Frank Cornelius, ABB AG, Brilon 26.02.2015 Spannungsregelung im Smart Grid MS-/ NS-Längsspannungsregler Spannungsregelung ABB Lösungen Erweitertes MS oder NS Netz mit dezentralisierter Einspeisung (Wind, Photovoltaik (PV), etc.) HV/MV - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Spannungsproblem kann nicht durch einen Regeltransformator gelöst werden. Konventioneller Netzausbau ist unflexibel, zeit- und kostenintensiv. MV-LVR und/oder LV-LVR ermöglichen eine Spannungsanpassung ohne konventionelle Netzerweiterung. x MV/LV © ABB Group February 27, 2015 | Slide 2 Spannungsniveau schwankt entlang der Leitung [MV-LVR ] - x ... [LV-LVR ] Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler - Leistungsdaten Leistung - bis 8 MVA Spannung - bis 24 kV Stufenschalter – Automatischer Laststufenschalter Typisch 11 Schaltstufen mit ± 5 x 2% Integrierte MS-Schaltanlage Inverser Regelbetrieb möglich Energieeffizienz – sehr hoher Wirkungsgrad in allen Regelstufen. (>99,75%) Betrieb und Regelung Fernüberwachung und Fernzugriff mit Hilfe eines zusätzlichen Kommunikationsmoduls und RTU Regelung auf Leistungsfluss oder auf remote Spannungswerte Control System Protokolle IEC 608705101, 608705104, 61850. © ABB Group February 27, 2015 | Slide 3 [ABB Brilon, Mittelspannungslängsregler 20 kV / 8 MVA] P [MVA] Verluste [kW] η [%] 2 4 6 8 2,87 4,64 8,73 13,86 99,86 99,88 99,85 99,83 [gemessene Werte bei 6% Spannungsanpassung] [ABB RTU 540] Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Designdaten Installation in Standard Betonstation ABB RESIBLOC Trockentransformatoren Robustes System mit langer Lebensdauer und minimalem Wartungsaufwand Schaltelemente ausgelegt für 3.000.000 Schaltspiele Kühlung durch natürliche Konvektion Geräuschreduzierte Transformatoren (<40 dB) Hohe Kurzschlussfestigkeit Dimensionen 3 m x 6,6 m Gasisolierte ABB Mittelspannungsschaltanlage [ABB Brilon, Mittelspannungslängsregler 20 kV / 8 MVA] Angesehen als sehr effiziente Alternative zum konventionellen Netzausbau. N [Einphasiges Prinzipschaltbild Längsregler] © ABB Group February 27, 2015 | Slide 4 Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Hardware I. II. V. © ABB Group February 27, 2015 | Slide 5 Stationsgebäude II. III. IV. Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Control © ABB Group February 27, 2015 | Slide 6 Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Control © ABB Group February 27, 2015 | Slide 7 Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Control © ABB Group February 27, 2015 | Slide 8 Spannungsregelung Anbindung LSR BYPASS IN © ABB Group February 27, 2015 | Slide 9 Messung U, I, P, Q Transformator-Aktivteile Messung U, I, P, Q OUT Spannungsregelung Netzsituation am Pilotstandort MS-LSR Controlled ungeregelt P = 4,739 MW Q = 0,170 MVAr (kapazitiv) P = 3,050 MW Q = 1,186 MVAr (induktiv) © ABB Group February 27, 2015 | Slide 10 P = 4,739 MW Q = 0,170 MVAr (kapazitiv) P = 3,050 MW Q = 1,186 MVAr (induktiv) Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Installation Informationen zur Aufstellung MV-LVR: Installation in 4 Schritten: 1. Positionierung des LVR mittels Autokran 2. MS-Anbindung über Kabeleinführungen und Stecker 3. Entfernen der Transformator-Transportsicherungen 4. Anbindung Netzleitsystem (optional, z.B. über GPRS ) -> Start © ABB Group February 27, 2015 | Slide 11 LVR wird komplett montiert und geprüft geliefert Station fügt sich unauffällig in die Landschaft ein Keine Einschränkungen bei der Aufstellung: öl-freie RESIBLOC Transformatoraktivteile geräuschreduzierte Anlage Lpa <40 dBA Spannungsregelung Mittelspannungslängsregler Spannungsregelung © ABB Group February 27, 2015 | Slide 12 Regler IN Regler OUT Reglersollwert Spannungsregelung Niederspannungslängsregler Leistungsdaten Leistungsklassen - 63 kVA, 125 kVA & 250 kVA Spannung – 0,4 kV Stufenschalter – Automatischer Laststufenschalter 11 Schaltstufen mit (z.B. ± 5 x 1,2%). Stufenschalter mit bewährten ABB Schaltelementen Energieeffizienz – hoher Wirkungsgrad >99,5% Betrieb und Regelung Automatischer Betrieb auf Spannungssollwert Fernüberwachung und Fernzugriff mit Hilfe eines zusätzlichen Kommunikationsmoduls und RTU Regelung auf Leistungsfluss oder auf remote Spannungswerte © ABB Group February 27, 2015 | Slide 13 [ABB Brilon, Niederspannungslängsregler 0,4 kV / 250 kVA] LV N LV Spannungsregelung Niederspannungslängsregler Pilotinstallation 3-Phasen Niederspannungslängsregler 0,4 kV / 250 kVA seit Mai 2014 in Betrieb. © ABB Group February 27, 2015 | Slide 14 Spannungsregelung Niederspannungslängsregler Pilotinstallation LSR controlled uncontrolled [ABB Brilon, Niederspannungslängsregler 0,4 kV / 250 kVA, Installation in Schwarzenburg, CH] [Gemessene Spannungsverläufe an sonnigen Tagen mit und ohne Regelung] © ABB Group February 27, 2015 | Slide 15 Pilotinstallation im Niederspannungsnetz mit großem Anteil dezentraler Einspeisung. Durch den Strangreglern werden die hohen Spannungsanhebungen bei den Kunden reduziert. Das Netz eine bessere Aufnahmefähigkeit für die Integration von dezentralen Einspeisungsanlagen. Die Spannungsqualität im Netz wird durch den Strangreglern nicht beeinflusst. Dr. Adam Slupinski, Dr. Martin Maximini, Power Consulting, 26. Februar 2015 Pilot: LV-LVR im Netz der BKW Simulationen der Regelalgorithmen © ABB February 27, 2015 Slide 16 Netzmodellierung Netznachbildung in NEPLAN®, Messwerte des LVR 4PS-Hs1 1 Min.-Messwerte 1 Min.-Messwerte U-U, U-N, I, P, Q, Verl. U-U, U-N, I, P, Q, Stufe LV-LVR UIN, UOUT = 400V Sr = 250kVA Regelbereich +/- 6% mit 1,2%/Stufen 4PS-VK13117 0,4 kV U=418,577 V u=104,64 % 4PS-VKUReg-Hs1 NAYY 4x150 0,12376 km I=189,105 A Ausl=68,77 % 4PS-VKUReg 0,4 kV U=400,106 V u=100,03 % 4PS-UReg ABB LV-LVR 250kVA Tap=10 LV-LVR I=180,247 A Ausl=52,27 % Kunde 0,4 kV 3 U=409,111 V U-N, I,%P u=102,28 I=189,105 A Ausl=52,42 % AC PVA 134kWp 4PS-VK13117-VKUReg GKN 3x50Cu/50 0,00001 km 4PS-Hs4 0,4 kV U=400,106 V u=100,03 % 4PS-TrafoSS-VK13117 GKN 3x50Cu/50 0,1266 km I=180,247 A Ausl=92,43 % 4PS-Hs4 V S=0,000 kVA PF=0,000 KVS 4PS-VK13117-Hs4 GKN 3x10Cu/10 0,0191 km I=0,000 A Ausl=0,00 % 4PS-TrafoSS 0,4 kV U=400,383 V u=100,10 % I=4,483 A Ausl=32,02 % 64PS-Trafo T-016.0004-000.4a Ortsnetzstation Tap=0 © ABB February 27, 2015 Slide 17 4PS-VK13117-Hs15 GKN 3x25Cu/25 0,11533 km I=0,004 A Ausl=0,00 % Pumpwerk Schützenhaus 16 kV U=16000,000 V u=100,00 % I=180,247 A Ausl=32,16 % 4PS-Hs1 V 4PS-Hs1 EA P=-134,000 kW Q=0,000 kvar 6 Pumpwerk Schützenhaus Ersatz MS P=123,900 kW Q=-9,302 kvar 4PS-Hs15 0,4 kV U=400,106 V u=100,03 % Kunde 2 U-N, I, P 4PS-Hs15 V Plausibilisierung des Netzmodels Messung (18. Juli 2014) UPV, ohne LVR UPV ULVR,IN Stufe 440 50 U 435 [V] 45 430 40 425 35 420 30 415 25 410 20 405 15 400 10 395 5 Stufe Messung 390 00:00 © ABB February 27, 2015 Slide 18 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 Deutliche Reduzierung des Spannungsbandes 16:48 19:12 t [h] 21:36 0 00:00 Plausibilisierung des Netzmodels Vergleich Messung und Simulation (18. Juli 2014) Messung UPV, ohne LVR UPV ULVR,IN Stufe 440 50 U 435 45 Stufe [V] 430 40 425 35 420 30 415 25 410 20 405 15 400 10 395 5 Simulation UPV ULVR,IN Stufe 390 00:00 © ABB February 27, 2015 Slide 19 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 Gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation t [h] 21:36 0 00:00 Verfahren zur Sollwert-Vorgaben der Spannung Auswirkungen auf Spannungsband und Anzahl der Schaltspiele Regelung auf einen festen Sollwert Regelung mit Strom-Kompoundierung Sollwertvorgabe in Abhängigkeit des Flusses über den LVR Reduzierung des Spannungsbandes am kritischen Punkt im Netz Regelung unter Einsatz des Spannungsbeobachters Beobachtung der Spannung im Netz durch eine Prognose der kritischen Spannung Sollwertvorgabe in Abhängigkeit der kritischen Spannung im Netz Anpassung des Sollwerts bei Verletzung der festgelegten Spannungsgrenzen am kritischen Punkt im Netz Weitbereichsregelung mit verteilter Messung im Netz © ABB February 27, 2015 Slide 20 Gleiche Vorgehensweise wie beim Beobachter, nur unter Einsatz der IKT Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele Ohne Regelung (21. Juli 2014) UPV ohne LVR 112% UKrit 45 [%] 110% UC+10% 35 106% 30 104% 25 102% 20 UC 15 98% 10 96% 5 94% 00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 0 21:36 t [h] 00:00 Spannungsbandbreite am kritischen Punkt im Netz von 8,4% Uc Spannungsbandgrenze am kritischen Punkt im Netz bereits überschritten Slide 21 40 108% 100% © ABB February 27, 2015 Stufe Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele Regelung auf einen festen Sollwert UPV ohne LVR UPV mit LVR Stufe 112% UKrit 45 [%] 110% UC+10% 35 106% 30 104% 25 102% 20 UC 15 98% 10 96% 5 94% 00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 Reduzierung der Spannungsbandbreite auf 4,0% Uc Anzahl der Schaltspiele: 105 Slide 22 40 108% 100% © ABB February 27, 2015 Stufe 19:12 0 21:36 t [h] 00:00 Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele Regelung mit Strom-Kompoundierung U [%] UPV ohne LVR Krit 112% UPV, Kompoudierung 110% Stufe 108% 35 106% 30 104% 25 102% 20 45 100% UC 10 96% 5 02:24 04:48 Umax = 108%Usoll 100 U0,soll = 106% Imin -200 07:12 50 Imax 0 -100 0 100 200% ILVR -50 ErzeugungQuadrant -100 -150 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 0 21:36 t [h] 00:00 Last-Quadrant Usoll150 % Slide 23 15 98% 94% 00:00 © ABB February 27, 2015 40 Stufe UC+10% Umin = 102%Usoll Sollwertvorgabe in Abhängigkeit des Flusses über den LVR Weitere Reduzierung der Spannungsbandbreite auf 2,8% Uc Deutliche Steigerung der Schaltspiele auf 188 Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele Regelung unter Einsatz des Spannungsbeobachters U [%] UPV ohne LVR Krit 112% UPV, Beobachtung 110% UC+10% 40 Stufe 108% UGrenze=UC+8% 35 Stufe 45 106% 30 104% 25 Restnetz 102% 20 ∆uref 100% 2,15 % uLVR 10 96% 5 02:24 04:48 07:12 -191A ukrit = u LVR + ∆uref ⋅ NS I LVR I ref „Fingerabdruck“ des Restnetzes mit NEPLAN® zu bestimmen ONS MS © ABB February 27, 2015 09:36 ILVR,ref LVR Slide 24 15 98% 94% 00:00 ILVR UC Messwerte des LVR‘s 12:00 14:24 16:48 19:12 0 21:36 t [h] 00:00 Anpassung des Sollwerts nur bei Verletzung der Spannungsgrenzen am kritischen Punkt Ausnutzung der vorgegebenen Spannungsbandbreite am kritischen Punkt im Netz von 9,4% Uc Starke Reduzierung von Schaltspielen auf 4 Spannungsbänder in Abh. der Regelverfahren Langzeitbetrachtung von Mai bis Oktober 2014 uKritisch 112 [%] 110 Spannungsband am Kritischen Punkt Anzahl der Schaltspiele pro Tag Spannungsgrenzwerte im NS-Netz 108 106 104 102 100 UC 98 96 94 103 ≈0 142 LVR Beobachter Kompoundierung 92 ohne LVR Keine Verletzung der zulässigen Spannungsgrenzwerte beim Einsatz des LVR‘s Starke Abhängigkeit der mittlere Anzahl der Schaltspiele vom Regelalgorithmus © ABB February 27, 2015 Slide 25 Zusammenfassung Durch die PV-Einspeisung treten bereits Spannungsbandverletzung im Normalbetrieb auf Entkopplung der Spannung im NS-Abgang mit Längsspannungsregler als Lösungsmöglichkeit Einsatz des LV-LVR‘s gewährleistet Einhaltung der Grenzwerte © ABB February 27, 2015 Slide 26 Gangliniensimulation mit Neplan spiegelt die realen Verhältnisse wider Einfache Ableitung des optimalen Regelkonzepts durch Lastflusssimulationen möglich Anzahl der Schaltspiele und die Spannungsbandbreite am kritischen Punkt im Netz stark vom eingesetzten Regelalgorithmus abhängig Spannungsregelung Wirkungsprinzip LSR Spannungsanpassung durch Superposition (Überlagerung) U3 U U11 U2 U2 U2 U11 U U2 U3 U3 © ABB Group February 27, 2015 | Slide 28
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