Ortsnetztransformator im Verteilungsnetz Lösung aller Spannungsbandprobleme?

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1 Der regelbare Ortsnetztransformator im Verteilungsnetz Lösung aller Spannungsbandprobleme? bl FGE Kolloquium, RWTH Aachen, , Dipl.-Ing. Ansgar Hinz

2 FRAGESTELLUNGEN Mti Motivation EE Zubau im Verteilnetz und die Folgen Problemstellung Spannungsbandverletzung Der Regelbare Ortsnetztransformator t t t Erfahrung aus Feldversuchen Zukünftige Herausforderungen Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 2

3 KLASSICHES VERSORGUNGSMODELL TOP DOWN Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 3

4 ENERGIEWENDE BEDINGT STARKES WACHSTUM ERNEUERBARER ENERGIEN Anteile Energieträger an der Stromerzeugung, Deutschland 2010 (in %) 100% Bundesregierung plant Wachstum 75% um Faktor ~3,5 bis % Sonstige Sonstige Erdgas Biogas Erneuerbare Energien Biogene Brennstoffe Steinkohle Wasserkraft Photovoltaik Kernenergie Hochvolatile 25% und dezentrale Energieträger Braunkohle Windenergie 0% Brutto-Stromerzeugung Brutto-Stromerzeugung Erneuerbare Energien Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 4

5 (R)EVOLUTION DER ENERGIEVERSORGUNG Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 5

6 EINE NEUE SYSTEMDENKE Traditioneller Netzbetrieb (Top Down): lastabhängig, uni direktional, zentralisiert Worldwide trends of electrical energy technology 380 kv, 220 kv 110 kv Zukünftiger Netzbetrieb (Internet Type): volatil, multi direktional, dezentralisiert Retrofit Technology old network structures / equipment increasing reliability demands higher equipment utilization information / communication New materials Power semiconductor 30 kv, 20 kv, 10 kv Regulating demands 690 V, 400 V, 240 V Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 6

7 DAS MASTERPROBLEM DER ÜBERTRAGUNGSNETZE aktuelle Schätzung: bis 2015 werden 850 km neue Übertragungsleitung erforderlich in den letzten 6 Jahren wurden davon rund 90 km gebaut bis 2020 müssen, abhängig von der Technologie, noch rund km gebaut werden beim aktuellen Projekttempo (Genehmigung und Bau) würde dies rund 125 Jahre dauern Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 7

8 DAS MASTERPROBLEM DER VERTEILUNGSNETZE Quelle: E.ON Avacon Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 8

9 PUNKTUELL BEREITS HEUTE MASSIVER ZUBAU ERNEUERBARER ENERGIEN Beispiel Larrieden Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 9

10 SPANNUNGSBANDAUFTEILUNG IM VERTEILUNGSNETZ Ohne Regelung Spannungshub im NS-Netz auf 3% begrenzt Ausgangssituation heute: DIN EN Spannungsband Abweich hung von Nennspannu ung (in %) 110 kv 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Umspann- Mittelspan- Ortsnetz- Niederspanwerk nungsnetz station nungsnetz +10 % +5 % Netzplanungs-e pa u 0 % praxis basierend auf Worst-Case - Rechnungen -5 % 2 % Spannungsanhebung durch Einspeisung 2 % Regelbandbreite Transformator 5 % Spannungsabfall im MS-Netz Außerhalb des Spannungsbands 3 % Spannungsanhebung durch Einspeisung Jeweils 1,5 % Spannungsabfall und Einstellungenauigkeit Ortsnetztransformator Maximale Einspeisung -10 % 5 % Spannungsabfall im NS-Netz Maximale Außerhalb des Spannungsbands Last Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 10

11 SIGNIFIKANTER ANTEIL NIEDERSPANNUNGSNETZE ZUKÜNFTIG MIT SPANNUNGSBANDVERLETZUNGEN Anteil Niederspannungsnetze mit Spannungsbandverletzungen Ländliche Netze Vorstädtische Netze Städtische Netze 35% 35% 35% 30% 30% 30% 25% 25% 25% 20% 20% 20% 15% 15% 15% 10% 10% 10% 5% 5% 5% 0% 0% 0% Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 11

12 WAS IST STABILITÄT? So verstehen Sie und ich Stabilität Leistungsfähigkeit g und Versorgungsqualität g Übertragungsaufgabe Zuverlässigkeit Spannungsqualität Systemdesign Technischer Stabilitätsbegriff Frequenzstabilität Wirkleistungsbilanz Technischer Stabilitätsbegriff Statische Stabilität Transiente Stabilität Eigenschaft der Synchronmaschine Sonderprobleme Spannungsstabilität Netzphänomen Zukunftsprobleme Phasenstabilität Eigenschaft von IGBT Umrichtern Quelle: TU Kaiserslautern Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 12

13 DER (RONT) ALS SYSTEMLÖSUNG FÜR ORTSNETZSTATIONEN EINE BEWÄHRTE TECHNOLOGIE EINE BEWÄHRTE TECHNOLOGIE Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 13

14 GRIDCON itap - DIE SYSTEMLÖSUNG FÜR REGELBARE ORTSNETZTRANSFORMATOREN Grundkonzept Laststufenschalter Transformator (3 Phasen) Oberspan nnungsw wicklung U S Stammwicklung Regelwicklung Un nterspann nungng swicklun Legende: U S : Stufenspannung I: Strom Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 14

15 DER REGELBARE ORTSNETZTRANSFORMATOR (RONT) ALS SYSTEMLÖSUNG FÜR ORTSNETZSTATIONEN 3 MS-Netz Spannungsregler Ortsnetzstation Spannungsmessung am Transformator Niederspannungsnetz abgesetzte Spannungsmessung Regler Sensor Aktor V 1 Transformator PV G 2 Laststufenschalter 3~ = PV 3~ = PV 3~ = Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 15

16 INSTALLATION LARRIEDEN Larrieden bei Feuchtwangen Einsatz in hochbelastetem Netzgebiet mit 650 kwp Photovoltaik Weyhe und Stuhr bei Bremen Abgesetzte U Regelung Weitere weitreichende Projekte Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 16

17 INSTALLATION OBERURSEL 630 kva Ortnetzstation Transformator mit amorphem Kern 20 kwp Photovoltaik 8 kwp Windenergie 100 kvardynamische Kompensation Ladestation E Mobility Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 17

18 GRIDCON itap - DIE SYSTEMLÖSUNG FÜR REGELBARE ORTSNETZTRANSFORMATOREN Eigenschaften Lastschaltfunktion Reaktorschalter, d. h. Strombegrenzung durch Drosseln Linearer Direktantrieb Lichtbogenlöschung in speziell entwickelten Vakuumzellen Regelung auf der Oberspannungsseite 3 Phasen 9, 7 oder 5 Stellungen Symmetrische oder asymmetrische Auslegung (z.b. +4/-4 4 oder +5/-3) Stufenspannung frei wählbar solange kleiner gleich 3% (entspricht maximal 600 V) Einsetzbar in allen Transformatoren bis 800 kva und 24 kv Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 18

19 GRIDCON itap - DIE SYSTEMLÖSUNG FÜR REGELBARE ORTSNETZTRANSFORMATOREN Unterschied Widerstandsschnell- und Reaktorschalter Widerstandsschnellschalter Reaktorschalter (GRIDCON itap ) Widerstände zur Kreisstrombegrenzung Widerstände können nur kurz belastet werden, daher Federkraftspeicher nötig N Anzapfungen ermöglichen N Stufen Bekannt seit 1926 Hauptprinzip in Europa Drosseln zur Kreisstrombegrenzung Drosseln können dauerhaft belastet werden, daher langsamere Schaltungen möglich N Anzapfungen ermöglichen (Nx2)-1 Stufen Bekannt seit 1905 Hauptprinzip in den USA Legende: I C : Kreisstrom; I: Strom Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 19

20 DER REGELBARE ORTSNETZTRANSFORMATOR (RONT) ALS SYSTEMLÖSUNG FÜR ORTSNETZSTATIONEN Basis Regelalgorithmus entkoppelt Mittel- und Niederspannung DIN EN Spannungsband Netzplanungspraxis basierend auf Worst-Case - Rechnungen ennspannu ung (in %) Abweich hung von N 110 kv 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Umspann- Mittelspan- Ortsnetz- Niederspanwerk nungsnetz station nungsnetz +10 % Außerhalb des Spannungsbands Maximale 11 % Spannungsanhebung Einspeisung +5 % 0 % -5 % 2 % Spannungsanhebung durch Einspeisung 2 % Regelbandbreite Transformator 5 % Spannungsabfall im MS-Netz durch Einspeisung Regelung nach unten 4% Regelbandbreite Regelung g Ortsnetztransformator nach oben -10 % 5 % Spannungsabfall im NS-Netz Maximale Außerhalb des Spannungsbands Last Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 20

21 BEISPIEL 1: LARRIEDEN EEG-ZUKUNFTSSZENARIO BEREITS HEUTE REALITÄT Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 21

22 BEISPIEL 1: LARRIEDEN EEG-ZUKUNFTSSZENARIO BEREITS HEUTE REALITÄT Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 22

23 BEISPIEL 1: LARRIEDEN EEG-ZUKUNFTSSZENARIO BEREITS HEUTE REALITÄT Schaltungen pro Tag im Juli Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 23

24 ERFAHRUNGEN AUS DER STUFENSCHALTERENTWICKLUNG UND FELDTESTS Anforderungen/Fragen der Verteilnetzbetreiber: Konventioneller Ölschalter ( Oiltap L ) Hat der RONT negative Auswirkungen auf das Netz? Wie viele Stellungen werden überhaupt benötigt? Arbeitet der RONT autark am Netzknoten oder ist eine IKT Anbindung notwendig? Lessons learned: langlebig wie ein ungeregelter Transformator robuste, autark einsetzbare Lösung notwendig wartungsfreier regelbarer Transformator Hybridhlt schalter Vakuumschalter GRIDCON itap kompakt zur Integration in Kompaktstationen 5-9 Stufen, Stufenspannung: Nach Kundenwunsch, typisch 2% oder 2.5% Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 24

25 ERFAHRUNGEN AUS DER STUFENSCHALTERENTWICKLUNG UND FELDTESTS Messungen seit 2009, RONT Feldtests seit Januar Larrieden 2 e Home 3 Oberursel 4 Nieder 5 Seebach vorschütz Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 25

26 BEISPIEL 2: e-home-energieprojekt 2020, E.ON AVACON ANSATZ DER DEZENTRALEN SPANNUNGSREGELUNG Bisher eine starre Kupplung zwischen Mittel- und Niederspannung. 8% 2% 3% 7% 3% 12% 5% Deshalb können wir das normativ verfügbare Spannungsband von +/- 10 % pro Netzebene nicht ausnützen, sondern müssen es aufteilen. Da die Aufteilung (und damit die gewachsene Netztopologie) klassischerweise praktisch ausschließlich auf die Versorgungsaufgabe ausgerichtet war, gibt es im Spannungsband kaum Spielraum für dezentrale Erzeugung. Für Verbrauch nötig Schwankung am Trafo MS NS Frei für Erzeuger In MS für NS reserviert Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 26

27 BEISPIEL 2: e-home-energieprojekt 2020, E.ON AVACON ANSATZ DER DEZENTRALEN SPANNUNGSREGELUNG Einzelne RONT s erschließen im jeweiligen NS-Netz Netz deutlich höhere EEG-Potenziale ohne Netzausbau Sie können auf Erzeugung und Verbrauch (Wärmepumpen, E-Mobility) verteilt werden. Das Spannungsband im MS- Netz und in den Ortsnetzen ohne RONT bleibt unverändert. Konventionelle Nutzung der Nt Nutzung bei bi punktuellem Spannungsbänder MS / NS RONT-Einsatz NS Für Verbrauch nötig Nutzung im Konzept der DSR Schwankung am Trafo Frei für Erzeuger In MS für NS reserviert Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 27

28 BEISPIEL 2: e-home-energieprojekt 2020, E.ON AVACON ANSATZ DER DEZENTRALEN SPANNUNGSREGELUNG Konventionelle Nutzung der Nutzung bei punktuellem Nutzung im Konzept Spannungsbänder MS / NS RONT-Einsatz NS der DSR Für Verbrauch nötig Schwankung am Trafo Frei für Erzeuger In MS für NS reserviert Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 28

29 ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK Zusammenfassung RONT erhöht die Aufnahmefähigkeit des Verteilungsnetzes für erneuerbare Energien Wirksamkeit in zahlreichen Feldtests bereits nachgewiesen Kundenanforderungen KOMPAKT, WARTUNGSFREI und LANGLEBIG in Produktentwicklung eingeflossen -> Serienlösung verfügbar! Ausblick Berücksichtigung des RONT-Einsatzes auf Netzplanung und betrieb (NS- und MS!) Verdeutlichung tlih der Kosteneffizienz ffii zum klassischen Netzausbau Nt zur Anerkennung in ARegV (Zeitverzug der Erlöswirksamkeit, F&E Budgets) Power Distribution, Dipl.-Ing. Ansgar Hinz I FGE-Seminar I Seite 29