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Themenblock E: NetzsimulationenNetzweite Simulation in exemplarischen Netzen

Workshop NetzHarmonieBerlin, 12.09.2018

Dr.-Ing. Max Domagk, TU Dresden

M. Sc. Farhad Safargholi, TU Chemnitz

M. Sc. Max Hoven, FGH e.V.

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Netzweite Simulation in

exemplarischen Netzen

Rückblick & Einleitung

Abnehmermodelle in der NS-Ebene

Einfluss realistischer Emissionen in der MS-Ebene

Notwendigkeit spannungsebenenübergreifender Simulation

Zusammenfassung/ Schlussfolgerungen

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Rückblick & Einleitung

Simulation/

Nachbildung von

Oberschwingungen

Simulation der

Netzimpedanzen

• Vorwiegende Anwendung in der Forschung oder zur

Nachbildung individueller, pegelkritischer Situationen

• Aufwendige, messdatenbasierte Modellierung des

Emissionsverhalten aller Anlagentypen (Wind, PV,

Abnehmer, etc.)

• Anwendung durch Netzbetreiber vorwiegend zur

Rundsteuerauslegung

• Anwendungen beim Netzbetreiber: Auffinden von

Resonanzstellen, Zusatzinformationen

in der Netzanschlussbewertung

• Dafür exakte Nachbildung der Frequenzabhängigkeiten

(Skin-Effekt, etc.) und genaue Abbildung der Dämpfung

unverzichtbar

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Rückblick & Einleitung

MS-Netz

~

MS-Netz

~~

~~

~

⋯

⋯

Abbildung des Einflusses

benachbarter Netzebenen

Nim

mt

zu

Nim

mt z

uModellierungs-

aufwand

Informations-

verlust

Modellierungstiefe steigt

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Modelle passiver Netzkomponenten

✓ Transformator

✓ Kabel / Freileitungen

Modelle aktiver Netzkomponenten

✓ Erzeuger (z.B. Photovoltaikanlagen)

➢ Abnehmer (z.B. Haushalte)

• Sehr hoher Aufwand für die Nachbildung einzelner Haushalte

(unterschiedlichste Gerätezusammenstellungen und –nutzungen)

• Probabilistische Modellierung der Haushalte

(Norton-Äquivalent für Impedanz- und Emissionsnachbildung)

• Bestimmung der Modellparameter aus Feldmessungen

Abnehmermodelle in der NS-Ebene

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Oberschwingungsmodellierung von Haushalten (1/2) - Impedanz

• Impedanzmessung eines realen Netzes (reines Wohngebiet)

• Simulation des gemessenen Netzes

– Modellierung der passiven Netzkomponenten

anhand Netzdaten

– Struktur der Haushaltsimpedanzen

ähnlich wie für PVs und EVs

• Anpassung der Impedanzparameter

mit dem Ziel die gemessenen Resonanzen

in der Simulation nachzubilden

• Resultierende Haushaltsimpedanz stellt starke Vereinfachung dar,

liefert im Mittel (Gesamtheit aller Haushalte im Netz) jedoch gute Ergebnisse

• Validierung anhand weitere Impedanzmessungen notwendig

Abnehmermodelle in der NS-Ebene

L1

R1

C1

R2

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Abnehmermodelle in der NS-Ebene

Oberschwingungsmodellierung von Haushalten (2/2) - Emission

• Nachbildung der Beträge und Phasenwinkel für jede Harmonische

anhand von Verteilungsfunktionen

• Bestimmung der Verteilungen und Parameter auf Basis von Messungen

– Betrag: Lognormal-Verteilung

– Phasenwinkel: je nach Ordnung Gleich-, Normal- oder Student-t-Verteilung

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Aggregierung mehrerer Haushalte (z.B. Mehrfamilienhaussiedlung)

• Einfaches Zusammenfassen einzelner Haushalte u.U. fehlerhaft

• Berücksichtigung weiterer Aspekte (z.B. Gleichzeitig- & Gleichphasigkeiten)

• Abhängigkeiten von Anzahl der Haushalte und Oberschwingungsordnung

Abnehmermodelle in der NS-Ebene

Gleichphasigkeit mehrerer Haushaltsmessungen

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Simulation in der Niederspannung

Korrelation zwischen Grund- und Oberschwingungen

• Oberschwingungsmodellierung für verschiedener Lastszenarien

(z.B. Stark- oder Schwachlast)

• Ausprägung der Korrelation deutlich abhängig von

Oberschwingungsordnung

• Tendenziell abnehmende Abhängigkeiten mit steigender Ordnungszahl

Oberschwingung und Grundschwingung für 15 Haushalte

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Einfluss realistischer Emissionen in

der MS-Ebene

MS-Netz

~

Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene

Modellierung des NS-Netzes mit Norton-

Ersatzschaltbild

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Einfluss realistischer Emissionen in

der MS-Ebene

MS-Netz

~

Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene

Modellierung des NS-Netzes mit Norton-

Ersatzschaltbild

➢ Nachbildung der Ersatzimpedanz anhand von

Messdaten (gemessen Impedanzen)

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Einfluss realistischer Emissionen in

der MS-Ebene

MS-Netz

~

Simulation im MS-Netz mit unterlagerter NS-Ebene

Modellierung des NS-Netzes mit Norton-

Ersatzschaltbild

➢ Nachbildung der Ersatzimpedanz anhand von

Messdaten (gemessen Impedanzen)

➢ Varianten zur Nachbildung des Ersatzstroms

o Maximal zulässige

Oberschwingungsstromgrenzwerte

o Realistische Emissionen anhand von

Messdaten

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Einfluss realistischer Emissionen in

der MS-Ebene

HV Network

SrT=40 MVA

6 km

K03S01

3 km

5 km

K04S02

K05S03

7 km

K06S04

4 km

4 km

K07S05

K08S06

2 km

K10S08

2 km

2 km

K11S09

K12S10

3 km

K15S13

3 km

5 km

K16S14

K17S15

5 km

K18S16

4 km

3 km

K19S17

K20S18

5 km

K22S20

2 km

3 km

K23S21

K24S22

S25 S26 S27

K09S07 K13S11

K14S12

K21S19 K25S23

K26S24

5 km 2 km

6 km

3 km

8 km

6 km

K02

K01

110/20 kVUk=13 %

YNd05

Ssc=2000 MVAConsumer

orProducer

Type T1: 240 mm

Underground Cables

Type T2: 150 mm

Type T3: 120 mm

Type T4: 95 mmTR01

T1

T2

T3 T3

T3

T3 T3

T3

T3

T3

T3

T3

T3

T3

T3

T1T2 T2 T2

T3T3

T4

T4

T4

T4

Simulation im MS-Referenznetz

➢ Modellierung der Netz-Betriebsmittel

➢ Modellierung der Anschlussnehmer

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Einfluss realistischer Emissionen in

der MS-Ebene

∆𝑈 𝜈=(𝑈ν,IEC − 𝑈ν,Mess)

𝑈ν,Mess

𝑈ν,IEC Resultierende OS-Spannungen (Berechnung der Emissionen anhand maximal

zulässigen OS-Stromgrenzwerte nach der Norm „IEC-61000-3-6“)

𝑈ν,Mess Resultierende OS-Spannungen (Berechnung der Emissionen anhand Messdaten)

75%-Quantil

Median

25%-Quantil

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• Unvollständige Informationen über unterlagerte

Netzebene hinsichtlich angeschlossener

Impedanz

– Anwendungsfall: Simulation im HS-Netz mit

unterlagerter MS-Ebene

• Mögliche Nachbildung über Ersatzimpedanz

– Standard-Ersatzschaltbild (ESB):

→ Parallelschwingkreis

– Parametrierung: Lastflussdaten an Übergabestelle

(Wirkleistung, Blindleistung) + „Erfahrung“

Spannungsebenenübergreifende

Simulation

HS-Netz

~?

~ R L C 𝑅 =𝑈2

𝑃𝑋𝐶 =

𝑈2

𝑄𝑘𝑎𝑝

𝑋𝐿 =𝑈2

𝑄𝑖𝑛𝑑

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• Resultierende Pegel

• Deutliche Pegelunterschiede für die 1. Resonanzstelle bei h = 5

• Bis zu 20-fach höhere Pegel bei Anwendung tatsächlicher Impedanz

➔ Unzureichende Abbildung insbesondere der ersten Parallelresonanz

bei Modellierung mit RLC-Ersatzschaltbild

Spannungsebenenübergreifende

Simulation

h h

OS

-Pe

ge

l [%

]

Tatsächliche

Impedanz

RLC-

Ersatzschalbild

∆𝑈ℎ

[p.u

.]

h

∆𝑈ℎ=𝑈ℎ𝑈ℎ,𝑅𝐿𝐶

95%-Quantil

5%-Quantil

MedianBandbreite bzgl.

Ausbauvarianten

und Netznutzung

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„Ursachenforschung“

• Nachbildung der Reihenresonanz (Trafo → unterlagerte Kabel-

kapazität) sowie Verlauf der Trafoinduktivität qualitativ möglich

• Parallelresonanzstellen aus unterlagertem MS-Netz nicht abbildbar

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 13 25 37 49

Spannungsebenenübergreifende

Simulation

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 13 25 37 49

40 MVA

30 MVA

20 MVA

15 MVA

Netzlast

Trafo + RLC-Impedanz Trafo + tatsächliche Impedanz

h h

[Ω] [Ω]

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• Aufwendige, messdatenbasierte Ableitung von Haushaltsmodellen

hinsichtlich Impedanz und Emission möglich

– Abhängig von Modellierungstiefe zusätzliche komplexe Effekte, bspw.

Abhängigkeit der Emission von der Grundschwingung zu erwarten

• Deutlich höhere Pegel durch Verwenden von OS-Stromgrenzwerte

zur Nachbildung der Emissionen unterlagerter Netzebenen

• Verändertes Pegelspektrum bei Verwenden realistischer

Emissionswerte

– Worst-Case-Betrachtung bei Stromgrenzwerte

– Wirkungszusammenhänge von Haushaltsemissionen in NS-Ebene nicht

abbildbar (bspw. Abhängigkeit der Emission von der Grundschwingung)

– Abhängigkeit realistischer Emissionen von der Netzimpedanz und

Vorbelastungen

➔ Realitätsnahe Nachbildung durch gemessene/ simulierte

Emissionverläufe unterlagerter Netze

Schlussfolgerungen

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• Parametrierung von Impedanzen unterlagerter Netze mittels

Lastflussgrößen problematisch

– Nachbildung der auftretenden Parallelresonanzen nicht möglich

– Parallelresonanzen aus unterlagerter Netzebene im niederfrequenten

Bereich auch in der betrachteten Netzebene wirksam

• Möglichkeiten zur Abbildung der unterlagerten Netzebene

– Pauschale Prognose für Resonanzstellen in HS-Ebene nicht möglich

– Netzspezifische Prognose ebenfalls problematisch: Verschiebung der

Resonanzstellen durch variierende Netznutzung sowie NVP-spezifische

Bandbreite

➔Verwenden gemessener oder simulierte Impedanzverläufe des

vorgelagerten Netzes empfehlenswert

Schlussfolgerungen

kR

es

kR

es

Stadt Land

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Vielen Dank für Ihr Interesse!

Dr.-Ing. Max Domagk (TU Dresden)

M. Sc. Farhad Safargholi (TU Chemnitz)

M. Sc. Max Hoven (FGH e.V.)

E-Mail: max.domagk@tu-dresden.de

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