Optimierung der Frequenzstabilität bei Lastschaltungen im Inselnetz

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1 Optimierung der Frequenzstabilität bei Lastschaltungen IEWT 27 TU Wien, Österreich Februar 27 Christoph Steinhart, Michael Fischer, Michael Gratza, Michael Finkel, Rolf Witzmann, Thomas Nagel, Georg Kerber, Kathrin Schaarschmidt, Tobias Wopperer, 3 2 Folie /9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

2 Forschungsprojekt LINDA Aktueller Gliederungspunkt LINDA (Lokale Inselnetzversorgung beschleunigter Netzwiederaufbau mit dezentralen Erzeugungsanlagen bei großflächigen Stromausfällen) Verbesserung des Versorgungsniveaus bei Großstörungen insbesondere für kritische Infrastrukturen Ergänzung zum bestehenden Netzwiederaufbaukonzept Verzicht auf eigene Kommunikationsinfrastruktur Forschungsmethodik basiert auf Feldversuchen transientem Simulationsmodell Projektpartner: Folie 2/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

3 Agenda. Untersuchung der Systemdynamik durch Herausforderung Frequenzstabilität 2. Untersuchung von Maßnahmen zur Erhöhung der Frequenzstabilität im Simulationsmodell o o Einsatz von zwei Generatorsätzen 3. Folie 3/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

4 Übersichtsschaltbild Feldversuch (2 Versuchsreihen) Führungskraftwerk Wasserkraftwerk 6 MVA Generator G MP WKW 3,5 kv 6 MVA T 3,5/2 kv 6,3 MVA Yd5 3,456 km 2 kv T2 2/,4 kv 6 kva Dyn5,4 kv S G BGA 35 kw G BGA 2 35 kw G BGA 3 35 kw Lastbank - kw 3 Biogasanlagen Versuchsreihe 2 kw 94 kw Lastsprünge mit Lastbank Grlast ca. 2 MW T3 2/6 kv 4 MVA Dy 2 kv T4 2/6 kv 4 MVA Dy M M 2 T5 2/6 kv 4 MVA Dy 5 kvar 5 kvar 5 kvar 7 kw 2 kw kvar 6 kv Trinkwasserversorgungsanlage als kritische Infrastruktur T6 2/,4 kv 63 kva Dy5 T7 2/,4 kv 63 kva Dy5 T8 2/,4 kv 63 kva Dy5 M B.3 M B2.3 M B3.2 Folie 4/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

5 Frequenzschwankung bei Lastschaltungen 4 Versuchsreihe Lastzuschaltung Lastzuschaltung Lastabschaltung Δf max in Hz Versuchsreihe 2 Lastzuschaltung Versuchsreihe Lastabschaltung Versuchsreihe 2 Lastabschaltung Lastsprung in kw Folie 5/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

6 Erkenntnisse Feldversuche Bereits bei vergleichsweise geringen Lastsprüngen treten deutliche Frequenzschwankungen auf Bei Lastsprüngen von 6 kw traten maximale Frequenzschwankungen von 2 Hz auf Keine beliebigen Frequenzschwankungen tolerierbar Zulässiges Frequenzband von 47 Hz < f < 52 Hz gemäß DIN EN 56 Netztrennung von Erzeugungsanlagen bei f < 47,5 Hz f > 5,5 Hz sollte vermieden werden Bei Schaltungen von Netzsträngen oder kritischer Infrastrukturen wie z.b. Pumpenanlagen sind große Lastsprünge nicht immer zu vermeiden Untersuchung von Maßnahmen zur Erhöhung der Frequenzstabilität bei Lastschaltungen Folie 6/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

7 Lastsprünge können deutliche Frequenzabweichungen hervorrufen Reduktion der Frequenzabweichungen durch Gegenschaltung einer Lastbank Lastbank ist ein ohmscher Heizwiderstand Kostengünstig Kleinstufig schaltbar Führt bei der Vor- bzw. Nachkonditionierung zu kleineren Frequenzschwankungen als der ursprüngliche Gesamtlastsprung Verlustenergie am Heizwiderstand kann in einem Notversorgungskonzept gemäß LINDA toleriert werden Inselnetzversorgung beruht hauptsächlich auf erneuerbaren Energien Konzept ist auf andere Lasten wie z.b. Batteriespeicher übertragbar Folie 7/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

8 Lastbank konzept Folie 8/9 P in MW f in Hz Reduktion der Frequenzschwankung durch gezielte Lastbankgegenschaltung t in s Insellast ohne Frequenz ohne Last an Lastbak Frequenz mit Insellast mit Untersuchung des Konzepts anhand einer einmaligen Gegenschaltung Grsätzliche Optionen zur Auslösung der Gegenschaltung: Kommunikationsanbindung, Frequenzgradient, Frequenzschwellwert Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

9 Übersichtsschaltbild Simulationsmodell für Untersuchung des s Grlast 554 kw Lasttypen M B M B M B Lastbank t LB = t +Δt G WKW 6 MVA M Pumpe 7 kw M Lüfter 69 kw Ohmsche Last 7 kw t = 5 s Schalter schließt Grzustand Inselnetz Versorgung durch Wasserkraftwerk (eingeschwungener Zustand) Grlast 554 kw bestehend aus 3 Pumpen + Lastbank Nach 5 s schaltet sich eine der Lasten (Pumpe, Lüfter oder ohmsche Last) zu löst Frequenzschwankungen aus Als Optimierungsmaßnahme zur Reduktion der Frequenzschwankungen wird die Lastbank mit einem Zeitversatz von Δt abgeschaltet Folie 9/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

10 Lasttypen für die Zuschaltung 56 P Inselnetz P Pumpe f in Hz max delta f 54 2, ,5 5, ,5 Folie / t in s 46 ΔfReferenz = 4,5 Hz t in s 3 56 P Inselnetz P Lüfter f in Hz max delta f Lüfter 2,5 P in MW 54 ΔfReferenz = 2,37 Hz,5 P in MW Lastbank konzept 56 P Inselnetz P ohmsche Last f in Hz max delta f ohmsche Last ,5 5 48,5 ΔfReferenz = 3,38 Hz f in Hz P in MW 2,5 3 Pumpe f in Hz 3 f in Hz Untersuchung des Konzepts anhand von 3 Lasttypen drei unterschiedlichen Lasttypen mit einer Nennleistung von ca. 7 als ) Nennleistung ca.je7 kw kw (Pnenn Auslöser für die Frequenzschwankungen Beispiele für Lasten t in s Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

11 Einfluss des Verhältnisses von Lastbankleistung zu Nennleistung der Last Maximaler Überschwinger Maximaler Unterschwinger Δf absolut / Δf Referenz,5,5 -,5 - Ohmsche Last Lüfter Pumpe Referenz negativ -,5,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank / P nenn Randbedingung: Lastbank schaltet 25 ms nach ursprünglichem Lastsprung Lastbankleistung: Optimum für alle Lasttypen liegt bei,9 P Lastbank /P nenn Folie /9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

12 Einfluss des Zeitversatzes zwischen Schaltung von Lastbank ursprünglicher Last Maximaler Überschwinger Maximaler Unterschwinger Δf absolut / Δf Referenz,5,5 -,5 - -,5 Ohmsche Last Lüfter Pumpe Referenz negativ - -,5,5,5 2 2,5 3 3,5 4 Zeitversatz in s Randbedingung: P Lastbank /P nenn wurde auf,9 festgelegt Zeitversatz hat einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Ergebnis Folie 2/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

13 Vergleich mit Lastabwurf gemäß 5-Stufen-Plan Grlast = 554 kw Rahmenbedingungen,9 P Lastbank /P nenn = 63 kw Lastbank schaltet 25 ms nach ursprünglichem Lastsprung Lastabwurfstufen in Anlehnung an den 5-Stufen-Plan Lastabwurf absolut Lastabwurf in % der Grlast Bereich der Stufen gemäß 5-Stufen-Plan Frequenz Stufe 86 kw 2, -5 % 49, Hz Stufe 2 86 kw 2, -5 % 48,7 Hz Stufe kw 6,5 5-2 % 48,4 Hz Summe 628 kw 4, % Folie 3/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

14 Vergleich mit Lastabwurf gemäß 5-Stufen-Plan Lüfter Pumpe Ohmsche Last Δ f in Hz hat im Vergleich größtes Optimierungspotential Lastabwurf gemäß 5-Stufen-Plan Referenz ohne Gegenmaßnahmen Weiteres Optimierungspotential durch eine mehrmalige Reaktion der Lastbank auf Frequenzgradienten Untersuchung am Beispiel Pumpe Folie 4/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

15 Lastbank konzept Folie 5/9 P in MW f in Hz automatische ROCOF-Regelung mit mehrmaliger Lastbankschaltung t in s Insellast ohne Insellast mit Frequenz mit ROCOF-Lastbankregelung Last an Lastbak Frequenz ohne Automatische ROCOF-Regelung ermöglicht nochmals eine deutliche Reduktion der maximalen Frequenzschwankungen Systemstabilität muss noch näher untersucht werden Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

16 Fazit Lastsprünge können deutliche Frequenzabweichungen hervorrufen Bereits deutliche Reduktion der maximalen Frequenzabweichungen durch einmalige konträre Schaltung einer Lastbank Optimale Lastbankleistung liegt bei,9 P Lastbank /P nenn Geringer Einfluss des Zeitversatzes zwischen Schaltung von Lastbank ursprünglicher Last im untersuchten Netzgebiet Im Vergleich zum Lastabwurf gemäß 5-Stufen-Plan reduziert das die maximale Frequenzabweichung, da es die Totzeiten bis zum Erreichen der Frequenzschwellen vermeidet Weiteres Optimierungspotential durch mehrmalige Reaktion der Lastbank auf Frequenzgradient Stabilitätskriterien müssen noch näher untersucht werden Folie 6/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

17 Einfluss zweiter auf die Frequenzstabilität bei Pumpenzuschaltung 5,5 49,5 48,5 47,5 6 Frequenz ein Generator P in MW t in s 2 Frequenz zwei Generatoren 3 2,5 2,5,5,2 -,2 -,4 Q in Mvar f in Hz 5,5 -, t in s P Gesamtlast 2 Q Gesamtlast Referenzszenario Pumpenzuschaltung Reduktion der maximalen Frequenzabweichung um Faktor 2 Folie 7/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

18 Frequenzstabilität bei Lastschaltungen ist eine große Herausforderung Deutliche Erhöhung der Frequenzstabilität durch: Einsatz eines zusätzlichen es Beide Maßnahmen lassen sich kombinieren Folie 8/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Christoph Steinhart, M.Eng. Hochschule Augsburg Fakultät für Elektrotechnik An der Hochschule 866 Augsburg Tel.: Fax: Folie 9/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

20 Backup Folie 2/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

21 Validierung Modell f in Hz 52,5 5,5 5,5 49,5 48,5 47,5 46, t in s Messdaten Sim. mit Messwertvorgabe Sim. Gesamtsystemmodell Folie 2/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

22 Ermittlung maximale Frequenzabweichung f in Hz Frequenz ohne Frequenz mit Pumpe delta f +,3 Hz Pumpe delta f -,4 Hz Referenz +,27 Hz Referenz -2,38 Hz t in s Δ f = +,3 Hz Δ f = -,4 Hz Folie 22/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26

23 Absolute normierte Darstellung Δf absolut in Hz Δf absolut in Hz Δf absolut in Hz Pumpe Absolutwerte ,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank /P nenn Pumpe Referenz +,27 Hz Referenz -2,38 Hz Lüfter Absolutwerte ,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank /P nenn Lüfter Referenz +,72 Hz Referenz -3,39 Hz Ohmsche Last Absolutwerte ,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank /P nenn Ohmsche Last Referenz +,89 Hz Referenz -4,6 Hz Δf absolut /Δf Referenz Δf absolut /Δf Referenz Δf absolut /Δf Referenz,5,5 -,5 - -,5,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank /P nenn,5,5 -,5 - -,5,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank /P nenn,5,5 -,5 - Pumpe normierte Werte Pumpe Lüfter normierte Werte Lüfter Referenz negativ Referenz negativ Ohmsche Last normierte Werte -,5,,3,5,7,9,,3,5 P Lastbank /P nenn Ohmsche Last Referenz negativ Folie 23/9 Christoph Steinhart, M.Eng.. Februar 26