Beitrag von Windenergieanlagen zur Spannungshaltung in Mittelspannungsnetzen der Westnetz GmbH

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1 Beitrag von Windenergieanlagen zur Spannungshaltung in Mittelspannungsnetzen der Westnetz GmbH T. Christ, Westnetz GmbH, Wesel E. Herrmann, Westnetz GmbH, Gerolstein E. Erdmann, ENERCON GmbH, Bremen H. Emanuel, ENERCON GmbH, Bremen Kurzfassung Ziel der Westnetz GmbH ist es, die vorhandene Netzinfrastruktur zum Anschluss von dezentralen Erzeugungsanlagen bestmöglich zu nutzen und die erwarteten gesamtwirtschaftlichen Kosten für Netzausbau durch innovative Verfahren zu reduzieren. In einem gemeinsamen Innovationsprojekt der Westnetz GmbH und der ENERCON GmbH soll untersucht werden, inwieweit Windenergieanlagen mit STATCOM-Funktionalität einen aktiven Beitrag zur Spannungshaltung in Mittelspannungsnetzen leisten können. Hierdurch können Windenergieanlagen im Binnenland vielfach einen gesamtwirtschaftlich günstigeren Netzanschlusspunkt erhalten. Im Rahmen des Pilotprojekts konnte gezeigt werden, dass eine Windenergieanlage, die einen aktiven Beitrag zur Spannungshaltung leistet, sowohl die Kosten des Anlagenbetreibers für ein langes Netzanschlusskabel als auch die Kosten des Netzbetreibers für den Ausbau des vorgelagerten Mittelspannungsnetzes deutlich reduzieren kann. Im Hinblick auf einen flächendeckenden Einsatz sind die Technischen Anschlussbedingungen zu überprüfen und Musterverträge für den Betrieb des Spannungsreglers zu entwickeln. 1 Einleitung Die Energiewende in Deutschland und die damit verbundene Abschaltung konventioneller thermischer Kraftwerke führt dazu, dass die EEG-Erzeugungsanlagen zukünftig einen größeren Beitrag zur Systemstabilität der Stromnetze leisten müssen. Entsprechend den vorgegebenen Ausbauzielen der Bundesländer, wie sie in die aktualisierten Netzentwicklungspläne der Übertragungsnetzbetreiber übernommen wurden, ist weiterhin von einem erheblichen Zuwachs an Windenergie im Binnenland auszugehen [1]. Auf Grundlage des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) sind die regionalen Verteilnetzbetreiber verpflichtet, dezentrale Erzeugungsanlagen (DEA) an ihr Netz anzuschließen und sofern erforderlich das Netz unverzüglich zu verstärken oder auszubauen [2]. Laut einer Studie der Deutschen Energie-Agentur (Dena) führt der weitere Zubau von dezentralen Erzeugungsanlagen zu einem enormen Aus- und Umbaubedarf der Stromverteilnetze in den nächsten 10 Jahren [3]. Der Anschluss von neuen Windparks erfolgt üblicherweise über kundeneigene Mittelspannungskabel an vorhandene Umspannanlagen bzw. bei sehr großen Windparks auch über die Errichtung von kundeneigenen Umspannanlagen an das 110-kV-Netz. Darüber hinaus werden jedoch auch zukünftig einzelne Windenergieanlagen oder kleine Windparks in der Netzebene Mittelspannung angeschlossen. Im Mittel- und Niederspannungsnetz wird die Aufnahmefähigkeit für Energie aus dezentralen Erzeugungsanlagen (DEA) häufig nicht durch den zu übertragenden Strom, sondern durch die einzuhaltenden Spannungsbänder in Netzen der öffentlichen Versorgung entsprechend DIN EN begrenzt [4]. Wären anzuschließende EEG-Anlagen in der Lage, jederzeit durch Blindleistungsbereitstellung zur Spannungsregelung, und somit kontinuierlich zur Einhaltung der Toleranzbänder, beizutragen, könnten an vorhandene Leitungen zusätzliche Erzeugungsanlagen (EZA) angeschlossen werden. Bei der Bestimmung des technisch geeigneten Netzanschlusspunktes (NAP) sind die technischen Anschlussbedingungen gemäß BDEW-Mittelspannungsrichtlinie einzuhalten [5]. So müssen alle neu errichteten Windenergieanlagen seit (bzw , sofern ein Systemdienstleistungsbonus erzielt werden soll) die Voraussetzungen erfüllen, um bei Bedarf einen Beitrag zur statischen Spannungshaltung leisten zu können. Die durch Erzeugungsanlagen verursachten Spannungsänderungen im Mittelspannungsnetz dürfen einen Wert von u a 2 % der Nennspannung nicht überschreiten. Die vorgegebenen Grenzwerte zur Vermeidung von Netzrückwirkungen auf die an das gleiche Netz angeschlossenen Kunden sind auch in Netzausläufern mit geringer Kurzschlussleistung einzuhalten. So kann bei der Anschlussprüfung für einen neuen WEA-Standort entsprechend den Technischen Anschlussbedingungen des Netzbetreibers [6] vielfach kein Netzanschlusspunkt in unmittelbarer Nähe einer vorhandenen Mittelspannungsleitung zugewiesen werden. Die Netzanbindung an einen weiter entfernten NAP ist jedoch mit entsprechend hohen Kosten für den Netzanschluss verbunden. Im vorliegenden Beitrag wird die Unterstützung der Spannungshaltung in einem Mittelspannungsnetz der Westnetz GmbH durch Verwendung einer Vollumrichter- WEA mit STATCOM-Funktionalität vorgestellt. Im Rahmen des Pilotprojekts konnte dem Anlagenbetreiber ein günstigerer Netzanschlusspunkt angeboten werden und die Aufnahmekapazität des Verteilnetzes für weitere Erzeugungsanlagen erhöht werden.

2 2 Windenergieanlagen mit STAT- COM-Funktion und erweitertem Blindleistungsstellbereich Der Generator der Windenergieanlage ist beim ENER- CON-Konzept über einen modularen Vollumrichter mit dem Netz verbunden. Durch die in den Umrichtern eingesetzte IGBT-basierte Leistungselektronik ist eine hohe Flexibilität bei der Steuerung und Regelung der Wirkund Blindleistungseinspeisung möglich. Die verwendete Leistungselektronik erzielt in Verbindung mit der Anlagenregelung eine Dynamik bei der Stromeinspeisung, die mit der von SVCs (Static VAR Compensator) oder STATCOMs (Static Synchronous Compensator) aus der Gruppe der Flexible AC Transmission Systems (FACTS) vergleichbar ist [6]. Diese Leistungsmerkmale der WEA werden daher als FACTS-Eigenschaften bezeichnet und wurden im Rahmen der Einheitenzertifizierung validiert. Im ENERCON-Konzept sind die Umrichter mit einem Spannungszwischenkreis ausgestattet, ebenso wie klassische STATCOM-Anlagen. Daher ist bei diesen WEA der in das Netz eingespeiste Blindstrom weitgehend unabhängig von der Netzspannung, was essentiell ist für die dynamische Netzstützung im Fehlerfall. In der Standard-Konfiguration stellen die WEA bei Betriebspunkten zwischen 20 % bis 100 % der Nennwirkleistung einen weiten Stellbereich an Blindleistung - unabhängig von der Wirkleistung - zur Verfügung. Unterhalb von 20 % der Nennwirkleistung ist der Blindleistungsstellbereich deutlich geringer. Der Blindleistungsstellbereich kann optional durch die sogenannte Q+-Option erweitert werden. Hierfür wird die WEA je nach Anlagentyp mit einem oder mehreren zusätzlichen Umrichtermodulen ausgestattet. Die hier betrachtete Anlage des Typs ENERCON E-82 E2 mit einer Bemessungs-Wirkleistung von 2,3MW wurde mit einem Blindleistungsstellbereich von Q max = +/- 1,59 Mvar ausgestattet. Dies ermöglicht Blindleistung bis zu einem Wert von etwa 70% der Nenn-Wirkleistung bereitzustellen. Bei Nennwirkleistung wird somit ein Verschiebungsfaktor von cos 0,82 übererregt und untererregt erreicht. Dies bedeutet eine Verdoppelung des Blindleistungsstellbereichs gegenüber den Mindestanforderungen der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie, nach der Erzeugungsanlagen einen Blindleistungsstellbereich bis zu einem Wert von 33% der Nenn-Wirkleistung bereitzustellen haben. Durch den erhöhten Blindleistungsstellbereich können Spannungserhöhungen am Netzanschlusspunkt deutlich reduziert werden. Darüber hinaus steht mit der STATCOM-Option vollkommen unabhängig von den Windverhältnissen der vollständige Blindleistungsstellbereich der WEA ständig, auch im Bereich zwischen 0 % und 20 % der Wirkleistung, zur Verfügung und kann somit jederzeit vom Netzbetreiber zur Spannungsstützung oder Spannungsabsenkung am Netzanschlusspunkt genutzt werden. Durch den modularen Aufbau des ENERCON-Konzeptes ist es möglich, die benötigte Hardware je nach Anforderung einzusetzen, d.h. in einem Windpark kann eine beliebige Anzahl von WEA mit der STATCOM-Option ausgerüstet werden. Auch eine Nachrüstung mit der STATCOM-Option ist bei vielen ENERCON- Anlagentypen möglich, wodurch auch bestehende Windparks zur flexiblen Spannungsregelung eingesetzt werden können. In Kombination mit einem Windparkregler wird der Blindleistungsstellbereich der WEA genutzt, um ein gewünschtes Regelverhalten am Netzanschlusspunkt zu erzielen. Bild 2 ENERCON Windparkregler Bild 1 Blindleistungsstellbereich von ENERCON Windenergieanlagen, in Standard-Konfiguration (hellgrün), und mit Q+ und STATCOM-Option (dunkelgrün) Der Windparkregler erfasst Strom und Spannung am Verknüpfungspunkt des Windparks und berechnet daraus über die eingestellte Regelcharakteristik den Stellwert für die Erzeugungseinheiten des Windparks. Dieser wird über das SCADA-Bussystem an die Windenergieanlagen übertragen. Die Schnelligkeit der Regelung ist parametrierbar zwischen wenigen Sekunden und einer Minute.

3 Im Rahmen des Pilotprojekts wurde von der Westnetz GmbH eine Spannungsregelung mit einer Q(U) - Kennlinie gemäß Bild 3 vorgegeben. Durch den weiterem Zubau von WEA im betrachteten Gebiet ist mit jeder Anschlussanfrage zu prüfen, ob die Spannungsqualität aufrechterhalten werden kann und ob die thermische Belastbarkeit der Betriebsmittel bereits überschritten wird. Entsprechend der gesetzlichen Verpflichtung aus dem EEG wird das Netz zum Anschluss weiterer Erzeugungsanlagen bedarfsgerecht ausgebaut. Bild 3 Q(U) Kennlinie Um ein überempfindliches Ansprechen der Regeleinrichtung zu vermeiden, kann je nach Bedarf eine Hysterese festgelegt werden. Die freie Parameterwahl der Regelung ermöglicht dabei einen auf die Netzsituation angepassten Einsatz. Im Rahmen der Netzerprobung wurde die Steilheit der Kennlinie im Vergleich zur Vorgabe aus den TAB erhöht, so dass die maximale Blindleistung der WEA bereits bei einer Spannungsabweichung am NAP in Höhe von +/- 0,4 kv eingespeist wird. 3 Pilotprojekt im Mittelspannungsnetz der Westnetz GmbH Die hier betrachtete Windenergieanlage ENERCON E-82 E2 wurde im Mittelspannungsnetz der Westnetz GmbH in einem windreichen Gebiet der Nordeifel, unweit der belgischen Grenze errichtet. In diesem Gebiet wird schon seit vielen Jahren elektrische Energie aus Windenergie erzeugt. Eine Potentialstudie zeigt auf, dass mit einem weiteren Zubau von WEA in diesem Gebiet zu rechnen ist. Die Kunden werden mittelspannungsseitig von einem überwiegend als Freileitung realisierten 20-kV-Netz versorgt. Von einer Knotenpunktstation (KPT), die über zwei jeweils 9 km lange Mittelspannungsfreileitungen an die vorgelagerte 110-kV-Umspannanlage (UA) angeschlossen ist, gehen mehrere Stromkreise mit einer Stranglänge von bis zu 20 km Länge aus. Aufgrund der ländlichen Struktur und der geringen Last war das Stromnetz bislang für die Versorgung der Kunden mit elektrischer Energie selbst bei solch langen Stromkreisen ausreichend dimensioniert. Die maximale Einspeiseleistung der an den Knotenpunkt angeschlossenen Mittelspannungsstromkreise beträgt derzeit 20 MVA, hauptsächlich aus Windenergieanlagen. Der Summenwert der maximalen Einspeiseleistung in den angeschlossenen Niederspannungsnetzen beträgt derzeit 2,5 MVA, hauptsächlich aus Photovoltaik- Anlagen. Demgegenüber steht eine Gesamtlast von ca. 5 MVA. Bild 4 vereinfachte Darstellung des 20-kV-Netzes Die erste Anschlussanfrage der hier betrachteten WEA erfolgte ohne erweiterten Blindleistungsstellbereich und ohne STATCOM-Option. Die detaillierte Anschlussprüfung der Westnetz GmbH ergab, dass der gesamtwirtschaftlich günstigste Netzverknüpfungspunkts in einer Entfernung von etwa 2,5 km (Systemlänge Kabel) zur WEA liegt (s. Bild 4). Nachdem der Anlagenerrichter die Ausrüstung der WEA mit erweiterten Blindleistungsstellbereich (Q+-Option) und STATCOM-Option zugesichert hatte, konnte ein Netzverknüpfungspunkt in unmittelbarer Nähe der WEA zugesagt werden. Für den Anlagenerrichter liegen im betrachteten Fall die Mehrkosten der Q+ und STATCOM-Option deutlich unterhalb der Kosten für die Kabellegung zu dem zunächst ermittelten Verknüpfungspunkt. Die Windenergieanlage des Typs ENERCON E-82 E2 wurde im August 2013 fertiggestellt und ist seit Anfang September 2013 mit der vollständigen STATCOM- Funktionalität in Betrieb.

4 4 Netzerprobung der WEA mit STATCOM-Funktion In Bild 5 sind die Spannungsverläufe entlang der Leitung ohne Betrieb der WEA mit STATCOM-Funktion (schwarz gestrichelte Linie) und mit Betrieb der WEA mit STATCOM-Funktion (hellblaue Linie) dargestellt. Am Netzanschlusspunkt wird die Spannung bei hoher Einspeisung und schwacher Last abgesenkt (untererregter Betrieb) und bei schwacher Einspeisung und gleichzeitig hoher Last angehoben (übererregter Betrieb). Der hohe Einfluss auf die Spannung resultiert aus dem deutlich erhöhten Blindleistungsstellbereich der WEA (Q+-Option). Dies ermöglicht am Netzanschlusspunkt eine jederzeit verfügbare Spannungsregelung. GmbH wurden feste Blindleistungswerte für die WEA vorgegeben und die Auswirkung auf die Netzspannung messtechnisch erfasst. Jeweils für die Dauer von 10 Minuten wurde die Blindleistung der WEA auf Q max = +/- 1,59 Mvar bzw. 0 Mvar eingestellt. Bei kapazitivem Betrieb der Anlage führt die eingespeiste Blindleistung zu einer Spannungsanhebung von bis zu U = + 3 %, bei untererregtem Betrieb führt der Bezug der Blindleistung zu einer Spannungssenkung um bis zu U = - 4 %. Spannung [V] Feldversuch +/- Qmax Blindleistung [kvar] U110 min U1max U1min Q10min Qmax Qmin Bild 7 Ergebnisse des Feldversuchs mit +/- Q max Bild 5 Wirkprinzip der Spannungsregelung Anhand der rechnerisch ermittelten Kurzschlussleistung am NAP in Höhe von 70 MVA wurde ein direkter Einfluss von +/- 2 % auf die Netzspannung am NAP sowie im nachgelagerten 20-kV-Netz prognostiziert. Im Rahmen eines ersten Feldversuchs wurde die Wirkung des erweiterten Blindleistungsstellbereichs am 20-kV- Netz messtechnisch untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass der prognostizierte Stellbereich des Spannungsreglers von U=+/-2 % in vollem Umfang nutzbar ist. Da der obere Bereich des Spannungsbandes im betrachteten Netzgebiet an einzelnen Punkten der angeschlossenen Niederspannungsnetze bereits erreicht wird, die Sammelschienenspannung im Rahmen eines weiteren Feldversuchs in der vorgelagerten Umspannanlage um 3 % gesenkt und die Wirkung im Netz unter Berücksichtigung der STATCOM-Funktionalität beobachtet. Die Referenzspannung der STATCOM-Anlage blieb zunächst unverändert bei 20,6 kv mit einer voreingestellten Hysterese von 0,1 kv. Bild 8 Ergebnisse des Feldversuchs mit veränderter Sammelschienenspannung Bild 6 Messpunkte im 20-kV-Netz In Absprache zwischen der Netzführung der Westnetz GmbH und dem Windpark-Management der ENERCON Die ersten Messergebnisse zeigen, dass die STATCOM- Anlage in der Lage ist, trotz veränderter Sammelschienenspannung die Netzspannung am NAP mit geringen Schwankungen in der Nähe der Referenzspannung zu halten.

5 5 Fazit und Ausblick Die Energiewende erfordert ein zügiges Verstärken der Stromverteilungsnetze, um den Ausbau der erneuerbaren Energien zu unterstützen. Der dafür nötige Netzausbau ist nicht nur teuer, sondern auch langwierig. Für den Anschluss von WEA in Mittelspannungsnetzen kann die STATCOM-Option in Verbindung mit einem erweiterten Blindleistungsstellbereich der WEA eine kostengünstige und schnell zu realisierende Alternativlösung sein. Hierzu ist bereits in der Projektierungsphase eine enge Abstimmung zwischen Anlagenerrichter/-betreiber und dem Verteilnetzbetreiber erforderlich. Die ersten Ergebnisse der Netzerprobung deuten darauf hin, dass die STATCOM-Funktionalität in Verbindung mit einem erweiterten Blindleistungsstellbereich der WEA ein hohes Potenzial zur lokalen Verbesserung der Spannungsqualität in Mittelspannungsnetzen aufweist. Im Rahmen des Pilotprojekts konnte gezeigt werden, dass die WEA mit deutlich erhöhtem Blindleistungsstellbereich in der Lage ist, durch Wirkleistungseinspeisung verursachte Spannungserhöhungen selbst zu kompensieren. Somit ergeben sich in bestehenden Mittelspannungsnetzen zusätzliche Anschlussmöglichkeiten für WEA, sofern die Stromtragfähigkeit der Leitungen nicht überschritten wird. Im betrachteten 20-kV-Netz konnte durch Absenkung der Sammelschienenspannung um 3 % Freiraum insbesondere für die Errichtung weiterer PV-Anlagen in den angeschlossenen Niederspannungsnetzen geschaffen werden. 6 Literatur [1] Deutsche Übertragungsnetzbetreiber: Szenariorahmen für die Netzentwicklungspläne Strom 2014, Entwurfsstand März 2013 [2] Erneuerbare Energien Gesetz 2009; 5 [3] Dena: Ausbau- und Innovationsbedarf der Stromverteilnetze in Deutschland bis 2030, Dezember 2012 [4] DIN EN Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen, [5] BDEW Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, Juni 2008 [6] Westnetz GmbH: Technische Anschlussbedingungen Mittelspannung [7] Fischer, M.; Schellschmidt, M.; Adloff, S.: Various options for optimized integration of wind energy converters with FACTS Capabilities into power systems, 9 th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Farms, Quebec City: Energynautics, 2010 Mit dem Anlagenbetreiber wurde eine einjährige Erprobungsphase vereinbart, in der insbesondere die Regelung der STATCOM-Anlage weiter optimiert werden soll und die Auswirkungen auf die angeschlossenen Niederspannungsnetze weiter untersucht werden. Hierbei soll unter anderem geprüft werden, inwieweit WEA mit STAT- COM-Option und Spannungsregelung zu einer deutlichen Reduzierung von Spannungsschwankungen in Netzausläufern beitragen können. Weiterhin soll die optimale Abstimmung der Parametrierung von Windparkregler und Stufensteller des Transformators untersucht werden. Für die Westnetz GmbH ist hierbei insbesondere eine gesamthafte Spannungsregelung im Zusammenspiel zwischen dem Spannungsregler in der Umspannanlage und der STATCOM-Anlage im nachgelagerten Mittelspannungsnetz von Interesse. Bei erfolgreichem Abschluss des Pilotprojekts können Windenergieanlagen mit STATCOM-Funktionalität zukünftig auch in anderen Projekten der Westnetz GmbH eingesetzt werden um unabhängig vom Wind einen aktiven Beitrag zur Spannungshaltung in Mittelspannungsnetzen und somit zur Systemstabilität zu leisten.