Spannungsregelung im Niederspannungsnetz

Transkript

1 Berner Fachhochschule BFH-Zentrum Energiespeicherung Labor für Elektrizitätsnetze Lukas Heiniger Nidau,

2 Ausgangslage und Ziele Zusammen mit dem stetigen technologischen Fortschritt befindet sich auch das Stromnetz derzeit in einem Wandel. Mit der starken Zunahme von PV-Anlagen verlagert sich die Struktur des Netzes vermehrt in Richtung der dezentralen Produktion. Dies bringt Herausforderungen verschiedenster Art mit sich. Eine davon ist die Spannungshaltung. Anhand einer flächendeckenden Messkampagne in einem Niederspannungsnetz von «Energie Thun», wie auch mittels Simulationen werden....mögliche Wechselwirkungen zwischen den Regelanlagen....verschiedene Regelstrategien....mögliche Ausbausituationen im Netz....untersucht, um Empfehlungen an die Verteilnetzbetreiber (VNB) abzugeben Labor für Elektrizitätsnetze 2

3 Inhalt 1 NETZSITUATION 2 MESSUNG VERSCHIEDENER REGELKONFIGURATIONEN 3 REGELSTRATEGIEN 4 BAUPROJEKT MOOSWEG 5 5 FAZIT (6 PV-AUSBAUPOTENTIAL IM NIEDERSPANNUNGSNETZ AB DER TS 129) Labor für Elektrizitätsnetze 3

4 Netzsituation 1 Labor für Elektrizitätsnetze 4

5 Regelanlagen zwei parallele regelbare Ortsnetztrafos (RONT) Hersteller: Schneider Electric Scheinleistung: 630 kva Spannungsstufen: ± 2.5 % Anzahl Stufen: 5 Wechselrichter Moosweg 21 Nennleistung total: 660 kwp cos ϕ: 0.8 kapazitiv bis 0.8 induktiv Labor für Elektrizitätsnetze 5

6 3x50/50 (99m) Netzsituation NS-Netz ab der TS 129 Regelanlagen: zwei parallele RONT WR der PV-Anlage Moosweg 21 TS 129 3x16/16 (184m) MS-Netz RONT 1 RONT 2 PQ 06 3x150/150 (125m) PQ 05 VK 230 PQ 23 3x300/100 (85m) PQ 12 6x95/95 (141m) PQ 11 PQ 07 VK214 Messungen: 12 Messpunkte mobile Messung mit PQ-Box stationäre Messung mit GridEye 135 kw 260 kwp PVA potentieller Ausbau Moosweg 5 Moosweg 6 3x50/50 (95m) 3x25/25 (167m) PQ 11 Winkelweg 11 PQ 09 Moosweg 46 3x300/100 (133m) PQ 04 Übrige Lasten VK 412 PQ 10 VK 412 Übrige Lasten VK kwp PVA Moosweg 11 6x300/100 (32m) 3x300/100 (70m) PQ 01 PQ 22 Moosweg kwp PVA 660-kWp-PVA mit Q(U)-Regelung Übrige Lasten VK 214 Moosweg 10 Labor für Elektrizitätsnetze kwp PVA

7 Messung verschiedener Regelkonfigurationen 2 Labor für Elektrizitätsnetze 7

8 3x50/50 (99m) Messung verschiedener Regelkonfigurationen MS-Netz Folgende Konfigurationen der Regelanlagen wurden gemessen: Ist-Situation deaktivierte Stufenregelung Alleinbetrieb von RONT 1 Q(U)-Regelung der PVA Moosweg 21 bei aktivierter und deaktivierter Stufenregelung der RONT 3x50/50 (95m) 3x25/25 (167m) Moosweg 46 PQ 04 Übrige Lasten VK 412 TS 129 3x16/16 (184m) 3x300/100 (133m) VK 412 RONT 1 RONT 2 PQ 05 PQ 06 3x150/150 (125m) VK 230 Übrige Lasten VK 230 PQ 23 3x300/100 (85m) PQ 12 6x95/95 (141m) 430 kwp PVA PQ 11 Moosweg 11 6x300/100 (32m) 3x300/100 (70m) PQ 01 PQ kwp PVA Übrige Lasten VK 214 PQ 07 VK kw 260 kwp PVA potentieller Ausbau Moosweg 5 Moosweg 6 PQ 11 Winkelweg 11 PQ 09 PQ 10 Moosweg kWp-PVA mit Q(U)-Regelung Moosweg 10 Labor für Elektrizitätsnetze kwp PVA

9 Q(U)-Regelung der PV-Anlage Moosweg 21 Spannungsreduktion bei Betrieb der WR mit einem cos φ von 0.9 kapazitiv beträgt....beim Anschlusspunk der PVA ca. 1.3 V..in der TS ca. 1 V ca. 2V Folgende Erkenntnisse sprechen dafür, dass es zwischen RONT und Q(U)-Regelung zu keiner Wechselwirkung kommen kann: Eine Stufenumschaltung der RONT führt zu einer Spannungsänderung von ca V in der TS, und ist somit deutlich grösser als die von der Q(U)-Regelung verursachte Spannungsänderung von ca. 1V RONT schalten die Stufe erst nach Ablauf einer Totzeit von 120 s cos ϕ der WR unterliegt keiner Regelung, sondern wird von der Leitstelle vorgegeben wird Labor für Elektrizitätsnetze 10

10 Regelstrategien 3 Labor für Elektrizitätsnetze 11

11 P(U)- und Q(U)-Regelung von PV-Anlagen Die Spannungserhöhung am Anschlusspunkt einer PVA kann durch.... reduzieren der Wirkleistung.. Einspeisung mit einem kapazitiven cos ϕ..minimiert werden Δu = 1.6 % Δu = 2.6 % Generell effektiver bei Anlagen mit niedriger Kurzschlussleistung Bedingt durch die Impedanz des Trafos kann die Spannung im ganzen Netz reduziert werden Δu = 1.7 % Labor für Elektrizitätsnetze 12

12 Spannung [U] Simulation verschiedener Regelkonfigurationen maximale simulierte Spannungen an diversen Netzpunkte während verschiedenen Regelkonfigurationen aktuelle Regelstrategie: aktivierte Stufenregelung der RONT, deaktivierte Q(U)- Regelung der PVA am Moosweg 21 beste Strategie: Spannungsreferenz bei der grössten PV-Anlage schlechteste Strategie: Spannungsreferenz bei der VK 412 Q(U)-Regelung kann die Stufenregelung der RONT negativ beeinflussen TS 129 PVA Moosweg 21 Moosweg 11 VK 214 VK 412 Moosweg 10 Winkelweg 11 Ausbau Moosweg 5 RONT Ref.: TS 129 WR: cos ϕ = 1 RONT Ref.: VK 412 WR: cos ϕ = 1 RONT Ref.: PVA Moosweg 21 WR: cos ϕ = 1 RONT Ref.: TS129 WR: cos ϕ = 0.9 RONT Ref.: TS129 WR: cos ϕ = 0.8 Labor für Elektrizitätsnetze 14

13 3x50/50 (99m) Netzsituation MS-Netz TS 129 RONT 1 RONT 2 PQ 06 PQ 23 3x16/16 (184m) 6x95/95 (141m) 3x150/150 (125m) PQ 05 VK 230 3x300/100 (85m) PQ 12 PQ 11 PQ 07 VK214 Moosweg 46 3x300/100 (133m) PQ 04 VK 412 Übrige Lasten VK kwp PVA Moosweg 11 6x300/100 (32m) 130 kwp PVA Übrige Lasten VK 214 3x300/100 (70m) 3x50/50 (95m) 3x25/25 (167m) Übrige Lasten VK 412 PQ 01 PQ kw 260 kwp PVA potentieller Ausbau Moosweg 5 Moosweg 6 PQ 11 Winkelweg 11 PQ 09 PQ 10 Moosweg kWp-PVA mit Q(U)-Regelung 100 kwp PVA Moosweg 10 Labor für Elektrizitätsnetze 15

14 Bauprojekt Moosweg 5 4 Labor für Elektrizitätsnetze 18

15 Allgemeine Informationen Angaben zum Ausbau: «LANDI Schweiz AG» Schnelladestationen von bis zu 300 kw für die Elektromobilität PV-Anlage ist wahrscheinlich Welches ist maximale mögliche Last und PV-Einspeisung am Moosweg 5, welche das Netz im derzeitigen sowie im verstärktem Zustand verkraften kann? Betrachtung zweier Extremsituationen: Freitag um 07:10, wo die allgemeine Belastung im Netz maximal und die PV- Einspeisung minimal ist Sonntag um 12:39, wo die Belastung im Netz minimal und die PV-Einspeisung maximal ist Labor für Elektrizitätsnetze 19

16 Max. mögliche Last am Moosweg 5 bei starker Belastung im Netz Labor für Elektrizitätsnetze 20

17 Fazit: Max. mögliche Last und PV-Leistung am Moosweg 5 Jetziges Netz Verstärktes Netz Max. Anschlussleistung Moosweg kw 473 kw Max. PV-Nennleistung Moosweg 5 (alle PV-Anlagen im Sommerbetrieb) 260 kw P 260 kw P In Anbetracht der potentiellen Schnellladestationen mit einer Leistung von bis zu 300 kw ist eine Netzverstärkung unumgänglich Um die PV-Leistung am Moosweg 5 weiter zu erhöhen ist eine zusätzlichen Trafostation notwendig Labor für Elektrizitätsnetze 22

18 Fazit 5 Labor für Elektrizitätsnetze 23

19 Fazit Messungen Stufenregelung der RONT scheint derzeit nicht korrekt zu funktionieren Zwischen Stufenregelung der RONT und Q(U)-Regelung der WR können Wechselwirkung ausgeschlossen werden Regelstrategien Q(U)-Regelung bei Anlagen mit kleiner Skn ist die effektivste Form der Spanungsregelung mittels Wechselrichter Bedingt durch die Impedanz des Trafos kann die Spannung dadurch im ganzen Netz reduziert werden Spannungsreferenz für die Stufenregelung generell möglichst nahe der grössten Last oder PV- Anlage Q(U)-Regelung kann das Schaltverhalten der RONT ungünstig beeinflussen Ausbaue Moosweg 5 In Anbetracht der potentiellen Schnellladestationen mit einer Leistung von bis zu 300 kw ist eine Netzverstärkung unumgänglich Um die max. PV-Leistung von 260 kwp am Moosweg 5 weiter zu erhöhen ist eine zusätzlichen Trafostation notwendig Labor für Elektrizitätsnetze 24

20 Fragen und Anregungen Quelle: Pixabay Labor für Elektrizitätsnetze 25

21 PV-Ausbaupotential im Niederspannungsnetz ab der TS Labor für Elektrizitätsnetze 26

22 PV-Ausbaupotential im Nieder-spannungsnetz ab der TS 129 Als Basis für die Abschätzung dient....die angenommene Leistungsdichte von 150 W P /m 2 für herkömmliche PV- Module.. die mittels Solarkataster ermittelte Dachflächen der Gebäude Moosweg 21 (zusätzlich zur bestehenden PVA) Moosweg 1 Moosweg 7 Moosweg 14 Total: P N bei maximalem Ausbau P N wenn Ausbau auf 70 % begrenzt 201 kw P 240 kw P 480 kw P 525 kw P 1.44 MWp 201 kw P 168 kw P 336 kw P kw P 1.07 MWp Simulation auf Basis der Messdaten vom bis Auslastung der RONT im aktuellen Netz, bei Einspeisung aller PVA gemäss dem Maximum vom Sommer 2018, beträgt bereits 78 % Labor für Elektrizitätsnetze 27

23 Spannungen und Auslastungen bei zusätzlichem PV-Ausbau maximale Ausschöpfung des PV-Potentials führt zu....überlastungen in der Zuleitung zur VK 230..temporärer Auslastungen von der RONT von über 80 % Labor für Elektrizitätsnetze 28

24 Spannungen und Auslastungen bei zusätzlichem PV-Ausbau Spannungen am Moosweg 10 bei verschiedenen Konfigurationen der Regelanlagen, während einer Ausschöpfung von 70 % des maximal möglichen PV-Ausbaupotentials Grenzwert nach EN50160 Labor für Elektrizitätsnetze 29