Regelvorrichtung für große Stromnetze mit einer Vielzahl von kleinen, dezentralen und ggf. volatilen Erzeugern

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für große Stromnetze mit einer Vielzahl von kleinen, dezentralen und ggf. volatilen Erzeugern, bei der ein stabiler Netzbetrieb durch eine dezentrale Bildung einer jeweiligen Sekundär-/

Tertiärregelleistung seitens der einzelnen Erzeuger erreicht wird .

Seit mehreren Jahren verschiebt sich die Stromerzeugung von wenigen großen, planbaren und konzentrierten Erzeugern, typi- scherweise thermischen Kraftwerken wie Gasturbinen, Kohleoder Atomkraftwerken, zu vielen kleinen, dezentralen und volatilen Erzeugern wie Windturbinen oder Photovoltaik-Anlagen . Diese volatile Erzeugung hat zur Folge, dass plötzliche, un ^¬ vorhergesehene Erzeugungsänderungen zunehmen, d.h. der Bedarf an Primär- und Sekundärregelleistung steigt schon heute stark und in der Zukunft noch vermehrt an. Andererseits nimmt die Zahl der klassische Lieferanden von Primär- und Sekundärregelleistung, nämlich große, thermische Kraftwerke, immer stärker ab. Hieraus ergibt sich ein zunehmender Bedarf an Primär- und Sekundärregelleistungs-Bereitstellung durch kleine, dezentrale und ggf. volatile Erzeuger.

Die wesentliche Aufgabe der Primärregelleistung ist es, das Netz nach Last- und Erzeugungsänderungen in einen stabilen Betriebszustand zu überführen. Dies führt oft zu unerwünsch ^¬ ten Erzeugungsverschiebungen und einer bleibender Frequenzabweichung, d.h. die Netzfrequenz weicht beispielsweise von einer Nennfrequenz von 50 Hz um 0,1 Hz ab. Die Aufgabe der Sekundärregelleistung ist es, die Netzfre ^¬ quenz wieder auf die Nennfrequenz zurückzuführen und die Verteilung der Last- und Erzeugungsänderung zwischen den verbliebenen Erzeugern neu zu balancieren. Darüber hinaus kann eine Tertiärregelleistung dazu eingesetzt werden, um die einzelnen Erzeuger wieder möglichst nah an ihren optimalen Betriebspunkt zu bringen.

In heutigen Stromnetzen mit vorwiegend thermischer Erzeugung wird die erforderliche Sekundärregelleistung zentral berechnet und an die zugehörigen Komponenten als Erzeugungssollwerte verteilt. Dieses Verfahren ist sehr erfolgreich, da eine zentrale Berechnung grundsätzlich alle Faktoren berücksichtigen kann.

Mit der steigenden Zahl an dezentralen Erzeugern wird eine zentrale Berechnung jedoch immer schwieriger. Darüber hinaus können nur jene Erzeuger Sekundärregelleistung liefern, die der Zentrale bekannt sind und die mit der die Zentrale kommu ^¬ nizieren können. Bei einem Ausfall der Zentrale oder der Kommunikation zwischen der Zentrale und den Erzeugern kann keine Sekundärregelleistung mehr bereitgestellt werden.

Verschiedene Publikationen stellen diesem traditionellen Konzept ein verteiltes Sekundärregelleistungskonzept entgegen, dass auf einer dauerhaften Kommunikation zwischen den Erzeugern beruht, siehe beispielsweise F. Dörfler, J. W. Simpson- Porco, F. Bullo. Breaking the Hierarchy: Distributed Control & Economic Optimality in Microgrids. arXiv: 1401.1767 . [Onli ^¬ ne] 2014. [Cited: 10 27, 2015.] - http : //arxiv . org/pdf/1401.1767v2. pdf . Diese Konzepte sind besser skalierbar auf Stromnetze mit vie ^¬ len Erzeugern die Sekundärregelleistung bereitstellen, haben aber wiederum andere erhebliche Nachteile. Der Ausfall auch nur eines Teils des Kommunikationsnetzes hat erhebliche Aus ^¬ wirkungen auf die Verteilung der Sekundärregelleistung und führt u.U. zu einer bleibenden Frequenzabweichung und somit zu einem bleibenden Erzeugungsungleichgewicht. Neue Erzeuger, die Sekundärregelleistung bereit stellen sollen, müssen in die bestehende Kommunikations- und Regelungsstruktur inte- griert werden. Darüber hinaus ist nicht klar, ob der Übergang vom heutigen System in dieses neue System ohne eine umfangreiche Neuorganisation möglich ist. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun da ^¬ rin, eine Regelvorrichtung zur Erzeugung eines stabilen, robusten und zuverlässigen Netzbetriebs in großen Stromnetzen mit einer Vielzahl von kleinen, dezentralen und ggf. volati- len Erzeugern anzugeben, bei der eine jeweilige erzeugersei- tige Sekundär- und Tertiärregelleistung möglichst ohne explizite Kommunikation zwischen den Erzeugern ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen be- vorzugte Ausgestaltungen der Regelvorrichtung sowie Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung.

Die Erfindung betrifft im Wesentlichen eine Regelvorrichtung zur Bestimmung einer Sekundär-/Tertiärregelleistung eines je- weiligen dezentralen Erzeugers in einem Stromnetz mit einer Vielzahl von Stromerzeugern, bei der ein Subtrahierer derart vorhanden ist, dass zunächst eine Abweichung der lokal gemes ^¬ senen bzw. geschätzten Frequenz von der Netzfrequenz bestimmt wird, bei der ein Verstärker vorhanden ist, dem ein Integra- tor mit Begrenzer nachgeschaltet ist, der neben einer Integ ^¬ ration dafür sorgt, dass eine am Ausgang eines Integrators gebildete Sekundär-/Tertiärregelleistung begrenzt wird, und bei der der Verstärker ein Totband aufweist und/oder der Ausgang des Integrators mit Begrenzer über eine Rückkoppelein- heit in der eine Multiplikation mit einem Faktor erfolgt, negativ auf den Eingang des Integrators mit Begrenzer rückge ^¬ koppelt ist.

Die Vorteile der Erfindung liegen in einer nahezu beliebigen Skalierbarkeit, wobei eine Überlast einzelner Teilnehmer bei ^¬ spielsweise durch Sättigungen verhindert werden, in einem sehr einfachen Eintreten in einen bestehenden Regelleistungspool, in einer großen Robustheit gegen Netzauftrennung großer Stromnetze und gegenüber Kommunikationsausfällen, wobei letzteres insbesondere in Notfallszenarien von großer Bedeutung ist, und in einer guten Kompatibilität zu bereits bestehenden Sekundärregelleistungsstrukturen .

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigt

Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Regelvorrichtung zur dezentralen Erzeugung einer Primär- und Sekundärregelleistung mit einer Kommunikation zu den weiteren Erzeugern bzw. deren Regelvorrichtun- gen,

Figur 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Leistungsregelung mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung und

Figur 3 ein weiteres Prinzipschaltbild zur Erläuterung der

Frequenzregelung mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung . Alle Regelvorrichtungen zur dezentralen Erzeugung einer Primär- und Sekundär-/Tertiärregelleistung weisen, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, üblicherweise für jeden Erzeuger einen verteilten primären Regler Cl zur Regelung mit Hilfe einer sogenannten "Statik" (droop) und zusätzlich einen verteilten sekundären Regler C2alt oder C2 auf, wobei dieser als Grundelement einen -I-Regler I bzw. IL beinhaltet, der ggf. einen Begrenzer L aufweist.

Um einen stabilen Betrieb von Wechselstromnetzen zu organisieren, wird in der Elektrotechnik bei Stromerzeugern der Einstellwert einer "Statik", englisch "droop", verwendet. Dieses Element ist in Figur 1 entsprechend mit "droop" be ^¬ zeichnet. Der Kennwert der Statik beschreibt u. a. beispiels weise die negative Steigung der normierten Kennlinie f (P) . Dies stellt die Abhängigkeit des Sollwertes der Wirkleistung P von der gemessenen oder geschätzten Frequenz f dar. So eine "Statik" bzw. Reglerkennlinie wird im Verbundbetrieb vieler Kraftwerke zur Koordinierung der Primärregelung von Wirkleistung P über die Netzgrößen als Informationsträger genutzt. Dabei wird in Abhängigkeit von der Netzfrequenz f die Wirkleistung P geregelt, indem beispielsweise bei einem Turbosatz bei abnehmender Netzfrequenz das Drehmoment und damit auch die Leistung erhöht wird und umgekehrt. Grundlastkraftwerke haben eine große Statik, Spitzenlastkraftwerke eine geringe Statik. Eine geringe Statik bedeutet eine flache f (P)- Kennlinie, d.h. schon kleinste Frequenzabweichungen führen zu großen Lastwechselreaktionen (siehe beispielsweise WIKIPEDIA "Statik (Elektrotechnik") .

Figur 1 zeigt ein Prinzipblockschaltbild einer bekannten Re ^¬ gelvorrichtung zur dezentralen Erzeugung einer Primär- und Sekundärregelleistung mit einer "expliziten" Kommunikation SYNC zwischen einzelnen Erzeugern in einem Stromnetz N. Eine "implizite" Kommunikation findet ja quasi durch die Verände ^¬ rungen der Leistungs- und Frequenzverhältnisse im Netz statt. Da die verteilten Integratoren sonst mittelfristig gegenei ^¬ nander arbeiten, weil Frequenzmessungen ungenau sind oder die Takte der Prozessoren, auf denen die Sekundärregelung implementiert ist, nicht genau synchron sind, erfolgt in bekannten Systemen eine Synchronisation des jeweiligen Integrators, z. B. hier des Integrators I des verteilten sekundären Regler C2alt, mit den Integratoren in den Regelvorrichtungen der weiteren im Netz befindlichen Erzeuger.

Wesentliche Komponenten dieser bekannten Sekundärregelung C2alt sind die Bestimmung der Abweichung f± der lokal gemes ^¬ senen bzw. geschätzten Frequenz f i von der Netzfrequenz f _n , die Verstärkung M dieser Abweichung mit einem Verstärkungsfaktor K _Sii und die Integration I der so verstärkten Abweichung, wobei der Integratorausgang beispielsweise durch einen Begrenzer L noch auf die beiden Grenzwerte P _sm i _{n i} i<0 und Psmax,i>0 begrenzt die jeweilige Sekundär-/Tertiärregelleistung P _s /t,i bzw. P _Sii des sekundären Regler C2alt liefert, die dann dem primären Regler Cl zur Verrechnung zugeführt wird. Im verteilten primären Regler Cl erfolgt ebenfalls zunächst eine Bestimmung der Abweichung f± der lokal gemessenen bzw. geschätzten Frequenz f^ von der Netzfrequenz f _n , die dann jedoch mit Hilfe der Statik, hier eine Frequenz/Leistungs- Kennlinie fP, in eine entsprechende jeweilige Primärleistung P _P rim,i umgewandelt wird, die wiederum gemeinsam mit der jewei ^¬ lige Sekundär-/Tertiärregelleistung P _s /t,i und zusammen mit einer jeweiligen Referenzleistung P _ref ,i des jeweiligen Erzeu ^¬ gers eine jeweilige einzustellende Generatorleistung P _ge n,i ergibt .

Figur 2 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Rege ^¬ lung der Generatorleistung P _ge n,i eines verteilten Erzeugers entsprechend dem bekannten Aufbau gemäß Figur 1 jedoch anstelle der bekannten Sekundärregelung C2alt ist hier eine er- findungsgemäße Regelvorrichtung C2 zur Sekundär- /Tertiärregelleistung vorhanden.

Auch bei der Regelvorrichtung C2 wird zunächst wieder die Abweichung f± der lokal gemessenen bzw. geschätzten Frequenz fi von der Netzfrequenz f _n mit Hilfe eines Subtrahierers Sl bestimmt. Danach wird diese Abweichung in einem Verstärker D mit Totband außerhalb eines Totbands Af _db für betragsmäßig kleine Werte mit einem Verstärkungsfaktor k _Sii verstärkt und innerhalb des Totbands weitgehend auf den Wert Null unter- drückt. Der Ausgang des Verstärkers D mit Totband ist mit ei ^¬ nem Eingang eines weiteren Subtrahierers S2 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Integrators IL mit Begrenzer verbunden ist, der neben einer Integration dafür sorgt, dass am Ausgang des Integrators IL die jeweilige Sekundär- /Tertiärregelleistung P _Sii des sekundären Regler C2 auf die beiden Grenzwerte P _smiriii kleiner gleich 0 und P _S max,i größer gleich 0 begrenzt wird. Der Wert für die jeweilige Sekundär- /Tertiärregelleistung P _Sii wird dann in einer Rückkoppelein- heit F mit einem jeweiligen Faktor k _t ,± multipliziert auf den negativen Eingang des weiteren Subtrahierers S2 geführt, wo ^¬ durch eine stabilisierende negative Rückkopplung erreicht wird .

Um die allmähliche divergierende Integration der verteilten Integratoren zu verhindern, ist erfindungsgemäß lokal ein Korrekturglied vorhanden, dass eine fortlaufende Integration kleiner Abweichungen f± verhindert. Dieses Korrekturglied kann beispielsweise optional durch die Rückkoppeleinheit F oder das Totband A f _db im Verstärker D einzeln oder auch in Kombination realisiert werden.

Die Rückkoppeleinheit F dominiert bei kleinen Abweichungen f± den Eingang des Integrators und führt den Integrator so ^¬ mit auf betragsmäßig kleine Ausgangswerte zurück. Das Totband A f _db sorgt dafür, dass der Ausgang des Verstärkers D bei kleinen Abweichungen f± null ist und somit der Integrator nicht weiter aufintegriert . In beiden Fällen wird somit eine divergierende Integration, z.B. aufgrund von nicht identi ^¬ schen Prozessortakten der verteilten Integratoren oder aufgrund von Messfehlern der Frequenz f i verhindert. Somit kann auf eine Kommunikation zur Vermeidung der divergierenden Integration verzichtet werden.

Figur 3 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Rege ^¬ lung der Generatorfrequenz f^ eines verteilten Erzeugers. Die oben näher beschriebene erfindungsgemäße Regelvorrichtung C2 zur Sekundär-/Tertiärregelleistung kann auch hierfür benutzt werden, wobei hier die Sekundär-/Tertiärregelleistung P _Sii des sekundären Reglers C2 am Eingang des Primärleistungsreglers Cl zu einer jeweiligen Referenzleistung P _ref , i des jeweiligen Erzeugers addiert wird und durch Subtraktion einer jeweiligen einzustellenden Generatorleistung P _ge n, i eine negative jewei- lige Primärleistung P _pr i _m , i ergibt, welche als Eingangsgröße für eine Statik (droop) in Form einer Leistungs-/Frequenz- Kennlinie Pf dient. Mit Hilfe dieser Statik, die auch eine Multiplikation mit dem Faktor l/k _Pii einschließt, wird eine Frequenz-Abweichung f± gebildet, zu der dann am Ausgang die Netzfrequenz f _n hinzuaddiert und dadurch die einzustellende Generatorfrequenz f i des jeweiligen Erzeugers gebildet wird. Vorteile:

- Skalierbarkeit

Das Verfahren ist für beliebig viele Erzeuger einsetzbar. Eine Überlast einzelner Teilnehmer wird durch die Sättigungen verhindert. Die entsprechenden Erzeuger liefern die maximal/minimal zulässige Sekundärregelleistung. Die darüber hinaus erforderliche Sekundärregelleistung wird durch alle übrigen Erzeuger bereitgestellt, die nicht in Sättigung sind. Die maximal/minimal verfügbare Gesamtsekundärregelleistung ist somit die Summe der maximalen/minimalen Sekundärregelleistungen der einzelnen Erzeuger.

- Anschließen und sofort erzeugen (Plug-and-produce)

Neue Teilnehmer können durch Einschalten der "lokalen Sekun- därregeleinrichtung" in einen bestehenden Regelleistungspool eintreten, ohne dass dies den übrigen Teilnehmern mitgeteilt werden muss. Lediglich die Verstärkungen k _Sii und k _t ,± sollten in einer ähnlichen Größenordnung liegen bzw. die Totbänder A f _db müssen abgestimmt werden.

- Robust gegenüber Kommunikationsausfällen

Da dieses Verfahren völlig ohne explizite Kommunikation aus ^¬ kommt, ist ein beliebig langer Betrieb des Stromnetzes ohne Kommunikation prinzipiell möglich. Dies ist insbesondere in Notfallszenarien von großer Bedeutung.

- Kompatibilität zu bestehenden Sekundärregelleistungsstruk- turen

Das Verfahren kann ohne große Umstellungen in bestehende Strukturen integriert werden. Eine Kombination aus zentralen und dezentralen Sekundärregelungen ist problemlos möglich. Solange die zentrale Sekundärregelung aktiv ist, wird sie die Abweichung der Netzfrequenz zu null regeln. Sobald die zent- rale Sekundärregelung ausfällt, übernehmen die dezentralen Sekundärregelungen diese Aufgabe. Durch eine passende Auswahl der Verstärkungsfaktoren lässt sich die Erfindung somit auch als Back-up Lösung für Stromnetze in Notsituationen verwen- den .

- Robustheit gegen Netzauftrennung großer Stromnetze

Das Verfahren ist ebenfalls robust gegen die Auftrennung ei ^¬ nes großen Stromnetzes in mehrere Teilnetze. Sofern ein Teil- netz über genügend Primär- und Sekundärregelleistung verfügt, um die Leistungsbilanz, also die Differenz aus Erzeugung und Last, im eigenen Teilnetz auszugleichen, findet dieser Ausgleich automatisch ohne jegliche explizite Kommunikation zwischen den teilnehmenden Erzeugern statt.