Photovoltaische Grenzbelastbarkeit von Verteilnetzen

Abstract

In den letzten Jahren ist in vielen Ländern wie Österreich und Deutschland ein stetiger Anstieg der installierten Leistung von Photovoltaikanlagen zu verzeichnen. Die meisten dieser Anlagen werden auf Hausdächern montiert und in die bestehenden Niederspannungsverteilnetze eingebunden, die ursprünglich nicht für den Anschluss von Erzeugungsanlagen geplant waren. Zudem sind durch nationale Gesetze die Verteilnetzbetreiber verpflichtet, Strom aus regenerativen Energiequellen aufzunehmen. Sie müssen gleichzeitig die Spannungsqualität in ihren Netzen gewährleisten. Bei einer hohen Dichte an Photovoltaikanlagen in Verteilnetzen können Spannungsbandverletzungen und thermische Überlastungen der Kabel und Verteiltransformatoren auftreten. Dies kann dazu führen, dass einerseits ein teurer Ausbau der Verteilnetze erforderlich ist. Andererseits müssten Anschlussgesuche für Photovoltaikanlagen abgelehnt bzw. die Einspeisleistung begrenzt werden.<br />Für die Verteilnetzbetreiber ist die Kenntnis der Grenzbelastbarkeit der Verteilnetze und der Steuermöglichkeiten, den Spannungsbandverletzungen entgegenzuwirken, von besonderem Interesse. Dadurch ist es möglich, die bestehende Netzinfrastruktur besser auszunutzen und mögliche Netzverstärkungen hinauszuzögern oder zu verhindern.<br />In NEPLAN wurden Modellnetze für eine Großstadt, Vorstadt und ein ländliches Gebiet aufgebaut. Für die Großstadt wurden Modellnetze für drei unterschiedliche Lastdichten (2 MVA/ km², 8 MVA/ km² und 16 MVA/ km²) implementiert. Die Modellnetze umfassen sowohl Mittelspannungsnetze als auch Niederspannungsnetze. Auf Basis dieser Modellnetze wurde analysiert, wie viel Leistung aus den PV-Anlagen unter Berücksichtigung der Last der Haushalte in das Niederspannungsnetz eingespeist werden kann, bis die Betriebsmittel im Nieder- und Mittelspannungsnetz thermisch überlastet sind. Gleichzeitig wurde betrachtet, ob für die Einspeiseleistungen eine Spannungsbandverletzung im Mittel- und Niederspannungsnetz auftritt. Bei auftretenden Spannungsbandverletzungen wurde analysiert, wie es möglich wäre, durch Spannungsregelung die Netzaufnahmefähigkeit für Photovoltaikanlagen zu steigern. Um einen Bezug zur Realität herzustellen wurde berechnet, wie viel Dachfläche notwendig ist, um eine Überlastsituation bzw. eine Spannungsbandverletzung zu erreichen. Dabei hat sich gezeigt, dass bei manchen Modellnetzen die Dachflächen theoretisch ausreichen, um thermische Belastungen oder Spannungsbandverletzungen im Verteilnetz zu erreichen.<br />

In the last few years in many countries such as Austria and Germany the installed capacity of photovoltaic had steady growth. Most of the photovoltaic systems are installed on roofs of private households and are connected to the low-voltage grid. The existing low-voltage grid was not designed for decentralized renewable energy systems. Because of national policies utility companies have to obtain energy from renewable sources. At the same time the utility companies have to ensure power quality in their distribution grids. The large penetration of photovoltaic systems can cause overvoltage and overloading of cables and transformers on distribution grids. This often leads to expensive grid extensions or limits the feed of photovoltaic systems.<br />The knowledge of the loading capacity of the distribution grid and the options to prevent overvoltage are of great interest to utility companies. With this knowledge it is possible to use the existing grid infrastructure more efficient and avoid expensive grid extensions.<br />With NEPLAN, grid models are built for an urban, a suburban and a rural area. For the urban area grid models for three different load densities (2 MVA/ km², 8 MVA/ km² and 16 MVA/ km²) are implemented. The grid models contain both middle- and low-voltage grids. With the models it is possible to calculate how much power from photovoltaic systems can be fed into the distribution grids so cables and transformers are not overloaded.<br />For the middle and low voltage model grids it is also analyzed if overvoltage due to power infeed of photovoltaic generators occurs. An analysis is conducted how much it is possible to increase the power infeed of the photovoltaic systems if voltage control is used.<br />To bear reference to reality the roofage has been calculated that causes overloading and overvoltage. It has shown that in some grid models the roofage theoretically is sufficient to cause overloading and overvoltage in the distribution grids.<br />