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Research unit
SFOE
Project number
SI/501575
Project title
Anwendungsbezogener Effizienz-Vergleich verschiedener Verteilnetztrafo-Technologien

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Key words
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Schlussbericht
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Inserted texts


CategoryText
Key words
(English)
Energy efficiency, LF transformer, OLTC transformer, hybrid transformer, solid-state transformer
Short description
(German)
Die anwendungsrelevanten effektiven Wirkungsgrade verschiedener Transformator-Technologien auf Netzebene 6 werden ermittelt und miteinander verglichen. Die Wirkungsgrade werden mittels Simulationen für typische Betriebsprofile in einem realistischen Umfeld über einen relevanten Zeitraum bestimmt. Untersuchte Technologien: klassischer Verteilnetztrafo, regelbarer Ortsnetztrafo, hybrider Trafo und leistungselektronischer Trafo.
Short description
(English)
The application-relevant effective energy efficiencies of different transformer technologies on grid level 6 are assessed by means of simulations for typical operational profiles in a realistic environment, over a relevant time. Assessed technologies: LF transformer, OLTC transformer, hybrid transformer, solid-state transformer.
Schlussbericht
(German)

Die vorliegende Studie vergleicht die anwendungsorientierten Wirkungsgrade verschiedener Transformatortechnologien auf Netzebene 6. Verglichen werden herkömmliche Ortsnetztransformatoren (ONT), regelbare Ortsnetztransformatoren (RONT), hybride Transformatoren (HT) und leistungselektronische Transformatoren (SST). Um der Anwendungsorientiertheit gerecht zu werden, wurden die Transformatoren nicht isoliert, sondern zusammenhängend mit ihren Auswirkungen auf die Netzebenen 5 und 7 betrachtet. Insbesondere werden Blindleistungsflüsse von den Transformatortechnologien in verschiedener Art und Weise beeinflusst, was sich direkt auf die Leitungsverluste auswirken kann. Neben den Verlusten auf den Netzebenen 5 bis 7 wurde der Einfluss der Transformatortechnologie auf die Ausbaufähigkeit von dezentralen Erzeugungsanlagen – im untersuchten Fall Photovoltaik – und Elektromobilität untersucht.

Die Berechnungen wurden anhand von Lastflusssimulationen in Modellen von realen Netzen der BKW Energie AG durchgeführt. Als Modelle dienen ein Mittelspannungsnetz und acht Niederspannungsnetze. Das Szenario Ausgangslage basiert vollständig auf Messdaten über den Zeitraum eines Jahres. Das Szenario ES2050 widerspiegelt die Energiestrategie des Bundes und beinhaltet eine schweizweite PV-Produktion von 11 TWh elektrischer Energie, wie auch einen zusätzlichen, schweizweiten Bedarf der Elektromobilität von 6 TWh. Diese Energien wurden anteilsmässig (proportional zur Bemessungsleistung der speisenden Transformatoren) auf die bestehenden Netze heruntergebrochen. Das Szenario Swissolar beschreibt ein extremeres Zubauszenario für Photovoltaik in der Schweiz. Es basiert auf einer Ausbaustudie von Swissolar, welche die Schnittmenge zwischen dem technischen, wirtschaftlichen und dem nachhaltigen Potential für Photovoltaik quantifiziert. Der Zusatzbedarf durch die Elektromobilität wurde für dieses Szenario mit schweizweiten 7.5 TWh festgelegt.

Die Resultate zeigen, dass sich der ONT / RONT in seiner Auswirkung auf die Netzverluste (Leitungs- und Transformationsverluste) im Vergleich zum HT nur unwesentlich unterscheidet. Die kumulierten Netzverluste der Netzebenen 5 bis 7 befinden sich für die Szenarien Ausgangslage und ES2050 in einem Bereich von etwa 4.2%. Im Extremszenario Swissolar steigen die Verluste um rund einen Prozentpunkt für ONT / RONT resp. 1.4 Prozentpunkte für den HT. Der SST hingegen erhöht im Vergleich dazu durch seinen tieferen Wirkungsgrad die Gesamtverluste deutlich um mehr als 2 Prozentpunkte in allen Szenarien. Aus Sicht der Effizienz ist ein flächendeckender Einsatz der SST-Technologie im Verteilnetz nicht zu empfehlen.

Transformatoren mit der Möglichkeit der dynamischen Anpassung des Übersetzungsverhältnisses im Betrieb (RONT, HT oder SST) ermöglichen die Erweiterung der ansonsten begrenzten Netzkapazität zur Aufnahme dezentraler Erzeugungsanlagen. Dieser Umstand ist zu berücksichtigen bei der Beurteilung der eventuell erhöhten Transformationsverluste. Die vorliegende Untersuchung konnte aufzeigen, dass der Einsatz von regelbaren Transformatoren die Realisierung der Zubauziele des Szenarios ES2050 erleichtern kann. Zur Erreichung höherer Zubauziele wie des Szenarios Swissolar, sind sie sogar eine Voraussetzung, wenn grossflächige Netzausbauten vermieden werden sollen.

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Schlussbericht
(English)

This study compares the efficiency of various transformer technologies on grid level 6. The comparison includes standard line-frequency transformers (ONT), line-frequency transformers with on-load tap changers (RONT), hybrid transformers (HT), and solid-state transformers (SST). The analyzed system scope does not focus only on the transformers by themselves; however, it includes their impact on neighboring grid levels 5 and 7. In particular, the different transformers are capable of influencing reactive power flows in various ways, which affects conduction losses within the grid. Next to losses on grid levels 5 through 7, the effect of the mentioned transformer technologies on the grid capacities for decentral energy resources such as PV as well as electric mobility has been investigated.

The analysis is based on load flow simulations considering real grid models from BKW Energie AG. The models include one medium-voltage grid as well as eight low-voltage grids. The initial scenario is entirely based on measurement data spanning a time interval of one year. Scenario ES2050 represents the Swiss energy strategy and considers a nationwide PV-production of 11 TWh as well as an additional demand of 6 TWh due to electric mobility in Switzerland. These energies are broken down to the studied grid proportionally. The scenario Swissolar describes a faster growth of PV in Switzerland. It is based on a quantitative survey by Swissolar representing the intersecting set between the technical, economic as well as sustainable potential for PV in Switzerland. The additional demand for electric mobility is given by 7.5 TWh for this scenario.

The results show only a minor difference between ONT / RONT and HT concerning grid losses. The summed losses on grid levels 5 through 7 for the initial scenario as well as ES2050 are about 4.2%. For scenario Swissolar, losses increase by about one and 1.4 percentage points for ONT / RONT and HT, respectively. Due to its lower power efficiency, SST technology, in comparison, raises grid losses clearly by more than two percentage points throughout all scenarios. From this point of view, SST technology is not recommended for area-wide use on grid level 6.

Transformers with the possibility to dynamically regulate output voltage during operation (such as RONT, HT or SST) have the potential to expand the limited grid capacity for the introduction of distributed energy resources. This fact needs to be taken into account when evaluating transformation losses. The study at hand shows that transformers with the capability of voltage regulation facilitate the realization of the goals of the Swiss energy strategy. In order to reach even higher penetrations of decentral PV production systems, such transformer technologies seem to be a necessity, if large-area grid enforcements shall be avoided.

Schlussbericht
(French)

Cette étude compare l'efficacité de diverses technologies de transformateurs au niveau 6 du réseau. Le comparatif s'étend aux transformateurs de distribution conventionnel (ONT), aux transformateurs de distribution contrôlables (RONT), aux transformateurs hybrides (HT) et aux transformateurs électroniques de puissance (SST). Les transformateurs ne sont pas analysés de manière isolée, mais au contraire en tenant compte de leurs effets sur les niveaux 5 et 7 du réseau. En particulier, les flux de puissance réactive sont influencés de manières différentes suivant les technologies, ce qui peut avoir un effet direct sur les pertes de ligne. Outre les pertes aux niveaux 5 à 7 du réseau, l'étude examine aussi l'impact des différents transformateurs sur l'extensibilité du réseau aux productions décentralisées (telles que le PV) et à l'électromobilité.

L'analyse est basée sur des simulations de flux de charge de réseaux réels de BKW Energie SA. Un réseau moyenne tension et huit réseaux basse tension servent de modèle pour les différents scénarios. Le scénario Situation initial est entièrement basé sur des données annuelles mesurées d'août 2017 à juin 2018. Le scénario ES2050 reflète la stratégie énergétique fédéral et envisage une production photovoltaïque nationale de 11 TWh ainsi qu'une demande supplémentaire de 6 TWh due à l'électromobilité. Ces énergies ont été réparties proportionnellement à la puissance nominale des transformateurs d'alimentation des réseaux existants. Le scénario Swissolar assume une expansion foisonnante du photovoltaïque en Suisse. Il est basé sur une étude de Swissolar pondérant le potentiel technique, économique et durable du photovoltaïque. Pour ce scénario, la demande supplémentaire impartie l'électromobilité est estimée à 7,5 TWh.

Les résultats au niveau des pertes du réseau ne diffèrent que de manière insignifiante entre les transformateurs ONT / RONT et HT. Les pertes cumulées des niveaux 5 à 7 du réseau sont de l'ordre de 4,2% pour les scénarios Situation initiale et ES2050. Pour le scénario Swissolar, les pertes augmentent d'environ 1% pour des transfos ONT / RONT et d'environ 1.4% pour des transfos HT. Les transformateurs SST, en revanche, augmentent les pertes totales de manière significative (plus de 2%) pour tous les scénarios en raison de leur efficacité moindre. Une utilisation généralisée de la technologie SST au niveau 6 du réseau n'est de ce fait, du point de vue de l'efficacité, pas recommandable.

Les transformateurs avec régulation dynamique de la tension de sortie (tels les RONT, HT ou SST) ont le potentiel d'étendre la capacité limitée du réseau et d'y intégrer des centrales décentralisées. Ce fait doit être pris en compte lors de l'évaluation des pertes de transformation. La présente étude démontre que l'utilisation de transformateurs contrôlables facilite la réalisation des objectifs d'expansion du scénario ES2050. Leur utilisation devient même une condition impérative pour l'atteinte d'objectifs plus ambitieux, tels que ceux du scénario Swissolar, si l'on veut éviter des extensions de réseaux de grande envergure.