DE102013003367A1

DE102013003367A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Zählpunktsignalen

Info

Publication number: DE102013003367A1
Application number: DE102013003367.5A
Authority: DE
Inventors: Franziska Funck; Frank Soyck
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2033-03-02
Also published as: WO2014131525A1; DE102013003367B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie einen Mehrrichtungszähler, zur Erzeugung von Zählpunktsignalen. Dabei werden aufgrund von Signalen von Strom- und Spannungssensoren nach an sich bekannten Verfahren reale Zählpunktwerte ermittelt. Zusätzlich werden aufgrund dieser realen Zählpunktwerte virtuelle Zählpunktwerte berechnet. Die realen und die virtuellen Zählpunktwerte können angezeigt und/oder gespeichert werden. Die Erfindung eignet sich besonders für Stromversorgungsanlagen mit einem elektrischen Stromerzeuger, wie einer Photovoltaikanlage, und einem elektrischen Speicher, der von mehr als einem Verbraucher genutzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine dafür geeignete Vorrichtung, wie insbesondere einen Mehrrichtungszähler, zur Erzeugung von Zählpunktsignalen, deren Werte von einem Zählpunkt angezeigt und/oder abgespeichert werden können.
Elektrische Zählpunkte, auch Zähler, Stromzähler oder Energiezähler genannt, dienen üblicherweise zur Messung von elektrischen Leistungen bzw. von elektrischer Energie, die von einem Verbraucher, wie einem Haushalt, verbraucht und/oder von einem elektrischen Stromerzeuger, wie einer Photovoltaikanlage, erzeugt wird.
Es sind bereits Module bekannt, die mehrere solcher Stromzähler enthalten. Ein besonderes Mehrfachstromzählermodul wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 024 301 A1 vorgestellt. Dieses erlaubt zwar die getrennte Erfassung von unterschiedlichen Verbrauchern, es ist jedoch nicht vorgesehen, Stromerzeugung oder Stromspeicherung zu messen.
Bekannte Zähler werden auch verwendet bei Anlagen zur Versorgung eines Haushalts, wobei neben dem Anschluss an ein öffentliches Stromversorgungsnetz eine Photovoltaikanlage und auch ein elektrischer Speicher, wie eine Batterie, vorhanden sind. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der elektrische Speicher nicht nur durch diesen Haushalt sondern über das Stromversorgungsnetz auch von anderen Verbrauchern genutzt werden kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromzähler zur Verfügung zu stellen für eine Anlage, die einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt, und außerdem einen Stromerzeuger und einen elektrischen Speicher aufweist, der von dem eigenen Verbraucher und auch von Dritten benutzt werden kann. Dabei soll die Anzahl von Wechselrichtern, die wesentlich teurer sind als Stromzähler, so weit wie möglich reduziert werden. Dadurch können insbesondere Kosten gespart und auch der Platzbedarf reduziert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Hauptanspruch sowie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem ersten Vorrichtungsanspruch. Die abhängigen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen.
Der vorliegenden Erfindung liegenden folgende Erkenntnisse zugrunde. Sie betrifft einen Stromzähler, der nicht nur den Stromverbrauch eines Verbrauchers – wie beispielsweise eines Haushalts, eines Gewerbebetriebs oder dergleichen – ermitteln soll, sondern auch die Einspeisung von einem Stromerzeuger – wie beispielsweise einer Photovoltaikanlage, einer Biogasanlage, einer Windkraftanlage, eines Stromerzeugers mit Verbrennungsmotor und/oder dergleichen – erfassen und zudem die Nutzung eines elektrischen Speichers – wie beispielsweise einer aufladbaren Batterie, eines Kondensators, einer Pumpspeicheranlage, einer Druckluftspeicheranlage, einem Schwungradspeicher, eines Elektrofahrzeuges bzw. dessen Batterie und/oder dergleichen – berücksichtigen. Dieser Speicher soll zum einen den vom Verbraucher, der üblicherweise auch der Anlagenbetreiber ist, für den Eigenverbrauch zwischengespeicherten Strom aufnehmen und abgeben können, andererseits aber auch Dritten zur Verfügung stehen, die dort Energie speichern und abrufen können. Ein solcher Dritter kann ein anderer Verbraucher sein, aber auch ein Stromhändler, auch Contractor genannt, der durch den Zugriff auf den Speicher Schwankungen sowohl in positive als auch in negative Richtung abfangen kann. Derartige Schwankungen treten insbesondere bei der sogenannten „regenerativen Energieerzeugung” durch Wind, Solar, usw. auf. Durch die Erfindung ist es außerdem möglich, die unterschiedlichen Verrechnungspreise zu berücksichtigen, wie insbesondere

– Einspeisung vom Speicher ins Versorgungsnetz: gemäß Viertelstundenpreisen gemäß European Energy Exchange (EEX; ca. 0,05 EUR)
– Bezug vom Versorgungsnetz in den Speicher: gemäß Viertelstundenpreisen gemäß European Energy Exchange (EEX; ca. 0,05 EUR)
– Einspeisung von Fotovoltaikanlage (auch über Speicher) ins Versorgungsnetz: Vergütung gemäß Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG; ca. 0,16 EUR)
– Bezug vom Versorgungsnetz zum Verbraucher: Stromtarif abhängig von Anbieter und Tarif (ca. 0,25 EUR).

Die angegebenen Preise sind lediglich heutige Richtwerte pro kWh, wie sie in der Bundesrepublik Deutschland üblich sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es außerdem, dass die Werte der verschiedenen Zählpunktsignale nahezu gleichzeitig und damit in Echtzeit bestimmt werden können.
Erfindungsgemäß werden reale und virtuelle Zählpunktsignale erzeugt. Die Werte der realen Zählpunktsignale werden ermittelt aus Signalen von Sensoren, die Spannungen und Ströme messen, aus denen sich die elektrische Leistung bzw. die elektrische Energie ergibt. Bevorzugterweise entspricht diese Leistung bzw. Energie dem was, (a) von einem Verbraucher verbraucht, (b) von einem Stromerzeuger erzeugt und/oder (c) von einem Speicher entnommen und/oder in diesen eingespeist wird. Die Werte der virtuellen Zählpunktsignale werden errechnet aus den Werten der realen Zählpunktsignale. Dabei werden bevorzugterweise Algorithmen verwendet, die den Knotenregeln entsprechen, die aus der Elektrotechnik an sich bekannt sind.
Durch eine besondere Ausgestaltung ermöglicht es die vorliegende Erfindung auch, dass in Abhängigkeit von einem Steuersignal nur ein vorgegebener Anteil einer von dem Stromerzeuger erzeugten Wirkleistung – eventuell über einen oder mehrere Wechselrichter – an den elektrischen Speicher geleitet und gezählt wird. Es ist ebenfalls möglich, dass nur ein vorgegebener Anteil einer aus dem Speicher abgegebenen Leistung – eventuell über einen oder mehrere Wechselrichter – zu dem Verbraucher geleitet und gezählt wird.
Die ermittelten Werte der realen bzw. der virtuellen Zählpunktsignale – oder zumindest einzelne davon – können optisch/akustisch angezeigt oder auch abgespeichert werden. Dadurch ist eine entsprechende Auswertung möglich, wie beispielsweise durch Benutzer, durch Anlagen zur Verrechnung von Stromkosten oder dergleichen.
Die Sensoren zur Messung von Spannungen und Strömen können auf verschiedenste Weise gestaltet sein. Sie können insbesondere auch integriert sein in einem oder mehreren Wechselrichtern. Dadurch kann die Komplexität einer zugehörigen Anlage reduziert und es können auch Kosten gespart werden.
Im Folgenden werden weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen
1 Energieversorgungseinrichtung mit Speicher
2 Energieversorgungseinrichtung zur Mehrfachnutzung des Speichers
3 Energieversorgungseinrichtung mit Mehrrichtungszähler
4 Technische Realisierung des Mehrrichtungszählers
5 Symbolische Darstellung zur Bestimmung von Leistungsflüssen
6 Energieversorgungseinrichtung mit integriertem Wechselrichter
7 Vereinfachte Einrichtung mit integriertem Wechselrichter
8 Übersicht über verschiedene Betriebszustände
Gleiche bzw. gleichartige Mittel sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine wiederholte Beschreibung erfolgt nur insofern, wie es für das Verständnis der Erfindung bzw. der Ausführungsbeispiele erforderlich erscheint.
1 zeigt eine Energieversorgungseinrichtung mit einem Haushaltsanschluss 10 zur Versorgung eines Haushalts – bzw. eines Betriebes oder dergleichen. In der Energieversorgungseinrichtung sind eine Photovoltaik-Anlage – auch kurz PV-Anlage genannt – 12 und ein elektrischer Speicher 14 enthalten. Da die PV-Anlage 12 wie üblich derart ausgelegt ist, dass sie Gleichstrom erzeugt, ist zur Versorgung des Haushaltsanschlusses 10 mit Wechselstrom ein PV-Wechselrichter 16 vorgesehen, der zwischen der PV-Anlage 12 und dem Haushaltsanschluss 10 elektrisch verbunden ist.
Der elektrische Speicher 14 ist bevorzugterweise als aufladbare Batterie ausgelegt, die elektrische Energie in Form von Gleichstrom speichert und wieder abgibt. Daher ist ein Speicher-Wechselrichter 18 vorhanden, der zwischen dem Speicher 14 und dem Haushaltsanschluss 10 – und somit ebenfalls an den oberen Anschluss des PV-Wechselrichters 16 – geschaltet ist. Es hat sich bewährt, die PV-Anlage 12 derart auszulegen, dass sie zwischen 1 bis 30 kW abgeben kann. Dabei wird der Speicher 14 bevorzugterweise so dimensioniert, dass er eine Speicherkapazität im Bereich von 1 bis 30 kWh hat.
Üblicherweise reicht die elektrische Versorgung für den Haushaltsanschluss 10 alleine durch den elektrischen Speicher 14 nicht aus. Daher ist der Haushaltsanschluss 10 über einen elektrischen Zählpunkt Z1 mit einem elektrischen Versorgungsnetz 20 verbunden. Ein solches Versorgungsnetz 20 zur Versorgung von Haushalten, usw. ist üblicherweise derart ausgelegt, dass 1-phasige oder 3-phasige Wechselspannung von ca. 230 Volt bzw. ca. 400 Volt bereitgestellt wird. In ein solches Versorgungsnetz 20 kann auch elektrische Energie eingespeist werden. Daher ist der elektrische Zählpunkt Z1 derart ausgelegt, dass er sowohl den Verbrauch von elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz 20 erfassen kann (positive Zählrichtung) als auch die Einspeisung von elektrischer Energie in das Versorgungsnetz 20 (negative Zählrichtung). Der Energiefluss aus dem Versorgungsnetz 20 ist durch die untere geschlossene Spitze des Pfeils neben dem Zählpunkt Z1 angedeutet; der Energiefluss in das Versorgungsnetz 20 hinein ist durch die obere offene Spitze des Pfeils neben dem Zählpunkt Z1 angedeutet.
Durch die Anordnung nach 1 ist es allerdings nicht möglich, dass elektrische Energie von dem Speicher 14 in das Versorgungsnetz 20 eingespeist und außerdem deren Menge getrennt erfasst wird.
Eine getrennte Erfassung von elektrischer Energie aus dem elektrischen Speicher 14 in das elektrische Versorgungsnetz 20 hinein und umgekehrt wird durch die Anordnung gem. 2 ermöglicht.
In 2 ist ein zusätzlicher Speicher-Wechselrichter 19 vorhanden, der zwischen dem elektrischen Speicher 14 und einem weiteren elektrischen Zählpunkt Z2 elektrisch angeordnet ist. Über diesen Zählpunkt Z2 kann die Menge an elektrischer Energie erfasst werden, die von dem Speicher 14 in das Versorgungsnetz 20 eingespeist und diesem zum Laden des Speichers 14 entnommen wird. Dadurch ist eine Mehrfachnutzung des elektrischen Speichers 14 möglich. Denn einerseits kann der Nutzer des Hausanschlusses 10, der üblicherweise auch der Betreiber der PV-Anlage 12 sowie des elektrischen Speichers 14 ist, ohne gesonderte Erfassung und Verrechnung elektrische Energie aus dem Speicher 14 beziehen. Es ist andererseits auch möglich, dass andere Verbraucher über das Versorgungsnetz 20 gegen Verrechnung elektrische Energie aus dem Speicher 14 erhalten und in diesen einspeisen. Die beiden Zählpunkte Z1, Z2 sind bevorzugterweise in einem Mehrrichtungszähler 50 integriert. Dieser weist einen ersten Stromanschluss 52 auf, der geeignet ist, ihn mit dem elektrischen Versorgungsnetz 20 zu verbinden. Ein zweiter Stromanschluss 54 dient zur Verbindung des Haushaltsanschlusses 10 sowie des PV-Wechselrichters 16. Über einen dritten Stromanschluss 56 kann der zusätzliche Speicher-Wechselrichter 19 elektrisch verbunden werden. Diese Stromanschlüsse 52, 54, 56 sind bevorzugterweise so ausgelegt, dass jeweils eine 3-phasige Wechselspannung mit den Leitungen L1, L2, L3 sowie einem Nullleiter N angeschlossen werden kann (s. a. 4).
3 und 4 zeigen eine weitere Ausführung, die es unter anderem ermöglicht, die Menge an elektrischer Energie zu erfassen, die von dem elektrischen Speicher 14 in das Versorgungsnetz 20 abgegeben wird. Es ist dabei jedoch möglich, auf den zusätzlichen Speicher-Wechselrichter 19 zu verzichten.
In 3 ist ein Mehrrichtungszähler 100 vorgesehen, in dem zwei Zählpunkte Z1 und Z2 enthalten sind, die im Folgenden auch reale Zählpunkte genannt werden. Diese beiden Zählpunkte Z1, Z2 sind derart gestaltet, dass sie den Verbrauch (positive Zählrichtung) bzw. die Einspeisung (negative Zählrichtung) von elektrischer Energie durch Erfassung von Strom und Spannung mittels geeigneter Mittel, auf die im Zusammenhang mit 4 näher eingegangen wird, messen und entsprechende Signale anzeigen, abgeben und/oder speichern können. Der Mehrrichtungszähler 100 hat neben den realen Zählpunkten Z1, Z2 weitere Zählpunkte z3, z12, z13, z23. Diese letztgenannten sind sogenannte virtuelle Zählpunkte und daher auch gestrichelt eingezeichnet. Diese virtuellen Zählpunkte bzw. die Werte, die ihnen zugeordnet werden, ergeben sich anhand von Berechnungen aus den Werten der realen Zählpunkte Z1, Z2. Damit dient die Darstellung der virtuellen Zählpunkte z lediglich als Gedankenmodell. Dementsprechend sind sie auch nur virtuell miteinander verschaltet, was durch die gestrichelt gezeichneten Linien angedeutet ist. Auf die Zählpunkte wird weiter unten mit Hilfe von 4 näher eingegangen.
Der Mehrrichtungszähler 100 weist einen ersten Stromanschluss 102 auf, der geeignet ist, ihn mit dem elektrischen Versorgungsnetz 20 zu verbinden. Ein zweiter Stromanschluss 104 dient zur Verbindung des Haushaltsanschlusses 10 sowie des PV-Wechselrichters 16. Über einen dritten Stromanschluss 106 kann der Speicherwechselrichter 18 elektrisch verbunden werden. Diese Stromanschlüsse 102, 104, 106 sind bevorzugterweise so ausgelegt, dass jeweils eine 3-phasige Wechselspannung mit den Leitungen L1, L2, L3 sowie einem Nullleiter N angeschlossen werden kann (s. a. 4). Die realen Zählpunkte Z1, Z2 sind einerseits mit den Stromanschlüssen 104 bzw. 106 verbunden. Sie sind weiterhin mit ihrem jeweils anderen Anschluss verbunden mit einer elektrischen Leitung 101, die außerdem elektrisch verbunden ist mit einem Stromanschluss 102.
Bei dem hier gezeigten Mehrrichtungszähler 100 ist auch ein erster Steuereingang 108 vorhanden, der innerhalb des Mehrrichtungszählers mittels einer Steuerleitung x mit einer Recheneinheit 112 verbunden ist. Von der Recheneinheit 112 führt außerdem eine Datenleitung d zu einem Datenausgang 110. Der Steuereingang 108 und der Datenausgang 110 sind außerdem durch Signalleitungen mit einem elektronischen Steuergerät 22 verbunden. Dieses ist zusätzlich über eine weitere Signalleitung y zur Übertragung des Sollleistungswertes mit dem Speicher-Wechselrichter 18 verbunden und hat auch einen Sollwerteingang s.
Das elektronische Steuergerät 22 arbeitet als Energie-Management-System (EMS). Über den Sollwerteingang s können verschiedene Werte vorgegeben werden, wie insbesondere Fahrplanwerte eines Contractors und Parametrierungen für den Speicher-Wechselrichter 18. Über die Steuerleitung x wird ein Steuersignal mit einem Wert X an die Recheneinheit 112 vermittelt, die daraufhin den Energiefluss zwischen den virtuellen Zählpunkten z12 und z13 aufteilt. Über die Datenleitung d werden Messwerte von der Recheneinheit 112 an das Steuergerät 22 übermittelt. Die Leitung y dient dazu, Signale mit Werten an den Speicher-Wechselrichter 18 zu leiten, die ein Maß sind für dessen Sollleistung.
4 zeigt Einzelheiten des Mehrrichtungszählers 100, dessen Stromanschlüsse 102, 104 und 106 hier mit 3-phasiger Wechselspannung L1, L2, L3 sowie einem Nullleiter N verbunden sind. In dessen Inneren befinden sich Sensoren zur Messung von Spannungen (V1, V2, V3) und Strömen (A11, A12, A13; A21, A22, A23). Diese Sensoren enthalten nicht nur geeignete Mittel zur Messung sondern auch Mittel zur Aufbereitung von Sensorsignalen, die an die Recheneinheit 112 abgegeben und dort verarbeitet werden können. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Verbindungsleitungen zwischen den Sensoren und der Recheneinheit 112 in 4 nicht eingezeichnet, sondern lediglich dadurch angedeutet, dass links neben der Recheneinheit 112 die Anschlüsse A1X für die Sensoren A11, A12 bzw. A13 sowie die Anschlüsse A2X (für A21, A22, A23) und VX (für V1, V2, V3) eingezeichnet sind. Sollte anstelle von 3-phasigem Wechselstrom (L1, L2, L3, N) lediglich 1-phasiger Wechselstrom (L1, N) an den Stromanschlüssen 102, 104, 106 anliegen, ist es ausreichend, lediglich die Sensoren A11, A21 und V1 vorzusehen.
Die Recheneinheit 112 bestimmt aus den Sensorsignalen reale Zählpunktsignale SZ1, SZ2 und virtuelle Zählpunktsignale sz3, sz12, sz13, sz23, deren Werte WZ1, WZ2 bzw. wz3, wz12, wz13, wz23 von einer Anzeigeeinheit 114 durch geeignete Mittel optisch und/oder akustisch dargestellt werden können. Bevorzugterweise sind auch – hier nicht dargestellte – Speichermittel vorhanden, die die Werte der Sensorsignale und/oder die Zählpunktwerte abspeichern können. Diese Speichermittel können Teil der Recheneinheit 112, des Steuergeräts 22 oder einer sonstigen Stufe sein.
Die Recheneinheit 112 berechnet nach an sich bekannten Verfahren Werte für die Wirkleistungen P1 und P2 sowie für die Blindleistungen Q1 und Q2 aus den gemessenen Strömen und Spannungen. Derartige Verfahren sind beispielsweise angegeben in „Kahmann, Martin; Zayer, Peter (2003): Handbuch Elektrizitätsmesstechnik. [Vorschriften, Gerätetechnik, Prüftechnik, Energiedatenmanagement]. Berlin, Frankfurt am Main: VDE-Verl; VWEW Energieverl., Kapitel 2 Konstruktiver Aufbau elektronischer Elektrizitätszähler".
Daraus ergeben sich zunächst die Werte der Zählpunkte Z1, Z2. Weiterhin werden durch die Recheneinheit 112 auch Werte für die Leistungen P3, P12, P13 und P23 folgendermaßen bestimmt (s. a. 5), die den entsprechenden virtuellen Zählpunkten z3, z12, z13 bzw. z23 zugeordnet werden.

(a) P3 = P1 + P2
(b) P12 = X·P1
(c) P13 = P1 – P12
(d) P23 = P2 + P12.

P3 ist die Summe aus P1 und P2. P12 ergibt sich aus Multiplikation von P1 mit einem Faktor X. Dieser Faktor X ist ein Maß dafür, welcher Anteil der Wirkleistung P1 im Zählpunkt z12 registriert werden soll. Der restliche Anteil der Wirkleistung, also P1 – P12 = P1·(1 – X), wird im Zählpunkt z13 registriert. Bei X = 0 wird die Wirkleistung P1 vollständig aus dem Versorgungsnetz 20 entnommen und im Zählpunkt z13 registriert. Bei X = 1 wird die Wirkleistung P1 vollständig aus dem Speicher 14 entnommen und im Zählpunkt z12 registriert. Für den virtuellen Zählpunkt z23 wird entsprechend verfahren. Damit wird erreicht, dass die Lastflüsse den richtigen Zählpunkten zugeordnet werden. Der Wert X wird in diesem Ausführungsbeispiel dem Mehrrichtungszähler 100 von dem Steuergerät 22 über den Steuereingang 108 zugeführt. Der Wert X ist üblicherweise variabel und kann beispielsweise vom Lademanagement des elektrischen Speichers 14 über den Sollwerteingang s vorgegeben werden.
Der zugehörige Algorithmus ist in 5 symbolisch gezeigt. Dort sind die Stromanschlüsse 102, 104, 106 sowie die Wirkleistungen P1, P2 der realen Zählpunkte Z1, Z2 durch durchgängige Pfeile angedeutet. Weiterhin sind die Wirkleistungen P3, P13, P23, P12 der virtuellen Zählpunkte z3, z13, z23, z12 durch gestrichelte Pfeile angedeutet; außerdem sind diese Referenzzeichen in Klammern gesetzt. Die Pfeilspitzen deuten jeweils die positive Zählrichtung (Verbrauch) an.
Der Wert P1 des realen Zählpunkts Z1 wird bestimmt durch Messungen der Spannungssensoren V1, V2, V3 und der Stromsensoren A11, A12, A13 (s. 4) sowie durch die Auswertung der entsprechenden Sensorsignale durch die Recheneinheit 112. In ähnlicher Weise wird der Wert P2 des realen Zählpunkts Z2 bestimmt durch die Spannungssensoren V1, V2, V3, der Stromsensoren A21, A22, A23 und entsprechender Auswertung durch die Recheneinheit 112.
Die Berechnung der Zählerstände erfolgt gemäß der folgenden Formeln (1)–(12).
A⁺ steht jeweils für die berechnete elektrische Wirkarbeit in positiver Zählrichtung; A^– steht jeweils für die berechnete elektrische Wirkarbeit in negativer Richtung. Die Integration erfolgt jeweils über die Zeit und zwar zwischen zwei fiktiven Zeitpunkten t₀ und t₁.
Die Berechnung der Blindarbeit R⁺ und R^– kann entsprechend erfolgen.
Durch die Wahl des Wertes von X können unterschiedliche Modi bewirkt werden. So bewirkt eine Beschränkung von X auf den Bereich 0 ≤ X ≤ 1, dass (a) von dem Anlagenbetreiber über z13 keine Energie aus dem Versorgungsnetz 20 in den Speicher 14 eingespeist werden kann, und (b) dass auch keine Energie von dem Anlagenbetreiber über z13 aus dem Speicher 14 in das Versorgungsnetz 20 eingespeist werden kann.
Um dem Anlagenbetreiber über z13 eine Einspeisung aus dem Speicher 14 in das Versorgungsnetz 20 zu ermöglichen, muss der Wertebereich von X in Abhängigkeit vom Vorzeichen von P1 erweitert werden. Dabei sind verschiedene Modi bzw. Betriebszustände möglich, die im Folgenden zusammen mit 8 erläutert werden. P1 > 0; X ≥ 0

(a) 0 ≤ X < 1 Energiefluss vom Speicher 14 und Versorgungsnetz 20 zum Haushaltsanschluss 10 (siehe 8, Feld 801)
(b) X > 1 Energiefluss vom Speicher 14 zum Haushaltsanschluss 10 und zum Versorgungsnetz 20 (siehe Feld 802) P1 < 0; X ≤ 1

(a) 0 ≤ X < 1 Energiefluss von PV-Anlage 12 zum Speicher 14 und Versorgungsnetz 20 (siehe Feld 803)
(b) X < 0 Energiefluss von PV-Anlage 12 und Speicher 14 zum Versorgungsnetz 20 (siehe Feld 804)

Die Betriebszustände gemäß der Felder 805 und 806 sind unzulässig. Bei P = 0 findet kein Energiefluss statt.
Auch bei dieser Werteerweiterung für X in Abhängigkeit von P1 bleibt die Restriktion erhalten, dass der Speicher 14 vom Anlagenbetreiber über z13 nicht mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz 20 gefüllt werden kann. Die Be- und Entladung des Speichers 14 über den Zählpunkt z23 durch einen Dritten, wie insbesondere einen Contractor, ist und bleibt davon unberührt.
Durch den virtuellen Zählpunkt z12 kann überprüft werden, ob der Anlagenbetreiber nur die Energiemenge entnimmt, die zuvor aus der PV-Anlage 12 in den Speicher 14 eingespeist wurde. Das heißt, der Zählerstand für A₁₂ ^– muss größer sein, als der Zählerstand A₁₂ ⁺.
Speicherverluste, die in der Praxis auftreten, können aus dem Saldo der Zählerstände des Zählpunktes Z2 ermittelt werden. Dabei kann ein Speicherfüllstand vernachlässigt werden, wenn eine genügend hohe Zyklenanzahl erreicht wurde. Das Handeln eines Dritten (Contractors), der Energie über das Versorgungsnetz aus dem Speicher 14 entnehmen kann, hat keinen Einfluss auf P1, P12 und P13 (siehe Gleichungen (7), (8); (11), (12)) und muss daher nicht getrennt betrachtet werden.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung dargestellt, in der ein integrierter Wechselrichter 30 vorgesehen ist, der den PV-Wechselrichter sowie den Speicher-Wechselrichter enthält, die hier mit 16' bzw. 18' markiert sind. Die hier gezeigte Ausführungsform 200 des Mehrrichtungszählers unterscheidet sich in einigen Punkten von der vorherigen Ausführungsform 100. Der integrierte Wechselrichter 30 kann Teil des Mehrrichtungszählers 200 sein, ist jedoch bevorzugterweise ein separates Bauelement.
Der Mehrrichtungszähler 200 enthält die realen Zählpunkte Z10 und Z20, die beide als Gleichstromzähler (DC-Zähler) ausgebildet sind. Dabei erfasst der Zählpunkt Z10 die elektrischen Leistungen von der PV-Anlage 12 und der Zählpunkt Z20 die elektrischen Leistungen von und zu dem elektrischen Speicher 14. In dem Mehrrichtungszähler 200 sind zwei weitere reale Zählpunkte Z4, Z5 vorhanden. Diese entsprechen von ihrem Aufbau her den in 3 gezeigten Zählpunkten Z1 und Z2. Der Zählpunkt Z4 erfasst die elektrische Leistung, die von dem Haushaltsanschluss 10 aus dem Versorgungsnetz 20 entnommen wird. Der Zählpunkt Z5 erfasst die Wechselstromseite des integrierten Wechselrichters 30 und wird genutzt um dessen Verluste zu ermitteln. Die hier in 6 gezeigten Zählpunkte z1' und z2' hingegen sind, wie auch die sonstigen Zählpunkte z3, z13, z23 und z12, als virtuelle Zählpunkte ausgeführt und haben ansonsten die gleichen Funktionen wie die in 3 gezeigten Zählpunkte, wobei z1' und z2' die Aufgaben von Z1 bzw. Z2 übernehmen. Die oberen Anschlüsse der realen Zählpunkten Z4, Z5 sowie der Stromanschluss 202 sind über eine elektrische Leitung 201 miteinander verbunden. Die virtuellen Zählpunkte hingegen sind nur virtuell miteinander verschaltet.
Die von den Zählpunkten Z10 und Z20 erfassten Wirkleistungen P10 und P20 werden durch geeignete Strom- und Spannungssensoren und entsprechende Sensorsignalauswertung der Recheneinheit 112 nach einem der bekannten Verfahren bestimmt, wie beispielsweise angegeben in „Kahmann, Martin; Zayer, Peter (2003): Handbuch Elektrizitätsmesstechnik. [Vorschriften, Gerätetechnik, Prüftechnik, Energiedatenmanagement]. Berlin, Frankfurt am Main: VDE-Verl; VWEW Energieverl., Kapitel 2 Konstruktiver Aufbau elektronischer Elektrizitätszähler".
Die Leistungen P1 und P2 der virtuellen Zählpunkte z1' und z2' sowie die Verluste P_V des integrierten Wechselrichters 30 werden durch einen Algorithmus bestimmt, der folgenden Gleichungen entspricht: (13) P1 = P10 + P4 + P_V·(|P10|/(|P10| + |P20|)) (14) P2 = P20 + P_V·(|P20|/(|P10| + |P20|)) (15) P_V = P5 – P10 – P20
Das heißt, die Verlustleistung P_V ist die Differenz zwischen der von dem Zählpunkt Z5 gemessenen Leistung P5 und den in den Zählpunkten Z10 und Z20 gemessenen Leistungen P10 und P20. Die Leistung P2 (virtueller Zählpunkt z2') ergibt sich aus der Summe der Leistung P20 (von Z20) und den anteiligen Verlusten, die durch P20 verursacht werden. Da die Verluste im Wesentlichen unabhängig von der Energieflussrichtung sind, ist es ausreichend, nur die Beträge der Leistungen P10 und P20 zu berücksichtigen. P1 ergibt sich analog zu P2, jedoch muss hier die Leistung P4 addiert werden, die dem Verbrauch über den Haushaltsanschluss 10 entspricht. Die Berechnungen der Leistungen und Zählerstände der virtuellen Zählpunkte z3, z12, z13 und z23 erfolgt wie bei der Ausführung nach 3 und 4.
7 stellt eine weitere Variante des Mehrrichtungszählers vor, der hier mit der Referenz 300 gekennzeichnet ist und der gegenüber dem Mehrrichtungszähler 200 (6) vereinfacht ist. Hier wird davon ausgegangen, dass die Verluste des integrierten Wechselrichters 30 üblicherweise sehr gering sind. Damit ist es vertretbar, diese Verluste nicht getrennt zu erfassen, sondern sie dem Verbrauch des Haushaltsanschlusses 10 zuzuschlagen.
Damit können hier die Zählpunkte Z4, Z5 und Z10 entfallen. Der Zählpunkt Z3 wird hier als realer Zählpunkt gestaltet und wird daher mit Z3' bezeichnet. In dieser Ausführungsform sind somit nur ein realer Wechselstromzählpunkt (Z3') sowie ein realer Gleichstrom-Zählpunkt (Z20) vorhanden. Die Zählpunkte z1', z2', z12, z13 und z23 haben die gleichen Funktionen wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen. Hier dient eine elektrische Leitung 301 dazu, den Stromanschluss 304a – und damit den gegebenenfalls dort angeschlossenen Haushaltsanschluss 10 – mit dem oberen Anschluss 306b des integrierten Wechselrichters 30 und dem unteren Anschluss des realen Zählpunkts Z3' miteinander zu verbinden. Die virtuellen Zählpunkte hingegen sind auch hier nur virtuell miteinander verschaltet.
Die Leistungen P1 und P2 der virtuellen Zählpunkte z1' bzw. z2' werden gemäß der folgenden Gleichungen bestimmt: (16) P2 = P20 (17) P1 = P3 – P2
Da in dieser Ausführung sämtliche Verluste des integrierten Wechselrichters 30 dem Nutzer des Haushaltsanschlusses 10 zugerechnet werden, sind die Leistungen P2 und P20 identisch. P1 ergibt sich nach der Knotenregel aus der Differenz aus P3 und P2.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind bevorzugte Realisierungen. Dennoch sind verschiedene Abwandlungen möglich, wie beispielsweise:

– Anstatt oder zusätzlich zu der PV-Anlage 12 können andere Mittel zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehen werden, wie beispielsweise Windkraftanlagen, Biogasanlagen, Stromgeneratoren mit Verbrennungsmotor und/oder dergleichen.
– Der elektrische Speicher 14 kann anstatt oder zusätzlich zu einer aufladbaren Batterie gestaltet sein als Kondensator, Pumpspeicheranlage, Druckluftspeicheranlage, Schwungradspeicheranlage, Elektrofahrzeug bzw. dessen aufladbare Batterie und/oder dergleichen, wobei jeweils geeignete Mittel zur Umwandlung von und in elektrische Energie vorgesehen sind.
– Die in den Ausführungsbeispielen genannten bzw. gezeigten Daten-/Signalleitungen können auf unterschiedliche Weise gestaltet sein. So ist es insbesondere möglich, dass für jedes Signal eine separate Leitung vorgesehen ist; denkbar ist jedoch auch eine solche Ausführung, bei der mehrere Signale über eine gemeinsame Leitung übermittelt werden können, beispielsweise durch entsprechende Signalmodulation, Zeitmultiplex oder dergleichen. Es ist weiterhin möglich, dass zumindest einzelne der Daten-/Signalleitungen ersetzt werden durch eine drahtlose Signalübermittlung.
– Die Sensoren A1X, A2X, VX zur Messung von Strömen bzw. Spannungen können einzeln realisiert sein oder zumindest teilweise miteinander integriert sein. Es ist zusätzlich oder stattdessen ebenfalls möglich, dass zumindest einzelne dieser Sensoren in einem oder mehreren der Wechselrichter verbaut sind.

Bezugszeichenliste

10: Haushaltsanschluss
12: PV-Anlage (Photovoltaik-Anlage)
14: elektrischer Speicher
16, 16': PV-Wechselrichter
18, 18': Speicher-Wechselrichter
19: zusätzlicher Speicher-Wechselrichter
20: elektrisches Versorgungsnetz
22: elektron. Steuergerät (Energie-Management-System; EMS)
30: integrierter Wechselrichter
50: Mehrrichtungszähler (2)
100: Mehrrichtungszähler (3, 4)
101, 201, 301: elektrische Leitungen
52, 102, 202, 302: erster Stromanschluss
54, 104, 204, 304: zweiter Stromanschluss
56, 106, 206, 306: dritter Stromanschluss
108, 208, 308: erster Steuereingang
110, 210, 310: Datenausgang
112, 212, 312: Recheneinheit
114: Anzeigeeinheit
200, 300: Mehrrichtungszähler (6 bzw. 7)
801...806: Felder in 8
s: Sollwerteingang
x: Signalleitung für Wert X
d: Datenleitung
y: weitere Signalleitung (für Sollleistung von 18)
Z: reale Zählpunkte
z: virtuelle Zählpunkte
SZ, sz: Zählpunktsignale von realen bzw. virtuellen Zählpunkten
WZ, wz: Werte der realen bzw. virtuellen Zählpunktsignale
P: Leistungswerte
A⁺, A^–: berechnete elektrische Wirkarbeit
R⁺, R^–: berechnete elektrische Blindarbeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009024301 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Kahmann, Martin; Zayer, Peter (2003): Handbuch Elektrizitätsmesstechnik. [Vorschriften, Gerätetechnik, Prüftechnik, Energiedatenmanagement]. Berlin, Frankfurt am Main: VDE-Verl; VWEW Energieverl., Kapitel 2 Konstruktiver Aufbau elektronischer Elektrizitätszähler” [0037]
„Kahmann, Martin; Zayer, Peter (2003): Handbuch Elektrizitätsmesstechnik. [Vorschriften, Gerätetechnik, Prüftechnik, Energiedatenmanagement]. Berlin, Frankfurt am Main: VDE-Verl; VWEW Energieverl., Kapitel 2 Konstruktiver Aufbau elektronischer Elektrizitätszähler” [0053]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Zählpunktsignalen (SZ) durch Erfassung und Auswertung von Signalen von Stromsensoren (A1X, A2X) und Spannungssensoren (VX), dadurch gekennzeichnet, dass reale (SZ) und virtuelle (sz) Zählpunktsignale erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der virtuellen Zählpunktsignale (sz) aus den Werten der realen Zählpunktsignale (SZ) errechnet werden durch Algorithmen, die den Knotenregeln entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes reales Zählpunktsignal (SZ1) ein Maß ist für den Verbrauch an elektrischer Energie durch einen Verbraucher (10) und/oder die Einspeisung von elektrischer Energie durch einen Stromerzeuger (12).
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites reales Zählpunktsignal (SZ2) ein Maß ist für elektrische Energie, die in einen elektrischen Speicher (14) eingespeist und/oder von diesem abgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Wert eines Steuersignals (X) ein vorgegebener Anteil von Wirkleistung (P) von dem Stromerzeuger (12) zu dem elektrischen Speicher (14) geleitet und bevorzugterweise als Zählpunktsignal (sz12) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Wert eines Steuersignals (X) ein vorgegebener Anteil von Wirkleistung (P) aus dem Speicher (14) zu dem Verbraucher (10) geleitet und bevorzugterweise als Zählpunktsignal (sz12) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Werte der Zählpunktsignale (SZ, sz) optisch und/oder akustisch angezeigt werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Werte der Zählpunktsignale (SZ, sz) abgespeichert werden.
Vorrichtung mit einer Auswerteeinheit (112), die Signale von Stromsensoren (A1X, A2X) und von Spannungssensoren (VX) erfasst und aufgrund der Werte dieser Sensorsignale reale Zählpunktsignale (SZ) und virtuelle Zählpunktsignale (sz) erzeugt.
Vorrichtung nach dem ersten Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (112) die Werte der virtuellen Zählpunktsignale (sz) aus den Werten der realen Zählpunktwerte (SZ) errechnet durch Algorithmen, die den Knotenregeln entsprechen.
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwerte von ersten Sensoren (A1X, VX) ein Maß sind für den Verbrauch an elektrischer Energie durch einen Verbraucher (10) und/oder die Einspeisung von elektrischer Energie durch einen Stromerzeuger (12).
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwerte von zweiten Sensoren (A2X, VX) ein Maß sind für elektrische Energie, die in einen elektrischen Speicher (14) eingespeist und/oder von diesem abgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (112) Mittel aufweist, die in Abhängigkeit vom Wert eines empfangenen Steuersignals (X) bewirken, dass ein vorgegebener Anteil von Wirkleistung (P) von dem Stromerzeuger (12) zu dem Speicher (14) fließt und bevorzugterweise als Zählpunktsignal (sz12) erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (112) Mittel aufweist, die in Abhängigkeit vom Wert eines empfangenen Steuersignals (X) bewirken, dass ein vorgegebener Anteil von Wirkleistung (P) aus dem Speicher (14) zu dem Verbraucher (10) fließt und bevorzugterweise als Zählpunktsignal (sz12) erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalvorrichtung (114) vorgesehen ist, die zumindest einzelne der Werte der Zählpunktsignale (SZ, sz) optisch und/oder akustisch anzeigen kann.
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Speichermittel vorgesehen sind, die zumindest einzelne der Werte der Zählpunktsignale (SZ, sz) abspeichern können.
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Sensoren (A1X, A2X, VX) Teil eines Wechselrichters (16, 18; 30) sind.