Photovoltaik-Zunahme erfordert Maßnahmen als Kostenbremse im Netz. Reinhard Nenning Vorarlberg Netz WIFI Hohenems, 6. Juni 2014, 18:00-22:00 Uhr

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1 Photovoltaik-Zunahme erfordert Maßnahmen als Kostenbremse im Netz Reinhard Nenning Vorarlberg Netz WIFI Hohenems, 6. Juni 2014, 18:00-22:00 Uhr

2 Themenübersicht» Einspeiserentwicklung in Vorarlberg und im Westallgäu» Die Aufnahmefähigkeit des Stromnetzes» Was kann der Netzbetreiber tun?» Was kann von den Einspeisern erwartet werden?» Sinnvolle Maßnahmen in Vorarlberg 2014 (in Umsetzung)» Was bedeutet dies für die Installateure? PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 2

3 Warum sich als Netzbetreiber mit Photovoltaik beschäftigen?» Energiewende politisch gefordert» Image des Unternehmens» Kosten PV Energiepreis weiterer PV Ausbau» Anschluss von PV verursacht Zusatzkosten» Verschiedene Maßnahmen können Zusatzkosten reduzieren PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 3

4 Verteilernetz (Vorarlberger Energienetze GmbH) Umspannwerke versorgte Gemeinden Trafostationen 28 ~ 100 ~ HS Leitungen (km) MS Leitungen (km) NS Leitungen (km) ~ 400 ~ ~ Max. Netzlast (MW) Install. Trafoleistung (MVA) ~ 550 ~ PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 4

5 APA Meldung PV in AT PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 5

6 Solarforscher erwarten weitere Kostensenkung bei der Photovoltaik nsenkung_bei_der_photovoltaik_ / Umfrage Innovationsallianz Photovoltaik veröffentlicht am »..» Nach unserer Prognose sind bei Solarstromanlagen bis 2020 Kostensenkungen um weitere 30 Prozent möglich. Die Photovoltaik steht weltweit an der Schwelle zur Wettbewerbsfähigkeit mit konventionellen Stromquellen. Sie wird sich innerhalb weniger Jahre in immer mehr Marktsegmenten und Regionen der Erde wirtschaftlich selbst tragen, sagt Professor Eicke Weber, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.» PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 6

7 In DE und auch AT Trend zu PV- Kleinanlagen bis 30kWp PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 7

8 PV-Bestand und möglicher Endausbau (Istdaten Bezugswerte je Netzstation Ende 2012) kwp/netzstation Vorarlberg (AT) VKW Allgäu (DE) 1 VNB in Bayern (DE) Endausbau? (AT+DE) PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 8

9 PV - Zubau Entwicklung V-Netz: nun Anteil blau (Österr.) im Vormarsch PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 9

10 Anstieg der Anlagenbeurteilungen in der Netzplanung PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 10

11 kwp Installierte PV-Leistung (Vlbg.) ( 2020) Installierte Leistung PV-Anlagen bei Vorarlberg Netz (in AT) Aktuell in Vlbg. Übererfüllung der Landesziele mit kwp Landesziele PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 11

12 Netz Niederösterreich: Netzbetreiber mit horrendem Anlagenzubau in Niederösterreich Spannungswächterlandkarte in NÖ Einbau Zusatzgerät Spannungswächter ab 5 kwp erforderlich 23 Streitschlichtungen beim Regulator waren anhängig PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 12

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19 Folgerungen / Erfordernisse*» Einspeisung aus PV wird zunehmend systemrelevant» Aufgrund hoher Zahl von Einzelanlagen: generelle Ansätze erforderlich» Anlagen im NS-Netz müssen zunehmend Verantwortung für das Netz übernehmen» Mehr Kraftwerksverhalten gefordert» Mitarbeit bei Frequenzhaltung im Störfall» Mitwirkung beim Erhalt des Drehstromnetzes» Mehr Blindleistungsregelung zur Spannungsstützung u. Erhöhung der Netzaufnahmefähigkeit * Aus Vortrag Michael Rapp EnBW am PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 19

20 Die alten Maßnahmen sind nicht mehr alleine sinnvoll» Hauptproblem: Spannungsanhebung in ländlichen Netzen während der Schwachlastzeit» Übliche Reaktion der Netzbetreiber bisher: Zusätzliche Kabel (Leitungsverstärkungen)» Diese sind teuer und dafür unergiebig» Kosteneffiziente Alternativen sind gefragt» Andernfalls ist der Ausbau der Einspeiser (Energiewende) zukünftig erschwert bzw. volkswirtschaftlich fragwürdig. PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 20

21 Strategien zur Beherrschung des Zuwachses von DEAs 1) Netzverstärkung 2) Regelbare ON -Trafos (ront) 3) Wirkstromkompoundierte Spannungsregelung (im UW) 4) MS/MS-Längsregler 5) Smart Grids (z.b. Großes Walsertal) (Intelligente Spannungsregelung mit zusätzlichen Messstellen) 6) Kappung der Einspeisespitzen (Wirkenergieverlust < 5%) 7) Kontrollierter Blindstrombezug/-einspeisung bei DEAs cos - Fixwerteinstellung cos (P) - Regelung gemäß VDE AR-N 4105 Q (U) Regelung beim Wechselrichter in der Kundenanlage Q-Vorgabe durch den VNB gleitend über eine Schnittstelle PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 21

22 350% 300% Wirkung Blindleistungsbezug von DEAs und Kompoundierung im UW ideal mit Q(U) typisch mit Q(U) ohne Maßnahmen 350% 300% ideal mit Q(U) typisch mit Q(U) Kompoundierung ohne Maßnahmen häufig thermische Grenze des Kabels 250% 250% 200% 200% 150% 150% 100% 100% 50% 50% 0% 0% PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 22

23 Stromkompoundierung im Umspannwerk 110kV/MS (geeignet bei homogen verteilter PV-Einspeisung) P,Q Energieversorgungsnetz mit hoher PV-Penetration Position Regler P,Q P,Q P,Q P,Q Übergabestat. Weiterverteiler PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 23

24 Gemessene Leistungsflussumkehr im UW Biesenberg 2012 war 6 MW ins 110kV-Netz 6 MW Rückspeisung (in das 110kV-Netz) PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 24

25 +/- 1% Reglerband Reglersollwert u [%] Klassische Spannungsregelung im Umspannwerk Reglersollwert Juli 2012 vorher Spannung UW-Regler Ist, Mittelwert [%] 103,4% Spannung UW-Regler Soll oberer Grenzwert alt [%] U-Sollwert 102,4% (fix) 101,4% Spannung UW-Regler Soll unterer Grenzwert alt [%] PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 25

26 Stromkompoundierung im Umspannwerk Regelungskennlinie zur Einstellung der Sollspannung in Abhängigkeit des Wirkleistungsflusses Regelungskennlinie für UM-Regler Usoll bei -265 A (-9 MW): 19,64kV (98,2%) Usoll bei 0 A (0 MW): 20,16kV (100,8%) Usoll bei +360 A (+13 MW): 20,9kV (104,5%) Bezugsspannung UB = 20,0 kv Erforderliche Kennlinie wurde mittels Lastflussszenarien über eine Netzberechnungssoftware ermittelt, am Regler programmiert, dann anhand v. Betriebserfahrungen optimiert PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 26

27 +/- 1% Reglerband Reglersollwert u [%] Stromkompoundierung im Umspannwerk Reglersollwert Oktober 2012 nachher Spannung UW-Regler Soll oberer Grenzwert [%] Spannung UW-Regler Ist, Mittelwert [%] Spannung UW-Regler Soll unterer Grenzwert [%] ~ 104,0 % 101% 103% ~ 99,5 % U-Sollwert variabel PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 27

28 Änderung der Spannungshaltung in Netz PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 28

29 Die neue Fassung der TOR D4 gibt den Netzbetreibern die Handhabe, die neuen Möglichkeiten moderner Wechselrichter konsequent zu nutzen. PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 29

30 Netzfreundliche Einspeisung» Zusätzlich große Wirkung durch Maßnahmen an Wechselrichtern» Damit können mehr Anlagen im bestehenden Netz angeschlossen werden.» Kooperation ist hier sinnvoll hier leisten die PV- Installateure einen positiven Beitrag. PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 30

31 Hinweis Betriebsart cos (P) ist seit cos (P) Regelung (TOR D4 neu) die Standardeinstellung Aber: Einstellung Q(U) ist laut TOR D4 ebenso vorgesehen PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 31

32 Q(U) beim PV-Wechselrichter als moderne elegante Lösung Die Einspeisung wird netzfreundlicher als Beitrag der Kundenanlage PV im Netz - Nenning, Bregenz,

33 Q(U)-Feldtest bei Vorarlberg Netz mit der TU München Thema: Stabilitätsuntersuchung der Q(U)-Regelung Voraussetzung:» Acht verschiedene PV-Anlagen (ca. 380 kwp)» Verschiedene Wechselrichterhersteller» Verschiedene Verbraucher» Extreme Netzsituationen» Genaue Überwachung PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 33

34 Untersuchung der Stabilität» Analyse niederfrequenter Schwingungen:» Frequenzen 5mHz 50Hz» Amplitude der Schwingungen» Dämpfung der Schwingungen» Dauer der Schwingungen PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 34

35 Ergebnis des Feldversuches Q(U)» System auch bei massiven Eingriffen stabil» Änderung der Schwingungsneigung nicht erkennbar» ~ 50% mehr PV möglich» Geringerer Blindleistungsverbrauch gegenüber cosφ(p)» Blindleistungshaushalt im gesamten Netz regelbar» Sommer 2014: Veröffentlichung des Endberichts PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 35

36 Einsparungen sind möglich» Die Dichte an Einspeisern steigt.» Bei Häufungen steigt der Druck auf Systemverstärkung.» Nachfolgend Netzbeispiele, bei denen Spannungsregelungsstrategie Q(U) im WR Kabelausbau vermieden werden kann» Die roten Strecken auf den Folgefolien sind mit Q(U) vermeidbar PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 36

37 Beispiel 1 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 37

38 Beispiel 2 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 38

39 Beispiel 3 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 39

40 Beispiel 4 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 40

41 Beispiel 5 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 41

42 Beispiel 6 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 42

43 Beispiel 7 (9 Anlagen auf einem NS-Strang Netz voll) PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 43

44 Beispiel 8 PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 44

45 Blindleistungsbereitstellung kostet auch Geld» Umrüstung des Blocks A im abgeschalteten Kernkraftwerk Biblis auf Phasenschieberbetrieb» Blindleistungsregelbereich von -400 bis +900 Mvar» Kosten: 7 Mio. PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 45

46 Blindleistungshaushalt Simulationsannahmen in folgenden Beispielen» 20 kv Netz ländlich» Verkabelungsgrad: Istnetz ~50% // Zielnetz 100%» Einspeiseleistung: ca. 150 kwp / Station (Zukunftsszenario)» Betrachtung von zwei 20 kv-abzweigen» Wirkleistung: Richtung 110 kv (max. PV-Einspeisung)» Simulation geht über MS- und NS-Netz bis zu den Wechselrichtern A V PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 46

47 Q [kvar] Blindenergiefluss im Umspannwerk Blindleistungshaushalt cosφ(p) Istnetz + Einspeisung Zukunftsszenario % Last; 6339 kw->110kv 50% Last; 5347 kw->110kv 75% Last; 4334 kw->110kv 100% Last; 3298 kw->110kv 100% PV - Einspeisung "übererregter Betrieb" "untererregter Betrieb" Spannung 20 kv Sammelschiene im UW [% Un] PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 47

48 Q [kvar] Blindenergiefluss im Umspannwerk Blindleistungshaushalt Q(U) Kennlinie Istnetz + Einspeisung Zukunftsszenario % PV- Einspeisung "übererregter Betrieb" "untererregter Betrieb" % Last; 6535 kw -> 110 kv 50% Last; 5592 kw -> 110 kv 75% Last; 4615 kw -> 110 kv 100% Last; 3615 kw -> 110 kv Spannung 20 kv Sammelschiene im UW [% Un] PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 48

49 Q(U)-Kennlinie für DEAs in der Niederspannung seit 1. Mai % 100% übererregt, kapazitiv 80% 60% 40% Q/Q max 20% 0% -20% Spannung rel. -40% -60% -80% -100% -120% 3,68 kva < S Emax 13,8 kva (cosϕ = 0,95): Q max = 31,2% x S Emax 13,8 kva < S Emax (cosϕ = 0,9): Q max = 43,6% x S Emax S Emax = maximale Anlagenscheinleistung untererregt, induktiv PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 50

50 Beurteilung der Q(U) - Kennlinie» Wirkleistungsverluste im Verteilnetz gegenüber cosφ(p) deutlich geringer (ca. 200 kw im Beispiel)» Blindleistungsverbrauch gegenüber cosφ(p) wesentlich geringerer» Untersuchung der Kennlinie für verschiedene 10 kv, 20 kv und 30 kv Netze optimierte Lösung für alle Spannungsebenen» Flache Steigung der Q(U) Kennlinie sehr stabiler Betrieb» Untererregter Bereich beginnt bei 105% hohe Wirkung in der Niederspannung PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 51

51 Musternetz zur Veranschaulichung: Anschlussanfrage PV mit 215 kwp Bestand 2x 4x 240AL Netzverstärkung mittels 2x 4x 240AL ca. 350m Netzverstärkung mit Q(U) 1x 4x 240AL ca. 100m ON pdf PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 53

52 Anschlussanfrage: PV mit 215 kwp ist mit verhältnismäßiger Netzverstärkung nicht möglich Berechnung_Netzverstärkung_mit Grundlast.pdf PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 54

53 Anschlussanfrage: PV mit 215 kwp mit großer Netzverstärkung und Q(U) + Grundlast Berechnung_Netzverstärkung_Grundlast_Q(U).pdf PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 55

54 Anschlussanfrage: PV mit 215 kwp mit kleiner Netzverstärkung und Q(U) + Grundlast Berechnung_Netzverstärkung_mit Grundlast_Q(U).pdf PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 56

55 Berechnung PV max. mittels 630kVA Trafo und 2x NSK 240AL bis SK 42 sowie Q(U) Regelung und Kompoundierung im UW Berechnung_Q(U)_Restlast_Stromkompoundierung.pdf PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 57

56 Aufwand für Kunden durch Q(U) Regelung stark reduziert Bestand 2x 4x 240AL Nicht notwendig: Teure Netzverstärkung mittels 2x 4x 240AL ca. 350m Realisiert wird: Netzverstärkung mit Q(U) und nur eine Anschlussleitung ca. 100m ab dem vorderen Haus ON pdf PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 58

57 Ziele: Kosteneffizient und ergiebig 1. Q(U) bei DEA: +30%(oft) bis +100%(selten) PV möglich 2. Kompoundierung in Umspannwerken: +100% PV möglich» Weiterhin stabiler Netzbetrieb» DEAs verursachen Zusatzkosten» Zusatzkosten lassen sich mit diesen Maßnahmen reduzieren» Vorarlberg Netz setzt 2014 diese Maßnahmen um» Die Elektriker sind dabei wichtige Partner PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 59

58 Unterstützen Sie uns bitte bei diesen gewinnbringenden Maßnahmen! Reinhard Nenning Dipl.-HTL-Ing. Vorarlberger Energienetze GmbH Netzplanung und Power Quality 6900 Bregenz, Weidachstraße 10 Telefon: Fax: PV im Netz - Nenning, Bregenz, Seite 60