Zukunftsorientierte MS- und NS-Netze

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1 Zukunftsorientierte MS- und NS-Netze Lösungen zur weiteren Integration von dezentralen Erzeugungsanlagen Karsten Schmidt

2 Gliederung Einleitung Einspeisepotential Gleichzeitigkeiten unterschiedlicher regenerativer Erzeugungsanlagen Gewährleistung der Leistungsübertragung 2-Transformator-Betrieb in UW Gewährleistung der Spannungshaltung Weitbereichsspannungsregelung Lastkompoundierung Blindleistung Weitere Lösungen Längsregler Regelbarer Ortsnetztransformator, Längsregler Fazit Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 2

3 Einleitung aufgrund der Energiewende ist eine weitere Erhöhung der Anzahl und Leistung der EEG und KWKG-Anlagen zu erwarten das EnWG verpflichtet im 40 Abs. 5 Lieferanten variable Tarife für Letztverbraucher von Elektrizität anzubieten Tarife sollen Anreize setzen, Energie einzusparen oder den Energieverbrauch zu steuern lastvariable oder tageszeitabhängige Tarife zunehmend Lastflüsse mit höherer Volatilität und steileren Änderungsgradienten Zukünftig: sich ständig zeitlich ändernde Lastflusssituationen Einhaltung der Spannungsqualität gemäß DIN EN Bereitstellung errichtungsortnahe Anschlusspunkte für Erzeugungsanlage Maßnahmen im Netz der ENSO NETZ GmbH notwendig Netzgebiet: Versorgungsgebiet ca km² (1/3 Fläche Sachsen) Netzlängen: HS km, MS km, NS km Ortsnetzstationen: ca Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 3

4 Einspeisepotential Erneuerbare Energien / Netzausbau 2000 MVA installierte Trafo-Leistung 380/110-kV 800 MVA min Last: 180 MW min Last: 90 MW WEA: 155 MW 230 MW Photovoltaik: 150 MW 243 MW Sonstige: 60 MW 51 MW Summe: 365 MW 524 MW (Stand: ) Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 4

5 Einspeisepotential auf Basis des Energie- und Klimaprogramms Sachsen 2012 Energiepolitische Ziele Sachsen: Energie- und Klimaprogramm (2012) Ziele 2022 Zubau an Windkraft-, PV- und Biomasse-Anlagen Quelle: Energie- und Klimaprogramm Sachsen 2012 Installierte Leistung im Netzgebiet 2022: 449 MW 689 MW 99 MW (638 MW) Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 5

6 Gleichzeitigkeiten unterschiedlicher regenerativer Erzeugungsarten Prüfung der Gleichzeitigkeit von Einspeisungen unterschiedlicher Energieträger (Photovoltaik, Windenergie) Wochenlastgang Photovoltaik + Windkraft Jahreslastgang Photovoltaik + Windkraft Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 6

7 Gleichzeitigkeiten unterschiedlicher regenerativer Erzeugungsarten Untersuchung durch TU Chemnitz für Photovoltaik und Windenergie: bei 100 % Windeinspeiseleistung maximal 80 % Photovoltaikeinspeiseleistung bei 100 % Photovoltaikeinspeiseleistung maximal 70 % Windeinspeiseleistung Anwendung bei Netzberechnung in MS Windkraft 1/4 h Werte Photovoltaik 0 10 % % % % % % % % % % 0 10 % % % % % % % % % % Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 7

8 Gewährleistung der Leistungsübertragung MS Belastung HS/MS-Trafos durch EEG-Einspeisung minimale Aufnahmekapazitäten HS/MS-Trafos im Netzgebiet der ENSO NETZ: 3 UW mit 41 MVA 50 MVA Trafokapazität typischerweise bei 110/20-kV-UW: 2 x 40 MVA = 80 MVA typischerweise bei 110/20/10-kV-UW: 2 x 31,5 MVA = 63 MVA Ein Engpass auf Basis der installierten Transformatornennleistungen ist z. Z. bis auf eine Ausnahme nicht zu erwarten Übergang zum 2-Trafo-Betrieb aufgrund hoher Einspeiseleistung, Bsp. UW Niesky Es muss verhindert werden, dass im (n-1)- bzw. (n-1)*-fall durch die Einspeiseleistung der in Betrieb verbleibende Transformator durch den Schutz ausgelöst wird Zeitdauer Wirkung Einspeisemanagement nach 6 EEG >> Schutzauslösung am Transformator nicht anwendbar Einsatz gerichteter UMZ-Schutz mit Übergabe Auslösebefehl auf den MS-Abgang mit direkt angeschlossenem Einspeiser Es ist stets zu gewährleisten, dass durch Abschaltung die erforderliche Leistungsreduzierung erreicht werden kann (ggf. mehrere MS-Abgänge mit einbeziehen) Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 8

9 Gewährleistung der Spannungshaltung MS Weitbereichsspannungsregelung durch Erfassung der Spannung an Netzausläufern und Beeinflussung der Regelgröße für die Spannungsregelung im Umspannwerk kann eine Optimierung der Spannungshaltung erreicht werden Risiken: Schalthandlungen im Netz, bei denen der gemessene Netzausläufer anderen MS-Halbringen oder UW zugeordnet wird Übergabe und Auswertung der aktuellen Schaltzustände an den Regelalgorithmus Netzausläufer mit tendenziell geringer Spannung vs. Netzausläufer mit volatil hoher Einspeisung Sind die Messorte wirklich die kritischen Punkte im Netz? Erkennung fehlerhafter Messwerte bzw. Störungen der Kommunikationsverbindung zum Netzausläufer und Aktivierung der Standardregelung im UW Aufgrund der Risiken ist der Einsatz der Weitbereichsspannungsregelung nicht zu empfehlen. Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 9

10 Gewährleistung der Spannungshaltung MS Spannungsregelung mit Stromkompoundierung Spannungsregelung mit Stromkompoundierung (Lastkompoundierung) im HS/MS-UW P max ( t) Max P1 ( t), P2 ( t),... P U/Un in Abhängigkeit von Pmax(t) n ( t) U/Un [%] 106,5 106,0 105,5 105,0 104,5 104,0 103,5 103,0 102,5 102,0 101,5-1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Pmax(t) [MW] 10kV 20kV Bedingung: alle MS-Abgänge im UW müssen eine Wirkleistungsmessung (inkl. Richtung) aufweisen, Nachrüstung in UW mit kritischer Spannungshaltung möglich Pilot-UW in 2013/2014 Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 10

11 Gewährleistung der Spannungshaltung MS Ausweitung der Blindleistungsregelung In Abhängigkeit von der Netzkonstellation und dem Standort der Kompensations- und Erzeugungsanlagen wurden zusätzlich Einspeiseleistungen von max. ca kw bei ca kvar Blindleistungseinspeisung ermittelt. Quelle: Grundsatzstudie Blindleistungsbereitstellung MS, KEMA 2011 Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 11

12 Gewährleistung der Spannungshaltung MS Weitere Lösungen Ausbindung von EEG-Anlagen > 2 MW Anlagenleistung aus den MS-Netzen und Direktanschluss an UW in die MS-Netze können weitere kleinere Neuanlagen integriert werden Fazit: keine kostengünstige Lösung zur Erhöhung der Aufnahmekapazität der MS-Netze (Trassenlänge, Bauprogrammkosten MSK) Zusätzliche Regelung MS/NS HS-Netz MS-Netz Entkopplung der Spannungshaltung in den MS- und NS-Netzen Einsatz wenn erstmals 2 % Spannungsanhebung durch Einspeisung überschritten Durchschnittlich ca. 10 USt pro MS-Strang: 5 x 22 T 110 T Blindleistungsregelung von Erzeugungsanlagen derzeit Vorgabe cos φ (P) Kennlinie mit induktivem Anteil für direkt an UW angeschlossene EZA zukünftig kap. Anteil Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 12

13 Gewährleistung der Spannungshaltung MS Längsregelung Einsatz Längsspannungsregler am Punkt der Spannungsanhebung um 2 % durch Einspeiser (unter Beachtung weiterer Einspeisungen in Richtung UW) dahinter Einbindung weiterer Einspeiser bis 2 % Spannungsanhebung Nutzung 3 einphasige Längsspannungsregler der Fa. Siemens Studie / Simulation durch Siemens zum Nachweis des Verhaltens im Netz Normalbetrieb, unsymmetrische Belastung, Kurz- und Erdschluss, Ringbetrieb, etc. Kosten ca. 110 T T inkl. Schaltanlage und Baukörper Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 13

14 Gewährleistung der Spannungshaltung MS Längsregelung Verschaltung der Längsregler im Dreieck 8DJH-Schaltanlage mit FWT zur Überbrückung Quelle: Siemens Quelle: Siemens Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 14

15 Gewährleistung der Spannungshaltung NS Regelbare Ortsnetztransformatoren Übersicht Hersteller Hersteller Siemens J Schneider Typ Fitformer Smart Active + itap Prinzip NS-Stufenschalter mit MS-Stufenschaltwerk Thyristor-Bypass Stufenanzahl 3 5, 7, 9 Regelbereich 3,7% + ( 2,5% 5% MS- Stufensteller) 1,25% bis 2,5% pro Stufe Preis 22 T 24 T Funktionsprinzip Fitformer (Fa. Siemens) Quelle: Siemens Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 15

16 Gewährleistung der Spannungshaltung NS Regelbare Ortsnetztransformatoren 110 % DIN EN Vorgabe % UW max - 2 % zulässige Spannungsänderung BDEW-MS-Richtlinie - 1 % Reserve (Einspeisungen in NS mit Spannungsanhebung in MS) + 3,7 % Regelstufe = 4,7 % maximale Spannungsanhebung durch EEG im NS-Netz Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 16

17 Niederspannung Aufnahmekapazität verteilte Einspeisung ohne ront Transformator U NSL = +6 % bis -10 % HA 110 % U n max Einspeisung 106 % U n Leerlauf 90 % U n max. Last P [kw] ,4-kV-Freileitung 70 mm² 0,4-kV-isolierte Fr. 95 mm² 0,4-kV-Kabel 150 mm² P [kw] ,95 0,9 (phi) cos Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 17

18 Niederspannung Aufnahmekapazität verteilte Einspeisung mit Berücksichtigung ront Transformator U NSL = +6 % bis -10 % HA 110 % U n max Einspeisung 106 % U n Leerlauf 90 % U n max. Last P [kw] ,4-kV-Freileitung 70 mm² 0,4-kV-isolierte Fr. 95 mm² 0,4-kV-Kabel 150 mm² P [kw] ,95 0,9 (phi) cos Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 18

19 Gewährleistung der Spannungshaltung NS Regelbare Ortsnetztransformatoren Pilotprojekt ront (Fa. Siemens) im Ortsnetz Ebersbach (BR3) seit Ende Januar 2013 ausgewähltes Ortsnetz: ländlich, 122 kw PV, starker Einfluss Nachtspeicherheizung Probleme in der Spannungshaltung (obere und untere Grenze) bekannt, temporäre Messungen an der NS- Sammelschiene und an Netzausläufer mit PV-Anlage Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 19

20 Gewährleistung der Spannungshaltung NS Regelbare Ortsnetztransformatoren Umfangreiches Messprogramm und Auswertung für Pilotanlage mittels separaten Kommunikationsschrank mit Fernwirkanlage und Industrie-PC (Messwertarchivierung) Fernzugriff über UMTS, Fernparametrierung des ront möglich Stand-alone-Lösung mittels Laptop Weitere Pilotanlage mit ront Fa. JSchneider (Prinzip MS- Stufenschaltwerk) für 2013/2014 geplant Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 20

21 Gewährleistung der Spannungshaltung NS Regelbare Ortsnetztransformatoren Remote-Zugriff Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 21

22 Regelbarer Ortsnetztransformator Einfluss Spannungsregelung ,9% U [V] :00:00 70,8% 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00 05:00:00 06:00:00 07:00:00 08:00:00 09:00:00 10:00:00 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 19:00:00 20:00:00 21:00:00 22:00:00 23:00:00 zulässiges Spannungsband an NS-Sammelschiene, damit U n 10% im gesamten Ortsnetz eingehalten wird 2 bis 6 Stufungen pro Tag, Einhaltung 95% der 10-min-Mittelwerte gemäß DIN EN erreicht Temperaturen im Steuerschrank bis max. 40 C (vorläufiges Ergebnis) Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 22 mit Regelung 98,6%

23 Gewährleistung der Spannungshaltung NS Längsregelung Transformator HA Netzausläufer mit HA U NSL = +6 % bis -10 % 2-stufige Regelung 2 x 6 V meist ausreichend Kosten Längsregler (92 kva) Fa. Walcher ca. 16 T Beachtung der Leerlauf- und lastabhängigen Verluste 92-KVA-Längsregler Fa. Walcher Leerlaufverluste Verluste bei Nennlast 20 W 400 W 110 % U n max Einspeisung 106 % U n Leerlauf 90 % U n max. Last Quelle: Fa. Walcher Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 23

24 Fazit Mittelspannung durch Maßnahmen zur Spannungsregelung und Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit kann die Anschlusskapazität hinsichtlich EEG-Anlagen ohne wesentlichen Netzausbau erhöht werden lastabhängige Spannungsregelung ermöglicht künftig einen Netzbetrieb der auch bei Sonderschaltzuständen hohe Spannungen in den unterlagerten Netzebenen vermeidet Umsetzung erster Regelungen in 2013 / 2014 Niederspannung zur Sammlung von Betriebserfahrungen Auswertung der Messergebnisse des ront Einsatz eines weiteren ront untersuchte technischen Lösungen ermöglichen in Abhängigkeit der vorhandenen Netztopologie und der installierten EEG-Anlagenleistung die Einhaltung des zulässigen Spannungsbandes am Einspeiseknoten im NS-Netz Einsatz von Lösungen in der Niederspannung erst nach Messung der realen Spannungsverhältnisse Für den konkreten Anwendungsfall ist immer die wirtschaftlichste Lösung zu ermitteln und umzusetzen Karsten Schmidt Zukunftsfähige Netze Seite 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Firma (Zeilenanzahl variabel; Feld erweitert sich nach oben)

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