Dezentrale Speicher und andere Methoden zur Steigerung der Hosting Capacity in Verteilnetzen

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Achim Kranz
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1 Dezentrale Speicher und andere Methoden zur Steigerung der Hosting Capacity in Verteilnetzen Ergebnisse aus dem Projekt Stromspeicher2050 Peter EDER-NEUHAUSER Johannes KATHAN Daniel BURNIER DE CASTRO

Ergebnisse aus dem Projekt Stromspeicher2050

2 Einleitung Ansteigende Einspeisung durch dezentrale Erzeuger im Verteilnetz kann negative Effekte für Versorgungsqualität und Komponenten hervorrufen Die wesentlichsten Probleme sind die Auslastung der Infrastruktur und Spannungsanhebung Daher wird es notwendig bei größerer Durchdringung dezentraler Erzeugung, wirkungsvolle Maßnahmen und deren Wirksamkeit zur Erhöhung der Hosting Capacity, zu diskutieren Das Verteilnetz wird heute weitgehend ohne aktive Regelungsansätze betrieben was in Zukunft nicht mehr ausreichen wird. Flexible Mechanismen zur Netzsteuerung werden notwendig Quelle: DG-Demonetz 2

Erzeugung, wirkungsvolle Maßnahmen und deren Wirksamkeit zur Erhöhung der Hosting Capacity, zu diskutieren Das Verteilnetz wird heute weitgehend ohne

3 Methodik Bewertungsmethodik: Hosting Capacity Verschiedene Integrationsmaßnahmen werden in einem ländlichen Verteilnetz über Lastflussberechnungen und dynamische Netzsimulationen untersucht In einem Referenznetz werden Regler und Maßnahmen integriert und getestet In einem realen Mittelspannungsnetz werden die Methoden angewendet und mit dem Referenznetz verglichen Die Untersuchungen werden mit Tages- und Jahresprofilen von Erzeugung und Verbrauch durchgeführt Erzeugungsprofil: Photovoltaik, Südausrichtung Lastprofil: H0 normiertes Haushaltsprofil 0.9 Verbesserung Derzeitige Situation Performance Hosting Capacity Akzeptable Verschlechterung Inakzeptable Verschlechterung Dezentrale Einspeisung 3

verglichen Die Untersuchungen werden mit Tages- und Jahresprofilen von Erzeugung und Verbrauch durchgeführt Erzeugungsprofil: Photovoltaik, Südausrichtung Lastprofil: H0 normiertes

4 Maßnahmen & Grenzwerte Passive Maßnahmen erlauben nach der Installation keine weiteren Eingriffe in den Netzbetrieb Leitungsverstärkung Transformatortausch Längsregler & Strangkompensation (werden nicht angewendet) Aktive Maßnahmen greifen in den Netzbetrieb ein Laststufenregler Blindleistungsregelung Wirkleistungsbegrenzung Speicher Kombinierte Regelung Demand Side Management (wird nicht angewendet) Grenzwerte für die Simulation Spannungsanhebung von 2% Die Netztopologie begrenzt die Spannungsanhebung in parallelen Netzabschnitten Max. Auslastung Leitung 70% Max. Auslastung Transformator 80% 4

Blindleistungsregelung Wirkleistungsbegrenzung Speicher Kombinierte Regelung Demand Side Management (wird nicht angewendet) Grenzwerte für die

5 Regler-Modelle Der Photovoltaik-Regler beherrscht Blindleistungsregelung und ab 2% Überspannung wird ausregelt Durch Wirkleistungsbegrenzung hat der Regler die Möglichkeit Überspannungen zu begrenzen Ein Speicher wird eingebunden um die Spannung auf den Grenzwert von 1,02 p.u. zu regeln. Der Speicher entlädt sich sobald die Spannung sinkt. Gleichzeitig wir eine Tiefentladung verhindert was den Speicher in der Kapazität beschränkt Der Laststufenregler am Umspanner hat 25 Stellstufen wobei die Simulation immer bei Stufe 12 beginnt. Von diesem neutralen Wert ausgehend kann der Stufensteller die Spannung netzweit anheben und absenken 5

Der Speicher entlädt sich sobald die Spannung sinkt.

6 Netz-Modelle Das Referenznetz besteht aus: Umspanner Zuleitung Last Erzeuger Speicher Ein repräsentatives Netz aus dem österreichischen alpinen Raum wurde für die Simulation gewählt. Es besteht aus: Umspanner 40 Kabelabschnitte in zwei Netzabschnitten Mehre Lasten die aus einer Mischung von gemessenen Haushaltsprofilen bestehen Netzabschnitt 1 beinhaltet die Erzeugungsanlage und den Speicher Netzabschnitt 2 wird als Referenzmessung für Rückwirkungen auf parallele Stränge angewendet 6

Es besteht aus: Umspanner 40 Kabelabschnitte in zwei Netzabschnitten Mehre Lasten die aus einer Mischung von gemessenen

7 Ergebnisse im Vergleich Die Hosting Capacity ist im Referenznetz allgemein größer ist als im realen Netz. Der Grund dafür liegt in der Netztopologie, die im Referenznetz sehr einfach gehalten ist, wobei im Vergleich dazu im realen Netz zwei Netzabschnitte mit einer großen Anzahl an Verbrauchern existieren Die Simulationen in beiden Netzen werden mit der Basis Hosting Capacity als Grundlage verglichen. Die Basis-HC wird für beide Netze bei aktiven Lasten ermittelt Durch Leitungsverstärkung war eine Erhöhung der Hosting Capacity um 100% bei allen Kabeln möglich. Mit Ausnahme bei CU240 mm 2 auf CU 500 mm 2 wo die Transformatorauslastung überschritten wurde. Dieses Beispiel zeigt dass die gesamte Infrastruktur berücksichtigt werden muss. Im realen Netz pflanzt sich die maximale Auslastung ins nächste Kabel fort 7

existieren Die Simulationen in beiden Netzen werden mit der Basis Hosting Capacity als Grundlage verglichen.

8 Ergebnisse im Vergleich Bei Wirkleistungsbegrenzung wird die Einspeiseleistung ab erreichter maximaler Spannung begrenzt wodurch eine Einhaltung der Grenzkriterien sichergestellt ist. Der wesentlichste Nachteil zeigt sich in den Energieverlusten Im Referenznetz hat sich durch Begrenzung ohne Speicher herausgestellt dass die Verluste über ein Jahr mit steigender Einspeisung stark ansteigen Die Hosting Capacity Steigerung wurde mit 42,9% begrenzt um die Jahresverluste kleiner 10% zu halten. Im realen Netz erreicht diese Methode eine Steigerung um 100% 60 Jahres-Energieverlust [%] Einspeiseleistung [MWp] 8

Der wesentlichste Nachteil zeigt sich in den Energieverlusten Im Referenznetz hat sich durch Begrenzung ohne Speicher herausgestellt dass die Verluste über ein

9 Ergebnisse im Vergleich Durch Speicher konnte die Hosting Capacity (HC) im realen Netz um 200% und im Referenznetz um 186% gesteigert werden. Die P- Begrenzung an der Erzeugungsanlage war in beiden Fällen nur aktiv, wenn der Speicher voll war Mit dieser Methode ist eine zuverlässige Spannungshaltung möglich und es kann über zusätzliche Netzdienstleistung diskutiert werden wenn eine geeignete Kommunikation realisiert wird Die begrenzende Größe ist die ansteigende nötige Speicherkapazität je gesteigerter HC. Wirkleistung [MW] Spannung [p.u.] ,2 MWp - ohne Speicher 15 MWp - Speicher 5,5 MWh 20 MWp - Speicher 17,3 MWh Spannung Wirkleistungssumme am Netzknoten :00 06:00 12:00 18:00 00: Zeit [h] 30 MWp - Speicher 45,4 MWh 40 MWp - Speicher 75,3 MWh 50 MWp - Speicher 105,8 MWh Speicherkapazität [MWh] Speicherkapazität [MWh] Erhöhung der Hosting Capacity [%] Photovoltaikleistung [MWp] Erhöhung der Hosting Capacity [%]

Netzdienstleistung diskutiert werden wenn eine geeignete Kommunikation realisiert wird Die begrenzende Größe ist die ansteigende nötige Speicherkapazität je gesteigerter HC.

10 Ergebnisse im Vergleich Mit Blindleistungsregelung konnte im Referenznetz die Hosting Capacity um 93,7% und im realen Netz um 69% gesteigert werden Das Grenzkriterium war die maximal zulässige Leitungsauslastung Ein zusätzlicher Speicher bleibt meist inaktiv da Q- Regelung die Spannungshaltung alleine bewerkstelligt Ein Vorteil von Blindleistungsregelung ist die Fähigkeit die Spannung durch Blindleistungsbezug am Netzknoten zu senken Ein Nachteil ergibt sich durch die zusätzliche Leitungsauslastung, die auch die begrenzende Größe darstellt Spannung [p.u.] 4,5 MWp 6,4 MWp 8,2 MWp 9,2 MWp Spannung Knoten 187 Spannung Knoten 185 Spannung am Umspanner 30kV Schiene Spannung Knoten :00 12:00 15:00 10 Zeit [h]

durch Blindleistungsbezug am Netzknoten zu senken Ein Nachteil ergibt sich durch die zusätzliche Leitungsauslastung, die auch die begrenzende Größe darstellt Spannung [p.u.] 4,5 MWp 6,4 MWp 8,2 MWp 9,2 MWp 1.

11 Ergebnisse im Vergleich Für den Stufentransformator können zwei wesentliche Aussagen getroffen werden. Einerseits weist sich der Stufensteller am Transformator als eine wirkungsvolle Methode zur Spannungshaltung aus wenn das Netz keine parallelen Netzabschnitte hat. Wenn dies der Fall ist lässt sich die Spannung am Umspanner beliebig anheben bzw. absenken Andererseits sinkt die Einsatzfähigkeit dieser Methode sobald ein zweiter oder mehrere Stränge berücksichtigt werden müssen In den Simulationen konnte eine signifikante Reduktion der Hosting Capacity durch den Einsatz des Laststufenreglers zwischen Referenznetz und realem Netz beobachtet werden. Der Grund liegt im realen Netz in Netzabschnitt 2 dessen Spannung nicht beliebig einstellbar ist. Im Referenznetz konnte die Hosting Capacity um 44,8 MW peak oder 400% erhöht werden. Im realen Netz konnte die Hosting Capacity um 1,8 MW peak oder 40% erhöht werden 11

Wenn dies der Fall ist lässt sich die Spannung am Umspanner beliebig anheben bzw.

12 Ergebnisse im Vergleich Kombinierte Regelung wurde im Referenznetz mit fest eingestellter Einspeiseleistung und Speicherkapazität getestet um einen Vergleich der verschiedenen Methoden mit ihren Grenzen zu zeigen Es hat sich herausgestellt dass die Regelungsmethoden in Kombinationen die Spannungsgrenzen wirksam halten und keine unzulässigen Auslastungen hervorrufen Nur bei deaktivierter PQ-Regelung (ungeregelte Einspeisung) an der Erzeugungsanlage treten Spannungserhöhungen auf. Die Hosting Capacity wurde im Referenznetz um 78,6% im Vergleich zur Basis-HC angehoben Im realen Netz wurden nur solche Kombinationen getestet die im Testnetz bereits erfolgreich die Spannung halten konnten. Daher wird ungeregelte Einspeisung nicht länger angewendet. Die Ergebnisse aus dem realen Netz werden in in den Kapitel Speicher und Blindleistungsregelung diskutiert 12

PQ-Regelung (ungeregelte Einspeisung) an der Erzeugungsanlage treten Spannungserhöhungen auf.

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen 13

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