Netzanschluss: Nachweisverfahren und Zertifizierung Aktuelle Anforderungen und Erfüllung der gültiger Regelwerke

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1 Aktuelle Anforderungen und Erfüllung der gültiger Regelwerke Dipl.-Wirt.-Ing. Julian Langstädtler FGH GmbH Netzanschluss - Aktuelle Herausforderungen für Erzeugungsanlagen Veranstaltung des VDMA im Rahmen der Hannover Messe April 2013, Hannover

2 FGH Forschung, Dienstleistungen und Technologien im Bereich Netzintegration Forschung, Seminare und Netzwerk Systemstudien zur Netzintegration von erneuerbaren Energien SCADA-Systeme und Anwendbarkeit der IEC für Smart Grid- Technologien 2003 weltweit erste Definition von LVRT- Testverfahren und Setup (heute Bestandteil der IEC ) FGH e.v. Forschungsgemeinschaft für elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.v. FGH GmbH FGH Test Systems GmbH Maßgeschneiderte HS- & MS-Kompaktanlagen Fertigung mobiler LVRT/HVRT Test-Container (bis 10 MVA) Design nach kundenspezifischen Anforderungen HVRT-Testanlagen Ingenieursdienstleistungen und Beratung Weltmarktführer für LVRT-Testsysteme 1 Zertifizierungsstelle, Software und Dienstleistungen Validierung von Einheitenmodellen gemäß nationaler und internationaler Validierungsvorschriften Unabhängige Einheiten- und Anlagenzertifizierung Komplettpakete für die Qualifizierung zum Nachweis von Netzanschlussrichtlinien Dienstleistungen in den Bereichen Netzintegration und Systemanalyse

3 FGH Referenzen (im Bereich Netzintegration) Erste akkreditierte Zertifizierungsstelle für den Nachweis von elektrischen Eigenschaften dezentraler Energieerzeugungseinheiten und -anlagen Erste Empfehlung durch VDE FNN und FGW Erfinder und Entwickler der ersten mobilen LVRT und HVRT Prüfeinrichtungen Weltweit erstes Zertifikat für Windenergieanlage in 2004 Aussteller der ersten Zertifikate für Wind- und Solarparks Marktführer mit mehr als 100 EZE und mehr als 300 EZA-Zertifikaten Zertifizierung der weltweit größten PV-Freiflächenanlage mit über 100 MW Zertifizierung der weltweit leistungsstärksten Onshore-WEA Erste Modellvalidierung für WEA und PV-Wechselrichter nach FGW-TR4 Initiator der Zertifizierungsverfahren nach FGW-TR8 2

4 Agenda Motivation Zertifizierungs- und Nachweisverfahren Anforderungen an den Nachweis Verfahrensgrundsatz Umfang & Abgrenzung der Zertifizierung Akteure, Kommunikation und Workflow Kritische Aspekte der Normen- und Richtlinien- Entwicklung Zertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen 3

5 Motivation Veränderte Rahmenbedingungen Veränderungen in der elektrischen Energieversorgung Konzeption und bisheriger Betrieb: Einspeisung durch Großkraftwerke Vorwiegend gerichteter Lastfluss Heute und zukünftig: Verstärkt dezentrale Einspeisung aus EEG- Anlagen Regional geringere Verbraucherlastdichte als Erzeugerlastdichte Verstärkter Handel Elektrische Energie muss über größere Distanzen transportiert werden Anpassung der Infrastruktur an neue Aufgaben Einbeziehung der dezentralen Erzeuger in die Systemsteuerung, kwh H 2O CHP V2G Druck Netzebene 380/220 kv 110 kv 20/10 kv 0,4 kv Etablierung von Netzanschlussbedingungen 4

6 Motivation 60 GW 20 installierte Leistung in EEG-Erzeugungsanlagen (EZA)* Netzanschlusspunkt in HS/HöS MS NS * Quelle: EEG-Anlagendaten der ÜNB Kernforderung bis 2002: - Netzverträglichkeit bei Normalbetrieb - schnelle Trennung bei Netzstörung seitdem: Netzstützung in Normalbetrieb und bei Netzstörung, insbesondere - erweiterte Blindleistungsstellbereiche mit optionaler Regelung - Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz - stabiles Durchfahren kurzzeitiger Spannungseinbrüche (UVRT) bei gleichzeitiger Blindstromeinspeisung Nachweis der Richtlinienkonformität von EZA durch Zertifizierung 5

7 Agenda Motivation Zertifizierungs- und Nachweisverfahren Anforderungen an den Nachweis Verfahrensgrundsatz Umfang & Abgrenzung der Zertifizierung Akteure, Kommunikation und Workflow Kritische Aspekte der Normen- und Richtlinien- Entwicklung Zertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen 6

8 Mittelspannungsrichtlinie - Einordnung BDEW MSR gültig seit Anforderungen für alle Anschlussanlagen (Wind, PV, Gasmotoren,...) mit einem Netzverknüpfungspunkt zum öffentlichen Mittelspannungsnetz Zertifizierungspflicht auch für VKM Zertifikate sind seit 2011 vorzulegen (mit Übergangsfristen für PV & VKM) VKM: (4. Ergänzung BDEW) Das Anlagenzertifikat bildet die Voraussetzung für die Zuteilung des endgültigen Netzanschlusspunktes! Anlagenzertifikat ist Planungszertifikat! Einheitenzertifikat ist Voraussetzung für Anlagenzertifikat 7 Workflow nach Mittelspannungsrichtlinie, Anhang E Quelle: BDEW

9 Anforderungen an den Nachweis Vorgaben und Umsetzung Netzanschlussregel Anforderungen an Einheiten und Anlagen BDEW MS-Richtlinie, SDLWindV, PO12.3 Zertifizierung z.b. Zertifizierungsverfahren der FGH, FGW-TR8, PVVC Gutachten FGW-TR8 Einheitenzertifikate Anlagenzertifikate Anlagengutachten (nur SDL-Bestandsanlagen) Konformitätsnachweis auf Basis von Vermessungen und Herstellererklärungen & Validierung von Simulationsmodellen 8 Dynamische und stationäre Simulationsrechnungen; weitere Berechnungen EZA-Konformitätserklärung nach Inbetriebnahme Vor-Ort-Begutachtung & Bewertung QU-Schutz auf Basis quasistationärer Lastflussberechnungen

10 Zertifizierungsverfahren Einordnung am Beispiel der techn. Richtlinien (TR) der FGW e.v. Netzanschlussregel (BDEW-Mittelspannungsrichtlinie, SDLWindV) FGW-TR8 Zertifizierungsverfahren FGW-TR3 Bestimmung der elektrischen Eigenschaften FGW-TR4 Modellvalidierung & Anlagensimulation 9

11 Einheiten- und Anlagenzertifizierung Verfahrensgrundsatz Erzeugungseinheit (EZE) Einheitenzertifikat EZE- Simulationsmodell Vermessung EZE (TR3) Wirkleistungsverhalten Blindleistungsbereitstellung Netzrückwirkungen Schutzfunktionen Validierung (TR4) = Vergleich der Kenngrößen I b, P, Q aus Simulation und Vermessung bei identischem Prüfaufbau (nur UVRT) Berechnung der EZA- Charakteristiken Validiertes Modell EZA Netz + Berechnung des dynamischen Verhaltens von EZA im Netzfehlerfall (UVRT) Bewertung der elektrischen Eigenschaften der EZA (TR8)

12 Einheitenzertifikat Umfang & Abgrenzung Umfang Ggf. eingeschränkter Konformitätsnachweis hinsichtlich Wirkleistungsabgabe in Abhängigkeit vom Primärenergiedargebot (akt. nur WEA) Wirkleistungsregelung (Sollwertvorgabe / frequenzabhängig) Blindleistungsregelung (max. unter-/übererregt, Sollwertvorgabe, Übergangsfunktion, Regelungsfunktion) dynamische Netzstützung (UVRT, Blindstrombereitstellung) Verhalten des EZE-Schutzes (Auslöseschwellen, Verzögerungszeiten) Ausführung der Einheit (Schaltanlage, USV, Sekundärtechnik) Netzrückwirkungen werden nur nachrichtlich ausgewiesen! (Bewertung erfolgt auf EZA-Ebene) Validiertes Modell (Simulationsmodell zur Abbildung des dynamischen Verhaltens der EZE im Netzfehlerfall/UVRT) in mindestens einer Softwareumgebung Technische Spezifikation der zertifizierten Einheit 11

13 Einheitenzertifikat Umfang & Abgrenzung Abgrenzung Zertifikat liefert keine Gewähr eines ausreichenden Blindleistungsstellbereichs in künftigen Anlagenkonfigurationen Kompensationseinrichtungen... Keine Aussagen zur Verletzung von zulässigen Flickerwerten und Oberschwingungsströmen auf EZA-Ebene Filter... Konformitätsnachweis beschränkt sich auf Prüfsituationen (insb. keine Bewertung der Blindleistungsbereitstellung im Spannungsband; UVRT nicht aus dem unter-/übererregten Bereich, Über-/Unterspannung, ZPM,..) Derzeit keine Aussagen zur Lauffähigkeit des mit dem Zertifikat ausgewiesenen Einheitenmodells im Anlagenverbund Derzeit keine validierten Aussagen zur Einbindung der EZE in eine Parkregelung Streng nach FGW-TR8: keine bzw. nicht vollständige Beschreibung der Funktionalitäten (Modi, Parameterbereiche,...) mit Blick auf eine projektspezifischen Bewertung der Netzverträglichkeit 12

14 Grid Code Compliance Zertifizierung der FGH Zertifizierungsverfahren Konformitätsnachweis bzgl. Netzanschlussregel Feldtest durch akkreditierte Prüfinstitute Prüfbericht/e Konformitätsnachweis bzgl. Prüfvorschrift EZE Expertenbericht Zertifikat Konformitätsnachweis bzgl. Konstruktionsmerkmale Herstellererklärungen 13 Beschreibung v. Funktionalitäten, Modi, Einstellbereichen

15 Prozessbeschreibung EZE-Zertifizierung EZE Feldtest durch akkr. Prüfinstitut Prüfbericht Validierungsverfahren (unterbeauftragt) Konformitätsprüfung der Testergebnisse zu Grid-Code-Anforderungen Zertifikat + Lauffähiges Modell (Blackbox) Aktuell: nur Fehlerfallverhalten Berechnung anhand nachgebildeter (LVRT) Feldtestbedingungen Berechnung von Testspezifikationen Vergleich von Simulations- und Feldtestergebnissen!? Validierungsbericht Konformitätsprüfung des Verfahrens zu TR4-/TR8- Anforderungen Validiertes (Fehlerfall) Modell in g Plausibiliätskontrolle f out Offenes (vereinfachtes) Modell 14 ggf. händische Nachbildung von Operanden Zertifizierungsverfahren

16 Anlagenzertifikat Umfang & Abgrenzung Umfang Vollständiger Konformitätsnachweis hinsichtlich Wirkleistungsabgabe in Abhängigkeit vom Primärenergiedargebot (akt. nur WEA) Wirkleistungsregelung (Sollwertvorgabe / frequenzabhängig) Blindleistungsregelung (Stellbereich, Sollwertvorgabe, Regelung) dynamische Netzstützung (UVRT, Blindstrombereitstellung) Netzrückwirkungen (schaltb. Spannungserhöhungen, Flicker, Oberschwingungen) Verhalten des EZE- und EZA-Schutzes Ausführung der Anlage (Schaltanlagen, USV, Sekundärtechnik) als Planungszertifikat auf Basis der vorgelegten Dokumentation Soll Konformität hinsichtlich der generellen Forderungen der Netzanschlussregel ausweisen (keine Zertifizierung gegenüber FGW-TR8) Ferner Konformität hinsichtlich der spezifischen Netzbetreibervorgaben (Blindleistungsbereitstellung, UVRT-Modus, Schutzkonzept) Soll eine vollständige technische Spezifikation der EZA umfassen 15

17 Anlagenzertifikat Umfang & Abgrenzung Abgrenzung Bei Mittelspannungs-Anschlussanlagen ist das Anlagenzertifikat Voraussetzung für die Zuteilung des endgültigen Netzanschlusspunktes Zertifikat ist als Planungszertifikat allein nicht hinreichend für Vergütungsfähigkeit bzw. Zahlung des SDL-Bonus EZA-Konformitätserklärung Streng nach FGW-TR8 enthält das Anlagenzertifikat keine Aussagen zu den grundsätzlichen Funktionalitäten der EZA (z.b. Einstellbereiche der Schutzfunktionen, UVRT-Modi, etc.) Erstellung durch hierfür zugelassene (durch Gremium im BDEW) akkreditierte Zertifizierungsstellen 16

18 Gesamtprozess Anlagenzertifizierung Akteure & Rollenverteilung 1. Hersteller der EZE Veranlasst Einheitenzertifizierung Übergibt Zertifikat und rechnerlauffähiges Einheitenmodell an den EZA-Zertifizierer Stellt ggf. weitere Herstellererklärungen und Dokumentationen zur EZA-Zertifizierung zur Verfügung Stellt Schutzprüfprotokolle und Errichtererklärung für die EZA-Konformitätserklärung nach Inbetriebnahme zur Verfügung Initiiert u.u. Anlagenzertifizierungsprozess (Turn-Key-Projekte) 2. Projektierer / Planer Initiiert i.d.r. Anlagenzertifizierungsprozess Stellt i.d.r. die Planungsunterlagen zur Verfügung (Abfragebogen Teil A bzw. Vordruck F1, Mittelspannungsrichtlinie) Ansprechpartner für technische Fragen des Zertifizierers 17

19 Gesamtprozess Anlagenzertifizierung Akteure & Rollenverteilung 3. EZA-Betreiber Ist (künftiger) Zertifikatsinhaber Initiiert u.u. Anlagenzertifizierungsprozess 4. Netzbetreiber Formuliert ggf. weitergehende Anforderungen (TAB,..) Stellt Abfragebogen B (Netzersatzdaten, Schutzeinstellungen, Blindleistungsvorgabe, Fehlerverhalten, weitere Betriebsmitteldaten) bereit 5. Finanzierer Fordern oftmals im Vorfeld der Errichtung die Vorlage von Zertifikaten Bankability 18

20 Agenda Motivation Zertifizierungs- und Nachweisverfahren Anforderungen an den Nachweis Verfahrensgrundsatz Umfang & Abgrenzung der Zertifizierung Akteure, Kommunikation und Workflow Kritische Aspekte der Normen- und Richtlinien- Entwicklung Zertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen 19

21 Qualität von Daten und Einheitenmodellen Eingangsdaten für das Zertifizierungsverfahren Netzbetreiber Netzersatzdaten z.b. U c, S kv, Ψ kv, S Gesamt Minimale KS-Leistung, U c U b (zul. Spannungsbereich nach EN 50160!) S Gesamt u.a. aus rechtlichen Gründen häufig nicht angegeben Schutzvorgaben (NAP und EZE) Anforderungen an die EZA (UVRT, Blindleistungsregelung,..) Technische Restriktionen der EZE (ZPM, SDLWindV-Statik nur für WEA,..)! Anlagenbetreiber/Projektierer Anlagendaten (EZE, Parkregler, Parklayout und betriebsmittel) sind gemäß dem jeweils aktuellen Planungsstand einzureichen Einheitenzertifikate und Simulationsmodelle Insbesondere im PV-Bereich in der Vergangenheit häufig für die Anlagenzertifizierung unzureichend bzw. sogar vollständig ungeeignet Weiterentwicklung der Richtlinien FGW-TR4 und TR8 sowie konsequente Einhaltung der Mindestanforderungen an die Nachweisführung 20

22 Rückmeldungen von Netzbetreibern Typischer Abstimmungsbedarf und Feedback im/zum Zertifizierungsverfahren Abstimmungsbedarf aufgrund nicht umsetzbarer Netzbetreibervorgaben Vereinbarte Versorgungsspannung U c (EN 50160: 90%.. 110% U c ) Eigenschutz Technische Restriktionen der EZE (ZPM, SDLWindV-Statik nur für WEA,..) UVRT-Statik am NVP gefordert Technisch derzeit nicht umsetzbar, Einstellung der Blindstromstatik an EZE erlaubt keine in allen Arbeitspunkten SDL-konforme Abbildung Behelfsverfahren nach FGW-TR8 untauglich, daher z.t. netzbetreiberspezifische Einzelfalllösungen Rückmeldungen zu Anlagenzertifikaten selten zumeist durch vom EE-Zubau besonders betroffene Flächennetzbetreibern z.t. stark an Formalismen der FGW-TR8 orientiert Spezifikation BDEW MS-RL / TC2007 / SDLWindV; FGW-TR8 beschreibt nur die Umsetzung der Nachweisführung und zudem z.t. fehlerhaft 21

23 Kritische Aspekte der Normen-/Richtlinien-Entwicklung Entwicklung und Veröffentlichung der Netzanschlussrichtlinien in der Vergangenheit durch Verbände (VDN, VDEW, BDEW) Entstehungsprozess und damit Hintergründe für Forderungen intransparent z.t. kurzer Revisionszyklus (mittlerweile 4. Ergänzung BDEW MS-RL) Legitimation der Anforderungen indirekt über EnWG, später SDLWindV Nicht bei allen Beteiligten anerkannt Übergang der Richtlinienentwicklung und Veröffentlichung in VDE FNN Offen für alle Beteiligten Abgestimmtes Regelwerk VDE Dokumente als Stand der Technik Legitimation Nachweisverfahren derzeit bei der FGW (TR8) (Entwurf TAB HS enthält eigenes Nachweisverfahren) Inhomogene Besetzung beeinflusst Richtlinienentwicklung Deutlich stärkere Beteiligung der Netzbetreiber wünschenswert 22

24 Kritische Aspekte der Normen-/Richtlinien-Entwicklung Grundlegende Mängel der FGW-TR8 lückenhaft bzgl. einer vollständigen Bewertung der Konformität zu den Spezifikationen / Netzanschlussregeln Beispiel: Mischparkkonstellationen mit EZE-Modellen in inkompatiblen Softwareumgebungen Einzelfalllösungen bzw. keine Zertifizierung möglich setzt einzelne Bewertungsaspekte vollständig aus und widerspricht damit den Vorgaben der Spezifikation / Netzanschlussregel Beispiel: Oberschwingungsbewertung (Rev. 4) Trotz eindeutiger Vorgaben aus der Mittelspannungsrichtlinie setzt z.t. technisch unzulässige Bewertungsregeln auf Beispiel: Referenzscheinleistung S Gesamt := S A (Rev. 6, Entwurf) Definition führt faktisch zu Aussetzung der Bewertung der Netzrückwirkungen FGW-TR8 beinhaltet bis Rev. 5 kein umfassendes Produktzertifizierungsverfahren Viele Zertifikate stellen im Wesentlichen eine Wiederholung der Ergebnisse aus den Typprüfungen dar, ohne Informationen über die Funktionalitäten der EZE 23

25 Agenda Motivation Zertifizierungs- und Nachweisverfahren Anforderungen an den Nachweis Verfahrensgrundsatz Umfang & Abgrenzung der Zertifizierung Akteure, Kommunikation und Workflow Kritische Aspekte der Normen- und Richtlinien- Entwicklung Zertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen 24

26 Zertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen (VKM) Aktueller Stand zur Nachweissystematik Vorarbeiten insbesondere durch den VDMA im Dialog mit ZS Verfahrensgrundsatz von BDEW/FNN vorbehaltlich akzeptiert und bestätigt Methodik akzeptiert aber Validität muss erst noch bewiesen werden!! Ziele der Diskussion: Besonderheiten und Vielfalt von VKM bei Zertifizierung berücksichtigen Wirtschaftlich vertretbarer Rahmen bei bestmöglichem Nachweis Abgestimmte Familienbildung und Übertragungen Spezifische Besonderheiten von Verbrennungskraftmaschinen Grds. konzeptionell gleiche Bauweise bei unterschiedlichen Herstellern Dynamisches Fehlerfallverhalten von einigen spezifischen Charakteristika geprägt => Identifikation notwendig Parametrierung eines allgemeinen generischen Modells (general model) 25

27 Zertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen (VKM) Aktueller Stand zur Nachweissystematik Vereinfachtes Nachweisverfahren Übertragung von Typprüfungen damit keine Messungen an Vielzahl von EZE Branchenweites, herstellerunabhängiges (generisches) Simulationsmodell Validierung des Modells durch Branchentests anhand von Referenzherstellern Angestrebte Abdeckung des Leistungsbereich von 20 kw bis 20 MW Verwendung des validierten Modells im Rahmen der EZE- Zertifizierung FRT-Nachweis mit Hilfe von Modellplausibilisierung und Test der Hilfsaggregate Modellkenngrößen durch herstellerspezifische Standardtests (SMT) [alternativ zu voller LVRT-Vermessung] Modell wird mit identifizierten Parameterausprägungen gefittet EMT-Modell (bei Prüfung alle Messgrößen einbeziehen) Stabilitätskriterium: Polradwinkel 26

28 VKM Geplanter Ablauf zur Validierung des Modells Motivation Vereinfachung: VKM mit konventionellen Synchrongeneratoren Nachweis über Validität und Gleichwertigkeit von SMT steht noch aus (Falls gültig: Modell frühestens ab Q4/2013 verfügbar) Validierung gegen LVRT-Messungen TR 4 Verfahren 27

29 VKM Familienbildung und SMT Übertragungen der Tests von Vermessung der EZE mit Leistung x FRT: 1/ 10 * P n < x < 10 * P n SMT & EE: 0,5 * P n < x < 2 * P n Keine Differenzierung der Betriebsspannung des Generators Größten Einfluss auf das FRT-Verhalten von Gensets: Massenträgheitsmoment des Motor- Generator- Systems Parameter des Spannungs- und cos(φ)-reglers Parameter des Synchrongenerators Drehzahlregler nur relevant wenn Reaktion innerhalb der Grenzlinie 1 (LVRT) Parameter des Generators durch Verfahren nach EN Hersteller muss ISO 9001 zertifiziert sein (eigenes Prüflabor inbegriffen) Sonst Vermessung durch akkreditiertes Prüflabor notwendig Übertragbarkeit mit Faktoren 0,5 bzw. 2 Falls Betriebsspannungen U b <1kV und U b >1kV jeweils mind. eine Messung 28

30 Zusammenfassung aus Sicht von VKM-Herstellern Auseinandersetzung unausweichlich, je früher desto besser! Prägende Erfahrungen bereits im Bereich Wind und Solar Jeder Hersteller ist betroffen, daher Kosten für Gesamtbranche Trade-off in Strategiebildung Aktive Rolle Etwas höhere Kosten in Vermessung und Zertifizierung Sicherer Weg der Qualifizierung, keine Einschränkungen und Nachbesserungen zu erwarten Messungen sind unanfechtbar, auch für Entwicklungsarbeit nützlich Unabhängigkeit von nicht prognostizierbaren Alternativprozess Zeitgewinn und Planungssicherheit, Kommunikation gegenüber Kunden Passive Haltung Kosteneinsparungen sind zu erwarten, aber keine eklatante Dimensionen Prüfung durch akkred. Prüflabor bei Hersteller am Prüfstand möglich Gefahr von Zeitverzug wegen Komplikationen im Alternativprozesses Hoher Andrang auf Zertifizierungsstellen möglich 29

31 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thank you very much for your attention! Dipl.-Wirt.-Ing. Julian Langstädtler Besuchen Sie uns am NRW-Gemeinschaftsstand in Halle 27, Stand E26 Oder unter: FGH-Seminar vom April 2013 in Osnabrück Nachweis- und Zertifizierungsverfahren für EZA an elektr. Verteilungsnetzen Infos unter: 30