DE102007037277A1

DE102007037277A1 - Method and system for demand control in the low-voltage grid

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Publication number: DE102007037277A1
Application number: DE200710037277
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: KAESTLE, GUNNAR, 38678 CLAUSTHAL-ZELLERFELD, DE
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-19
Also published as: WO2009019306A1

Abstract

Verfahren zur Nachfragesteuerung von elektrischer Energie im Niederspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie aus dem Niederspannungsnetz bezogen wird und die Leistungsregelung des Energiebezuges durch aktive Variation der Netzspannung innerhalb des Toleranzbandes der Normspannungen erfolgt.method demand management of electrical energy in the low-voltage network, characterized in that electrical energy from the low voltage network and the power regulation of the energy purchase by active variation of the mains voltage within the tolerance band of the Standard voltages.

Description

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung betrifft den Einsatz eines spannungsregelbaren Transformators oder anderer Betriebsmittel zur Spannungsregelung in Verteilnetzen, um das Lastverhalten von Kleinverbrauchern im versorgten Niederspannungsnetzsegment zu beeinflussen. Auf diese Weise wird der Bezug von elektrischer Energie aus der übergeordneten Mittelspannungsnetzebene gesteuert. Die variable Sekundärspannung dient dabei innerhalb des Toleranzbandes der Normspannungen (z. B. nach DIN IEC 60038 ) als Informationsträger für die Kommunikation mit den elektrischen Verbrauchern.The invention relates to the use of a voltage-controllable transformer or other equipment for voltage regulation in distribution networks to influence the load behavior of small consumers in the supplied low-voltage network segment. In this way, the reference of electrical energy from the parent medium-voltage network level is controlled. The variable secondary voltage is used within the tolerance band of the standard voltages (eg after DIN IEC 60038 ) as an information carrier for the communication with the electrical consumers.

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befaßt sich somit mit Verfahren zur Bereitstellung von beispielsweise Ausgleichs- oder Regelenergie im Stromnetz. 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. Gewöhnlich wird dabei zwischen Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Minutenreserve unterschieden. Üblicherweise wird Regelenergie von gedrosselten Wärmekraftwerken und schnell an- und abfahrbaren Kraftwerken geliefert wie z. B. Gasturbinen- und Wasserkraftwerken.The The present invention relates to the term claimed above and is thus concerned with methods of provision for example, balancing or control energy in the power grid. control energy is needed to generate electricity at the same time to keep at the level of consumption. This is for a stable operation of power networks necessary. Usually is used between primary control power, secondary control power and minute reserve distinguished. Usually, control energy of throttled thermal power plants and fast on and off Power plants supplied such. B. gas turbine and hydroelectric plants.

Elektrische Verbraucher treten unter anderem im Niederspannungsnetz auf. Als schaltbare 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. Die Koppelung mehrerer Verbraucher zu einem steuerbarem 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 wargenommen werden, z. B. zur Verkleinerung von Leistungsspitzen und einer damit einhergehenden Reduzierung des Leistungspreises.electrical Consumers occur in the low-voltage grid, among other things. When switchable loads with displaceable power requirement are, for example the compressor engines of heat pumps, air conditioners and To call refrigerators. You can because of thermally inert components or because of cooling or heat storage without sacrificing their comfort Delay periods within certain limits. The coupling multiple consumers to a controllable network is as a demand Side Management (DSM) known. DSM offers through the synergy effects for the whole system benefits. Due to the external influence The individual plants can cooperative tasks were taken be, for. B. to reduce power peaks and a so accompanying reduction of the service price.

Eine Möglichkeit der Koordinierung des Verbundes kann durch eine zentrale Stelle erfolgen, von der die Steuerung und Optimierung 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 bei großen Leistungen, weniger jedoch für Kleinverbraucher mit einigen kW Anschlußleistung. Die Kosten für die Kommunikation und Regelung sind aufgrund der fein-granularen Struktur von Verbrauchern im NS-Netz größer als jene der höheren Spannungsebenen.A Possibility of coordination of the network can be through a central place, from which the control and optimization the DSM takes place. Need common concepts for DSM for each consumer in addition to the power grid connection one Communications interface. This extra effort for the control technology is worthwhile for great achievements, but less for Small consumers with a few kW connected load. The costs for communication and regulation are due to the fine-grained structure consumers in the NS network are larger than those of the higher voltage levels.

Bekannt sind auch Verfahren, die mittels Rundsteuersignalen eine große Anzahl von Verbrauchern ansprechen. Dies wird beispielsweise bei elektrischen Nachtspeicheröfen getan, die auf diese Weise eine Freischaltung erhalten. Nachteilig ist der induzierte Lasthub, bedingt durch die Gleichzeitigkeit des verteilten Verbrauches und die fehlenden Rückkopplung aufgrund der unidirektionalen Signalflußrichtung.Known are also methods that use ripple control signals a large Address the number of consumers. This is for example at electric night storage ovens done that way get an activation. A disadvantage is the induced load stroke, conditioned by the simultaneity of distributed consumption and the missing feedback due to the unidirectional Signal flow.

Intelligente Lasten, die sich je nach Frequenz- und Spannungsabweichungen 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) zu nennen. Weiterhin wird auf die Veröffentlichungen der Initiativen „Dynamic Demand" aus Großbritannien und „GridWise" aus den USA verwiesen.intelligent Loads that vary depending on frequency and voltage deviations. and turn off, have also been proposed and in prototypes realized. An example is the conference contribution Distributed intelligence in power networks by Klaus-Wilhelm Köln for the World Climate & Energy Event (RIO 5). Continue to the publications the "Dynamic Demand" initiatives from the UK and "GridWise" from the USA.

Aufgabenstellungtask

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer einfachen und robusten Regelstrategie, die eine Vielzahl von kleinen Stromverbrauchern in einem stabilen und selbstregelnden Netzbetrieb integriert.task the invention is the indication of a simple and robust control strategy, the a variety of small power consumers in a stable and self-regulating network operation integrated.

Die vorliegende Erfindung schlägt in einem ersten Grundgedanken ein Verhalten der Verbraucher vor, das sich nach dem Spannungsniveau Ui am Anschlußpunkt i richtet. Auf entsprechende Veröffentlichungen, die das Prinzip beschreiben, wird hingewiesen. Beispielhaft wäre das automatische Stromhandelssystem aus „Der gangbare Weg in die regenerative Energiewirtschaft" von Christoph Müller, Polygon-Verlag, 1992 zu nennen.The present invention proposes, in a first basic idea, a behavior of the consumers which depends on the voltage level Ui at the connection point i. Reference is made to corresponding publications describing the principle. An example would be the automatic power trading system "The viable path to the renewable energy industry" by Christoph Müller, Polygon-Verlag, 1992 to call.

Als physikalische Schicht der Datenverbindung für die Netzführung wird die Niederspannungsleitung l vorgeschlagen. Das nutzbare Datum, das diese als Datenbus vermittelt, ist die Spannungshöhe. Im Gegensatz zur induktiven Eigenschaft von Mittel- und Hochspannungsleitungen haben Niederspannungsleitungen eine überwiegend ohmsche Charakteristik. Es kann daher vom Spannungsabfall auf den Lastzustand des Netzsegmentes geschlossen werden.When physical layer of the data link for network management the low-voltage line l is proposed. The usable date, which conveys these as a data bus is the voltage level. In contrast to the inductive property of medium and high voltage power lines Low-voltage cables have a predominantly ohmic characteristic. It can therefore depend on the voltage drop on the load condition of the network segment getting closed.

Es wird also vorgeschlagen, dass am Verbraucher i im Falle lokal sinkender Spannung Ui die Bezugsleistung Pi gesenkt wird und umgekehrt. Bevorzugt werden die Verbraucher als thermisch wirkende Geräte mit einem Wärme- bzw. Kältepuffer ausgeführt sein, 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.It is therefore proposed that at the consumer i in the case of locally decreasing voltage Ui the reference power Pi is lowered and vice versa. Preferably, the consumers will be designed as thermally acting devices with a heat or cold buffer, but there are also engines and sim It is possible to provide consumers of a taxable nature, which essentially depend on the work done in a defined period.

Das oben beschriebene Verbraucherverhalten im Falle der Netzführung resultiert in einem vergleichmäßigtem Energiefluß über den das Netzsegment 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 in dem die Verbraucher versorgenden Verteilnetz.The above-described consumer behavior in the case of network management results in a balanced flow of energy over the transformer T supplying the network segment. Dynamic adaptation the flow of energy through the transformer, how to get it among other things for the supply of control energy or the Abandoning changing generation profiles needed, takes place according to the invention by the active variation the voltage level in the distribution network supplying the consumers.

Hierzu wird bevorzugt ein spannungsvariabler Transformator (zum Beispiel ein Längsregler mit transformatorisch eingekoppelter Zusatzspannung oder auch ein Transformator mit Laststufenschalter, engl. an load tap changer) eingesetzt. Die Spannungsvariation kann dabei in Ortsnetzstationen, aber auch auf einer höheren Spannungsebene in den Umspannstationen erfolgen.For this is preferably a voltage variable transformer (for example a series regulator with transformer-coupled additional voltage or also a transformer with on-load tap-changer, engl. to load tap changer). The voltage variation can in local network stations, but also at a higher voltage level in the substations respectively.

Als weitere Ausführbeispiele für die Spannungsregelung in Verteilnetzen seien Mittelspannungs-Gleichstromkupplungen, Dezentrale Stromerzeugungseinheiten mit aktiver Wirk- und Blindleistungsregelung sowie Spannungsregler z. B. in Form von (Spar)Stelltransformatoren genannt.When Further examples of the voltage regulation in distribution grids are medium voltage direct current couplings, decentralized Power generation units with active active and reactive power control as well as voltage regulator z. B. in the form of (Spar) variable transformers called.

Senkt ein spannungsvariabler Transformator die Spannung geringfügig ab, so werden in dem von ihm versorgten Netzsegment die verschiebbaren NS-Lasten zu reduziertem Energiebezug angeregt, welches zu einer verringerten Netzlast führt. Umgekehrt bewirkt ein Anheben der Spannung eine höhere Leistung und damit eine größere Netzlast. Als unmittelbarer datentechnischer Knotenpunkt ist somit nur noch ein spannungsvariabler Transformator in ein übergeordnetes Leitsystem einzubinden, was den Kommunikationsaufwand drastisch reduziert.lowers a voltage variable transformer the voltage slightly off, so in the network segment supplied by him, the displaceable NS loads stimulated to reduced energy, which reduced to a Network load leads. Conversely, raising the voltage causes a higher performance and thus a larger one Network load. As an immediate data-technological node is thus only one voltage-variable transformer in a parent Integrate control system, which reduces the communication effort drastically reduced.

In Abhängigkeit von Jahres- und Tageszeit ändert sich die auf diese Weise beeinflussbare Leistung. So ist z. B. in einem Netzgebiet mit einer hohen Anzahl von Wärmepumpen die verschiebbare Leistung im Winter tendenziell höher als im Sommer, bei hoher Dichte von Klimaanlagen ist es umgekehrt. Dies resultiert in einer variablen Elastizität des Stromverbrauches gegenüber der Spannung. An zentraler Stelle im Netz, wie z. B. an einem Transformator, kann der Leistungsfluß Pges gemessen werden und in Relation gebracht werden mit der zu regelnden Spannung U0. Spannungsänderungen ΔU rufen im untergeordnetem Verteilnetzsegment Leistungsänderungen ΔP hervor. Mittels einer dP/dU-Kennlinie ist der erzielbare Leistungshub bei einer Spannungsänderung abschätzbar. Ein übergeordnetes Leitsystem vermag somit über die Betriebsmittel zur Spannungsregelung auch DSM-Aufgaben erfüllen, um damit beispielsweise den Netzbetrieb oder den Strombezug zu optimieren.In Dependence on year and time of day changes the power that can be influenced in this way. So z. In a network area with a high number of heat pumps the slidable power in winter tends to be higher than in summer, with high density of air conditioners, it is the other way around. This results in a variable elasticity of power consumption opposite to the tension. At a central point in the network, like z. B. on a transformer, the power flow Pges be measured and correlated with the voltage to be regulated U0. Voltage changes ΔU call in the subordinate Distribution network segment performance changes ΔP. By means of a dP / dU characteristic, the achievable power stroke is included a voltage change estimated. A parent Control system is thus able to use the resources for voltage regulation also perform DSM tasks, so that, for example, the Mains operation or to optimize the power supply.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- DIN IEC 60038 [0001]
- "The viable path to the renewable energy industry" by Christoph Müller, Polygon-Verlag, 1992 [0008]

Claims

Method for demand control of electrical energy in the low-voltage network, characterized in that electrical energy is obtained from the low-voltage network and the power control of the energy by active variation of the mains voltage within the tolerance band of the standard voltages.

Method according to claim 1, characterized in that that the variation of the mains voltage by on-load tap-changer or Longitudinal regulator with additional transformers takes place.

Method according to claim 1, characterized in that that the variation of the mains voltage by voltage regulators in the network he follows.

Method according to claim 1, characterized in that that the variation of the mains voltage by decentralized power generation units with active or reactive power control.

Method according to claim 1, characterized in that that the variation of the mains voltage by medium voltage dc clutches he follows.

Method according to one of claims 1-5, including the following steps: • Measuring the power flow Pges in a network segment • Determine the regulated Voltage U0 • Calculation of a time-dependent dP / dU characteristic

Method according to Claim 6, characterized that a higher-level control technology based on dP / dU characteristics engages in the voltage regulation of the distribution network.

System for calculating stress elasticity the performance of a distribution network segment, characterized in that that the system is a data processing device, a voltage regulator and means for determining the power flow.

System according to claim 8, characterized in that the specification of a higher-level control system with regard to a power stroke .DELTA.P flows into the voltage regulation.

System according to claim 8, characterized that the specification of a parent control system in relation to a maximum power Pmax flows into the voltage regulation.