1 17.05.2014 Prüfungen an der Schnittstelle von dezentralen Generatoren entsprechend europäischen...

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




311.04.23

411.04.23


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.


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





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





1211.04.23


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


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






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







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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)






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-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






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





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)

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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)

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Übersicht





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

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