GRIDCON TRANSFORMER SPANNUNGSREGELUNG FÜR VERTEILUNGSNETZE. POWER QUALITY

Transkript

1 GRIDCON TRANSFORMER SPANNUNGSREGELUNG FÜR VERTEILUNGSNETZE. POWER QUALITY

2 GRIDCON TRANSFORMER STABILE SPANNUNG IN ÖFFENTLICHEN ORTSNETZEN UND INDUSTRIELLEN VERTEILUNGSNETZEN. 2

3 Regelbare Transformatoren halten die Spannung in öffentlichen Ortsnetzen und industriellen Verteilungsnetzen stabil, indem sie Schwankungen in der Mittelspannung ausgleichen und auf Einspeise- und Lastveränderungen in der Niederspannung dynamisch reagieren. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten Regelbare Transformatoren ermöglichen die Aufnahme zusätzlicher erneuerbarer Energie ohne teuren Netzausbau im Verteilungsnetz, erleichtern den kosteneffizienten Anschluss von Wind- und Solarparks, stabilisieren industrielle Prozesse und helfen die Energiekosten im betrieblichen Umfeld niedrig zu halten. Zudem machen sie durch aktiv gewählte Spannungsniveaus einen verlustoptimierten Betrieb elektrischer Verteilungsnetze möglich. Bewährtes Konzept aus dem Übertragungsnetz Der Gedanke, das Übersetzungsverhältnis eines Transformators nicht starr festzulegen sondern veränderbar zu gestalten, ist annähernd so alt wie das Konzept des Transformators selbst. In nahezu jedem Leistungstransformator, der an der Hochspannung oder einer höheren Spannungsebene angeschlossen ist, arbeitet heute ein Laststufenschalter. In Transformatoren, die an die Mittelspannung angeschlossen sind, wie auch zusätzlich in den Transformatoren der höheren Spannungsebenen findet sich fast immer ein Umsteller. Laststufenschalter und Umsteller unterscheiden sich darin, dass ersterer die Spannungsübersetzung im Transformator unter Last und damit situationsbeding dynamisch verändern kann, während eine Anpassung der Spannung durch letzteren bedingt, dass der Transformator zuerst spannungsfrei geschaltet wird. Dieser grundlegende Funktionsunterschied zwischen Laststufenschalter und Umsteller bringt es mit sich, dass heute im Übertragungsnetz und damit in und oberhalb der Hochspannung dynamisch Spannungsregelungsvorgänge stattfinden können, weil die Übersetzungsverhältnisse der Transformatoren unter Last angepasst werden können. Im Verteilungsnetz war diese Möglichkeit ob des beschränkten Funktionsumfangs der Umsteller bislang nicht gegeben. Hier waren die Übersetzungsverhältnisse zwischen Mittel- und Niederspannungsnetz zumeist fest eingestellt und konnten ohne temporäre Abschaltung des Transformators nicht verändert werden. Mit aktuellen Veränderungen in den Netzen, wie beispielsweise dem starken Wachstum dezentraler Energieeinspeisung aus erneuerbaren Quellen, dem Aufkommen von Elektromobilität und Wärmepumpen, sowie technischen Fortschritten in Spannungsregelungstechnologie beginnt das beschriebene und seit Jahrzehnten etablierte Bild jedoch sich zu verändern. In Netzplanung und -betrieb werden zunehmend Vorteile offenbar, die sich aus der dynamischen Anpassung der Spannung auch im Verteilungsnetz und damit in Mittel- und Niederspannung ergeben. Wie auch in den höheren Spannungsebenen bietet sich auch in diesem Umfeld der Laststufenschalter als das Mittel der Wahl an, um die bis dato statischen Transformatoren im Verteilungsnetz um eine Funktion der Spannungsregelung unter Last zu erweitern. Einsatzfelder Erneuerbare Energien wirtschaftlich integrieren Netzanschlussbedingungen für dezentrale Erzeugungsanlagen wirtschaftlich einhalten Industrieprozesse in volatilen Netzen stabilisieren Energiekosten durch optimierte Spannung reduzieren Seite 11 Seite 12 Seite 1 Seite 14

4 GRIDCON TRANSFORMER SPANNUNGSREGELUNG FÜR VERTEILUNGSNETZE. Der einzigartige Vorteil des GRICDON Transformer: Er unterscheidet sich in den Abmessungen und in der Zuverlässigkeit nicht von ungeregelten Transformatoren. Zudem ist seine Primärtechnik über Jahrzehnte wartungsfrei. Er kann vorhandene Transformatoren ersetzen, ohne dass zusätzlicher Platz für ihn geschaffen werden muss. Antriebsfunktion I Schrittmotor I Circa 2 Sekunden Laufzeit pro Stufenschaltung I Außenaufstellungstauglich, Schutzgrad IP65 Transformationsfunktion I Drehstrom Öltransformator I 160 bis kva (bei 20 kv Oberspannung; maximal kva bei 10 kv) I 12 kv oder 24 kv Spannungsreihe I Phasen I In Breite und Tiefe nicht größer als ein ungeregelter Transformator I Maximal 9 Betriebsstellungen, alternativ 5 oder 7 I Unter Last schaltbarer Regelbereich frei wählbar, z. B. ± 4 x 2,5 Prozent (maximal 600 V Stufenspannung) I Einhaltung der Verlustanforderungen gemäß EU Ecodesign für 2015 und 2021 (in Abhängigkeit der technischen Ausführung) 4

5 Zertifizierte Netzregelungseinheit mit geprüfter Betriebssicherheit, Netzverträglichkeit und stabilen Reglerfunktionalitäten (Produktzertifikat der FGH-Zertifizierungsstelle 201, mitgeltende Normen IEC 60076, IEC :200, IEC 61000, EN 50160:2011) Steuerungs- und Regelungsfunktion I Autarke Spannungsregelung auf Basis der gemessenen Spannung (optional Strom und Leistung) I Optional Einbeziehung von abgesetzter Sensorik in die Regelung I Integrierbar in übergreifende Regelkonzepte I Speicherung von Power-Quality-Messdaten auf einer SD-Karte (optional) I Automatik-, Remote- und Handbetrieb I Höher- / Tieferbedienung I Ethernet-Schnittstelle I Kommunikationsprotokolle IEC , MODBUS TCP (optional) I Schutzgrad IP54 Lastschaltfunktion I Laststufenschalter nach dem bewährten Reaktorschaltprinzip I Lichtbogenlöschung in speziell entwickelten Vakuumschaltröhren I Oberhalb des Aktivteils im Transformatorkessel verbaut I Wartungsfrei über die Lebensdauer des Transformators (bis Schaltungen) I Regelung auf der Oberspannungsseite 5

6 GRIDCON TRANSFORMER DAS PASSENDE REGELKONZEPT FÜR JEDE ANFORDERUNG. Der integrierte Spannungsregler erlaubt einen vollständig autarken Betrieb. Dabei passt der GRIDCON Transformer die Spannung im Netz eigenständig den aktuellen Gegebenheiten an. Es stehen verschiedene Regelkonzepte zur Verfügung: 1 2 Fixer Spannungssollwert für die Niederspannungssammelschiene Last- bzw. stromabhängiger Spannungssollwert für die Niederspannungssammelschiene Fixer Spannungssollwert für einen abgesetzten Sensor, Schlechtpunktregelung IEC , MODBUS TCP (optional) 4 Gesamtsystemoptimierung über multiple abgesetzte Sensoren im Netz Das Standardregelkonzept basiert auf der dreiphasigen Messung der tatsächlich anliegenden Spannung auf der Niederspannungsseite des GRIDCON Transformer sowie der Regelung auf einen voreingestellten Spannungssollwert (1). In einer fortgeschrittenen Variante dieses Algorithmus ist zudem die dynamische Anpassung des Spannungssollwerts in Abhängigkeit der gemessenen Scheinleistung oder des Stroms möglich (2). Hierbei wird insbesondere die Stromrichtung berücksichtigt. Neben der Berücksichtigung von Messwerten am GRIDCON Transformer selbst erlaubt die Kombination von abgesetzten Sensoren und speziellen Algorithmen die Regelung der Spannung in Bezug auf einen oder mehrere vom Transformator entfernte Punkte. Dabei werden von Sensoren, die in diversen Bauformen verfügbar sind, Spannungsdaten an den Spannungsregler des GRIDCON Transformer übermittelt und dort bei der Regelung berücksichtigt. Zusätzlich sind die Sensoren in der Lage, gemessene Daten für spätere Auswertungen lokal zu speichern. 6

7 Die Datenübertragung zwischen Sensoren und GRIDCON Transformer ist über alle gängigen Kommunikationsstrecken wie z. B. GPRS, Powerline und UMTS möglich. Im einfachsten Fall versucht der Spannungsregler an einem ausgewählten Sensor einen voreingestellten Spannungssollwert zu halten (). In komplexeren Netzen mit mehreren Sensoren können die Informationen von verschiedenen Messpunkten genutzt werden, um über die Spannungsregelung im Transformator ein Gesamtoptimum der Spannung im Netz zu realisieren (4). Neben den parametrierbaren Regelalgorithmen können bei Bedarf auch individuelle alternative Algorithmen implementiert werden. Zusätzlich ist über Standardprotokolle die kommunikative Einbindung in übergreifende Regelkonzepte möglich PV Sensor in IP54 2 PV PV PV PV PV Sensor in IP00 7

8 GRIDCON TRANSFORMER QUELLE: AVACON AG 8

9 MEHR LEISTUNG, MEHR WERT. Die ideale Lösung für Betreiber öffentlicher oder industrieller Verteilungsnetze. Wartungsfrei und langlebig I Die Lebensdauer der Primärtechnik entspricht der eines ungeregelten Transformators I Bewährte Vakuumtechnologie schließt eine Ölkontamination durch Lichtbögen kategorisch aus und stellt die Wartungsfreiheit der Primärtechnik sicher I Im GRIDCON Transformer steckt unsere gesamte Erfahrung. Seite 1929 bauen wir Laststufenschalter, heute in überlegener Vakuumtechnologie. Es wurden bereits mehr als unserer Laststufenschalter in Vakuumtechnik ausgeliefert, davon über , die das Reaktorschaltprinzip nutzen. Maximal betriebssicher I Aufgrund des Reaktorschaltprinzips sind kritische Betriebszustände systembedingt ausgeschlossen I GRIDCON Transformer wurde in mechanischen und elektrischen Lebensdauertests geprüft (weit über die Anforderungen der IEC-Normen hinaus) I GRIDCON Transformer ist eine zertifizierte Netzregelungseinheit mit geprüfter Betriebssicherheit, Netzverträglichkeit und stabilen Reglerfunktionalitäten (Produktzertifikat der FGH-Zertifizierungsstelle 201, mitgeltende Normen IEC 60076, IEC :200, IEC 61000, EN 50160:2011) Niedrige Lebenszykluskosten I Problemloser Einbau in bestehende Kompaktstation, da die Abmessungen des GRIDCON Transformer denen eines ungeregelten Transformators entsprechen I zuverlässige Schaltungen machen Wartung überflüssig ein Transformatorleben lang; die Sekundärtechnik kann bei Bedarf einfach getauscht werden I In Abhängigkeit von der technischen Ausführung ist ein Betrieb ohne Zusatzverluste des Regelsystems möglich Fit für künftige Anforderungen I Der große Regelbereich von bis zu 24 % in einem 20-kV-Netz (bis zu 48 % in einem 10-kV-Netz) schafft Platz im Netz auch für heute noch nicht bekannte zukünftige Einspeiser und Lasten I Die einfache Parametrierbarkeit der Regelalgorithmen erlaubt die flexible Anpassung an zukünftige Netzverhältnisse I Die Integration abgesetzter Sensorik sowie die Einbindung in übergreifende Regelkonzepte ist auch nachträglich möglich Einfache Inbetriebnahme und Bedienung I Die Inbetriebnahme unterscheidet sich kaum von der eines ungeregelten Transformators und kann vom gleichen Personal durchgeführt werden I Die grundlegende Bedienung erfolgt über große Schalter, Taster und Anzeigeinstrumente, die auch mit Handschuhen gut handhabbar sind I Die Detailkonfiguration des Systemverhaltens erfolgt über eine intuitive webbasierte Benutzeroberfläche, für die keine zusätzliche Software erforderlich ist 9

10 GRIDCON TRANSFORMER ERNEUERBARE ENERGIEN WIRSCHAFTLICH INTEGRIEREN. 10

11 Verteilungsnetzbetreiber stehen vor einem schwierigen Spagat: Sie müssen im Mittel- und Niederspannungsnetz eine stabile Versorgungsspannung gewährleisten und gleichzeitig in zunehmendem Maße erneuerbare Energien integrieren, wodurch die Spannung lokal ansteigt. Innerhalb des gemäß DIN EN erlaubten Spannungsbands von ± 10 Prozent der Nennspannung steht den erneuerbaren Energien im Niederspannungsnetz ein maximaler Spannungshub von Prozent und im Mittelspannungsnetz ein maximaler Spannungshub von 2 Prozent zu. Der Rest ist für Spannungsabfälle sowie Einstellungenauigkeiten reserviert. Durch die rasant wachsenden Einspeisemengen besteht immer öfter die Gefahr, das erlaubte Spannungsband zu verletzen. Die Netzbetreiber sehen sich zu teuren Netzausbaumaßnahmen gezwungen, obwohl die Kapazitäten ihrer Betriebsmittel im Netz noch lange nicht ausgereizt sind. 110 kv 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Abweichung von Nennspannung (in %) +10 % +5 % 0 % -5 % -10 % Mittelspannungsnetz 2 % Spannungsanhebung durch Einspeisung 2 % Regelbandbreite Transformator 5 % Spannungsabfall Umspannwerk Ortsnetzstation Außerhalb des Spannungsbands Außerhalb des Spannungsbands Niederspannungsnetz % Spannungsanhebung durch Einspeisung Jeweils 1,5 % Spannungsabfall und Einstellungenauigkeit Ortsnetztransformator 5 % Spannungsabfall Maximale Einspeisung Maximale Last Netzkapazität optimal nutzen durch regelbare Ortsnetztransformatoren Ein regelbarer Ortsnetztransformator setzt am Kern des Problems der Einhaltung des Spannungsbands an, indem er die Spannung dynamisch anpasst. Er entkoppelt die Spannung von Niederspannungs- und Mittelspannungsnetz. Als Folge stehen im Mittelspannungsnetz 1 statt 2 Prozent Spannungshub und im Ortsnetz 11 statt Prozent Spannungshub für die Einspeisung aus erneuerbaren Energien zur Verfügung. Meistens entfällt dadurch der teure Netzausbau komplett, in den wenigen Ausnahmen gewinnen die Betreiber Zeit. Vor allen Dingen können mit Hilfe des regelbaren Ortsnetztransformators Netzbetriebsmittel in höherem Maße und damit wirtschaftlicher ausgelastet werden. 110 kv 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Abweichung von Nennspannung (in %) +10 % +5 % 0 % -5 % -10 % Umspannwerk Ortsnetzstation Mittelspannungsnetz Außerhalb des Spannungsbands 1 % Spannungsanhebung durch Einspeisung 2 % Regelbandbreite Transformator 5 % Spannungsabfall Regelung nach unten Regelung nach oben Außerhalb des Spannungsbands Niederspannungsnetz 11 % Spannungsanhebung durch Einspeisung 4 % Regelbandbreite Ortsnetztransformator 5 % Spannungsabfall Maximale Einspeisung Maximale Last 11

12 GRIDCON TRANSFORMER NETZANSCHLUSSBEDINGUNGEN FÜR DEZENTRALE ERZEUGUNGSANLAGEN WIRTSCHAFTLICH EINHALTEN. Dezentrale Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energien (Photovoltaik, Wind, Biogas) müssen bei der Netzintegration die lokalen Anforderungen der Netzbetreiber in Form der gültigen Netzanschlussbedingungen erfüllen. Netzanschlussbedingungen verpflichten die Hersteller häufig zum Nachweis der elektrischen Eigenschaften der Anlagen und fordern Typprüfungen. Kritisch ist oft insbesondere die Blindleistungsbereitstellung, die von der Netzspannung abhängig ist. Speziell im untererregten Bereich ist das Blindleistungsstellvermögen aktueller Erzeugungsanlagen systembedingt bei Unterspannung limitiert. Regelbare Transformatoren erweitern das Blindleistungsvermögen Über die Entkopplung der Sekundärspannung am Generator von der Netzspannung stellen regelbare Transformatoren sicher, dass die Erzeugungsanlage mit der Anlagennennspannung versorgt wird und damit das volle Blindleistungsvermögen genutzt werden kann. Je nach Auslegung ist dabei die volle Blindleistungsfähigkeit in einem Bereich zwischen +20 Prozent und -20 Prozent um die Nennspannung verfügbar. Beispielhafte Blindleistungsbereitstellung in Abhängigkeit der Netzspannung Überspannung Unterspannung U[p.u.] 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 Mit regelbarem Transformator Ohne regelbaren Transformator 0,70-0,5-0,4-0, -0,2-0,1 0,0 0,1 0,2 0, 0,4 0,5 Verbrauch Erzeugung Q/P max [p.u.] Einbindung Transformatorregelung in Einheitenregelung G Die Kombination mit regelbaren Transformatoren ist mit sämtlichen Antriebsstrangkonzepten wie beispielsweise Asynchrongeneratoren oder auch Vollumrichtern möglich. Der regelbare Transformator kann dabei entweder autark agieren oder in die Regelung der Erzeugungseinheit integriert werden. Einheitenregelung Transformatorregelung Vorbereitet für Einheiten- / Anlagen- und Produktzertifizierung G Einheitenregelung Transformatorregelung Eine Produktzertifizierungsrichtlinie für Netzregelungseinheiten wurde bereits entwickelt und Ende 201 mit dem GRIDCON Transformer als weltweit erstes Produktzertifikat für Netzreglungseinheiten mit der FGH Zertifizierungsstelle umgesetzt. Die Richtlinie kann auch für die Erstellung von Produktzertifikaten oder als Bestandteil des Einheiten-/Anlagenzertifikats für Windenergieanlagen genutzt werden. 12

13 INDUSTRIEPROZESSE IN VOLATILEN NETZEN STABILISIEREN. Damit industrielle Prozesse stabil und zuverlässig ablaufen, müssen sie mit einer stabilen Spannung versorgt werden, die sich innerhalb eines eng definierten Bandes bewegt. In Netzen mit knapp bemessener Generatorleistung, langen Übertragungsstrecken oder volatilen Verbrauchern und Erzeugern kann die versorgende Mittelspannung starken Schwankungen unterworfen sein. Entsprechend können Fertigungsdurchläufe abbrechen, Motoren nicht anspringen oder Steuerungssysteme abstürzen. Zudem können häufige Spannungswechsel die Lebensdauer von Betriebsmitteln beeinträchtigen Ein regelbarer Transformator im industriellen Verteilungsnetz kann sicherstellen, dass Verbraucher unabhängig von der Volatilität der Mittelspannung mit stabiler Spannung versorgt werden. Dazu kompensiert er die Abweichung der Mittelspannung von der Nennspannung durch Veränderung seines Übersetzungsverhältnisses. Ist die Mittelspannung zu niedrig, wird das Übersetzungsverhältnis so geändert, dass dennoch eine Niederspannung in der Mittelspannung (in kv) Eingehende Spannung Geregelte Spannung 00:00 06:00 12:00 18:00 24:00 Nähe der Nennspannung zur Verfügung steht. Bei einer zu hohen Mittelspannung wird analog verfahren, es wird lediglich das Übersetzungsverhältnis in die andere Richtung verändert. Nennspannung Blindleistungsregelung Dieselgenerator G Mittelspannung Regelbarer Transformator 0,4 kv (Fabrik) M M Niederspannung Anlagen M Niederspannung Gebäudeinstallation 1

14 GRIDCON TRANSFORMER ENERGIEKOSTEN DURCH OPTIMIERTE SPANNUNG REDUZIEREN. Für Lasten wie nicht frequenzgeregelte Motoren, Heizungen oder Beleuchtung wird der Energieverbrauch unter anderem von der Spannung beeinflusst, mit der die Geräte versorgt werden. Wird ein derartiges Gerät mit einer Spannung gespeist, die höher als notwendig ist, beispielsweise weil die Mittelspannung über der Nennspannung liegt, verbraucht das Gerät mehr Energie als eigentlich erforderlich wäre. Der Einsatz eines regelbaren Transformators im industriellen Verteilungsnetz erlaubt es, Geräte mit einer aktiv für sie optimierten Spannung so zu versorgen, dass der Energieverbrauch reduziert wird, ohne dabei die Funktion der Geräte einzuschränken. Dazu erfasst die Steuerung des regelbaren Transformators die aktuelle Höhe der Spannung und vergleicht sie mit einer als energieverbrauchsoptimal parametrierten Spannung. Liegt die Spannung und damit der Energieverbrauch zu hoch, wird über eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses im Transformator die Spannung und mit ihr der Energieverbrauch reduziert. Bevor die Spannung soweit absinkt, dass der Betrieb der Geräte gefährdet werden könnte, greift der regelbare Transformator wieder ein und erhöht die Spannung so, dass sie möglichst nahe an der energieverbrauchsoptimalen Spannung der Geräte liegt. In Abhängigkeit von den Gegebenheiten vor Ort kann eine Reduktion der Energiekosten um bis zu 10 Prozent realisiert werden. Leistungsaufnahme (in kw) Mit regelbarem Transformator Ohne regelbaren Transformator Zeit 14

15 TECHNISCHE DATEN GRIDCON TRANSFORMER. Transformator Bemessungsleistung 160 kva bis kva (20 kv mit oberspannungsseitiger Dreiecksschaltung) 160 kva bis kva (10 kv mit oberspannungsseitiger Dreiecksschaltung) Oberspannung Frei wählbar, maximal 24 kv Spannungsreihe Isolationspegel LI 125 AC 50 Stufenschalterpositionen 5, 7, oder 9 unter Last schaltbare Stellungen Anordnung frei wählbar, z. B. +6/-2, +4/-4, +/-5 Stufenspannung Frei wählbar, maximal 600 V, gängig 1,5 %, 2 % oder 2,5 % Unterspannung Frei wählbar Isolationspegel LI AC Wicklungmaterial Gemäß Kundenanforderung, Cu und Al möglich Leerlaufverluste P 0 AA 0, A 0, B 0, C 0 oder gemäß Kundenanforderung In Abhängigkeit der technischen Ausführung zusätzliche Verluste durch die Schalteinrichtung möglich Kurzschlussverluste P k A k, B k, C k oder gemäß Kundenanforderung Kurzschlussspannung 4 %, 6 % oder gemäß Kundenanforderung Schaltgruppe Gemäß Kundenanforderung Frequenz 50 Hz Kesselart Hermetik-Wellwandkessel Kühlungsart ONAN Max. Umgebungstemperatur 40 C Max. Aufstellungshöhe m über NN Schutzeinrichtungen Gemäß Kundenanforderung Zubehör Gemäß Kundenanforderung Spannungsregler und Steuerschrank itap III Spannung AC 400 V Strom 1 A Frequenz 50 Hz Prüfspannung gegen Erde 2 kv / 1 Minute Betriebstemperatur -20 C C Schnittstelle Ethernet Protokoll IEC , MODBUS TCP (optional) Gehäuse (B x H x T) 80 x 80 x 210 mm 400 x 500 x 210 mm 200 x 800 x 152 mm 15

16 NIEDERSPANNUNGSLÖSUNGEN: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Power Quality Wiebestr Berlin, Germany Phone: Fax: support.pq@reinhausen.com MITTELSPANNUNGSLÖSUNGEN: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Power Quality Alte Chaussee Erfurt, Germany Phone: Fax: support.pq@reinhausen.com Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Falkensteinstrasse Regensburg, Germany Phone: Fax: info@reinhausen.com Please note: The data in our publications may differ from the data of the devices delivered. We reserve the right to make changes without notice. IN14882/02 DE GRIDCON TRANSFORMER F /15 uw Maschinenfabrik Reinhausen GmbH 2015 THE POWER BEHIND POWER.