Praxiseinsatz + Untersuchungen zur Netzverträglichkeit von DC-Schnellladesäulen im Verteilnetz

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1 Praxiseinsatz + Untersuchungen zur Netzverträglichkeit von DC-Schnellladesäulen im Verteilnetz Dr. Matthias Sturm, Erfurt Anwenderforum MobiliTec (Hannover Messe) 9. April 2013 Schwerpunkt: Gesteuertes Laden, Netzverträglichkeit, Vernetzung

2 Praxiseinsatz + Untersuchungen zur Netzverträglichkeit von DC-Schnellladesäulen im Verteilnetz Hintergrund und Themenbeschreibung Analyse Netzverträglichkeit DC-Schnellladesäule 50kW im Praxiseinsatz Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur in charakteristischen regionalen Verteilnetzinfrastrukturen Schlussfolgerungen zur Netzverträglichkeit und Netzbelastung im Verteilnetz

3 Hintergrund und Themenbeschreibung Inbetriebnahme DC-Schnellladesäule 50 kw am Standort der E.ON Thüringer Energie AG am Anschluss im firmeneigenen Objektnetz (IPC) im Bereich Niederspannungs- Stationsausleitung, Entfernung zur Trafostation = Verknüpfungspunkt zum öffentlichen Versorgungsnetz (PCC) ca. 100m Grundsätzliche Fragestellung nach Netzverträglichkeit der Säule am internen Anschlusspunkt (IPC) und am Verknüpfungspunkt zum öffentlichen Versorgungsnetz (PCC) Grundsätzliche Fragestellung zur Netzbelastung bei Einsatz mehrerer Säulen in einem galvanisch gekoppelten Verteilnetz (perspektivische Ladeinfrastruktur)

4 Analyse Netzverträglichkeit Vorgehen und Richtlinie DACHCZ- Richtlinie Netzdaten S N, S kv, Z kv, Z ν,... Öffentliches Netz Verknüpfungspunkt (V) Berechnung und Beurteilung der Netzrückwirkungen am Verknüpfungspunkt Kundenanlage M/G Kundendaten S best, S A, S rt, Q KO,...

5 Richtlinie Netzverträglichkeitsanalyse Bewertung Spannungsänderung und Flicker U 1) A = U U V = S S kv A cos( ψ ϕ) r i [min -1 ] < 0,01 2) max = 6% (3%) 3) 0,01 0,1 U DACHCZ- Richtlinie Amax = 3% (2%) > 0,1 max = 3% (2%) + P st = 0,8 + P lt = 0,5 (Flickerpegel) Bewertung Oberschwingungen THDi A = 50 ν = 1 I S ν pν I A 1000 S I A I 2 ν k V A p ν 2 S S k V A ν > 19 p ν 6 (18)* ,5 1 1) UA in DACHCZ-RL als d bezeichnet 2) für kurzzeitige Laständerungen mit geringer Wiederholrate 3) Angaben für im NS-Netz; Werte in Klammern: MS-Netz

6 Analyse Netzverträglichkeit DC-Schnellladesäule 50kW Netzimpedanz am Verknüpfungspunkt (PCC) und am Anschlusspunkt (IPC) Trafostation Kabelverteiler Ladepunkt S kv = 50 MVA Ψ kv = 85 S kv =8,5 MVA Ψ kv = 81 S kv =4,78 MVA Ψ kv = 45 PCC2 S A =48,5kVA cosφ = 0,97 S kv / S A = 1000 S kv / S A = 175 S kv / S A = 100 Zu bewerten wäre eigentlich der Verknüpfungspunkt (PCC) an der Trafostation. Aufgrund des Kurzschlussleistungsverhältnisses >150 (NS), bzw. >300 (MS) sind hier keine kritischen Netzrückwirkungen zu erwarten (Richtwerte DACHCZ-RL). Zur Modellierung eines Parkplatzanschlusses im öffentlichen Bereich (hier mögl. Anschluss im NS-Leitungsnetz) wird nunmehr der im Werksnetz vorhandene Anschlusspunkt mit Messstelle (IPC) als PCC2 betrachtet

7 Ladeleistung =1,4% < U Zulässig = 3% Verlauf von Ladewirkleistung und Netzspannung Netzspannung insgesamt einzuhaltender Grenzwert für Änderung Nennspannung max. 10% Grenzwert für Einzelanlage wird eingehalten Grenzwert: 219 V (U LE ) maximale Ladezeit 25 min

8 Wirkleistung Verlauf von Wirkleistung, Blindleistung und cosφ Grenzwert: 0,93 cosφ min = 0,94 > cosφ Zulässig = 0,93 Grenzwert wird eingehalten 0,94 Leistungsfaktor 0,97 Blindleistung

9 Verlauf von Strom und Spannung im Einschaltmoment 0,1 V 2 A U = 0,4V/s = 0,2% keine schaltbedingten Spannungsänderungen 0,2 sec

10 12 puls- Gleichrichter Verlauf von Strom und Spannung bei max. Ladeleistung von 47 kw

11 Oberschwingungsspektrum des Ladestromes bei Maximalladung a: Bewertung des Gesamtoberschwingungsgehalt im Ladestrom THDi A = S S kv A = ,7 = 19,87% in diesem Falle max. zulässiger OS- Gehalt 3,5A 2,8A THDi A = 50 I υ= 2 I A 2 υ = 7,13 72 = 9,9% gemessener OS- Gehalt ist zulässig b: Bewertung einzelner OS- Ströme I v I A p S ν 1000 S k V A Grenzwertüberschreitung ggf. Maßnahmen! 0,7A 0,7A

12 Oberschwingungsspektrum der Netzspannung vor Beginn des Ladevorganges Oberschwingungsspektrum der Netzspannung während des Ladezyklus Trotz Emissionsgrenzwertüberschreitung Einzelströme sind alle Spannungsverzerrungen im zulässigen Bereich EN50160 bzw. im EVU-Planungspegel (Netzebenen)

13 Analyse Netzverträglichkeit DC-Schnellladesäule 50kW Bewertung am PCC2 : Spannungseinsenkung im zulässigen Bereich durch Sanfthochlauf Ladestrom keine schaltbedingten Spannungseinbrüche Leistungsfaktor (Blindleistungsaufnahme) im zulässigen Bereich Oberschwingungsspektrum entspricht 12-puls-Gleichrichter, THDi zulässig; bei einzelnen OS- Strömen aber Grenzwertüberschreitung aber: Spannungsverzerrungen am gewählten AP im zulässigen Bereich Unter der Maßgabe ggf. zu realisierender OS-Filterung (nur bei Störungen anderer am PCC2 hinzukommender Verbraucher) kann dem Anschluss auch am PCC2 zugestimmt werden.

14 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur in regionalen MS-/NS-Verteilnetzinfrastrukturen Kriterien der Verteilnetzuntersuchung 1. maximale Trafostationsauslastung in % der installierten Trafoleistung P Tr [MVA] Kriterium der Grenzwertüberschreitung: Auslastung > 100% P Tr 2. maximale Auslastung des Leitungsnetzes in % des jeweils thermisch zulässigen Grenzstromes der betroffenen Kabel- bzw. Freileitungen I th [MVA] Kriterium der Grenzwertüberschreitung: Auslastung > 100% P th 3. maximaler Spannungsabfall in %, zwischen Anschlusspunkt und der jeweils speisenden Niederspannungssammelschiene der Trafostation, bezogen auf die Nennspannung U N Kriterium der Grenzwertüberschreitung: U > 10%U N 1] maximaler Spannungsänderung in %, am Verknüpfungspunkt mit/ohne Einzellast Kriterium Grenzwertüberschreitung: > 3%(MS); > 6%(NS) 1] NS: bezogen auf U N =400V an NS-Sammelschiene der Trafostation anliegend MS: bezogen auf Sammelschienenspannung Umspannwerk

15 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur im regionalen Mittelspannungsnetz (Bsp. 1) 1 km Betriebshof 1x Gasanlage 1x Bahnhof (P+R) 2x 2x Einkaufsmarkt 1x Hotel Autohaus 1x 2x 1x SH Wandersleben 1x Hotel 2x 2x Einkaufsmarkt Tankstelle 3x Logistikzentrum 4x UW Thörey Autohof BAB Kurier (UPS) 2x 1x Umspannwerk Selektivstation 20-kV-Leitung Trennstelle Schnellladesäule(n) (..x= Anzahl Ladepunkte a 50kW)

16 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur im regionalen Mittelspannungsnetz (Bsp.1) I bel [%] = 1oo *I ltg /I therm Netzbelastung mit Schnellladeinfrastruktur im Starklastfall (g=1) in Klammern: Vorbelastung 20,5kV 20,4 kv 20,5 kv U=1,5% a: Normalschaltzustand 1 km =0,1% =0,1% 20,4kV SH Wandersleben =0,04% =0,05% 20,6 kv U=1% =0,1% =0,07% 20,5kV 20,6kV =0,05% I bel =22 % (19%) =0,04% I bel =15 % (13%) =0,07% =0,02% I bel =12 % (8%) 20,8 kv UW Thörey I bel =31% (28%) I bel =7 % (6%) I bel =21 % (19%) =0,01% I bel =69 % (66%) keinerlei Grenzwertüberschreitung im MS-Netz Belastungsänderungen sind marginal 20,5kV [%] = 1oo *(U ohne -U mit )/U N U [%] = 1oo *(U uw-ss -U knoten )/U N 20,5 kv U=1,5% =0,1% Umspannwerk Selektivstation 20-kV-Leitung Trennstelle 20,6kV Schnellladesäule(n) 20,6 kv Knotenspannung

17 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur im regionalen Mittelspannungsnetz (Bsp. 1) Netzbelastung mit Schnellladeinfrastruktur im Starklastfall (g=1) b: gestörter Schaltzustand (n-1) 1 km n-1-fall: U [%] = 1oo *(U UW-SS -U stat )/U N 20,6kV 20,0kV U=4% SH Wandersleben UW Thörey 20,4kV U=2% 20,0kV U=4% 20,2kV U=3% jew. Leitungsausfall U UW-SS = 20,8 kv Umspannwerk Selektivstation 20-kV-Leitung Trennstelle auch im n-1-fall keine Grenzwertüberschreitung max. Spannungsabfall im MS-Ltg.-Netz 4% Schnellladesäule(n) 20,6 kv Knotenspannung

18 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur im regionalen Mittelspannungsnetz (Bsp. 2) UW Heiligenstadt UW Leinefelde 1km Umspannwerk SH Dingestedt Selektivstation 20-kV-Strang korr. 20-kV-Strang Trennstelle Schnellladesäule MS-Stränge zw. korrespondierenden Umspannwerken Stränge zwischen Umspannwerken bis 30 km UW Mühlhausen 70 u. 50 mm 2 Freileitung und 150 mm 2 MS-Kabel 25 Ladepunkte in einem MS-Strang (Länge 20 km)

19 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur im regionalen Mittelspannungsnetz a: Normalschaltzustand UW Heiligenstadt U UW-SS = 21 kv I bel =47 % (33%) 1km =2% =1,5% 20,3 kv (20,6 kv) U= 3,5% (2%) I bel =28 % (19%) I bel =40 % (28%) I bel [%] = 1oo *I ltg /I therm 20,6 kv: Knotenspannung U [%] = 1oo *(U uw-ss -U knoten )/U N [%] = 1oo *(U ohne -U mit )/U N In Klammern: Vorbelastung 19,9 kv (20,3 kv) U= 5,5% (3,5%) =2,6% 19,5 kv (20 kv) U= 8% (5%) =3% keine Grenzwertüberschreitung im MS-Netz Belastungsänderungen sind beherrschbar

20 Simulation weitperspektivischer Schnellladeinfrastruktur im regionalen Mittelspannungsnetz b: gestörter Betrieb (n-1) UW Heiligenstadt U UW-SS = 21 kv U UW-SS = 21 kv UW Leinefelde 1km Leitungsausfall 19,9 kv U= 5,5% 19,6 kv U= 7% 20,6 kv: Knotenspannung U [%] = 1oo *(U uw-ss -U knoten )/U N 19,7 kv U= 6,5 % 19,8 kv U= 5,5% keine Grenzwertüberschreitung im MS-Netz Spannungsabsenkungen durch geeignete Trennstellenverlagerung beherrschbar UW Mühlhausen U UW-SS = 21 kv

21 Simulation einer fallweise sehr hohen Konzentration von Schnellladesäulen im NS-Ortsnetz Ortsnetz Schnellladesäulen 50 kw einspeisende MS/NS-Trafostation Trafostation 20 Schnellladepunkt 50kW Netzschaltzustand NS-Leitungen

22 Krankenhaus Schule Schulküche E.ON Thüringer Energie AG Simulation einer fallweise sehr hohen Konzentration von Schnellladesäulen im NS-Ortsnetz Netzvorbelastung ohne Schnellladeinfrastruktur (Starklastfall) 3,2 % 45 % 33 % Schwarz: P Trafo / P install (%) Blau: I Ltg / I therm (%) Grün: U / U N (%) 50 % 39 % 36 % : Trafostation : NS- Leitung 2,4 % 40 % : Hausanschluss 5,0 % hohe Vorbelastung 45 % 36 % 32 % 30 % 2,4 % 30 %

23 Krankenhaus Schule Schulküche E.ON Thüringer Energie AG Simulation einer fallweise sehr hohen Konzentration von Schnellladesäulen im NS-Ortsnetz Netzbelastung mit Schnellladeinfrastruktur im Starklastfall (g=1) Schwarz: P Trafo / P install (%) 6,4 % ( =3,2%) Blau: I Ltg / I therm (%) 65 % 77 % 6,4 % Grün: U / U N (%) in Klammern: 4,4 % ( =2%) 94 % 72 % 69% 68 % : Trafostation : NS- Leitung : Hausanschluss 76 % 7,0 % ( =2%) 73 % 54% 6,4 % ( =4%) 42 % 72 % hohe Netzauslastung, noch keine Grenzwertüberschreitung an Netzausläufern Spannungseinsenkung in Grenzwertnähe

24 Schlussfolgerungen zur Netzverträglichkeit und Netzbelastung im regionalen Verteilnetz keine signifikante Netzüberlastungen durch Schnellladeinfrastruktur im öffentlichen/halböffentlichen Bereich zu erwarten Spannungshaltung im Mittelspannungs- und im Niederspannungsnetz ist beherrschbar, ggf. regelbare Ortsnetztransformatoren/Netzregler einsetzen Anschlusspunkt im NS-Netz grundsätzlich fallweise nach DACHCZ-RL bewerten; Anschlüsse möglichst trafostationsnah und nicht an NS- Netzausläufern realisieren Schwerpunkte Netzverträglichkeit Schnellladung : Sanfthochlauf Ladestrom (wie im Untersuchungsfall bereits umgesetzt) Gleichrichtertechnik Einhaltung Oberschwingungsgrenzwerte beobachten