WO2015039802A1 - Verfahren zur rechnergestützten steuerung einer oder mehrerer regenerativer energieerzeugungsanlagen in einem elektrischen stromnetz - Google Patents

Verfahren zur rechnergestützten steuerung einer oder mehrerer regenerativer energieerzeugungsanlagen in einem elektrischen stromnetz Download PDF

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WO2015039802A1
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Joachim Bamberger
Michael Bernhard BUHL
Ulrich Münz
Sebastian SCHWEDE
Florian Steinke
Jeremy Ralph WILES
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Definitions

  • the invention relates to a method for the computer-aided control of one or more regenerative power generation plants in an electrical power grid.
  • An electrical power network comprises a multiplicity of network nodes interconnected via power lines, via which electrical energy is supplied to the power grid or electrical energy is taken from the power grid. At least one generator node, which is used to supply electrical
  • Power is used in the power grid, it works as a voltage source to adjust the grid voltage and grid frequency in the power grid by the provided by the generator node AC voltage, i. whose amplitude and frequency are influenced.
  • regenerative power generation plants are present in the electric power grid, they are currently always operated as power sources, ie their voltage is not adjusted but their electrical current and thus the electrical power provided.
  • regenerative power generation systems are currently always operated as power sources in the power grid.
  • For the operation of a regenerative power generation plant as a voltage source there is currently no satisfactory regulation. For example, in a given situation, more power may be supplied to the grid than is required by the regenerative power plant. can be provided. Under certain circumstances, this can lead to the amplitude or frequency of the alternating voltage at the regenerative power generation plant continuously decreasing and ultimately leading to a shutdown of the power grid.
  • the object of the invention is therefore to operate one or more regenerative power generation plants as voltage sources in a power grid such that the stability of the power grid is ensured.
  • the method according to the invention serves for the computer-aided control of one or more regenerative power generation plants in an electric power grid.
  • the term regenerative power generation plant is to be understood broadly and in particular relates to a photovoltaic system or a
  • the electrical power grid comprises a plurality of interconnected via power lines network nodes, which feed electrical energy into the power grid and remove electrical energy from the mains.
  • a network node can feed only electrical energy or remove only electrical energy or carry out both a feed and a removal of electrical energy.
  • the regenerative power generation systems controlled by the method according to the invention are network nodes for the supply of electrical energy in the power grid and each comprise an energy store for temporarily storing energy which can be fed into the power grid as electrical energy.
  • the cached energy is not necessarily electrical energy, but may also be mechanical energy, for example, which is then converted into electrical energy during the feed.
  • the voltage amplitude and the frequency of the alternating voltage, which is provided by the respective regenerative power generation plant in the power grid are regulated in a respective regenerative power generation plant.
  • the voltage amplitude and / or the frequency of the alternating voltage depend on the energy level in the energy store of the respective regenerative power generation plant in such a way that the decrease of the amount of energy in the energy store towards a maximum power energy value results in a decrease of the voltage amplitude and / or the frequency (with otherwise unchanged, the voltage amplitude and / or the frequency influencing parameters) leads. This means that a greater decrease in the amount of energy in the energy store at energy levels above the
  • maximum power energy value leads to a decrease in voltage amplitude and / or frequency. Nevertheless, the voltage amplitude and / or the frequency may remain constant in shorter subsections of energy values above the maximum power energy value.
  • the maximum power energy value is defined such that at the maximum power energy value, the maximum active electrical power is generated by the respective regenerative power generation plant.
  • the inventive method is characterized in that the regulation of the regenerative power generation system ensures that when operating as a voltage source, the energy in the energy storage permanently or most of the time above the point of maximum active power, because when the energy in the energy storage decreases, the load at the regenerative power generation plant suitably reduced by reducing the voltage amplitude or frequency of the AC voltage, whereby the reduction of the amount of energy in the energy storage is counteracted.
  • the control does not lead to states in which an increased load leads to a continuous emptying of the energy storage, so that a sufficient voltage through the energy storage can not be provided, which can lead to the failure of the power grid.
  • a reference voltage amplitude and / or a reference frequency are set as part of the scheme, of which the voltage amplitude and / or the frequency depend, the reference voltage amplitude and / or the reference frequency (only) of the amount of energy in the energy storage of the respective depend regenerative power generation plant, in such a way that the decrease in the amount of energy in the energy storage towards the
  • Maximum power energy value leads to a decrease in the reference voltage amplitude and / or the reference frequency. This in turn means that a larger decrease in the amount of energy in the energy store at energy values above the maximum power energy value leads in any case to a decrease in the reference voltage amplitude and / or the reference frequency. Nonetheless, the reference voltage amplitude and / or the reference frequency may also remain constant in shorter subsections of energy values above the maximum power energy value.
  • an excessively high decrease of the energy in the energy store is counteracted particularly efficiently.
  • the decrease of the voltage amplitude and / or the frequency, in particular of the reference voltage amplitude and / or the reference frequency may possibly also be at least piecewise linear as a function of the amount of energy in the energy storage done.
  • the dependence of the voltage amplitude and / or the frequency, in particular the reference voltage amplitude and / or the reference frequency, of the amount of energy can be set in detail. If the load on the regenerative power plant is e.g. only depending on the voltage amplitude or the frequency of the AC voltage, only the voltage amplitude or the frequency of the amount of energy can be dependent. Likewise, the dependencies of the voltage amplitude and the frequency can be appropriately weighted.
  • the dependence of the voltage amplitude and / or the frequency, in particular the reference voltage amplitude and / or the reference frequency of the amount of energy in the energy storage contains one or more parameters, which determined from a modeling of the power grid and the loads and generators connected thereto - the.
  • the dependence may include one or more parameters which are determined during operation of the power grid and in particular determined based on the variation of the voltage amplitude and / or the frequency of the AC voltage.
  • the change in the load on the regenerative power generation plant is considered based on the variation of the voltage amplitude or frequency of the alternating voltage.
  • a respective regenerative power generation system issues a command to one or more switches in the power network which, according to the command, assigns one or more other network nodes (ie other network nodes than the network nodes of the regenerative energy sources) - Supply system) separate from the power grid
  • the predetermined criterion is particularly satisfied if the amount of energy in the energy storage the maximum power energy value or falls below an energy threshold above the maximum power energy value and / or if the voltage amplitude and / or the frequency of the AC voltage falls below a predetermined threshold. This improves the robustness of the power grid against failures.
  • Transmission of the above command can be done via a separate communication line, on the other hand, electrical quantities in the network, such as e.g. the frequency or voltage used for the transmission.
  • At least one regenerative power generation plant is a photovoltaic system which generates direct current via solar radiation, wherein the electrical energy from the direct current in the energy store is temporarily stored in the form of an electrical energy store and a direct current voltage provided by the electrical energy store via an inverter or inverter is converted into the AC voltage.
  • the voltage amplitude and / or the frequency in particular the reference voltage amplitude and / or the reference frequency, depends on the electrical energy quantity in the electrical energy store.
  • the voltage amplitude and / or the frequency are preferably determined based on the DC voltage provided by the electrical energy store, which is correlated with the electrical energy quantity in the electrical energy store.
  • the electrical energy store comprises a
  • the electrical energy store may also comprise a supercapacitor and / or an electric battery.
  • at least one regenerative power generation plant is a wind power plant which transmits mechanical energy Movement of at least one rotor generated by wind power, said energy is stored in the energy storage in the form of a mechanical energy storage, wherein the cached mechanical energy is converted via an electric generator into the AC voltage.
  • the voltage amplitude and / or the frequency, in particular the reference voltage amplitude and / or the reference frequency determined based on the rotational frequency of the at least one rotor, which is correlated with the mechanical energy amount in the mechanical energy storage.
  • the mechanical energy store preferably comprises the at least one rotor itself and, alternatively or additionally, a flywheel.
  • the regulation determines the voltage amplitude and the frequency as a function of the active power and / or reactive power which are supplied to the power supply system by the respective regenerative power generation plant.
  • the maximum power energy value described above or a variable correlated with this value is determined in a preferred variant from a number of predetermined characteristic curves or mathematical models and / or based on values of a sensor and / or from parameter values obtained during operation of the regenerative power generation plant.
  • the characteristics reflect in particular the dependence of the above-described DC voltage on the active power of the photovoltaic system, each characteristic specifying a specific solar irradiation.
  • the solar radiation can be determined via a sensor and by means of the characteristic that corresponds to this solar radiation, the DC voltage can be determined, which corresponds to the maximum active power.
  • the characteristic curves preferably specify the dependence of the rotational frequency of the at least one rotor on the active power of the wind turbine, each characteristic curve corresponds to a certain wind speed.
  • the wind speed is determined via a sensor, whereupon the rotational frequency of the at least one rotor at maximum active power is determined via the characteristic curve which corresponds to the determined wind speed.
  • the invention further relates to a device for computer-aided control of one or more regenerative power generation systems in an electrical energy network, which contains a plurality of interconnected via power lines network nodes, which feed electrical energy into the power grid and remove electrical energy from the mains, wherein the regenerative power generation plant or power generation plants are network nodes for the supply of electrical energy and each comprise an energy store for temporary storage of energy that can be fed as electrical energy into the power grid.
  • the device comprises a controller which is configured such that the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention can be carried out with the controller.
  • the invention further relates to a regenerative energy generating plant, which comprises the above-described device according to the invention for its control.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a power grid with a regenerative power generation plant, which is controlled based on an embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram showing the structure of the regenerative power generation system of Fig. 1
  • 3 is a graph illustrating the dependence of a voltage of the link capacitor of the regenerative power plant of FIG. 2 on the effective electrical power provided by the plant;
  • FIG. 4 shows a diagram representing the setting of a reference voltage amplitude of the alternating voltage generated by the power generation system of FIG. 2 as a function of the DC voltage of the intermediate circuit capacitor;
  • Fig. 5 is a diagram showing the dependence of the rotational speed of its rotor of the generated active power for a regenerative power plant in the form of a wind turbine.
  • Form of a photovoltaic system comprises.
  • the photovoltaic system operates as a voltage source (ie as a so-called "grid-forming device") via which an alternating voltage based on a reference voltage amplitude and reference frequency is to be provided in the power grid
  • the power generation equipment can always be operated as a power source, ie as a grid-supporting device
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a power grid PG with six network nodes Nl, N2, ..., N6, which are connected to each other via power lines PL.
  • the power grid is in particular a so-called island grid, which operates autonomously and is independent of other power transmission grids.
  • the power grid PG includes as node Nl a regenerative power plant RE in the form of a photovoltaic system. This is operated as described above as a voltage source.
  • the other network nodes N2 to N6 are load nodes, which remove electrical power from the power grid.
  • the load nodes can be ohmic loads whose power consumption increases quadratically with the voltage amplitude in the network.
  • the load nodes may also exhibit a frequency-dependent behavior in which a decrease in the line frequency leads to a decrease in power consumption.
  • loads are typically electrical machines and motors, e.g. Pumps and drives.
  • a decrease in the network load when the voltage amplitude decreases as well as a decrease in the network load when the grid frequency decreases are observed in a power grid.
  • the power grid of FIG. 1 may also be present.
  • a plurality of regenerative power generation plants can be operated as a voltage source.
  • other types of generators than regenerative power plants may be present in the network.
  • the power grid may optionally comprise generator nodes which do not operate as voltage sources but as current sources. For such generator nodes, a Reduction of the mains frequency to a higher, the network provided real power, which reduces the load of voltage sources operated as generators.
  • the network node Nl is a regenerative power generation plant, which is regulated by the controller CO. In this controller, a variant of the method according to the invention is implemented, which will be explained below.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the structure of the regenerative power generation system RE of FIG. 1.
  • this system is a photovoltaic system with a photovoltaic module PV which, in a manner known per se, generates electrical energy in the solar irradiation Form generated by DC.
  • Photovoltaic system is connected via an intermediate circuit capacitor C to an inverter IN.
  • the DC link capacitor is part of the inverter.
  • the intermediate circuit capacitor C is charged by the direct current generated via the photovoltaic module PV and thus stores electrical energy. The higher the electric power stored, the higher the voltage present at the intermediate circuit capacitor DC voltage U DC.
  • the intermediate circuit capacitor represents a variant of an energy storage device for intermediate storage of energy in the sense of the claims.
  • the inverter IN converts the DC voltage U DC of the intermediate circuit capacitor into an AC voltage U AC which is characterized by a voltage amplitude U and a voltage frequency f. The determination of f and U is done with the controller CO. As part of the regulation of the controller CO, the reference voltage amplitude U 0 and the reference frequency f 0 are internally determined.
  • a load reduction in the power grid is preemptively performed before the voltage U DC reaches the point where the maximum active power is provided.
  • the associated voltage is referred to below as U M and represents one of the input variables of the regulator.
  • U M represents one of the input variables of the regulator.
  • the voltage stored in the capacitor C The electrical energy stored is always at a level, so that when the stored energy decreases, the generated active power increases. In this way it is achieved that at an increased network load, the voltage U DC does not run to zero and leads to shutdown of the power grid.
  • a so-called droop control is used in which the dependence of the voltage amplitude U and the corresponding voltage frequency f provided by the regenerative power generation system is proportional to the active power or reactive power provided and is as follows:
  • U (Q) U 0 + k 2 - (QQ o ) (2) f 0 corresponds to the above-mentioned reference frequency and U 0 of the above-mentioned reference voltage amplitude.
  • P is the active power and Q is the reactive power that is supplied by the inverter IN to the electrical grid.
  • k. ⁇ and k 2 are suitably fixed constants.
  • P 0 and Q 0 are suitably fixed offsets.
  • the reference frequency f 0 and the reference voltage amplitude U 0 are dependent on is set by the DC voltage U DC , in such a way that a decrease in the DC voltage U DC at values greater than U M leads to a decrease of f 0 and U 0 , which in turn reduces the power consumption of load nodes or the power supply of working as current sources Increases generators in the power grid, which reduces the load on the regenerative power plant and thus counteracts another voltage drop across the DC link capacitor.
  • U M the Represents value of the DC voltage of the DC link capacitor, at which the maximum active power is generated by the power generation plant. This value may be determined appropriately based on predetermined characteristics, which are shown by way of example in the diagram of FIG. 3. This diagram gives the dependence of the by the
  • Photovoltaic system of Fig. 2 generated active power P of the voltage U DC in the form of a plurality of curves, wherein a respective curve corresponds to a predetermined value of the solar radiation.
  • curves correspond to a higher solar radiation.
  • the curve for the highest solar radiation is denoted by K.
  • U M the solar radiation via a corresponding sensor in the
  • the above logarithmic dependence further contains the parameters a, b, c, d, e and f. These parameters are set in such a way as to ensure that a decrease from U DC to U M results in the values for f 0 and U 0 also decreasing. An appropriate definition of these parameters is within the scope of expert action. Gegebe- if appropriate, only f 0 or even U 0 can be dependent on the voltage U DC . Likewise, it can be controlled by the choice of the parameters, how strong the decrease of the frequency f 0 and the voltage U 0 should be weighted in the control.
  • the change in the network load is preferably detected when the frequency f or the voltage amplitude U is varied. If, for example, there is no change or only a slight change in the load with variation of the frequency, the quantity f 0 can be independent of U DC . The same applies correspondingly to the voltage amplitude U 0 . Likewise, corresponding weights may be determined based on the parameters.
  • Equation (1) The dependencies described above based on equation (1) and equation (2) can also be implemented differently if necessary.
  • P and Q can be interchanged in the equations, so that the frequency f only of Q and the
  • the control of the power sources may be influenced via communication with the regenerative power plant. In the event that the regenerative power generation plant is the only generator in the power grid, both U 0 and f 0 can generally depend on U DC .
  • the voltage U M can be determined with maximum active power based on characteristics according to FIG. 3.
  • U M can also be determined in other ways, for example by detecting the derivative of the active power with respect to U DC during operation of the power network. If the value of the derivative is zero, this corresponds to U M.
  • the power plant includes several of the inverters shown in FIG. 2 for corresponding parts of the power plant, a part of the inverters are operated with the control according to the invention, whereas the other part is operated as current sources and is used to set the value U M to capture.
  • Photovoltaic system primarily a mechanical energy storage is used.
  • This energy store is preferably the rotor of the wind turbine.
  • a flywheel can be provided as energy storage.
  • the mechanically stored energy is converted by an electric generator into electrical energy and then released by means of a suitable inverter to the AC network.
  • the regulation of this inverter can be designed in analogy to the above equations (1) to (4).
  • U DC is replaced by the frequency of the rotor of the wind turbine. This frequency correlates with the amount of energy in the mechanical energy storage, just as U DC correlates with the amount of energy in the electrical energy storage of a photovoltaic system.
  • U M is replaced by a frequency value f M at which the maximum active power is generated by the wind turbine.
  • the determination of the frequency value f M can analogously to
  • Characteristic curve is reproduced.
  • the individual curves correspond to different wind speeds. Curves higher up in the diagram represent higher wind speeds.
  • Each curve has a maximum value, wherein the course of the maximum values for the different wind speeds is indicated by the dashed line L.
  • the wind speed is measured with a corresponding sensor and then removed from the ordered characteristic curve read the rotational speed or rotational frequency with the maximum active power.
  • a regenerative power generation plant in a power grid such as e.g. In a stand-alone grid, can also be operated as a voltage source without the power grid failing. This is achieved by keeping the energy in a corresponding energy store of the regenerative power generation plant as permanently as possible above a point at which the maximum active power is provided by the power generation plant. In this way, a power grid with high stability is achieved.
  • the method of the invention can be implemented in a simple manner via a corresponding regulator in the regenerative power generation plant.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen (RG) in einem elektrischen Stromnetz (PG), welches eine Mehrzahl von über Stromleitungen (PL) miteinander verbundenen Netzknoten (N1, N2,..., N6) enthält, welche elektrische Energie in das Stromnetz (PG) einspeisen und elektrische Energie aus dem Stromnetz (PG) entnehmen, wobei die regenerative Energieerzeugungsanlage oder Energieerzeugungsanlagen (PG) Netzknoten (N1) zur Einspeisung von elektrischer Energie sind und jeweils einen Energiespeicher (C) zur Zwischenspeicherung von Energie umfassen, die als elektrische Energie in das Stromnetz (PG) eingespeist werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Energieerzeugungsanlagen (RE) in dem Stromnetz als Spannungsquelle betrieben werden, wobei die WechselSpannung (UAC) an der Energieerzeugungsanlage (RE) derart geregelt wird, dass die Energiemenge im Energiespeicher (C) oberhalb eines Maximalleistungs-Energiewerts bleibt, bei dem die maximale elektrische Wirkleistung (Pm) durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) erzeugt wird. Hierdurch wird ein stabiler Betrieb des Stromnetzes ohne Netzausfälle gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise für regenerative Energieerzeugungsanlagen in der Form von Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen eingesetzt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen in einem elektrischen Stromnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen in einem elektrischen Stromnetz.
Ein elektrisches Stromnetz umfasst eine Vielzahl von über Stromleitungen miteinander verbundenen Netzknoten, über welche elektrische Energie dem Stromnetz zugeführt wird bzw. elektrische Energie aus dem Stromnetz entnommen wird. Zumin- dest ein Generatorknoten, der zur Zufuhr von elektrischer
Energie in das Stromnetz dient, arbeitet dabei als Spannungsquelle, um die Netzspannung und Netzfrequenz im Stromnetz einzustellen, indem auf die vom Generatorknoten bereitgestellte WechselSpannung, d.h. auf deren Amplitude und Fre- quenz , Einfluss genommen wird.
Sind in dem elektrischen Stromnetz regenerative Energieerzeugungsanlagen vorhanden, werden diese derzeit immer als Stromquellen betrieben, d.h. es wird nicht deren Spannung einge- stellt, sondern deren elektrischer Strom und damit die bereitgestellte elektrische Leistung. Es besteht jedoch das Bedürfnis, regenerative Energieerzeugungsanlagen auch als Spannungsquellen im Stromnetz zu betreiben. Insbesondere bei autark betriebenen Inselnetzen kann es vorkommen, dass nur Ge- neratorknoten in der Form von regenerativen Energieerzeugungsanlagen vorhanden sind, so dass es erforderlich ist, zumindest eine regenerative Energieerzeugungsanlage als Spannungsquelle zu betreiben. Für den Betrieb einer regenerativen Energieerzeugungsanlage als Spannungsquelle gibt es derzeit noch keine zufriedenstellende Regelung. Zum Beispiel kann in bestimmter Situation mehr Leistung in das Stromnetz abzugeben sein, als von der regenerativen Energieerzeugungsanlage be- reitgestellt werden kann. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass die Amplitude oder Frequenz der WechselSpannung an der regenerativen Energieerzeugungsanlage kontinuierlich abnimmt und schließlich zu einem Abschalten des Stromnetzes führt .
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine oder mehrere regenerative Energieerzeugungsanlagen als Spannungsquellen in einem Stromnetz derart zu betreiben, dass die Stabilität des Stromnetzes gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen in einem elektrischen Stromnetz. Der Begriff der regenerativen Energieerzeugungsanlage ist weit zu verstehen und betrifft insbesondere eine Photovoltaikanlage bzw. eine
Windkraftanlage. Das elektrische Stromnetz umfasst eine Mehrzahl von über Stromleitungen miteinander verbundenen Netzknoten, welche elektrische Energie in das Stromnetz einspeisen und elektrische Energie aus dem Stromnetz entnehmen. Je nach Ausgestaltung kann ein Netzknoten dabei nur elektrische Energie einspeisen bzw. nur elektrische Energie entnehmen bzw. sowohl eine Einspeisung als auch eine Entnahme von elektrischer Energie vornehmen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten regenerativen Energieerzeugungsanlagen stellen in dem Stromnetz Netzknoten zur Einspeisung von elektrischer Energie dar und umfassen jeweils einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von Energie, die als elektrische Energie in das Stromnetz eingespeist werden kann. Die zwischengespeicherte Energie ist dabei nicht notwendigerweise elektrische Energie, sondern kann z.B. auch mechanische Energie sein, die bei der Einspeisung dann in elektrische Energie gewandelt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer jeweiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage die Spannungsamplitude und die Frequenz der WechselSpannung geregelt, welche durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage im Stromnetz bereitgestellt wird.
Im Rahmen dieser Regelung hängen die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz der WechselSpannung von der Energiemen- ge in dem Energiespeicher der jeweiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage derart ab, dass die Abnahme der Energiemenge im Energiespeicher hin zu einem Maximalleistungs- Energiewert zu einer Abnahme der Spannungsamplitude und/oder der Frequenz (bei ansonsten unveränderten, die Spannungsamp- litude und/oder die Frequenz beeinflussenden Parametern) führt. Dies bedeutet, dass eine größere Abnahme der Energiemenge im Energiespeicher bei Energiewerten oberhalb des
Maximalleistungs-Energiewerts auf jeden Fall zu einer Abnahme der Spannungsamplitude und/oder der Frequenz führt. Nichts- destotrotz kann die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz in kürzeren Teilabschnitten von Energiewerten oberhalb des Maximalleistungs-Energiewerts ggf. auch konstant bleiben. Der Maximalleistungs-Energiewert ist derart definiert, dass an dem Maximalleistungs-Energiewert die maximale elektrische Wirkleistung durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelung der regenerativen Energieerzeugungsanlage gewährleistet, dass bei deren Betrieb als Spannungsquelle die Energie im Energiespeicher permanent bzw. die meiste Zeit oberhalb des Punkts der maximalen Wirkleistung liegt, denn bei Abnahme der Energie im Energiespeicher wird die Last an der regenerativen Energieerzeugungsanlage durch Verminderung der Spannungsamplitude bzw. Frequenz der WechselSpannung geeignet reduziert, wodurch der Reduktion der Energiemenge im Energiespeicher entgegengewirkt wird. Erfindungsgemäß wird somit erreicht, dass die Regelung nicht zu Zuständen führt, bei denen eine erhöhte Last zu einer kontinuierlichen Entleerung des Energiespeichers führt, so dass eine ausreichende Spannung durch den Energiespeicher nicht mehr bereitgestellt werden kann, was zu dem Ausfall des Stromnetzes führen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden im Rahmen der Regelung eine Referenzspannungsamplitude und/oder einer Referenzfrequenz eingestellt, von denen die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz abhängen, wobei die Referenzspannungs- amplitude und/oder die Referenzfrequenz (nur) von der Energiemenge in dem Energiespeicher der jeweiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage abhängen, und zwar derart, dass die Abnahme der Energiemenge im Energiespeicher hin zu dem
Maximalleistungs-Energiewert zu einer Abnahme der Referenzspannungsamplitude und/oder der Referenzfrequenz führt. Dies bedeutet wiederum, dass eine größere Abnahme der Energiemenge im Energiespeicher bei Energiewerten oberhalb des Maximalleistungs-Energiewerts auf jeden Fall zu einer Abnahme der Referenzspannungsamplitude und/oder der Referenzfrequenz führt. Nichtsdestotrotz kann die Referenzspannungsamplitude und/oder der Referenzfrequenz in kürzeren Teilabschnitten von Energiewerten oberhalb des Maximalleistungs-Energiewerts ggf. auch konstant bleiben.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abnahme der Spannungsamplitude und/oder der Frequenz, insbesondere der Referenzspannungsamplitude
und/oder der Referenzfrequenz, umso größer, je näher die Energiemenge im Energiespeicher an dem Maximalleistungs- Energiewert liegt, wobei die Abnahme insbesondere zumindest stückweise logarithmisch in Abhängigkeit von der Energiemenge erfolgt. Hierdurch wird besonders effizient einer zu starken Abnahme der Energie im Energiespeicher entgegengewirkt.
Nichtsdestotrotz kann die Abnahme der Spannungsamplitude und/oder der Frequenz, insbesondere der Referenzspannungsamplitude und/oder der Referenzfrequenz, ggf. auch zumindest stückweise linear in Abhängigkeit von der Energiemenge im Energiespeicher erfolgen.
Je nach Ausgestaltung bzw. Gegebenheiten des Stromnetzes kann die Abhängigkeit der Spannungsamplitude und/oder der Frequenz, insbesondere der Referenzspannungsamplitude und/oder der Referenzfrequenz, von der Energiemenge im Detail festgelegt werden. Ist die Last an der regenerativen Energieerzeugungsanlage z.B. nur abhängig von der Spannungsamplitude oder der Frequenz der WechselSpannung, kann nur die Spannungsamplitude bzw. die Frequenz von der Energiemenge abhängig sein. Ebenso können die Abhängigkeiten der Spannungsamplitude und der Frequenz geeignet gewichtet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Abhängigkeit der Spannungsamplitude und/oder die Frequenz, insbesondere der Referenzspannungsamplitude und/oder der Referenzfrequenz, von der Energiemenge im Energiespeicher einen oder mehrere Parameter, welche aus einer Modellierung des Stromnetzes und der daran angeschlossenen Lasten und Erzeuger ermittelt wer- den. Ebenso kann die Abhängigkeit einen oder mehrere Parameter enthalten, welche im Betrieb des Stromnetzes ermittelt werden und insbesondere basierend auf der Variation der Spannungsamplitude und/oder der Frequenz der WechselSpannung bestimmt werden. Insbesondere wird dabei die Veränderung der Last an der regenerativen Energieerzeugungsanlage basierend auf der Variation der Spannungsamplitude bzw. Frequenz der WechselSpannung betrachtet.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens gibt eine jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage bei Erfüllung eines vorbestimmten Kriteriums einen Befehl an einen oder mehrere Schalter im Stromnetz, welche gemäß dem Befehl eine oder mehrere andere Netzknoten (d.h. andere Netz- knoten als den Netzknoten der regenerativen Energieerzeu- gungsanlage) von dem Stromnetz trennen, wobei das vorbestimmte Kriterium insbesondere dann erfüllt ist, wenn die Energiemenge im Energiespeicher den Maximalleistungs-Energiewert oder einen Energieschwellwert oberhalb des Maximalleistungs- Energiewerts unterschreitet und/oder wenn die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz der WechselSpannung einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Hierdurch wird die Robust- heit des Stromnetzes gegenüber Ausfällen verbessert. Die
Übermittlung des obigen Befehls kann über eine separate Kommunikationsleitung erfolgen, andererseits können auch elektrische Größen im Netz, wie z.B. die Frequenz oder Spannung, für die Übermittlung benutzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zumindest eine regenerative Energieerzeugungsanlage eine Photovoltaikanlage, welche Gleichstrom über Sonneneinstrahlung generiert, wobei die elektrische Energie aus dem Gleichstrom in dem Energiespeicher in der Form eines elektrischen Energiespeichers zwischengespeichert wird und eine von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung über einen Inverter bzw. Wechselrichter in die Wechsel - Spannung gewandelt wird. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Re- gelung hängt dabei die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz, insbesondere die Referenzspannungsamplitude und/oder die Referenzfrequenz, von der elektrischen Energiemenge im elektrischen Energiespeicher ab. Vorzugsweise werden in dieser Ausführungsform die Spannungsamplitude und/oder die Fre- quenz, insbesondere die Referenzspannungsamplitude und/oder die Referenzfrequenz, basierend auf der von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellten Gleichspannung bestimmt, welche mit der elektrischen Energiemenge im elektrischen Energiespeicher korreliert ist. In einer besonders bevorzug- ten Variante umfasst der elektrische Energiespeicher einen
Zwischenkreiskondensator . Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Energiespeicher auch einen Superkondensator und/oder eine elektrische Batterie umfassen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zumindest eine regenerative Energieerzeugungsanlage eine Windkraftanlage, welche mechanische Energie durch Bewegung zumindest eines Rotors mittels Windkraft generiert, wobei diese Energie in dem Energiespeicher in der Form eines mechanischen Energiespeichers zwischengespeichert wird, wobei die zwischengespeicherte mechanische Energie über einen elek- trischen Generator in die WechselSpannung gewandelt wird. In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform werden die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz, insbesondere die Referenzspannungsamplitude und/oder die Referenzfrequenz, basierend auf der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rotors bestimmt, welche mit der mechanischen Energiemenge im mechanischen Energiespeicher korreliert ist. Der mechanische Energiespeicher umfasst vorzugsweise den zumindest einen Rotor selbst und alternativ bzw. zusätzlich ein Schwungrad. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt die Regelung die Spannungsamplitude und die Frequenz in Abhängigkeit von der Wirkleistung und/oder Blindleistung, die durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage dem Stromnetz zugeführt werden.
Der oben beschriebene Maximalleistungs-Energiewert oder eine mit diesem Wert korrelierte Größe wird in einer bevorzugten Variante aus einer Anzahl von vorgegebenen Kennlinien oder mathematischen Modellen und/oder basierend auf Werten eines Sensors und/oder aus im Betrieb der regenerativen Energieerzeugungsanlage gewonnenen Parameterwerten bestimmt. Im Falle einer Photovoltaikanlage geben die Kennlinien insbesondere die Abhängigkeit der oben beschriebenen Gleichspannung von der Wirkleistung der Photovoltaikanlage wieder, wobei jede Kennlinie eine bestimmte Sonneneinstrahlung spezifiziert. Dabei kann über einen Sensor die Sonneneinstrahlung ermittelt werden und mittels der Kennlinie, die dieser Sonneneinstrahlung entspricht, die Gleichspannung bestimmt werden, die der maximalen Wirkleistung entspricht. Im Falle einer Windkraft- anläge spezifizieren die Kennlinien vorzugsweise die Abhängigkeit der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rotors von der Wirkleistung der Windkraftanlage, wobei jede Kennlinie einer bestimmten Windgeschwindigkeit entspricht. Über einen Sensor wird dabei die Windgeschwindigkeit ermittelt, woraufhin über die Kennlinie, die der ermittelten Windgeschwindigkeit entspricht, die Rotationsfrequenz des zumindest einen Rotors bei maximaler Wirkleistung bestimmt wird.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen in einem elektrischen Energienetz, welches eine Mehrzahl von über Stromleitungen miteinander verbundenen Netzknoten enthält, welche elektrische Energie in das Stromnetz einspeisen und elektrische Energie aus dem Stromnetz entnehmen, wobei die regenerative Energieerzeugungsanlage oder Energieerzeugungs- anlagen Netzknoten zur Einspeisung von elektrischer Energie sind und jeweils einen Energiespeicher zur Zwischenspeiche- rung von Energie umfassen, die als elektrische Energie in das Stromnetz eingespeist werden kann. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Regler, welcher derart ausgestaltet ist, dass mit dem Regler das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine oder mehrere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar sind.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine regenerative Ener- gieerzeugungsanlage , welche zu ihrer Steuerung die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Stromnetzes mit einer regenerativen Energieerzeugungsanlage, welche basierend auf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuert wird; Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche den Aufbau der regenerativen Energieerzeugungsanlage aus Fig. 1 wiedergibt; Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit einer Spannung des Zwischenkreiskondensators der regenerativen Energieerzeugungsanlage aus Fig. 2 von der durch die Anlage bereitgestellten elektrischen Wirkleistung darstellt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Einstellung einer Referenzspannungsamplitude der durch die Energieerzeugungs- anlage der Fig. 2 generierten WechselSpannung in Abhängigkeit von der Gleichspannung des Zwischen- kreiskondensators wiedergibt; und
Fig. 5 ein Diagramm, welches für eine regenerative Energieerzeugungsanlage in der Form einer Windkraftanlage die Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit ihres Rotors von der generierten Wirkleistung wiedergibt .
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein Stromnetz beschrieben, welches als einen Netzknoten eine regenerative Energieerzeugungsanlage in der
Form einer Photovoltaikanlage umfasst. Die Photovoltaikanlage arbeitet dabei als Spannungsquelle (d.h. als sogenanntes „grid- forming device") , über welche in dem Stromnetz eine WechselSpannung basierend auf einer Referenzspannungsamplitu- de und Referenzfrequenz bereitzustellen ist. Die Referenzfrequenz entspricht dabei der Nennfrequenz der Netzspannung des Stromnetzes. Herkömmlicherweise werden regenerative Energieerzeugungsanlagen immer als Stromquellen betrieben, d.h. als Einrichtungen zur Unterstützung des Stromnetzes (englisch: grid- supporting device) . In diesem Fall kann die von der
Energieerzeugungsanlage einzuspeisende Leistung eingestellt werden, was beim Betrieb als Spannungsquelle nicht möglich ist. Demzufolge muss beim Betrieb als Spannungsquelle eine geeignete Regelung vorgesehen sein, um bei einem hohen Leistungsbedarf im Stromnetz Netzausfälle zu vermeiden. Dies wird mit der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform der Erfin- dung gewährleistet.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Stromnetzes PG mit sechs Netzknoten Nl , N2 , ..., N6 , die über Stromleitungen PL miteinander verbunden sind. Das Stromnetz ist insbesondere ein sog. Inselnetz, welches autark arbeitet und von weiteren Stromübertragungsnetzen unabhängig ist. In der Ausführungsform der Fig. 1 enthält das Stromnetz PG als Knoten Nl eine regenerative Energieerzeugungsanlage RE in der Form einer Photovoltaikanlage . Diese wird wie oben beschrieben als Spannungsquelle betrieben. Die anderen Netzknoten N2 bis N6 sind Lastknoten, welche elektrische Leistung aus dem Stromnetz entnehmen. Die Lastknoten können dabei ohmsche Lasten sein, deren Leistungsaufnahme quadratisch mit der Spannungsamplitude im Netz steigt. Ebenso können die Lastknoten auch ein frequenzabhängiges Verhalten zeigen, bei dem eine Abnahme der Netzfrequenz zu einer Abnahme der Leistungsaufnahme führt. Solche Lasten sind typischerweise elektrische Maschinen und Motoren, wie z.B. Pumpen und Antriebe. Üblicherweise beobachtet man in einem Stromnetz so- wohl eine Abnahme der Netzlast bei Abnahme der Spannungsamplitude als auch eine Abnahme der Netzlast bei Abnahme der Netzfrequenz .
In einer Abwandlung des Stromnetzes der Fig. 1 können auch weitere Knoten in der Form von Energieerzeugungsgeneratoren vorhanden sein. Insbesondere können ggf. mehrere regenerative Energieerzeugungsanlagen als Spannungsquelle betrieben werden. Darüber hinaus können auch andere Arten von Generatoren als regenerative Energieerzeugungsanlagen in dem Netz vorhan- den sein. Ferner kann das Stromnetz ggf. Generatorknoten umfassen, welche nicht als Spannungsquellen, sondern als Stromquellen arbeiten. Bei solchen Generatorknoten führt eine Ver- minderung der Netzfrequenz zu einer höheren, dem Netz bereitgestellten Wirkleistung, was die Last von als Spannungsquellen betriebenen Generatoren vermindert. In dem Netz der Fig. 1 ist nur der Netzknoten Nl eine regenerative Energieerzeu- gungsanlage, welche mit dem Regler CO geregelt wird. In diesem Regler ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert, die im Folgenden erläutert wird.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau der re- generativen Energieerzeugungsanlage RE aus Fig. 1. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei dieser Anlage um eine Photovoltaikanlage mit einem Photovoltaikmodul PV, welches in an sich bekannter Weise bei Sonneneinstrahlung elektrische Energie in der Form von Gleichstrom generiert . Die
Photovoltaikanlage ist über einen Zwischenkreiskondensator C an einen Inverter IN angeschlossen. In der Regel ist der Zwischenkreiskondensator Teil des Inverters . Der Zwischenkreiskondensator C wird durch den über das Photovoltaikmodul PV generierten Gleichstrom aufgeladen und speichert somit elekt- rische Energie. Je höher die gespeicherte elektrische Energie ist, desto größer ist die am Zwischenkreiskondensator anliegende Gleichspannung UDC . Der Zwischenkreiskondensator stellt eine Variante eines Energiespeichers zur Zwischenspeicherung von Energie im Sinne der Patentansprüche dar. Der Inverter IN wandelt die Gleichspannung UDC des Zwischenkreiskondensators in eine WechselSpannung UAC, die durch eine Spannungsamplitude U sowie eine Spannungsfrequenz f charakterisiert ist. Die Ermittlung von f und U erfolgt mit dem Regler CO. Im Rahmen der Regelung des Reglers CO werden intern die Referenzspan- nungsamplitude U0 und die Referenzfrequenz f0 bestimmt.
Mit der in dem Regler CO implementierten Regelung wird eine Lastreduktion in dem Stromnetz präventiv durchgeführt, bevor die Spannung UDC den Punkt erreicht, an dem die maximale Wirkleistung bereitgestellt wird. Die zugehörige Spannung wird im Folgenden mit UM bezeichnet und stellt eine der Eingangsgrößen des Reglers dar. Die in dem Kondensator C gespei- cherte elektrische Energie liegt dabei immer auf einem Niveau, so dass bei Abnahme der gespeicherten Energie die erzeugte Wirkleistung zunimmt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einer erhöhten Netzlast die Spannung UDC nicht gegen Null läuft und zum Abschalten des Stromnetzes führt.
In der hier beschriebenen Ausführungsform des Reglers CO wird eine sog. Droop-Regelung verwendet, bei der die Abhängigkeit der durch die regenerative Energieerzeugungsanlage bereitge- stellten Spannungsamplitude U und der entsprechenden Spannungsfrequenz f proportional zur bereitgestellten Wirkleistung bzw. Blindleistung ist und wie folgt lautet:
Figure imgf000014_0001
U(Q) = U0 + k2- (Q-Qo) (2) f0 entspricht der oben erwähnten Referenzfrequenz und U0 der oben erwähnten Referenzspannungsamplitude. P ist die Wirk- leistung und Q ist die Blindleistung, welche vom Inverter IN an das elektrische Netz abgegeben werden. k.± und k2 sind geeignet festgelegte Konstanten. Ebenso sind P0 und Q0 geeignet festgelegte Offsets. Um nunmehr zu erreichen, dass die Spannung UDC des Zwischen- kreiskondensators C möglichst dauerhaft oberhalb des Punkts der maximalen Wirkleistung (d.h. oberhalb von UM) liegt, wird in der hier beschriebenen Ausführungsform die Referenzfrequenz f0 sowie die Referenzspannungsamplitude U0 in Abhängig- keit von der Gleichspannung UDC eingestellt, und zwar derart, dass eine Abnahme der Gleichspannung UDC bei Werten größer UM zu einer Abnahme von f0 und U0 führt, was wiederum die Leistungsaufnahme von Lastknoten reduziert bzw. die Leistungszufuhr von als Stromquellen arbeitenden Generatoren im Strom- netz erhöht, wodurch die Last an der regenerativen Energieerzeugungsanlage vermindert und somit einem weiteren Spannungsabfall am Zwischenkreiskondensator entgegengewirkt wird. In der hier beschriebenen Implementierung ist die Abhängigkeit von f0 bzw. U0 von der Gleichspannung UDC eine logarithmische Abhängigkeit, welche wie folgt lautet: f0(UDC,UM) = a-log(max(UDC - UM, b) ) + c (3) U0(UDC,UM) = d-log(max(UDC - UM, e) ) + f (4) Die obige Abhängigkeit enthält den Spannungswert UM, der den Wert der Gleichspannung des Zwischenkreiskondensators darstellt, an dem durch die Energieerzeugungsanlage die maximale Wirkleistung generiert wird. Dieser Wert kann in geeigneter Weise basierend auf vorgegebenen Kennlinien bestimmt werden, die beispielhaft in dem Diagramm der Fig. 3 gezeigt sind. Dieses Diagramm gibt die Abhängigkeit der durch die
Photovoltaikanlage der Fig. 2 generierten Wirkleistung P von der Spannung UDC in der Form einer Vielzahl von Kurven wieder, wobei eine jeweilige Kurve einem vorbestimmten Wert der Sonneneinstrahlung entspricht. In dem Diagramm weiter oben liegende Kurven entsprechen dabei einer höheren Sonneneinstrahlung. Die Kurve für die höchste Sonneneinstrahlung ist mit K bezeichnet. Zur Bestimmung von UM wird die Sonneneinstrahlung über einen entsprechenden Sensor in der
Photovoltaikanlage gemessen und dann aus der Kennlinie, welche der gemessenen Sonneneinstrahlung entspricht, der Spannungswert UM abgelesen, der der maximalen Wirkleistung Pm entspricht. Dieser Spannungswert und der entsprechende Leistungswert sind in dem Diagramm der Fig. 3 für die Kurve K spezifiziert.
Neben der Spannung UM enthält die obige logarithmische Abhängigkeit ferner die Parameter a, b, c, d, e und f. Diese Parameter werden derart festgelegt, dass sichergestellt ist, dass eine Abnahme von UDC hin zu UM dazu führt, dass auch die Werte für f0 und U0 abnehmen. Eine geeignete Festlegung dieser Parameter liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln. Gegebe- nenfalls kann auch nur f0 oder auch nur U0 von der Spannung UDC abhängig sein. Ebenso kann über die Wahl der Parameter gesteuert werden, wie stark die Abnahme der Frequenz f0 und der Spannung U0 bei der Regelung gewichtet werden sollen.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Parameter a bis f die Veränderung der Netzlast bei Variation der Frequenz f bzw. der Spannungsamplitude U erfasst. Sollte sich dabei z.B. keine bzw. nur eine geringfügige Veränderung der Last bei Variation der Frequenz ergeben, kann die Größe f0 unabhängig von UDC sein. Das Gleiche gilt entsprechend für die Spannungsamplitude U0. Ebenso können entsprechende Gewichtungen basierend auf den Parametern festgelegt werden.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches die logarithmische Abhän- gigkeit der Spannungsamplitude U0 in Abhängigkeit von der Gleichspannung UDC gemäß der obigen Gleichung (4) visuali- siert. Entlang der Abszisse ist die Gleichspannung UDC aufgetragen und entlang der Ordinate die Referenzspannungsamplitude U0, wobei die Ordinate an dem Spannungswert UM der maxima- len Wirkleistung positioniert ist. Wie man erkennt, nimmt die Spannung U0 bei immer kleiner werdenden Werten von UDC zunächst kontinuierlich ab, wobei die Abnahme aufgrund der logarithmischen Abhängigkeit mit geringerem Abstand von UDC zu UM immer stärker wird. Durch das Maximum in der Gleichung (4) wird erreicht, dass ab einem bestimmten Wert oberhalb von UM (gegeben durch den Parameter e) ein fester Wert für U0 eingestellt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Logarithmus immer von einem positiven Wert ermittelt wird. Der Parameter e der Gleichung (4) wird somit immer positiv gewählt.
Die oben beschriebenen Abhängigkeiten basierend auf Gleichung (1) und Gleichung (2) können ggf. auch anders implementiert werden. Insbesondere können in den Gleichungen P und Q ver- tauscht werden, so dass die Frequenz f nur von Q und die
Spannung U nur von P abhängt. Ebenso können die Abhängigkei- ten so gewählt werden, dass f von P und von Q und analog auch U von P und von Q abhängt .
Wie bereits oben erwähnt, kann ggf. nur die Referenzfrequenz f o oder ggf . nur die Spannung U0 von der Gleichspannung UDC abhängen. Im Falle, dass in dem Stromnetz Generatoren in der Form von Stromquellen vorhanden sind, besteht im Falle, dass U0 von UDC abhängt, die Gefahr, dass eine Verminderung der Spannung zu unnötiger Zufuhr von Blindleistung durch die Stromquellen führt. Vorzugsweise wird in diesem Fall somit nur f0 von UDC abhängig gemacht. Alternativ kann die Steuerung der Stromquellen über eine Kommunikation mit der regenerativen Energieerzeugungsanlage beeinflusst werden. Im Falle, dass in dem Stromnetz die regenerative Energieerzeugungsanla- ge der einzige Generator ist, kann in der Regel sowohl U0 als auch f0 von UDC abhängig sein.
Wie beschrieben, kann die Spannung UM mit maximaler Wirkleistung basierend auf Kennlinien gemäß Fig. 3 bestimmt werden. Gegebenenfalls kann UM jedoch auch auf andere Weise ermittelt werden, z.B. indem im Betrieb des Stromnetzes die Ableitung der Wirkleistung in Bezug auf UDC erfasst wird. Liegt der Wert der Ableitung bei Null, entspricht dies UM. Ebenso kann im Falle, dass die Energieerzeugungsanlage mehrere der in Fig. 2 gezeigten Inverter für entsprechende Teile der Energieerzeugungsanlage umfasst, ein Teil der Inverter mit der erfindungsgemäßen Regelung betrieben werden, wohingegen der andere Teil als Stromquellen betrieben wird und dazu benutzt wird, den Wert UM zu erfassen. In Abhängigkeit der Aufteilung der Energieerzeugungsanlage kann es dabei nötig sein, den ermittelten Wert von UM für die Benutzung im Regelgesetz zu skalieren .
Im Vorangegangenen wurde eine Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Verfahrens basierend auf einer Energieerzeugungsanlage in der Form einer Photovoltaikanlage beschrieben. Das Verfahren der Erfindung kann jedoch analog auch für andere Ener- gieerzeugungsanlagen und insbesondere für eine Windkraftanlage eingesetzt werden. In diesem Fall wird über einen Rotor der Windkraftanlage mechanische Energie aus Wind generiert, wobei als Zwischenspeicher - im Unterschied zur
Photovoltaikanlage - primär ein mechanischer Energiespeicher genutzt wird. Dieser Energiespeicher ist vorzugsweise der Rotor der Windkraftanlage. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Schwungrad als Energiespeicher vorgesehen sein. Die mechanisch gespeicherte Energie wird über einen elektrischen Generator in elektrische Energie gewandelt und anschließend mit Hilfe eines geeigneten Inverters an das Wechselstromnetz abgegeben. Die Regelung dieses Inverters kann in Analogie zu den obigen Gleichungen (1) bis (4) ausgestaltet sein. Dabei wird in den Gleichungen (3) und (4) UDC durch die Frequenz des Rotors der Windkraftanlage ersetzt. Diese Frequenz korreliert mit der Energiemenge im mechanischen Energiespeicher, genauso wie UDC mit der Energiemenge im elektrischen Energiespeicher einer Photovoltaikanlage korreliert. Ferner wird in den Gleichungen (3) und (4) UM durch einen Frequenzwert fM ersetzt, bei dem die maximale Wirkleistung durch die Windkraftanlage generiert wird.
Die Bestimmung des Frequenzwerts fM kann analog zur
Photovoltaikanlage mittels entsprechender Kennlinien erfol- gen, wobei in dem Diagramm der Fig. 5 beispielhaft solche
Kennlinie wiedergegeben wird. In diesem Diagramm ist entlang der Abszisse die Rotationsgeschwindigkeit ω des Rotors und entlang der Ordinate die Wirkleistung P der Windkraftanlage wiedergegeben. Die einzeln dargestellten Kurven entsprechen dabei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Im Diagramm weiter oben liegende Kurven repräsentieren höhere Windgeschwindigkeiten. Jede Kurve weist einen Maximalwert auf, wobei der Verlauf der Maximalwerte für die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten durch die gestrichelte Linie L angedeutet ist. Zur Bestimmung von fM wird mit einem entsprechenden Sensor die Windgeschwindigkeit gemessen und dann aus der zu- geordneten Kennlinie die Rotationsgeschwindigkeit bzw. Rotationsfrequenz mit der maximalen Wirkleistung ausgelesen.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann in einem Stromnetz, wie z.B. in einem Inselnetz, eine regenerative Energieerzeugungsanlage auch als Spannungsquelle betrieben werden, ohne dass es zu Ausfällen des Stromnetzes kommt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Energie in einem entsprechenden Energiespeicher der regenerativen Energieerzeugungsanlage möglichst dauerhaft oberhalb eines Punkts gehalten wird, an dem die maximale Wirkleistung durch die Energieerzeugungsanlage bereitgestellt wird. Auf diese Weise wird ein Stromnetz mit hoher Stabilität erreicht. Das Verfahren der Erfindung kann dabei auf einfache Weise über einen entsprechenden Regler in der regenerativen Energieerzeugungsanlage implementiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen (RG) in einem elektrischen Stromnetz (PG) , welches eine Mehrzahl von über Stromleitungen (PL) miteinander verbundenen Netzknoten (Nl, N2 , ..., N6) enthält, welche elektrische Energie in das Stromnetz (PG) einspeisen und elektrische Energie aus dem Stromnetz (PG) entnehmen, wobei die regenerative Energieerzeu- gungsanlage oder Energieerzeugungsanlagen (PG) Netzknoten (Nl) zur Einspeisung von elektrischer Energie sind und jeweils einen Energiespeicher (C) zur Zwischenspeicherung von Energie umfassen, die als elektrische Energie in das Stromnetz (PG) eingespeist werden kann, wobei
- in einer jeweiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage (RE) die Spannungsamplitude (U) und die Frequenz (f) der WechselSpannung (UAC) geregelt wird, welche durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) im Stromnetz (PG) bereitgestellt wird;
- im Rahmen der Regelung die Spannungsamplitude (U)
und/oder die Frequenz (f) der WechselSpannung (UAC) von der Energiemenge in dem Energiespeicher (C) der jeweiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage (RG) derart abhängen, dass die Abnahme der Energiemenge im Energiespei - eher (C) hin zu einem Maximalleistungs-Energiewert zu einer Abnahme der Spannungsamplitude (U) und/oder der Frequenz (f) führt, wobei an dem Maximalleistungs-Energiewert die maximale elektrische Wirkleistung (Pm) durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) er- zeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Rahmen der Regelung eine Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder einer Referenz - frequenz (f0) eingestellt werden, von denen die Spannungsamp- litude (U) und/oder die Frequenz (f) abhängen, wobei die Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder die Referenzfrequenz (f0) von der Energiemenge in dem Energiespeicher (C) der je- weiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage (RG) derart abhängen, dass die Abnahme der Energiemenge im Energiespeicher (C) hin zu dem Maximalleistungs-Energiewert zu einer Abnahme der Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder der Refe- renzfrequenz (f0) führt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abnahme der Spannungsamplitude (U) und/oder der Frequenz (f) , insbesondere der Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder der Referenz - frequenz (f0) , umso größer wird, je näher die Energiemenge im Energiespeicher (C) an dem Maximalleistungs-Energiewert liegt, wobei die Abnahme insbesondere zumindest stückweise logarithmisch in Abhängigkeit von der Energiemenge erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abnahme der Spannungsamplitude (U) und/oder der Frequenz (f) , insbesondere der Referenzspannungsamplitude (U0)
und/oder der Referenzfrequenz (f0) , zumindest stückweise linear in Abhängigkeit von der Energiemenge im Energiespeicher (C) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abhängigkeit der Spannungsamplitude (U) und/oder der Frequenz (f) , insbesondere der Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder der Referenzfrequenz (f0) , von der Energiemenge im Energiespeicher (C) einen oder mehrere Parameter enthält, welche aus einer Modellierung des Stromnetzes (PG) und der daran angeschlossenen Lasten und Erzeuger ermittelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abhängigkeit der Spannungsamplitude (U) und/oder der Frequenz (f) , insbesondere der Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder der Referenzfrequenz (f0) , von der Energiemenge im Energiespeicher (C) einen oder mehrere Parameter enthält, welche im Betrieb des Stromnetzes (PG) ermittelt werden und insbesondere basierend auf der Variation der Spannungsampli- tude (U) und/oder der Frequenz (f) der WechselSpannung (UAC) bestimmt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) bei
Erfüllung eines vorbestimmten Kriteriums einen Befehl an einen oder mehrere Schalter im Stromnetz gibt, welche gemäß dem Befehl einen oder mehrere andere Netzknoten (N2, ..., N6) von dem Stromnetz (PG) trennen, wobei das vorbestimmte Kriterium insbesondere dann erfüllt ist, wenn die Energiemenge im Energiespeicher (C) den Maximalleistungs-Energiewert oder einen Energieschwellwert oberhalb des Maximalleistungs-Energiewerts unterschreitet und/oder wenn die Spannungsamplitude (U) und/oder die Frequenz (f) der WechselSpannung (UAC) einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) eine Photovoltaikanlage ist, welche Gleichstrom über Sonnenein- Strahlung generiert, wobei die elektrische Energie aus dem Gleichstrom in dem Energiespeicher (C) in der Form eines elektrischen Energiespeichers zwischengespeichert wird und eine von dem elektrischen Energiespeicher (C) bereitgestellte Gleichspannung (UDC) über einen Inverter (IN) in die Wechsel - Spannung (UAC) gewandelt wird, wobei im Rahmen der Regelung die Spannungsamplitude (U) und/oder die Frequenz (f) , insbesondere der Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder der Referenzfrequenz (f0) , von der elektrischen Energiemenge im elektrischen Energiespeicher abhängen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Spannungsamplitude (U) und/oder die Frequenz (f) , insbesondere der Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder der Referenzfrequenz (f0) , basierend auf der von dem elektrischen Energiespeicher (C) be- reitgestellten Gleichspannung (UDC) bestimmt werden, welche mit der elektrischen Energiemenge im elektrischen Energiespeicher (C) korreliert ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der elektrische Energiespeicher (C) einen Zwischenkreiskondensator und/oder einen Superkondensator und/oder eine elektrische Batterie um- fasst.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) eine Windkraftanlage ist, welche mechanische Energie durch Bewegung zumindest eines Rotors mittels Windkraft generiert, wobei diese Energie in dem Energiespeicher in der Form eines mechanischen Energiespeichers zwischengespeichert wird, wobei die zwischengespeicherte mechanische Energie über einen elektrischen Generator und einen Wechselrichter in die Wech- selspannung (UAC) gewandelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Spannungsamplitude (U) und/oder die Frequenz (f) , insbesondere die Referenzspannungsamplitude (U0) und/oder die Referenzfrequenz (f0) , basierend auf der Rotationsfrequenz des zumindest einen Rotors bestimmt werden, welche mit der mechanischen Energiemenge im mechanischen Energiespeicher korreliert ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der mechani- sehe Energiespeicher den zumindest einen Rotor und/oder ein
Schwungrad umfasst.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Regelung die Spannungsamplitude (U) und die Frequenz (f) in Abhängigkeit von der Wirkleistung und/oder Blindleistung ermittelt, die durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) dem Stromnetz (PG) zugeführt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Maximalleistungs-Energiewert oder eine mit diesem korrelierte Größe aus einer Anzahl von vorgegebenen Kennlinien oder mathematischen Modellen und/oder basierend auf Wer- ten eines Sensors und/oder aus im Betrieb der regenerativen Energieerzeugungsanlage gewonnenen Parameterwerten bestimmt wird .
16. Vorrichtung zur rechnergestützten Steuerung einer oder mehrerer regenerativer Energieerzeugungsanlagen (RG) in einem elektrischen Stromnetz (PG) , welches eine Mehrzahl von über Stromleitungen (PL) miteinander verbundenen Netzknoten (Nl, N2 , ..., N6) enthält, welche elektrische Energie in das Stromnetz (PG) einspeisen und elektrische Energie aus dem Stromnetz (PG) entnehmen, wobei die regenerative Energieerzeugungsanlage oder Energieerzeugungsanlagen (PG) Netzknoten (Nl) zur Einspeisung von elektrischer Energie sind und jeweils einen Energiespeicher (C) zur Zwischenspeicherung von Energie umfassen, die als elektrische Energie in das Stromnetz (PG) eingespeist werden kann, wobei die Vorrichtung einen Regler umfasst, welcher derart ausgestaltet ist, dass in einer jeweiligen regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) die Spannungsamplitude (U) und die Frequenz (f) der WechselSpannung (UAC) geregelt wird, welche durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) im Stromnetz (PG) bereitgestellt wird;
im Rahmen der Regelung die Spannungsamplitude (U)
und/oder die Frequenz (f) der WechselSpannung (UAC) von der Energiemenge in dem Energiespeicher (C) der jeweiligen regenerativen Energieerzeugungsanlage (RG) derart abhängen, dass die Abnahme der Energiemenge im Energiespeicher (C) hin zu einem Maximalleistungs-Energiewert zu einer Abnahme der Spannungsamplitude (U) und/oder der Frequenz (f) führt, wobei an dem Maximalleistungs-Energiewert die maximale elektrische Wirkleistung (Pm) durch die jeweilige regenerative Energieerzeugungsanlage (RE) erzeugt wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 15 eingerichtet ist.
18. Regenerative Energieerzeugungsanlage, umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17 zur Steuerung der regenera- tiven Energieerzeugungsanlage (RE) .
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