Themenblock E: Netzsimulationen Netzweite Simulation in exemplarischen Netzen

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1 Themenblock E: Netzsimulationen Netzweite Simulation in exemplarischen Netzen Workshop NetzHarmonie Berlin, Dr.-Ing. Max Domagk, TU Dresden M. Sc. Farhad Safargholi, TU Chemnitz M. Sc. Max Hoven, FGH e.v. Seite 1

2 Netzweite Simulation in exemplarischen Netzen Rückblick & Einleitung Abnehmermodelle in der NS-Ebene Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene Notwendigkeit spannungsebenenübergreifender Simulation Zusammenfassung/ Schlussfolgerungen Seite 2

3 Rückblick & Einleitung Simulation/ Nachbildung von Oberschwingungen Vorwiegende Anwendung in der Forschung oder zur Nachbildung individueller, pegelkritischer Situationen Aufwendige, messdatenbasierte Modellierung des Emissionsverhalten aller Anlagentypen (Wind, PV, Abnehmer, etc.) Anwendung durch Netzbetreiber vorwiegend zur Rundsteuerauslegung Simulation der Netzimpedanzen Anwendungen beim Netzbetreiber: Auffinden von Resonanzstellen, Zusatzinformationen in der Netzanschlussbewertung Dafür exakte Nachbildung der Frequenzabhängigkeiten (Skin-Effekt, etc.) und genaue Abbildung der Dämpfung unverzichtbar Seite 3

4 Nimmt zu Rückblick & Einleitung MS-Netz MS-Netz Abbildung des Einflusses benachbarter Netzebenen Modellierungsaufwand Informationsverlust Nimmt zu Modellierungstiefe steigt Seite 4

5 Abnehmermodelle in der NS-Ebene Modelle passiver Netzkomponenten Transformator Kabel / Freileitungen Modelle aktiver Netzkomponenten Erzeuger (z.b. Photovoltaikanlagen) Abnehmer (z.b. Haushalte) Sehr hoher Aufwand für die Nachbildung einzelner Haushalte (unterschiedlichste Gerätezusammenstellungen und nutzungen) Probabilistische Modellierung der Haushalte (Norton-Äquivalent für Impedanz- und Emissionsnachbildung) Bestimmung der Modellparameter aus Feldmessungen Seite 5

6 Abnehmermodelle in der NS-Ebene Oberschwingungsmodellierung von Haushalten (1/2) - Impedanz Impedanzmessung eines realen Netzes (reines Wohngebiet) Simulation des gemessenen Netzes Modellierung der passiven Netzkomponenten anhand Netzdaten Struktur der Haushaltsimpedanzen ähnlich wie für PVs und EVs Anpassung der Impedanzparameter mit dem Ziel die gemessenen Resonanzen in der Simulation nachzubilden Resultierende Haushaltsimpedanz stellt starke Vereinfachung dar, liefert im Mittel (Gesamtheit aller Haushalte im Netz) jedoch gute Ergebnisse Validierung anhand weitere Impedanzmessungen notwendig L 1 R 1 C 1 R 2 Seite 6

7 Abnehmermodelle in der NS-Ebene Oberschwingungsmodellierung von Haushalten (2/2) - Emission Nachbildung der Beträge und Phasenwinkel für jede Harmonische anhand von Verteilungsfunktionen Bestimmung der Verteilungen und Parameter auf Basis von Messungen Betrag: Lognormal-Verteilung Phasenwinkel: je nach Ordnung Gleich-, Normal- oder Student-t-Verteilung Seite 7

8 Abnehmermodelle in der NS-Ebene Aggregierung mehrerer Haushalte (z.b. Mehrfamilienhaussiedlung) Einfaches Zusammenfassen einzelner Haushalte u.u. fehlerhaft Berücksichtigung weiterer Aspekte (z.b. Gleichzeitig- & Gleichphasigkeiten) Abhängigkeiten von Anzahl der Haushalte und Oberschwingungsordnung Gleichphasigkeit mehrerer Haushaltsmessungen Seite 8

9 Simulation in der Niederspannung Korrelation zwischen Grund- und Oberschwingungen Oberschwingungsmodellierung für verschiedener Lastszenarien (z.b. Stark- oder Schwachlast) Ausprägung der Korrelation deutlich abhängig von Oberschwingungsordnung Tendenziell abnehmende Abhängigkeiten mit steigender Ordnungszahl Oberschwingung und Grundschwingung für 15 Haushalte Seite 9

10 Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene MS-Netz Modellierung des NS-Netzes mit Norton- Ersatzschaltbild Seite 10

11 Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene MS-Netz Modellierung des NS-Netzes mit Norton- Ersatzschaltbild Nachbildung der Ersatzimpedanz anhand von Messdaten (gemessen Impedanzen) Seite 11

12 Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene MS-Netz Modellierung des NS-Netzes mit Norton- Ersatzschaltbild Nachbildung der Ersatzimpedanz anhand von Messdaten (gemessen Impedanzen) Varianten zur Nachbildung des Ersatzstroms o o Maximal zulässige Oberschwingungsstromgrenzwerte Realistische Emissionen anhand von Messdaten Seite 12

13 Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene Simulation im MS-Referenznetz Modellierung der Netz-Betriebsmittel Modellierung der Anschlussnehmer S01 S02 T1 6 km K03 T2 3 km K04 Consumer or Producer S04 S05 T2 7 km T2 2 km T2 3 km K06 S08 K10 S13 K15 4 km K07 Underground Cables Type T1: 240 mm Type T2: 150 mm Type : 120 mm Type T4: 95 mm S09 2 km K11 S14 S rt =40 MVA U k =13 % 110/20 kv YNd05 3 km K16 S16 S17 HV Network S sc =2000 MVA K01 5 km K18 4 km K19 TR01 S20 S21 T1 5 km K22 2 km K23 S25 S26 S27 K02 S03 5 km K05 S06 4 km K08 S10 2 km K12 S15 T4 5 km K17 S18 3 km K20 S22 3 km K24 S07 5 km 2 km K09 S11 K13 S19 T4 6 km K21 S23 3 km K25 S12 T4 6 km K14 S24 T4 8 km K26 Seite 13

14 Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene U ν,iec U ν,mess Resultierende OS-Spannungen (Berechnung der Emissionen anhand maximal zulässigen OS-Stromgrenzwerte nach der Norm IEC ) Resultierende OS-Spannungen (Berechnung der Emissionen anhand Messdaten) 75%-Quantil U ν = (U ν,iec U ν,mess ) U ν,mess Median 25%-Quantil Seite 14

15 Spannungsebenenübergreifende Simulation Unvollständige Informationen über unterlagerte Netzebene hinsichtlich angeschlossener Impedanz Anwendungsfall: Simulation im HS-Netz mit unterlagerter MS-Ebene Mögliche Nachbildung über Ersatzimpedanz Standard-Ersatzschaltbild (ESB): Parallelschwingkreis R L C R = U2 P X L = U2 Q ind X C = U2 Q kap Parametrierung: Lastflussdaten an Übergabestelle (Wirkleistung, Blindleistung) + Erfahrung HS-Netz? Seite 15

16 OS-Pegel [%] U h [p.u.] Spannungsebenenübergreifende Simulation Resultierende Pegel Bandbreite bzgl. Ausbauvarianten und Netznutzung 95%-Quantil Median 5%-Quantil Tatsächliche Impedanz U h = U h U h,rlc RLC- Ersatzschalbild h Deutliche Pegelunterschiede für die 1. Resonanzstelle bei h = 5 Bis zu 20-fach höhere Pegel bei Anwendung tatsächlicher Impedanz Unzureichende Abbildung insbesondere der ersten Parallelresonanz bei Modellierung mit RLC-Ersatzschaltbild h h Seite 16

17 Spannungsebenenübergreifende Simulation Ursachenforschung [Ω] Trafo + RLC-Impedanz h [Ω] Nachbildung der Reihenresonanz (Trafo unterlagerte Kabelkapazität) sowie Verlauf der Trafoinduktivität qualitativ möglich 500 Parallelresonanzstellen aus unterlagertem MS-Netz nicht abbildbar 0 Trafo + tatsächliche Impedanz h Netzlast 40 MVA 30 MVA 20 MVA 15 MVA Seite 17

18 Schlussfolgerungen Aufwendige, messdatenbasierte Ableitung von Haushaltsmodellen hinsichtlich Impedanz und Emission möglich Abhängig von Modellierungstiefe zusätzliche komplexe Effekte, bspw. Abhängigkeit der Emission von der Grundschwingung zu erwarten Deutlich höhere Pegel durch Verwenden von OS-Stromgrenzwerte zur Nachbildung der Emissionen unterlagerter Netzebenen Verändertes Pegelspektrum bei Verwenden realistischer Emissionswerte Worst-Case-Betrachtung bei Stromgrenzwerte Wirkungszusammenhänge von Haushaltsemissionen in NS-Ebene nicht abbildbar (bspw. Abhängigkeit der Emission von der Grundschwingung) Abhängigkeit realistischer Emissionen von der Netzimpedanz und Vorbelastungen Realitätsnahe Nachbildung durch gemessene/ simulierte Emissionverläufe unterlagerter Netze Seite 18

19 Schlussfolgerungen Parametrierung von Impedanzen unterlagerter Netze mittels Lastflussgrößen problematisch Nachbildung der auftretenden Parallelresonanzen nicht möglich Parallelresonanzen aus unterlagerter Netzebene im niederfrequenten Bereich auch in der betrachteten Netzebene wirksam Möglichkeiten zur Abbildung der unterlagerten Netzebene Pauschale Prognose für Resonanzstellen in HS-Ebene nicht möglich Stadt Land k Res k Res Netzspezifische Prognose ebenfalls problematisch: Verschiebung der Resonanzstellen durch variierende Netznutzung sowie NVP-spezifische Bandbreite Verwenden gemessener oder simulierte Impedanzverläufe des vorgelagerten Netzes empfehlenswert Seite 19

20 Vielen Dank für Ihr Interesse! Dr.-Ing. Max Domagk (TU Dresden) M. Sc. Farhad Safargholi (TU Chemnitz) M. Sc. Max Hoven (FGH e.v.) Internet: Internet: Internet: Seite 20