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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.

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1 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

2 2 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

3 Datenbasis Sunny Portal (~5GWp): ~2,6GWp aus Deutschland (~15%) 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

4 4 Deutschland am Pfingstsonntag ( ): 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

5 5 „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, 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 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

6 6 >Erstes modulares AC- gekoppeltes System mit Sunny Island (2001) >Neuer Ansatz: Parallelbetrieb netzbildender Batteriestromrichter >Lösung: Systemdienstleistungen von Batteriestromrichter 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

7 > Adoption der Eigenschaften eines Synchrongenerators im Kraftwerk auf Batterie-Wechselrichter > Wirkleistungs/Frequenz-Statik zur Frequenzhaltung wie Primärregelung > Blindleistungs/Spannungs-Statik zur Spannungshaltung 7 Parallelbetrieb mit Statiken zur Frequenz- und Spannungshaltung 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

8 > Bei voller Batterie > Mehr Erneuerbare Energien stehen zur Verfügung als nutzbar > Frequenzabhängige Wirkleistungsreduktion der Solar- und Windwechselrichter 8 Einspeisemanagement: Frequenzabhängige Wirkleistungsreduktion 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

9 9 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 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

10 10 Frequenzabhängige Wirkleistungs-Reduktion > Reduzierung der Wirkleistungseinspei- sung in Abhängigkeit von der Frequenz > im Störungsfall > bei einem Leistungsüberangebot > zur Vermeidung von Instabilität > Anwendungsbeispiel: UCTE-Störung im November 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

11 11 Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr – ein technisches Problem? > Ziel: Einhaltung des Spannungskriteriums nach EN (U N ± 10 %) > Beispiel: Zur Kompensation des Spannungsfalls entlang der Leitung: manuelle, lastlose Verstellung des Übersetzungsverhältnisses am Transformator der Netzstation  Bis jetzt wurde das Verteilnetz für den Verbrauchsfall dimensioniert 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

12 12 Spannungshaltung: Leistungsflussumkehr – ein technisches Problem? > Beispiel: Installation PV-Anlage: In den lastarmen Vormittagsstunden kommt es zur Leistungsflussumkehr. Verletzung Spannungskriterium nach EN  Probleme der Spannungshaltung werden bisher über teuren Netzausbau mit mehr Kupfer in neuen Kabeln und stärkeren Transformatoren gelöst. 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

13 13 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 Q Soll, cos  Soll oder Kennlinien cos  (P),Q(U) vor > MS-Richtlinie: Bei Wirkleistungsabgabe Betrieb mit Verschiebungsfaktor im Bereich cos  = 0,95 induktiv bis 0,95 kapazitiv > NS-Richtlinie: Bei Wirkleistungsabgabe Betrieb mit Verschiebungsfaktor im Bereich bis zu cos  = 0,90 induktiv 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

14 14 Diagramm der Spannungsanhebung am Netzanschlusspunkt in Abhängigkeit des Verschiebungsfaktors cos φ. (S k “ = 2,5 MVA, Netzimpedanzwinkel Ψ k = 30°...60°, P WR = 27 kW = konstant) Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung ΨkΨk Bei cos φ = 0,95 (ind.) über 20 % Reduktion der Spannungsanhebung cos φ 0,95 untererregt übererregt Spannungsanhebung am Netzanschlußpunkt ΔU/U n in % 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

15 15 Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung > 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

16 16 Dynamische Netzstützung: Fault Ride Through (FRT) > Erzeugungsanlagen sollen sich im Fehlerfall grundsätzlich nicht vom Netz trennen! > Gefordertes Verhalten: > oberhalb Grenzlinie 1: stabiler Betrieb > zwischen Grenzlinie 1 und 2: Instabilität zulässig > unterhalb Grenzlinie 2/30 % U Nenn : 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 >> Auch im Netz-Fehlerfall können PV-Anlagen das Netz stützen. 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

17 17 BDEW-Richtlinie „Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“ > Bearbeitet von Netzbetreibern im BDEW (Bundesverband d. Energie- und Wasserwirtschaft) > Gültig ab mit Übergangsfristen bis > 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

18 18 FNN-Richtlinie „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“ > Erste Netzanschlussbedingung des Forums Netztechnik Netzbetrieb im VDE > Endlich veröffentlicht Anfang August 2011 > Übergangsfristen bis zum > Paradigmenwechsel jetzt auch im NS-Netz: Einspeisemanagement und frequenzabhängige Wirkleistungsreduzierung Spannungshaltung (Blindleistung) Ab 3,68 kVA bis cos  = 0,95 induktiv Ab 13,8 kVA bis cos  = 0,90 induktiv >> Die Niederspannungsrichtlinie wird dringend benötigt! 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

19 Roadmap Netzintegration Ebene Verteilnetz 19 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

20 Kapazitätserhöhung für Photovoltaik im Niederspannungsnetz 20 Schwarzstart-Fähigkeit 1 Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung Netzimpedanzwinkel [ °]  Durch Blindleistungseinspeisung läßt sich die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes ohne teuren Netzausbau bis zu verdoppeln Quelle: Degner CIGRE 2011 aus Projekt PV-EMS Faktor > 2

21 21 Bewertung der Maßnahmen bezgl. Kapazitätserhöhung im NS-Netz Maßnahme Spannungshaltung Blindleistung % Spannungshaltung regelbare Ortsnetzstation % Einspeisemanagement lokal/zentral20 – 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

22 Roadmap Netzintegration Systemstabilität (verantwortlich ÜNB) 22 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

23 23 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

24 24 > Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit > Ich freue mich auf Ihre Fragen Bernd Engel Vorstandsbeauftragter Netzintegration SMA Solar Technology AG Sonnenallee 1, D Niestetal Tel.: 0561/ Ausbau Erneuerbare Energien| 2 Inselnetz | 3 Verbundnetz | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

25 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Seit 1. Oktober 2011: Professor und Institutsleiter am Institut für Hochspannungstechnik und elektrische Energieanlagen - elenia Fachgebiet Komponenten nachhaltiger Energiesysteme Schleinitzstraße 23 | Braunschweig | Germany Tel: +49 (0) Web:

26 26 > Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit > Ich freue mich auf Ihre Fragen Bernd Engel Vorstandsbeauftragter Netzintegration SMA Solar Technology AG Sonnenallee 1, D Niestetal Tel.: 0561/ Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

27 27 Backup

28 28 Integration der EE in die Struktur der Netze > Typische Einspeisung Photovoltaik: > ca. 85 % NS-Ebene (230 V/400 V) > ca. 15 % MS-Ebene ( 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

29 29 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

30 30 Diagramm der Spannungsanhebung am Netzanschlusspunkt in Abhängigkeit des Verschiebungsfaktors cos φ. (S k “ = 2,5 MVA, Netzimpedanzwinkel Ψ k = 30°...60°, P WR = 27 kW = konstant) Spannungshaltung durch Blindleistungseinspeisung ΨkΨk Bei cos φ = 0,95 (ind.) über 20 % Reduktion der Spannungsanhebung cos φ 0,95 untererregt übererregt Spannungsanhebung am Netzanschlußpunkt ΔU/U n in % 1 Ausbau Erneuerbare Energien | 2 Systemdienstleistungen | 3 Richtlinien | 4 Roadmap | 5 Zusammenfassung

31 Spannungshaltung durch intelligente Ortsnetzstation 31 Einspeisung zukünftig Hausanschluss Datenkommunikation 400V +10% -10% 20kV +10% -10% HS 110k V +4% ü = konstant variabel Kabelverteiler Umspannwerk Regelung Messung Regelung 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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