Photovoltaik (PV) -Energie hat ein großes Potenzial, Energie mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt zu liefern, da sie sauber und umweltfreundlich ist. Eine große Anzahl von Solarzellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind, bilden die Photovoltaik- oder Solaranlagen. Eine Möglichkeit, photovoltaische Energie zu nutzen, ist in einem verteilten Energiesystem als Spitzenstromquelle.
Andererseits wurden strenge Vorschriften für die an die Versorgungsleitungen angeschlossenen Geräte angewendet. Einige dieser Vorschriften beziehen sich auf Oberschwingungsverzerrungen und Leistungsfaktoren. Mit der Entwicklung der Leistungselektronik neigen jedoch viele Geräte dazu, die harmonischen Verzerrungen zu erhöhen. Der Netzstrom am Eingang des Diodenbrückengleichrichters weicht erheblich von einem sinusförmigen Verlauf ab und dieser verzerrte Strom kann auch zu einer Verzerrung der Netzspannung führen. Darüber hinaus verwenden viele moderne Geräte digitale Steuerungen, die auf Mikroprozessoren basieren, die empfindlich auf Schwankungen der Spannungs- und Stromwellenformen reagieren. Um die PV-Systemauslastung zu erhöhen, kann die Leistungsumwandlung daher so ausgelegt werden, dass sie auch Funktionen eines einheitlichen Stromqualitätskonditionierers bereitstellt.
Die Verwendung von zwei DC / AC-voll gesteuerten Wandlern macht das System zur vielseitigsten Struktur von Wandlern, die als Energiekonditionierer eingesetzt werden. In diesem Fall können die Wandler je nach Steuerung unterschiedliche Kompensationsfunktionen haben. Sie können z.B. aktive Reihen- und Shuntfilter realisieren, die gleichzeitig Laststrom und Oberschwingungen der Versorgungsspannung kompensieren. Auf diese Weise wird das Gerät als Unified Power Quality Conditioner (UPQC) bezeichnet. Ein aktiver Shuntfilter ist ein geeignetes Gerät zur strombasierten Kompensation. Diese Konfiguration umfasst Stromoberschwingungen und Blindleistungskompensationen. Der aktive Shuntfilter kann auch unsymmetrische Ströme ausgleichen.
Das aktive Serienfilter wird normalerweise zur spannungsbasierten Kompensation verwendet. In diesem Fall werden Spannungsoberschwingungen und Spannungseinbrüche kompensiert. Andere Anwendungen finden sich in der Literatur zum Zwecke der Kompensation der Grundfrequenz, wie Blindleistungskompensation, Flussregelung der Wirkleistung und Spannungsregelung. In diesem Fall wird es als Unified Power Flow Controller (UPFC) bezeichnet.
Herkömmlicherweise bestehen netzgekoppelte photovoltaische Energieumwandlungssysteme aus einem DC/DC-Wandler und einem Wechselrichter. Der DC-DC-Wandler wird gesteuert, um den maximalen Leistungspunkt der Photovoltaikanlage zu verfolgen, und der Wechselrichter wird gesteuert, um Strom so zu erzeugen, dass der Systemstrom eine geringe Klirrfaktor (THD) aufweist und in Phase mit der Versorgungsspannung ist. Der Wirkungsgrad des herkömmlichen Systems ist gering, da der DC-DC-Wandler und der Wechselrichter in Reihe geschaltet sind. Der Zweck dieses Artikels ist es, eine Photovoltaikanlage für den Anschluss in einem Dreiphasensystem mit nur einem DC / AC-Wechselrichter zu entwerfen.
Das vorgeschlagene System erhöht den Umwandlungswirkungsgrad und bietet jederzeit eine nützliche Funktion, die als Stromversorgung sowie als Oberwellen- und Blindleistungskompensator fungiert, wenn die Sonne verfügbar ist. Bei geringer Einstrahlung arbeitet das System nur als Oberwellen- und Blindleistungskompensator. Andere DC/DC konverter ist verwendet zu bieten spannung harmonische entschädigung. Die Kostenschätzung zeigt, dass die Verwendung zusätzlicher Komponenten die Kosten um weniger als 12% erhöht, um eine weitere Funktion zur Verbesserung der Stromqualität zu haben. Auch dieser Wandler verändert den Wirkungsgrad der PV-Energieumwandlung nicht, da die Wandler parallel geschaltet sind.
Die Steuerung wurde mit dem synchronen Referenzrahmen (SRF)-Verfahren implementiert. Das System und die Steuerung wurden entworfen und simuliert. Verschiedene Pulsweitenmodulationstechniken (PWM) wurden verglichen, um eine Konfiguration mit optimaler Effizienz vorzuschlagen. Das System liefert etwa 2,8 kW Photovoltaik-Erzeugung.
Die Nutzung von Photovoltaikanlagen als sichere und saubere Energiequelle aus der Sonne hat rapide zugenommen. Die Anwendung von PV-Systemen in Energiesystemen kann in zwei Hauptbereiche unterteilt werden: Off-Grid- oder Stand-Alone-Anwendungen und On-Grid- oder Grid-Connected-Anwendungen. Stand-Alone-PV-Systeme können verwendet werden, um Strom für entfernte Lasten bereitzustellen, die keinen Zugang zu Stromnetzen haben, während netzgebundene Anwendungen verwendet werden, um Energie für lokale Lasten bereitzustellen und Strom mit Versorgungsnetzen auszutauschen.
Das erste große netzgekoppelte PV-Kraftwerk mit 1 MW Leistung wurde in Lugo, Kalifornien, USA installiert. Die zweite Anlage mit 6.In Carissa Plains, Kalifornien, USA, wurde eine Kapazität von 5 MW installiert. Derzeit sind viele große netzgekoppelte PV-Anlagen mit unterschiedlichen Leistungsbereichen in verschiedenen Ländern in Betrieb.
PV-Anlagen können den Betrieb von Stromversorgungssystemen verbessern, indem sie das Spannungsprofil verbessern und die Energieverluste von Verteilerzuführungen, die Wartungskosten und die Belastung von Transformatorstufenschaltern während der Spitzenzeiten reduzieren. Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Technologien sind PV-Anlagen jedoch immer noch mit großen Schwierigkeiten konfrontiert und können einige nachteilige Auswirkungen auf das System haben, wie z. B. Überlastung der Einspeiser, harmonische Verschmutzung, hohe Investitionskosten, geringe Effizienz und geringe Zuverlässigkeit, die ihre weit verbreitete Verwendung behindern. Darüber hinaus können Schwankungen der Sonneneinstrahlung zu Leistungsschwankungen und Spannungsflimmern führen, was zu unerwünschten Auswirkungen auf PV-Hochspannungsanlagen im Stromnetz führt. Einige Steuerungsmethoden wie Maximum Power Point Tracking (MPPT) können verwendet werden, um die Effizienz von PV-Systemen zu verbessern.
In solchen Reglern sollte sowohl die erzeugte Spannung als auch der Strom der PV-Anlage gesteuert werden. Dies kann die PV-Systemstruktur mit einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit komplizieren, während die maximale Leistung bei unerwarteten Wetterbedingungen verfolgt wird. In Bezug auf das Systemschutzschema sollten die auf PV-Anlagen basierenden verteilten Generatoren (DGs) die lokalen Verbraucher mit Strom versorgen, nachdem das System unter fehlerhaften Bedingungen vom Stromnetz getrennt wurde.
In diesen Situationen kann eine unbeabsichtigte Insellage das Risiko von Sicherheitsproblemen oder Schäden an anderen Teilen der Systemkomponenten erhöhen, was die Systemzuverlässigkeit verringern kann.
Aufgrund dieser Probleme ist eine genaue Analyse der Auswirkungen der Installation großer netzgekoppelter PV-Anlagen auf die Leistung des Stromnetzes erforderlich.
Diese Bewertung ist wichtig, da sie praktikable Lösungen für potenzielle Betriebsprobleme bieten kann, die netzgekoppelte PV-Systeme für andere Komponenten in Verteilernetzen verursachen können.
In der Literatur konzentrieren sich viele Arbeiten auf die stationäre Modellierung und Analyse von PV-Systemen. Es wurde jedoch noch nicht versucht, die Auswirkungen netzgekoppelter PV-Anlagen auf den dynamischen Betrieb und die Steuerung der Anlage vor der Echtzeit-Implementierung zu untersuchen.
PV-Systemmodellierung
Hocheffiziente netzgekoppelte PV-Anlagen, die als eine Art DG im Megawatt-Bereich bekannt sind, entwickeln sich rasant weiter. Diese decken den Großteil des PV-Marktes in verschiedenen Ländern weltweit ab.
Die Hauptkomponenten einer netzgekoppelten PV-Anlage umfassen eine Reihe / Parallel-Mischung von PV-Arrays, um Sonnenlicht direkt in Gleichstrom umzuwandeln, und eine Stromkonditionierungseinheit, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Abbildung 1 zeigt das allgemeine Diagramm netzgekoppelter PV-Anlagen.
Insbesondere Energiespeicher wie Batterien und Superkondensatoren gelten in vielen Fällen auch als dritte Komponente netzgekoppelter PV-Anlagen.
Diese Geräte verbessern die Leistung von PV-Anlagen, wie z. B. die Stromerzeugung bei Nacht, die Blindleistungsregelung der PV-Anlagen, die Spitzenlastverschiebung und die Spannungsstabilisierung von Netzen.
Um eine ordnungsgemäße Schnittstelle zwischen netzgekoppelten PV-Anlagen und dem Versorgungsnetz bereitzustellen, müssen einige Bedingungen erfüllt sein, wie z. B. Phasenfolge-, Frequenz- und Spannungspegelanpassung. Die Bereitstellung dieser Bedingungen hängt stark von der angewandten Leistungselektroniktechnologie von PV-Wechselrichtern ab.
Abbildung 1: Vereinfachtes Diagramm der netzgekoppelten PV-Anlage…
Abbildung 2: Ersatzschaltung des PV-Moduls…
Die elektrischen Eigenschaften eines PV-Aggregats können im Allgemeinen über die Strom-Spannungs- bzw. Die Leistungs-Spannungs-Verhältnisse der Zelle ausgedrückt werden.
Die Variationen dieser Eigenschaften hängen direkt von der von der Zelle empfangenen Bestrahlungsstärke und der Zellentemperatur ab.
Um die dynamische Leistung von PV-Anlagen unter verschiedenen Wetterbedingungen zu analysieren, ist daher ein geeignetes Modell erforderlich, um den Einfluss von Bestrahlungsstärke und Temperatur auf den Strom und die Spannung der PV-Anlagen umzurechnen.
Abbildung 2 zeigt die äquivalente elektrische Schaltung eines kristallinen Silizium-PV-Moduls. In diesem modell, ICH ist die ausgang terminal strom, IL ist die licht-erzeugt strom, Id ist die diode strom, Ish ist die shunt leckstrom, Rs ist die interne widerstand, und Rsh ist die shunt widerstand.
In der Praxis hängt der Wert von Rs stark von der Qualität des verwendeten Halbleiters ab. Daher kann jede kleine Variation des Rs-Wertes die PV-Leistung dramatisch verändern.
Mögliche Auswirkungen netzgekoppelter PV-Anlagen auf Verteilnetze
Erneuerbare Energiequellen, insbesondere PV-Anlagen, sind zu immer wichtigeren Energiequellen geworden und stoßen auf erhebliches kommerzielles Interesse. Dennoch kann der Anschluss großer PV-Anlagen an Versorgungsnetze mehrere betriebliche Probleme für Verteilnetze verursachen.
Die Schwere dieser Probleme hängt direkt vom Prozentsatz der PV-Durchdringung und der Geographie der Installation ab. Daher kann die Kenntnis der möglichen Auswirkungen großer netzgekoppelter PV-Systeme auf Verteilnetze praktikable Lösungen vor Echtzeit- und praktischen Implementierungen liefern.
Ziel dieses Abschnitts ist es, mögliche Auswirkungen von PV-Anlagen auf Verteilnetze vorzustellen. Einschaltstrom. Der kleine unvermeidliche Unterschied zwischen PV-Anlagen und Netzspannungen kann einen Einschaltstrom einführen, der zum Zeitpunkt des Anschlusses zwischen der PV-Anlage und dem Versorgungsnetz fließt und exponentiell auf Null abfällt. Der erzeugte Einschaltstrom kann zu störenden Auslösern, thermischer Belastung und anderen Problemen führen.
Netzgekoppelte Photovoltaikanlage
Das vorgeschlagene Photovoltaik (PV) -Energieumwandlungssystem weist einen hohen Wirkungsgrad, niedrige Kosten und eine hohe Funktionalität auf. Abbildung 3 zeigt das Blockschaltbild des vorgeschlagenen Systems. Der Konverter 1 (PV-Konverter) in Abbildung 3 ist dafür verantwortlich, die PV-Energie in das Netz umzuwandeln sowie Stromoberschwingungen und Blindleistung zu kompensieren. Der Konverter 2 (Dynamic Voltage Restorer – DVR Converter) in Abbildung 3 ist für die Kompensation von Spannungsoberschwingungen oder Spannungsabsackungen verantwortlich.
Abbildung 3: PV-Erzeugung mit UPQC-Funktion…
Abbildung 4: Konventionelle Last mit Spannungsminimum am Leitungsende …
Die Verwendung von zwei gesteuerten Umrichtern macht das System zur vielseitigsten Struktur, die als Energiekonditionierer angewendet wird. In diesem Fall können die Wandler je nach Steuerung unterschiedliche Kompensationsfunktionen haben.
Sie können z.B. aktive Reihen- und Shuntfilter realisieren, die gleichzeitig Laststrom und Oberschwingungen der Versorgungsspannung kompensieren.
Sicherheit
Sicherheit ist eines der Hauptanliegen in PV-Anlagen aufgrund unbeabsichtigter Inselbildung zum Zeitpunkt des Auftretens von Fehlern auf der Netzseite. Hier speisen PV-Anlagen die Last auch nach der Trennung des Netzes vom Stromnetz weiter, was zu einem elektrischen Schlag der Arbeiter führen kann.
Überspannung
PV-Anlagen sind in der Regel so ausgelegt, dass sie in der Nähe des Leistungsfaktors arbeiten, um die Sonnenenergie vollständig zu nutzen. In diesem Fall spritzt die PV-Anlage nur Wirkleistung in das Versorgungsnetz ein, was den Blindleistungsfluss der Anlage verändern kann.
Daher können Spannungen benachbarter Busse aufgrund fehlender Blindleistung erhöht werden. Die erzeugte Überspannung kann negative Auswirkungen auf den Betrieb sowohl der Versorgungs- als auch der Kundenseite haben. Schwankung der Ausgangsleistung, Die Schwankung der Ausgangsleistung von PV-Anlagen ist einer der Hauptfaktoren, die schwerwiegende Betriebsprobleme für das Versorgungsnetz verursachen können. Leistungsschwankungen treten aufgrund von Schwankungen der Sonneneinstrahlung auf, die durch die Bewegung von Wolken verursacht werden, und können je nach Windgeschwindigkeit, Art und Größe der vorbeiziehenden Wolken, der von der PV-Anlage abgedeckten Fläche und der Topologie der PV-Anlage Minuten oder Stunden andauern. Leistungsschwankungen können Leistungsschwankungen in Leitungen, Über- und Unterbelastungen, inakzeptable Spannungsschwankungen und Spannungsflimmern verursachen.
Schwankung der Ausgangsleistung
Die Schwankung der Ausgangsleistung von PV-Anlagen ist einer der Hauptfaktoren, die schwerwiegende Betriebsprobleme für das Versorgungsnetz verursachen können. Leistungsschwankungen treten aufgrund von Schwankungen der Sonneneinstrahlung auf, die durch die Bewegung von Wolken verursacht werden, und können je nach Windgeschwindigkeit, Art und Größe der vorbeiziehenden Wolken, der von der PV-Anlage abgedeckten Fläche und der Topologie der PV-Anlage Minuten oder Stunden andauern. Leistungsschwankungen können Leistungsschwankungen in Leitungen, Über- und Unterbelastungen, inakzeptable Spannungsschwankungen und Spannungsflimmern verursachen.
Harmonische
Harmonische verzerrung ist eine ernsthafte power qualität problem, dass auftreten können aufgrund der verwendung von wechselrichter, dass konvertieren DC strom zu AC strom in PV systeme. Die erzeugten Oberschwingungen können Parallel- und Serienresonanzen, Überhitzung in Kondensatorbänken und Transformatoren und Fehlbetrieb von Schutzvorrichtungen verursachen, die die Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen verringern können.
Frequenz Fluktuation
Frequenz ist einer der mehr wichtige faktoren in power quality. Ein Ungleichgewicht zwischen der erzeugten und der verbrauchten Leistung kann zu Frequenzschwankungen führen. Aufgrund der geringen Größe von PV-Anlagen sind die Frequenzschwankungen im Vergleich zu anderen auf erneuerbaren Energien basierenden Ressourcen vernachlässigbar. Dieses Problem kann jedoch durch eine Erhöhung der Durchdringung von PV-Systemen verschärft werden. Frequenzschwankungen können die Wicklungsgeschwindigkeit in Elektromotoren verändern und Generatoren beschädigen.
Grenzen der Netzübertragungskapazität
Bei der herkömmlichen Auslegung eines Stromnetzes wird ein vom Transformator zur Last gerichteter Lastfluss berücksichtigt. Für die Bemessung von Transformatoren und Verteilerleitungen wurden passive Lasten mit sinusförmigen Strömen angenommen. Abbildung 4 zeigt die Spannung, die mit dem Abstand vom Transformator abnimmt.
Daher wird üblicherweise so ausgelegt, dass die Spannung am Transformator oberhalb der Nennspannung gehalten wird, um einen Spannungsabfall zu erreichen, der unterhalb des minimal vorgegebenen Wertes liegt. In den letzten Jahren hat sich die Nutzung von Verteilnetzen stark verändert, da viele Geräte unkontrollierte Brückengleichrichter auf der Netzeingangsseite verwenden. In vielen ländlichen Gebieten wurde eine große dezentrale Stromerzeugung (z. B. Photovoltaik, Wind, Mikroturbinen und kombinierte Erzeugung) installiert. In einigen Gebieten ist die installierte Erzeugungsleistung deutlich höher als der Verbrauch und erreicht oft die Nennnetzleistung. Aufgrund der hohen Stromerzeugung aus dezentralen Erzeugungsstationen kann der Lastfluss seine Richtung ändern. Insbesondere in Zeiten mit hohem Solargewinn, in denen Solaranlagen ihre höchste Leistung in das Netz einspeisen, während der Stromverbrauch relativ niedrig sein kann, kann es zu einem umgekehrten Stromfluss kommen. Daher wird solar erzeugter Strom über den Transformator dieses Zweigs in das Mittelspannungsnetz eingespeist. Wenn die Leistung im Bereich der Nennleistung des Zweigs liegt, kann die Spannung am Verbindungspunkt der Erzeugungsanlage erheblich ansteigen. Wenn die spannung übersteigt die toleranz von in der regel 10% über nennspannung, andere geräte und ausrüstung könnte beschädigt werden.
Abbildung 5: Spannungsmaximum oder -minimum am Leitungsende…
Abbildung 6: Datenerfassungs- und Steuerungsstruktur…
Abbildung 5 zeigt die möglichen Spannungsschwankungen mit dem Abstand vom Transformator für verschiedene Last- und Erzeugungsbedingungen. Daher wird die Konstruktion normalerweise so ausgeführt, dass die Spannung am Transformator über der Nennspannung gehalten wird, um Spannungsabfälle unter den minimalen angegebenen Wert zu reduzieren.
Bei dezentraler Erzeugung kann die Spannung am Anschlusspunkt ansteigen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Wenn die Spannung am Transformator über dem Nennwert eingestellt wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass die angegebene maximale Spannung überschritten wird. In Deutschland wird eine maximale Spannungserhöhung von 2 oder 3% in der Zukunft durch verteilte Kraftwerke in Niederspannungsnetzen empfohlen. Bei umgekehrtem Leistungsfluss wird die maximal zulässige Spannung auch unterhalb der Nennleistung des Netzzweiges erreicht.
Daher muss das Netz verbessert werden, um neue Dienste und neue Funktionen anzubieten, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden. Die Vermeidung hoher Installations- oder Betriebskosten fördert das weitere Wachstum der dezentralen Stromerzeugung. In der Vergangenheit war ein Netzausbau erforderlich, um die Übertragungskapazität zu erhöhen, was zu zusätzlicher Verkabelung und höheren Investitionskosten führte, auch wenn die zusätzliche Kapazität nur für wenige Betriebsstunden pro Jahr genutzt wird, normalerweise an Solargewinntagen, wenn tatsächlich zusätzliche Netzkapazität benötigt wird. Kurzfristig kann ein zusätzlicher Anschluss von Solaranlagen oft erst dann genehmigt werden, wenn der Netzausbau erfolgt ist.
Erhöhung der Spannungsqualität und Netzkapazität
Während die Netzkapazität und Netzqualität bisher hauptsächlich durch den Netzausbau bereitgestellt wurden, zielt dieses Projekt darauf ab, die in den Netzen verteilten Anlagen effektiv zu nutzen. Dies geschieht durch den Einsatz von verteilter Messtechnik, intelligenter Steuerung der Leistungselektronik, neuer Informations- und Kommunikationstechnik und den Möglichkeiten der Netzsteuerung. Das Konzept wird am Beispiel verteilter PV-Anlagen entwickelt und erprobt. Die Verwendung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. In allen Netzen mit steuerbaren Einspeiseanlagen und Lasten kann die Netzeffizienz durch verteilte Netzdienste gesteigert werden.
An Anschlussstellen großer Lasten und dezentraler Erzeugung muss der Betriebszustand des Netzes kontinuierlich gemessen werden. Solarwechselrichter sind mit Datenerfassungsfunktionen ausgestattet, da sie ihre Spannung und Frequenz mit der Netzspannung synchronisieren müssen. Für Lastanschlussstellen ist Messtechnik zu installieren. Wie in Abbildung 6 gezeigt, ist ein Hauptcomputer mit einer Reihe von Datenerfassungsgeräten und Solarwechselrichtern vernetzt. Datenerfassungsgeräte und Solarwechselrichter überwachen Spannung, Strom und Leistungsfluss an ihren Standorten im Netz. Datenerfassungsgeräte befinden sich an großen Lasten (z. B. Industrieanlagen) und Netzknoten. Der Hauptrechner empfängt die Netzzustandsdaten und berechnet dann die Werte für die benötigte Blindleistung für die einzelnen Solarwechselrichter, die über das Datennetz an die Wechselrichter gesendet werden.
Die Steuerungsstruktur besteht aus drei verschiedenen Steuerelementen. Der erste Teil ist die Begrenzung der Netzspannung durch Blindleistungsaufnahme der Wechselrichter. Um unnötige Verluste zu vermeiden, müssen nur so viele Wechselrichter wie nötig nur so viel Blindleistung aufnehmen, wie zur Begrenzung der Netzspannung benötigt wird. Somit aktiviert der Hauptrechner nur die Wechselrichter mit den höchsten Spannungsebenen im Netz. Zusätzlich können Spannungsschwankungen durch schnelle Last- und Erzeugungswechsel, z.B. bewegte Wolken, ausgeglichen und geglättet werden, indem Blindleistung über die Solarwechselrichter eingespeist und absorbiert wird. Die Wechselrichter können auch zur lokalen Kompensation der von anderen Verbrauchern benötigten Blindleistung eingesetzt werden, um Verluste im Netz zu minimieren.
Bild 7: Spannungsabfall an einer Leitung bei Einspeisung von Wirk- (links) sowie Wirk- und Blindleistung (rechts)…
Spannungsbegrenzung
Solarwechselrichter über 8 bis 10 kW sind in der Regel dreiphasig ans Netz angeschlossen. Sie können in allen vier Quadranten arbeiten und so Blindleistung einspeisen oder aufnehmen, während Wirkleistung ins Netz eingespeist wird. Abbildung 7 zeigt in qualitativer Weise den Spannungsabfall an einer Übertragungsleitung. Während die Spannung am Ende der Leitung U2 bei normalen Lastzuständen niedriger ist als die Spannung U1 am Anfang (Transformatorseite), ändert sich dies, wenn am Ende der Leitung Wirkleistung eingespeist wird (linker Teil von Bild 7).
Die Spannung kann am Leitungsende deutlich höher sein als am Transformator. Durch die zusätzliche Aufnahme von Blindleistung (oder Strom) kann die Überspannung verringert werden (rechte Seite von Bild 7). Dies ist auch in Niederspannungsverteilernetzen mit einem relativ hohen R / X-Verhältnis der Fall, insbesondere unter Berücksichtigung der Transformatorimpedanz.
Durch den Blindleistungsfluss entsteht ein zusätzlicher Strom, der vom Wechselrichter angetrieben werden muss. Untersuchungen zur Blindleistung haben gezeigt, dass ein minimaler Leistungsfaktor von cos y = 0,9 in typischen Niederspannungsnetzen ausreicht, um die Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten. Ein Leistungsfaktor cos y = 0,9 liefert eine Blindleistung von 43% der Wirkleistung. Dies bewirkt einen um 10 % höheren Strom des Wechselrichters. Wird die Blindleistung nur bei erhöhten Spannungsniveaus aufgenommen, kann die höhere Nennleistung des Solarwechselrichters geringer oder gar nicht notwendig sein. Wird Blindleistung zur Begrenzung der Netzspannung verwendet, entstehen durch den höheren Netzstrom zusätzliche Verlustleistungen im Wechselrichter und in den Netzleitungen. Der Vorteil ist jedoch, dass höhere Wirkleistung übertragen und der überschüssige solar erzeugte Strom ins Netz eingespeist werden kann. Daher ist es zweckmäßig, die Blindleistung nicht durch eine statische Kennlinie der Wechselrichter bereitzustellen, sondern die Blindleistungsaufnahme zu minimieren, indem diejenigen Wechselrichter einzeln angesteuert werden, die den größten Einfluss auf die Netzspannung haben. Die Kommunikation jedes Wechselrichters mit einem Zentralrechner sorgt für die Optimierung der Blindleistungsaufnahme.
Abbildung 8: Spannungserhöhung durch PV-Kraftwerke…
Glättung von Spannungsschwankungen
Schwankende Leistungsaufnahme von PV-Anlagen durch vorbeiziehende Wolken oder stark schwankende Lasten verursachen Spannungsschwankungen im Niederspannungsnetz. Die Blindleistungsaufnahme (kapazitiv) bei negativen Spannungsspitzen und die Blindleistungsaufnahme (induktiv) bei positiven Spannungsspitzen durch die verteilten Solarwechselrichter können Spannungsschwankungen im Netz ausgleichen. Durch eine solche zusätzliche Steuerung, die lokal in den Wechselrichtern implementiert ist, kann die Gefahr von Flackern reduziert werden. Das System benötigt keine Kommunikation der Wechselrichter mit einem Zentralrechner.
Blindleistungskompensation
Die Blindleistungskompensation bis zu diesem Zeitpunkt erfordert zusätzliche Ausrüstung und die damit verbundenen Installations- und Inbetriebnahmekosten, die durch höhere Wirkungsgrade amortisiert werden sollten. Bisher wird die Kompensation hauptsächlich in großen Industrieanlagen eingesetzt. Die Erzeugung dezentraler Blindleistung zur Kompensation senkt daher die Verlustleistung aufgrund kurzer Übertragungsstrecken der Blindleistung deutlich. Zur Erzeugung von Blindleistung ist ein kurzfristiger Energiespeicher erforderlich. Dies kann mit Kondensatoren oder Induktivitäten erfolgen. Spannungszwischenkreis-basierte Solarwechselrichter haben in der Regel Kondensatoren, so dass die bereits installierte Kapazität für Blindleistung genutzt werden kann. Die vorhandenen Blindleistungsreserven, die von den verteilten Wechselrichtern inhärent vorhanden sind, können zur Blindleistungsversorgung des überlagerten Mittelspannungsnetzes oder zur Reduzierung der Blindleistungsaufnahme des Niederspannungsnetzes zur Minimierung der Verluste genutzt werden.
Feldtest
Der Feldtest erfolgt in einem realen Niederspannungsnetz mit einer hohen Durchdringung von PV-Kraftwerken.
Übersicht des Testgitters
Abbildung 8 zeigt den Aufbau des Testgitters. Das Netz wird von zwei Transformatoren (Nennleistung 630 kVA) gespeist und verzahnt betrieben. Die installierte PV-Anlagenleistung beträgt 400 kWp und liegt damit bereits über der durchschnittlichen Netzlast. An sonnigen Tagen wird regelmäßig Wirkleistung in das Mittelspannungsnetz zurückgespeist. Aufgrund der hohen Anzahl landwirtschaftlicher Gebäude mit großen Dachflächen gibt es zahlreiche relativ große PV-Kraftwerke im Netz.
Abbildung 9: Anzahl der 10-Minuten-Mittelwerte in Abhängigkeit vom Wirkleistungsfluss des Testnetzes…
Die Spannungsverteilung und die Belastungen von Kabeln und Transformatoren wurden mit einer kommerziellen Netzanalysesoftware berechnet. Abbildung 8 zeigt auch die Spannungsverteilung im Netzgebiet durch PV-Kraftwerke. Nach den VDEW-Empfehlungen werden die Spannungen lastfrei und mit Einspeisung der Nennleistung der Wechselrichter berechnet. Es ist ersichtlich, dass in diesem Netz ein Spannungsanstieg < 2% nur in der Nähe der Transformatoren beobachtet wird. Der Anstieg liegt über 2% zwischen den Transformatoren und über 3 oder 4 % an den kritischen Netzerweiterungen. Trotz der Spannungserhöhung sind die Transformatoren und Kabel im Netz zu 40% belastet.
Abbildung 10: PV-Einspeisung und Spannung…
Vormessungen
Die Daten beider Transformatoren lagen in 10-Minuten-Mittelwerten über einen Zeitraum von einem Jahr vor. Abbildung 9 zeigt die Anzahl der gemessenen 10-Minuten-Mittelwerte in Abhängigkeit vom Blindleistungsfluss des Netzes. An sonnigen Tagen übersteigt der von den PV-Kraftwerken im Netz erzeugte Strom die Last. Somit besteht ein Wirkleistungsfluss vom Testnetz zum überlagerten Mittelspannungsnetz.
Zwei Messpunkte an den Wechselrichtern von PV-Kraftwerken standen zur Verfügung, um den Zustand des Testnetzes vorab zu bewerten. Einer befindet sich an einem PV-Kraftwerk, das sich am Ende einer kritischen langen Leitung befindet, und der andere befindet sich zwischen den Transformatoren.
Das obere Diagramm in Abbildung 10 zeigt die Entwicklung der PV-Einspeisung in p.u. bezogen auf die Nennleistung des Wechselrichters, der an einem sonnigen Sommertag war. Die Nennleistung wird wegen der starken Erwärmung der PV-Module nicht erreicht. Das untere Diagramm in Bild 10 zeigt auch die entsprechenden Spannungen an beiden Messpunkten (grün: Messpunkt am kritischen Netzausbau, rot: Messpunkt zwischen den beiden Transformatoren). Die Nullwerte von Spannung und Leistung sind das Ergebnis kurzfristiger Übertragungsfehler in der Messung. Das Spannungsprofil folgt sehr gut der PV-Einspeisung. Der linke Transformator war an diesem Tag wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb. Das ist der Grund, warum es hohe Spannungserhöhungen gibt. Diese Werte stimmen gut mit den Ergebnissen der Gitterberechnung überein. Abbildung 11 zeigt eine Nahaufnahme der PV-Einspeisung und der entsprechenden Spannungen, einen ungeklärten Tag (grün: Messpunkt an den kritischen Netzerweiterungen, rot: Messpunkt zwischen den beiden Transformatoren).
Abbildung 11: Detail PV-Einspeisung und Spannung…
An diesem Tag war auch der linke Transformator wartungsbedingt außer Betrieb. Die Gradienten der Spannungsspitzen oder -tropfen sind üblicherweise kleiner als die Gradienten von Leistungsspitzen oder -tropfen. Dies liegt an der Verteilung der PV-Anlagen im Testnetz. Somit sind die Leistungsabfälle, die durch vorbeiziehende Wolken verursacht werden, gestaffelt. Diese gestaffelten Leistungsabfälle verursachen gestaffelte Spannungsabfälle.
Der bisher größte gemessene Leistungsgradient beträgt 0,07 p.u./s bezogen auf die Nennleistung. Der größte gemessene Spannungsgradient beträgt bisher 0,002 p.u./s bezogen auf die Nennspannung. Das in dieser Arbeit beschriebene Konzept bietet eine verbesserte Spannungsqualität und höhere Übertragungskapazitäten in Niederspannungsnetzen mit einer hohen Durchdringung von PV-Kraftwerken. Die oben beschriebene Technologie befindet sich derzeit in der Entwicklung und wird mit Solarwechselrichtern im Niederspannungsnetz getestet. Im Allgemeinen kann die Technologie auf jeden leistungselektronischen Wechselrichter angewendet werden, der entweder dauerhaft oder vorübergehend an das Netz angeschlossen ist. Aufgrund der eingebauten Datenkommunikations- und Datenerfassungsmöglichkeiten kann das System nach dem Anschluss eines neuen Wechselrichters an das Netz automatisch konfiguriert werden.
