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Netzintegration von Photovoltaikanlagen: Anforderungen an die Stromrichter bei hohem PV-Anteil im Insel- und Verbundnetz
6. Oktober 2011
Bernd Engel, Vorstandsbeauftragter Netzintegration, SMA Solar Technology AG
16. Kasseler Symposium Energie-Systemtechnik
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Übersicht Vortrag
1. Ausbau der Erneuerbaren Energien im deutschen Elektrizitätsversorgungsnetz
2. Vorbild: Systemdienstleistungen im AC-gekoppelten Inselnetz
3. Systemdienstleistungen im Verbundnetz für mehr PV im Kraftwerksmix
4. Zukünftige Roadmap
5. Zusammenfassung
Herzlichen Dank an die Ko-Autoren!
▪ Martin Rothert, SMA ▪ Gunther Arnold, Fraunhofer IWES
▪ Michael Breede, SMA ▪ Thomas Degner, Fraunhofer IWES
▪ Torsten Reimann, Fraunhofer IWES
▪ Philipp Strauss, Fraunhofer IWES
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
http://www.sma.de/de/news-infos/pv-leistung-in-deutschland.htmlDatenbasis Sunny Portal (~5GWp): ~2,6GWp aus Deutschland (~15%)
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Deutschland am Pfingstsonntag (12.06.2011):Vergleich der PV-Einspeisung mit Wind- und konvent. Erzeugung
Daten European Energy Exchange (EEX) 12 Uhr.: konventionell 26.4 GW / Wind 0.52 GW Anteil PV: 30.1 %
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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„Kollaps in den Netzen“ und „20 Mrd Ausbaukosten“
Intelligenz in PV-Anlagen und im Verteilnetz vermeidet diese Szenarien
Interview Dena-Chef Stephan Kohler in der BZ, 17.10.10
• Photovoltaik mit aktuellen Ausbauszenarien (9,5 GW Zubau jeweils in 2010/11) führt zu „Netz-Kollaps“, „Riesenproblem im Netz“ und „Überlastung durch Sonnenstrom“
• schlägt Deckelung auf ein Zehntel (sprich 1 GW/a) vor
Pressemitteilung Verband kommunaler Unternehmen (VKU) vom 28.9.10 zum Energiekonzept der Bundesregierung:
•dezentrale Energieerzeugung/Smart Grids führt zu Netzausbaukosten von 20 Mrd. Euro
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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> Erstes modulares AC-gekoppeltes System mit Sunny Island (2001)
> Neuer Ansatz: Parallelbetrieb netzbildender Batteriestromrichter
> Lösung: Systemdienstleistungen vonBatteriestromrichter und Solar- oder Windwechselrichter
Seit 10 Jahren: Modulare AC-gekoppelte Inselsysteme auf Kythnos
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
> Adoption der Eigenschaften eines Synchrongenerators im Kraftwerk auf Batterie-Wechselrichter
> Wirkleistungs/Frequenz-Statik zur Frequenzhaltung wie Primärregelung
> Blindleistungs/Spannungs-Statik zur Spannungshaltung
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Parallelbetrieb mit Statiken zur Frequenz- und Spannungshaltung
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
> Bei voller Batterie
> Mehr Erneuerbare Energien stehen zur Verfügung als nutzbar
> Frequenzabhängige Wirkleistungsreduktion der Solar- und Windwechselrichter
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Einspeisemanagement: Frequenzabhängige Wirkleistungsreduktion
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Einspeisemanagement
> Rechtliche Basis:>§6 Abs. 1 EEG 2009 ab 100 kW>In EEG 2012 ab 0 kW, wenn nicht
bis 30 kWp optionale Leistungsbegrenzung auf 70 % gewählt
>Verluste dann ca. 3–8 % wenn kein Eigenverbrauch
>Umsetzungsprobleme bei VNB und Industrie
>Runder Tisch bei BMU am 31.8.2011 mit VNB, Industrie etc.
Einspeisemanagement als Überbrückung bis zum Netzausbau – langfristig auch bei deutschlandweites Überangebot an PV
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Frequenzabhängige Wirkleistungs-Reduktion
> Reduzierung der Wirkleistungseinspei-sung in Abhängigkeit von der Frequenz
> im Störungsfall > bei einem Leistungsüberangebot> zur Vermeidung von Instabilität
> Anwendungsbeispiel: UCTE-Störungim November 2006 - zum Glück nachts!
Quelle: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. BDEW, Entwurf Dezember 2007
Die frequenzabhängige Wirkleistungs-Reduktion ist ein erster Schritt Richtung Beteiligung an der Primärregelung. 50,2 Hz-Problem im NS-Netz „Schuld“ der VNB
Solarwechselrichter können schon lange „sanft“ abschalten
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr – ein technisches Problem?
> Ziel: Einhaltung des Spannungskriteriums nach EN 50160 (UN ± 10 %)
> Beispiel: Zur Kompensation des Spannungsfalls entlang der Leitung:
manuelle, lastlose Verstellung des Übersetzungsverhältnisses am Transformator der Netzstation
P P
20 kV
Trafo
0,4 kV Leitung HAS 1HAS 2
Last 1Last 2
UL1
Länge
P
1,1 p.u. = 253 V
1,0 p.u. = 230 V
Max. Last (Ohne Spannungsverstellung )0,9 p.u. = 207 V
Netzstation
Max. Last (Mit Spannungsverstellung)
MS-Netz
Bis jetzt wurde das Verteilnetz für den Verbrauchsfall dimensioniert
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr – ein technisches Problem?
> Beispiel: Installation PV-Anlage: In den lastarmen Vormittagsstunden kommt es zur Leistungsflussumkehr. Verletzung Spannungskriterium nach EN 50160
PV
P P P
MS-Netz 20 kV
Trafo
0,4 kV Leitung HAS 1HAS 2
Last 1Last 2
PV
UL1
Länge
P3~
~
1,1 p.u. = 253 V
1,0 p.u. = 230 V
Hohe Einspeisung durch PV bei schwacher Last
Max. Last (mit Spannungstellung)0,9 p.u. = 207 V
Netzstation
Probleme der Spannungshaltung werden bisher über teuren Netzausbau mitmehr Kupfer in neuen Kabeln und stärkeren Transformatoren gelöst.
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Quelle: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. BDEW, Entwurf April 2008, ergänzt um Kennlinie VDE-AR-N 4105
> Neue Netzanschluss-Richtlinien:
Erzeugungsanlagen müssen im Normal-betrieb Blindleistung bereitstellen
> Netzbetreiber gibt QSoll, cosSoll oder
Kennlinien cos(P),Q(U) vor
> MS-Richtlinie: Bei Wirkleistungsabgabe Betrieb mit Verschiebungsfaktor im Bereichcos = 0,95induktiv bis 0,95kapazitiv
> NS-Richtlinie:
Bei Wirkleistungsabgabe Betrieb mit Verschiebungsfaktor im Bereich bis zu cos = 0,90induktiv mit fester Kennlinie
Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung
>> Durch Spannungshaltung im Wechselrichter kann die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes bis zu verdoppelt werden (Quelle: BMU-Projekt PV-EMS)
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Diagramm der Spannungsanhebung am Netzanschlusspunkt in Abhängigkeit des Verschiebungsfaktors cos φ. (Sk“ = 2,5 MVA, Netzimpedanzwinkel Ψk = 30°...60°, PWR = 27 kW = konstant)
Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung
Ψk
Bei cos φ = 0,95 (ind.) über 20 % Reduktion der
Spannungsanhebung
cos φ 0,95 untererregtübererregt
Spannungsanhebung am Netzanschlußpunkt ΔU/Un in %
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung
PV
P P P
20 kV
Trafo
0,4 kV Leitung HAS 1HAS 2
Last 1Last 2
PV
UL1
Länge
P3~
~
1,1 p.u. = 253 V
1,0 p.u. = 230 V
Hohe Einspeisung durch PV bei schwacher Last
Max. Last (mit Spannungstellung)0,9 p.u. = 207 V
Netzstation
Q
Q
wie oben, aber mit Bezug von Blindleistung
MS-Netz
> Beispiel: Durch induktiven/untererregten Betrieb des PV-Wechselrichters (Aufnahme von Blindleistung) Reduzierung der Spannungsanhebung
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Dynamische Netzstützung: Fault Ride Through (FRT)
> Erzeugungsanlagen sollen sichim Fehlerfall grundsätzlich nicht vom Netz trennen!
> Gefordertes Verhalten:> oberhalb Grenzlinie 1:
stabiler Betrieb> zwischen Grenzlinie 1 und 2:
Instabilität zulässig> unterhalb Grenzlinie 2/30 %
UNenn: sofortige Trennung zulässig
> Im NS-Netz keine Einspeisung eines kapazitiven Blindstroms erwünscht: eingeschränkte dynamische Netzstützung durch zeitweises Speeren der Halbleiter
Quelle: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. BDEW, Entwurf Dezember 2007
0 150 1.500
100%
70%
Zeit in ms
Zeitpunkt eines Störungseintritts
700
unterer Wert desSpannungsbandes
3.000
15%
45%
Grenzlinie 1Grenzlinie 2
Unterhalb der blauen Kennlinie bestehen keine Anforderungen hinsichtlich des Verbleibens am Netz.
30%
Grenzkurven Spannungsverlauf
U/Uc
>> Auch im Netz-Fehlerfall können PV-Anlagen das Netz stützen.
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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BDEW-Richtlinie „Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“
> Bearbeitet von Netzbetreibern im BDEW (Bundesverband d. Energie- und Wasserwirtschaft)
> Gültig ab 1.1.2009 mit Übergangsfristen bis 1.4.11
> Fordert erstmals Kraftwerkeigenschaften im Verteilnetz
• Einspeisemanagement und frequenz-abhängige Wirkleistungsreduzierung
• Statische Spannungshaltung (Blindleistung)
• Dynamische Netzstützung
>> Mit Mittelspannungsrichtlinie erstmals Netzsystem-dienstleistungen im Verteilnetz
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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FNN-Richtlinie „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“
> Erste Netzanschlussbedingung des Forums Netztechnik Netzbetrieb im VDE
> Endlich veröffentlicht Anfang August 2011
> Übergangsfristen bis zum 31.12.2012
> Paradigmenwechsel jetzt auch im NS-Netz:
• Einspeisemanagement und frequenzabhängige Wirkleistungsreduzierung
• Spannungshaltung (Blindleistung)
• Ab 3,68 kVA bis cos = 0,95induktiv
• Ab 13,8 kVA bis cos = 0,90induktiv
>> Die Niederspannungsrichtlinie wird dringend benötigt!
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Roadmap Netzintegration Ebene Verteilnetz
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Blindleistung am NS-Netz (FNN-RL ab 2011/2012)
Intelligente regelbare Ortsnetzstationen
Blindleistung am MS-Netz (BDEW-RL ab 2010)
> Spannungshaltung
> Energiemanagement im Smart Grid
Einspeisemanagement lokal im NS-Netz << 100 kWp (EEG 2012) (spannungsabhängig?/Smart Grid)
Dezentrale Batteriespeicher mit lokales Peak-Shaving im Verteilnetz
Optimierung Eigenverbrauch, auch mit dezentralen Batteriespeichern
Schwarzstart-Fähigkeit
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
Kapazitätserhöhung für Photovoltaik im Niederspannungsnetz
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Schwarzstart-Fähigkeit
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
15202530354045
network impedance angle [°]
max
. PV
pow
er @
cos
=
0.9/
max
. PV
pow
er @
cos
=
1 [k
W/k
W]
cos 0,9u
cos = 1
P_PV > thermal limit of cables
P_PV > SrT (630kVA)
Netzimpedanzwinkel [ °] Durch Blindleistungseinspeisung läßt sich die Aufnahmefähigkeit des
Niederspannungsnetzes ohne teuren Netzausbau bis zu verdoppeln
Quelle: Degner CIGRE 2011aus ProjektPV-EMS
Faktor > 2
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Bewertung der Maßnahmen bezgl. Kapazitätserhöhung im NS-Netz
Maßnahme
Spannungshaltung Blindleistung 40-200 %
Spannungshaltung regelbare Ortsnetzstation 40-100 %
Einspeisemanagement lokal/zentral 20 – 50 %senkt Ertrag
Eigenverbrauch <5-30% senkt die
Wälzungssumme
Peak Shaving mit Batterie >100 % teuerste Variante
Die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes läßt sich auch
ohne teuren Netzausbau erhöhen.(1) Gegenüber Standardszenario ohne Netzausbau, reine Wirkleistungseinspeisung
Bemerkung
Welcher PV-Zubau
ist möglich (1)?
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
Roadmap Netzintegration Systemstabilität (verantwortlich ÜNB)
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Frequenzabhängige Leistungsreduktion (BDEW-RL ab 2009/FNN-RL ab 2011/2012)
Erzeugungsmanagement > 100 kW (EEG)
zentrales Peak-Shaving mit Batteriespeicher, virtuelle Kraftwerke
> Einspeisemanagement
> Frequenzregelung
> Energiewirtschaftliche Maßnahmen
Nachbildung rotierenden Synchrongeneratoren mit positiver Regelreserve (Momentanreserve, Primärregelung)
DSM: elektrische Speicherheizung, Elektromobilität/Methanisierung von PV
Eigenverbrauch mit variablen, erzeugungsabhängigen Tarifen (Smart metering), Demand-side-management (z.B. Wärmepumpe)
Solar-Prognose
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Zusammenfassung
> Netzsystemdienstleistungen von Photovoltaikanlagen im Verbundnetz möglich
> Vorbild AC-gekoppelte modulare Inselnetze
> Damit Reduktion der notwendigen konventionellen Kraftwerke „must run units“ auf ein Minimum – möglichst 0!
> Verringerung Netzausbaukosten durch neue intelligente Maßnahmen im Verteilnetz:
> Blindleistungseinspeisung durch Wechselrichter
> Intelligente Ortsnetzstation> Weiterer Forschungsbedarf insbesondere bei Netzintegration
und Einbindung dezentraler und zentraler Speichersysteme
Szenarien „Netzkollaps“ und „20 Mrd € Netzausbau“ sind vermeidbar – trotz weiteren Ausbau der Erneuerbaren Energien
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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> Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
> Ich freue mich auf Ihre Fragen
Bernd EngelVorstandsbeauftragter NetzintegrationSMA Solar Technology AGSonnenallee 1, D-34266 NiestetalTel.: 0561/9522-4128Bernd.Engel@SMA.dewww.SMA.de
1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen
Seit 1. Oktober 2011:Professor und Institutsleiter am Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen - eleniaFachgebiet Komponenten nachhaltiger Energiesysteme Schleinitzstraße 23 | 38106 Braunschweig | Germany Tel: +49 (0) 531 391 7740Email: bernd.engel@tu-braunschweig.deWeb: www.tu-braunschweig.de/elenia´
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> Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
> Ich freue mich auf Ihre Fragen
Bernd EngelVorstandsbeauftragter NetzintegrationSMA Solar Technology AGSonnenallee 1, D-34266 NiestetalTel.: 0561/9522-4128Bernd.Engel@SMA.dewww.SMA.de
1 Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Backup
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Integration der EE in die Struktur der Netze
> Typische Einspeisung Photovoltaik:
> ca. 85 % NS-Ebene (230 V/400 V)
> ca. 15 % MS-Ebene (10 - 30 kV)
> wenige Anlagen in HS-Ebene (110 kV)
> Paradigmenwechsel notwendig in elektrischer Energieversorgung:
> Von Top-Down-Struktur zu fluktuierenden bidirektionalen Leistungsflüssen
> Verteilnetze müssen zu „Einsammelnetze“ werden.
1 Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
Erneuerbare Energien müssen System-dienstleistungen im Verteilnetz erbringen
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Korrelation von PV-Erzeugung und Lastgang
Strom aus Photovoltaik deckt vorrangig den Spitzenbedarf!
Quelle: ISET, Kassel
1 Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
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Diagramm der Spannungsanhebung am Netzanschlusspunkt in Abhängigkeit des Verschiebungsfaktors cos φ. (Sk“ = 2,5 MVA, Netzimpedanzwinkel Ψk = 30°...60°, PWR = 27 kW = konstant)
Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung
Ψk
Bei cos φ = 0,95 (ind.) über 20 % Reduktion der
Spannungsanhebung
cos φ 0,95 untererregtübererregt
Spannungsanhebung am Netzanschlußpunkt ΔU/Un in %
1 Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
Spannungshaltung durch intelligente Ortsnetzstation
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Einspeisung zukünftig
Hausanschluss
Datenkommunikation
400V
+10%
-10%
20kV
+10%
-10%
HS110k
V
+4%
ü = konstantvariabel
KabelverteilerUmspannwerk
Regelung
MessungRegelun
g
Ortsnetzstation
Messung?
Last
Einspeisung heute
?Meter
ü = konstant
Quelle: E.ON-Mitte
1 Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung
>> Intelligente Ortnetzstation gehört zum Smart Grid bei viel dezentraler Erzeugung
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