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Spannungshaltung simuliert

Die Spannung im Griff behalten

22.02.2016 - Wenn Energieerzeugungsanlagen das Netz speisen, gilt die Regel: mehr Leistung führt zu einer höheren Spannung. Doch das Spannungsband, das der Netzbetreiber einhalten muss, ist begrenzt. Gerade einmal zehn Prozent darf die Spannung von ihrem Nennwert abweichen. Wenn die Sonne scheint und der Wind weht, stellen Photovoltaik- und Windenergie-Anlagen ihre maximale Leistung zur Verfügung. Wenn dann die Abnehmer fehlen, steigt die Netzspannung. Es kann zu Spannungsbandverletzungen kommen.

Simulationsablauf von Green Access. Grafik: Green Access, Fraunhofer ISE

Zwar kann die Energie über Umspannstationen in die überlagerten Netze gelangen, doch zunächst müssen Verteilnetzbetreiber dafür sorgen, die Spannung innerhalb ihrer Toleranz zu halten. Ein klassischer Netzausbau kostet viel Geld. Daher werden in Green Access alternative Lösungen erforscht. Das Ziel: Ein Verteilnetz, das sich eigenständig auf zukünftige Last- und Einspeiseveränderungen sowie variierende Netztopologien einstellt. Doch vor dem Test der Regelung im realen Netz – also am offenen Herz – wird die Funktion in Simulationen überprüft. Um ein belastbares Ergebnis zu bekommen, entwickelten die Projektpartner fünf Simulationsszenarien, zu denen jetzt erste Ergebnisse vorliegen.

Die Simulationsszenarien von Green Access im Überblick

Das Flussdiagramm zeigt, wie die Regelung der verschiedenen Szenarien abläuft. Bild: Green Access, Fraunhofer ISE

Szenario 0 – Status Quo

In diesem Szenario findet keine Regelung zur Spannungshaltung oder Blindleistungsbereitstellung bei den dezentralen Erzeugungsanlagen statt. Alle Einspeiseanlagen sind statisch und speisen entsprechend ihres Dargebots ein. 

Szenario 1 – Lokale Komponentenregelung

In diesem Szenario haben die einzelnen Energieerzeugungsanlagen eigene Regler und versuchen an ihren jeweiligen Einspeisepunkten die Spannung stabil zu halten. Die dezentralen Regler arbeiten autonom nach fest eingestellten Statiken, das bedeutet, sie sind nicht miteinander vernetzt.

Szenario 2 – Zentrale Niederspannungsregelung

Auch hier sind im Netz noch viele dezentrale Regler eingebaut. Doch im Unterschied zu ihrer autonomen Funktion in Szenario 1 findet in dieser Berechnung eine Kommunikation zwischen Reglern in einem Niederspannungssegment statt. Es findet jedoch keine Kommunikation zwischen der Mittelspannung und der Niederspannung statt.

Szenario 3 – Zentrale Mittelspannungsregelung

In der letzten Berechnung sind die Regler im Netz vollständig vernetzt. Das heißt, sowohl Mittel- als auch Niederspannungsseitig sind die dezentralen Regler vernetzt. Im Gegensatz zu Szenario 2 findet aber auch ein zentraler Austausch zwischen den Spannungsebenen statt.

Szenario 4 – das Vergleichsszenario mit Netzausbau

In einer Vergleichsrechnung zeigen die Forscher, wie effektiv die Szenarien eins bis drei sind. In diesem Vergleich gehen sie von der Konfiguration des Szenarios 0 aus und berechnen den Bedarf an klassischem Netzausbau.

Das Ziel: maximale Wirkleistung bei optimaler Spannungshaltung

In den Szenarien 1 bis 3 stellen dezentrale Energieerzeugungsanlagen Blindleistung zur Spannungshaltung bereit. Mit ihren Berechnungen können die Projektpartner abschätzen, wie sich neue Regelungen dazu eignen, die Spannung in Nieder- und Mittelspannungsnetzen auch mit vielen dezentralen Erzeugungsanlagen stabil zu halten. Das Ergebnis zeigt, dass im heute bestehenden Netz die Spannung bei bestimmten Voraussetzungen ihr zulässiges Maximum überschreitet. Zwar geschieht das nur selten, aber ein weiterer Anstieg von Wind- und Sonnenenergie würde das Problem verschärfen. Um das darzustellen haben die Projektpartner in einer ersten Berechnung das Szenario 0 mit einem Zubau von 294 Kilowatt Photovoltaik überprüft. Ergebnis: an knapp der Hälfte aller Netzanschlusspunkte war die Spannung zu hoch.  

Schon beim Einsatz von dezentralen Reglern verringern sich die Spannungsbandverletzungen massiv. Der Einsatz von regelbaren Ortsnetztransformatoren (rONT) und Erzeugungsanlagen mit Blindleistungs-Stellfähigkeit lohnt sich also aus technischer Sicht. Ein Netzausbau ist nicht oder wesentlich weniger notwendig. Doch lässt sich dieses Ergebnis noch verbessern? Die Spannung bleibt beim Einsatz mit den lokalen Komponentenreglern innerhalb der Toleranz. In der zentral organisierten Regelung des dritten Szenarios kann das erlaubte Spannungsband bis zur oberen Grenze voll genutzt werden, dafür reduzierte sich die Blindenergieeinspeisung zur Spannungshaltung um bis zu 27 Prozent im Vergleich zum Einsatz lokaler Regler. Da Netzverluste reduziert werden, sorgt das für eine bessere Effizienz. Durch die kombinierte Regelung von Nieder- und Mittelspannungsebene im Rahmen von Green Access soll nachgewiesen werden, dass sich ein Optimum an physikalischer Wirksamkeit (Einhaltung des zulässigen Spannungsbandes) und Effizienz der Regelung (Minimierung der Blindenergie) erzielen lässt.

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