Technische Anforderungen bei Netzeinspeisung. Prof. Dr. Alfons Haber

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1 Technische Anforderungen bei Netzeinspeisung Prof. Dr. Alfons Haber Biogas Infotage 2016 Ulm

2 Gliederung Einführung Technische Anschlussbedingungen (Überblick) Einspeisemanagement Zusammenfassung 1

3 Netzintegration Auszug der Schwerpunkte von Tätigkeiten bzw. Forschungsfragen: Sicherer und zuverlässiger Ausbau und Betrieb der Netze Smart Grids Netze nach den Anforderungen des Verbrauchs und der Erzeugung auszubauen und zu betreiben Parallelbetrieb von Erzeugung sowie Speicherung Beschreibungen von technischen Spezifikationen Netzanalysen und Systemintegrationen Lastflussberechnungen Netzanschlussbeurteilungen Erfassung und Analyse der Spannungsqualität gem. der zugehörigen Normen - PQ-Messungen 2

4 Einführung Smart Grid Übersicht Quelle: Eigene Darstellung 3

5 Technische Anschlussbedingungen (Auszug) Anmeldeverfahren Nachweisverfahren Anschlussleitung Maximale Anschlusswirkleistung Netzrückwirkungen Zulässige Schieflast Netz- und Anlagenschutz Die Beurteilung der Anschlussmöglichkeit unter dem Gesichtspunkt der Netzrückwirkungen erfolgt anhand der Impedanz des Netzes am Verknüpfungspunkt (Kurzschlussleistung, Resonanzen), der Anschlussleistung sowie der Art und Betriebsweise der Kundenanlage. 4

6 Technische Anschlussbedingungen Nachweisverfahren Der Anlagenbetreiber ist verpflichtet, für jede seiner Erzeugungsanlagen typspezifische Konformitätsnachweise für: die elektrischen Eigenschaften der Anlage Nachweis der Einspeisewirkleistung Nachweis der Blindleistungswerte Nachweis für die Blindleistungsfunktion in Abhängigkeit der Wirkleistungseinspeisung den eingebauten NA-Schutzes jeweils nach den Anforderungen der VDE-AR-N 4105: abzulegen. Quelle: VDE-AR-N 4105: Hinweis: für Niederspannungsanschluss 5

7 Technische Anschlussbedingungen Maximale Anschlusswirkleistung Die maximale Wirkleistung, welche die Biogasanlage in das öffentliche Netz liefern darf, muss vom Netzbetreiber genehmigt werden und darf nicht überschritten werden. Die Anlage muss dementsprechend unter Beachtung des Verschiebungsfaktors cos dimensioniert werden. Quelle: VDE-AR-N 4105: Hinweis Mittelspannung: Die Erzeugungsanlagen müssen ihre Wirkleistung in Stufen von höchstens 10 % der vereinbarten Anschlusswirkleistung P AV reduzieren können. Diese Leistungsreduzierung muss bei jedem Betriebszustand und aus jedem Betriebspunkt auf einen vom Netzbetreiber vorgegebenen Sollwert möglich sein. Dieser Sollwert wird in der Regel am Netzanschlusspunkt stufenlos oder in Stufen vorgegeben und entspricht einem Prozentwert bezogen auf die vereinbarte Anschlusswirkleistung P AV. Bewahrt haben sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt Sollwerte von 100 % / 60 % / 30 % / 0 %. Der Netzbetreiber greift nicht in die Steuerung der Erzeugungsanlagen ein. Er ist lediglich für die Signalgebung verantwortlich. Quelle: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW,

8 Technische Anschlussbedingungen Netzrückwirkungen Zulässige Spannungsänderung: Im ungestörten Betrieb des Netzes darf der Betrag der von allen Erzeugungsanlagen mit Netzanschlusspunkt in einem Niederspannungsnetz verursachten Spannungsänderung an keinem Verknüpfungspunkt in diesem Netz einen Wert von 3% gegenüber der Spannung ohne Erzeugungsanlage überschreiten. Quelle: VDE-AR-N 4105: Im ungestörten Betrieb des Netzes darf der Betrag der von allen Erzeugungsanlagen mit Anschlusspunkt in einem Mittelspannungsnetz verursachten Spannungsänderung an keinem Verknüpfungspunkt in diesem Netz einen Wert von 2 % gegenüber der Spannung ohne Erzeugungsanlagen überschreiten. Quelle: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW, 2008 => Lastflussberechnungen 7

9 Technische Anschlussbedingungen Netzrückwirkungen Um den stabilen und sicheren Betrieb des Netzes und anderer Kundenanlagen nicht zu gefährden, dürfen Rückwirkungen von Erzeugungsanlagen, welche an das Netz angeschlossen sind, grundsätzlich bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Der Netzbetreiber darf bei großen störenden Rückwirkungen einer Kundenanlage diese vom Netz trennen. Der Anlagenbetreiber ist für die Behebung der störenden Rückwirkungen verantwortlich, auch wenn diese Störungen im späteren Zeitpunkt auftreten. Quelle: VDE-AR-N 4105: Hier wird gesondert auf die Merkmale der Spannung in öffentlichen Netzen hingewiesen siehe detailliert EN

10 Technische Anschlussbedingungen Netzrückwirkungen Schnelle Spannungsänderung: Aufgrund von Zu- und Abschalten von Erzeugungseinheiten können schnelle Spannungsänderungen auftreten. u max 3% (bezogen auf U N - Niederspannung) Diese Spannungsänderungen dürfen in jedem 10 Minutenintervall maximal einmal 3 % von U N erreichen. Dabei wird die Spannungsänderung wie folgt berechnet: u max = k max S Emax S kv = I a I re S Emax S kv Mit I a der Anlaufstrom I re der Bemessungsstrom S Emax die maximale Anschlussscheinleistung S kv die Netzkurzschlussleistung. Quelle: VDE-AR-N 4105: Mittelspannung: u max 2% (bezogen auf U C ) - Abschaltung mehrerer Erzeugungsanlagen u max 5% Quelle: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW,

11 Technische Anschlussbedingungen Netzrückwirkungen Flicker: Flicker ist ein Effekt, welcher aufgrund von zeitlichen Spannungsänderungen durch Helligkeitsschwankungen von Lampen vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Flicker gelten als genügend begrenzt, solange es für die gemessene Langzeit- Flickerstärke der Anlage P lt gilt: P lt 0,5 (Niederspannung) Quelle: VDE-AR-N 4105: Mittelspannung P lt 0,46 Quelle: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW,

12 Technische Anschlussbedingungen Netzrückwirkungen Oberschwingungen und Zwischenharmonische Eingekoppelte Oberschwingungen Quelle: Power Quality - The new Challenge (Graz, 2004) Maximal zulässige Oberschwingungsströme I ν,max entsprechend den Normen: DIN EN (VDE ) für Bemessungsströme I re 16 A DIN EN (VDE ) für Bemessungsströme 16 A I re 75 A VDE-AR-N 4105 für Bemessungsströme I re > 75 A Sind an dem Verknüpfungspunkt mehrere Erzeugungsanlagen angeschlossen müssen die Oberschwingungen und Zwischenharmonischen des gesamten Stroms, der sich aus den überlagerten Strömen ergibt, betrachtet werden. Quelle: VDE-AR-N 4105: Mittelspannung siehe Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW,

13 Technische Anschlussbedingungen Netzrückwirkungen Spannungsunsymmetrien Eine Leistungsdifferenz zwischen zwei von den drei Außenleitern darf maximal 4,6 kva betragen. Kommutierungseinbrüche Kommutierungseinbrüche d kom durch Netzgeführte Umrichter am Verknüpfungspunkt im ungünstigsten Betriebszustand gelten als ausreichend begrenzt, wenn für die relative Tiefe von Kommutierungseinbrüchen d kom = U kom U N Quelle: VDE-AR-N 4105: % gilt. Mittelspannung d kom = 2,5 % Quelle: Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, BDEW,

14 Das Einspeisemanagement der Erzeugungsanlagen (Überblick) Ziele: Stabilisierung der Frequenz durch Wirkleistungssteuerung Netzstützung anhand Blindleistungseinspeisung Blindleistungskompensation 13

15 Das Einspeisemanagement - Wirkleistungssteuerung (Auszug VDE) Erzeugungsanlagen, welche eine Anlagenleistung von mehr als 100 kw aufweisen, müssen ihre Einspeiseleistung in Schritten von maximal 10 % der maximalen Wirkleistung P Amax absenken können. Der Netzbetreiber kann lediglich Signale zur Erzeugungsanlage für den Zweck des Erzeugungsmanagements übermitteln und darf nicht in die Steuerung der Erzeugungsanlage eingreifen. Es werden potentialfreie Kontakte für die Signalgebung benutzt. Bei regelbaren Erzeugungsanlagen muss die Wirkleistung ausgehend von jedem Betriebspunkt auf den vom Netzbetreiber gewünschten Sollwert z.b. 100 %, 60 %, 30 % oder 0 % von P Amax unverzüglich innerhalb von maximal 1 Minute reduziert werden. Sonst muss die Anlage vom Netz getrennt werden. Bei nicht regelbaren Anlagen muss die Reduzierung der Einspeiseleistung innerhalb von höchstens 5 Minuten durchgeführt werden. Sonst muss die Anlage abgeschaltet werden. Quelle: VDE-AR-N 4105:

16 Das Einspeisemanagement - Wirkleistungssteuerung (gemäß EEG) Anlagenbetreiber und Betreiber von KWK-Anlagen müssen ihre Anlagen mit einer installierten Leistung von mehr als 100 Kilowatt mit technischen Einrichtungen ausstatten, mit denen der Netzbetreiber jederzeit 1. die Einspeiseleistung bei Netzüberlastung ferngesteuert reduzieren kann und 2. die Ist-Einspeisung abrufen kann. Quelle: EEG Technische Vorgaben - Absatz 1 Satz 1 Stand 2015 Die Pflicht nach Satz 1 gilt auch als erfüllt, wenn mehrere Anlagen, die gleichartige erneuerbare Energien einsetzen und über denselben Verknüpfungspunkt mit dem Netz verbunden sind, mit einer gemeinsamen technischen Einrichtung ausgestattet sind, mit der der Netzbetreiber jederzeit 1. die gesamte Einspeiseleistung bei Netzüberlastung ferngesteuert reduzieren kann 2. die Ist-Einspeisung abrufen kann. Quelle: EEG Technische Vorgaben - Absatz 1 Satz 2 Stand

17 Das Einspeisemanagement - Wirkleistungssteuerung Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz: 50,2 Hz < f < 51,5 Hz Alle regelbaren Erzeugungsanlagen müssen die momentan erzeugte Wirkleistung P M mit 40% von P M je Hertz senken bei Weitersteigen der Frequenz und mit 40 % von P M je Hertz steigern, falls die Netzfrequenz abnimmt. Wirkleistungseinspeisung bei Unterfrequenz: 47,5 Hz < f < 50 Hz Erzeugungsanlagen dürfen bei Frequenzen zwischen 47,5 Hz < f < 50 Hz nicht vom Netz automatisch getrennt werden. Quelle: VDE-AR-N 4105: Wirkleistungssteuerung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz 16

18 Das Einspeisemanagement Blindleistungseinspeisung zur Netzstützung (BEISPIEL) Erzeugungsanlagen mit S max,total > 13, 8 kva: Automatische Einstellung des Verschiebungsfaktors innerhalb von 10 s nach einer vom Netzbetreiber vorgegebenen cosφ P = 0,90 unterregt bis 0,90 übererregt. Q S P S Scheinleistung P = S*cos Wirkleistung Q = S*sin Blindleistung Quelle: VDE-AR-N 4105: Vorgegebene Standardkennlinie für cos φ in Abhängigkeit von eingespeiste Wirkleistung für Anlagen mit S max,total > 13,8 kva 17

19 Das Einspeisemanagement Blindleistungseinspeisung zur Netzstützung Ausnahme: Energieanlagen, welche direkt an das Netz angeschlossen sind und technisch bedingt keine regelbare Blindleistung bereitstellen können (z.b. BHKWs mit Asynchrongenerator oder Lineargenerator). Es wird für die Niederspannungsrichtlinie keine Fernsteuerung des Verschiebungsfaktor cosφ durch den Netzbetreiber gefordert. Es wird ebenfalls keine dynamische Netzstützung durch die Anlagen gefordert. Quelle: VDE-AR-N 4105: Hinweis: Niederspannung 18

20 Blindleistungsbereitstellung Mittelspannung Insofern sind die Berechnungen der Kennlinien der maximalen Blindleistung Qmax untererregt und übererregt in Abhängigkeit der Wirkleistung P der Erzeugungsanlage für die Spannungen am Netzanschlusspunkt 0,9 Uc, 0,95 Uc, Uc, 1,05 Uc und 1,1 Uc durchzuführen und darzustellen. Neu erstellte und revisionierte Einheiten- und Anlagenzertifikate müssen ab dem zudem Angaben der zu erwartenden Reduzierung der Wirkleistung enthalten. Eine qualitative Aussage, dass ein blindleistungsorientierter Betrieb der Erzeugungsanlage erforderlich ist, ist nicht ausreichend. Quelle: Regelungen und Übergangsfristen für bestimmte Anforderungen in Ergänzung zur technischen Richtlinie: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz - Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, gültig ab 01. Januar

21 Beitrag von Biogasanlagen zur Regelleistungsbereitstellung Regelenergie ist diejenige Energie, die zum Ausgleich von Leistungsungleichgewichten in der jeweiligen Regelzone eingesetzt wird (Stromnetzzugangsverordnung StromNZV 2 ) Die Übertragungsnetzbetreiber sorgen dafür, dass positive bzw. negative Regelleistung zur Verfügung steht im Fall, dass einen Erzeugungs- bzw. Lastüberschuss auftritt. Dafür werden unterschiedliche Regelleistungsarten eingesetzt: Primärregelung Sekundärregelung Tertiärregelung Unterschiedlich eingesetzte Regelleistungsarten KoNaRo-Vortragsreihe 2016 Prof. Dr. Alfons Haber 20

22 Beitrag von Biogasanlagen zur Regelleistungsbereitstellung (Auszug) 6 StromNZV: Grundsätze der Beschaffung von Regelenergie (Stand: Zuletzt geändert durch Art. 8 G v ) (5) Potenzielle Anbieter von Regelenergieprodukten haben den Nachweis zu erbringen, dass sie die zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit erforderlichen Anforderungen für die Erbringung der unterschiedlichen Regelenergiearten erfüllen. Nachzuweisen sind insbesondere die notwendigen technischen Fähigkeiten und die ordnungsgemäße Erbringung der Regelleistung unter betrieblichen Bedingungen. 7 StromNZV: Erbringung von Regelenergie (Stand: Zuletzt geändert durch Art. 8 G v ) Die Regelenergiearten Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve sowie sonstige beschaffte und eingesetzte Regelenergieprodukte sind entsprechend den Ausschreibungsergebnissen auf Grundlage der Angebotskurven beginnend mit dem jeweils günstigsten Angebot von den jeweiligen Betreibern von Übertragungsnetzen einzusetzen. Bei Netzeinschränkungen kann von den Angebotskurven abgewichen werden, wenn die Netzeinschränkungen begründet dargelegt werden können KoNaRo-Vortragsreihe 2016 Prof. Dr. Alfons Haber 21

23 Zusammenfassung Technische Anschlussbedingungen umfassend und verteilt Notwendige Konformitätsnachweise (nach VDE-AR-N 4105: ) für die elektrischen Eigenschaften der Anlage und den eingebauten NA-Schutzes Der Anlagenbetreiber muss darauf achten, dass die Netzrückwirkungen der Anlage dauerhaft bestimmte Grenzen nicht überschreiten Lastflussberechnungen hilfreich Einspeisemanagement und Regelenergiebereitstellung Regelbare als auch nicht regelbare Erzeugungsanlagen müssen die Wirkleistungssteuerung nach VDE-AR-N 4105: gewährleisten. Weiterführend wird auf die zugehörigen Technischen Richtlinien (z.b. Erzeugungsanlage im Mittelspannungsnetz) verwiesen. Weitere Regelungen im EEG 2014 beachten Umfassende Beurteilungen des Netzanschlusses empfehlenswert z.b. Lastflussberechnungen 22

24 Prof. Dr. Alfons Haber Professur für Netzintegration Prof. Dr. Alfons Haber Leiter Fachgebiet Netzintegration Hochschule Landshut Wissenschaftszentrum Straubing Hochschule für angewandte Wissenschaften Am Lurzenhof 1 Schulgasse 16 D Landshut D Straubing Telefon +49 (0) Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) Telefax +49 (0) alfons.haber@haw-landshut.de alfons.haber@wz-straubing.de Homepage Homepage