QuVert – Nutzung von Qualitätsreserven in elektrischen Verteilnetzen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502075
• Projekttitel Englisch: QuVert – Use of quality reserves in electrical distribution grids

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der steigende Einsatz von Leistungselektronik sowie die Zunahme an dezentraler Einspeisung, Speicherung und flexiblen Lasten führen dazu, dass Fragen zu Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz und deren Beurteilung immer mehr in den Vordergrund treten. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge in der Praxis und der gegebenen Randbedingungen in Bezug auf Verfügbarkeit und Qualität unter Berücksichtigung von wechselnden Topologiezuständen ist es schwierig, Stromnetze wirtschaftlich zu optimieren. Für einen technisch korrekten und kosteneffizienten Betrieb der volatilen Verteilnetze der Zukunft ist es eminent wichtig zu verstehen, welchen Einfluss verschiedene Netzvarianten und Belastungszustände auf die Netzstabilität und die Spannungsqualität haben. Dazu wird mit Messkampagnen in verschiedenen Niederspannungsnetzen untersucht, welche Auswirkungen auf die Einhaltung der EN 50160 auftreten, wenn Anlagen über die Grenzen der Regeln, welche die Netzbetreiber bei der Beurteilung von Anschlussgesuchen heute anwenden, hinaus betrieben werden. Daraus wird das wirtschaftliche Potential verschiedener Methoden beim Netzbau abgeleitet und verglichen sowie ein generisches Überwachungskonzept aufgestellt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The increasing use of power electronics and the growth of decentralized power generation, storage systems and flexible loads require a further focus on impacts on the power grid and their assessment. For a technically correct and cost-efficient operation of the distribution grids, it is of major importance to understand the influence of different grid variants and loading conditions on the grid stability and the power quality. Due to the complex correlations and the boundary conditions in terms of availability and quality, considering changing topology states, it is difficult to optimise electricity grids economically. Therefore, measurements will be performed in various low voltage grids to analyse the effects on compliance with EN 50160 when systems are operated beyond the limits of current rules that grid operators apply when assessing connection applications. The economic potential of different grid construction methods will be compared, and a generic monitoring concept will be developed.

Schlussbericht (Deutsch)

Zur Untersuchung von Qualitätsreserven in Verteilnetzen wurden während rund drei Jahren in verschiedenen Mittel- und Niederspannungsnetzen von sechs Netzbetreibern die Spannungsqualität (PQ) und die Auslastung erfasst. Die Einhaltung der EN 50160 wurde auch in Fällen analysiert, in denen vom Verteilnetzbetreiber (VNB) gewisse Anlagen bewusst über die Grenzen der heutigen «Technischen Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen DACHCZ» (TRBNr DACHCZ) hinaus zugelassen wurden. Das Ziel des Projekts war, auf Basis von Messungen in realen Verteilnetzen und einer umfassenden Datenanalyse die technischen und wirtschaftlichen Potenziale hinsichtlich der Einhaltung der Spannungsqualität durch die Anwendung verschiedener Massnahmen aufzuzeigen. Die Analysen ergaben, dass die untersuchten Nieder- und Mittelspannungsnetze im Allgemeinen mittlere bis grosse Qualitätsreserven in Bezug auf Auslastung und Spannungsqualität aufweisen. Jedoch können Spannungsqualitätsprobleme bei einer Häufung gleichartiger Geräte und Anlagen auftreten. Es wurde festgestellt, dass eine Abweichung von der 3-%-Regel gemäss den TRBNr DACHCZ möglich ist, solange Netzsimulationen zeigen, dass die Spannungsgrenzwerte an allen Netzknoten eingehalten werden. Dies steht im Einklang mit den technischen Regeln und könnte den zusätzlichen Anschluss von Photovoltaikanlagen ohne Netzverstärkung ermöglichen. Unterschiedliche Massnahmen wurden untersucht, um die Spannungsqualität sicherzustellen, darunter die Anpassung der Trafostufe, PV-Regelungen und die Überwachung mit PQ-Messgeräten. Ein spezifisches Konzept «Messen und Regeln» wurde bei einem Netzbetreiber implementiert und evaluiert. Des Weiteren wurde ein generisches Überwachungskonzept formuliert, das Empfehlungen für die Auswahl permanenter Messpunkte abgibt und ein einfaches Messgerät vorschlägt. Die Massnahme «Überwachung» kann durch eine kontinuierliche Messung der Spannungsqualität an neuralgischen Netzknoten durch Kenntnis der Qualitätsreserven die Sicherheit bieten, dass auch dann keine Grenzwertverletzungen auftreten, wenn Netzanschlüsse ohne weitere Massnahmen zugelassen werden. Bei einer zunehmenden Elektrifizierung schaffen die Netzzustandsdaten Transparenz im Netz, um dieses effizient zu nutzen und um Netzengpässe frühzeitig zu erkennen.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 9'495 kB

Schlussbericht (Englisch)

To investigate quality reserves in distribution grids, the power quality and the loading of the grid infrastructure were measured in various medium- and low-voltage grids of six grid operators over a period of around three years. Compliance with EN 50160 was also analyzed in cases where the distribution system operator permitted certain systems beyond the limits of the current «Technical Rules for the Assessment of Network Disturbances DACHCZ». The aim of the project was to use measurements in real distribution grids and a comprehensive data analysis to demonstrate the technical and economic potential for maintaining power quality by applying different measures. The analyses showed that the examined low and medium-voltage grids generally have medium to large quality reserves in terms of loading and power quality. However, power quality issues can occur in the case of an accumulation of similar devices and systems. It was concluded that a deviation from the 3 % rule in accordance with the technical rules is possible as long as grid simulations show that the voltage limits are maintained at all grid nodes. This is consistent with the technical rules and could enable the additional connection of photovoltaic systems without grid reinforcement. Several measures were investigated to ensure power quality, including adapting the transformer’s tap position, photovoltaics controls and monitoring with power quality measuring devices. A specific «measurement and control» concept was implemented and evaluated together with one grid operator. Furthermore, a generic monitoring concept was formulated that provides recommendations for the selection of permanent measuring points and suggests a simple measuring device. By continuously measuring the power quality at critical grid nodes and knowing the quality reserves, the measure «monitoring» helps to ensure that no limit violations occur even if grid connections are permitted without further measures. With increasing electrification, data on grid conditions provides transparency in the grid so that it can be used efficiently, and bottlenecks can be identified at an early stage.

Schlussbericht (Französisch)

Afin d'étudier la marge de qualité présente sur les réseaux de distribution, la qualité de la tension et le facteur de charge de différents réseaux moyenne et basse tension de six gestionnaires de réseau de distribution (GRD) ont été mesurés pendant environ trois ans. Le respect de la norme EN 50160 a également été analysé dans les cas où le gestionnaire de réseau de distribution a délibérément autorisé certaines installations au-delà des limites actuellement proposées par les « Règles techniques pour l'évaluation des perturbations de réseaux DACHCZ ». L'objectif du projet était d’évaluer les opportunités techniques et économiques pour le maintien de la qualité de la tension par l'application de différentes stratégies, sur la base de mesures effectuées dans des réseaux de distribution réels et d'une analyse approfondie des données. Les analyses ont confirmé que les réseaux moyenne et basse tension étudiés disposaient globalement de marges de qualité et de réserves d'utilisation modérées à importantes. Toutefois, des problèmes de qualité de la tension peuvent survenir en cas de concentration d'appareils ou d'installations similaires. Il est estimé qu'une dérogation à la règle des 3 % selon les règles techniques DACHCZ est possible pour autant que des simulations de réseau confirment que les valeurs limites de tension sont respectées à tous les nœuds du réseau. Cette démarche demeure conforme aux règles techniques et permettrait le raccordement supplémentaire d'installations photovoltaïques sans renforcement du réseau. Différentes approches permettant de garantir la qualité de la tension ont été étudiées, notamment l'adaptation du niveau de tension des transformateurs, le réglage des installations photovoltaïques et la surveillance à l'aide d'appareils de mesure de la qualité de la tension. Un concept spécifique de « mesure et réglage » a été mis en œuvre et évalué par un gestionnaire de réseau participant au projet. En outre, un concept générique de surveillance basé sur un instrument de mesure simplifié et des recommandations pour le choix des points de mesure permanents ont été proposés. La méthode «Überwachung » mesure de manière continue la qualité de la tension aux nœuds critiques du réseau, identifiés par la détermination de la marge de qualité. Cette méthode permet de garantir qu'aucun dépassement des valeurs limites fixées ne se produise, même lorsque des raccordements supplémentaires au réseau seraient autorisés sans disposition particulière. Dans un contexte d'électrification croissante, les données sur l'état du réseau créent de la transparence sur les contraintes d’utilisation du réseau et permettent d’augmenter son taux d’utilisation tout en anticipant d’éventuels risques de congestion.