CEBra Innovationstag

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1 Netzanschluss von Windenergieanlagen in MS-Netzen CEBra Innovationstag envia Verteilnetz GmbH Magdeburger Str Halle

2 Gliederung 1. Vorstellung Netzgebiet der enviam 2. Umfang der Windeinspeisung und regionale Verteilung im Netzgebiet 3. Anschlusslösungen 4. Anschlussbewertung 5. Schutzeinrichtungen 6. Zusammenfassung aus Netzbetreibersicht Seite 2

3 Vorstellung des Netzgebietes der enviam (1) Geschäftstätigkeit in Teilen von Sachsen, Sachsen-Anhalt, Brandenburg und Thüringen Netzstationen; 174 Stück 110-kV-UW; km Netzlänge; GWh Netzentnahmen; MW Höchstlast Stand Seite 3

4 1.790 MW Windeinspeisung im Netz enviam in Betrieb (2) Roßlau Luckau Lübben Guben Ballenstedt Köthen Jessen Calau Cottbus Klostermansfel d Salzmünde Halle Bitterfeld Bad Düben Zinna Falkenberg Ruhland Hoyerswerda Artern Bad Lauchstädt Taucha Stand Sitz enviam Naumburg Netzregionssitz Service Center Netz Obermonteursbereich Zorbau Tröglitz Plauen Markkleeberg Altenburg Crimmitschau Frohburg Willkau- Haßlau Grimma Limbach/ Lunzenau Stollberg Auerbach Schwarzenberg Adorf Mockritz Annaberg- Buchholz Seite 4 Mittweida Flöha Marienberg Freiberg Servicecenter mit installierter Windkraftleistung bis 30 MW Servicecenter mit installierter Windkraftleistung zwischen 30 MW und 60 MW Servicecenter mit installierter Windkraftleistung zwischen 60 MW und 100 MW Servicecenter mit installierter Windkraftleistung über 100 MW und weitere MW in Planung/Bau

5 Aufteilung der Windeinspeisung auf die Spannungsebenen (2) ca. 50 % in HS 1790 MW WEA in Betrieb 876 MW 914 MW ca. 50 % in MS Anschluss an 110-kV und 30-kV Hochspannungsnetze Anschluss an 20-,15- und 10-kV Mittelspannungsnetze 305 Anschlüsse 41 Anschlüsse im MS-Netz an die MS-SS eines Umspannwerkes mit 476 MW von 0,08 MW bis 10 MW 110/30 kv mit 437 MW von 2,4 MW bis 26,4 MW 20/15/10 kv-ss Seite 5

6 Anschlusslösungen für das MS-Netz (3) Ziel: Minimale Kosten unter Berücksichtigung der Anforderungen der Netz-Betriebsführung grundsätzlich Übergabestation in Netznähe mit Stich - Anschluss an MS-Freileitung Mastabführung Anschluss an MS-Kabel T-Muffe Übergabestation Übergabestation Seilklemme KEV in Ü-Station Eigentumsgrenze an der ersten zugänglichen lösbaren Klemmstelle Seite 6

7 Anschlusslösungen für die MS-SS eines UW (3) Ziel: Minimale Kosten unter Berücksichtigung der Anforderungen der Netz-Betriebsführung grundsätzlich Übergabestation am UW-Zaun Var 1 Var 2 Var 3 Var 4 Nutzung eines schon mit Direkteinspeisern belegten SF Nutzung eines schon mit Netzkabeln belegten SF (mit n-1) Nutzung eines schon mit Netzkabeln belegten SF (ohne n-1) Nutzung eines separaten SF manuelle Abschaltung bei n-1 Eigentumsgrenze im UW Schaltfeld Untersuchung in dieser Reihenfolge - Nutzung eines vorhandenen SF für mehrere Kabel hat Vorrang Seite 7

8 Anschlussbewertung (4) Ziel: Minimale Kosten unter Berücksichtigung der EN und der VDEW-Richtlinie EEA am MS-Netz Kriterium Anschlüsse im MS-Netz werden bewertet im Normalschaltzustand (n-1)-fall Zulässigkeit aus Sicht der 110-kV-Gesamtkoordinierung unabhängig vom Schaltzustand Bemessung der Netzbetriebsmittel X X Spannungsanhebung X realisiert übergeordneter Entkupplungsschutz Erhöhung des Kurzschlussstromes X X Schaltbedingte Spannungsänderungen X Langzeitflicker X Oberschwingungen und Zwischenharmonische X Tonfreuquenz-Rundsteueranlagen X Sternpunktbehandlung (max. Erdschluss(rest)strom) X X Abstände zu Freileitungen unabhängig vom Schaltzustand Seite 8

9 Anschlussbewertung (4) Bemessung der Netzbetriebsmittel - Untersuchung mit komplexer Lastflussberechnung, Berücksichtigung der schon vorhandenen und der reservierten Einspeisungen - Ansatz als Dauerlast mit S 10min - Verbraucher gegenläufig - Schwachlastfall (wenn keine detaillierten Angaben vorliegen, dann 0,3 x Spitzenlast) - Ausnutzung der Überlastfähigkeit der Netzbetriebsmittel - (n-1) sicher bei Anschlüssen im MS-Netz - Kontrolle auch der Betriebsmittel im UW (unter Berücksichtigung aller weiteren Einspeisungen in diesem Netz) - Verschleifungsformel für die Überlagerung unterschiedlicher Energiearten Seite 9

10 Anschlussbewertung (4) Spannungsanhebung - Untersuchung mit komplexer Lastflussberechnung, Berücksichtigung der schon vorhandenen und der reservierten Einspeisungen, Rechnung mit S 1min - Relative Spannungsanhebung U 2% in gesamten Netz Lastfälle Schwachlast und keine Einspeisung Schwachlast und volle Einspeisung - Spannungsanhebung kann auch negativ sein unterschiedliche Wirkung induktiver Blindbezug der WEA am UW-Trafo und im MS-Netz - Absolute Spannungsanhebung U 106% U n - Praxis zeigt derzeit sofort massives Anwachsen von Beschwerden bei U > 106% U n - Wenn für die beantragte Einspeisung erforderlich und aus Sicht der beziehenden Kunden möglich Absenkung des Spannungsbandes 1 bis auf 104% U n (positive Erfahrung mit Einengung auf 1,0%, Stufungshäufigkeit immer noch unter den zulässigen Werten) Veränderung der Lage der Normaltrennstellen Seite 10

11 Anschlussbewertung (4) Erhöhung des Kurzschlussstromes - erhebliche Beiträge der Windparks zum Kurzschlussstrom - Überprüfung insbesondere der dynamischen Kurzschlussfestigkeit der Betriebsmittel und der Abschaltleistung von Leistungsschaltern Datenblatt Berechnung und Vergleich mit Betriebsmitteldaten 7 ka 690 V 183A 20000V 1250 kva 6% x 12 Anlagen = 2,2 ka Schaltgerät LT 20 LHTCI 2-20 SCI 1-20/630/250.. I a 400 A 400 A 7200 A.. I p 14 ka 15 ka 24 ka.. I k(1s) 15 ka 20 KA 20 ka.. 8 km 2402 MK 1,9 ka (65 MVA) 7,3 ka 250 MVA 315 MVA 9 KA (I K" ) 22,6 KA (I ) p - Problematisch vor allem in 10- und 15-kV-Netzen mit nur direktgekoppelten Asynchronoder Synchrongeneratoren - Kurzschlussleistungen von über 350 MVA im Normalbetrieb und 410 MVA bei Umschaltungen im UW werden erreicht Seite 11

12 Anschlussbewertung (4) Schaltbedingte Spannungsänderungen - Umax = 2 % - in der Regel durch Stafflung der nicht störungsbedingten Zu- und Abschaltungen beherrschbar - bei Enercon mit entsprechender Rampe dp/dt auch ohne Stafflung beherrschbar (Umrechnung mit Braunbuch ) - künftig Mitbetrachtung der Trafozuschaltungen? Netzspannung Langzeitflicker - Plt 0,46 - bisher noch keine Probleme aufgetreten Stromverlauf Seite 12

13 Anschlussbewertung (4) Oberschwingungen und Zwischenharmonische - Überprüfung anhand der Tabelle laut VDEW-Richtlinie - In Einzelfällen Überschreitung der leistungsanteilig zulässigen Ströme, insbesondere im Bereich bis zur 11. Oberschwingung, in dem arithmetisch zu addieren ist - Kontrollmessungen zeigen - eine Erhöhung der Oberschwingungspegel, vor allem im Bereich der niedrigen geradzahligen Ordnungszahlen - in Einzelfällen Überschreitungen von zulässigen Pegeln - fast immer andere kritische Oberschwingungen, als in den Prüfberichten ausgewiesen Seite 13

14 Anschlussbewertung (4) Sternpunktbehandlung - Betrieb der MS-Netze mit Resonanzsternpunkterdung - Netzgröße (Erdschlussstrom bzw. reststrom) ist aus Gründen der Einhaltung der Löschgrenze und der zulässigen Berührungsspannung begrenzt - Windparknetze verursachen erhebliche Erdschlussströme (im Einzelfall bis 120 A [20 kv]) - Einhaltung der zulässigen Netzgröße wird in der Anschlussbewertung überprüft (zulässige Netzgröße z.zt. I CE = 400 A bei I Rest = 30 A und I CE = 800 A bei I Rest = 60 A) - ggf. Notwendigkeit einer Anschlusslösung mit Trenntrafo oder sogar 110-kV-Anschluss - Aufnahme dieses Bewertungskriteriums in VDEW-RL EEA am MS-Netz wünschenswert Seite 14

15 Beispiele für große MS-Anschlüsse (4) UW 31,5 MVA MS (15) UW 31,5 MVA MS (20) 630 A 1250 A 100 m Anforderung cos 1,0 Übergabestation 15,5 kv 20/21/22 kv 16 MVA 10 km 2 x 5002 AL VPE-K. 14 km AL VPE-K. CE= 120A S " = 120 MVA K Beitrag Leistungsüberwachung auf 16,4 MW 0,5 MVar MS (20) 6 x 2,5 MW 6 x 1,5 MW 18 MW Windpark 18 MW am 15-kV-Netz Seite 15 5 MVar 16 x 1,65 26,4 MW 10 km AL VPE-k. Windpark 26,4 MW am 20-kV-Netz Anschlüsse verursachen erheblichen Aufwand bei Planung und Betrieb der MS-Netze

16 Schutzeinrichtungen (5) Einbauort Schutzeinrichtung Bedingung Einsatz bei Anschlussvarianten Übergabestation Einzelanlage Grundsätze für die Auswahl der Schutzeinrichtungen Übergabeschutz UMZ-Schutz mit ESR Übergeordneter Entkupplungsschutz U> Entkupplungsschutz U>, U<, f>, f< bei Anschluss an Netz mit weiteren Kunden (Selektivität) bei Anschluss an Netz, wo Spannung nicht durch UW "festgehalten" wird und Einstellwerte nicht eindeutig berechnet oder manipuliert werden können (Spannungsqualität) bei Parallelbetrieb immer erforderlich (Sicherheit) VKP:MS-Netz VKP: MS-SS eines UW (Var. 2,3) VKP:MS-Netz VKP: MS-SS eines UW (Var. 2) bei allen Anschlussvarianten Einstellwerte für den Entkupplungsschutz Funktion Einstellbereich Vorgabewerte am Übergabepunkt zum Netz der enviam Gesamtabschaltzeit Min: 0,15 s Spannungsrückgangsschutz 1,00 bis 0,70 U n 0,8 U n Max: 0,25 s Spannungssteigerungsschutz 1,00 bis 1,15 U n 1,08 U n Max: 0,25 s Frequenzrückgangsschutz 50 bis 48 Hz 47,5 Hz Max: 0,25 s Frequenzsteigerungsschutz 50 bis 52 Hz 51,5 Hz Max: 0,25 s Vektorsprungüberwachung 5 bis 10 8 Max: 0,25 s Wo einstellen? VKP: MS-Netz MS-SS im UW (Var.2) U> in Ü-Station U<,f>,f< an Einzelanlagen, wenn U> auch an Einzelanlagen vorhanden, dann dort max. 1,1 U n VKP: MS-SS im UW (Var.1,3,4) U> mit max. 1,1 U n, U<,f>,f< an Einzelanlagen Seite 16

17 Schutzeinrichtungen (5) VKP Beispiele für den Einsatz der Schutzeinrichtungen MS-Netz VKP MS-SS eines UW Bsp. Var. 2 Netzkabel und (n-1) sicher abführbar überstaffeln (u.u. Gerätewechsel im NSZ-Netz) UW 5 MS UW 5 VKP MS ca. 25 m Stich Sonder: Einschleifung U>:1,08 Un 1, 3 4 VKP Unterstation Übergabeschutz mind. 3polig UMZ oder Distanzschutz (besser für Selektivität im Kundennetz) ESR KNOSPE j 4polig UMZ KNOSPE n EWi U>:1,08 Un Übergabestation Übergabestation neben UW 1,3 tmax=0,1s Unterstation MS NS 2 Entkupplungsschutz ( U; f; ) 3 Übergeordneter Entkupplungsschutz (U>) MS NS 2 2 U>:max.1.1 Un ~ ~ 4 UMZ im UW-Abgang 5 Anlagenschutz für UW-SS U>:max.1.1 Un ~ ~ ~ ~ Seite 17

18 Schutzeinrichtungen (5) Verhalten bei Anlagenfehlern in der MS-Anlage von UW bei UMZ-Schutz im UW-Abgang UW UMZ UMZ oder Distanzschutz an UMZ MS k < an Abschaltung in angehobener Schnellzeit von ca ms durch Anlagenschutz im Trafo (Nutzung rückwärtige Verriegelung) EEA trennt sich durch Entkupplungsschutz Übergabestation UMZ k EEA k an Abgangsschutz regt an und blockiert Anlagenschutz Abschaltung in ms + ca. 250 ms Abschaltung durch Anlagenschutz in bis zu 450ms - erhöhte Anlagenschäden an MS-Anlage im UW - Störungsstatistik von Anlagenfehlern in MS-Anlagen ca Fehler ( aller 200 a ist jede MS-Anlage dran ) UW x Jahr - Risikobetrachtung zwischen geringer Wahrscheinlichkeit und sehr großen Auswirkungen Seite 18

19 Schutzeinrichtungen (5) Einfluss und Auswirkung von WEA über die Netzschutzeinrichtungen auf Anschlusskonzepte, Fehlerauswirkungen und -suchdauern - Hohe Betriebsströme der WEA und die Einschaltsicherheit (große Trafos) erfordern eine Erhöhung der Anregeströme im UW, was nur bei kurzen Netzleitungen möglich ist - höhere Fehlerstandzeiten bei MS-Sammelschienenfehler durch Blockierung des Anlagenschutzes im UW möglich - längere Fehlersuche durch Ansprechen von Kurzschlussanzeigern hinter der Fehlerstelle - Überstromanregungen in nicht fehlerbetroffenen Abgängen im UW - Unzureichende Kontrollierbarkeit des Entkupplungsschutzes der WEA, Prüfklemmleiste ist nicht Praxis - Hinweis: höhere Abschaltzeiten der WEA bei gewollter Netzabschaltung des Leitungsabganges im UW ohne vorausgegangenen Netzfehler (bei Inbetriebnahmen ermittelt: z.b. 1,8 s 2,5 s); außerdem Resonanzen im verbleibenden Inselnetz mit sehr hohen Strömen möglich Seite 19

20 Zusammenfassung aus Netzbetreibersicht (7) Netzreserven werden durch Absenkung der UW-Spannung verbraucht Planungskriterien werden erweitert Bisher zusätzlich Neu 1. Spitzenlast und keine Einspeisung 2. Schwachlast und volle Einspeisung MS-Netze werden an den Grenzen betrieben (Kurzschlussfestigkeit, Erdschlussstrom) Spannungsqualität wird schleichend schlechter Ausnutzung der maximal möglichen Spannung von 106 % U n im MS-Netz gestattet nur geringe (lastabhängige) Einspeisungen im NS-Netz Anhebung der Spannung auf 110 % U n für Anschlüsse von WEA und NS-Netz positiv, aber hinsichtlich Kundenstörfestigkeit z.zt. nicht verträglich Einschränkungen beim Netzschutz, Längere Fehlersuchzeiten Seite 20

21 Anschlussbewertung (4) Bewertung mit komplexer Leistungsflussberechnung Seite 21

22 Anschlussbewertung (4) 100 [%] Bemessung der Netzbetriebsmittel Ansatz als Dauerlast? EVU-Last Wind-Einspeisung 1 Wind-Einspeisung 2 Tag 1 Tag 2 Tag 3 Bisherige Praxiserfahrungen: Belastungsgrad 0,7 EVU-Last 0,85 Wind über mehrere Tage (72 h) 0,9 Wind über einen Tag (24 h) Seite 22

23 Anschlussbewertung (4) Bemessung der Netzbetriebsmittel Überlagerung verschiedener Energiearten Welche Einspeiseleistung wird am Trafo wirksam? S ges S KWK ( SWind) ² ( SPV) ² Beispiel 2 2 4MVAKWK (11MVAWind ) (2,4MVAPV ) 15, 3MVA MS 4 MVA 3,1 MVA 8 MVA 1,6 MVA 4 MVA BHKW 3 MVA Wind 2 MVA PV 0,8 MVA 1 MVA PV 8 MVA Wind Hinweis: Bei PV-Anlagen gilt außerdem der Faktor 0,8 für die anzusetzende Leistung Seite 23

24 Anschlussbewertung (4) Oberschwingungen und Zwischenharmonische Überschreitung von zulässigen Pegeln 0,2 % Vorgaben: 8. Oberschwingung EN und EN ,5 % Un im MS-Netz gesamt VDEW-RL EEA am MS-Netz 0,1 % Un davon für Einspeisungen Stromverlauf Windpark mit 18 MW und zwei WEA-Typen Seite 24

25 Anschlussbewertung (4) Oberschwingungen und Zwischenharmonische Überschreitung von zulässigen Pegeln 0,4 % Vorgaben: EN und EN ,0 % Un im MS-Netz gesamt VDEW-RL EEA am MS-Netz 0,1 % Un davon für Einspeisungen 2. Oberschwingung Stromverlauf PV-Großanlage mit 5 MW Seite 25