Themenblock E: Netzsimulationen · 2018. 11. 19. · • Anwendungen beim Netzbetreiber: Auffinden...
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Themenblock E: NetzsimulationenNetzweite Simulation in exemplarischen Netzen
Workshop NetzHarmonieBerlin, 12.09.2018
Dr.-Ing. Max Domagk, TU Dresden
M. Sc. Farhad Safargholi, TU Chemnitz
M. Sc. Max Hoven, FGH e.V.
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Netzweite Simulation in
exemplarischen Netzen
Rückblick & Einleitung
Abnehmermodelle in der NS-Ebene
Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene
Notwendigkeit spannungsebenenübergreifender Simulation
Zusammenfassung/ Schlussfolgerungen
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Rückblick & Einleitung
Simulation/
Nachbildung von
Oberschwingungen
Simulation der
Netzimpedanzen
• Vorwiegende Anwendung in der Forschung oder zur
Nachbildung individueller, pegelkritischer Situationen
• Aufwendige, messdatenbasierte Modellierung des
Emissionsverhalten aller Anlagentypen (Wind, PV,
Abnehmer, etc.)
• Anwendung durch Netzbetreiber vorwiegend zur
Rundsteuerauslegung
• Anwendungen beim Netzbetreiber: Auffinden von
Resonanzstellen, Zusatzinformationen
in der Netzanschlussbewertung
• Dafür exakte Nachbildung der Frequenzabhängigkeiten
(Skin-Effekt, etc.) und genaue Abbildung der Dämpfung
unverzichtbar
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Rückblick & Einleitung
MS-Netz
~
MS-Netz
~~
~~
~
⋯
⋯
Abbildung des Einflusses
benachbarter Netzebenen
Nim
mt
zu
Nim
mt z
uModellierungs-
aufwand
Informations-
verlust
Modellierungstiefe steigt
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Modelle passiver Netzkomponenten
✓ Transformator
✓ Kabel / Freileitungen
Modelle aktiver Netzkomponenten
✓ Erzeuger (z.B. Photovoltaikanlagen)
➢ Abnehmer (z.B. Haushalte)
• Sehr hoher Aufwand für die Nachbildung einzelner Haushalte
(unterschiedlichste Gerätezusammenstellungen und –nutzungen)
• Probabilistische Modellierung der Haushalte
(Norton-Äquivalent für Impedanz- und Emissionsnachbildung)
• Bestimmung der Modellparameter aus Feldmessungen
Abnehmermodelle in der NS-Ebene
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Oberschwingungsmodellierung von Haushalten (1/2) - Impedanz
• Impedanzmessung eines realen Netzes (reines Wohngebiet)
• Simulation des gemessenen Netzes
– Modellierung der passiven Netzkomponenten
anhand Netzdaten
– Struktur der Haushaltsimpedanzen
ähnlich wie für PVs und EVs
• Anpassung der Impedanzparameter
mit dem Ziel die gemessenen Resonanzen
in der Simulation nachzubilden
• Resultierende Haushaltsimpedanz stellt starke Vereinfachung dar,
liefert im Mittel (Gesamtheit aller Haushalte im Netz) jedoch gute Ergebnisse
• Validierung anhand weitere Impedanzmessungen notwendig
Abnehmermodelle in der NS-Ebene
L1
R1
C1
R2
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Abnehmermodelle in der NS-Ebene
Oberschwingungsmodellierung von Haushalten (2/2) - Emission
• Nachbildung der Beträge und Phasenwinkel für jede Harmonische
anhand von Verteilungsfunktionen
• Bestimmung der Verteilungen und Parameter auf Basis von Messungen
– Betrag: Lognormal-Verteilung
– Phasenwinkel: je nach Ordnung Gleich-, Normal- oder Student-t-Verteilung
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Aggregierung mehrerer Haushalte (z.B. Mehrfamilienhaussiedlung)
• Einfaches Zusammenfassen einzelner Haushalte u.U. fehlerhaft
• Berücksichtigung weiterer Aspekte (z.B. Gleichzeitig- & Gleichphasigkeiten)
• Abhängigkeiten von Anzahl der Haushalte und Oberschwingungsordnung
Abnehmermodelle in der NS-Ebene
Gleichphasigkeit mehrerer Haushaltsmessungen
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Simulation in der Niederspannung
Korrelation zwischen Grund- und Oberschwingungen
• Oberschwingungsmodellierung für verschiedener Lastszenarien
(z.B. Stark- oder Schwachlast)
• Ausprägung der Korrelation deutlich abhängig von
Oberschwingungsordnung
• Tendenziell abnehmende Abhängigkeiten mit steigender Ordnungszahl
Oberschwingung und Grundschwingung für 15 Haushalte
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Einfluss realistischer Emissionen in
der MS-Ebene
MS-Netz
~
Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene
Modellierung des NS-Netzes mit Norton-
Ersatzschaltbild
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Einfluss realistischer Emissionen in
der MS-Ebene
MS-Netz
~
Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene
Modellierung des NS-Netzes mit Norton-
Ersatzschaltbild
➢ Nachbildung der Ersatzimpedanz anhand von
Messdaten (gemessen Impedanzen)
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Einfluss realistischer Emissionen in
der MS-Ebene
MS-Netz
~
Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene
Modellierung des NS-Netzes mit Norton-
Ersatzschaltbild
➢ Nachbildung der Ersatzimpedanz anhand von
Messdaten (gemessen Impedanzen)
➢ Varianten zur Nachbildung des Ersatzstroms
o Maximal zulässige
Oberschwingungsstromgrenzwerte
o Realistische Emissionen anhand von
Messdaten
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Einfluss realistischer Emissionen in
der MS-Ebene
HV Network
SrT=40 MVA
6 km
K03S01
3 km
5 km
K04S02
K05S03
7 km
K06S04
4 km
4 km
K07S05
K08S06
2 km
K10S08
2 km
2 km
K11S09
K12S10
3 km
K15S13
3 km
5 km
K16S14
K17S15
5 km
K18S16
4 km
3 km
K19S17
K20S18
5 km
K22S20
2 km
3 km
K23S21
K24S22
S25 S26 S27
K09S07 K13S11
K14S12
K21S19 K25S23
K26S24
5 km 2 km
6 km
3 km
8 km
6 km
K02
K01
110/20 kVUk=13 %
YNd05
Ssc=2000 MVAConsumer
orProducer
Type T1: 240 mm
Underground Cables
Type T2: 150 mm
Type T3: 120 mm
Type T4: 95 mmTR01
T1
T2
T3 T3
T3
T3 T3
T3
T3
T3
T3
T3
T3
T3
T3
T1T2 T2 T2
T3T3
T4
T4
T4
T4
Simulation im MS-Referenznetz
➢ Modellierung der Netz-Betriebsmittel
➢ Modellierung der Anschlussnehmer
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Einfluss realistischer Emissionen in
der MS-Ebene
∆𝑈 𝜈=(𝑈ν,IEC − 𝑈ν,Mess)
𝑈ν,Mess
𝑈ν,IEC Resultierende OS-Spannungen (Berechnung der Emissionen anhand maximal
zulässigen OS-Stromgrenzwerte nach der Norm „IEC-61000-3-6“)
𝑈ν,Mess Resultierende OS-Spannungen (Berechnung der Emissionen anhand Messdaten)
75%-Quantil
Median
25%-Quantil
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• Unvollständige Informationen über unterlagerte
Netzebene hinsichtlich angeschlossener
Impedanz
– Anwendungsfall: Simulation im HS-Netz mit
unterlagerter MS-Ebene
• Mögliche Nachbildung über Ersatzimpedanz
– Standard-Ersatzschaltbild (ESB):
→ Parallelschwingkreis
– Parametrierung: Lastflussdaten an Übergabestelle
(Wirkleistung, Blindleistung) + „Erfahrung“
Spannungsebenenübergreifende
Simulation
HS-Netz
~?
~ R L C 𝑅 =𝑈2
𝑃𝑋𝐶 =
𝑈2
𝑄𝑘𝑎𝑝
𝑋𝐿 =𝑈2
𝑄𝑖𝑛𝑑
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• Resultierende Pegel
• Deutliche Pegelunterschiede für die 1. Resonanzstelle bei h = 5
• Bis zu 20-fach höhere Pegel bei Anwendung tatsächlicher Impedanz
➔ Unzureichende Abbildung insbesondere der ersten Parallelresonanz
bei Modellierung mit RLC-Ersatzschaltbild
Spannungsebenenübergreifende
Simulation
h h
OS
-Pe
ge
l [%
]
Tatsächliche
Impedanz
RLC-
Ersatzschalbild
∆𝑈ℎ
[p.u
.]
h
∆𝑈ℎ=𝑈ℎ𝑈ℎ,𝑅𝐿𝐶
95%-Quantil
5%-Quantil
MedianBandbreite bzgl.
Ausbauvarianten
und Netznutzung
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„Ursachenforschung“
• Nachbildung der Reihenresonanz (Trafo → unterlagerte Kabel-
kapazität) sowie Verlauf der Trafoinduktivität qualitativ möglich
• Parallelresonanzstellen aus unterlagertem MS-Netz nicht abbildbar
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 13 25 37 49
Spannungsebenenübergreifende
Simulation
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 13 25 37 49
40 MVA
30 MVA
20 MVA
15 MVA
Netzlast
Trafo + RLC-Impedanz Trafo + tatsächliche Impedanz
h h
[Ω] [Ω]
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• Aufwendige, messdatenbasierte Ableitung von Haushaltsmodellen
hinsichtlich Impedanz und Emission möglich
– Abhängig von Modellierungstiefe zusätzliche komplexe Effekte, bspw.
Abhängigkeit der Emission von der Grundschwingung zu erwarten
• Deutlich höhere Pegel durch Verwenden von OS-Stromgrenzwerte
zur Nachbildung der Emissionen unterlagerter Netzebenen
• Verändertes Pegelspektrum bei Verwenden realistischer
Emissionswerte
– Worst-Case-Betrachtung bei Stromgrenzwerte
– Wirkungszusammenhänge von Haushaltsemissionen in NS-Ebene nicht
abbildbar (bspw. Abhängigkeit der Emission von der Grundschwingung)
– Abhängigkeit realistischer Emissionen von der Netzimpedanz und
Vorbelastungen
➔ Realitätsnahe Nachbildung durch gemessene/ simulierte
Emissionverläufe unterlagerter Netze
Schlussfolgerungen
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• Parametrierung von Impedanzen unterlagerter Netze mittels
Lastflussgrößen problematisch
– Nachbildung der auftretenden Parallelresonanzen nicht möglich
– Parallelresonanzen aus unterlagerter Netzebene im niederfrequenten
Bereich auch in der betrachteten Netzebene wirksam
• Möglichkeiten zur Abbildung der unterlagerten Netzebene
– Pauschale Prognose für Resonanzstellen in HS-Ebene nicht möglich
– Netzspezifische Prognose ebenfalls problematisch: Verschiebung der
Resonanzstellen durch variierende Netznutzung sowie NVP-spezifische
Bandbreite
➔Verwenden gemessener oder simulierte Impedanzverläufe des
vorgelagerten Netzes empfehlenswert
Schlussfolgerungen
kR
es
kR
es
Stadt Land
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Vielen Dank für Ihr Interesse!
Dr.-Ing. Max Domagk (TU Dresden)
M. Sc. Farhad Safargholi (TU Chemnitz)
M. Sc. Max Hoven (FGH e.V.)
E-Mail: [email protected]
Internet: https://tu-dresden.de/ing/elektrotechnik/ieeh
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Internet: www.tu-chemnitz.de
E-Mail: [email protected]
Internet: www.fgh-ma.de