DE102011104903A1

DE102011104903A1 - Verfahren zur gesteuerten Entnahme elektrischer Energie aus einem Verteilernetz für elektrische Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102011104903A1
Application number: DE102011104903A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Westermann Dirk; Dipl.-Ing. Agsten Michael; Steffen Schlegel
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Entnahme elektrischer Energie aus einem Verteilernetz unter Berücksichtigung des Netzzustands und/oder der Ein- und Ausspeisesituation zu optimieren. Erfindungsgemäß wird eine infrastruktur- und/oder kostenoptimierte Entnahme von Energie aus einem Verteilernetz realisiert, die zu möglichst lastschwachen Zeiten und/oder zu Zeiten starker Einspeisung aus regenerativen Energiequellen stattfindet. Dabei können globale und lokale Optimierungsziele entkoppelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesteuerten Entnahme elektrischer Energie aus einem Verteilernetz zur Ladung mobiler Endverbraucher (Kraftfahrzeuge), die an elektrische Verteilnetze der Niederspannungsebene angeschlossen sind, mittels kombinierter Hard- und Software basierter Lösungen zur Datenerfassung in Echtzeit, Berechnung von Steueralgorithmen, a priori Generierung von Steuerungsplänen, Ausführung und a posteriori Analyse.
Die Entnahme elektrischer Energie aus dem Verteilnetz zur Speicherung und späteren Wandlung in Nutzenergie (Bewegung, Klima, Licht etc.) von Kraftfahrzeugen ist ein Kernelement zur Substituierung klassischer Verbrennungskonzepte für Mobilitätsanwendungen. Aus technologischer Sicht elektrischer Verteilnetze resultiert eine zusätzliche elektrische Last, deren Kennwerte die entnommene Energie über einen definierten Zeitraum, die elektrische Leistung und das jeweilige Lastprofil während der Entnahme sind. Untersuchungen zeigen, dass diese Last stark durch den Nutzer beeinflusst wird. Eine nicht geregelte Entnahme führt zu deutlich ausgeprägten Leistungsspitzen im Tagesprofil der Summe über alle Verbraucher. Die Steuerung der Beladung von Elektrofahrzeugen kann durch einen erzeugungsfolgenden Verbrauch dazu beitragen das volatile Verhalten von Einsgeisern wie Photovoltaik und Windkraft auszugleichen. Der in Elektrofahrzeugen vorhandene Energiespeicher soll genutzt werden, um die Last unter Berücksichtigung des zeitlichen Ein- und Ausspeiseverhaltens zu verschieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Entnahme elektrischer Energie aus einem Verteilernetz unter Berücksichtigung des Netzzustands und/oder der Ein- und Ausspeisesituation zu optimieren.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die in Zeichnungen dargestellten Beispielapplikationen R2V (Regenerativ-2-Vehicle) und LLM (Lokales Lastmanagement) näher erläutert. Es zeigt:
1 – R2V-Applikation mit lokalem Lastmanagement
2 – Beispielprofile als Ergebnis der Optimierung der R2V-Applikation
3 – Erfüllung des Ladeprofils durch ein lokales Lastmanagement (LLM)
4 – Referenzarchitektur für eine R2V-Applikation
Zur gesteuerten Entnahme elektrischer Energie aus einem Verteilernetz muss die Kommunikation zwischen der Steuerungs- und Lastinstanz gewährleistet sein. Weiterhin müssen die notwendigen Daten in Überwachungsrichtung und die notwendigen Daten und Befehle in Steuerungsrichtung sowie zu beachtende Randbedingungen und die Optimierungsziele definiert werden.
Die Last resultiert ungesteuert aus dem Nutzerverhalten. Sobald ein elektrisches Kraftfahrzeug (Electric Vehicle, EV) an das elektrische System angeschlossen ist (Plug-In) und Bedarf zur Entnahme elektrischer Energie hat, wird diese mit einer definierten Leistung S_max,EV und S_max,Grid (je nach Anschlusspunkt (S_max,Grid) und Fahrzeugtechnologie S_max,EV limitiert und genormt) abgenommen. Die resultierende Entnahmecharakteristik für private Anwendungen ähnelt dem typischen Standardnormlastprofil für Haushalte mit der klassischen Abendspitze, die aufgrund der im Kraftfahrzeugbereich hohen Entnahmeleistungen (IEC62196 bis zu 44 kVA am Niederspannungsnetz, AC Drehstrom Ladung) deutlich ausgeprägt ist.
Um eine gesteuerte Entnahme realisieren zu können, ist der Zyklus dieser Entnahme datentechnisch zunächst zu erfassen. Dazu gehören Anschlusszeitpunkt (Plug-In) und erwarteter Abschlusszeitpunkt (Plug-Off) zur Realisierung nutzerspezifischer Abfahrtzeiten (gesamt die „Verfügbarkeit”), eine gewünschte Energiemenge für den Entnahmezyklus und technische Parameter von Fahrzeug und Ladepunkt (Ladeprofil und Ladeleistung). Diese Informationen werden von einer zentralen Steuerungseinheit für eine große Anzahl von Fahrzeugen erfasst. Anschließend erfolgt die Lösung des Optimierungsproblems. Die Formulierung ist frei und kann aus unterschiedlichen Gesichtspunkten abgeleitet werden. Beispielhaft kann das Entnahmeverhalten nach verschiedenen Kriterien optimiert werden. So z. B. könnte die Einhaltung definierter technischer Größen des Verteilernetzes (z. B.: Belastung der Betriebsmittel) (Randbedingung) oder die Berücksichtigung von Kundenbedürfnissen (Randbedingung) für die Festlegung der Optimierungskriterien herangezogen werden.
Denkbar ist auch, dass sich die Entnahme der Energie aus dem Verteilernetz an der Einspeisung von regenerativer Energie (z. B.: Wind, PV bzw. R2V) in das Verteilernetz orientiert. Schließlich können aber auch die erforderlichen Energie-Beschaffungskosten ein Kriterium für die Optimierung sein (Kostenfunktionen). Selbstverständlich sind auch daraus kombinierte Zielvorgaben denkbar.
Je nach Zielvorgabe ist anschließend ein Ladeprofil zu berechnen, mit dem die Entnahme elektrischer Energie der individuell angeschlossenen Kraftfahrzeuge vorgegeben wird. Dabei wird zwischen zwei elementaren Zielgrößenvorgaben unterschieden. Zum einen sind dies die gemanagte einspeisungsorientierte Entnahme aus Sicht eines Übertragungsnetzbetreibers und zum anderen die gemanagte Entnahme aus Sicht eines Verteilernetzbetreibers.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die Korrelation zwischen einer steuerbaren Lastaufnahme und der in das Netz eingespeisten regenerativen Energie maximiert werden. Das Prinzip ist, dass elektrische mobile Endverbraucher (Elektroauto) zu Zeiten geladen werden, in denen besonders viel aus regenerativen Einsgeisern erzeugte elektrische Energie zur Verfügung steht (R2V – „Regenerative to Vehicle”). Dazu müssen zuerst die Fahrzeuge identifiziert werden, die am Entnahmepunkt des Verteilernetzes angeschlossen sind. Weiterhin sind Informationen über die am Netz befindlichen elektrischen Verbraucher hinsichtlich der benötigten Energiemenge und der dazugehörigen Ladeleistung, die schlussendlich die Ladedauer vorgibt, zu extrahieren. Unter Berücksichtigung der prognostizierten regenerativen Einspeisung, wird dann erfindungsgemäß die Last insofern optimiert, dass einzelnen Fahrzeugen die Ladung freigegeben (also der Ladvorgang freigeschaltet) wird oder nicht. Es wird ein geplantes Ladeprofil erzeugt. Dabei ist es unerheblich, mit welchen Mitteln oder Verfahren das Ladeprofil durch gezielte Freigabe oder Sperrung der Ladung dann erfüllt wird (z. B. durch Smart Charge Communication Protokolle wie dem Daimler/RWE Ansatz, ISO15118 oder einfache Steuerung des Ladestroms mit dem Pulsbreitenverfahren der IEC62196). Zusammengefasst werden also zuerst gewünschte Optimierungs- und Echtzeitkriterien festgelegt. Nachdem ein oder mehrere geeignete Kommunikationsmedien und Protokolle und Applikationen zur Übertragung bzw. Generierung der für die Optimierung notwendigen Informationen ausgewählt sind, wird ein geeigneter Optimierungsalgorithmus zur Berechnung der Ladeprofile gewählt. Anschließend werden dann die berechneten Ladeprofile mit geeigneten Technologien oder Verfahren realisiert. Im letzten Schritt erfolgt dann noch die Implementierung einer Closed-Loop-Infrastruktur.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens (R2V Applikation) mit einem lokalen Lastmanagement (1). Dies separiert sich in zwei Problemklassen. Zunächst erfolgt eine Profilbestimmung für das lokale Lastmanagement, mit dem eine netzoptimierte Entnahme zu regenerativ starken und/oder lastschwachen Zeiten, unter Berücksichtigung der regenerativen Einspeisung in einer Regelzone, einem Inselnetz und/oder kombiniert unter Verwendung von Echtzeit- und Prognosedaten zur Einspeisung regenerativer Energien mittels Optimierung realisiert werden kann. Die Profilbestimmung für das lokale Lastmanagement ist allgemeingültig dazu geeignet, in einem großen Netzverbund unter Berücksichtigung festgelegter Randbedingungen, resultierend aus den lokal vor Ort erfassten Informationen (Zustandserfassung), Spannung und Betriebsmittelbelastung in vordefinierten Grenzen zu halten. Für den hier skizzierten Anwendungsbereich sind diese: Anschlusszeitpunkt (Plug-In), gewünschter/erwarteter Abschlusszeitpunkt (Plug-Off), benötigte/gewünschte Energiemenge, Ladeprofil und Ladeleistung. Ausgehend davon kann die lokale Optimierungsinstanz das Aggregat der Energiemenge, Verfügbarkeit der Fahrzeuge und Ladeleistung zusammenführen, so dass die höhere Instanz nach in ihr definierten Zielkriterien optimieren kann. Das errechnete optimierte Ladeprofil wird zurück an das lokale Lastmanagement gesendet, so dass dieses das Ladeprofil für die Berechnung nachfolgender Ladevorgänge verwenden kann. Des Weiteren können zwei Modi bei der Betrachtung nachfolgender Ladevorgänge definiert werden:
Modus 1: einmal optimierte Ladevorgänge sind fix und werden nicht unter Berücksichtigung veränderter Randbedingungen neu berechnet (nicht adaptives Verfahren)
Modus 2: einmal optimierte Ladevorgänge können unter Berücksichtigung veränderter Randbedingungen neu berechnet werden (adaptives Verfahren)
Die Frage nach einer optimierten Entnahme kann aus sehr unterschiedlichen Gesichtspunkten beantwortet werden. Hier steht es frei sehr unterschiedliche Ziele zu formulieren und diese je nach Wichtung in einer Optimierungssequenz einzubinden. Speziell in der „R2V Applikation” ist das Ziel, vorrangig unter Berücksichtigung der Netzgrößen einen hohen Zusammenhang zwischen regenerativer Einspeisung und gesteuerter Entnahme durch elektrische Kraftfahrzeuge zu generieren. Je nach Definition einer Zielfunktion kann dies mehr oder weniger gut erreicht werden, insbesondere, wenn das Netz als solches mit berücksichtigt wird. 2 zeigt ein mögliches Ergebnis aufgrund Steuerung nach dem R2V Prinzip.
Das lokale Lastmanagement (LLM) versucht durch höhere Instanzen vorgegebene Ladeprofile möglichst optimal unter Berücksichtigung relevanter Parameter zu erreichen, siehe Beispiel in 3. Dazu gehört vor allem der gewünschte Zeitpunkt an dem ein Zyklus zu Ende sein sollte. Je nach Limitierung durch lokal vorgegebene Randbedingungen wird diese Applikation Grenzwerte einhalten müssen, die lokal vor Ort vorzugeben sind (z. B.: maximale Anzahl gleichzeitig aktiver Entnahmen, maximale Summenlast usw.). In Grenzsituationen wird diese Applikation konträr zu den „R2V-Applikation” Vorgaben steuern müssen. Die algorithmischen Ausführungen sind nicht Gegenstand dieses Patents und derzeit noch zu erforschen.
4 zeigt eine Referenzarchitektur für eine R2V-Applikation mit LLM Funktionalität. Die aktuelle und prognostizierte Last- und Einspeisesituation steht zur Verfügung. Gesteuertes Laden wird umgesetzt, indem Funktionen zur Lastgangerfassung und Kommunikationskomponenten sowie an Lastknoten intelligente Ladesäulen mit der Fähigkeit Ladevorgänge zu steuern installiert sind. Durch Datenübertragung zu einer zentralen Steuerungsinstanz wird die aktuelle Ein- und Ausspeisesituation übertragen, die vorhergesagt wird. Unter Berücksichtigung der aktuellen Netztopologie (Erfassung Netztopologie) erfolgt die Berechnung des LLM Signals zur Limitierung der Ladeleistung an einem Netzknoten. Die Bereitstellung des Steuerungssignals für die R2V Applikation erfolgt gesondert.
Wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass mit ihm eine infrastruktur- und/oder kostenoptimierte Entnahme von Energie aus einem Verteilernetz realisiert werden kann, die zu möglichst lastschwachen Zeiten und/oder zu Zeiten starker Einspeisung aus regenerativen Energiequellen stattfinden kann. Dabei können globale und lokale Optimierungsziele entkoppelt werden. Es gelingt die Transformation des Optimierungsproblems für große Systeme mit einer hohen Zahl von Lasten auf ein hierarchisches Konzept.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO15118 [0015]
IEC62196 [0015]

Claims

Verfahren zur gesteuerten Entnahme elektrischer Energie aus einem Verteilernetz zur Ladung mobiler Endverbraucher, die an dem Verteilernetz, in das aus regenerativen Einsgeisern gewonnene elektrische Energie eingespeist wird, angeschlossen sind, umfassend folgende Schritte: – Festlegung von Optimierungs- und Echtzeitkriterien zur gesteuerten Entnahme elektrischer Energie aus dem Verteilernetz; – Auswahl geeigneter Kommunikationsmedien und Protokolle zur Übertragung oder Generierung der für die gesteuerte Entnahme elektrischer Energie aus dem Verteilernetz notwendigen Informationen; – Berechnung eines globalen Ladeprofils für die gesteuerte Entnahme elektrischer Energie aus dem Verteilernetz, welches die festgelegten Optimierungs- und Echtzeitkriterien erfüllt; – Erfüllung des berechneten globalen Ladeprofils für die gesteuerte Entnahme elektrischer Energie aus dem Verteilernetz durch gezieltes Steuerern der Ladung einzelner mobiler Endverbraucher
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Festlegung der Optimierungs- und Echtzeitkriterien definierte technische Größen des Verteilernetzes und/oder spezifische Kundenbedürfnisse und/oder Informationen zur Energieeinspeisung in das Verteilernetz und/oder Beschaffungskosten berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Erfüllung des globalen Ladeprofils für die gesteuerte Entnahme elektrischer Energie aus dem Verteilernetz mit einem lokalen Lastmanagement kombiniert wird.