen, der leicht darüber oder darunter liegt. Diese Spannungsänderung pflanzt sich über die Mit- telspannungs- und Niederspannungsstrecken bis zum Verbraucher fort, der darauf zu mehr oder weniger Leistungsbezug angeregt wird.
Weiterhin erweist es sich für den Fall einer sich ändernden Netzgröße, wie es z.B. bei dem Auftrennen der Synchronzone in mehrere kleinere Netzsegmente in Folge einer Großstörung oder auch in Folge des Übergangs in den Inselbetrieb eines Arealnetzes auftreten kann, als zweckmäßig, die oben aufgeführ- ten Wirkleistungs-Frequenz- und Wirkleistungs-Spannungs-Statiken in Abhängigkeit der Netzgröße zu variieren. So ist im Notfall einer Großstörung (grid panic mode) oder im Inselnetzbetrieb der Beitrag von Kleinstlasten zur Frequenzstützung (Primärregelung) wichtiger als während des Normalbetriebes im Synchronzonenverbund. Die Leistungskapazitäten für die Tertiärrege- lung werden in diesem Fall auf die Primärregelung übertragen. In kleinen Netzen reagieren Verbraucher dann empfindlicher auf Frequenzänderungen und weniger stark auf Spannungsänderungen. Sobald das Netz wieder an Umfang gewonnen hat, wird wieder umgeschaltet, so dass die Tertiärregelung auf Basis der Spannung gegenüber der Primärregelung auf Basis der Frequenz do- miniert und sich damit die Lastwechselreaktionen des stromverbrauchenden Aggregats und die damit verbundene Verschleißerscheinungen verringern.
Die gleiche Methodik lässt sich im Übrigen auch für die Blindleistung Q auf Niederspannungsebene realisieren, z. B. wenn Verbraucher in der Wahl ihres Blindleistungsstromes frei einstellbar sind, wie es z.B. für umrichtergesteuerte Antriebe der Fall ist, die über einen Vier-Quadranten-Betrieb verfügen. Hierbei ist der Sollwert für die Blindleistung Q sowohl von einer Spannungs-Statik als auch von einer Frequenz-Statik abhängig und die Parametrisierung dieser Statiken variiert (Steigung und Sollwert für die Spannung U) mit der Netzgrö- ße. Eine Möglichkeit zur Feststellung sich ändernder Netzgrößen ist das Impedanzsprungverfahren, welches zur Detektion kleiner Inselnetzbildungen verwendet wird. Das Entstehen großer Netzinseln, z.B. ein Verteilnetz mit ausreichender Eigenerzeugung kann beispielsweise durch ein (Funk-) Rundsteuer- System kommuniziert werden.
In Abhängigkeit von Jahres- und Tageszeit ändert sich die beeinflussbare Leistung. So ist z. B. in einem Netzgebiet mit einer hohen Anzahl von Wärmepumpen die verschiebbare Leistung im Winter tendenziell höher als im Som- mer, bei hoher Dichte von Klimaanlagen ist es umgekehrt. Dies resultiert in einer variablen Elastizität des Stromverbrauches gegenüber der Spannung.
Aufgrund der Ungewissheit über die inneren Zustände der Verbraucher, insbesondere der Energieinhalt der thermischen Speicher, kann die Leittechnik hinter dem Spannungsregler nicht von einem deterministischen Verhalten einer einzelnen Last auf die vorgegebene Spannungsänderung ausgehen. Die Systemantwort ist jedoch bei einer Vielzahl von spannungsgeführten Verbrauchern statistisch erfassbar.
An zentraler Stelle im Netz, wie z. B. an einem Transformator, kann der Leis- tungsfluss Po gemessen werden und in Relation gebracht werden mit der Referenzspannung Spannung Uo. Spannungsänderungen DU rufen im untergeordneten Verteilnetzsegment Leistungsänderungen DP hervor. In Kennfeldern werden gemessene Jahres- und tageszeitabhängige dP/dU-Spannungs- elastizitäten der Wirkleistung abgelegt. Mit diesen Werten lässt sich bestimmen, welcher Regelenergieimpuls generiert werden kann. Ein übergeordnetes Leitsystem vermag somit über die Betriebsmittel zur Spannungsregelung auch DSM-Aufgaben erfüllen, um damit beispielsweise den Netzbetrieb oder den Strombezug zu optimieren. Dies kann zum einen durch das Generieren von Leistungshüben DP geschehen, zum anderen können Obergrenzen Pmax oder davon abgeleitete Größen an bestimmten Betriebsmitteln, wie z.B. Transformatoren oder Leitungen eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung elektrischer Verbraucher im Niederspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie von mindestens einem Verbraucher aus dem Niederspannungsnetz bezogen wird, der Verbraucher den Wirkleistungsbezug bei steigender Netzspannung erhöht und bei fallender Netzspannung erniedrigt und dieser Wirkleistungsbezug durch Variation des Referenzwertes für die Netzspannung innerhalb des Toleranzbandes der Normspannungen durch eine übergeordnete Stelle beeinflusst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Wirkleistungsbezugs im Zeitbereich einer Tertiärregelung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbraucherverhalten durch eine lineare Reglerkennlinie in Form einer
Wirkleistungs-Spannungs-Statik bestimmt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbraucherverhalten neben der Wirkleistungs-Spannungs-Statik auch durch eine Wirkleistungs-Frequenz-Statik bestimmt wird und beide Statiken in Abhängigkeit von der direkt oder indirekt ermittelten Netzgröße modifiziert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Variation der Netzspannung durch Laststufenschalter o- der Längsregler mit Zusatztransformatoren erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Netzspannung durch Spannungsregler im Netz erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Netzspannung durch dezentrale Stromerzeugungseinheiten mit Wirk- oder Blindleistungsregelung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Variation der Netzspannung durch Mittelspannungs-
Gleichstromkupplungen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, die folgenden Schritte umfassend: • Messen des Leistungsflusses P0 in einem Netzsegment
• Ermitteln der geregelten Netzspannung U0
• Berechnung einer zeitabhängigen dP/dU-Kennlinie
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine über- geordnete Leittechnik auf Basis von dP/dU-Kennlinien in die Spanungsregelung des Verteilnetzes eingreift.
11. System zum Berechnung der Spannungselastiziät der Leistung eines Verteilnetzsegmentes, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Datenverarbeitungsgerät, einen Spannungsregler und Mittel zur Bestimmung des Leistungsflusses und der Netzspannung umfasst.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein übergeordnetes Leitsystems einen Leistungshub DP vorgibt und der Leis- tungshub DP über die berechnete Spannungselastizität dP/dU den Referenzwert der Spannungsregelung verschiebt.
13. System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein übergeordnetes Leitsystems eine maximale Leistung Pmax vorgibt und der Referenzwert der Spannungsregelung gemäß der berechneten Spannungselastizität abgesenkt wird, sofern der gemessene Leistungsfluss sich der vorgegebenen maximalen Leistung Pmax nähert.
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