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111.04.23
Prüfungen an der Schnittstelle von dezentralen Generatoren entsprechend europäischen Netzanschlussbedingungen
Dipl. Ing. Roland BründlingerAustrian Institute of TechnologyÖFPZ Arsenal GmbHGiefinggasse 2, 1210 Wien, ÖsterreichTel.: +43 50550 6315, Fax: +43 50550 6390E-mail: [email protected]
Energy Department | Electric Energy Systems
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211.04.23
Inhalt
Anforderungen an die Ausführung der Netzschnittstelle dezentraler Erzeugungsanlagen
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas
Prüfung der Kompatibilität von Anlagen und Komponenten mit den neuen Netzanschlussrichtlinien
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
211.04.23
311.04.23
Inhalt
Neue Anforderungen an den Netzanschluss dezentraler Erzeugungsanlagen
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas
Prüfung der Kompatibilität von Anlagen und Komponenten mit den neuen Netzanschlussrichtlinien
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
311.04.23
411.04.23
Neue Anforderungen an den Netzanschluss dezentraler Erzeugungsanlagen
Massives Wachstum von Leistung und Dichte dezentraler Erzeugung in den Verteilnetzen
„Historische“ Philosophie der Anschlussrichtlinien für DEA: Möglichst passives Verhalten von DEA im Störungsfall, um die Fehlerbehandlung im Netz nicht zu beeinflussen nachhaltig nicht weiter gangbar
Neue Vorschriften für den Netzanschluss fordern nun, dass DEA zukünftig eine aktive, unterstützende Rolle im Netzbetrieb übernehmen.
Ziel dieser Forderungen: Mittel- und langfristig den sicheren und zuverlässigen Betrieb des
Stromversorgungssystems zu gewährleisten Weiteren Ausbau der Stromerzeugung in DEA zu ermöglichen.
Neue Anforderungen an den Netzanschluss dezentraler Erzeugungsanlagen
Umsetzung: Anwendung der Anforderungen die bisher nur für Anlagen in höheren
Spannungsebenen galten, für DEA im NS und MS Netz Forderung der vollen Funktionalität von allen DEA
Vorreiter: Richtlinien für den Anschluss an die Mittelspannungsnetze in
Deutschland und Frankreich (2008) Richtlinie für den Anschluss an Niederspannungsnetze in DE (2011)
Trends: Entsprechende Anpassung der Vorschriften in einer Reihe weiterer
europäischer Länder Definition der aktiven Rolle dezentraler Erzeugungsanlagen auch im
Rahmen des derzeit in Ausarbeitung befindlichen europäischen Grid Codes
511.04.23
611.04.23
Neue funktionale Anforderungen an die Ausführung von Netzschnittstelle und Erzeugungsanlage
Anforderungen im stationären Betrieb „statische Netzstützung“ Wirkleistungsreduktion im Fall von
Erzeugungsüberschüssen im Netz Lieferung von Blindleistung Beitrag zur Spannungsregelung Möglichkeit zur externen Vorgabe von Wirk- und
Blindleistung Anforderungen an das Verhalten bei transienten
Fehlerzuständen „Dynamische Netzstützung“ Keine Trennung vom Netz Rückkehr zur normalen Wirkleistungseinspeisung
unmittelbar nach Klärung des Fehlers Lieferung von Blindströmen zur
Spannungsstützung während des Fehlers Anforderungen an die integrierte Netzüberwachung
Definierte Ab- und Zuschaltschwellen / -zeiten Definierte Messtoleranzen
711.04.23
Übersicht
Anforderungen an die Ausführung der Netzschnittstelle dezentraler Erzeugungsanlagen
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas
Prüfung der Kompatibilität von Anlagen und Komponenten mit den neuen Netzanschlussrichtlinien
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
711.04.23
811.04.23
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas – statische Netzstützung
Land Anforderung
DE
Anlagen am Niederspannungsnetz:
Bei Spannungen innerhalb der EN 50160 Grenzen (±10%) und ab 20 % der Bemessungswirkleistung:-Anlagen <3,68 kVA cos>0,95 -Anlagen zwischen 3,68 kVA und 13,8 kVA: vorgegebene Kennlinie innerhalb cos = f(P) (Bereich +/-0,95)-Anlagen > 13,8 kVA: Vorgegebene Kennlinie cos = f(P) (+/-0,90)
Anlagen am Mittelspannungsnetz:
Leistungsfaktor zwischen 0,90 übererregt und 0,90 untererregt, entsprechend Vorgabe
-konstanter Leistungsfaktor-cos = f(P): Charakteristik zwischen Leistungsfaktor und eingespeiste-Konstante Blindleistung-Q = f(U): Charakteristik zwischen Blindleistung und Spannung am Verknüpfungspunkt
Anlagen sollten die Möglichkeit haben einen konstanten Sollwert zu fahren, einem Fahrplan zu folgen, bzw.
oder einen ferngesteuerten Sollwert zu fahren.
Alle Anlagen müssen bei Überfrequenz ihre Wirkleistung entsprechend einer Wirkleistungs-Frequenzstatik
abregeln (40 % der Nennleistung per Hz im Bereich 50,2 Hz bis 51.5 Hz.
Zusätzlich müssen Anlagen am Mittelspannungsnetz sowie Anlagen > 100 kW am Niederspannungsnetz mit
reduzierter Leistungsabgabe (in 10 % Schritte) betrieben werden
911.04.23
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas – statische Netzstützung
Land Anforderung
AT
Für Anlagen > 100 kW
- konstanter Leistungsfaktor / cos = f(P) / Q = konst / Q = f(U) (am Verknüpfungspunkt)
- cos [0,85übererregt bis 0,95untererregt] für Anlagen> 1 MW
- cos [0,90übererregt bis 0,95untererregt ] für Anlagen > 100 kW (und < 1 MW)
Anlagen am Mittelspannungsnetz müssen mit reduzierter Leistungsabgabe betrieben werden können .
Alle Anlagen müssen bei Überfrequenz ihre Wirkleistung entsprechend einer Wirkleistungs-Frequenzstatik
abregeln (40 % der Nennleistung per Hz im Bereich 50,2 Hz bis 51,5 Hz.
CH Zurzeit keine Anforderungen.
CZ Gleiche Anforderungen wie in Deutschland für Anlagen am Mittelspannungsnetz.
BE
Anlagen > 1 MVA-Q bis 0.1xPNOM (untererregt)
-Q bis 0,33xPNOM (übererregt)
FR
Anlagen am Niederspannungsnetz: cos = 1
Anlagen am Mittelspannungsnetz:-cos = 0,928 (Kapazitiv)-cos = 0,943 (induktiv)
IT Derzeit keine Anforderungen.
1011.04.23
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas – dynamische Netzstützung LVRTLand Anforderung
DE
Anlagen am Mittelspannungsnetz müssen bei folgenden Spannungseinbrüchen am Netz bleiben.-0 % -150 ms-30% bzw. 70 % -700 ms-90 % -dauernd
Zusätzliche Anforderungen bezüglich Lieferung von Blindleistung, sowie der Trennung der Erzeugungsanlage vom Netz.
Keine Anforderungen für Anlagen am Niederspannungsnetz.
AT
Anlagen am Mittelspannungsnetz sollen bei folgenden Spannungseinbrüchen am Netz bleiben können:-Restspannung 70 % UC bis 100 % UC dauernd
-Restspannung 30 % UC bis 70 % UC für 0,7 s
-Restspannung kleiner als 30 % UC für 0,150 s (ist dies technisch nicht möglich, kann in Abstimmung mit dem
Netzbetreiber eine Trennung vom Netz erfolgen).
CH Zurzeit keine Anforderungen.
CZ Gleiche Anforderungen wie in Deutschland.
BE
Anlagen am Mittelspannungsnetz > 1 MW müssen bei folgenden Spannungseinbrüchen am Netz bleiben können:-70 % UC für 0,2 s
-85 % UC für 1,5 s
-90 % UC für 1500 ms
FR
Anlagen am Mittelspannungsnetz >5 MW-5 % UC für 0 ms
-20 % UC für 150 ms
-90 % UC für 1500 ms
IT Zurzeit keine Anforderungen.
1111.04.23
Zusammenfassung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas (teilweise vereinfacht!)
Land Lieferung von
Blindleistung
Wirkleistungsbegren-
zung bei Überfrequenz
Dynamische
Netzstützung (LVRT)
DE Alle Anlagen
ab 3.68 kVA (tlw. 2012)
Alle Anlagen Anlagen am
Mittelspannungsnetz
AT Alle Anlagen
ab 100 kVA
Anlagen am
Mittelspannungsnetz
Anlagen am
Mittelspannungsnetz
CH Derzeit keine Derzeit keine Derzeit keine
CZ Anlagen am
Mittelspannungsnetz
Anlagen am
Mittelspannungsnetz
Anlagen am
Mittelspannungsnetz
BE Anlagen ab 1 MVA Keine. Anlagen ab 1 MVA
FR Anlagen am
Mittelspannungsnetz
Keine detaillierte
Festlegung.
Anlagen ab 5 MVA
IT Derzeit (noch) keine Derzeit (noch) keine Derzeit (noch) keine
1211.04.23
Übersicht
Anforderungen an die Ausführung der Netzschnittstelle dezentraler Erzeugungsanlagen
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas
Prüfung der Kompatibilität von Anlagen und Komponenten mit den neuen Netzanschlussrichtlinien
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
1211.04.23
Prüfung der Kompatibilität von Anlagen und Komponenten mit den neuen Netzanschlussrichtlinien
Neue, komplexe Anforderungen an die Funktionalität erfordern adäquate Prüf- und Zertifizierungsrichtlinien Überprüfung der korrekten Funktion
und Konformität mit den Anforderungen
Voraussetzung für sicheren und zuverlässigen Betrieb – nicht nur der Anlage sondern auch des Stromversorgungssystems
Situation heute Festgelegte Prüf- und
Zertifizierungsrichtlinien nur in Deutschland
Keine Vorschriften/Hinweise zur Prüfung in Netzanschlussrichtlinien in Österreich, Tschechien, Belgien und Frankreich
1311.04.23
≈
≈
Erzeugungseinheit
Dezentrale Erzeugungsanlage
Verteil-Netz
1411.04.23
Prüf- und Messverfahren –Übersicht über Normen & Richtlinien
Europäische Normen/Richtlinien EN/IEC 61400-21 Measurement and assessment
of power quality characteristics of grid connected wind turbines
Weitere Normen: EN/IEC 62116 (Islanding test procedure); EN 50438 (Microgenerators)
Nationale Normen/Richtlinien Technische Richtlinie (TR) 3 der
Fördergesellschaft Windenergie (FGW) – Ursprünglich für Windanlagen, Scope erweitert auf alle DEA
Nationale Normen mit Prüfvorschriften (VDE 0126-1-1,…)
Außereuropäisch IEEE 1547.1 - Komplementäre Prüfvorschrift zum
IEEE Standard 1547 (Interconnection of DR) Zukünftig
EN/TS 50549 (Grid interconnection of generators >16 A) dzt. Entwurf
1511.04.23
Prüf- und Messverfahren Wirkleistungsregelung
Bestimmung der maximalen Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Wirkleistung nach Sollwertvorgabe(IEC 61400-21; FGW TR3)
Messung der Einstellzeit (IEC 61400-21; FGW TR3)
Begrenzung der Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz(FGW TR3; prTS 50549)
Wirkleistungsgradienten nach einer Wiederzuschaltung (IEC 61400-21; FGW TR3)
1611.04.23
Prüf- und Messverfahren Wirkleistungsregelung
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Test time (minutes)
Se
t-p
oin
t (%
of
Pn
)
Active power set-pointMeasured active poweroutput of generating unit
Measurementtime: 1 min per
set-point
Accuracyrequirement(1 min average):better 1%
Test time:2 min per set-point
Bestimmung der maximalen Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Wirkleistung nach Sollwertvorgabe(IEC 61400-21; FGW TR3)
Messung der Einstellzeit (IEC 61400-21; FGW TR3)
Begrenzung der Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz(FGW TR3; prTS 50549)
Wirkleistungsgradienten nach einer Wiederzuschaltung (IEC 61400-21; FGW TR3)
1711.04.23
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Test time (s)
Se
t-p
oin
t (%
of
Pn
)
Active power set-pointmeasured active poweroutput of generating unit
+/- 5% Tolerance band
Settling time:Active power within+/- 5% of set-point
Prüf- und Messverfahren Wirkleistungsregelung
Bestimmung der maximalen Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Wirkleistung nach Sollwertvorgabe(IEC 61400-21; FGW TR3)
Messung der Einstellzeit (IEC 61400-21; FGW TR3)
Begrenzung der Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz(FGW TR3; prTS 50549)
Wirkleistungsgradienten nach einer Wiederzuschaltung (IEC 61400-21; FGW TR3)
1811.04.23
Prüf- und Messverfahren Wirkleistungsregelung
47 48 49 50 51 520
48
60
100
Grid frequency (Hz)
Ac
tiv
e p
ow
er
ou
tpu
t P
M (
% o
f R
efe
ren
ce
)
ActivepowerTestconditions
Operating range of generating unit
Test 2 (50.2..50.3 Hz)
Test 3 (50.6..50.8 Hz)
Test 4 (51.1..51.2 Hz)
Test 1 (50±0.01 Hz)
Test 5 (50.06..50.08 Hz)
Test 6 (50±0.01 Hz)
Bestimmung der maximalen Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Wirkleistung nach Sollwertvorgabe(IEC 61400-21; FGW TR3)
Messung der Einstellzeit (IEC 61400-21; FGW TR3)
Begrenzung der Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz(FGW TR3; prTS 50549)
Wirkleistungsgradienten nach einer Wiederzuschaltung (IEC 61400-21; FGW TR3)
1911.04.23
Prüf- und Messverfahren Wirkleistungsregelung
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Test time (min)
Po
we
r (%
of
Pn
)
Available powerMeasured active poweroutput of generating unit
Moment of reconnection
to the grid
Ramp ratelimited to10%/min
Bestimmung der maximalen Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Wirkleistung nach Sollwertvorgabe(IEC 61400-21; FGW TR3)
Messung der Einstellzeit (IEC 61400-21; FGW TR3)
Begrenzung der Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz(FGW TR3; prTS 50549)
Wirkleistungsgradienten nach einer Wiederzuschaltung (IEC 61400-21; FGW TR3)
2011.04.23
-1 -0.5 0 0.5 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Reactive Power (Q/Qmax)
Ac
tiv
e P
ow
er
(P/P
n)
Max. Q as f(P)
Max. Active Power
Max. Reactive Power(capacitive)
Max. Reactive Power(inductive)
Prüf- und Messverfahren Blindleistungsregelung
Bestimmung der maximalen Blindleistung in Abhängigkeit der Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Blindleistung nach Sollwertvorgabecos = konst.cos = f(P) (IEC 61400-21; FGW TR3; prTS 50549)
Lokale SpannungsregelungQ = f(U)(FGW TR3; prTS 50549)
2111.04.23
Prüf- und Messverfahren Blindleistungsregelung
Bestimmung der maximalen Blindleistung in Abhängigkeit der Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Blindleistung nach Sollwertvorgabecos = konst.cos = f(P) (IEC 61400-21; FGW TR3; prTS 50549)
Lokale SpannungsregelungQ = f(U)(FGW TR3; prTS 50549)
0 2 4 6 8
-Qmax
0
+Qmax
Test time (min)
Re
ac
tiv
e P
ow
er
se
tpo
int
Reactive power set-pointMeasured reactive powerfrom generating unit
Settling time:Reactive power within+/- 5% of set-point
+/- 5% Tolerance band
Active power set to50% P
N (100% P
N)
2211.04.23
Prüf- und Messverfahren Blindleistungsregelung
Bestimmung der maximalen Blindleistung in Abhängigkeit der Wirkleistung(IEC 61400-21; FGW TR3)
Blindleistung nach Sollwertvorgabecos = konst.cos = f(P) (IEC 61400-21; FGW TR3; prTS 50549)
Lokale SpannungsregelungQ = f(U)(FGW TR3; prTS 50549)
0 2 4 6 8
Umin
Un
Umax
Test time (min)
Gri
d v
olt
ag
e
-Qmax
0
+Qmax
Re
ac
tiv
e p
ow
er
Measured reactivepower fromgenerating unit
Grid voltage
Settling time:Reactive power within+/- 5% of set-point
+/- 5% Tolerance
band
2311.04.23
Prüf- und MessverfahrenDynamische Netzstützung “Fault-ride-through”
Verhalten bei transienten Spannungseinbrüchen (IEC 61400-21; FGW TR3; prTS 50549) 3-phasige (symmetrische) und
2-phasige (unsymmetrische) Spannungseinbrüche.
Unterschiedliche Tiefe und Dauer der Einbrüche
Korrekte Nachbildung der auftretenden Spannungseinbrüche und Phasensprünge
Messung des k-Faktors
2411.04.23
Prüf- und MessverfahrenNetzüberwachungseinrichtungen
Spannungs- und Frequenzüberwachung Bestimmung der
Abschaltschwellen und Abschaltzeiten für Über-/Unterfrequenz sowie Über-/Unterspannung(IEC 61400-21; FGW TR3; prTS 50549)
Zusätzlich: Prüfung der Zuschaltbedingungen für Frequenz und Spannung
Wiederzuschaltzeiten100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
Test time
Gri
d v
olta
ge
(% o
f no
min
al)
Active power set-pointMeasured active poweroutput of generating unit
Trip setting Unit must trip within +/- tolerance (e.g. 1%)of trip setting
Hold time:min. 20 sper levelStep size (1%
of nominalvoltage)
2511.04.23
Übersicht
Anforderungen an die Ausführung der Netzschnittstelle dezentraler Erzeugungsanlagen
Anwendung der neuen Anforderungen in ausgewählten Ländern Europas
Prüfung der Kompatibilität von Anlagen und Komponenten mit den neuen Netzanschlussrichtlinien
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
2511.04.23
2611.04.23
Zusammenfassung & Schlussfolgerungen
Neue bzw. überarbeitete Netzanschlussrichtlinien fordern eine aktive, netzstützende Funktion von DEA Konkrete Anforderungen bereits in 5 von 7 europäischen Ländern (DE,
AT, BE, FR, CZ) Aber – nur in DE klare Prüf- und Zertifizierungsrichtlinien Keine Vorschriften in allen anderen Ländern Erhebliche Unsicherheit, in welcher Art und Weise Konformität von
Anlagenkomponenten verifiziert werden kann Mögliche kurz- und mittelfristige Folgen: Komponenten erfüllen die
netzstützenden Funktionen nicht entsprechend der Anforderungen Zentral: Alle in den Netzanschlussrichtlinien gestellten Anforderungen
müssen durch klare und adäquate Prüf- und Zertifizierungsverfahren ergänzt werden.
2711.04.23
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dipl. Ing. Roland Bründlinger
Austrian Institute of Technology
Energy Department
Giefinggasse 2, 1210 Wien, Österreich
Member of