Einfluss der fixen Stufenstellung auf das Netzverhalten bei einem großen dezentralen Erzeugungsanteil in Niederspannungsnetzen

Abstract

Heutzutage steigt der Anteil an dezentralen Erzeugern, sowohl im Mittelals auch im Niederspannungsnetz. In vielen Fällen kann es dadurch zu einer Änderung der Leistungsflussrichtung kommen, wodurch Verletzungen der oberen Spannungsbandgrenze auftreten können. Verteiltransformatoren sind das Verbindungsglied zwischen dem Mittelund Niederspannungsnetz. Diese sind mit einem Umsteller ausgestattet, an welchem in Abhängigkeit des Lastverhaltens eine fixe Stufenstellung eingestellt ist. Zum verändern dieser Stufenstellung muss der Transformator außer Betrieb genommen werden. Die konventionelle Einstellung der Stufenstellung kann zu einer zusätzlichen Spannungsanhebung oder -absenkung auf der Sekundärseite des Transformators führen, je nach dem ob der Transformator am Anfang oder am Ende des Mittelspannungsnetzes angeschlossen ist. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung der Auswirkungen dieser fixen Stufenstellungen auf das Netzverhalten bei einem hohen Anteil an dezentraler Erzeugung im Niederspannungsnetz. Bei den Untersuchungen in dieser Arbeit wird von einem europäischen Stromnetz ausgegangen. Zu Beginn sind der theoretische Hintergrund und die Modellierung näher erläutert, wobei auf Verteiltransformatoren im Detail eingegangen wird. Für die Simulationen werden zwei verschiedene Netzarten verwendet: Urban und Ländlich. Neunzehn Verteiltransformatoren verbinden reale Niederspannungsnetze mit einem Mittelspannungsabzweig, welcher mit Freileitungen bzw. Kabeln ausgeführt wird. Die Auswirkungen der fixen Stufenstellung wird in vier Abschnitten untersucht: zuerst an einem stark vereinfachten Netzmodell; danach an erweiterten Niederspannungsnetzen; im dritten Abschnitt an einem Mittelspannungsabzweig in Kombination mit erweiterten Niederspannungsnetzen; und zuletzt wird die Abhängigkeit der Anschlussposition des Transformators bei einer Stufenstellungsänderung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Veränderung der Stufenstellung nicht nur einen direkten Effekt auf die Spannung im Niederspannungsnetz hat, sondern auch eine indirekte Wirkung auf die Spannung im Mittelspannungsnetz. Dieser indirekte Effekt ist wird hauptsächlich von spannungsabhängigen Netzelementen verursacht, welche in Abhängigkeit der anliegenden Spannung ihre bezogene bzw. eingespeiste Leistung ändern. Das hat zur Folge, dass sich der Leistungsfluss und die Spannung im Mittelspannungsnetz ändern. Wenn die fixe Stufenstellung eines Verteiltransformators am Ende eines Mittelspannungsabzweiges geändert wird, ändert sich die Spannung im Niederspannungsund Mittelspannungsnetz genau in die entgegengesetzte Richtung. Bei dem Einsatz von lokaler Blindleistungsregelung im Niederspannungsnetz kann ein zusätzlicher Blindleistungsfluss zwischen Hochund Mittelspannungsnetz auftreten. Der Einfluss einer Änderung der Stufenstellung eines Verteiltransformators auf die Spannung im Mittelspannungsnetz hängt stark von der Anschlussposition ab. Auf Grund des lokalen Effekts hat eine Leistungsflussänderung am Ende eines Mittelspannungsabzweiges eine größere Wirkung auf die Spannung als am Anfang des Abzweiges. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Stufenstellung des Verteiltransformators eine große Auswirkung auf den Leistungsfluss haben kann. Aus diesem Grund sollte bei Leistungsflussberechnungen, welche sowohl das Mittelals auch das Niederspannungsnetz betreffen, die fixe Stufenstellung des Verteiltransformators berücksichtigt werden. Bei einer Vernachlässigung dieser können Fehler im Leistungsfluss beider Netzebenen auftreten. In den hier durchgeführten Simulationen treten Fehler der Spannung im Mittelspannungsnetz bis zu 1.7% und im Niederspannungsnetz von bis zu 5.5% auf.

Nowadays, the decentralized generation share is increasing in mediumas well as in low-voltage grid levels. In many cases this provokes a reverse power flow causing a violation of the upper voltage limit in the radial structure of distribution grids. Distribution transformers are the connecting links between mediumand low-voltage grids. They currently have on-load taps whose fixed position is defined depending on the load behaviour. The traditional fixed tap position may lead to an additional voltage decrease or increase in the voltage level of the secondary side bus of a distribution transformer connected at the beginning or at the end of the medium voltage feeder, respectively. This work is focused on investigating the influence of the fixed tap position on the grid behaviour in the presence of large distributed generation share in low-voltage grids. The study is conducted in the European network type. In the beginning, the relevant theoretical approach and modelling descriptions are given. Distribution transformers and their tap changers are described in detail. Two different low voltage grid types are used for the simulations: urban and rural types. Nineteen distribution transformers connect the real low voltage grids to a medium voltage feeder, which consists of cable or overhead structure. The influence of the fixed tap position is examined in four stages: firstly, a very simple two bus model is used; secondly, extended low voltage grids are simulated; thirdly, extended mediumand low voltage grids are considered; and finally, the effect of the location dependency of the change of fixed tap position on grid behaviour is investigated. Results show that a change of the fixed tap position has not only a direct effect on the voltage in the low voltage grid, but also an indirect effect on the voltage in the medium voltage grid. The indirect effect is mainly caused by voltage dependent grid elements, which consume or inject a different amount of power depending on the voltage. As a result, the power ow and the voltage profile in medium voltage grid level will change. When the fixed tap position of a transformer located at the end of a feeder is changed, the voltage profiles of both grids Additionally, results underline that the fixed tap position of distribution transformers have a major effect on power ow results. Thus, in the calculation of power flows, where the mediumand low voltage grid are considered together, the fixed tap position of distribution transformers should also be taken into account. If neglected, the power ow results will be incorrect in both grids, mediumand low voltage. In our case, results show that the inaccuracy in voltage can reach up to 1.7 and 5.5%, respectively