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Neue Maßstäbe bei der Stabilitätsbetrachtung

IAV und EWE NETZ übertragen Methoden aus der Automobilentwicklung erfolgreich auf elektrische Netze

Immer mehr dezentrale Erzeugungsanlagen speisen Strom ins Verteilnetz ein. Auf Basis des Wissens aus dem Automotive-Bereich hat IAV die Stabilität der Q(U)-Regelung betrachtet – eines Spannungsregelungskonzeptes, das sich in der Hoch- und Höchstspannung seit vielen Jahren bestens bewährt hat. Die gemeinsam mit dem Netzbetreiber EWE NETZ GmbH durchgeführte Stabilitätsbetrachtung auf Basis analytischer Modelle und Methoden setzt neue Maßstäbe.

Wenn in Zukunft immer mehr dezentrale und volatile Erzeuger wie PV-Anlagen auf der Niederspannungsebene einspeisen, gerät die Stabilität des Stromnetzes in Gefahr. Gefragt sind darum Systemdienstleistungen, die von diesen Erzeugern selbst bereitgestellt werden. In Abhängigkeit von der aktuellen Netzspannung U müssen sie neben der Wirk- auch die Blindleistung Q einspeisen, ausgedrückt über den funktionalen Zusammenhang Q(U).

Bisher verfügen Solaranlagen über keine eigene Intelligenz und werden rein gesteuert betrieben – ihre Wechselrichter nehmen die Umwelt (den Zustand des Netzes) nicht wahr. „Künftig sollen die dezentralen Erzeuger smart werden und eine Q(U)-Regelung mitbringen“, sagt Nils Koop, Entwicklungsingenieur bei IAV . „Allerdings muss auch dann gewährleistet sein, dass die hohe Zuverlässigkeit und Versorgungsqualität der Stromnetze erhalten bleiben. Dafür sind die Stabilität und Robustheit der eingesetzten Steuer- und Regelungsverfahren von zentraler Bedeutung.“

Gemeinsam mit dem Netzbetreiber EWE NETZ aus Oldenburg hat IAV die Stabilität der in der Norm VDE AR-N 4105 vorgeschlagenen Q(U)Regelung untersucht, die aus der Hoch- und Höchstspannung gut bekannt ist. Sie wird bereits seit einiger Zeit von Experten intensiv diskutiert: Die Bedenken sind unter anderem auf die sehr hohe Zahl und Vielfalt der parallel arbeitenden Erzeugungsanlagen, das vor allem in ländlichen Netzen ungünstige Verhältnis von installierter Erzeugung und verfügbarer Netzanschlussleistung sowie auf die kostenbedingt begrenzte Messgenauigkeit zurückzuführen.

Erste analytische Untersuchung der Stabilitätsgrenzen

Die bisherigen Stabilitätsuntersuchungen der Q(U)-Regelung für Verteilnetze basierten auf Zeitreihensimulationen, Laborversuchen und Felderprobungen. Die Stabilität der Regelung wurde dabei auf Basis einer begrenzten Anzahl von Einzelszenarien beurteilt. Labor- und Feldversuche sowie Simulationen kamen zu unterschiedlichen Ergebnissen, eine allgemeingültige Bestimmung der Stabilitätsgrenzen lag bislang nicht vor. IAV und EWE NETZ haben die Stabilitätsgrenzen darum erstmals analytisch untersucht – mithilfe der in der Regelungstechnik üblichen Frequenzganganalysen.

Dabei wurden drei unterschiedliche Netztopologien betrachtet, wie sie im Netzgebiet von EWE NETZ vorkommen: Topologie I ist ein einseitig gespeistes Strangnetz mit einer langen Übertragungsleitung, an deren Ende ein Schwerpunkt in Form von mehreren PV-Anlagen mit hoher Einspeiseleistung und eine aggregierte Haushaltslast installiert sind. Sie repräsentiert ein ländliches Verteilnetz, in dem elektrische Leistung über weite Strecken transportiert wird. Topologie II ist ebenfalls ein Strangnetz, zeichnet sich aber im Vergleich zu Topologie I durch eine gleichmäßigere Verteilung von Lasten und Einspeisepunkten aus. Sie stellt ein ländliches Netz mit hoher Einspeisung dezentraler Erzeugungsanlagen dar. Topologie III ist ein Maschennetz, in dem mehrere PV-Anlagen mit hoher Leistung und großen Lasten auf zwei miteinander verbundenen Sammelschienen installiert sind. Sie repräsentiert ein stark belastetes, engmaschiges Stadtnetz mit hoher Stromnachfrage. Die drei Modelle bestehen aus den Einzelkomponenten Transformatoren, Leitungen, PV-Anlagen und Lasten.

Beschreibung als lineare, dynamische Einzelkomponenten

„Wir haben alle Komponenten des Gesamtsystems mit Differenzialgleichungen als lineare, dynamische Einzelsysteme modelliert“, berichtet Koop. „Die Synthese der dynamischen Einzelsysteme zu einem Gesamtsystem erfolgte über die kompositionelle Modellbildung.“ Die modellierte PV-Anlage besteht aus den Komponenten Solarmodul, DC/DCWandler (Hochsetzsteller) und dem Wechselrichter, der die elektrische Leistung in das Netz einspeist. Zudem kommt ein MaximumPower-Point-Tracker (MPPT) zum Einsatz, um den optimalen Betriebspunkt der Solarzelle im laufenden Betrieb einzustellen.

Der Wechselrichter der Anlage misst den Effektivwert der Spannung und den Phasenwinkel am Netzanschlusspunkt. Im Q(U)-Regler wird aus den gemessenen Werten ein Blindleistungssollwert erzeugt. Er hängt über die in der Norm VDE AR-N 4105 vorgeschlagene Kennlinie von der vorliegenden Netzspannung ab.

Für die Betrachtung der Stabilität der Q(U)-Regelung haben IAV und EWE NETZ die Frequenzgänge betrachtet. Sie veranschaulichen die Stabilität eines Systems anhand des Nyquist-Kriteriums: Ein regelungstechnisches System ist dann stabil, wenn die Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises – aufgetragen als Ortskurve in der komplexen Ebene – den kritischen Punkt (–1, 0) nicht umläuft.

In der Praxis keine Stabilitätsproblem

Alle Topologien zeigen qualitativ vergleichbare Ergebnisse. Topologie III weist aufgrund der Vermaschung eine deutlich größere Stabilitätsreserve auf, Topologie I ist erwartungsgemäß am empfindlichsten. „Die PV-Leistung erweist sich bei aktiver Q(U)-Regelung als der dominante Einfluss“, berichtet Koop. „Die Länge der Leitung hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Stabilität, jedoch sind die Auswirkungen geringer.“

Insgesamt zeigte sich, dass sich das Niederspannungssystem zwar theoretisch destabilisieren ließe, in der Praxis aber weit davon entfernt ist. Damit konnte die Studie die Ergebnisse anderer Untersuchungen reproduzieren und bestätigen. Zudem zeigt sie, dass sich Methoden aus der Automobilentwicklung erfolgreich auf elektrische Netze übertragen lassen. Darum sind bei IAV bereits weitere Projekte zum Netzbetrieb und zur Netzplanung auf der Mittelspannungsebene geplant.

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