Dezentralisierung regelbarer Ortsnetztransormatoren und das e-home Energieprojekt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Beck. Potsdam, den

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1 Dezentralisierung regelbarer Ortsnetztransormatoren und das e-home Energieprojekt 2020 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Beck Dr.-Ing. Ernst-August t Wehrmann Dipl.-Ing. Raimund Schnieder Energie-Forschungszentrum Niedersachsen und Institut für Elektrische Energietechnik ik und Energiesysteme der TU Clausthal l Potsdam, den

2 Gliederung Transformation des Energiesystems in Deutschland Problematik in den Verteilnetzen Vorstellung des e-home Energieprojektes 2020 Spannungshaltung g durch den regelbaren Ortsnetztransformator (ront) Spannungshaltung durch Blindleistung Zusammenfassung Ausblick 2

4 Transformation des Energiesystems in Deutschland Wandel von einem Energiesystem mit zentralen Erzeugungseinheiten zu einem Energiesystem mit vermehrter dezentraler Erzeugung gerade im ländlichen Bereich zentral dezentral Bildquelle: 4

6 Problematik in den Niederspannungsverteilnetzen Dezentrale Netze: z.b. Problem der Spannungshaltung MS-Netz 20 kv NS-NetzN 400 V G G G G G G L L L L L L r rung: R. Schnieder U max U N ehrmann, Erweite U min Animation: E.-A. W 6

7 Problematik in den Niederspannungsverteilnetzen Dezentrale Netze: z.b. Problem der Spannungshaltung Regelbarer Ortsnetztransformator MS-Netz NS-NetzN 20 kv 400 V G G G Konventioneller Netzausbau G G G L L L L L L rung: R. Schnieder U max U N ehrmann, Erweite Regelbarer Ortsnetztransformator im e-home Netz Foto: R. Schnieder U min Animation: E.-A. W 7

8 Problematik in den Verteilnetzen Zubau dezentraler entraler Erzeugungsanlagen hauptsächlich PV-Anlagen mit fluktuierender Erzeugung zukünftig zusätzliche Lasten Klimageräte/Wärmepumpen bei Neubauten (Niedrigenergiehäusern) Ladestationen im häuslichen und öffentlichen Bereich für Elektrofahrzeuge Netzausbau im Niederspannungsnetz größtenteils durch Verletzung der zulässigen Spannungstoleranzen nach DIN EN geprägt dynamische Spannungsregelung erforderlich 8

10 Vorstellung des e-home Energieprojektes Haushalte mit neuen Technologien Bildquellen: Laststufenschalter: Maschinenfabrik Reinhausen (Gridcon itap) 10

11 Vorstellung des e-home Energieprojektes 2020 Ausstattung von 30 Haushalten in zwei Niederspannungsnetzen ngsnet en in den Gemeinden Weyhe und Stuhr südlich von Bremen (Avacon AG) Projektziele u.a.: Untersuchung der aktuellen Entwicklungen im Verteilnetz, sowie der zukünftigen Netzaufgabe eines Niederspannungsnetzes Untersuchung des regelbaren Ortsnetztransformators und das Einsatzpotential zur Vermeidung konventioneller Netzausbaumaßnahmen (Leitungsausbau, zus. Ot Ortsnetzstationen) t t ti Quelle: Google Maps durch die eingesetzte Messtechnik in Verbindung mit einem Datenportal stehen den Forscherinnen und Forschern zwei reale Niederspannungsnetze als Labor zur Verfügung 11

13 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Beispiel: ront der Maschinenfabrik Reinhausen mit den Parametern, wie sie bei der Avacon AG eingesetzt werden Regelbereich: 20% der Nennspannung Stufenanzahl: ± 4 Stufen à 2,5% U N (9 Stufen) Reglerkonzept: Direktschaltung mit 5 s Zeitverzug Laststufenschalter auf der Oberspannungsseite (geringere Ströme) GRIDCON Transfo rmer) Bildqu uelle: Maschinenfa abrik Reinhausen ( 13

14 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Netzplanerische Kriterien Bisherige Situation: Aufteilung des gesamten Spannungstoleranzbandes von ± 10 % nach Norm auf die Mittel- und Niederspannungs -netzebene Spannungsband 3% zul. Hub 5% zul. Fall 14

15 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Monosensorbetrieb Ausregelung der Mittelspannungsfluktuationen hier: Parametrierung mit ± 4 Stufen à 2,5% U N (= 20% Regelbereich) Netzplanerische Entkopplung der Niederspannung von der Mittelspannung Spannungsistwerterfassung ausschließlich an der NS-Verteilung 15

16 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Multisensorbetrieb Spannungsistwerterfassung an allen Netzknoten (vollständige Messinfrastruktur) 16

17 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Multisensorbetrieb Multisensorbetrieb bei vollständiger Messinfrastruktur (Idealfall): Spannungsregelung in das Spannungstoleranzband nach DIN EN (±10% U N ) Multisensorbetrieb bei unvollständiger Messinfrastruktur ausgewählte Knoten werden gemessen (Kabelverteilerschränke Messtechnik im Eigentum des VNB) Spannungsfall-/hub bis zum Netzausläufer muss im Regelalgorithmus (Totband) berücksichtigt werden! 17

18 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Wirkung des ront im Monosensorbetrieb Modellnetz zur Untersuchung ng unterschiedlicher Reglerkonzepteepte Mittelspannung Niederspannungsverteilung Niederspannungsknotenpunkt Spannungsquelle zur Vorgabe eines aus Messdaten generierten MS- Profils Überlagertes Last- und Erzeugerprofil am Niederspannungsknotenpunkt 18

19 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Wirkung des ront im Monosensorbetrieb Knotenspannungen bei deaktiviertem ront-regler Spreizung MS: ca. 15% Spreizung der Mittelspannung direkt in die Niederspannung übertragen (starre Kopplung) 19

20 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Wirkung des ront im Monosensorbetrieb Knotenspannungen mit aktiviertem ront-regler, hier: Totband: ±1,29% UN Zeitkonstante: 120 s Stufvorgänge: 60 Ausregelung der MS-Fluktuation 20

21 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Beispielnetz der Avacon AG Potential des Multisensorbetriebs ohne ront 1,07 p.u. 1,1012 p.u. 1,0958 p.u. 1,0727 p.u. 1,0963 p.u. 1, pu p.u. 1, p.u. 1,1088 p.u. 1,1123 p.u. Kein ront im Einsatz Ausgangszustand des Niederspannungsnetzes 21

22 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Beispielnetz der Avacon AG Potential des Multisensorbetriebs mit ront (Monosensor) 1,02 p.u. 1,0528 p.u. 1,0562 pu p.u. 1,0471 p.u. 1,0228 p.u. 1,0477 p.u. 1,0553 p.u. 1,0608 p.u. 1,0644 p.u. ront im Monosensorbetrieb: Zuvor bestehende Spannungsbandprobleme behoben! 22

23 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Beispielnetz der Avacon AG Potential des Multisensorbetriebs mit ront (Monosensor) 1,02 p.u. 1,0561 p.u pu 1,0618 p.u. 1,0465 p.u. 1,0248 p.u. 1,0435 p.u. 1,0566 p.u. 1,0829 p.u. 1,0964 p.u. Stromtragfähigkeit: 240er Kabel 23

24 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Beispielnetz der Avacon AG Potential des Multisensorbetriebs mit ront (Monosensor) 1,02 p.u. Stromtragfähigkeit: g 240er Kabel 1,0526 p.u. 1,0595 pu p.u. 1,0412 p.u. 1,0259 p.u. 1,0484 p.u p 1,0644 p.u. 1,0645 p.u. 1,0720 p.u. Stromtragfähigkeit: 240er Parallelleitung 24

25 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Beispielnetz der Avacon AG Potential des Multisensorbetriebs mit ront (Monosensor) 1,02 p.u. Stromtragfähigkeit: 240er Kabel 1,047 p.u. 1,0469 p.u. 1,0274 p.u. 1,0557 pu p.u. 1,0763 p.u. 1,0859 p.u. 1,0396 p.u. 1,0595 p.u. Stromtragfähigkeit: 240er Parallelleitung 25

26 Spannungshaltung durch den regelbaren Ortsnetztransformator Allgemeine Betrachtung zum Spannungshub an einer Leitung Berechnung ng des Spannungshubs ngsh bei gleichverteilten Einspeisungen ngen über den verschiedenen im Niederspannungsnetz vorhandenen Kabeltypen Parameter Gesamtleistung bis zur Stromtragfähigkeit des jeweiligen Leitungstyps festgesetzt Vorgabe Anzahl der Streckeneinspeisungen Vorgabe der (gesamten) Leitungslänge l Ermittlung von a, P Erzeuger und als Ergebnis Δu 26

27 annungsabw weichung in p.u. Sp Allgemeine Betrachtung NS-Kabel 4x120 NS-Kabel 4x130 NS-Kabel 4x150 NS-Kabel 4x240 Leitungslänge 500 m; 13,67 m Abschnittslänge 30 Hausanschlüsse mit je 4,7 kw kein Δu über 6,5% U N Leitungslänge in km 250 Leiterst trom in A Leitungslänge in km Spannungsfall bei Maximalstrom (120er-Ltg.) und genannten Parametern <7 % U N 27

28 eichung in p.u. Span nnungsabw Allgemeine Betrachtung NS-Kabel 4x120 NS-Kabel 4x130 NS-Kabel 4x150 NS-Kabel 4x240 Leitungslänge 1000 m; 33,33 m Abschnittslänge 30 Hausanschlüsse mit je 4,7 kw Einspeisung Leitungslänge in km 250 Leiterstro om in A Leitungslänge in km Spannungsfall bei Maximalstrom (120er-Ltg.) und genannten Parametern >10 % U N 28

30 Zusammenfassung Fazit zum regelbaren Ortsnetztransformator Monosensorbetrieb des ront zur netzplanerischen Entkopplung ng des Niederspannungsnetzes vom Mittelspannungsnetz geeignet 1) Regelbereich von 20% U N notwendig Reduzierung konventioneller Netzausbaumaßnahmen Multisensorbetrieb in Netzstrukturen des Projektpartners größtenteils nicht geeignetg nach ront-einsatz im Monosensorbetrieb sind größtenteils konventionelle Netzausbaumaßnahmen aufgrund der Stromtragfähigkeit (thermische Belastung) erforderlich drohende d Spannungsbandverletzungen werden hierbei i ebenfalls eliminiert Betriebsart stellt sich als Einzelfallentscheidung bei langen Netzausläufern und zeitlich unterschiedlichen Last- und Erzeugungsspitzen heraus 1) 1) siehe auch: EFZN-Schriftreihe, Band 20: Netzausbauvarianten in Niederspannungsverteilnetzen Regelbare Ortsnetztransformatoren in Konkurrenz zu konventionellen Netzausbaumaßnahmen von A. Becker, T. Lühn, M.Mohrmann, G. Schlömer, G. Schmidtmann, D. Schneider und R. Schnieder unter Beteiligung von L. Hofmann, H.-P. Beck, J. Geldermann und H. Weyer 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! k 31