Cold Load Pickup - · PDF fileTransformator Einschaltstrom, „ inrush

Institut für Elektrische Anlagen

Cold Load Pickup

Ao.Univ.-Prof. Dr. Herwig Renner

Fachtagung Energie:Was bewegt die Netze der Zukunft?


Cold Load Pickup (CLPU):

Leistungsüberhöhung nach Ausfall der Versorgung

cold: bezieht sich auf den Zustand der Last, nicht unbedingt auf die „kalte“ Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt des Ausfalls, auch wenn diese eine Rolle spielt.

pickup: Versorgungswiederaufnahme, Wiederherstellung in einem Netz oder Abzweig

Einleitung


Einleitung

Die Leistungsaufnahme von Lasten bei der Einschaltung nach einer (längeren) spannungslosen Pause ist generell höher als vor der Pause. Diese Leistungsüberhöhung hat im Wesentlichen folgende Ursachen:

Transiente Einschaltströme von Geräten

Verlust der statistischen Diversifizierung der Betriebszustände von regelnden Geräten


Einleitung

Relevanz:

• Schwaches Inselnetz bei Netzwiederaufbau nach Blackout

• Zuschaltung von einzelnen Mittelspannungsabzweigen• Wenige Kraftwerke am Netz, geringe

Trägheitskonstante• Herausforderung für Frequenzregelung


Typischer zeitlicher Verlauf

t

I

Strom vor Ereignis

transiente Spitze

Leistungsüberhöhung

stationärer Endwert

Unterbrechung


Transienter Einschaltstrom

Netzgeräte:Ladestrom KondensatorStromaufnahme elektronischer Eingangsstufen

Transformatoren, Eisendrosseln und Stromwandler:Zuschaltstrom Induktivität,Transformator Einschaltstrom, „inrush“

Leuchtmittel:Gasentladungslampen,

Elektrischen Maschinen und Antriebe:Anlaufverhalten Asynchronmotoren


Transienter Einschaltstrom

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0.05

0.1

0.15

0.2

Einschaltstrom einer Energiesparlampe

Zeit in Sekunden

Stro

m in

Am

pere

Messdaten

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-200

0

200

400

600

Zeit in Sekunden

Strom

in A

mpere

Transienter Zuschaltstrom Phase L1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-400

-200

0

200

400

600

Zeit in Sekunden

Strom

in A

mpere


0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-600

-400

-200

0

200

400

Zeit in Sekunden

Strom

in A

mpere


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-20

0

20

40

60

80

Zeit in Sekunden

Stro

m in

Am

pere


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-20

0

20

40

60

80

Zeit in Sekunden

Stro

m in

Am

pere


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-150

-100

-50

0

50

Zeit in Sekunden

Stro

m in

Am

pere



Verlust statistische Diversität Verlust der statistischen Diversität des Betriebszustandes

von geregelten Lasten Thermostatisch geregelten Lasten – Wärme

Direktheizungen, Elektroherde- und Backöfen, Waschmaschinen, Geschirrspüler etc.

Thermostatisch geregelten Lasten – KühlungKühl- und Gefriergeräte, Klimaanlagen

Abhängig von der mittleren Zyklusdauer der Geräte, Dauer Versorgungsunterbrechung, Umgebungstemperatur

In der Praxis dauert es einige zehn Minuten, bis die ursprüngliche Diversität wieder hergestellt ist.


„top down“ „bottom up“

„black box“ physikalisches Modell

Ableitung Bildungsgesetz:Eingangsdaten:

Messschriebe, Lastzusammen-setzung, Unterbrechungsdauer, Umgebungstemperatur

Ausgangsdaten:Leistungsüberhöhung

VT: -kein Modell notwendig-Regelwerk Erstellung

NT: -Anzahl der Datensätze-keine Einbringung von „a-priori“ Informationen

Ableitung Bildungsgesetz:

Physikalische Grundlagen, mathematische Zusammenhänge

VT: -keine Messdaten notwendig.

NT: - Aufwändige Modellnachbildung-Modellparameter: Identifikation

Verlust statistische Diversität - Analyse, Modellbildung


Verlust statistische Diversität - Simulation

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

t

P

t0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

T

0.5

1

1.5

2

5 zufällig gewählte thermostatisch Verbraucher33 min Unterbrechung


Verlust statistische Diversität – Simulation (bottom up)

30 % thermostatgesteuerte Last10 min Unterbrechung

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

t

P


Verlust statistische Diversität - Simulation

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

t

P

30 % thermostatgesteuerte Last33 min Unterbrechung


Messdatensammlung (top down)

Datensammlung in Kooperation mit

Leistungsschrieb mit hoher Zeitauflösung zumindest für die erste Minute (z.B. Störschreiber),

Leistungsschrieb der nächsten 30 min mit geringerer zeitlicher Auflösung (z.B. Netzleitsystem)

Grobe anonymisierte Charakterisierung des gemessenen Abzweigs bzw. der Station: Spannungsebene, Anteil von Gewerbe, Industrie, Haushaltskunden, Elektroheizungen, dezentrale Einspeiser

Zeitpunkt des Ausfalls bzw. der Wiedereinschaltung, Dauer der Unterbrechung

Klimatische Bedingungen während des Ausfalls, ungefähre Außentemperatur


Störschriebe

32 verwertbare Störschriebe


Leistungserhöhung

Vermutete Einflussparameter:

• Verbraucherzusammensetzung• Ausfalldauer• E-Heizungsanteil• Außentemperatur

De facto zu wenig unterschiedliche Messschriebe für die möglichen Kombinationen!

Konzentration auf Ausfalldauer


-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

2.5

2.75

3

3.25

3.5

3.75

4

4.25

4.5

4.75

5Zeitlicher Verlauf nach Wiedereinschaltung:

Zeit [m]

Stro

m [p

.u.]

Beschreibung: Rot...tA > 120 min, Grün...tA > 60 min,Cyan...tA > 30 min, Blau...tA < 30 min

Dunkelblau tA < 30minHellblau 30 min < tA < 60minGrün 60 min < tA < 120minRot 120 min < tA

Ergebnisse


Ergebnisse

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

2.25

2.5

2.75

3

3.25

3.5

3.75

4

4.25

4.5

4.75

5Zeitlicher Verlauf nach Wiedereinschaltung:

Zeit [m]

Stro

m [p

.u.]

Ausfall Nummer: 4 Ausfalldauer: tA = 2 min




Dunkelblau tA =2 minHellblau tA = 37 minGrün tA = 182 minRot tA = 316 min


Ergebnisse

1

2 3

100% Gewerbe,80% E-Heizung


Netzfrequenz bei Netzwiederaufbau

f

t

∆P, H df/dt∆P, σ fstat

∆P, TRegl. fmin

∆P LaständerungH Trägheitskonstante1/σ Reglerverstärkung



Wirkleistung zugeschaltener Netzblöcke bestimmt auftretende Frequenzänderung (fmin, fstat)

Cold Load Pickup beeinflusst die Höhe der Wirkleistung bei Zuschaltung

Nach dem derzeitigen Wissensstand können für die Frequenzhaltung bei dem Netzwiederaufbau die transienten Einschaltströme mit starker Amplitudenüberhöhung in den ersten Sekunden vernachlässigt werden, aber ...



... die Möglichkeit von Schutzgerätefehl-auslösungen sollte berücksichtigt werden

Schutzgeräte (z.B. Überstromzeitschutzrelais) können optional dieses Verhalten in Form spezieller Kennlinien „pickup curves“ hinterlegt haben.

Literatur z.B. Mirza O. H., "Usage of CLPU curve to deal with the cold load pickup problem"


Messdaten zeigen einen Bereich für die Leistungsüberhöhung von 1...4

„Kurze“ Ausfälle: die statische Lastdiversität bleibt erhalten, bei tA< 30min kann Überhöhung nach Wiederzuschaltung vernachlässigt werden

Bei längerer Ausfalldauer kann durchaus mit einem Überhöhungsfaktor von 3 gerechnet werden.

exakte Vorhersage Zuschaltstrom nicht möglich.



zusätzliche Eingangsparameter:

Uhrzeit, dadurch Einfluss Tageslastgang, z.B. Mittagsspitze

Witterung, dadurch Heizungseinsatz genauer festgelegt.

Saisonale Einflüsse

Geographische Parameter

Demographische Parameter

Unsicherheiten


Cold Load Pickup

Ao.Univ.-Prof. Dr. Herwig Renner

Cold Load Pickup - · PDF fileTransformator Einschaltstrom, „ inrush

Documents

Transcript of Cold Load Pickup - · PDF fileTransformator Einschaltstrom, „ inrush