Schlüsselwörter
(Englisch)
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Distribution grids, target grid planning, inverters, frequency dependent grid impedance, power quality
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Durch die Integration von dezentraler Einspeisung und Speicherung werden die Verteilnetze stärker beansprucht. Netzseitige Massnahmen wirken sich unterschiedlich auf Netznutzung, Verfügbarkeit und Spannungsqualität aus. Speziell Letzteres wird durch den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik und die Veränderung der frequenzabhängigen Netzimpedanz stark beeinflusst. Über Messung und Simulation werden die diesbezüglichen Grundlagen erarbeitet und in einer umfassenden qualitätsgesteuerten Zielnetzplanung angewendet.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Due to the integration of decentralized production and electrical energy storage systems the distribution grids are much more stressed. Technical measures affect the grid usage, the availability and the power quality in different ways. Especially the increasing number of power electronics and the change of the frequency-dependent grid impedance mostly influence the power quality. The main principles will be acquired with the aid of measurements and simulations. Finally, these principles will be implemented in an extensive quality-orientated target grid planning.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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URL-Adressen
(Deutsch)
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URL-Adressen
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Verteilnetze werden durch die zunehmende dezentrale Einspeisung und Speicherung, aber auch durch die Elektromobilität und Wärmepumpen intensiver genutzt. Die Spannungsqualität (PQ) wird durch den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik und die Veränderung der frequenzabhängigen Netzimpedanz (fNI) stark beeinflusst. Die Netzimpedanz wiederum kann sich ungünstig auf die Powerline Communication (PLC) auswirken. Über Messungen in verschiedenen Verteilnetzen und im Labor sowie durch Simulationen wurden die Zusammenhänge analysiert. Empfehlungen für die Netzplanung und den Netzbetrieb (Kapitel 7) sowie Hilfsmittel für die Zielnetzplanung wurden abgegeben.
Forschungspartner waren das Labor für Elektrizitätsnetze der Berner Fachhochschule (BFH) und die Fachhochschule Westschweiz (HES-SO Valais-Wallis). Das Projektteam bestand weiter aus den sieben Verteilnetzbetreibern AEW Energie AG, BKW Energie AG, Energie Service Biel/Bienne, Energie Thun AG, ewz, Repower AG, und Service Industriels de Genève sowie einem Hersteller von Filtersystemen, Schaffner International AG. Diese Zusammenstellung an Partnern garantierte das notwendige Know-how und die benötigten Ressourcen für das Projekt.
PQ-Analysen in Mittel- und Niederspannungsnetzen (Kapitel 3) zeigten für die PQ-Parameter in der Regel einen grossen Abstand zu den Grenzwerten gemäss EN 50160 auf. Probleme treten heute meist nur an einzelnen Knoten und nur für ein spezifisches PQ-Phänomen auf. Dies ist klaren Vorgaben für den Anschluss von Kundenanlagen zu verdanken, aber auch dem Stromnetz, welches in der Vergangenheit mit genügend Reserve gebaut wurde. Diese hohe Qualität des Stromnetzes kann nur beibehalten werden, wenn die Effekte durch die Zunahme moderner Geräte bekannt sind und in der Netzplanung sowie im Netzbetrieb berücksichtigt werden. Dies erfordert auch die kontinuierliche Erfassung von PQ-Daten an PQ-Hotspots im Verteilnetz, wofür ein Messkonzept aufgestellt wurde.
Effekte durch die Zunahme von nichtlinearen Geräten auf die Ausbreitung von Oberschwingungen, die Netzimpedanz und die Powerline Communication wurden untersucht (Kapitel 4). Moderne Geräte mit Leistungselektronik nehmen einen Strom auf, der teilweise eine grosse Abweichung zur Sinusform aufweist. Der Strom enthält Oberschwingungsanteile, die über der Netzimpedanz Spannungsoberschwingungen verursachen. Diese können andere Geräte im Stromnetz stören. Die Analysen der Messkampagnen im Feld und Laboruntersuchungen bestätigten den signifikanten Einfluss von Leistungselektronik auf die Spannungsqualität, die frequenzabhängige Netzimpedanz und auf die Powerline Communication. Entscheidend sind dabei das Zusammenspiel zwischen eingesetzter Technologie und frequenzabhängiger Netzimpedanz.
Regelstrategien mit dezentralen Anlagen wurden in zwei Niederspannungsnetzen untersucht (Kapitel 5). Das technische Potential und die Wirtschaftlichkeit von P(U)-Regelung, Q(U)-Regelung und regelbaren Ortsnetztransformatoren (RONT) für die Spannungsregelung wurden analysiert. Anhand des Einsatzes von Smart Metern in einem Niederspannungsnetz wurde das Potential von Demand-Side-Management zur Netzstabilisierung betrachtet. Die Resultate zeigten, wie stark die Auslastungen bestimmter Leitungen oder Transformatoren reduziert würden und wie effektiv kritische Spannungswerte im Netz dadurch vermieden werden könnten. Die Implementation von intelligenten Regelsystemen kann zu mehr Investitionssicherheit und zu einer höheren Ausschöpfung von Sparpotenzial bei der Netzinfrastruktur führen.
Die im Projekt entwickelten Zielnetzplanungsstrategien für das Mittel- und Niederspannungsnetz (Kapitel 6) unterstützen die Verteilnetzbetreiber bei der Weiterentwicklung der Verteilnetze. Das neue «LastprofilTool ES 2050» kann Leistungsprofile für beliebige Anschlusspunkte erstellen, um möglichst realitätsnahe Leistungsflussberechnungen durchzuführen. Der entwickelte PQ-Index ermöglicht die Bewertung der PQ-Phänomene anhand einer einzelnen Kennzahl. Das von der BFH programmierte Tool «ZNP light» zur Leistungsflussberechnung und zur einfachen wirtschaftlichen Bewertung von Netzvarianten wurde mit dem PQ-Index erweitert, so dass auch qualitative Aussagen zur Spannungsqualität von heutigen und zukünftigen Netzvarianten getroffen werden können.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The distribution grids are used more intensively due to the increasing decentralized feed-in and storage, but also due to electromobility and heat pumps. The power quality (PQ) is strongly influenced by the increased use of power electronics and the change in the frequency-dependent grid impedance. The grid impedance can have an unfavorable effect on the power line communication (PLC). The correlations were analyzed by measurements in different distribution grids and in the laboratory as well as by simulations. Recommendations for the grid planning and grid operation (chapter 7) as well as tools for the target grid planning were developed.
Research partners were the Power Grids Lab of the Bern University of Applied Sciences (BFH) and the University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland (HES-SO Valais-Valais). The project team also consisted of the seven distribution system operators AEW Energie AG, BKW Energie AG, Energie Service Biel/Bienne, Energie Thun AG, ewz, Repower AG, and Service Industriels de Genève as well as a manufacturer of filter systems, Schaffner International AG. This combination of partners provided the necessary know-how and resources for the project.
PQ analyses in medium and low voltage grids (chapter 3) generally showed a large gap between the PQ parameters and the limit values according to EN 50160. Today, problems usually occur only at single nodes and only for a specific PQ phenomenon. This is due to clear specifications for the connection of customer systems, but also due to the power grid itself, which in the past was built with sufficient reserve. This high quality of the power grid can only be maintained if the effects of the increase in modern equipment are known and considered in the grid planning and grid operation. This also requires the continuous acquisition of PQ data at PQ hotspots in the distribution grid, for which a measurement concept has been established.
Effects of the increase of nonlinear devices on the propagation of harmonics, the grid impedance and the power line communication were investigated (chapter 4). Modern devices with power electronics draw a current that sometimes has a large deviation from the sinusoidal form. The current contains harmonic components that cause voltage harmonics due to the grid impedance. These can disturb other devices in the power grid. The analyses of the measurement campaigns in the field and laboratory tests confirmed the significant influence of power electronics on the power quality, the frequency-dependent grid impedance and on the power line communication. A key factor is the interaction between the technology used and the frequency-dependent grid impedance.
Control strategies with decentralized systems were investigated in two low voltage grids (chapter 5). The technical potential and the economic efficiency of P(U) control, Q(U) control and controllable transformers for voltage control were analyzed. Based on the use of smart meters in a low voltage grid, the potential of demand-side management for grid stabilization was evaluated. The results showed how much the load of certain lines or transformers would be reduced and how effectively critical voltage levels in the grid could be avoided. The implementation of intelligent control systems can lead to more security of investment and a higher exploitation of savings potential in the grid infrastructure.
The target grid planning strategies developed in the project for the medium and low voltage grid (chapter 6) support the distribution grid operators in the further development of the distribution grids. The new «LastprofilTool ES 2050» can create power profiles for any connection point in order to perform power flow calculations as realistic as possible. The developed PQ index enables the evaluation of PQ phenomena based on a single key parameter. The tool «ZNP light» programmed by the BFH for power flow calculations and for the simple economic assessment of grid variants has been extended with the PQ index, so that qualitative statements about the power quality of actual and future grid variants can be given.
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Schlussbericht
(Französisch)
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L’augmentation de la production et du stockage décentralisés, tout comme l’essor de l’électromobilité et l’usage de pompes à chaleur amènent les réseaux de distribution à être exploités de manière plus intense. La qualité de l’alimentation est fortement influencée par l'utilisation accrue de convertisseurs électroniques de puissance et la variabilité de l'impédance du réseau en fonction de la fréquence. De plus l'impédance du réseau peut avoir un effet défavorable sur la communication par courant porteur en ligne (PLC). Les facteurs influençant la qualité de l'alimentation ont pu être analysés et démontrés à l'aide de mesures sur différents réseaux de distribution, de tests en laboratoire et de simulations. Des recommandations pour la planification et l’exploitation du réseau de distribution (chapitre 7) ont été proposées. Des outils informatiques d’aide à la planification du réseau électriques ont été développés.
Les partenaires de recherche étaient le laboratoire du réseau électrique de la haute école spécialisée bernoise (BFH) et la haute école spécialisée de Suisse occidentale (HES-SO Valais-Wallis). L'équipe de projet était aussi composée des sept gestionnaires de réseau de distribution AEW Energie AG, BKW Energie AG, Energie Service Biel/Bienne, Energie Thun AG, ewz, Repower AG, et Service Industriels de Genève ainsi que d'un fabricant de systèmes de filtrage, Schaffner International AG. Les compétences conjuguées des partenaires a assuré le savoir-faire et les ressources nécessaires à la réalisation du projet.
Les valeurs des paramètres de la qualité de l’alimentation des réseaux moyenne et basse tension mesurés (chapitre 3) sont bien meilleures que les valeurs limites spécifiées par la norme EN 50160. Actuellement, les insuffisances ne surviennent généralement qu'au niveau des noeuds individuels et uniquement pour des phénomènes épars. Le niveau élevé de la qualité de l’alimentation est obtenu grâce à des spécifications claires pour le raccordement des consommateurs, mais aussi grâce au réseau électrique qui a été construit dans le passé avec une marge de réserve suffisante. Cette qualité élevée du réseau électrique ne peut être maintenue que si les effets de l'augmentation des équipements modernes sont connus et pris en compte lors de la planification et de l'exploitation. Cela nécessite également la collecte continue des données de la qualité de l’alimentation aux points critiques du réseau de distribution, pour lesquels un concept de mesure a été établi.
Les effets de l'augmentation des dispositifs non linéaires sur la propagation des harmoniques, l'impédance du réseau et la communication par courant porteur en ligne ont été étudiés (chapitre 4). Les alimentations électroniques des appareils modernes consomment un courant qui parfois s’éloigne fortement de la forme sinusoïdale. Les composantes harmoniques de courant génèrent des harmoniques de tension dues à l'impédance du réseau. Ces harmoniques peuvent interférer avec d'autres dispositifs connectés au réseau électrique. Les analyses des campagnes de mesure sur le terrain et des tests en laboratoire ont confirmé l'influence significative des dispositifs électroniques sur la qualité de l’alimentation, l'impédance du réseau et les communications par courant porteur en ligne. L'interaction entre les technologies modernes utilisées et l'impédance du réseau joue un rôle déterminant.
Des stratégies de contrôle avec des systèmes décentralisés ont été étudiées dans deux réseaux basse tension (chapitre 5). Le potentiel technique et économique du réglage de la puissance active, du réglage de la puissance réactive et des transformateurs de distribution réglables pour le contrôle de la tension ont été analysés. Le potentiel de la gestion de la demande pour la stabilisation d’un réseau basse tension basé sur l'utilisation de compteurs intelligents a été examiné. Les résultats ont démontré dans quelle mesure le taux d’utilisation de certaines lignes ou transformateurs serait réduite et comment les valeurs critiques de tension du réseau pourraient être évitées. La mise en oeuvre des systèmes de contrôle intelligents peut conduire à une plus grande sécurité des investissements et accroître le potentiel d'économies de l'infrastructure du réseau de distribution.
Les stratégies de planification développées dans le cadre de ce projet pour les réseaux moyenne et basse tension (chapitre 6) aident les gestionnaires à poursuivre le développement des réseaux de distribution. L’outil «LastprofilTool ES 2050» permet de créer des profils de charge pour n’importe quel point de connexion et d'effectuer des calculs de flux de puissance aussi réalistes que possible. L’indice PQ développé permet l'évaluation des phénomènes de la qualité de l’alimentation sur la base d'un seul chiffre clé. L'outil «ZNP light» programmé par la BFH pour le calcul de flux de puissance et pour l'évaluation économique simple des variantes de réseau a été étendu avec l’indice PQ, de sorte que la qualité de la tension des variantes de réseau actuelle et futures peut être estimée.
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