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Einsatz von Längsspannungsreglern in MS- und NS-Netzen

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Frank Cornelius, ABB AG, Brilon 26.02.2015
Spannungsregelung im Smart Grid
MS-/ NS-Längsspannungsregler
Spannungsregelung
ABB Lösungen
Erweitertes MS oder NS Netz mit
dezentralisierter Einspeisung (Wind,
Photovoltaik (PV), etc.)
HV/MV
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

Spannungsproblem kann nicht
durch einen Regeltransformator
gelöst werden.

Konventioneller Netzausbau ist
unflexibel, zeit- und
kostenintensiv.

MV-LVR und/oder LV-LVR
ermöglichen eine Spannungsanpassung ohne konventionelle
Netzerweiterung.
x
MV/LV
© ABB Group
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Spannungsniveau schwankt
entlang der Leitung
[MV-LVR ]
-
x
...

[LV-LVR ]
Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler - Leistungsdaten

Leistung - bis 8 MVA

Spannung - bis 24 kV

Stufenschalter – Automatischer
Laststufenschalter



Typisch 11 Schaltstufen mit ± 5 x 2%

Integrierte MS-Schaltanlage

Inverser Regelbetrieb möglich
Energieeffizienz – sehr hoher Wirkungsgrad in
allen Regelstufen. (>99,75%)
Betrieb und Regelung

Fernüberwachung und Fernzugriff mit Hilfe
eines zusätzlichen Kommunikationsmoduls
und RTU

Regelung auf Leistungsfluss oder auf remote
Spannungswerte

Control System Protokolle IEC 608705101,
608705104, 61850.
© ABB Group
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[ABB Brilon, Mittelspannungslängsregler 20 kV / 8 MVA]
P [MVA]
Verluste [kW]
η [%]
2
4
6
8
2,87
4,64
8,73
13,86
99,86
99,88
99,85
99,83
[gemessene Werte bei 6% Spannungsanpassung]
[ABB RTU 540]
Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Designdaten

Installation in Standard Betonstation

ABB RESIBLOC Trockentransformatoren

Robustes System mit langer Lebensdauer und
minimalem Wartungsaufwand

Schaltelemente ausgelegt für 3.000.000
Schaltspiele

Kühlung durch natürliche Konvektion

Geräuschreduzierte Transformatoren (<40 dB)

Hohe Kurzschlussfestigkeit

Dimensionen 3 m x 6,6 m

Gasisolierte ABB Mittelspannungsschaltanlage
[ABB Brilon, Mittelspannungslängsregler 20 kV / 8 MVA]
Angesehen als sehr effiziente Alternative zum
konventionellen Netzausbau.
N
[Einphasiges Prinzipschaltbild Längsregler]
© ABB Group
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Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Hardware
I.
II.
V.
© ABB Group
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Stationsgebäude
II.
III.
IV.
Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Control
© ABB Group
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Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Control
© ABB Group
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Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Pilotinstallation Control
© ABB Group
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Spannungsregelung
Anbindung LSR
BYPASS
IN
© ABB Group
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Messung
U, I, P, Q
Transformator-Aktivteile
Messung
U, I, P, Q
OUT
Spannungsregelung
Netzsituation am Pilotstandort
MS-LSR Controlled
ungeregelt
P = 4,739 MW
Q = 0,170 MVAr
(kapazitiv)
P = 3,050 MW
Q = 1,186 MVAr
(induktiv)
© ABB Group
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P = 4,739 MW
Q = 0,170 MVAr
(kapazitiv)
P = 3,050 MW
Q = 1,186 MVAr
(induktiv)
Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Installation
Informationen zur Aufstellung MV-LVR:
Installation in 4 Schritten:
1. Positionierung des LVR mittels Autokran
2. MS-Anbindung über Kabeleinführungen und Stecker
3. Entfernen der Transformator-Transportsicherungen
4. Anbindung Netzleitsystem (optional, z.B. über GPRS )
-> Start
© ABB Group
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
LVR wird komplett montiert und geprüft geliefert

Station fügt sich unauffällig in die Landschaft ein

Keine Einschränkungen bei der Aufstellung:

öl-freie RESIBLOC Transformatoraktivteile

geräuschreduzierte Anlage Lpa <40 dBA
Spannungsregelung
Mittelspannungslängsregler Spannungsregelung
© ABB Group
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Regler IN
Regler OUT
Reglersollwert
Spannungsregelung
Niederspannungslängsregler Leistungsdaten

Leistungsklassen - 63 kVA, 125 kVA & 250 kVA

Spannung – 0,4 kV

Stufenschalter – Automatischer Laststufenschalter

11 Schaltstufen mit (z.B. ± 5 x 1,2%).

Stufenschalter mit bewährten ABB Schaltelementen

Energieeffizienz – hoher Wirkungsgrad >99,5%

Betrieb und Regelung

Automatischer Betrieb auf Spannungssollwert

Fernüberwachung und Fernzugriff mit Hilfe eines
zusätzlichen Kommunikationsmoduls und RTU

Regelung auf Leistungsfluss oder auf remote
Spannungswerte
© ABB Group
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[ABB Brilon, Niederspannungslängsregler 0,4 kV / 250 kVA]
LV
N
LV
Spannungsregelung
Niederspannungslängsregler Pilotinstallation
3-Phasen Niederspannungslängsregler 0,4 kV / 250 kVA seit Mai 2014 in Betrieb.
© ABB Group
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Spannungsregelung
Niederspannungslängsregler Pilotinstallation
LSR controlled
uncontrolled
[ABB Brilon, Niederspannungslängsregler 0,4 kV / 250 kVA, Installation in Schwarzenburg, CH]
[Gemessene Spannungsverläufe an sonnigen Tagen mit und ohne Regelung]
© ABB Group
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
Pilotinstallation im Niederspannungsnetz
mit großem Anteil dezentraler
Einspeisung.

Durch den Strangreglern werden die
hohen Spannungsanhebungen bei den
Kunden reduziert.

Das Netz eine bessere
Aufnahmefähigkeit für die Integration von
dezentralen Einspeisungsanlagen.

Die Spannungsqualität im Netz wird
durch den Strangreglern nicht beeinflusst.
Dr. Adam Slupinski, Dr. Martin Maximini, Power Consulting, 26. Februar 2015
Pilot: LV-LVR im Netz der BKW
Simulationen der Regelalgorithmen
© ABB
February 27, 2015
Slide 16
Netzmodellierung
Netznachbildung in NEPLAN®, Messwerte des LVR
4PS-Hs1
1 Min.-Messwerte
1 Min.-Messwerte
U-U, U-N, I, P, Q, Verl.
U-U, U-N, I, P, Q, Stufe
LV-LVR
 UIN, UOUT = 400V
 Sr = 250kVA
 Regelbereich
+/- 6% mit 1,2%/Stufen
4PS-VK13117
0,4 kV
U=418,577 V
u=104,64 %
4PS-VKUReg-Hs1
NAYY 4x150
0,12376 km
I=189,105 A
Ausl=68,77 %
4PS-VKUReg
0,4 kV
U=400,106 V
u=100,03 %
4PS-UReg
ABB LV-LVR 250kVA
Tap=10
LV-LVR
I=180,247 A
Ausl=52,27 %
Kunde
0,4 kV 3
U=409,111 V
U-N,
I,%P
u=102,28
I=189,105 A
Ausl=52,42 %
AC
PVA
134kWp
4PS-VK13117-VKUReg
GKN 3x50Cu/50
0,00001 km
4PS-Hs4
0,4 kV
U=400,106 V
u=100,03 %
4PS-TrafoSS-VK13117
GKN 3x50Cu/50
0,1266 km
I=180,247 A
Ausl=92,43 %
4PS-Hs4 V
S=0,000 kVA
PF=0,000
KVS
4PS-VK13117-Hs4
GKN 3x10Cu/10
0,0191 km
I=0,000 A
Ausl=0,00 %
4PS-TrafoSS
0,4 kV
U=400,383 V
u=100,10 %
I=4,483 A
Ausl=32,02 %
64PS-Trafo
T-016.0004-000.4a
Ortsnetzstation
Tap=0
© ABB
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Slide 17
4PS-VK13117-Hs15
GKN 3x25Cu/25
0,11533 km
I=0,004 A
Ausl=0,00 %
Pumpwerk Schützenhaus
16 kV
U=16000,000 V
u=100,00 %
I=180,247 A
Ausl=32,16 %
4PS-Hs1 V
4PS-Hs1 EA
P=-134,000 kW
Q=0,000 kvar
6 Pumpwerk Schützenhaus Ersatz MS
P=123,900 kW
Q=-9,302 kvar
4PS-Hs15
0,4 kV
U=400,106 V
u=100,03 %
Kunde 2
U-N, I, P
4PS-Hs15 V
Plausibilisierung des Netzmodels
Messung (18. Juli 2014)

UPV, ohne LVR

UPV

ULVR,IN

Stufe
440
50
U
435
[V]
45
430
40
425
35
420
30
415
25
410
20
405
15
400
10
395
5
Stufe
Messung
390
00:00
© ABB
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Slide 18
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
14:24
 Deutliche Reduzierung des Spannungsbandes
16:48
19:12
t [h]
21:36
0
00:00
Plausibilisierung des Netzmodels
Vergleich Messung und Simulation (18. Juli 2014)
Messung

UPV, ohne LVR

UPV

ULVR,IN

Stufe
440
50
U
435
45
Stufe
[V]
430
40
425
35
420
30
415
25
410
20
405
15
400
10
395
5
Simulation

UPV

ULVR,IN

Stufe
390
00:00
© ABB
February 27, 2015
Slide 19
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
19:12
 Gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation
t [h]
21:36
0
00:00
Verfahren zur Sollwert-Vorgaben der Spannung
Auswirkungen auf Spannungsband und Anzahl der
Schaltspiele

Regelung auf einen festen Sollwert

Regelung mit Strom-Kompoundierung

Sollwertvorgabe in Abhängigkeit des Flusses über den LVR
 Reduzierung des Spannungsbandes am kritischen Punkt im Netz

Regelung unter Einsatz des Spannungsbeobachters

Beobachtung der Spannung im Netz durch eine Prognose der kritischen
Spannung

Sollwertvorgabe in Abhängigkeit der kritischen Spannung im Netz
 Anpassung des Sollwerts bei Verletzung der festgelegten
Spannungsgrenzen am kritischen Punkt im Netz

Weitbereichsregelung mit verteilter Messung im Netz

© ABB
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Slide 20
Gleiche Vorgehensweise wie beim Beobachter, nur unter Einsatz der IKT
Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele
Ohne Regelung (21. Juli 2014)
UPV ohne LVR
112%
UKrit
45
[%]
110%
UC+10%
35
106%
30
104%
25
102%
20

UC
15
98%
10
96%
5
94%
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
19:12
0
21:36 t [h] 00:00
Spannungsbandbreite am kritischen Punkt im Netz von 8,4% Uc
 Spannungsbandgrenze am kritischen Punkt im Netz bereits überschritten
Slide 21
40
108%
100%
© ABB
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Stufe

Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele
Regelung auf einen festen Sollwert
UPV ohne LVR

UPV mit LVR

Stufe
112%
UKrit
45
[%]
110%
UC+10%
35
106%
30
104%
25
102%
20
UC
15
98%
10
96%
5
94%
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
14:24
16:48
 Reduzierung der Spannungsbandbreite auf 4,0% Uc
 Anzahl der Schaltspiele: 105
Slide 22
40
108%
100%
© ABB
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Stufe

19:12
0
21:36 t [h] 00:00
Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele
Regelung mit Strom-Kompoundierung
U
[%]

UPV ohne LVR
Krit
112%

UPV, Kompoudierung
110%

Stufe
108%
35
106%
30
104%
25
102%
20
45
100%
UC
10
96%
5
02:24
04:48
Umax = 108%Usoll
100
U0,soll = 106%
Imin
-200
07:12
50
Imax
0
-100
0
100
200%
ILVR
-50
ErzeugungQuadrant
-100
-150
09:36
12:00
14:24
16:48
19:12
0
21:36 t [h] 00:00
Last-Quadrant
Usoll150
%
Slide 23
15
98%
94%
00:00
© ABB
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40
Stufe
UC+10%
Umin = 102%Usoll

Sollwertvorgabe in Abhängigkeit des Flusses
über den LVR
 Weitere Reduzierung der
Spannungsbandbreite auf 2,8% Uc
 Deutliche Steigerung der Schaltspiele
auf 188
Regelverfahren und Anzahl der Schaltspiele
Regelung unter Einsatz des Spannungsbeobachters
U
[%]

UPV ohne LVR
Krit
112%

UPV, Beobachtung
110%
UC+10%
40

Stufe
108%
UGrenze=UC+8%
35
Stufe
45
106%
30
104%
25
Restnetz
102%
20
∆uref
100%
2,15 %
uLVR
10
96%
5
02:24
04:48
07:12

-191A
ukrit = u LVR + ∆uref ⋅
NS
I LVR
I ref
„Fingerabdruck“ des Restnetzes
mit NEPLAN® zu bestimmen
ONS
MS
© ABB
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09:36
ILVR,ref
LVR
Slide 24
15
98%
94%
00:00
ILVR
UC
Messwerte des LVR‘s
12:00
14:24
16:48
19:12
0
21:36 t [h] 00:00
Anpassung des Sollwerts nur bei Verletzung
der Spannungsgrenzen am kritischen Punkt
 Ausnutzung der vorgegebenen
Spannungsbandbreite am kritischen Punkt
im Netz von 9,4% Uc
 Starke Reduzierung von Schaltspielen
auf 4
Spannungsbänder in Abh. der Regelverfahren
Langzeitbetrachtung von Mai bis Oktober 2014
uKritisch
112
[%]
110

Spannungsband am Kritischen Punkt

Anzahl der Schaltspiele pro Tag
Spannungsgrenzwerte im NS-Netz
108
106
104
102
100
UC
98
96
94
103
≈0
142
LVR
Beobachter
Kompoundierung
92
ohne LVR
 Keine Verletzung der zulässigen Spannungsgrenzwerte beim Einsatz des LVR‘s
 Starke Abhängigkeit der mittlere Anzahl der Schaltspiele vom Regelalgorithmus
© ABB
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Slide 25
Zusammenfassung

Durch die PV-Einspeisung treten bereits
Spannungsbandverletzung im Normalbetrieb auf

Entkopplung der Spannung im NS-Abgang mit
Längsspannungsregler als Lösungsmöglichkeit
 Einsatz des LV-LVR‘s gewährleistet Einhaltung der
Grenzwerte
© ABB
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Slide 26

Gangliniensimulation mit Neplan spiegelt die realen
Verhältnisse wider

Einfache Ableitung des optimalen Regelkonzepts durch
Lastflusssimulationen möglich

Anzahl der Schaltspiele und die Spannungsbandbreite am
kritischen Punkt im Netz stark vom eingesetzten
Regelalgorithmus abhängig
Spannungsregelung
Wirkungsprinzip LSR
Spannungsanpassung durch Superposition (Überlagerung)
U3
U
U11
U2
U2
U2
U11
U
U2
U3
U3
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