Netzparallelbetrieb von PV-Anlagen und regelbaren Transformatoren

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1 Netzparallelbetrieb von PV-Anlagen und regelbaren Transformatoren VDE ETG Kongress 2013, Berlin FT2: Systemdesign Übertragungs-/Verteilungsnetz im Kontext der Energiewende Autorenliste: Thomas Stetz 1 Markus Kraiczy 1 Konrad Diwold 1 Erika Kämpf 1 J.-Christian Töbermann 1 D. Geibel 1 Martin Braun 1,2 Sebastian Schmidt 3 Armin U. Schmiegel 4 Daniel Premm 5 Achim Jung 6 Sven Bröscher 6 1) 3) 5) 2) 4) 6)

2 Agenda Teil 1: Netzparallelbetrieb lokaler, autonomer Regelungen: a. Photovoltaik und RONT: Untersuchung zur Erhöhung der Netzaufnahmefähigkeit von Niederspannungsnetzen für PV b. Photovoltaik und Umspannwerk-Stufensteller: Untersuchung zur Erhöhung der Anzahl der Stufenschaltungen Teil 2: Netzparallelbetrieb im Rahmen zentraler Regelungen Potenzialabschätzung zur Reduktion des Blindleistungsaustausches an der Übergabestelle vom Mittel- zum Hochspannungsnetz Folie 1

3 Motivation: Hohes Kostenreduktionspotenzial durch lokale Blindleistungsbereitstellung in der Niederspannung Q(U) + 70% gem. 6 EEG Q(U) /P(U) Q(U) cosϕ(p) gem. VDE AR 4105 RONT Kostenreduktionspotenzial Keine Spannungshaltung Folie 2

4 Teil 1: Netzparallelbetrieb lokaler, autonomer Regelungen a) Photovoltaik und RONT: Untersuchung zur Erhöhung der Netzaufnahmefähigkeit von Niederspannungsnetzen für PV Folie 3

5 Freiheitsgrade der autonomen RONT-Regelung Frage: Welche Auswirkung hat die RONT-Parametrisierung auf die Netzaufnahmefähigkeit für PV-Leistung? Freiheitsgrade: Sollspannung Regeltotband Folie 4

6 Erhöhung der Netzaufnahmefähigkeit für PV durch Variation der RONT-Parametrisierung Probabilistische Netzberechnung auf Monte-Carlo-Basis (Netzanschlusspunkt PV) 17 reale NS-Netze aus ländlicher Region Aggregierte Netze Nr kwp pro PV-Anlage Je 1000 Iterationen pro Reglerparametrierung Folie 5

7 Welche zusätzliche Netzaufnahmefähigkeit ergibt sich durch den Parallelbetrieb regelbarer PV und RONT? Hier: nur Spannungsfall über Leitungsimpedanz relevant für Q-Bereitstellung Alleinbetrieb RONT oftmals ausreichend um Spannungsengpässe zu beseitigen Theoretisch sogar Verringerung der Aufnahmefähigkeit möglich (Stromengpass) Folie 6

8 Zwischenfazit RONT-Parametrisierung: Im Durchschnitt führte ein Spannungsfall von 9,5% U N über den Leitungsimpedanzen zu ersten Stromproblemen in den Leitungen*. D.h. obere Totbandgrenze für RONT-Regelung bei 1,0 p.u. möglich, falls dies für Starklastfall unkritisch ist. Es konnten aber auch deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen NS- Netzen festgestellt werden. Einzelfallprüfung erforderlich! Alleinbetrieb von RONT oftmals ausreichend, um spannungsbedingte Aufnahmefähigkeit von NS-Netzen für PV-Leistung deutlich zu erhöhen. * bei ideal symmetrischer Netzbelastung Folie 6

9 Teil 1: Netzparallelbetrieb lokaler, autonomer Regelungen b) Photovoltaik und Umspannwerk-Stufensteller: Untersuchung zur Erhöhung der Anzahl der Stufenschaltungen Untersuchungen durchgeführt von M. Kraiczy, Fraunhofer IWES Folie 7

10 Untersuchung zur Erhöhung der Anzahl der UW-Stufenschaltungen durch Q von PV-Anlagen Grundlegendes Spannungsfall über Transformator ist stark abhängig vom Q-Fluss Blindleistungsbereitstellung durch PV-Anlagen beeinflusst Q-Fluss über Transformatorimpedanz Rückwirkung auf lokale Transformatorregelung möglich Führt die Blindleistungsbereitstellung durch PV-Anlagen zu einer Erhöhung der Stufenschaltungen? Beispiel einer möglichen Rückwirkung: Erhöhung der Anzahl der Stufenschaltungen des Transformators Quelle: M. Kraiczy, Fraunhofer IWES Folie 8

11 Untersuchung zur Erhöhung der Anzahl der UW-Stufenschaltungen durch Q von PV-Anlagen Simulationsmodell Untersuchung an realen MS-Netzmodell mit hoher PV- Durchdringung Verteilte Einstrahlungsmessungen gewährleisten realistische Nachbildung der Leistungsfluktuation im Netz durch PV-Einspeisung [1] PV-Anlagen im MS-Netz werden mit Q-Regelung ausgestattet, betrachtete Verfahren: Feste cosϕ- Vorgabe, cosϕ(p)-regelung und Q(U)-Regelung Vorgehen 1. Statistische Analyse der Wirk- und Blindleistungsfluktuationen am UW- Transformator bei verschiedenen PV-Regelungsverfahren 2. Untersuchung des Parallelbetrieb von Trafo- und PV-Anlagenregelung unter Berücksichtigung verschiedener Spannungsprofile im HS-Netz Quelle: M. Kraiczy, Fraunhofer IWES Abb. Schematische Darstellung des Netzes [2,3] Folie 9

12 Untersuchung zur Erhöhung der Anzahl der UW-Stufenschaltungen durch Q von PV-Anlagen Ergebnis Q-Bereitstellung durch PV führt an Tagen mit sehr wechselhafter Solareinstrahlung zu deutlicher Zunahme der Q-Fluktuationen am Transformator Erhöhung der Anzahl der Stufenschaltungen stark abhängig vom Regelungsverfahren: cosϕ(p)-regelung: Höchste Q-Fluktuation über Transformator & deutlichste Zunahme der Trafostufungen festgestellt Q(U)-Regelung: Spannungsabhängigkeit reduziert Risiko zusätzlicher Stufenschaltungen. Geringste Erhöhung der Stufenschaltung ermittelt. Ø Anzahl Trafostufungen Klarer Sommertag Wechselhafter Sommertag keine Q- Regelung (Referenz) Regelungsstrategie MS-Anlagen feste cosφ- Vorgabe cosφ(p)- Kennlinie Q(U)- Kennlinie 0,43 1,10 1,24 0,81 0,48 5,24 6,38 1,43 Quelle: M. Kraiczy, Fraunhofer IWES Folie 10

13 Q(U)-Regelung dämpft Spannungssprung über UW- Transformator! Folie 11

14 Zwischenfazit Spannungsfall über UW-Transformator ist stark abhängig von Blindleistungsflüssen. Blindleistungsbereitstellung durch PV-Anlagen erhöht Blindleistungsfluktuation über UW-Transformator Spannungsschwankungen! Cosϕ(P)-Verfahren erhöhte Anzahl der Stufenschaltungen in der Simulation deutlich. Q(U)-Verfahren erhöht zwar die Blindleistungsfluktuationen, die Spannungsabhängigkeit wirkt aber dämpfend auf Spannungsschwankungen über dem UW-Transformator. Quelle: M. Kraiczy, Fraunhofer IWES Folie 12

15 Teil 2: Netzparallelbetrieb im Rahmen zentraler Regelungen Potenzialabschätzung zur Reduktion des Blindleistungsaustausches an der Übergabestelle vom Mittel- zum Hochspannungsnetz Untersuchungen durchgeführt von H. Wang, K. Diwold und B. Idlbi, Fraunhofer IWES Folie 13

16 Potenzialanalyse: Reduktion des Q-Austauschs am Übergabepunkt HS/MS durch PV auf MS-Ebene Quelle: H. Wang, Fraunhofer IWES Folie 14

17 Q kapazitiv (MVarh) Q induktiv (MVarh) Blindenergieaustausches am Übergabepunkt HS/MS reduziert 39,1 Blindenergieaustausch am Übergabepunkt HS-MS (sonnig) 34,0 28,3 17,7 13,0 8,2 22,0 3,7 14,2 0 0,5 0 tagsüber: Kompensation überwiegend durch Steuerung MS-PV -15,5-15,6-15,7-15,9-16,1-16,8-19,5-19,7-20,0-20,3-21,0 H. Wang, K. Diwold, B. Idlbi, Fraunhofer IWES Leistungsfaktor aller PV-Anlagen in NS-Netzen Folie 16-26,0 nachts: Kompensation durch UW-Stufensteller

18 Q kapazitiv (MVarh) Q induktiv (MVarh) Blindenergieaustausches am Übergabepunkt HS/MS reduziert Blindenergieaustausch am Übergabepunkt HS-MS (sonnig) Zeit in (h) Quelle: H. Wang, K. Diwold, B. Idlbi, Fraunhofer IWES Folie 17

19 Zusammenfassung RONT und PV RONT-Parametrisierung: Im Durchschnitt führte ein Spannungsfall von 9,5% U N über den Leitungsimpedanzen zu ersten Stromproblemen in den Leitungen. D.h. obere Totbandgrenze für RONT-Regelung bei 1,0 p.u. möglich, falls dies für Starklastfall unkritisch ist. UW-Stufensteller und PV Cosϕ(P)-Verfahren erhöhen die Anzahl der Stufenschaltungen in der Simulation deutlich. Q(U)-Verfahren erhöhen zwar die Blindleistungsfluktuationen, die Spannungsabhängigkeit wirkt aber dämpfend auf Spannungsschwankungen über dem UW-Transformator. Zentrale Regelung Blindleistungsbereitstellungspotenzial durch MS-PV kann genutzt werden, um zusätzliche Q-Flüsse durch NS-PV (zwecks lokaler Spannungshaltung) zu kompensieren. Folie 18

20 Aktuell laufende Untersuchungen RONT und PV Untersuchung zur Erhöhung der Anzahl der Stufenschaltungen durch lokale Blindleistungsregelung. UW-Stufensteller und PV Ergänzung der Untersuchung um leistungsflussabhängige Transformatorregelungen. Zentrale Regelung Einfluss einer State-Estimation auf das Optimierungsziel Performance der zentralen Regelung bei spannungsabhängiger lokaler Blindleistungsbereitstellung auf NS-Ebene (Q(U)). Folie 19

21 Weiterführende Literatur aus 2013 [1] Wirth G., Spring A., Becker G., Pardatscher R., Witzmann Rolf, Brantl J. Schmidt S., Schramm S., Schmidt M.: Klassifizierung der Netzeinflüsse durch Photovoltaikanlagen nach meteorologischen Parametern. 28th Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, Germany, 2013 [2] M. Kraiczy, M. Braun, T. Stetz, J. Brantl, S. Schmidt, Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der lokalen Spannungsregelung des Umspannwerks-Transformators und der lokalen Blindleistungsregelung dezentraler Erzeugungsanlagen im Verteilnetz, 28. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2013 [3] M. Kraiczy, M. Braun, G. Wirth, T. Stetz, J. Brantl, S. Schmidt, Unintended Interferences of Local Voltage Control Strategies of HV/MV Transformer and Distributed Generators, 28th European PV Solar Energy Conference, Paris, 2013 [4] T. Stetz, M. Kraiczy, K. Diwold, E. Kämpf, J.-C. Töbermann, D. Geibel, M. Braun, S. Schmidt, A.U. Schmiegel, D. Premm, A. Jung, S. Bröscher, Netzparallelbetrieb von Photovoltaikanlagen und regelbaren Transformatoren, VDE ETG Kongress, Berlin, 2013 [5] E. Kämpf, S. Schmidt, B. Walther, S. Wildenhues, R. Eggemeyer, M. Braun, Einhaltung definierter Blindleistungsbänder an HS/MS Übergabestellen durch den Einsatz der Blindleistungsfähigkeit dezentraler Einspeiser, VDE ETG Kongress, Berlin, 2013 Folie 19