Energiemanagement und Kommunikation in einem Gleichstromnetz Fraunhofer IISB, Erlangen

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1 Energiemanagement und Kommunikation in einem Gleichstromnetz Fraunhofer IISB, Erlangen Bernd Wunder AC Seite 1 Dipl.-Ing. Bernd Wunder, 27. Oktober 2014, Energieelektronik, -Netze, Erlangen

2 Inhalt Anforderungen an das Management und die Kommunikation durch verteile Energieressourcen Aufbau des -Netzes im SEEDs project Spannungsstabilisierung und Energieflusssteuerung im -Netz Energiemanagement und Steuerung auf Gebäudenetzebene SEEDs Bus Seite 2

3 Energieressourcen im Fraunhofer IISB Netz Kommunikationsbus Steuerung und Überwachung PV-Anlage (Süd- und Ost- West Ausrichtung) Rückkühlwerke Ladesäulen für Elektrofahrzeuge Netz Verteilung Stromspeicher EMS Energiespeicher (H2, Wärme) Energieressourcen sind über das ganze Institutsgelände verteilt und befinden sich in verschiedenen Netzen (Kommunikation, Wärme, Strom, ) Seite 3

4 Netzstruktur für Energie und Kommunikation Kommunikationsstrukturen: Ethernet: Im gesamten Gebäude vorhanden, sehr viele Geräte ansprechbar, aber keine Echtzeitfähigkeit CAN: Nur für kurze Distanzen geeignet, fast keine Endgeräte in Gebäuden, echtzeitfähig Feldbusse (z.b. Modbus TP, Profi Bus, EtherCAT): für Sensoren, Schaltbefehle und Monitoring gut geeignet, keine Schnittstelle für Endgeräte, Echtzeit Fähigkeit, teuer Funklösungen (ZigBee, WiFi, NFC, ): Sicherheit, Zuverlässigkeit, Bandbreite, Kosten, keine Echtzeitfähigkeit, Eigenenergieverbrauch Energieverteilung Elektrische Energieverteilung (AC und Netze, Lastmanagement) Unterschiedliche Kälte- und Wärmeverteilung Wasserstoffnetz für Reinraum, Brennstoffzelle und Elektrolyseur Fernwärme Klimatisierung von Reinräumen, Büro- und Laborbereichen Seite 4

5 Anforderungen an das Netz Allgemeine Anforderungen Interaktion mit anderen Netzen (AC/-Wandler, BHKW, Pumpen, Motoren) Kommunikationsschnittstelle für Monitoring und Management Software Sicherheitsfunktionen werden im jeweiligen Netz behandelt Steueraufgaben werden auf Basis von Leistungsvorgaben umgesetzt Spezifische Anforderungen ans -Netz Umsetzung der Leistungsvorgaben in Sollwerte für Strom und Spannung Regelung und Stabilisierung des -Netzes Zentrale Kommunikation Schnittstelle für alle im -Netz vorhandenen Ressourcen Sicherheits- und Basisfunktionen (Leistungsverteilung) müssen ohne Kommunikation funktionieren Seite 5

6 Stromnetz am Fraunhofer IISB Stromverteilung und -Netz Integration für SEEDs Verteilung (AE, Stockwerk 2) + - PE AC Verteilung (AE, Stockwerk 1) L1 L2 L3 N PE 20 kv AC 230/400 V TN-C earthing L1 L2 L3 N/PE Haupt AC Verteilung (Tranformatoren 1-2 MW) TN-S earthing L1 L2 L3 N PE AC Verteilung (AE, Stockwerk EG) L1 L2 L3 N PE Seite 6

7 Netzstruktur für das SEEDs Projekt PV 115kW V MPPT Spannung PV 60kW 150A bis 800V SEEDs Bus LiIon - + LiIon - LiIon 20kWh 100kW 20kWh 100kW 20kWh 100kW V / 200A AC AC V * Anbindung von Ressourcen bis 450 V Wechselrichter 96 kw AC Grid-Manager L1 L2 L3 N PE * ETSI EN Seite 7

8 -Grid Manager Anwendung Bürogebäude PV SEEDs Bus Beleuchtung Batterie- Speicher 3x 20 kwh P max = 100 kw Wechsel- und Gleichrichter P max = 100 kw AC Netz Netz Seite 8

9 Status des Netzes im Erweiterungsbau AE kitchen Seite 9

10 -Grid Manager - eine Kernkomponente SEEDs BackBone Lokale Stromerzeugung -Grid Manager Stationäre Speicher Parallelbetrieb für höhere Leistungen MPP Tracking 0 20 A A A kw 0 +8 kw, 380 *) V AC Bidirektionale AC Netzanbindung Beleuchtung V Laderegelung ( CC/CV, Umax, Umin,Imax) A Mobile Speicher 380 V Verbraucher Laden 19, 2 HE 8 -Kanäle à 20 A 20 A 380 V * Spannung nach ETSI EN Seite 10

11 Wie regle ich ein Netz ohne übergeordneten Master? I dg,pv I dg,x PV Batterie AC-Netz = f(mpp) I dg,pv 370 V 380 V 390 V I max(+) R i I dg,bat I dg,ac 370 V 380 V 390 V V dg V dg I load,1 I load,2 AC I load,3 lastgeführt geregelt 1) Droop Control Die Netzspannung (V dg ) dient als zentrale Regelgröße Alle einspeisenden Wandler arbeiten regelungstechnisch als Spannungsquellen mit Innenwiderstand Vorteile Keine übergeordnete Kommunikationsstruktur im Netz erforderlich Höchste Flexibilität und Verfügbarkeit Herausforderung Sicherstellung der dynamischen Netzstabilität unter beliebigen Konstellationen ( selbstparameterisierende Regler) I max(-) 1) i.a. negative differentielle Eingangsimpedanz, d.h. Eingangsstromerhöhung bei Netzspannungsabfall Seite 11

12 Droop Control Eigenschaften Vorteile Inhärente Inselnetzfähigkeit Information über den Status des Netzes steckt in der Netzspannung Einfache Erweiterbarkeit des Netzes keinerlei Kommunikation notwendig Nachteile Abweichungen der Knotenspannungen vom Nennwert durch Spannungsabfall an Leitungsimpedanzen Priorisierung der Quellen wird durch die Höhe der Droop- Widerstände festgelegt (Umrechnung notwendig) Überlagerte Kommunikation Kompensation der statischen Regelabweichung durch Impedanz Messungen und Mittelung Priorisierung kann Online geändert werden, Error Handling, Redundanz Firmware Updates Keine Echtzeitkommunikation mit anderen Leistungsstufen für Spannungsregelung notwendig Seite 12

13 Energieflusssteuerung auf Energienetzebene Kältenetz Motoren, Pumpen, Kompressoren, -Netz agiert als eine geschossene Komponente im übergeordneten Energienetz Energiespeicher Fernwärme Konfigurationsänderungen Wärmenetz Motoren, Pumpen, Wärmepumpe SEEDs Bus SPS Steuerung Gateway Verbraucher Spannungsstabilität und Energieflussregelung durch Droop Control BHKW EVU AC-Netz EMS Live Daten (Monitoring) Schnittstelle zu anderen Energienetzen Photovoltaik Brennstoffzelle Seite 13

14 Anforderungen an den SEEDs Bus Ausgangslage Gebäudebusse: langsam, hohe Latenz, Reichweiter Komplexität (Speicher, Codegröße), Synchronisierung, Reichweite, Kosten Anforderungen Kostengünstige Lösung Einfache Nachrüstbarkeit Linientopologie und Ringtopologie Reichweite bis 500 m, Datenrate 500 kbit/s, geringe Latenz, Jitter (ca. 5ms), Takt für Synchronisierung (100 ms) Energieversorgung von Kommunikationsknoten über Bus Höhe Zuverlässigkeit Verschlüsselungsmöglichkeit, Einbindungsmöglichkeit in IP-Netze (IoF) Management System (SPS) EMS SEEDs Bus 24 V Seite 14

15 Kommunikation für Energiemanagement Umsetzung SEEDs Bus Einsatz standardisierter Protokolle für die oberen Protokollschichten (Netzwerk, Transport, Anwendungsschicht) Erweiterung bestehender Datenmodelle Drahtgebundene Kommunikation mit Funk-Erweiterbarkeit (IEEE ) Power-Over RS draht Lösung mit Spannungsversorgung für Kleinleistungsverbraucher Bustopologie Peer-to-Peer Kommunikation (jeder Knoten darf senden) OSI Netzzugang Internet Transport Anwendung Internet Protokollstapel nach OSI/DoD (Internet) IPSO EXI REST CoAP tbd RS-485 DTLS UDP 6LoWPAN ZigBee Profil XML SOAP HTTPs IEEE Funk 868/ 2,4 GHz HTML IEEE P (G3 based) Powerline TLS TCP IPv4 / IPv6 IEEE Wi-Fi Seite 15

16 Zusammenfassung Ressourcen sind im gesamten Gebäude verteilt und in unterschiedlichen Energienetzen eingebunden Energiemanagment muß Netzübergreifend realisiert werden Netze ermöglichen die einfache Integration von verteilten Ressourcen Keine Kommunikation für Grundfunktionen durch Droop Control notwendig SEEDs Bus ermöglicht die Steuerung und Überwachung vom Schalter bis zum Energiemanagement in allen Energienetze Seite 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 17