Netzintegration aus der Sicht des Photovoltaik-Wechselrichters

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1 14. Fachkongress Zukunftsenergien Netzintegration aus der Sicht des Photovoltaik-Wechselrichters Dr.-Ing. Armin von Preetzmann KOSTAL Industrie Elektrik GmbH Essen, 09. Februar Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 0 von Preetzmann

2 Inhalt Übersicht KOSTAL Industrie Elektrik GmbH Spezielle Aspekte bei der Netzintegration von Photovoltaik Anforderungen an Photovoltaik-Wechselrichter zur besseren Netzintegration Möglichkeiten der Leistungselektronik in PV-Wechselrichtern und Ausblick 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 1 von Preetzmann

3 Übersicht KOSTAL Industrie Elektrik GmbH Spezielle Aspekte bei der Netzintegration von Photovoltaik Anforderungen an Photovoltaik-Wechselrichter zur besseren Netzintegration Möglichkeiten der Leistungselektronik in PV-Wechselrichtern und Ausblick 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 2 von Preetzmann

4 KOSTAL Industrie Elektrik GmbH ist eine Tochtergesellschaft der zu 100 Prozent in Familienbesitz befindlichen Unternehmensgruppe Leopold KOSTAL GmbH & Co KG Spezialist für die Entwicklung und Produktion komplexer, innovativer Elektronik- und Mechatroniklösungen für professionelle Anwendungen seit 1995 erfahren im Einsatz von Leistungselektronik zur Steigerung der Energie-Effizienz von Verbrauchern und zur Nutzung photovoltaisch erzeugten Stromes Photovoltaik Stringwechselrichter Photovoltaik Zentralwechselrichter Kernproduktfelder: Anschlussdosen für Photovoltaik- Module = Intelligente Umrichter und Steuerungen für elektrische Antriebe 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 3 von Preetzmann

5 Hagen/Westf. - Standort der KOSTAL Industrie Elektrik seit 2005 ist Hagen der zentrale Entwicklungs- und Produktionsstandort der KOSTAL Industrie Elektrik weitere Produktionen in Lüdenscheid und Schalksmühle ca. 300 Mitarbeiter zentrale Anbindung an A1, A45 und A Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 4 von Preetzmann

7 Einspeisung von photovoltaisch erzeugtem Strom in das Niederspannungsnetz Beispiel: Anschluss eines Wohngebietes an das Mittelspannungs-Verteilungsnetz über eine lokale Ortsnetzstation Mittelspannung Lokale Trafo-Station Niederspannung 20 kv 400 V Feste Einstellung des Trafos anhand der lokalen Randbedingungen wie Querschnitte, Lasten, Entfernungen usw. (normalerweise einmalig bei Projektierung und Inbetriebnahme) Spannung 253 V 230 V 207 V PV PV PV obere zulässige Grenze untere zulässige Grenze schwache Last und hohe Einspeisung durch PV (Leistungsfluss-Umkehr) schwache Last Entfernung maximale Last 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 6 von Preetzmann

8 Besonderheiten bei der Stromerzeugung durch Photovoltaik Photovoltaische Stromerzeugung ist sehr dezentral organisiert. Dadurch treten mögliche Probleme eher im Verteilungsnetz auf und nicht im Übertragungsnetz (im Unterschied zur Windenergie) Lokale Umkehr des Leistungsflusses möglich (s. vorherige Folie) Im Bereich der Niederspannungs-Verteilungsnetze sind (heute) praktisch keine Infrastrukturen für Messwert-Erfassung, Verstellmöglichkeiten und Kommunikation vorgesehen. Vorhersage-Modelle für photovoltaische Stromerzeugung müssen noch weiter entwickelt werden Lokale Schieflast durch einphasig einspeisende PV-Wechselrichter 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 7 von Preetzmann

10 Bisherige Anforderungen an PV-Wechselrichter in Bezug auf Netzintegration Anforderungen an PV-Wechselrichter, die sich bisher aus DIN VDE V , DIN EN und der VDEW-Richtlinie Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz ergeben: Vermeidung von Blindleistung Sofortige Trennung vom Netz bei Netzfehlern Keine Anforderungen bzgl. Reduzierung der Wirkleistung Man könnte auch sagen: Photovoltaik-Anlagen sollten sich am Netz möglichst ruhig und passiv verhalten und die Großen nicht stören!! Für den gewollten zunehmenden Anteil von Erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung ist ein Paradigmenwechsel notwendig und auch die Photovoltaik- Anlagen müssen sich aktiv an der Netzbetriebsführung beteiligen. 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 9 von Preetzmann

11 Neue Anforderungen an PV-Wechselrichter in Bezug auf Netzintegration Aktuelle und zukünftige Anforderungen an PV-Wechselrichter aus: - EEG BDEW-Richtlinie Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz (2008) - FNN-Anwendungsregel Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz (in Diskussion) Möglichkeit zur Reduzierung der Wirkleistung ab 100 kw Anlagengröße, wenn vom Netzbetreiber gewünscht (EEG) Verbleiben am Netz und Beitrag zum Kurzschlussstrom bei bestimmten Netzfehlern (Mittelspannung) Bereitstellung vom induktivem oder kapazitivem Blindstrom bis zu cos ϕ = 0,95 (Mittelspannung) bzw. cos ϕ = 0,9 (in Diskussion für Niederspannung) Die zusätzlichen Funktionen bewirken für die Wechselrichter-Hersteller erheblichen Aufwand für die Weiterentwicklung sowie Umstellung ganzer Produktfamilien und haben teilweise auch Auswirkungen auf den Stückpreis 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 10 von Preetzmann

12 Bereitstellung von Blindleistung max. mögliche Wirkleistung reduzierte Wirkleistung P Wirkleistung Q Blindleistung kapazitiv Blindleistung induktiv Q ϕ max. Scheinleistung geforderte Blindleistung Durch die Bereitstellung von Blindleistung wird die nutzbare Wirkleistung des Wechselrichters um 5% (Mittelspannung) bzw. 10% (Niederspannung) reduziert. Die höhere Strombelastung durch den Blindstrom reduziert den Wirkungsgrad des Wechselrichters. Hinweis: Für alle Betrachtungen am Netz ist nicht die installierte Modulleistung (kw p ) sondern die Nennscheinleistung (kva) der Anlage am Anschlusspunkt interessant. 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 11 von Preetzmann

13 Dynamische Netzstützung bei Spannungseinbrüchen/Netzkurzschluss Aus: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW 2008 Für PV-Anlagen im vollen Umfang nach Übergangsfrist ab gültig Fault Ride Through (FRT): Im Fehlerfall soll der Wechselrichter sich i.a. nicht vom Netz trennen Oberhalb der Grenzlinie 1 soll der Wechselrichter stabil arbeiten und einen Kurzschlussstrom einspeisen Unterhalb der Grenzlinie 2 ist Trennung vom Netz zulässig Zwischen den Grenzlinien keine Trennung vom Netz, Kurzschlussstrom in Abstimmung mit dem Netzbetreiber Für PV-Wechselrichter ist die max. Höhe des Kurzschlussstromes gleich dem Nennstrom keine höhere Dimensionierung erforderlich 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 12 von Preetzmann

15 Mögliche Einbindung von PV-Wechselrichtern in die Netzregelung Lokale Regelung + Kommunikationsnetze Zentrale Betriebsführung Die neuen Richtlinien für Erzeugungsanlagen sehen i. W. verschiedene Funktionen der lokalen Regelung bzw. lokalen Reaktion vor. PV-Wechselrichter können aufgrund ihrer bereits vorhandenen Steuerung sowohl lokal agieren als auch in zentrale Betriebsführungen eingebunden werden. Für beide Möglichkeiten müssen (internationale) Standardisierungen erfolgen. Hierbei stehen wir erst am Anfang!!! 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 14 von Preetzmann

16 Möglichkeiten intelligenter Leistungselektronik in PV-Wechselrichtern Die Steuerung in modernen PV-Wechselrichtern bietet durch die steigende Leistungsfähigkeit der Micro-Controller zunehmende Möglichkeiten, sich an der Netzregelung zu beteiligen, wie z.b.: Schnelle Regelungseigenschaften Die Regelungstechnik in PV-Wechselrichtern ist grundsätzlich in der Lage, jeden gewünschten Strom innerhalb der Leistungsgrenzen innerhalb weniger Millisekunden einzustellen - veränderliche Grundschwingungs-Blindleistung - Netzstützung bei Spannungseinbrüchen/Kurzschluss (FRT) - Kompensation von Oberschwingungen Über entsprechende Kommunikationsschnittstellen können die Wechselrichter in übergeordnete Systemsteuerungen eingebunden werden Durch Kombination von PV-Anlagen mit lokalen Speichern sind weitere Funktionen, wie z.b. Not-/Inselbetrieb und Erweiterung des Eigenverbrauches möglich Hinweis: Bei PV-Wechselrichtern handelt es sich um Groß-Serienprodukte. Daher muss bei allen Erweiterungen der Funktionen ein zeitlicher Vorlauf für Standardisierung, Entwicklung und Test berücksichtigt werden!!! 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 15 von Preetzmann

17 Zusammenfassung und Ausblick Im Zuge des weiteren Ausbaus der Erneuerbaren Energien werden sich auch die PV-Anlagen, und hierin speziell die Wechselrichter, zunehmend an der Netzregelung beteiligen. Die aktuell vorgestellten oder in Diskussion befindlichen Anschlussrichtlinien für Erzeugungsanlagen sind ein erster Schritt, um auch mit einem steigenden Anteil dezentraler erneuerbarer Energien eine stabile Netzbetriebsführung zu ermöglichen. Die intelligente Leistungselektronik von PV-Wechselrichtern ermöglicht schnelle und flexible Reaktionen in Abhängigkeit vom Netzzustand und lässt sich auch für zukünftige technische Anforderungen weiterentwickeln. Langfristig ist auf allen Spannungsebenen ein intelligentes, stark vernetztes Erzeugungsmanagement, Lastmanagement, Netzmanagement und Speichermanagement notwendig ( Smart Grid ). Die heutigen Verteilungsnetze müssen zu bidirektional arbeitenden Netzen weiterentwickelt werden. Speziell im Bereich der Niederspannungs-Verteilungsnetze sind hierzu Infrastrukturen für Messwert-Erfassung, Verstellmöglichkeiten und Kommunikation notwendig. 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 16 von Preetzmann

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 14. Fachkongress Zukunftsenergien Februar 2010 Folie 17 von Preetzmann