Anforderungen an den Netzschutz beim Anschluss. von. EEG- Anlagen an Verteilungsnetze

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1 Anforderungen an den Netzschutz beim Anschluss von EEG- Anlagen an Verteilungsnetze Dipl. Ing.Klaus Hinz,

2 Gliederung Einführung Grundlagen für den Netzanschluss Anforderungen an das Verhalten der EEG-Erzeugungsanlagen Inselnetzbildung Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Im Normalbetrieb Im gestörten Betrieb 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Am Netzanschlusspunkt An der Erzeugungsanlage-EZA- (Gesamte Windpark) An der Erzeugungseinheit EZE- (einzelne Windenergieanlage) 7. Schutzkonzept für Umspannwerke zur Einspeisung von EEG- Anlagen 8. Leitungsschutzeinrichtungen in der Anschlussanlage 9. Anschluss von BHKW an MS- Netze 10. Prinzipschaltbild Elektrischer Blockschutz 11. Zusammenfassung der Aussagen 2

3 1. Einführung EEG-Erzeugungsanlagen, insbesondere Windenergieanlagen nehmen einen immer größeren Platz in der elektrischen Energieversorgung ein. ¾ Installierte Windleistung wird in Deutschland von heute 14 GW bis 2015 auf 36 GW steigen (DENA Studie) ¾ Auf Stromerzeugung aus Windkraft soll bis 2020 etwa 20% entfallen ¾ Heutige Netzzustand kann bereits zu kritischen Situationen führen Bisherige Konzeption, die bei Netzfehlern großflächig alle EEGErzeugungsanlagen vom Netz trennt, kann nicht beibehalten werden werden. 3

4 2. Grundlagen für den Netzanschluss Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) v Netzanschlussregeln der Netzbetreiber ¾ Netzanschlussregeln der Übertragungsnetzbetreiber 9 Vattenfall 9 E.ON 9 RWE 9 EnBW ¾ Netzanschlussregeln der Verteilnetzbetreiber VDN Richtlinien ¾ EEG- Erzeugungsanlagen am Hoch- und Höchstspannungsnetz ¾ Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz (in Überarbeitung) ¾ Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz TransmissionCode DistributionCode 4

5 3. Anforderungen an Verhalten der EEGErzeugungsanlagen Es wird unterschieden nach: ¾ Anlagen, die sich selektiv vom Netz trennen ¾ Anlage, die sich unselektiv vom Netz trennen Einsatz selektiv entkuppelnde Anlagen ¾ Hoch- und Höchstspannungsnetz ¾ Mittelspannungsnetz, wenn Verknüpfungspunkt im Umspannwerk (neue Forderung) Unselektiv entkuppelnde Anlagen ¾ Mittelspannungsnetz, wenn Verknüpfungspunkt im MS- Netz ¾ Niederspannungsnetz 5

6 3. Anforderungen an Verhalten der EEG-Erzeugungsanlagen Schutzeinrichtungen der Erzeugungseinheiten (EZE) zur Netztrennung EZE dürfen nur unter bestimmten Bedingungen entkuppeln Das sofortige Entkuppeln der EZE, wie in der VDEW Richtlinie Dezentrale Erzeugungsanlagen am MS-Netz formuliert, kann nicht beibehalten werden. Systemgefährdende Zustände im Netz des EVU Fehler in der Anschlussanlage der EZE Netzfehler in der Nähe der Anschlussanlage der EZE 6

7 3. Anforderungen an Verhalten der EEG-Erzeugungsanlagen Verhalten von EZA mit geringem Kurzschlussstrom bei anschlusspunktnahen Fehlern U / % U n 100 untere Grenze des Spannungsbandes U bmin Ein Netzfehler, bei dem der Halbwelleneffektivwert mind. einer verketteten Spannung am Anschlusspunkt auf einen Wert unter 70% der Betriebsspannung zusammenbricht Im hinterlegten Bereich kann kurzzeitige Trennung der EZE erfolgen, wenn Resynchronisation innerhalb 2 Sekunden nach Fehlerklärung abgeschlossen und die Wirkleistung sofort nach der Resynchronisation mit einem Gradienten von mindestens 10% der Anschlusswirkleistung je Sekunde gesteigert wird. Dabei darf keine Aufnahme induktiver Blindleistung erfolgen t / ms Zeitpunkt des Störungseintritts Verbleiben von Erzeugungsanlagen mit geringem Kurzschlussstromanteil am Netz bei anschlusspunktnahen Fehlern 7

8 3. Anforderungen an Verhalten der EEG-Erzeugungsanlagen Verbleiben der Erzeugungsanlagen am Netz bei anschlusspunktfernen Fehlern U / % U n 100 untere Grenze des Spannungsbandes 70 Ein Netzfehler, bei dem der Halbwelleneffektivwert mind. einer verketteten Spannung am Anschlusspunkt auf einen Wert nicht unter 70% der Betriebsspannung zusammenbricht t / s Zeitpunkt des Störungseintritts Verbleiben der Erzeugungsanlagen am Netz bei anschlusspunktfernen Fehlern 8

9 3. Anforderungen an Verhalten der EEG-Erzeugungsanlagen Selektiv entkuppelnde Erzeugungseinheiten Auslösebereich Spannungssteigerungsschutz U/%U n höchste dauernd auftretende Betriebsspannung unterer Wert des Spannungsbandes 50 Auslösebereich Spannungsrückgangsschutz Zeitpunkt des Störungseintritts zulässige Auslösebereiche von Spannungsschutzeinrichtungen am Netzanschlusspunkt t / ms 9

10 4. Inselnetzbildung Wenn sich die EEG- Erzeugungsanlagen nicht mehr bei Spannungseinbrüchen schnell vom Netz trennen sollen, muss mit Inselnetzbildungen gerechnet werden. Inselnetzbildung kann z.b. durch eine AWE entstehen. Einrichtungen erforderlich zum: Schutz vor unzulässiger Über- und Unterspannung durch Über- und Unterspannungsrelais Schutz unausgeglichener Wirkleistungsbilanz durch Frequenzsteigerungs- und -rückgangsrelais Erkennen von Fehlern im Netz des EVU und im Netz der EZA durch Unterspannung, da Anlagen nur Kurzschlussströme im Nennstrombereich liefern 10

11 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Zulässiges Spannungsband im ungestörten Betrieb des Netzes Spannungs-ebene *) Maximal-spannung Kurzzeit-betrieb höchste Betriebsspannung im Normalbetrieb niedrigste Betriebsspannung im Normalbetrieb Minimalspan- nung Kurzzeitbetrieb 380 kv 440 kv 420 kv 360 kv 350 kv 220 kv 253 kv 245 kv 210 kv 193 kv 110 kv 127 kv 123 kv 100 kv **) 96 kv *) Nennspannung **) in küstennahen Gebieten auch 96 kv Bei Netzstörungen können am Anschlusspunkt größere bzw. kleinere Spannungen als in der Tabelle dargestellt, auftreten. 11

12 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Relevante Vorschriften Zulässige Spannung in öffentlichen Energieversorgungsnetzen DIN IEC IEC-Normspannungen EN Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen (gilt für Mittel- und Niederspannung) VDE Isolationskoordination Teil 1 Begriffe VDE Isolationskoordination Teil 2 Anwendungsrichtl. VDE Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel im Niederspannungsnetz CBEMA ITI (CBEMA) Curve Application Note 12

13 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Vorschriftenauswertung EN VDE VDE CBEMA Spannungsqualität MS und NS Isolationskoordination Isolierung in NS Anlagen Amerikanische Computerhersteller 95% aller 10 min. Werte im Bereich +/-10% mäßig ausgedehnte Netze Zeitw.Überspannung <1,2 pu 1,5*U N +750 V bis 5s U>1,2 pu für 3ms Schnelle Spannungsänd.: NS:10% MS:6% ausgedehnte Netze Zeitw. Überspannung bis 1,5 pu 1,5*U N > 5s Max.24 h 1,10 pu <U <1,20 bis 5 s Leiter-Erde- Spannung im NS- Netz bis 1,73 pu U=1,10 pu dauernd Norm gilt nicht für Störungsfälle pu bezieht sich auf höchste Betriebsspannung des Netzes Angaben zur Funktionssicherheit, keine Zerstörungsgrenzen 13

14 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Spannung im Einspeisepunkt der MS-Netze Obere Grenze des Spannungsreglers 1.06 pu Schaltbedingte Spannungsänderungen 5% Spannung bis Traforegler wirkt: U B =1,11*U N Berücksichtigt man zul. 10% schnelle Spannungsänderungen nach EN Maximale Spannung an MS-Sammelschiene bis zur Reaktion des Traforeglers U Bmax =1,16*U N 14

15 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Zulässige Spannungen im Störungsfall Aus den Vorschriften sind keine im Störungsfall einzuhaltende Überspannungen ableitbar Zerstörungsgrenzen von Geräten sind unbekannt und vermutlich unterschiedlich Es lässt sich lediglich eine Spannungszeitkurve ableiten, die auf Erfahrungen basiert 15

16 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Definition betrieblich zulässiger Überspannungen U/U N 1,7pu 1,6pu Definition der zulässigen netzfrequentzul.überspannungen 1,5pu 1,4pu 1,3pu 1,2pu Betrieblich normal 1,1pu 0, t/s 16

17 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Mögliche Messorte für die Spannungsschutzeinrichtungen Spannungsschutz im Netz der EZE Mittelspannungsanlage Niederspannungsanlage Spannungsschutz am Netzanschlusspunkt Spannungsschutz auf der MS-Seite benachbarter Netze gilt nur für Hoch- und Höchstspannung 17

18 5. Zulässige Spannungen im Netz der Netzbetreiber Spannungsschwankungen im Netz der EZE Möglicher Blindleistungsbereich nach TC,der durchfahren werden kann Variante 1: Variante 2: 0,975 untererregt bis 0,90 überrerregt 0,95 untererregt bis 0,925 überrerregt Annahme: Windpark S NG = 40 MVA Trafo OS/MS S NT1 = 40 MVA, u KT1 =16,5% Summe Trafo MS/NS S NT2 = 40 MVA, u KT2 =6, % Max.Spannungserhöhung auf MS-Seite Max.Spannungserhöhung auf NS-Seite 0,975 unterer. bis 0,90 überrer. 10,8% 14,5% 0,95 unterer. bis 0,925 überrer. 11,7% 15,9% 18

19 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen U> U< U- Regler 1,15*U C t=0,1s U> 1,06*U C t=20s U> Uc = vereinbarte Spannung im Mittelspannungsnetz U- Regler U> U > 1,25*U NS t=0,1s U< 0,30*U NS t=0,1s Wird die MS-Spannung in der EZA nicht geregelt, so muss die Funktion der Spannungsregelung im Schutzrelais nachgebildet werden. Adaptives Spannungsrelais erforderlich 19

20 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Verhalten der Spannungsregler im Inselbetrieb 1,16*U n t=0,1s U> 0,85*U n t=5s U< Zusätzlicher Spannungsschutz U- Regler 1,15*U C t=0,1s U> 1,06*U C t=20s U> B U- Regler A U> U > 1,25*U NS t=0,1s U< 0,30*U NS t=0,1s Spannung im HS- Netz steigt weiter an Regler A erhöht Übersetzung des Tr., wenn geregelte MS-Spannung zu groß 20

21 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Zusammenwirken des Schutzes der Anschlussanlage 1,16*U N t=0,1 s U> 0,8*U N t=5 s U< Uc = vereinbarte Spannung im Mittelspannungsnetz U> U> U NS = U c / ü U-Regler 1,15*U C t=0,1s 1,06*U C t=20s mit ü = Übersetzungsverhältnis der Niederspannungstransformatoren U> U> U< U> U< 1,25*U N S 0,30*U N S 1,25*U N S 0,30*U N S t=0,1 s t=0,1s t=0,1 s t=0,1 s 21

22 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Schutzeinrichtung des übergeordneten Netzes Einstellwert Abschaltzeit Mindesteinstellbereich Spannungssteigerungsschutz Spannungsrückgangsschutz 1,00 1,20 U n 1,16 U n 100 ms 0,70 1,00 U n 0,8 U n 5s 22

23 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Schutzeinrichtung auf der geregelten MS-Seite der Anschlussanlage Funktion Einstellbereich Einstellwert Abschaltzeit Spannungssteigerungs - schutz 1,00 1,30 U c 1,15 U c 100 ms Spannungssteigerungs -schutz 1,00 1,30 U c 1,06 U c t = 20 s 23

24 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Schutzeinrichtungen an den EZE -selektiv entkuppelnd- Funktion Einstellbereich Einstellwert Abschaltzeit Spannungssteigerungsschutz Spannungsrückgangsschutz Frequenzsteigerungsschutz 1,00 1,30 U n 1,25 U n 100 ms 0,10 1,00 U n 0,30 U n *) 100 ms 50,0 52,0 Hz 51,5 Hz 200 ms Frequenzrückgangsschutz 47,0 50 Hz 47,5 Hz 200 ms *) Eine Einstellung von 0,3*U n entspricht in der Regel 15%*U n am Netzanschlusspunkt Anschluss an Mittelspannungsnetz U n = U c (vereinbarte Spannung des Mittelspannungsnetzes) Anschluss an Niederspannungsnetz U n = U c /ü (ü Übersetzungsverhältnis des jeweiligen MS/NS-Transformators) 24

25 6. Über- und Unterspannungsschutzeinrichtungen Schutzeinrichtungen an den EZE -unselektiv entkuppelnd- Einstellwert Abschaltzeit Spannungssteigerungsschutz 1,10 U n 100 ms Spannungsrückgangsschutz 0,80 U n 100 ms Frequenzsteigerungsschutz 51,5 Hz 200 ms Frequenzrückgangsschutz 47,5 Hz 200 ms 25

26 7. Leitungsschutzeinrichtungen in der Anschlussanlage Windumspannwerk eingeschleift S KA A B S KB I KA I KA +I KC I KB C S KC I KC In Netzen, die mit Vergleichsschutzeinrichtungen betrieben werden, müssen Windumspannwerke eingeschleift werden und in die Vergleichsschutzsysteme einbezogen werden. G 26

27 7. Leitungsschutzeinrichtungen in der Anschlussanlage Windumspannwerk Stichanschluss S KA A I KA M I KA +I KC I KB B S KB I KC C Relais A: S KC Z K = Z A-M + Z M-B (I KA + I KC / I KA ) Relais B: G Relais C: Z K = Z B-M Z K = Z C-M + Z M-B (I KA + I KC / I KC ) 27

28 7. Leitungsschutzeinrichtungen in der Anschlussanlage Windumspannwerk Stichanschluss S KA A I KA M I KA +I KC I KB B I KC C Relais A: S KC Ausgelöst Relais B: Relais C verfügt über Spannungsgesteuerte Stromanregung G Relais C: Ausgelöst Z K = Z C-M + Z M-B 28

29 7. Leitungsschutzeinrichtungen in der Anschlussanlage Windumspannwerk Stichanschluss - Bewertung Messfehler Distanzschutz- S KA A I KA =2,6kA M I KA +I KC I KB =2,6kA B S KB 500MVA 500MVA I KC =200A C Relais A: S KC Z K = Z A-M + Z M-B (I KA + I KC / I KA ) Z K = Z A-M + Z M-B (2,6kA + 0,2kA / 2,6kA) 40MVA Z K = Z A-M + Z M-B *1,08 G Relais C: Z K = Z C-M + Z M-B (I KA + I KC / I KC ) Z K = Z C-M + Z M-B (2,6kA + 0,2kA / 0,2kA) Z K = Z C-M + Z M-B *14 29

30 8. Schutzkonzept für Umspannwerke Schutzkonzept für NOSPE-Netz: U< t -T5 -Q9 M M -Q9 U> t -Q0 Z< M -T1 4x150/1/1/1 A gesch. 300/1 A Tr. 101, 110/20 kv 31,5 MVA, ONAN YNyn0 (d) I d, I de -T1 1200/1/1 A 1200/1 A NOSPE-Widerstand I max = 1000 A / 5 s R = 12,12 Ω I>, I E > U> U> t t -Q0 M -Q1 -Q8 -Q01 -Q8 -Q1 -Q8 -Q1 -Q8 -Q1 6 A -Q1 M -T1 600/1 A I>, I E > -Q1 M -T1 600/1 A I>, I E > Tr 21 20/0,4 kv WP 1 30

31 8. Schutzkonzept für Umspannwerke 110 kv M M -T5 -Q9 -T5 -Q9 -Q9 M =E03 =E04 -Q0 Z< M -T1 -Q9 M 4x150/1/1/1 A gesch. 300/1 A Tr. 101, 110/20 kv 31,5 MVA, ONAN YNyn0 (d) =E01 -T1 1200/1/1 A NOSPE-Widerstand I max = 1000 A / 5 s R = 12,12 Ω -T1 1200/1 A I> I d, I de I>, I E > Auslöserichtung Strom-bzw. Spannungszufuhr -Q0 -T5 M 20 kv -Q1 -Q8 -T15 -Q01 -Q8 -Q1 -Q8 -Q1 -Q8 -Q1 -Q8 -Q1 6 A -Q1 M -T1 400/1 A I>, I E > -Q1 M -T1 400/1 A I>, I E > -Q1 M -T1 400/1 A I>, I E > Tr 21 20/0,4 kv WP 1 WP 2 WP 3 31

32 9. Anschluss von BHKW an MS- Netze Ausschaltstelle im Normalbetrieb 32

33 9. Anschluss von BHKW an MS- Netze U> U< Z< I> Transformator- und Generatorschutz in Abhängigkeit der Nennleistung Vektorsprungrelais in Abhängigkeit der Forderung des Maschinenherstellers U> U< ϕ f> f< 33

34 9. Anschluss von BHKW an MS- Netze Umspannwerk Kundenanlage Umschaltautomatik 34

35 10. Prinzipschaltbild Elektrischer Blockschutz -Generator kleiner Leistung- t= 0,5s Überstr. Gen Untererr. Schutz Warnung I Rückleist. Schutz Blocktrafo U 0 U f f< Spannungsst. Schutz Unterfrequenz Schutz Überfrequez Schutz U >>,t 1 U >,t 2 t 47,5 Hz 49,8 Hz Warnung t 1 t 2 I I Buchholz- Schutz Warnung EB- Trafo Rückleistungs Schutz I Schieflast Schutz Warnung P Läufererdschl. Schutz Warnung Gen. Diff. Schutz LS-Netz G 3 I Regelung P sch I I err < I err > R E < Ständererdschl. Schutz Überstrom Schutz EB-Tr. Diffschutz Blocktrafo Entregung Turbine Schnellschl. LS- EB-Trafo Umschaltautomatik EB 35

36 11. Zusammenfassung der Aussagen Bewertung Messfehler Distanzschutz bei Stichanschluss Kurzschlussleistung am Verknüpfungspunkt Zehnerpotenz über Einspeiseleistung der WEA. Messfehler für den Distanzschutz in A Größenordnung 10% Extreme Fehlmessung des Distanzschutzes in der Einspeisung der WEA. Relais sieht Fehler erst in Endzeit. Nach Auslösung in Station A wird Fehler in Schnellzeit gemessen. Relais sollte auf mind. 120% Leitungsimpedanz eingestellt werden. AWE- Pausenzeit sollte bei sehr langen Leitungen auf 600ms erhöht werden. 36

37 11. Zusammenfassung der Aussagen EEG- Anlagen an Verteilungsnetze müssen sich künftig selektiv vom Netz trennen. Anlagen, die ans 110-kV-Netz angeschlossen werden. Anlagen, die direkt in ein Umspannwerk speisen. EEG- Anlagen, die in Stationen des Mittelspannungsnetzes einspeisen dürfen auch künftig unselektiv ins Netz speisen. Um eine Verbesserung der Netzsituation zu erzielen, laufen zur Zeit Gespräche des VDN mit der FGW zur veränderten Schutzeinstellung von bestehenden Anlagen: (gilt für Anlagen am Hoch- und Höchstspannungsnetz, für MS-Netz, wenn direkt ins UW eingespeist wird) WEA Typ Ausschaltschwelle Verzögerung WEA mit Asynchrongeneratoren U G < 80% T v =200 ms WEA mit doppelt gespeisten ASG U G < 60% T v =200 ms WEA mit SM und Vollumrichter U G < 60% T v =200 ms 37

38 11. Zusammenfassung der Aussagen Die selektive Netztrennung der EEG- Anlagen ist mit den verfügbaren Schutzfunktionen realisierbar. Unter bestimmten Bedingungen wird an der Verknüpfungsstelle der EEG-Anlagen zum öffentlichen Energieversorgungsnetz der Einsatz eines Distanzschutzes mit spannungsgesteuerter Stromanregung erforderlich. Durch Fehlmessungen des Distanzschutzes (Dreibeinschaltung) kann es zu gestaffelten Auslösungen über den Distanzschutz kommen, so dass besonders in 110-kV-Netzen mit AWE die Pausenzeit auf 600ms erhöht werden sollte. Zum Schutz vor unzulässiger Inselnetzbildung sind die EZE mit Frequenz- und Spannungsschutzeinrichtungen versehen 38

39 11. Zusammenfassung der Aussagen Leitungsschutz Fehler im Hochspannungsnetz können mit herkömmlichen Distanzschutz- bzw. Vergleichsschutzeinrichtungen erfasst werden. Wegen der geringen Kurzschlussströme aus den WEA wird die Nutzung der spannungsgesteuerten Stromanregungen des Distanzschutzes empfohlen. Der Distanzschutz am Einspeisepunkt der WEA sollte auf 120% der längsten Leitungslänge eingestellt werden AWE-Pausenzeiten ggf. auf 600ms erhöhen. In gelöschten und isolierten Netzen kann es beim Doppelerdschluss mit einem Fußpunkt im Selektionsabschnitt zur Inselnetzbildung mit stehendem Erdschluss kommen. 39

40 11. Zusammenfassung der Aussagen Spannungs- und Frequenzschutz Zum Schutz vor unzulässiger Inselnetzbildung sind die EZE mit Frequenz- und Spannungsschutzeinrichtungen versehen. Bedingt durch die Betriebsweise der EZE (größerer Blindleistungsbereich wird durchfahren) ist Einstellung der Spannungsrelais nicht im erforderlichen Maße möglich. Zusätzliche Spannungsrelais auf der geregelten MS-Seite der Anschlussanlage und auf der Hochspannungsseite am Netzanschlusspunkt bilden den Reserveschutz für das Hochspannungsnetz und schützen es vor unzulässigen Überspannungen. Zum Schutz vor unzulässiger Inselnetzbildung sind die EZE mit Frequenz- und Spannungsschutzeinrichtungen versehen. 40

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