Der regelbare Ortsnetztrafo als neues Betriebsmittel in aktiven Verteilnetzen Werner Hofer

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1 Der regelbare Ortsnetztrafo als neues Betriebsmittel in aktiven Verteilnetzen Werner Hofer Seite 1 von 26

2 Auf einen Blick Global führend in Nischen der elektrischen Energietechnik I Weltmarktführer, u.a. im Schalten von Transformatoren I Mitarbeiter, 82% davon in Deutschland I 650 Millionen EUR Konzernumsatz in 2014, höchstes erhältliches Rating I Unabhängig, in der fünften Generation mehrheitlich in Familieneigentum I 90% der Produktion in Deutschland I 31 Tochter- bzw. Beteiligungsgesellschaften I 1868 gegründet, 1901 Etablierung Marke 80% aller jemals von uns gelieferten Produkte sind heute noch in Betrieb. Mehr als 50% des weltweiten Stromverbrauchs fließt über unsere Produkte. Seite 2 von 26

3 PRODUKTE AUFTRAG Integriertes Produkt- und Servicespektrum Value Facturing Power Composites Messko Instruments Transformer Control Power Quality Highvolt Testing l Integration Datenmodelle automatisierter Fertigung l Isolation / Festigkeit mit GFK l Sensoren, Trafozubehör, Ölanalytik l Aktoren, Elektronik, Datenmanagement l Rückwirkungsfreie Verbraucher- Einspeisung l Werksprüfsysteme für Komponenten und Geräte l Service für mehr Produktivität l Industrie 4.0 l Verbundisolatoren für HS- und MS- Geräte l Schaltschranksysteme MSRA für die Industrie l Service rund um den Transformator l Geregelte Stromverteilungsnetze l Mobile HSund MS- Prüfsysteme Seite 3 von 26

4 Ursache. Seite 4 von 26

5 . und Wirkung Durch den wachsenden Anteil der Stromerzeugung aus Wind und Sonne, ändern sich die Energieflüsse im Verteilnetz nicht nur je nach Lastsituation sondern auch je nach Wetterlage. Um den Wandel hin zu einer mehr dezentralen und durch erneuerbare Energien geprägte Stromerzeugung zu meistern, müssen die klassischen Einbahnstraßen -Verteilnetze bedarfsgerecht mit IT-Intelligenz ausgestattet und zu aktiven, gegenverkehrsfähigen Smart Grids umgebaut werden. Diese sind notwendig, um auch bei hochvolatiler Einspeisung einen sicheren und stabilen Netzbetrieb zu ermöglichen und gleichzeitig die Netzausbaukosten zu begrenzen. Seite 5 von 26

6 Die Energiewende findet im Wesentlichen in den Stromverteilnetzen statt. Hier sind rund 90 Prozent aller Erneuerbaren Energien-Anlagen angeschlossen. BMWi-Verteilnetzstudie, 2014 Der Ausbau und die Modernisierung der Stromnetze bedürfen sowohl eines hohen Investitionsniveaus als auch zukunftsweisender Innovationen. BMWi-Plattform Energienetze 2017 Seite 6 von 26

7 Eine Vielzahl von Studien beschreiben Lösungskonzepte, die helfen diesen Wandel sicher zu gestalten. Neben neuen Geschäftsmodellen, geänderten ordnungspolitischen Rahmenbedingungen sowie organisatorischen Empfehlungen für den Netzbetrieb sind es vor allem technische Komponenten und Schutz- und Automatisierungstechniklösungen, die hier für sichere, stabile und zukunftsfähige Verteilnetze sorgen. Seite 7 von 26

8 ECOTAP VPD die Kompaktklasse für Verteiltransformatoren ECOTAP VPD. Der kleinste Widerstandsschnellschalter der Welt. Zur Regelung von Verteilnetzen. Für Industrie- und Windkraftanwendungen. Seite 8 von 26

9 Verteiltransformatoren mit Laststufenschaltern sind bewährte Technologie in neuer Anwendung 3. Spannungsregler MS-Netz Ortsnetzstation Spannungsmessung am Transformator Niederspannungsnetz Regler Aktor 1. Transformator PV G 3~ = 2. Aktor PV 3~ = PV 3~ = Seite 9 von 26

10 Herausforderungen an einen regelbaren Ortsnetztransformator Der footprint eines Transformators darf sich nicht ändern Das bedeutet, dass sich die Länge, die Breite und die Höhe nicht signifikant ändern. Ein regelbarer Ortsnetztrafo muss über seine Lebenszeit wartungsfrei sein. Benötigte Zusatzkomponenten, wie z.b. die Steuer- und Regeleinheit dürfen sowenig wie möglich zusätzlichen Bauraum beanspruchen. Vor allem beim nachträglichen Einbau in Kompaktstationen ist zusätzlicher Bauraum nicht vorhanden. Einfach zu bedienen. Die Parametereingabe vor Ort soll idealerweise sehr einfach und ohne Laptop möglich sein. Keine zusätzlichen Trafoverluste durch den Stufenschalter. Einhalten der EU-Ökodesign Richtlinie für Transformatoren. Seite 10 von 26

11 ECOTAP VPD: Herausforderungen umgesetzt I I I Die kompakten Abmessungen erlauben den Einbau in nahezu jede Leistungsklasse von Verteiltransformatoren, ohne den Footprint wesentlich zu verändern Das elektro-mechanische Wirkprinzip der MR-Vakuumtechnologie garantiert jahrzehntelangen, stabilen und zuverlässigen Betrieb ohne Wartung der Primärtechnik Das seit Jahrzehnten bekannte Widerstandsschnellschalter-Prinzip stellt sicher, dass Hersteller und Betreiber auf bestehende Erfahrungen zurückgreifen können Seite 11 von 26

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13 Fig 1 Einbau in bestehende Trafostationen ist auch nachträglich jederzeit möglich. (Fig1, Fig2, Fig3) Fig 2 Seite 13 von 26

14 Fig 3 Die kombinierte Motorsteuerungs- und Spannungsregelereinheit (Fig.3) kann problemlos an der Niederspannungssammelschiene montiert werden. Fig 4 Seite 14 von 26

15 Abweichung von Nennspannung (in %) Spannungsbandaufteilung ohne ront 3 % Spannungsanhebung für Erzeugungsanlagen am NS-Netz Jeweils 1,5 % Spannungsabfall und Einstellungenauigkeit Ortsnetztransformator Ausgangssituation heute: DIN EN Spannungsband Netzplanungspraxis basierend auf Worst-Case - Rechnungen 110 kv 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Umspannwernungsnetstationungsnetz Mittelspan- Ortsnetz- Niederspan- +10 % Außerhalb des Spannungsbands Maximale Einspeisung +5 % 0 % -5 % 2 % Spannungsanhebung durch Erzeugungsanlagen am MS-Netz 2 % Regelbandbreite Transformator 5 % Spannungsabfall im MS-Netz -10 % 5 % Spannungsabfall im NS-Netz Außerhalb des Spannungsbands Maximale Last Seite 15 von 26

16 Spannungsbandaufteilung mit ront bei MS/NS Entkopplung Abweichung von Nennspannung (in %) DIN EN Spannungsband 110 kv 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Umspannwernungsnetstationungsnetz Mittelspan- Ortsnetz- Niederspan- +10 % Außerhalb des Spannungsbands 11 % Spannungsanhebung durch Einspeisung Netzplanungspraxis basierend auf Worst-Case - Rechnungen +5 % 0 % -5 % -10 % 7 % Spannungsanhebung durch Einspeisung 2 % Regelbandbreite Transformator 11 % Spannungsabfall im MS-Netz Regelung nach unten Regelung nach oben 5 % Spannungsabfall im NS-Netz Außerhalb des Spannungsbands 4% Regelbandbreite Ortsnetztransformator Maximale Einspeisung Maximale Last Seite 16 von 26

17 Einfacher Regelungsalgorithmus auf Basis der einphasigen Sammelschienenspannung - I I I I Versorgungsspannung ist Messspannung Flexibel parametrierbar Zwei Schwellwerte pro Richtung Komplexere Regelungsalgorithmen nachrüstbar Seite 17 von 26

18 Regelalgorithmen Regelalgorithmen für RONT 1. Fixer Spannungssollwert Sammelschiene (NS-SS) 2. Dynamischer Spannungssollwert Sammelschiene (SASA/LASA) 3. Abgesetzte Sensorik (ASS) a) Fixer Spannungssollwert abgesetzter Sensor (ASS) b) Multiple verteilte Messpunkte (Mulit-ASS) I in 95% aller Fälle ausreichend I in nur 5% aller Fälle wirklich notwendig (*) I regionale Bedingungen lassen Einsatz sinnvoll erscheinen ( ) I ggf. ist aber auch Systemgrenze des RONT erreicht -> Einzelstrangregler * Ergebnisse der BMWi Verteilernetzstudie von E-Bridge und RWTH AACHEN belegen diese Annahme Seite 18 von 26

19 Praxisbeispiel: Spannungsbandverletzung am Rande eines Ortsnetzes Ausgangssituation Spannungssimulation ohne RONT (Sonntag im Mai) I Weitläufiges Ortsnetz im Netzgebiet eines bayer. EVU s I Anschluss einer 27-kWp-PV-Anlage am Ortsrand beim Sportheim I Spannungsanhebung von 6% erwartet I Spannungsbandverletzung als Konsequenz PV Ortsnetzstation ~500 m Seite 19 von 26

20 Praxisbeispiel: Spannungsbandverletzung am Rande eines Ortsnetzes Ausgangssituation Spannungssimulation ohne RONT (Sonntag im Mai) I Weitläufiges Ortsnetz im Netzgebiet eines bayer. EVU s I Anschluss einer 27-kWp-PV-Anlage am Ortsrand beim Sportheim Schaltung des Stufenschalters im HS/MS-Trafo *) KVS 2 HA Sportheim KVS 1 Spannungsbandgrenze I Spannungsanhebung von 6% erwartet ONS I Spannungsbandverletzung als Konsequenz ONS (Ortsnetzstation) KVS (Kabelverteilerschrank) KVS (Kabelverteilerschrank) HA (Hausanschluss) Seite 20 von 26

21 Praxisbeispiel: regelbarer Ortsnetztransformator löst das Spannungsbandproblem RONT-Einsatz Spannungssimulation mit RONT (Sonntag im Mai) I Tausch des existierenden Ortsnetztransformators (400 kva) gegen einen RONT I RONT-Eigenschaften: I 630 kva I +/- 2 x 2,5% Stufen I Weiterverwendung des existierenden Transformators in einer anderen Station KVS 1 KVS 2 ONS Spannungsbandgrenze HA Sportheim ONS (Ortsnetzstation) KVS (Kabelverteilerschrank) KVS (Kabelverteilerschrank) HA (Hausanschluss) Seite 21 von 26

22 Die intelligente Ortsnetzstation (1) Der Wandel von einer zentralen und konventionellen Energieerzeugung hin zu einer durch erneuerbare Energien geprägten geprägten Erzeugung fordert aktive Verteilnetze. Der Weg dahin ist die nahtlose Integration von Sensoren, Aktoren, Kommunikations- und IT-Systemen in die vorhandene Infrastruktur. Intelligente Ortsnetzstationen (als Schlüsselstelle in aktiven Verteilnetzen) erlauben: Management des Niederspannungsverteilnetzes pro abgehendem Strang mit Hilfe von Zählerdaten, Regelung des Verteilnetztransformators sowie die Koordinierung von Einspeisung und Last Mittelspannungsseitige Überwachung und Steuerung der Ortsnetzstation hinsichtlich der Fehlerortung und automatischen Wiederherstellung der Versorgung Bereitstellung und Übertragung der Messdaten und Meldungen aus der Mittel- und Niederspannung z.b. in die Netzleistelle. Seite 22 von 26

23 Die intelligente Ortsnetzstation (2) einst Amperémeter mit Schleppzeiger. Kl.1.5 Seite 23 von 26

24 Die intelligente Ortsnetzstation (3) und heute So ist die Aus- bzw. Nachrüstung einfacher Ortsnetzstationen mit Automatisierungs- und Kommunikationskomponenten sinnvoll und notwendig. alle Bilder:MR Seite 24 von 26

25 Die intelligente Ortsnetzstation (4) Fotos: MR I regelbare Ortsnetztrafos I intelligente Kurzschlussanzeiger I moderne Motorantriebe an den Schaltgeräten I Strom- und Spannungssensoren I Schutz- und Automatisierungsgeräte I Fernwirkgeräte I Ausgewählte Kommunikationstechnologie Seite 25 von 26

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