Ausgewählte Aspekte des Netzanschlusses von Erzeugungsanlagen Prof. Robert Schürhuber Technische Universität Graz Impulsvortrag am Treffen der CIRED Österreich am 30.1.2018 1
Übersicht Netzanschlussbedingungen Blindleistungsbereitstellung 2
Netzanschlussbedingungen Österreich (A): TOR (Technische und Organisatorische Regeln für Betreiber und Benutzer von Netzen) Deutschland (D): TAR (Technische Anschlussregeln) 4105 Niederspannung 4110 Mittelspannung 4120 Hochspannung 4130 Höchstspannung Entwürfe fertiggestellt, Einspruchnahmefrist abgelaufen (VDE FNN (Forum Netztechnik/Netzbetrieb) EU: Commission Regulation 2016/631: RfG (network code on requirements for grid connection of generators) 14.4.2016 Umsetzung bis 14.4.2019 3
Blindleistungsbereitstellung Blindleistungsbilanz im Gesamtsystem muss ausgeglichen sein. Blindleistung beeinflusst die Spannung am Netzknoten, die Blindleistungsbereitstellung dient daher der statischen Spannungshaltung. U A ΔU U B Spannungsverhältnisse über einer Leitung I jx I U A U B ΔU ΔU Q = Icos X =I wirk X ΔU L = Isin X = I blind X Die Energiewende bedingt Anforderung an Spannungs-Blindleistungsregelung auch in den unteren Netzebenen. Blindleistungssollwert Q soll über cos (P)-, Q(U)- oder Q(P)-Kennlinie. 4
Anforderungen Blindleistung gemäß RfG RfG: Maximalbereich für Blindleistungskapazität in Abhängigkeit von der Spannung, festgelegter Bereich liegt zwischen innerem und äußerem Rahmen (Q/P max = tan = (1 cos² )/cos ). rot: synchrone Erzeugung, blau: nichtsynchrone Erzeugung Für Betrieb mit reduzierter Leistung, d. h. P < P max, darf die Blindleistung gemäß einer vorgegebenen Kennlinie reduziert werden. cos = 1 cos = 0,98 cos = 0,93 cos = 0,86 5
Anforderungen Blindleistung TAR (D) TAR 4105 (Niederspannung): 0,95 ue cos 0,95 üe 0,9 ue cos 0,9 üe 0,95 ue cos 0,95 üe TAR 4120 (Hochspannung): 0,925 ue cos 0,9 üe (ue.. untererregt, üe.. übererregt) Umrichter 4,6 kva Umrichter > 4,6 kva (o: Asynchrongeneratoren) TAR 4110 (Mittelspannung): 0,9 ue cos 0,9 üe Synchrongeneratoren, Stirlingmaschinen, Brennstoffzellen > 4,6 kva ( 4,6 kva: cos beliebig 0,95 unter/übererregt) TAR 4130 (Höchstspannung): 0,925 ue cos 0,9 üe 0,925 ue cos 0,9 üe U n = 220 kv U n = 380 kv 6
Anforderungen Blindleistung TOR 2008 (A) U n < 110 kv Kennlinien nicht explizit definiert. U n 110 kv 0,925 ue cos 0,9 üe 7
Grenzleistung Synchrongeneratoren (Hydro) Hydrogenerator, luftgekühlt 0,9 0,95 Wirkleistung / pu cos = 1 1 0,9 (thermische) Statorstromgrenze 0,95 0,9 0,875 Bemessungspunkt U = 0,9 U rated U = U rated U = 1,1 U rated 0,8 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7 0,6 0,5 Grenze der statischen Stabilität 0,4 0,3 0,2 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,6 0,5 0,4 (thermische) Erregerstromgrenze 0,3 0,2 0,1 Minimaler Erregerstrom 0 0,1-1 -0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 untererregt übererregt 0,1 0 Blindleistung / pu 8
Grenzleistung Synchrongeneratoren (Turbo) Turbogenerator, wasserstoffgekühlt 0,8 0,9 0,95 Wirkleistung / pu cos = 1 1,1 1 0,9 0,8 (thermische) Statorstromgrenze 0,95 0,9 0,8 Bemessungspunkt Wasserstoffkühlung, 27 C Kühlgastemperatur 32 C Kühlgastemperatur (4,1 bar) 42 C Kühlgastemperatur 0,7 0,7 0,7 0,6 Grenze der Statorendzonenerwärmung 0,5 0,6 0,5 0,6 0,5 (thermische) Erregerstromgrenze 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,1 0 Grenze der statischen Stabilität 0,2 0,1-1 -0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 untererregt übererregt 0,2 0,1 0 Blindleistung / pu 9
untererregt übererregt Grenzleistung Typ 3 Windturbine (doppeltgespeister Generator) Spannungsbegrenzung rotorseitiger Umrichter (Spannung etwa proportional Schlupf), Schlupf und Drehzahl konstant Rotorstrombegrenzung bei Schlupf = 0 Rotorfrequenz = 0 (Bemessungsdrehzahl) Maximaler Rotorstrom Doppeltgespeiste Asynchronmaschine P conv für s > 0 P conv für s < 0 Schlupf (Drehzahl) Schutz rotorseitiger Umrichter Schutz Überspannung Zwischenkreis Umrichter mit 30 % Maschinenleistung, bidirektionaler Leistungsfluss Quelle der Abbildungen: Reactive Power Capability of Wind Turbines Based on Doubly-Fed Induction Generators, István Erlich, Universität Duisburg Essen, IEEE PES General Meeting, Boston MA, USA, July 17th-21th 2016 Maximaler Statorstrom Maximale Wellenleistung Grenzleistungskurven: max. Leistung Maschine + max. Leistung GSC (grid side converter, netzseitiger Umrichter) 10
untererregt übererregt Grenzleistung Typ 4 Windturbine (Vollumrichter) Maximale Zwischenkreisspannung Umrichter Umrichter mit 100 % Maschinenleistung. Maximaler Umrichterstrom Bemessungsleistungsfaktor cos r = 0,95, Variation der Netzspannung Synchrongenerator (permanentmagneterregt oder elektrisch erregt) oder Asynchrongenerator Maximale Wellenleistung Quelle der Abbildungen: Wind Farms as Reactive Power Ancillary Service Providers Technical and Economic Issues N. R. Ullah, K. Bhattacharya, T. Thiringer, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 24, NO. 3, SEPTEMBER 2009 Grenzkurven von PV Anlagen sehen ähnlich aus, die Wirkleistungsgrenzen schwanken stark mit der Sonneneinstrahlung und der Temperatur. 11
u PCC / pu Anpassung an Blindleistungsanforderungen Das Leistungsdiagramm wird an den Netzanschlusspunkt (PCC.. point of common coupling, meist oberspannungsseitig des Anschlusstransformators) umgerechnet. An dieser Stelle muss das Spannungs/Blindleistungsprofil mit den Anforderungen aus den Anschlussbedingungen übereinstimmen: Erzeuger, P, Q gegeben aus Grenzleistungsdiagramm PCC, U gegeben, Q gesucht 1,1 Maximale Statorspannung Beispiel des Grenzleistungsdiagramms einer Hydromaschine, umgerechnet auf den Netzanschlusspunkt. Zum Anpassen an die Anforderungen kann außer der Maschine auch der Transformator (Kurzschlussspannung, Übersetzung) variiert werden. 1 Minimale Statorspannung 0,9 Maximaler Statorstrom untererregt -0,4-0,2 U/Q-Anforderungen laut TOR Grenze der statischen Stabilität 0 0,2 0,4 0,6 Maximaler Erregerstrom Maximaler Statorstrom übererregt q PCC / pu 12