Frequenz- und Spannungsstabilisierung in lokalen Stromversorgungsnetzen

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1 Frequenz- und Spannungsstabilisierung in lokalen Stromversorgungsnetzen

2 Inhalt 1 Einführung Grundsätzliche Voraussetzung für ein stabiles Inselnetz Anforderungen an die Stabilisierungseinrichtungen für Inselnetze Realisierung Zusammenfassung

3 1 Einführung Der steigende Einsatz alternativer Energiequellen hat zunehmend Auswirkungen auf die Netzstabilität. Dies kann in großen Verbundnetzen durch die hohe Anzahl herkömmlicher Energielieferanten zurzeit noch weitgehend kompensiert werden. In kleineren Netzen, deren Einspeisung vorwiegend aus erneuerbaren Energien bzw. durch Kleinkraftwerke erfolgt, sind stabilisierende Maßnahmen erforderlich, um die gewünschte Spannungsqualität kontinuierlich sicher stellen zu können. Eine Art von Anlagen, die speziell dafür vorgesehen ist, Verbrauchern kontinuierlich eine hohe Spannungsqualität zu Verfügung zu stellen, sind Unterbrechungsfreie Stromversorgungen, sogenannte USV-Anlagen. Durch ihren integrieren Energiespeicher sind sie auch unabhängig vom Verbundnetz in der Lage, ein lokales Versorgungsnetz hoher Qualität zu bilden und die daran angeschlossenen Verbraucher unterbrechungsfrei bei konstanter Spannung mit Energie zu versorgen. Damit sind USV-Anlagen grundsätzlich auch zur Versorgung und Stabilisierung von Netzen geeignet, die vorwiegend durch andere Energiequellen versorgt werden. Welche Bedingungen sie dazu erfüllen müssen und wie ihre Einbindung in ein solches Netz aussehen kann, soll im Folgenden erläutert werden. 2 Grundsätzliche Voraussetzung für ein stabiles Inselnetz Bei der Beurteilung der Qualität eines Versorgungsnetzes ist die Einhaltung von Spannungsamplitude und Frequenz innerhalb vorgegebener Grenzen ein maßgebliches Kriterium. Beide Parameter hängen von unterschiedlichen Einflussgrößen ab und können daher weitgehend getrennt voneinander betrachtet werden. Frequenzstabilität Das Einhalten einer konstanten Frequenz hängt unmittelbar von der Wirkleistungsbilanz innerhalb des Netzes ab. Wird mehr Wirkleistung in das Netz eingespeist als von den Verbrauchern abgenommen wird, muss die überschüssige Wirkleistung zur Einhaltung der Leistungsbilanz irgendwo hin abfließen. 3

4 Ohne zusätzliche stabilisierende Maßnahmen führt dieser Wirkleistungsüberschuss automatisch zu einer Beschleunigung der mit dem Netz verbundenen rotierenden Massen, wie Generatoren und Motoren, da diese in den meisten Fällen die einzige Möglichkeit darstellen, die überschüssige Leistung aufzunehmen und in Rotationsenergie umzusetzen. Wird umgekehrt weniger Leistung eingespeist als abgenommen, wird die fehlende Energie den rotierenden Massen entnommen und führt damit zu einem Abfallen der Frequenz. Frequenzschwankungen im Netz sind also unmittelbar auf Schwankungen in der Wirkleistung, sowohl auf Seiten der Verbraucher als auch auf Seiten der Einspeisung, zurückzuführen. Leistungsschwankungen der Einspeisung können zum Einen durch Ausfälle, zum Beispiel von Generatoren oder Frequenzumrichtern, verursacht werden, zum Anderen im Falle regenerativer Energien durch Änderung des Lichteinfalls bei Solarkraftwerken oder durch Änderung der Windgeschwindigkeit oder der Windrichtung bei Windkraftanlagen. In einem großen Verbundnetz führen diese Einflüsse meist nur zu einer geringfügigen Störung der Leistungsbilanz, so dass kein schneller Reglereingriff erforderlich ist, um die Frequenz in den gegebenen Grenzen konstant zu halten. Anders sieht die dies in kleinen, abgeschlossen Netzen, sogenannten Inselnetzen, aus, die keine Verbindungen zu einem großen und dämpfenden Verbundnetz haben. Hier haben Schwankungen der Einspeiseleistung einen deutlich größeren Einfluss auf die Wirkleistungsbilanz des Netzes und führen daher häufig zu deutlichen Frequenzschwankungen. Die Energiequellen inklusive deren Regeleinrichtungen sind meistens nicht in der Lage, die abgegebene Leistung innerhalb weniger Sekunden an die neue Situation anzupassen, so dass schnell reagierende Stabilisierungsanlagen benötigt werden, um die Leistungsbilanz und damit auch die Frequenz kurzfristig wieder herzustellen. Die Stabilisierungsanlagen sollten idealer Weise mit einem Energiespeicher ausgestattet sein, der es, wie in Abb. 1 dargestellt, erlaubt, in gleichem Maße Energie aufzunehmen wie auch abzugeben, um sowohl auf ein Leistungsdefizit als auch auf einen Leistungsüberschuss reagieren zu können. 4

5 Abb. 1 Funktionsweise einer Stabilisierungsanlage mit bidirektional wirkendem Energiespeicher bei Lastschwankungen in einem Inselnetz. Diese Anforderung macht herkömmliche Batteriesysteme für diese Aufgabe weniger geeignet, da die Leistungsaufnahme durch die Kombination von hohem Innenwiderstand mit nach oben begrenzter Zellenspannung eingeschränkt ist. Batterien machen hingegen Sinn, wenn lediglich das Aufschalten großer Lasten oder ein durch den Ausfall einer Einspeisung verursachtes Leistungsdefizit kompensiert werden soll. Sollen auch durch Lastabwürfe verursachte Leistungsüberschüsse kompensiert werden, kommen in erster Linie Schwungradspeicher in Frage. In Verbindung mit bidirektional arbeitenden Frequenzumrichtern sind letztere in der Lage, sowohl bei einem Leistungsdefizit als auch bei Leistungsüberschuss stabilisierend einzugreifen. Mit Reaktionszeiten von unter 20 Millisekunden kann somit die Netzfrequenz in allen Situationen gleichsam konstant gehalten werden. Spannungsstabilität Eine ähnliche Abhängigkeit wie zwischen Wirkleistung und Frequenz gibt es zwischen Blindleistung und Spannung. Steigt im Netz der Bedarf an Blindleistung, führt diese Mehrleistung zu einer Zunahme der Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen und den Impedanzen der Einspeisungen, und in Folge davon zu einer Spannungsabsenkung für die Verbraucher. Umgekehrt führt eine Verringerung der Blindleistung zu einem Anstieg der Versorgungsspannung, da in diesem Fall Spannungsabfälle an den Impedanzen wegfallen. 5

6 Allgemein ist eine Störung der Blindleistungsbilanz leichter zu beherrschen als eine Störung der Wirkleistungsbilanz. Dies liegt daran, dass eine Störung der Wirkleistungsbilanz, wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden, zu einer kontinuierlich ansteigenden Frequenzabweichung führt, wo hingegen sich eine Störung in der Blindleistungsbilanz lediglich in einer statischen Spannungsabweichung auswirkt. 3 Anforderungen an die Stabilisierungseinrichtungen für Inselnetze Die primären Anforderungen an eine Stabilisierungseinrichtung bestehen also darin auf Wirkleistungsschwankungen schnell zu reagieren und diese derart auszuregeln, dass die Frequenz konstant gehalten wird. bei Bedarf kurzfristig Blindleistung bereitstellen zu können, und damit die Spannung für die Verbraucher konstant zu halten. USV-Anlagen sind aufgrund ihrer Funktionsweise grundsätzlich in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen, da sie, spätestens während eines Netzausfalls, die Verbraucher über ein von ihnen selbst gebildetes Inselnetz hoher Qualität mit Energie versorgen. Verbundnetz USV USV-Netz Verbraucher Standby Diesel-Aggregat Abb. 2 Normale USV-Anwendung, hier mit externem Diesel-Aggregat als Netzersatz zur Überbrückung langer Netzausfälle 6

7 Damit eine USV-Anlage als Stabilisierungseinrichtung geeignet ist, sollte sie zusätzlich zum Standard Funktionsumfang einer USV folgende Eigenschaften besitzen: Sie sollte von ihrer Lastseite her gestartet werden können, da eine für USV-Anlagen übliche Netzeinspeisung in einem Inselnetz in der Regel nicht zur Verfügung steht. Die Eingangsschaltkreise der USV können in diesem Fall eingespart werden. Sie sollte für bidirektionalen Leistungsfluss geeignet sein, um sowohl bei einem Leistungsdefizit als auch bei einem Leistungsüberschuss stabilisierend eingreifen zu können. Der Energiespeicher sollte auf einem definierten mittleren Ladezustand gehalten werden können, um jederzeit sowohl Energie aufnehmen als auch abgeben zu können. Dies bedingt eine aktive Ladezustandsregelung. Der Energiespeicher muss so bemessen sein, dass genügend Energie zur Verfügung steht, die Zeit zu überrücken, die die primären Energieerzeuger benötigen, um nach einer Störung die Leistungsbilanz des Netzes wieder herzustellen und einen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Sie muss parallel zu anderen Energiequellen betrieben werden können. Dazu zählen zum Beispiel Windkraftanlagen, Solarkraftwerke, Wasserkleinkraftwerke, Gasturbinen, Diesel-Generatoren usw. Sie muss von ihrer Nennleistung her geeignet sein, die zu erwartenden Leistungsdefizite und Leistungsüberschüsse zu kompensieren. Sie sollte robust genug sein, kurzzeitige Überlasten unbeschadet zu überstehen und währenddessen weiterhin, wenn auch unter Inkaufnahme von Spannungs- und/oder Frequenzabweichungen, zum Ausgleich der Leistungsbilanz beizutragen. 7

8 4 Realisierung Ein Rotierende USV-Anlagen vom Typ Piller UNIBLOCK UBT und UBTD sind mit ihrer durch einen Synchrongenerator erzeugten Ausgangsspannung in der Lage, alle oben aufgelisteten Anforderungen zu erfüllen. Als Energiespeicher können sowohl Batterien als auch der bidirektional arbeitende Schwungradenergiespeicher POWERBRIDGE eingesetzt werden. Der Vergleich von Abb. 3 und Abb. 4 zeigt beispielhaft den Einfluss einer bidirektional wirkenden Frequenzstabilisierung auf ein Netz, das von einem Diesel-Aggregat versorgt wird. Abb. 3 Frequenzverhalten eines Dieselaggregates bei Abwurf und Aufschaltung von 50% Last, hier ohne zusätzliche Frequenzstabilisierung Abb. 4 Frequenzverhalten eines Dieselaggregates bei Abwurf und Aufschaltung von 50% Last, mit bidirektionaler Frequenzstabilisierung durch einen Piller UNIBLOCK UBT mit POWERBRIDGE Schwungradenergiespeicher 8

9 Um längere Ausfälle von primären Energielieferanten auszugleichen, können die Anlagen auch als Diesel-Anlage ausgeführt werden (siehe Beispiel in Abb. 5). Damit ist es auch möglich, bei Bedarf längere Lastspitzen im Netz abzudecken, falls die Einspeiseleistung der primären Energieerzeuger dafür nicht ausreichen sollte. Der Diesel würde immer dann automatisch gestartet werden, wenn sich ein vollständiges Entladen des dynamischen Energiespeichers ankündigt, so dass das Netz unterbrechungsfrei von der Stützung durch die Stabilisierungsanlage profitieren kann. Bei Bedarf ist ein manuelles Starten des Diesels jederzeit möglich. Die Synchrongeneratoren der Piller Anlagen können jederzeit ausreichend Blindstrom zur Spannungsstützung bereitstellen und stellen dem Netz zusätzliche Kurzschlussleistung zur Verfügung. Piller UNIBLOCK UBT und UBTD sind für alle üblichen Netzspannungen und Frequenzen geeignet. Sie decken den gesamten Niederspannungsbereich von 380 V bis 600 V ab, und sind in den großen Leistungsklassen bis 3000kVA auch in Mittelspannung verfügbar. Verbraucher UNIBLOCK UBTD Gasmotoren Abb. 5 Stabilisierung und Unterstützung eines mit Gasmotoren versorgten Inselnetzes durch Piller UNIBLOCK UBTD Soll ein Netz mit autarker Energieversorgung zusätzlich eine Anbindung an das Verbundnetz bekommen, können die rotierenden Piller USV-Anlagen, wie in Abb. 6 dargestellt, als Netzkupplung eingesetzt werden. Zusätzlich zu dem Schutz vor Ausfällen des Verbundnetzes erlaubt es die Anlage dem Verbrauchernetz, sowohl Energie aus dem Netz zu beziehen als auch überschüssige Energie in das Verbundnetz zu exportieren. Bei einem Netzausfall trennt die Stabilisierungsanlage das Verbrauchernetz vom Verbundnetz und kann dann, je nachdem, ob zuvor Leistung exportiert oder importiert wurde, Wirkleistung 9

10 aufnehmen oder abgeben, bis die übrigen Energieerzeuger in dem nun entstandenen Inselnetz ihre Leistung entsprechend angepasst haben. Verbundnetz Windkraftanlagen Verbraucher UNIBLOCK UBT Gas-/Dieselmotor(en), Turbine(n), etc. Abb. 6 Einsatz der USV-Anlage als stabilisierende Netzkupplung für Verbraucher mit eigener Stromerzeugung Es gibt zwei grundsätzliche Arten, rotierende Piller Stabilisierungsanlagen in ein Inselnetz zu integrieren: 1. Als einfache Energiequelle, die nur bei Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten Energie aufnimmt oder abgibt. 2. Als bestimmendes Element der Frequenz- und Spannungsregelung, das im Zusammenspiel mit den anderen Energieerzeugern ein Netz mit USV-Qualität bereit stellt. Welche der beiden Arten, oder eine Kombination aus beiden, die optimale Lösung für die Netzstabilisierung darstellt, wird letztlich durch die Anforderungen an die Netzqualität und die Komplexität des Netzes bestimmt. 10

11 5 Zusammenfassung Die Stabilität von elektrischen Energieversorgungsnetzen wird zunehmend durch den vermehrten Einsatz alternativer Energiequellen beeinflusst. Zur Stabilisierung von, vor allem lokal begrenzten, Versorgungsnetzen können Technologien und Verfahren verwendet werden, die auch in USV-Anlagen zum Einsatz kommen. Dabei sind rotierende USV aufgrund ihrer Robustheit, ihres breiten Anwendungsspektrums und ihrer hohen Ausgangsleistung den statischen Systemen überlegen. In Verbindung mit bidirektional arbeitenden Energiespeichern, wie zum Beispiel elektrisch gekoppelten Schwungrädern, sind sie in der Lage, bei jeder Art von Last- oder Einspeiseschwankungen stabilisierend einzugreifen und damit eine konstante Netzfrequenz sicher zu stellen. Die elektrischen Maschinen rotierender USV-Anlagen vereinfachen den Parallelbetrieb mit alternativen Energiequellen und stellen dabei gleichzeitig Blindleistung zur Spannungsstabilisierung und zusätzliche Kurzschlussleistung zur Verfügung. Frank Herbener, Piller Group GmbH, Germany Discussion Document No. DD / Aug

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