WO2008049556A1 - Verfahren zum betreiben eines niederspannungsnetzes - Google Patents

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    • H02J3/48—Controlling the sharing of the in-phase component

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a low-voltage network, to which one or more decentralized power generation plants are connected.
  • the invention is particularly concerned with the provision of balancing or control energy in the power grid by decentralized Stromeinspeiser.
  • Control energy is needed to keep the generation of electrical energy at the same level of consumption at the same time. This is necessary for stable operation of power networks. A distinction is made here between primary control power, secondary control power and tertiary control power (so-called minute reserve). Normally, control energy is supplied by throttled thermal power plants and quickly approachable and retractable power plants such. B. gas turbine and hydroelectric plants.
  • DEA decentralized energy conversion systems
  • Photovoltaic systems, micro-hydropower plants and electricity-generating heating systems should be mentioned as power feeders.
  • the coupling of multiple power feeders to a network is known as a "virtual power plant".
  • Such a virtual power plant offers advantages through the synergy effects for the entire system. By the external influence of the individual plants cooperative tasks can be perceived, eg. For the collective supply of control energy or for compensation of reference peaks.
  • One way of coordinating the DEA network is to provide a central point from which to control and optimize the virtual power plant.
  • Another possibility is a self-organizing system in which the individual power feeders communicate via peer-to-peer relationships. In both cases, this is referred to as network management, as the power supply not only results from the local load profile, but is also specified by the power network.
  • the object of the invention is to specify a simple and robust method for operating a low-voltage network, which integrates decentralized current feeders in a stable and self-regulating network operation.
  • the regulation of the active power which is delivered by at least one decentralized power supply system in the low-voltage network, by an active variation of the mains voltage.
  • the principle that the power delivered by a power feeder into the grid depends on the voltage level at the feed-in node is known per se.
  • Exemplary would be the automatic power trading system from "The viable way into the regenerative energy economy" of Christoph Müller, Polygon publishing house, 1992 and the two DISPOWER publications published in 2005 by ISET, Kassel "A Power Quality Management Algorithm for Low Voltage Grids with Distributed Resources (# 17) “by Wasiak, Thoma, Foote and” Power Quality Improvement using Inverter-Interfaced Distributed Generators (# 35) “by Belmans, Driesen, Green.
  • the mains voltage increases or decreases in dependence on the power taken from the relevant network segment.
  • the invention proposes an active variation of the mains voltage, that is, the variable reference value for the regulation of the mains voltage is specified by a parent.
  • the low-voltage line itself serves as the physical layer of the data connection for the network connection.
  • the usable datum which conveys this as a data bus, is the voltage level.
  • low-voltage cables In contrast to the inductive property of medium- and high-voltage lines, low-voltage cables have a predominantly ohmic characteristic. It can therefore be concluded from the voltage drop to the load state of the network segment.
  • Figure 1 illustrates the basic idea of the invention: If the voltage Ui drops at the feed-in node, the feed-in power Pi is increased and vice versa.
  • the feed-in power Pi can be connected to the feed node, a micro-cogeneration system; but there are also battery-backed power sources and similar feeders controllable type possible.
  • variable secondary voltage serves as a signal carrier for the request of the regulated power. It should expediently the tolerance band of the standard voltages, for example, according to DIN IEC 60038, not be left, otherwise an automatic shutdown of one or more decentralized power generation systems would lead to grid instability.
  • a transformer with a variable transmission ratio for example a series regulator with transformer-coupled additional voltage or an on-load tap changer, is preferably used.
  • the voltage variation can be done in local network stations, but also at a higher voltage level in the substations.
  • mains voltage regulator in the form of autotransformers DEA with active or reactive power control or medium-voltage DC couplings to call.
  • a voltage-variable transformer lowers the voltage slightly, the decentralized current feeders in the power supply segment supplied by it will be stimulated to increase the feed-in, resulting in a reduced network load. Conversely, raising the voltage causes a reduced feed and thus a higher network load. As an immediate data-technological node thus only a voltage-variable transformer is to be integrated into a higher-level control system, which drastically reduces the communication effort.
  • FIG. 2 shows the energy flows within a building D, des- further the composite to other buildings D via a common low-voltage line NS, which is fed by a distribution transformer T with variable transmission ratio.
  • an auxiliary burner B to cover the thermal peak load and a heat storage C.
  • fuel 1 for the CHP plant but also for the auxiliary burner 2
  • natural gas, LPG or fuel oil can be used.
  • Energy sources based on biomass are also possible.
  • the waste heat 3 of the cogeneration unit A and the heating heat flow 4 of the auxiliary burner B serve to cover the thermal load 5 of the building D. This is essentially the space heat demand and that for hot water production.
  • An absorption chiller is conceivable as a heat sink.
  • the heat storage C decouples the heat generation from the heat demand.
  • the generated electrical energy 6 is used for in-house electrical loads 7, the balance is compensated via the low-voltage line NS.
  • the CHP plant follows the local electricity demand or a grid specification. In order to avoid the cooling away of excess heat, a current or net-guided and at the same time heat-covered operation is selected.
  • the CHP plant can conclude from the measurement of the voltage at the feed-in point to the load of the LV network segment.
  • it is preferably fed in at high network load, ie when there is a voltage valley.
  • the value of the stream at the transmission network level positively correlates with the measured NS network load.
  • voltage-sensitive feeders allow improved utilization of the network resources, since grid expansion measures due to Violations of the voltage band can be prevented or delayed.
  • FIG. 3 explains how voltage-controlled power generation systems in the LV network are controlled from a central location.
  • a primary control of the active power is possible by means of the parameters fsoii and Kf.
  • the input signal UNSi is processed by suitable estimators or filters in order to mask out rapid changes in voltage.
  • the signal to be used is the slow voltage changes in the time range of minutes, as defined, for example, in EN 50160.
  • the voltage regulator on the on-load tap-changer of the power transformer can now deviate from a fixed reference value for UMSO and select a value slightly above or below it. This change in voltage continues through the medium-voltage and low-voltage routes to the micro-CHP plant, which is then stimulated to more or less power output.

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Abstract

An einem Niederspannungsnetz NS sind dezentrale Stromerzeugungsanlagen angeschlossen. Diese können Regelenergie zur Verfügung stellen. Die Regelung der von den Stromerzeugungsanlagen in das Niederspannungsnetz abgegebenen Wirkleistung erfolgt durch eine aktive Variation der Netzspannung mittels eines Transformators T mit variablem Übersetzungsverhältnis.

Description

Gunnar Kaestle
Verfahren zum Betreiben eines Niederspannungsnetzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Niederspannungsnetzes, an das eine oder mehrere dezentrale Stromerzeugungsanlagen angeschlossen sind. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der Bereitstellung von Ausgleichs- oder Regelenergie im Stromnetz durch dezentrale Stromeinspeiser.
Regelenergie wird benötigt, um die Erzeugung elektrischer Energie zeitgleich auf dem Niveau des Verbrauches zu halten. Dies ist für einen stabilen Betrieb von Stromnetzwerken notwendig. Es wird dabei zwischen Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Tertiärregelleistung (so genannte Minutenreserve) unterschieden. Üblicherweise wird Regelenergie von gedrosselten Wärmekraftwerken und schnell an- und abfahrbaren Kraftwerken geliefert wie z. B. Gasturbinen- und Wasserkraftwerken.
Stromeinspeisungen durch dezentrale Energieumwandlungsanlagen (DEA) treten unter anderem im Niederspannungsnetz auf. Als Stromeinspeiser sind beispielsweise Photovoltaikanlagen, Kleinstwasserkraftanlagen und stromerzeugende Heizungen (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, Mikro-KWK) zu nennen. Die Koppelung mehrerer Stromeinspeiser zu einem Verbund ist als "virtuelles Kraftwerk" bekannt. Ein solches virtuelles Kraftwerk bietet durch die Synergieeffekte für das Gesamtsystem Vorteile. Durch die externe Beeinflussung der Einzelanlagen können kooperative Aufgaben wahrgenommen werden, z. B. zur kollektiven Lieferung von Regelenergie oder zum Ausgleich von Bezugsspitzen.
Eine Möglichkeit der Koordinierung des DEA-Verbundes besteht darin, dass eine zentrale Stelle vorgesehen ist, von der die Steuerung und Optimierung des virtuellen Kraftwerks erfolgt. Eine andere Möglichkeit besteht in einem selbstorganisierenden System, in dem die einzelnen Stromeinspeiser über Peer-to-Peer-Beziehungen kommunizieren. In beiden Fällen spricht man von einer Netzführung, da die Stromeinspeisung nicht nur aus dem lokalen Lastverlauf heraus resultiert, sondern auch von Seiten des Stromnetzes vorgege- ben wird.
In der Literatur vorgestellte Konzepte für virtuelle Kraftwerke benötigen für jeden Stromeinspeiser neben dem Stromnetzanschluß einen Anschluß an ein Kommunikationsnetz. Das anfallende Datenaufkommen ist erheblich. Die Re- gelung des virtuellen Kraftwerkes wird mit steigender Anzahl der zu steuernden Anlagen immer aufwendiger. Die Kosten für die Kommunikation und Regelung sind aufgrund der fein-granularen Struktur eines virtuellen Kraftwerks höher als bei Großkraftwerken.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines einfachen und robusten Verfahrens zum Betreiben eines Niederspannungsnetzes, das dezentrale Stromeinspeiser in einem stabilen und selbstregelnden Netzbetrieb integriert.
Zur Lösung dieses technischen Problems wird gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen, dass die Regelung der Wirkleistung, die von mindestens einer dezentralen Stromeinspeisungsanlage in das Niederspannungsnetz abgegeben wird, durch eine aktive Variation der Netzspannung erfolgt. Das Prinzip, dass sich die von einem Stromeinspeiser in das Netz abgegebene Leistung nach dem Spannungsniveau am Einspeiseknoten richtet, ist an sich bekannt. Beispielhaft wäre das automatische Stromhandelssystem aus „Der gangbare Weg in die regenerative Energiewirtschaft" von Christoph Mül- ler, Polygon-Verlag, 1992 und die beiden 2005 vom ISET, Kassel publizierten DISPOWER-Veröffentlichungen „A Power Quality Management Algorithm for Low Voltage Grids with Distributed Resources (#17)" von Wasiak, Thoma, Foote und „Power Quality Improvement using Inverter-Interfaced Distributed Generators (#35)" von Belmans, Driesen, Green zu nennen.
Bei den bekannten Systemen und Verfahren steigt oder sinkt die Netzspannung in Abhängigkeit der aus dem betreffenden Netzsegment entnommenen Leistung. Im Gegensatz dazu schlägt die Erfindung eine aktive Variation der Netzspannung vor, das heißt, der variable Referenzwert für die Regelung der Netzspannung wird von einer übergeordneten Stelle vorgegeben.
Als physikalische Schicht der Datenverbindung für die Netzführung dient erfindungsgemäß die Niederspannungsleitung selbst. Das nutzbare Datum, das diese als Datenbus vermittelt, ist die Spannungshöhe. Im Gegensatz zur in- duktiven Eigenschaft von Mittel- und Hochspannungsleitungen haben Niederspannungsleitungen eine überwiegend ohmsche Charakteristik. Es kann daher vom Spannungsabfall auf den Lastzustand des Netzsegmentes geschlossen werden.
Figur 1 verdeutlicht den Grundgedanken der Erfindung: Sinkt am Einspeiseknoten die Spannung Ui, so wird die Einspeiseleistung Pi erhöht und umgekehrt. Beispielsweise kann am Einspeiseknoten eine Mikro-Kraft-Wärme- Kopplungsanlage angeschlossen sein; es sind aber auch batteriegepufferte Stromquellen und ähnliche Einspeiser steuerbarer Art möglich.
Das oben beschriebene Verhalten der Einspeiser im Falle der Netzführung resultiert in einem vergleichsmäßigen Energiefluss über den das Netzsegment versorgenden Transformator T. Die dynamische Anpassung des Energieflus- ses über den Transformator, wie man sie unter anderem für die Lieferung von Regelenergie oder das Abfahren sich ändernder Erzeugungsprofile benötigt, erfolgt erfindungsgemäß durch die Variation der Spannungshöhe auf der Niederspannungsseite des Transformators.
Die variable Sekundärspannung dient dabei als Signalträger für die Anforderung der geregelten Leistung. Dabei sollte zweckmäßigerweise das Toleranzband der Normspannungen, zum Beispiel nach DIN IEC 60038, nicht verlassen werden, da anderenfalls eine selbsttätige Abschaltung einer oder mehrer dezentralen Stromerzeugungsanlagen zu einer Netzinstabilität führen würde.
Zur aktiven Variation der Netzspannung wird bevorzugt ein Transformator mit variablem Übersetzungsverhältnis, zum Beispiel ein Längsregler mit transformatorisch eingekoppelter Zusatzspannung oder ein Laststufenschalter (engl. on load tap changer) eingesetzt. Die Spannungsvariation kann dabei in Ortsnetzstationen, aber auch auf einer höheren Spannungsebene in den Umspannstationen erfolgen. Als weitere Betriebsmittel zur Spannungsregelung im Verteilnetz sind z. B. Netzspannungsregler in Form von Spartransformatoren, DEA mit Wirk- oder Blindleistungsregelung oder auch Mittelspannungs- Gleichstromkupplungen zu nennen.
Senkt ein spannungsvariabler Transformator die Spannung geringfügig ab, so werden in dem von ihm versorgten Netzsegment die dezentralen Stromeinspeiser zu verstärkter Einspeisung angeregt, was zu einer reduzierten Netzlast führt. Umgekehrt bewirkt ein Anheben der Spannung eine verringerte Einspeisung und damit eine höhere Netzlast. Als unmittelbarer datentechnischer Knotenpunkt ist somit nur noch ein spannungsvariabler Transformator in ein übergeordnetes Leitsystem einzubinden, was den Kommunikationsaufwand drastisch reduziert.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer stromerzeugenden Heizungsanlage näher erläutert. In Fig. 2 sind die Energieflüsse innerhalb eines Gebäudes D dargestellt, des- weiteren der Verbund zu weiteren Gebäuden D über eine gemeinsame Niederspannungsleitung NS, welche von einem Distributionstransformator T mit variablem Übersetzungsverhältnis gespeist wird.
Neben der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) A wird in Heizungsanlagen oft auch ein Zusatzbrenner B zur Deckung der thermischen Spitzenlast und ein Wärmespeicher C verwendet. Als Brennstoff 1 für die KWK-An- lage, aber auch für den Zusatzbrenner 2 kann Erdgas, Flüssiggas oder Heizöl zum Einsatz kommen. Energieträger auf Basis von Biomasse sind ebenfalls möglich. Die Abwärme 3 des KWK-Aggregats A sowie der Heizwärmestrom 4 des Zusatzbrenners B dienen zur Deckung der thermischen Last 5 des Gebäudes D. Dies ist im Wesentlichen der Raumwärmebedarf und jener zur Warmwassererzeugung. Auch eine Absorptionskältemaschine ist als Wärmesenke denkbar. Der Wärmespeicher C entkoppelt die Wärmeerzeugung von der Wärmenachfrage. Die erzeugte elektrische Energie 6 wird für hausinterne elektrische Lasten 7 verwendet, der Saldo wird über die Niederspannungsleitung NS ausgeglichen.
Neben einer wärmegeführten Betriebsweise ist dank der Entkoppelung durch den Wärmespeicher auch eine Stromführung bzw. Netzführung realisierbar. Hierbei folgt die KWK-Anlage dem lokalen Strombedarf bzw. einer Netzvorgabe. Um das Wegkühlen von überschüssiger Wärme zu vermeiden, wird ein ström- bzw. netzgeführter und gleichzeitig wärmegedeckelter Betrieb gewählt.
Eine Form der Netzführung auf Basis lokal messbarer Größen ist die Spannungsführung. Da bei Niederspannungsleitungen der ohmsche Widerstandsbelag den Induktivitätsbelag dominiert, kann die KWK-Anlage von der Messung der Spannung am Einspeisepunkt auf die Last des NS-Netzsegmentes schließen. Vorteilhafterweise wird bevorzugt bei hoher Netzlast eingespeist, d.h. wenn ein Spannungstal vorliegt. Üblicherweise korreliert der Wert des Stromes auf Übertragungsnetzebene positiv mit der gemessenen NS-Netzlast. Desweiteren ermöglichen spannungssensitive Einspeiser eine verbesserte Ausnutzung der Netzbetriebsmittel, da Netzausbaumaßnahmen aufgrund von Verletzungen des Spannungsbandes verhindert bzw. verzögert werden können.
Fig. 3 erläutert, wie spannungsgeführte Stromerzeugungsanlagen im NS-Netz von zentraler Stelle aus geregelt werden. In dem Beispiel ist mittels der Parameter fsoii und Kf eine Primärregelung der Wirkleistung möglich. Zusätzlich erfolgt die Verknüpfung der abzugebenden Wirkleistung mit der Spannung über ein Parameterpaar Usoii und Ku. Hierbei erfolgt eine Bearbeitung des Eingangssignals UNSi durch geeignete Schätzer bzw. Filter, um schnelle Span- nungsänderungen auszublenden. Das zu nutzende Signal sind die langsamen Spannungsänderungen im Zeitbereich von Minuten, wie sie beispielsweise in der EN 50160 definiert werden. Der Spannungsregler am Laststufenschalter des Leistungstrafos kann nun von einem fixen Referenzwert für UMSO abweichen und einen Wert wählen, der leicht darüber oder darunter liegt. Diese Spannungsänderung pflanzt sich über die Mittelspannungs- und Niederspannungsstrecken bis zur Mikro-KWK-Anlage fort, die daraufhin zu mehr oder zu weniger Leistungsabgabe angeregt wird.
Aufgrund der Ungewissheit über die inneren Zustände der stromerzeugenden Heizung, insbesondere der Ladezustand des Wärmespeichers, kann die Leittechnik hinter dem spannungsregelnden Laststufenstufensch alter nicht von einem deterministischen Verhalten einer einzelnen stromerzeugenden Heizung auf die Spannungsänderung ausgehen. Die Systemantwort ist jedoch bei einer Vielzahl von spannungsgeführten DEA statistisch erfassbar. In Kennfel- dem werden gemessene Jahres- und tageszeitabhängige dP/dU-Elastizitäten abgelegt. Mit diesen Werten lässt sich bestimmen, welcher Regelenergieimpuls generiert werden kann. Ein Verteilnetzbetreiber kann mit diesem Wissen die Netzlastspitze gegenüber der übergeordneten Netzebene reduzieren bzw. Regelenergie ins Übertragungsnetz exportieren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Niederspannungsnetzes, an das mindestens eine dezentrale Stromerzeugungsanlage angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der von der Stromerzeugungsanlage in das Niederspannungsnetz abgegebenen Wirkleistung durch eine aktive Variation der Netzspannung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Netzspannung innerhalb des Toleranzbandes der für das Niederspannungsnetz geltenden Normspannungen variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Wirkleistung im Zeitbereich einer Tertiärregelung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Variation der Netzspannung durch einen Transformator mit variablem Übersetzungsverhältnis erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Variation der Netzspannung durch Spannungsregler im Netz erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Netzspannung durch weitere Stromerzeugungsanlagen über die Regelung der Wirk- oder Blindleistung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Netzspannung durch Mittelspannungs-Gleich- stromkupplungen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Messen des Leistungsflusses P in einem Netzsegment
- Ermitteln der geregelten Spannung U an der zugehörigen Spannungs- regeleinrichtung
- Berechnung einer zeitabhängigen dP/dU-Kennlinie;
- Variation der Netzspannung in Abhängigkeit der dP/dU-Kennlinie.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ände- rung des Leistungsflusses P einem vorgegebenen Wert entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene maximale Wirkleistung nicht überschritten wird.
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