Chance für zuver­lässige Verteil­netze

Seit 2022 gibt es einen grossen Zuwachs an Energieträgern mit oft volatiler Produktion. Werden die Prognosen, auf denen die Pläne für den Ausbau der Verteilnetze basieren, stark überschritten, steigt die Gefahr der Überlastung von Betriebsmitteln oder das Nicht­ein­halten von Normen und Richtlinien. Massnahmen müssen ergriffen werden, um dies zu verhindern. In Österreich werden in manchen Regionen die PV-Einspeisungen ins Verteilnetz auf 4 bis 8 kVA Einspeise­leistung begrenzt [1]. Auch in der Schweiz werden Modelle erprobt, um eine freiwillige Begrenzung der Einspeisung zu fördern [2, 3]. Durch einen Ausbau des Verteilnetzes können solche Situationen und Massnahmen verhindert werden, aber der Netzausbau kann sich nicht an den möglichen Spitzenwerten der Netzlasten oder Einspeisungen orientieren, da dies wirtschaftlich nicht sinnvoll wäre. Deshalb werden Begleit­mass­nahmen benötigt.

Im Jahr 2019 wurde auf der PCIM (Fachmesse und Konferenz für Leistungs­elektronik) ein neues Regelkonzept zur Verbesserung der Spannungs­qualität in Verteilnetzen präsentiert. Es ermöglicht sowohl die Korrektur von Abwei­chungen des RMS-Werts oder Asymmetrien als auch die Kompensation von Oberwellen einzelner Phasen. Dazu wird ein Spezial­trans­formator zwischen dem Verteilnetz des Netzbetreibers und dem Verbraucher geschaltet (Bild 1). Mit einem Wechsel­richter wird die Spannung U_inv,i synchron zur Schnee­last­entladung U_unb,i am Einspeise­trans­formator generiert. Die Spannung U_inv,i addiert sich zusammen mit der Eingangs­spannung zur geregelten Spannung U_bal,i. Die Mach­barkeit wurde durch ein Funktions­muster bewiesen und die Ergebnisse veröffentlicht [4].

Für den Prototypen erklärte sich die Repower AG bereit, einen EVOCDTR (Electronic Voltage Control for Distribution Grids) in ihrem Verteilnetz zu installieren. In der Juniausgabe 2022 vom Bulletin SEV/VSE konnte der erste Prototyp präsentiert werden [5], der im Juli 2022 im Verteilnetz der Repower installiert wurde. Repower AG möchte damit neue Erfahrungen mit elektronisch geregelten Kompen­sations­systemen sammeln. Der Aufbau und Netz­anschluss erfolgte gemäss dem Schema in Bild 1.

Die Installation im Verteilnetz erfolgte erst nach Labortests, um den Regler so realitätsnah wie möglich zu prüfen und die imple­men­tierten Sicherheits­mass­nahmen und deren korrekte Funktion zu verifizieren. Nach der Installation wurde der Prototyp ausgiebig getestet und 2023 in den Dauerbetrieb überführt. Anfang Mai 2023 erfolgte dann auch der Anschluss an die Leitstelle der Repower AG. Die gesamte Inbetriebnahme wurde durch die OST – Ostschweizer Fach­hoch­schule begleitet und die Funktion des Span­nungs­reglers durch Messungen überprüft. Mit diesen Messungen konnten die Leistungsfähigkeit des EVOCDTRs aufgezeigt und Optimierungspotenziale für den Einsatz im Verteilnetz dokumentiert werden.

Stabile 230 V im Verteilnetz mit weniger Oberwellen

Seit der Inbetriebnahme des Reglers erfolgte eine Messbegleitung durch die OST. Bild 2 zeigt einen Ausschnitt der im Zeitraum vom 22. April bis 13. Mai 2024 aufgenommenen Messdaten des EVOCDTRs. Dabei wurde der Übersichtlichkeit halber nur jeweils eine Phasen­span­nung dargestellt. Die anderen Phasen­span­nungen weisen dabei gleiches Verhalten auf.

Negative Werte in Bild 2a bedeuten eine Energieeinspeisung der PV-Anlagen, positive Werte einen Bezug aus dem Verteilnetz. Im dargestellten Zeitraum wurden PV-Einspeisespitzen von bis zu 137 kW und Lastspitzen von bis zu 50 kW festgestellt.

Aus Bild 2b ist ersichtlich, dass der Regler die Phasen­span­nung auf die vor­ge­ge­benen 230 V regelt, unabhängig vom Lastprofil, das in Bild 2a dargestellt ist. Die Regel­genauig­keit liegt dabei deutlich unter einem Prozent. Die Leistungs­fähig­keit des Reglers zeigt sich auch in der Kom­pen­sation von Oberwellen (Bilder 2c und 2d): Die fünfte Oberwelle konnte um 75%, die siebte Oberwelle um 90% reduziert werden. Der absolute RMS-Wert betrug im Mittel nur noch ca. 200 mV. Die Mess­ergebnisse zeigen somit eine zuverlässige Spannungsregelung.

Verlustleistungsbetrachtung

Das Papier «Strategisches Netz 2040» der Swissgrid stellt fest: «Swissgrid ist die Planung eines Netzes wichtig, das nachhaltig, ressourcen­schonend, umwelt­ver­träglich und volks­wirt­schaftlich effizient ist.» [6] EVOCDTR muss deshalb in der Regelung effizient sein und eine geringe Verlustleistung aufweisen.

Zur Optimierung der Effizienz wurde die Verlustleistung des EVOCDTRs über ein halbes Jahr analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Verlustleistung mit der Aussentemperatur in Klosters [7] korrelierte (Bild 3). Bisher wurde der Schaltschrank bei Innentemperaturen unter 20°C geheizt bzw. ab 25°C mit einer Klimaanlage gekühlt. Für Kühlung, Heizung, Verlustleistung der Halbleiter und für den Verbrauch der Steuerung wird im Mittel rund 1,3 kW benötigt.

Zur Reduzierung der Heiz- und Kühlenergie wird zukünftig der Taupunkt überwacht. Geheizt wird dann nur noch, um eine Kondensation an elektrischen Bauteilen zu verhindern. In einem zweiten Schritt soll die Kühltemperatur des Schaltschranks so angepasst werden, dass die Elektronik auch bei Volllast noch innerhalb der vorgegebenen Betriebstemperatur betrieben wird. Aktuell finden Evaluationen statt, um auch den Einfluss der Schaltfrequenz bewerten zu können. Es wäre möglich, die Schaltfrequenz anzupassen, um die Schaltverluste zu reduzieren und damit die Effizienz des Gerätes zu steigern.

Kurzzeitige Ereignisse im Netz sind eine Herausforderung

Während des gesamten Beobachtungszeitraums konnten unterschiedliche Ereignisse im Netz beobachtet und durch den Regler gut kompensiert werden. Es gab aber auch wenige Ereignisse, die zu einer Sicherheitsabschaltung des EVOCDTRs führten. Da der Regler direkt die Spannungsform verändert, sind die Einflüsse von kurzzeitigen Ereignissen im Netz auf den Regler zu untersuchen, auch wenn angeschlossene Verbraucher diese nicht bemerken bzw. der Ver­teil­netz­betreiber die Normen einhält. Kurzzeitige Ereignisse halten jeweils nur wenige Netzperioden an, also einige hundert Millisekunden. Nachfolgend sind zwei Ereignisse kurz erläutert.

Am 9. Oktober 2023 um 11:00:39.565 wurde ein Fehler im EVOCDTR detektiert, der zu einer Fehlerabschaltung des Reglers führte. Eine Stromspitze im Wechselrichter löste einen Überstrom aus. Der Regler überbrückte sich selbst und trennte sich vom Netz, damit die für solche Fälle vorgesehenen Sicherheitsmassnahmen des Netzbetreibers direkt greifen können. Die Spannungs- und Stromverläufe sind in Bild 4 dargestellt. Zum Zeitpunkt des Ereignisses gab es Verzerrungen und Spannungseinbrüche der Phasen­span­nungen. Nach etwa einer Netzperiode war der Spannungsverlauf wieder normal. Bei der Analyse des Ereignisses stellte sich heraus, dass die Ursache ein Erdschluss im Niederspannungssystem eines anderen Trafos war, der über die Mittelspannung mit der Trafostation des Span­nungs­reglers verbunden ist. Die Sicherheitsmassnahmen des Netzbetreibers konnten Schäden erfolgreich verhindern.

Ein weiteres Ereignis führte Anfang Dezember 2023 zu einer erneuten Ab­schal­tung vom Span­nungs­regler. Von einer Netzperiode zur anderen trat eine starke Asymmetrie der Phasen­span­nungen auf (Bild 5). Die Phasen­span­nungen am Eingang betrugen dabei U_unb,L1 = 233 V, U_unb,L2 = 202 V und U_unb,L3 = 206  V. Der Ursprung dieser Verzer­rungen lag in einer Schnee­last­ent­ladung einer 50-kV-Hoch­span­nungs­leitung [8]. Solche Schnee­last­ent­ladungen können kurzzeitige Ereignisse auf der Mittel- und Nieder­span­nungs­ebene auslösen, angeschlossene Verbraucher bemerken diese Vorfälle jedoch nicht. In solchen Situationen sollte der Span­nungs­regler die Netz­span­nungen stabilisieren und die angeschlossenen Lasten im Verteilnetz schützen. Die Asymmetrie verursachte hohe Ströme im Wechsel­richter und im Trans­formator, die zu einer Über­strom­abschaltung führten. Mit einem angepassten Trans­formator­design kann der Regler zukünftig auch in solchen Netz­situa­tionen eine zuverlässige Funktion garantieren.

Messungen bestätigen korrekte Funktion

Die Messungen im Verteilnetz zeigten, dass der Regler die Spezifikationen nicht nur im Labor einhält, sondern auch unter realen Bedingungen. Die Netz­span­nung wird auf den spezi­fizierten Wert geregelt und die Oberwellen der 5. und 7. Ordnung deutlich reduziert. Bei den Messungen hat sich gezeigt, dass bei sehr asymme­trischen Netz­bedin­gungen die Blindleistung im Wechselrichter und Transformator hoch werden und dies zu einer Sicher­heits­abschaltung führen kann. Massnahmen zur Vermeidung solch hoher Blindleistungen werden aktuell evaluiert. Um den EVOCDTR für die Anwendung im Verteilnetz noch attraktiver zu machen, soll auch die Verlustleistung des Reglers reduziert werden, indem beispielsweise die Leistung für das Heizen bzw. Kühlen des Schaltschranks sowie die Halbleiterverluste reduziert werden.

Beim Einsatz des EVOCDTRs im Verteilnetz konnten einige kurz­zeitige Ereignisse im Netz beobachtet werden. Normen wie die EN 50160 «Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitäts­ver­sor­gungs­netzen» oder auch das Regelwerk «Technische Regeln für die Beurteilung von Netz­rück­wir­kungen» der DACH-CZ definieren zwar Abweichungen und Ereignisse im Energienetz, jedoch werden in diesen Normen und Richtlinien haupt­sächlich Grenzwerte für Mittelwerte definiert, die u.a. über mehrere Minuten gebildet werden. EVOCDTR soll aber auch bei Ereignissen im Netz funktionieren, die nicht durch Normen und Regeln abgebildet sind. Für die Weiter­entwicklung des Reglers wird deshalb der Fokus auf kurzfristige Ereignisse gelegt. Die bisher durch­geführten Messungen bilden eine gute Grundlage dafür.

Fazit

Die Spitzenlasten in Verteilnetzen steigen weiterhin durch erneuerbare Energie­erzeu­gungs­anlagen (PV- und Wind­anlagen). Aber auch durch das Verhalten der Konsumenten verändert sich das Lastprofil im Netz, wie z.B. durch E-Lade­sta­tionen mit Schnell­lade­charak­teristik. In Zukunft werden die Verteil­netze nicht mehr aus­schliess­lich durch den traditionellen Netzausbau ausbalanciert werden können, denn die Spitzenlasten ändern sich in kurzen Intervallen. EVOCDTR bietet eine technische und wirtschaftliche Alternative zum physischen Netzausbau. Bestehende Netz­infra­struktur kann durch geringe Anpassungen effizienter genutzt werden. Bezüglich ökologischer Nach­haltig­keit zeigte sich der bisherige Einsatz des Prototyps und dessen Resultate als Erfolg. Die Lösung wird durch den Elektrizitäts­partner als eine optimale Lösung gesehen. Der Prototyp soll später an einem weiteren Einsatzort erprobt werden.

Referenzen

[1] P. Gruber, «PV-Einspeisen wird ab sofort streng kontrolliert», MeinBezirk.at, 11. August 2023.

[2] S. Haberkorn, «Übermässiger Solarausbau: Nachbarland stösst an Grenzen des Stromnetzes», efahrer.chip.de, 23. November 2023.

[3] Y. Ballinari, «Elektra Jegenstorf führt freiwillige Einspeisegrenze für PV-Produzenten ein», Energate Messenger.ch, 7. Dezember 2023.

[4] B. Girardi, K. Schenk, «Continuously Variable Controlled Transformer for Grid Voltage Stabilization», in PCIM Europe 2019, S. 1–8, 2019.

[5] B. Girardi et al., «Stabile Netze mithilfe von Leistungselektronik», Bulletin SEV/VSE 6/2022, S. 45–48.

[6] «Netzplanung bei Swissgrid – Strategisches Netz 2040», Swissgrid AG, 2022.

[7] «Momentanwerte Lufttemperatur», Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz, 2024.

[8] «Störungen und Stromausfälle», Repower AG.

Der EVOCDTR wurde von Innosuisse 36 Monate lang mit rund 320'000 CHF unterstützt.