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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Verbessern einer Stabilität eines elektrischen Verteilnetzes.
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Durch einen Ausbau von regenerativen Energien, wie z.B. Stromerzeugung durch Solaranlangen oder Windkraftanlagen, ist eine Vorhersagbarkeit von zur verfügbaren Energiemengen schwieriger geworden. Zur Gewährleistung einer Systemstabilität in einem elektrischen Verteilnetz ist sicherzustellen, dass eine benötigte elektrische Leistung gleich einer zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung ist. Daher halten gemäß [1] Übertragungsnetzbetreiber eine Regelleistung vor, mit der Abweichungen zwischen benötigter und zur Verfügung stehender elektrischer Leistung ausgeglichen werden kann. Hierzu kann der Übertragungsnetzbetreiber zumindest teilweise die Regelleistung durch Variation einer Netzfrequenz steuern, wobei Änderungen der Netzfrequenz in allen an das Übertragungsnetz angeschlossenen Verteilnetzen wirken. Ein Verteilnetzbetreiber, der eine Verteilung der elektrischen Energie, geliefert von dem Übertragungsnetzbetreiber, über Höchst-, Mittel- und Niederspannungsnetze an Verbraucher vornimmt, kann die Netzfrequenz selbst nicht verändern, um damit Regelleistung zur Verfügung zu stellen.
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Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, die einem Verteilnetzbetreiber eine Möglichkeit eröffnen Regelleistung in einfacher und kostengünstiger Weise bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern einer Stabilität eines elektrischen Verteilnetzes, bei dem bei einer Zunahme bzw. Abnahme einer Regelleistungsanforderung eine einem Anschlusspunkt eines Verbrauchers zur Verfügung gestellte Spannungsamplitude gegenüber einer Normspannungsamplitude reduziert bzw. erhöht wird.
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Die Erfindung zeigt den Vorteil, dass große Mengen an Regelleistung mit geringen Investitionskosten erschlossen werden können, da lediglich die Spannungsamplitude variiert werden muss. Zudem ist vorteilhaft, dass positive Regelleistung, d.h. Bereitstellung von Leistung, ohne Brennstoffeinsatz ermöglicht wird. Ferner kann auf Basis der Erfindung eine Bereitstellung von Regelleistung auch durch einen Verteilnetzbetreiber im Regelleistungsmarkt ermöglich werden, wodurch größere Kapazitäten an Regelleistung im gesamten Stromnetz bereitstellbar ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass der Verteilnetzbetreiber nicht sein gesamtes Verteilnetz mit der gleichen Spannungsamplitude versorgen muss, sondern je nach Beschaffenheit seiner Verbraucher jedes Segment seines Verteilnetzes unterschiedlich steuern kann. Beispielsweise sind in einem der Segmente Verbraucher mit großen resistiven Lasten, die höhere Leistung schnell und zuverlässig aufnehmen können. Selbstverständlich ist Erfindung nicht nur auf resistive Lasten bzw. Verbraucher einsetzbar sondern auch für Verbraucher die zumindest teilweise kapazitive, induktive und/oder resistive (=ohmsche) Lasten haben. Das elektrische Verteilnetz kann in Form eines Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsnetzes ausgebildet sein. Ferner ist zu erwähnen dass durch die Variation der Spannungsamplitude die sinusförmige Charakteristik des Spannungsverlaufs über der Zeit bestehen bleibt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Reduzierung bzw. Erhöhung der Spannungsamplitude auf Basis einer Abnahme bzw. Zunahme einer Netzfrequenz gesteuert. Dies ist vorteilhaft, da bspw. Übertragungsnetzbetreiber mit Hilfe einer Variation der Netzfrequenz ein Regelleistungsbedarf anpassen können. Somit ist eine Abweichung der aktuellen Netzfrequenz von einer normierten Netzfrequenz ein zuverlässiger Indikator für die im elektrischen Verteilnetz benötigte Regelleistung. Ferner ist vorteilhaft, dass ohne zusätzliche Kommunikation mit anderen Verteilnetzbetreibern bzw. Übertragungsnetzbetreibern eine Regelgröße zur Steuerung der Spannungsamplitude in einfacher und kostengünstiger Weise ermittelt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei Unterschreiten bzw. Überschreiten einer vorgebaren Spannungsamplitude im elektrischen Verteilnetz zumindest ein Verbraucher von dem elektrischen Verteilnetz getrennt bzw. dieser zusätzlich mit dem elektrischen Verteilnetz verbunden. Diese Vorgehensweise erlaubt es dem Verteilnetzbetreiber aktiv Regelleistung zur Verfügung zu stellen um damit die Stabilität im elektrischen Verteilnetz weiter zu stabilisieren.
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Alternative Möglichkeiten zur Spannungsbeeinflussung sind Leitungsab-/anschaltungen, eine, insbesondere dynamische, Vorgabe von Spannungs-Blindleistungs-Sollwert-Kennlinien an Erzeuger, oder schaltbare Blindleistungskompensationsanlagen. Diese alternativen Möglichkeiten zur Spannungsbeeinflussung können im Rahmen der Erfindung, insbesondere zusätzlich, zur Variation der Spannungsamplitude im elektrischen Verteilnetz genutzt werden. Zudem kann eine Abschaltung von Erzeugungsanlagen bei Gefährdungen der Systemstabilität durch den Verteilnetzbetreiber mit wesentlich geringeren Investitionskosten sichergestellt werden, als durch herkömmliche Kommunikationslösungen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Erhöhung bzw. Reduzierung der Spannungsamplitude in einem Bereich zwischen einer minimalen Spannungsamplitude und einer maximalen Spannungsamplitude durchgeführt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Stabilität des elektrischen Verteilnetzes nicht durch Unter- bzw. Überschreiten der zulässigen Spannungsamplituden gestört wird. Ferner wird hierdurch eine Fehlfunktion der an das elektrische Verteilnetz angeschlossenen Verbraucher vermieden. Somit ermöglicht diese Weiterbildung eine weitere Stabilisierung des elektrischen Verteilnetzes.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Spannungsamplitude auf einer Niederspannungsseite eines Ortsnetztransformators erhöht bzw. reduziert. Hierdurch ist eine technisch wenig komplexe und kostengünstige Realisierung geschaffen, mit der die Variation der Spannungsamplitude im jeweiligen Anschlusspunkt der Verbraucher ermöglicht wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Verbessern einer Stabilität eines elektrischen Verteilnetzes, mit einer ersten Einheit zum Reduzieren bzw. Erhöhen einer in einem Anschlusspunkt eines Verbrauchers zur Verfügung gestellte Spannungsamplitude gegenüber einer Normspannungsamplitude bei einer Zunahme bzw. Abnahme einer Regelleistungsanforderung.
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Ferner ist die erste Einheit der Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass damit die Reduzierung bzw. Erhöhung der Spannungsamplitude auf Basis einer Abnahme bzw. Zunahme einer Netzfrequenz steuerbar ist.
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Zudem ist vorteilhaft, dass die erste Einheit derart ausgestaltet ist, dass damit bei Unterschreiten bzw. Überschreiten einer vorgebbaren Spannungsamplitude im elektrischen Verteilnetz zumindest einen Verbraucher von dem elektrischen Verteilnetz trennbar bzw. diesen zusätzlich mit dem elektrischen Verteilnetz verbindbar ist.
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Desweiteren kann die erste Einheit in einer Weiterbildung derart ausgestaltet sein, dass damit die Erhöhung bzw. Reduzierung der Spannungsamplitude in einem Bereich zwischen einer minimalen Spannungsamplitude und einer maximalen Spannungsamplitude durchführbar ist.
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Schließlich weist die erste Einheit eine Weiterbildung der Gestalt auf, dass damit die Spannungsamplitude auf einer Niederspannungsseite eines Ortsnetztransformators erhöhbar bzw. reduzierbar ist.
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Die Vorteile der Vorrichtung sind analog zu den korrespondierenden Verfahrensschritten.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigt:
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1 Vorrichtung zum Durchführen der Erfindung;
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2 Verlauf einer Spannungsamplitude über der Zeit;
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3 Übertragungsfunktion einer Spannungsamplitude in Abhängigkeit der Netzfrequenz.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines elektrischen Verteilnetzes, bei dem durch Stromerzeuger SE, wie z.B. Kohlekraftwerke oder Windkraftanlagen, Energie über Hochspannungsnetze im Bereich von 220 kV bis 83 kV eingespeist werden. Übertragungsnetzbetreiber UNB übertragen die von den Stromerzeugern gelieferte elektrische Energie zu Verteilnetzbetreibern VNB, wie beispielsweise Stadtwerke. Die Verteilnetzbetreiber verteilen die elektrische Energie mittels elektrischer Verteilnetze an Verbraucher V1, V2, wobei die Verteilung neben Hochspannungsnetzen auch mittels Mittelspannungsnetzen MSN im Bereich von 10 kV bis 20 kV und mittels Niederspannungsnetzen NSN in Europa mit einer genormten Netzspannung von 230 V und einer genormten Netzfrequenz von 50 Hz erfolgt. Die Transformation vom Hochspannungsnetz zum Mittelspannungsnetz erfolgt mittels eines ersten Transformators T1 und von dem Mittelspannungsnetz MSN und zu dem Niederspannungsnetz NSN mittels eines Ortsnetztransformators TR2.
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2 zeigt eine sinusförmige Netzwechselspannung mit einer Normspannungsamplitude UN = 230·√2 V = 325 V . Gemäß gesetzlichen Vorgaben darf in Europa die normierte Netzspannung und somit die Normspannungsamplitude um bis zu ±10% variieren. 2 zeigt dies exemplarisch (nicht maßstabsgetreu!) anhand der minimalen und maximalen Spannungsamplitude Umin, Umax. Daher ist Umin = 293 V bzw. –293 V und Umax = 358 V bzw. –358 V. Aufgrund der sinusförmigen Netzwechselspannung beziehen sich die Bezugszeichen UN, Umin, Umax sowohl für den positiven als auch für den negativen Spannungsbereich. Anmerkung: zur vereinfachten Darstellung der Erfindung sind die oben genannten Amplitudenwerte gerundet dargestellt.
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Aufgrund von Schwankungen in der Bereitstellung von elektrischer Leistung und in der Abnahme elektrischer Leistung muss sogenannte Regelleistung vorgehalten werden, um derartige Schwankungen ausgleichen zu können. Hierzu steuert der Verteilnetzbetreiber VNB mit Hilfe einer Steuereinheit STE, auch erste Einheit E1 bezeichnet, die durch den Ortsnetztransformator TR2 auf Niederspannungsseite im Niederspannungsnetz bereitgestellte Spannungsamplitude, die im Normalfall 325 V beträgt. Die Verbraucher V1, V2 werden über das Niederspannungsnetz mit elektrischer Energie versorgt. Somit stellt das Niederspanungsnetz einen jeweiligen Anschlusspunkt für den jeweiligen Verbraucher dar.
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Bei Zunahme der Regelleistungsanforderung, d.h. für den Fall, dass mehr elektrische Leistung benötigt wird als aktuell durch Stromerzeuger zur Verfügung gestellt wird, steuert der Verteilnetzbetreiber den Ortsnetztransformator TR2 derart, dass die Spannungsamplitude abgesenkt wird. Das Reduzieren der Spannungsamplitude bewirkt, dass Verbraucher, wie beispielsweise Glühbirnen oder Heizgeräte, eine geringere Wirkleistung aufnehmen und somit eine geringere Leistung in Anspruch nehmen. Da in Europa die minimale Spannungsamplitude Umin = 293 V ist, ist der Verteilnetzbetreiber in der Lage, eine Reduktion der abgenommenen elektrischen Leistung, z.B. in Form der Wirkleistung um bis zu 19% zu erwirken. Hierbei wurde angenommen, dass die elektrische Wirkleistung quadratisch mit der abnehmenden Spannungsamplitude abnimmt.
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Für den Fall, dass der Regelleistungsbedarf abnimmt, d.h. ein Überschuss an elektrischer Leistung durch Stromerzeuger gegenüber einer geringeren Abnahme durch Verbraucher besteht, ist der Verteilnetzbetreiber in der Lage, durch Erhöhung der Spannungsamplitude auf Seite des Niederspannungsnetzes um bis zu 10 % erhöhen, um somit auch eine Abnahme elektrischer Leistung zu erhöhen. Hierdurch wird erreicht, dass kurzzeitig eine höhere Last abgenommen wird und somit die Stabilität im kompletten Netzwerk und insbesondere im Niederspannungsnetzwerk verbessert wird.
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Neben der Möglichkeit, dass der Verteilnetzbetreiber vom Übertragungsnetzbetreiber Informationen über die aktuell benötigte Regelleistung erhält, kann der Verteilnetzbetreiber auch anhand der aktuellen Netzfrequenz Rückschlüsse auf die aktuell benötigte Regelleistung erhalten. In 1 leitet die Steuereinheit STE die Netzfrequenz aus dem Mittelspannungsnetz zur Bestimmung der Regelleistungsanforderung ANF ab und steuert damit die Niederspannungsseite des Ortsnetztransformators. Je niedriger die Netzfrequenz ist, desto höher ist der Regelleistungsbedarf bzw. je höher die Netzfrequenz ist, desto höher niedriger ist der Regelleistungsbedarf.
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3 zeigt dazu exemplarisch eine Übertragungsfunktion U(f), bei der über die Netzfrequenz f jeweils eine einstellbare Spannungsamplitude U angegeben ist. So kann bei der Netzfrequenz von 49 Hz oder kleiner als Betrag der Spannungsamplitude die minimale Spannungsamplitude Umin = 293 V gewählt werden. Der Betrag der Spannungsamplitude steigt linear mit Zunahme der Frequenz derart an, dass bei 50 Hz der Betrag der Spannungsamplitude gleich der Normspannungsamplitude von UN = 325 V ist. Bei einer Netzfrequenz f => 51 Hz (=> bedeutet „größer gleich“) ist der Betrag der Spannungsamplitude gleich der maximalen Spannungsamplitude Umax = 358 V entspricht.
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Da die gesetzlichen Vorgaben in Europa eine Begrenzung der maximalen und minimalen Spannungsamplitude im Bereich ±10 % um die Normspannungsamplitude begrenzt, muss, wie in 3 ersichtlich, bei Erreichen der minimalen Spannungsamplitude ein weiteres Absenken der Spannungsamplitude bzw. bei Erreichen der maximalen Spannungsamplitude ein weiteres Anheben der Spannungsamplitude vermieden werden. Daher ist in 3 ein Betrag der jeweiligen Spannungsamplituden bei einer Netzfrequenz f > 51 Hz und bei einer Netzfrequenz f < 49 Hz konstant. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Anordnung gemäß 3 begrenzt. Auch andere Übertragungsfunktionen für U(f) sind durch die Beschreibung umfasst, wie z.B. ein quadratischer oder logarithmischer Zusammenhang zwischen Netzfrequenz und Spannungsamplitude. Bei anderen Vorgaben bzgl. einer maximalen Variation der Netzspannung ergeben sich geänderte maximale und minimale Spannungsamplitude in Abhängigkeit von der zulässigen prozentualen Abweichung.
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Die Reduktion bzw. Erhöhung der Spannungsamplitude zeigt, dass im elektrischen Verteilnetz, z.B. im Niederspannungsnetz, eine Ungleichheit zwischen zur Verfügung stehender elektrischer Leistung und abgenommener elektrischer Leistung besteht. Je mehr die aktuelle Spannungsamplitude von der Normspannungsamplitude abweicht, desto größer ist der Unterschied zwischen zur Verfügung stehender elektrischer Leistung und benötigter Leistung. Zur weiteren Verbesserung einer Stabilität des elektrischen Verteilnetzes kann der Verteilnetzbetreiber neben der Verringerung bzw. Erhöhung der Spannungsamplitude auch Verbraucher von dem elektrischen Verteilnetztrennen bzw. zusätzliche Verbraucher hinzunehmen. Da ein Zu- bzw. Abschalten von Verbrauchern zu kurzzeitigen Störungen einer Stabilität im Niederspannungsnetz bzw. im gesamten elektrischen Verteilnetz führen kann, ist es vorteilhaft, wenn dieses Zuschalten bzw. Trennen von zumindest einem Verbraucher im elektrischen Verteilnetz erst bei Erreichen bzw. Unterschreiten einer vorgebbaren Spannungsamplitude im elektrischen Verteilnetz erfolgt. Ist beispielsweise die aktuelle Spannungsamplitude 5 % über der Normspannungsamplitude, d.h. die zur Verfügung stehende Leistung ist höher als die benötigte Leistung, so wird bei Überschreiten dieser Schwelle ein zusätzlicher Verbraucher ins elektrischen Verteilnetz eingebunden. Dieser Verbraucher erhitzt beispielsweise über einen elektrischen Heizstab kaltes Wasser zu Brauchwasser und entnimmt hierdurch elektrische Leistung aus dem Niederspannungsnetz. Analog dazu kann bei Unterschreiten der Spannungsamplitude im Vergleich zur Normspannungsamplitude, z.B. bei Unterschreiten von mehr als 3 %, ein Verbraucher vom elektrischen Verteilnetz getrennt werden. Beispielsweise wird in einer Ortschaft bei Unterschreiten der 3 % Grenze jede zweite Straßenlaterne abgeschaltet, um somit eine benötigte Leistung zu reduzieren, um damit die Stabilität des Niederspannungsnetzes zu verbessern.
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Die Erfindung wurde anhand des elektrischen Verteilnetzes wie Niederspannungsnetzwerk erläutert. Die grundlegenden Prinzipien der Erfindung sind jedoch auch auf Mittel- und Hochspannungsnetze einsetzbar. Zudem kann der Verteilnetzbetreiber auch eine Kombination der Spannungsamplitude in den verschiedenen Verteilnetzabschnitten durchführen. So kann er über die Variation der Spannungsamplitude im Mittelspannungsbereich eine Erhöhung der benötigten Leistung für mehrere Niederspannungsnetze in seinem Verteilnetz bewirken. Zudem ist der Verteilnetzbetreiber in der Lage durch gezieltes Auswählen von einem oder mehreren Niederspannungsnetzen zusätzlich oder getrennt von der Spannungsänderung in dem Mittelspannungsnetz bestimmten Verbrauchen der ausgewählten Niederspannungsnetze durch weitere Variation der Spannungsamplitude gezielt einen weitere Erhöhung bzw. Absenkung der Leistungsaufnahme zu erwirken.
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Die erste Einheit kann in Software, Hardware oder in einer Kombination aus Soft- und Hardware erstellt sein. Insbesondere bei einer Verwendung von Software können einzelne Schritte der Erfindung als maschinenlesbarer Code auf einer Speichereinheit abgelegt sein. Über eine Verbindung zwischen der Speichereinheit und einer Prozessoreinheit kann die Prozessoreinheit den maschinenlesbaren Code auslesen und verarbeiten. Zudem verfügt die erste Einheit über eine mit der Prozessoreinheit verbundenen Ein- und/oder Ausgabeeinheit, mit der Informationen, Messsignale und/oder Steuersignale erfasst bzw. abgegeben werden können, wie z.B. zum Steuern des Ortsnetztransformators.
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Literaturverzeichnis
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- [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Regelleistung_(Stromnetz); Text abgerufen am 25.04.2014
