Regelungsverfahren für regelbare Ortsnetztransformatoren im Mono- und Multisensorbetrieb

Schnieder, Raimund

Vorangetrieben durch festgelegte Mindestvergütungssätze für elektrische Energie aus erneuerbaren Energiewandlungsanlagen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) kam es in den Jahren 2008 bis 2014 zu einem starken Zubau von Photovoltaikanlagen in den Niederspannungsverteilnetzen. Hinzu kommen aktuell neue Niederspannungsnetzlasten, wie beispielsweise Ladepunkte für die Elektromobilität oder Elektrowärmepumpen. Diese Entwicklungen erzwingen Maßnahmen durch den Verteilnetzbetreiber (VNB) um die Einhaltung der nach DIN EN 50160 zulässigen Spannungstoleranzen zu gewährleisten. Eine Möglichkeit sind regelbare Ortsnetztransformatoren (rONT) die unterbrechungsfrei durch die Änderung des Übersetzungsverhältnisses die Niederspannung einstellen können. Hiermit können bis zum Erreichen der thermischen Belastungsgrenzen der Netzbetriebsmittel (Stromtragfähigkeit) Eingriffe wie Leitungsverstärkungen und Transformatorenaustausch (sog. „konventioneller Netzausbau“) reduziert oder gar vermieden werden. In der heutigen Praxis wird überwiegend der „Monosensorbetrieb“ realisiert, bei welchem der Spannungsistwert auf der Transformatorenunterspannungsseite erfasst und zur Spannungsregelung genutzt wird. In dieser Arbeit wird die Steigerung des Zubaupotentials durch erweiterte Regelungsverfahren des rONT untersucht. Hierzu werden zunächst Erweiterungen des Monosensorbetriebs betrachtet, die sich auf eine variable Einstellung des Spannungssollwerts durch Statiken beziehen. Im weiteren Verlauf erfolgt die Einbeziehung von zwei möglichen Datenfiltern, die aus abgesetzten Spannungsmesswerten einen resultierenden Spannungsistwert berechnen. Unter Beibehaltung des praxiserprobten Regelungsverfahrens für den Monosensorbetrieb wird auf diese Weise der Multisensorbetrieb realisiert. Zur Vermeidung der abgesetzten Sensorik im Netz werden zwei weitere Verfahren eingeführt, die die Netzspannungen annähern. Beim ersten Verfahren wird auf Basis der Solarstrahlungsleistung, des Leistungsflusses über dem Transformator und der Transformatorenunterspannung ein Spannungsistwert ermittelt, der an den Regler als Eingangsgröße übermittelt wird. Das zweite Verfahren nutzt zusätzlich einfache Netzparameter und nähert die Netzspannung unter Berücksichtigung der Strangströme an. Bei diesem Verfahren wird die ermittelte Netzspannung auf einen dynamischen Spannungssollwert zurückgeführt. Beide Verfahren reduzieren die auftretende Spreizung der Spannung (Differenz aus Minimal- und Maximalwert) an den Netzknoten und generieren auf diese Weise weitere Freiheiten im nach Norm zulässigen Spannungstoleranzband. Durch die erweiterten Regelungsverfahren kann das Zubaupotential vom Faktor 2,8 beim Monosensorbetrieb auf bis zu 4,3 bei den erweiterten Regelungsverfahren gesteigert werden.

In the years 2008 to 2014, there was a strong expansion of photovoltaic systems in the low voltage grid advanced by specified minimum remuneration rate for electrical power from renewable energy power plants given by the renewable energy law. Also new loads, for example electrical heat pumps and charging points for the electro mobility are integrated in the low voltage grids. These developments require actions by the distribution system operators (DSO) to support the voltage in the band according to the standard DIN EN 50160. One possibility is the use of controllable local power transformers. These transformers contain on-load tap changers (OLTC) to regulate the voltage without interruption of the low side of the transformer. Thus voltage-related grid expansion measures can be reduced or avoided until reaching the thermal load limit of the network resources. Today in the praxis controllable local power transformers are working in the mono-sensor operation. The regulation is only done by measuring of actual voltage value on the low voltage side of the local power transformer. The increase of the power annex in the low voltage grid through the extension of the control methods is investigated in this dissertation. At first the standard controller (mono-sensor operation) is expanded with characteristic curves for voltage set point specification depending on the power flow or the solar irradiance. The multi-sensor operation is realized by an expansion of the standard controller with data-filters for the voltage readings from remote measurement points in the low voltage grid as an input signal for the controller. To avoid the remoted sensors in the grid, in the next step an algorithm to calculate global voltage actual values with the parameters solar irradiation, power flow and measured voltage on the low voltage side is created for controlling the voltage in the grid. A second method uses additionally the grid parameters (e.g. impedance) to approximate a value for the voltage in the grid. In this method the determined value of voltage is returned to a dynamic voltage set point. Both methods reduce the voltage spread in the grid and generate more tolerances in the voltage band determined by the standard. Due to the in this work observed extended control methods, the power extension can be increased from factor 2.8 (mono-sensor operation) to 4.3 (advanced control methods).

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Schnieder, Raimund: Regelungsverfahren für regelbare Ortsnetztransformatoren im Mono- und Multisensorbetrieb. 2018.

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