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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Versorgungsnetzes, das einen Transformator und einen Wechselrichter aufweist, wobei der Transformator die Spannung einer oberen Spannungsebene mit einer ersten Nennspannung, deren Überschreitung im Netzbetrieb bis zu einer zulässigen Höchstspannung zulässig ist, heruntertransformiert auf die Spannung einer unteren Spannungsebene mit einer zweiten Nennspannung, und der Wechselrichter den Gleichstrom einer Gleichstromquelle in einen Wechselstrom wandelt, der in die obere Spannungsebene eingespeist wird.
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Eine Vorrichtung, die solche Verfahrensschritte realisiert ist zum Beispiel eine größere Photovoltaikanlage, deren Photovoltaikgenerator mehrere MW Leistung erzeugen kann, die über einen oder mehrere Wechselrichter in eine Mittelspannungsebene eingespeist wird. Die Mittelspannungsebene ist hier die obere Spannungsebene mit der ersten Nennspannung, die z. B. 20 KV sein soll. Die photovoltaisch erzeugte elektrische Leistung wird über das Versorgungsnetz zu verschiedenen Ortschaften transportiert, bei denen ein oder mehrere Transformatoren stehen, um die Mittelspannung auf eine Niederspannung herunter zu spannen. Die Niederspannung soll hier beispielhaft zu 400/230 Volt als zweite Nennspannung angenommen werden, je nachdem ob die Spannung zwischen den Phasen oder gegenüber Erde betrachtet wird.
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Die Niederspannung wird vom Netzbetreiber innerhalb eines gewünschten Bereichs gehalten, der eine untere Grenze aufweist, bei deren Unterscheiten elektrische Geräte ausfallen oder nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten, und der eine obere Grenze aufweist, bei deren Überschreitung die elektrischen Geräte gefährdet sind. Der Netzbetreiber sieht analog auch eine maximal zulässige Höchstspannung für das Obernetz mit hier 20 kV vor, die in der Regel wegen der technischen Auslegung von beteiligten Baukomponenten bei 10% über der Nennspannung liegt, also im Zahlenbeispiel 22 kV beträgt.
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Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie sind vielfältig bekannt. Jede Photovoltaikanlage, im Folgenden auch PV-Anlage genannt, erzeugt einen Gleichstrom, der mittels eines Wechselrichters in einen Wechselstrom umgewandelt wird. Als Wechselrichter können sowohl rein elektronische Geräte als auch elektromechanische Umformer eingesetzt werden. Unter Wechselrichter sind dabei alle Vorrichtungen anzusehen, welche aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugen können. So erzeugen Windkraftanlagen zwar unmittelbar einen Wechselstrom, der aber über einen Frequenzumformer an die Verhältnisse des öffentlichen Versorgungsnetzes anzupassen ist. Diese Frequenzumformer umfassen ebenfalls Wechselrichter.
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Die elektronischen Komponenten eines Wechselrichter, ebenso wie auch die Kombination einer Gleichstrommaschine mit einem Synchrongenerator als mechanischen Wechselrichter, erlauben die Einstellung eines gewünschten cos phi Wertes in Bezug zur Leistung. Dies geschieht bei vielen PV-Anlagen durch einen cos phi – Zeiger, über den ein festes Verhältnis von eingespeister Leistung zu eingespeister oder bezogener Blindleistung eingestellt werden kann. Bei vorliegender Erfindung wird sich die Eigenschaft von Wechselrichtern zunutze gemacht, im Rahmen ihrer Nennleistung einen beliebigen Blindleistungsbezug aus dem Netz oder eine beliebige Blindleistungseinspeisung in das Netz zu leisten.
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Ein anderer Aspekt beim Betrieb des Versorgungsnetzes ist es, dass die erzeugte Leistung über größere Distanzen mittels Leitungen oder Kabel zu transportieren ist, was mit entsprechenden Verlusten einhergeht. So wäre es grundsätzlich wünschenswert, die Spannung an der einspeisenden Stelle der Leitung möglichst niedrig zu halten, gerade so hoch, dass am anderen Ende der Leitung noch die gewünschte Spannung anliegt, um die Leitungsverluste möglichst gering zu halten.
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In jüngster Zeit wird mit dem Entstehen von Offshore-Windparks und anderen standortgebundenen regenerativen Energieerzeugern ein weiterer Gesichtspunkt aktuell, nämlich dass die bestehenden Leitungsnetze nicht ausreichen, um die temporär ungleichmäßig und mengenmäßig nicht vorhersehbare, erzeugte elektrische Energie zu den Bedarfszentren zu transportieren. Dies geht soweit, dass erzeugte elektrische Energie über Landesgrenzen hinweg verschenkt wird, um sie möglicherweise später oder am nächsten Tag zurückzukaufen, wenn regenerativ erzeugte Energie nicht ausreichend verfügbar ist. Alternativ kommt es zum Abschalten von Windrädern und die Möglichkeit, an sich Energie zu erzeugen, wird erst gar nicht genutzt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine erhöhte Hinnahme von Leitungsverlusten für die Gesamtenergiebilanz wertvoller sein kann, als das Verschenken von Energie oder dem Nichtausnutzen der Möglichkeit zur Erzeugung derselben.
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Ausgehend von dieser Überlegung liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorhandenen Leitungskapazitäten besser auszunutzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wechselrichter auf einem Betriebspunkt betrieben wird, bei welchem eine Blindleistungseinspeisung in die obere Spannungsebene derart erfolgt, dass am Einspeisepunkt ein Spannungsniveau von mindestens der Hälfte des arithmetischen Mittels aus der ersten Nennspannung und der zulässigen Höchstspannung vorliegt. Im genannten Zahlenbeispiel wären das 5% oberhalb der Nennspannung, also 21 kV. Die Spannungserhöhung sollte vortelihafter Weise mehr als das arithmetische Mittel betragen, z. B. zwischen 55% bis 100% der genannten Differenz von Nenn- und Höchstspannung, insbesondere von 60% bis 90% dieser Differenz. Im Zahlenbeispiel wären dies dann eine angehobene Spannung im Bereich zwischen 21,1 kV und 22 kV, beziehungsweise im insbesondere bevorzugten Bereich von 21,2 kV und 21,8 kV.
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Dabei ist es vorteilhaft, den ohnehin bereits vorhandenen Wechselrichter einer bestehenden Anlage zur Erzeugung regenerativer Energie zu diesem Zwecke zu nutzen. Wird zum Beispiel bei einer ersten Nennspannung von 20 KV eine Spannungserhöhung um 10% vorgenommen, so kann gemäß dem bekannten Zusammenhang Leistung P ist gleich dem Produkt aus Spannung U und Strom I (oder auch P = U2/R) mehr elektrische Energie über die bestehende Leitung oder das bestehende Kabel transportiert werden. Vorausgesetzt der Leitungswiderstand ist konstant, so fließt auch ein um 10% größerer Strom I, der zu erhöhten Verlusten führt. Liegen zum Beispiel ein Solarkraftwerk und ein Windpark relativ eng nebeneinander (z. B. 20 km), so ist die Anwendung vorliegender technische Lehre dann besonders sinnvoll, wenn es Nacht ist und ein starker Wind weht, oder es Tag ist und kein Wind weht. Im ersten Fall kann der Wechselrichter der Photovoltaikanlage, der keine Leistung des Solargenerators verarbeiten muss, durch eine Blindleistungseinspeisung zur Spannungsanhebung herangezogen werden. Durch die mit dem Quadrat der Spannung U einhergehende, erhöhte Möglichkeit der Leistungsübertragung über die Freileitung, braucht der Windpark nicht eingedrosselt zu werden, sondern kann seine volle umgewandelte Windenergie in das Versorgungsnetz einspeisen, von wo aus es verteilt wird. Analoges gilt für den anderen Fall von ausgelastetem Solargenerator und Windstille. Dann wird der dem Windrad inhärente Wechselrichter zur Spannungsanhebung über Blindleistungslieferung herangezogen. Dazu werden die in modernen Wechselrichtern verbauten IGBT's entsprechend angesteuert. Zwischen diesen beiden extremen Situationen treten viele andere Wetterverhältnisse auf, bei denen gegebenenfalls sogar beide Wechselrichter, also sowohl der des Solargenerators als auch der des Windrades, zur Zeit nicht für die Umwandlung in Leistung benötigte, freie Wandelkapazität zur Blindleistungseinspeisung herangezogen werden kann.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn auf der unteren Spannungsebene mindestens ein aktiver Netzstabilisator vorgesehen ist, der insbesondere zumindest einen weiteren Wechselrichter umfasst, mit Hilfe dessen Blindleistungsbezugs die Spannung auf der unteren Spannungsebene unterhalb von einem vorgebbaren Wert, der beispielsweise bei 110% der zweiten Nennspannung liegt, gehalten wird. Der Netzstabilisator kann klassisch aus Spulen und Kapazitäten bestehen oder aber, was bevorzugt ist, durch weitere Wechselrichter gebildet werden, die Bestandteil von kleineren Solargeneratoren oder Windrädern sind, die auf der niedrigeren Spannungsebene angebunden sind. Dabei ist es auch sinnvoll, eine Wechselrichteranordnung alleine, also ohne eine zugeordnete Gleichspannungsquelle, vorzusehen. Um bei dem obigen Zahlenbeispiel zu bleiben, kann die Spannung der oberen Spannungsebene von 20 KV um 10% auf 22 KV erhöht werden, um entsprechend ein Mehr an Leistung übertragen zu können. Da das Übersetzungsverhältnis am Transformator, das auf einen niedrigeren Spannungswert auf der Primärseite eingestellt ist, bestehen bleibt, könnte solch eine drastische Erhöhung zu einer inakzeptablen Erhöhung der Spannung auf der unteren Spannungsebene von mehr als die zulässige Höchstspannung von 440/253 Volt führen. Diese unzulässig hohe Spannung wird durch Blindleistungsbezug durch die weiteren Wechselrichter auf zumindest 440/253 Volt heruntergedrückt, was als obere Grenzspannung für die untere Versorgungsebene angesehen wird.
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Im Ergebnis wird also unter Inkaufnahme einer erhöhten Belastung von Betriebsmitteln, wie z. B. dem Transformator, eine Netzverzerrung derart vorgenommen, dass durch Blindleistungseinspeisung am Obernetz und durch Blindleistungsbezug am Unternetz eine Spreizung der herrschenden Spannungen jenseits der zugeordneten Nennspannungen, aber unterhalb der zulässigen Höchstspannungen, vorliegt, mit dem Ziel mehr Leistung über die Leitungen des Versorgungsnetzes transportieren zu können. Durch den Einsatz von aktiven Spannungsstabilisatoren kann dann sogar ein Spannungsniveau am Einspeisepunkt auf der oberen Spannungsebene realisiert werden, welches oberhalb der ansonsten (ohne den Einsatz von aktiven Spannungsstabilisatoren) gültigen oberen Grenzspannung, von in der Regel 10% über der Nennspannung, liegt.
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Ohne den Einsatz von aktiven Spannungsstabilisatoren muss die Höhe der Blindleistungseinspeisung ins Obernetz so bemessen sein, dass sich auf der unteren Spannungsebene an der Sekundärseite des Transformators maximal ein zulässiger Spannungswert einstellt, in der Regel der bereits erwähnte Wert von 10% über der zweiten Nennspannung. Dazu ist es sinnvoll, dass auf der unteren Spannungsebene ein Spannungssensor angeordnet ist und dass die Blindleistungseinspeisung ins Obernetz in Abhängigkeit der am Spannungssensor im Unternetz gemessenen Spannung dahingehend begrenzt wird, dass die gemessene Spannung maximal 10% oberhalb der zweiten Nennspannung liegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuer- und Regeleinheit vorgesehen ist, der die gemessenen Spannungen an der Sekundärseite des Transformators und am Einspeisepunkt des Wechselrichters in die obere Spannungsebene zugeführt werden, und die aus den gemessenen Spannungen die Höhe eines Blindleistungsbezugs oder einer Blindleistungseinspeisung von dem Wechselrichter und/oder dem weiteren Wechselrichter berechnet und initiiert. Diese Maßnahme erlaubt es, mit der Blindleistungseinspeisung und dem Blindleistungsbezug im Versorgungsnetz so zu jonglieren, dass sowohl die maximal mögliche Leistung übertragen wird, als auch die günstigsten Spannungswerte eingestellt werden, mit denen die geringsten Leitungsverluste einhergehen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur, die schematisch ein Versorgungsnetz zeigt.
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In der Figur ist ein Ausschnitt aus einem Versorgungsnetz 1 gezeigt, dass von einem Energieversorger 3 auf der 20 kV Spannungsebene mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Energieversorger 3 kann ein Kohlekraftwerk, ein Windpark oder dergleichen sein, oder aber auch ein Umspannwerk, das von einer Freileitung im Höchstspannungsbereich von einem Großkraftwerk, e. g. einem AKW, versorgt wird. Der Energleversorger 3 speist an einem Anfangspunkt 4 auf einer 20 KV Leitung 5 oder einem 20 kV Kabel ein, die eine Länge von z. B. 20 km hat. Entlang der Leitungsstrecke 5 sind mehrere Ortschaften, von denen drei mit A, B, C bezeichnete gezeigt sind, über jeweils zugeordnete Transformatoren TA, TB, TC angeschlossen, die die 20 kV auf die ortübliche Spannungsebene von 400 Volt herunter spannen. In der Ortschaft A ist eine Solaranlage 7 vorhanden, die über den ihr inhärenten Wechselrichter den erzeugten Solarstrom direkt in das Ortsnetz A einspeist. Am Ende der 20 km langen Leitung 5 ist die Ortschaft C gelegen, in deren Nähe sich ein größerer Photovoltaikgenerator 9 befindet. Der Photovoltaikgenerator 9 ist an einen Wechselrichter 11 angeschlossen, über den die erzeugte Solarenergie direkt in die 20 kV Ebene an einem Endpunkt 6 der Leitung 5 eingespeist wird. Die Ortschaft C verfügt über eine Gemeinde eigene Solaranlage 13, deren zugehöriger Wechselrichter 15 ebenfalls über eine variable cos phi Einstellung verfügt.
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Auf der Sekundärseite des Transformators TC ist ein erstes Spannungsmessgerät 17 vorgesehen, welches die auf der 400 Volt Seite herrschende Spannung an eine Regel- und Steuereinheit 19 übermittelt. Ein zweites Spannungsmessgerät 21 misst die am Einspeisepunkt 6 des Wechselrichters 11 auf der 20 kV Leitung 5 vorliegende Spannung, deren Wert ebenfalls der Regel- und Steuereinheit 19 übermittelt wird. Weitere, gestrichelt dargestellte Steuerleitungen führen von der Regel- und Steuereinheit 19 zu dem Wechselrichter 11 und dem weiteren Wechselrichter 15, um deren cos phi einzustellen, also deren Verhältnis von Wirkleistung zu bezogener oder eingespeister Blindleistung. Bei nicht vorhandener Wirkleistung, was z. B. bei einem Solargenerator nachts der Fall ist, kann auch nur reine Blindleistung bezogen oder eingespeist werden. Die Regel- und Steuereinheit 19 kann an weitere, Messwert gebende Stellen angeschlossen sein, die z. B. den Spannungsverlauf entlang der Leitung 5 nachbilden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen ab. Es wird dabei von einem Urzustand bei Erstellung der Leitung 5 und Anschluss der Ortschaften A, B, C ausgegangen, der jetzt dahingehend überholt ist, dass in der Ortschaft A ein Industriepark angesiedelt wurde, und das lokale Versorgungsnetz aller Ortschaften A, B, C verändert ist. So wird jede Ortschaft A, B, C kleinere Energieerzeuger wie Photovoltaikgeneratoren auf Hausdächern aufweisen und ggf. auch größere Photovoltaikgeneratoren auf der Freifläche oder auch Windkraftanlagen.
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Die Leitung 5 war ursprünglich SO berechnet, dass unter der Berücksichtigung des mit den Leistungsverlusten einhergehenden Spannungsabfalls auch die letzte Ortschaft C am Ende der Leitung 5 noch über eine ausreichend hohe Versorgungsspannung auf der 20 kV Ebene verfügt. Aufgrund des angesiedelten Industrieparks wird jetzt bereits am Anfang der Leitung 5 ein hoher Spannungsabfall hervorgerufen, der es gerade noch zulässt, dass die Ortschaft C stabile Spannungsverhältnisse hat. Ein weiterer Ausbau des Industrieparks in der Ortschaft A wäre zwar von der Stromtragfähigkeit der Leitung 5 her machbar, würde aber daran scheitern, dass die Einspeiseverhältnisse für die Ortschaft C dann unter einen kritischen Spannungswert fallen würden.
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Hier setzt vorliegendes Verfahren ein, mit deren Hilfe eine Erweiterung des Industrieparks trotzdem durchgeführt werden könnte. Erfindungsgemäß würde immer dann, wenn der erweiterte Industriepark eine so hohe Leistung anfordert, die die Spannungshöhe am Einspeisepunkt der Ortschaft C gefährden würde, die Regel- und Steuereinheit 19 ein Signal an den Wechselrichter 11 abgeben, welches eine ausreichende Blindleistungseinspeisung mit ihrer einhergehenden Spannungserhöhung am Leitungsende 6 sicherstellt. Die Stromleitfähigkeit der Leitung 5 kann also voll genutzt werden, ohne dass auf kritische Spannungsverhältnisse auf der Leitung Rücksicht genommen werden muss. Diese werden mittels Blindleistungseinspeisung oder gegebenenfalls auch Blindleistungsbezug vermieden, so dass die Spannung immer in der gewünschten Bandbreite von 20 kV bis 22 kV justiert ist.
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Die Blindleistungseinspeisung des alternativen Energieerzeugers 9 muss nicht unbedingt am Ende der Leitung 5 erfolgen. Sie kann überall entlang der Leitung 5 stattfinden, solange die Höchstspannung nicht überschritten wird.
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Die eingesetzten Leitungsbauteile und Transformatoren TA, TB, TC sind bis zu ihrer Höchstspannung ausgelegt. Über einen Blindleistungsbezug auf der Sekundärseite der Transformatoren TA, TB, TC wird dafür gesorgt, dass die Spannung im Ortsnetz unterhalb der zulässigen Höchstspannung von 440 Volt verbleibt. Der Blindleistungsbezug wird am Beispiel der Ortschaft C dann über die Gemeinde eigene Photovoltaikanlage 13 mit ihrem weiteren Wechselrichter 15 bewirkt. Je nach Bedarf kann über die Einstellung des cos phi die Spannung auf der Sekundärseite der Transformatoren TA, TB, TC nach oben oder nach unten justiert werden, wie es durch die beiden Spannungspfeile 23 angedeutet ist. Diese Möglichkeit bringt den besonderen Vorteil mit sich, dass als Transformator T ein einfach konstruiertes Bauteil mit festem Übersetzungsverhältnis verwendet werden kann. Es sind keine aufwändigen Transformatoren TA, TB, TC erforderlich, die über Stufenschalter oder sonstige Mittel eine Einstellung des Übersetzungsverhältnisses erlauben.
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Eine Überschreitung der Höchstspannung ist unter allen Umständen zu vermeiden. Entsprechend muss die Blindleistungseinspeisung auf der 20 kV Seite mit dem Blindleistungsbezug auf der 400 Volt Seite immer entsprechend abgestimmt sein.
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In der Figur sind noch Strompfeile i eingezeichnet, die die Stromverhältnisse entlang der Leitung 5 symbolisieren. Der Energieerzeuger 3 speist einen Strom iwirk 1 in die Leitung 5 ein. Nach einem ersten Verknüpfungspunkt 25, an dem der Transformator TA angeschlossen ist, fließt ein Strom iwirk 2 weiter zur nächsten Ortschaft B, wo ein zweiter Verknüpfungspunkt 27 zum Anschluss des Transformators TB vorgesehen ist. Hinter der Ortschaft B fließt dann ein Strom iwirk 3 auf der Leitung 5. Es folgen weitere, nicht näher bezeichnete Ortschaften, wie es durch eine Schnittlinie 29 angedeutet ist. Am Ende der Leitung 5 befindet sich die letzte Ortschaft C, zu deren Verknüpfungspunkt 31 der Strom iwirk n fließt. Um die Spannung an dem dritten Verknüpfungspunkt 31 anzuheben, wird über die Regel- und Steuereinheit 19 ein Blindstrom iblind initiiert, indem der cos phi des Wechselrichters 11 entsprechend eingestellt wird. Die Blindleistungseinspeisung bewirkt eine Spannungsanhebung an dem Verknüpfungspunkt 31 und ermöglicht den Stromfluss iwirk n ohne dass eine unzulässig kleine Spannung auf der Leitung 5 auftritt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wechselrichter 11 mit seiner Möglichkeit zur Spannungsanhebung über eine Blindleistungseinspeisung am Ende des Versorgungsnetzes 1 gezeigt. Dies eröffnet in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit, das Versorgungsnetz 1 über seinen ursprünglich geplanten Versorgungsbereich auszudehnen. Ist z. B. außerhalb der Ortschaft C in drei Kilometer Entfernung die Errichtung eines Industriebetriebs geplant, so kann dessen spannungsstabile Stromversorgung durch die Erhöhung der Spannung U am Einspeisepunkt 6 des Wechselrichters 11 sicher gestellt werden. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht es so, die Leitung 5 um eine Verlängerungsstrecke 33 zu ergänzen, um einen ansonsten nicht elektrisch stabil zu versorgenden Industriebetrieb 35 anzusiedeln.
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Alle genannten Vorteile ergeben sich auch bei einer Positionierung der Blindleistungseinspeisung an beliebiger Stelle im Versorgungsnetz. So kann der Photovoitaikgenerator 9 auch am Anfang einer Versorgungsleitung 5 stehen und sein zugeordneter Wechselrichter 11 sorgt mittels seiner Blindleistungseinspeisung für eine an einem entfernteren Netzverknüpfungspunkt angefragte, ausreichend stabile Spannung. Der Energieeinspeiser 9 mit Wechselrichter 11 kann auch im Verlauf der Leitung 5 angeordnet sein, und nach Art einer Relaisstation für eine Spannungsanhebung auf der 20 kV Seite unterwegs auf der Leitung 5 sorgen. Dann können von dem spannungsmäßig angehobenen Netzverknüpfungspunkt aus weitere Verbraucher ans Netz 1 genommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Versorgungsnetz
- 3
- Energieerzeuger
- 5
- 20 kV Leitung/Kabel
- 7
- Wechselrichter
- 9
- Photovoltaikgenerator
- 11
- Wechselrichter
- 13
- Gemeinde eigener Photovoltaikgenerator
- 15
- weiterer Wechselrichter
- 17
- erstes Spannungsmessgerät
- 19
- Regel- und Steuereinheit
- 21
- zweites Spannungsmessgerät
- 23
- Spannungspfeile
- 25
- erster Verknüpfungspunkt
- 27
- zweiter Verknüpfungspunkt
- 29
- Schnittlinie
- 31
- n-ter Verknüpfungspunkt
- 33
- Verlängerungsstrecke
- 35
- Industriebetrieb
