Handbuch eGRID

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eGRID – Einleitung und Kurzanleitung

Einführung in eGRID

Die Einflüsse von Windkraftanlagen auf das elektrische Netz des Energieversorgers sowie eine nach wirtschaftlichen Aspekten optimierte Netzanschlussauslegung eines Windparks spielen eine immer größere Rolle. Mit dem Modul eGRID lassen sich für strahlenförmige Windpark- und Netzleitungen per Lastfluss- und Kurz-schlussberechnungen die wesentlichen Auswirkungen von WEA Projekten auf das Elektrizitätsnetz ermitteln und dokumentieren. Im Einzelnen können die

• Jährlichen Verluste in den Kabeln, Leitungen und Transformatoren basierend auf lokalen Windverhältnissen
• Spannungen der Netzknoten
• Spannungserhöhungen an den Netzknoten
• Netzverluste in Leitungen und Transformatoren
• Erhöhung des Kurzschlussstromes
• Langzeitflicker
• Schaltbedingte Spannungsänderungen

berechnet werden.

Weiterhin werden die Ergebnisse auf die Einhaltung geltender oder frei definierbarer Richtlinien überprüft. Alle die sich mit der elektrischen Netzanbindung von WEA beschäftigen, wie z.B. Planer, Hersteller, Netz- als auch Windparkbetreiber erhalten mit WindPRO und dem Modul eGRID ein geeignetes Werkzeug um einerseits die Auswirkungen geplanter WEA-Projekte zu ermitteln und zu prüfen als auch andererseits um den Anschluss eines Windparks aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht zu optimieren.

Hintergrund des eGRID Moduls

Das Modul eGRID wurde im Rahmen des EU-Projekts „DISPOWER“ (http://www.dispower.org) in Zusammenarbeit mit der Universität Kassel (Institut für Elektrische Energietechnik/Elektrische Energieversorgungssysteme, Kassel) und dem ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Kassel) entwickelt.

Um mit eGRID arbeiten zu können, wird das WindPRO-Modul BASIS benötigt. Im BASIS-Modul ist das Projekt-, Objekt- und Kartenmanagement geregelt. Bitte lesen Sie die dementsprechenden Kapitel in der Bedienungs¬anleitung des BASIS-Moduls für weitere Informationen.

eGRID umfasst die Berechnung und Abschätzung der elektrischen Einflüsse von Einzelanlagen oder ganzen Windparks auf das elektrische Netz anhand von Lastfluss- und Kurzschlussberechnungen von radialen Netzen. Hierbei wird ein symmetrisches 3-phasen System betrachtet. Die deutsche Norm VDE 0102, bzw. Die internationale Norm IEC 60909 bildet die Grundlage der Kurzschlussberechnungen.

Weiterhin bietet das Modul die Möglichkeit die jährlichen elektrischen Verluste innerhalb der Windparkverkabelung bei gegebenen Windverhältnissen zu berechnen. Unter Verwendung dieser Ergebnisse kann eine optimierte Netzauslegung anhand wirtschaftlicher Gesichtspunkte erfolgen.

Weiterhin wird die Zulässigkeit des Anschlusses in Bezug auf Spannungsänderungen, Langzeitflicker und Schaltbedingte Spannungsänderungen anhand unterschiedlicher Normen (z.B. VDEW, IEC) oder frei definierbarer Richtlinien überprüft. Darüber hinaus kann die Kabel- und Transformatorauslegung überprüft und eine Liste der notwendigen Netzkomponenten u. a. unter Angabe der Kabellängen ausgegeben werden.

Kurzanleitung zur elektrischen Berechnung

• Etablieren Sie die Karten (falls eine grafische Eingabe auf den Karten gewünscht wird) und relevanten Projekteigenschaften (vergleiche Kapitel BASIS 2.0.5)
• Um bei der Berechnung der Kabel- und Leitungslängen die Geländehöhe zu berücksichtigen, sollten Höhendaten als Linienobjekte vorhanden sein (vergleiche Kapitel BASIS 2.8).
• Etablieren Sie die relevanten Objekte
• WEAs – die WEA des WEA-Kataloges können um die elektrischen Eigenschaften erweitert werden, z. B. kann ein WEA-interner Transformator und/oder WEA-interne Kabel definiert werden. Für eine schnelle Übersichtsberechnung ist es aber auch möglich eine WEA lediglich mit ihrer bereits in den WEA Daten enthaltenem Wirkleistungswert und einem im Berechnungsmenü zu definierenden Leistungsfaktor (cos(phi)) zu beschreiben.
• Externes Netz, zur Definition von Spannungsebenen und Kurzschlussleistung des Netzanschlusspunktes.
• Elektrisches Kabel-/Freileitungsobjekt, das die Daten aller Kabelstrecken eines Projektes beinhalten kann. Dieses Objekt ist eine spezielle Variante des WindPRO-Linienobjektes. Um Kabel hinzuzufügen oder zu bearbeiten muss es sich im Editiermodus befinden. Kabel können auf der Karte digitalisiert werden und rasten auf Objekte wie WEA und Transformatoren ein, d.h. dass sie verändert werden sobald ein angebundenes Objekt verschoben wird. Beim Digitalisieren der Kabelstrecke kann über das Betätigen der rechten Maustaste ein Objekt, z. B. ein Transformator erzeugt werden. Der Querschnitt und die elektrischen Daten eines Kabels können auf „verwende typische Werte“ gesetzt werden, was dazu führt dass WindPRO den Querschnitt und elektrischen Daten jedes Kabels basierend auf der jeweiligen Spannungsebene und der Strombelastung automatisch ermittelt. Es wird empfohlen diese Einstellung für das erste Kabellayout zu verwenden.
• Transformatoren, Sammelschienen (zum Aufteilen eines Kabels in mehrere Kabelstrecken), Lasten (Verbraucher) und WEA können als “freie Objekte” eingegeben werden, müssen aber hinterher über ein Kabel (Elektrisches Netz-Objekt) an das Externe Netz angebunden werden in der Berechnung beachtet zu werden.
• Durchführen der Berechnungen
• Starten Sie die Berechnung aus dem Projektmanager und wählen die gewünschten Berechnungen aus
• Speziell bei der Verlustberechnung muss der erwartete Jahresertrag des Windparks ODER die vor Ort vorherrschenden Windverhältnisse eingegeben werden. Bitte beachten Sie, dass die Verlustberechnung auf mehreren Einzelberechnungen besteht, in denen verschiedene Einspeisesituationen berechnet werden. Bei der Verlustberechnung werden zudem Leistungskennlinien der WEA verwendet.
• Drucken Sie die Ergebnisse aus

Dateneingabe für die elektrische Berechnung

Die eGRID Objekte

Für allgemeine Hinweise zum Arbeiten mit Karten und Objekten in WindPRO siehe Kategorie BASIS.

Die eGRID-Objekte sind in einer erweiterbaren Objekt-Schaltfläche in der Objektleiste, rechterhand der Karte, zusammengefasst. Das Externe Netz Objekt, welches generell das erste Objekt sein sollte, das für den Aufbau des elektrischen Netzes platziert wird, stellt das “Haupt-Objekt” dar. Wenn der Kursor auf diesem Objekt gehalten wird, werden die anderen Objekte sichtbar. Dieses sind von oben nach unten: Elektrisches Netz (zum Erzeugen der Verkabelung), Sammelschiene (zum Verbinden von Kabeln / Freileitungen), 2-Wicklungstransformatoren und elektrische Lasten.

Eingabe des Externen Netzes (Netzanschlusspunkt)

Mit dem Symbol Externes Netz platzieren Sie einen neuen Netzanschlusspunkt auf die Karte. Das Fenster zur Eingabe der Externen Netz Eigenschaften (Abbildung unten) erscheint.

Das Externe Netz stellt die Basiskomponente des gesamten Netzes dar, da seine Existenz für eine Netzberechnung unbedingt erforderlich ist. Aufgrund der Tatsache, dass für die meisten Projekte lediglich ein einziges Externes Netz Objekt vorhanden sein wird, wird dieses Objekt nicht nur zur Eingabe der Parameter des Netzanschlusspunktes selbst, wie Kurzschlussleistung und Nennfrequenz (50 oder 60 Hz) genutzt. Zusätzlich wird es auch für die Eingabe ALLER im nachgebildeten Netz benötigten Spannungsebenen und für die Eingabe von Daten zur Anschätzung der minimal notwendigen Kabelquerschnitte verwendet. Um die Querschnitte der verwendeten Kabel abschätzen zu können, werden über beide Faktoren (cosφ [CosPhi] und Leistungsspitzenfaktor) die Scheinleistungen bzw. der eingespeiste Strom aller WEA, deren Datensätze keine elektrischen Daten beinhalten, berechnet. Anzumerken ist hierbei, dass in Hinblick auf die neueren Anlagen, kein Unterschied zwischen dem Leistungsfaktor λ und dem Verschiebungsfaktor cosφ gemacht wird. Dieser wird im eGRID Modul generell als cosφ (CosPhi) bezeichnet

Selbstverständlich ist es möglich mehrere Externe Netze einzugeben, z. B. um alternative Anschlussmöglich-keiten zu betrachten. In diesem Fall muss der, für eine Berechnung zu verwendende Netzanschlusspunkt zum Zeitpunkt der Berechnungsdefinition festgelegt werden.

Um die Parameter des Externen Netzes anzugeben, sind verschieden Eingabealternativen wie z. B. entweder die Angabe der Kurzschlussleistung S_k oder die subtransiente Kurzschlussleistung S_k’’ sowie der Netzwinkel Ψ_k oder das R/X-Verhältnis vorhanden.

Nach Eingabe aller im Netz vorhandenen Nennspannungsebenen, denen zur Unterstützung der Windpark-verkabelung eine individuelle Farbe zugewiesen werden kann, kann für das Externe Netz als auch für alle anderen Objekte die dazugehörige Nennspannung komfortabel über DropDown-Menüs zugewiesen werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit jeder Nennspannungsebenen maximal erlaubte Abweichungen vom Nennspannungswert anzugeben. Die Einhaltung dieses Bereichs wird nach einer Berechnung für jeden Netzknoten geprüft. Diese zulässigen Abweichungen können wiederum erst bei der Berechnungsdefinition selbst angegebne oder für eine einzelne Berechnung abgeändert werden.

Eingabe eines Transformators

Nach der Platzierung erscheint das Fenster zur Eingabe der Transformator Eigenschaften (Abbildung unten).

Die elektrischen Daten des Transformators sind auf drei Tabellenblättern aufgeteilt. Informationen über die Datenquelle und eine genauere Beschreibung kann auf einem vierten Register erfolgen. Das erste Registerblatt beinhaltet überwiegend Standardinformationen wie Hersteller, Typ und Bemessungsspannungen des Transformators. Basierend auf diesen Informationen wird, für den Fall dass Sie einen neuen Transformator eingegeben haben, der Dateiname des Transformators erzeugt.

Am oberen Ende des Fensters ist ein direkter Zugang zur Transformatordatenbank gegeben um einen Transformator auszuwählen. Darunter sind die Nennspannungen des Transformators anzugeben. Aufgrund der Angabe im Externen Netz kann dies leicht geschehen. Es ist auch möglich für die beiden Anschlussseiten eines Transformators die gleiche Nennspannungsebene zu wählen, falls z. B. aufgrund der Vorgaben des Energieversorgungsunternehmens trotz Spannungsgleichheit des Windparknetzes mit dem EVU-Netz eine galvanische Trennung gefordert wird.

Innerhalb des Haupt-Spezifikationen können Daten eingegeben werden, die generelle Informationen über den vorliegenden Transformators beinhalten, wie z.B. Hersteller oder Typ. Die wesentlichen Daten dieses Registerblattes stellen die Bemessungsleistung (Sr in MVA) des Transformators – für einen Windpark mit 10 MW wird bei einem cosφ von 0,9 mindestens eine Leistung von 10 MW / 0,9 = 11,1 MVA benötigt – und die Bemessungsspannungen dar. Diese entsprechen den Spannungen, für die der Transformator ausgelegt ist. Die Spannungen müssen nicht identisch den Nennspannungen der Spannungsebenen sein. Ein Transformator kann auch für leicht unterschiedliche Spannungsebenen genutzt werden.

Das zweite Registerblatt enthält Daten über die Transformatorimpedanz wie z.B. Kurzschlussspannung und Kupferverluste. Für die Eingabe werden verschiedenen Eingabemöglichkeiten angeboten.

Die elektrischen Eigenschaften eines Transformators lassen sich hauptsächlich auf einen Wirkwiderstand (R) und einer Reaktanz (X) sowie Eisenverlusten (Leerlaufverluste) zurückführen. Für die Eingabe der beiden ersten Eigenschaften werden verschiedene Eingabevarianten angeboten. Nach Auswertung der elektrischen Daten von mehreren Transformatoren wurden Formeln für die Berechnung von typischen Werten entwickelt. Basierend auf den Daten des ersten Registerblattes (Haupt-Spezifikationen) werden diese Werte vorgeschlagen und können für eine Berechnung verwendet werden. Falls die Daten des verwendeten Transformators bekannt sind, so können diese in der Spalte "Verwendete Werte" eingetragen werden.

Das dritte Register beinhaltet Informationen über die Position des Transformatorstufenstellers sowie der Schaltgruppe des Transformators.

Über einen Stufensteller kann die Spannungsübersetzung eines Transformators variiert werden um z.B. stationäre Spannungsunterschiede in Bezug auf die Nennspannung auszugleichen. In konventionellen Verbrauchernetzen wird ein nahe an einer Hochspannungsstation gelegener Transformator oft so betrieben, dass er aufgrund der, in Bezug auf die hochspannungsseitige Nennspannung, dort vorherrschenden höheren Spannung eine höhere Übersetzung hat als ein entfernt gelegener Transformator, an dem aufgrund des Spannungsabfalls über die Kabelstrecke eine niedrigere Spannung an der Hochspannungsseite anliegt.

Transformatoren für Hochspannungsstationen besitzen typischerweise eine Regelung, welche die Stufenstellerposition automatisch dem vorliegenden Lastzustand im Netz anpasst. In der ersten eGRID-Version müssen Sie die Stufenstellerposition selbst einstellen. Später ist geplant, dass die Software für diese Transformatoren die Stufenstellerposition automatisch berechnet.

Die Schaltgruppe beschreibt den Aufbau des Transformators, d.h. die Anordnung der Wicklungen der Hoch- und Niederspannungsseiten. Diese Angabe ist z.B. aus Herstellerkatalogen ersichtlich.

Wie bereits erwähnt ist in diesem Menü ein direkter Zugang zur Transformatordatenbank gegeben. So ist es über das Menü am oberen Fensterrand einerseits möglich einen in der Datenbank verfügbaren Transformator auszuwählen – andererseits ist es auch möglich einen, innerhalb dieses Fensters eingegebenen Transformator, direkt in die Datenbank zu speichern. Dazu klicken Sie einfach auf die Schaltfläche Speichere in Katalog. Eine individuelle Eingabe kann auch nach Auswahl eines ähnlichen Transformators aus der Datenbank, Betätigung der Option "Ersetze Katalogwerte mit benutzerdefinierten Werten in der Berechnung" und durch Änderung der notwendigen Daten erfolgen.

Die Transformatordatenbank

Standardmäßig erscheint der Transformatordatenbank-Browser wie abgebildet.

Auf der oberen linken Position können Suchpfade gesetzt werden, das bedeutet die Verzeichnisse, wo WindPRO nach Daten suchen soll. Aus den schlechten Erfahrungen mit geschlossenen Datenbanken sind die Daten zu den Transformatoren in einzelnen Dateien auf dem Rechner abgelegt. Über die Option „Filter auf gewählten Ordner anwenden“ können Sie lediglich die Dateien einsehen, die sich genau (ohne Einbeziehung von Unterordnern) in diesem Ordner befinden. Unten links können Suchfilter definiert werden und auf der rechten Seite wird eine Schnellansicht des gewählten Transformators angezeigt. Durch einen Doppelklick auf einen Eintrag wird der gewählte Transformatortyp übernommen. Über die rechte Maustaste kommt man in das Editiermenü der Transformatordatenbank zur Bearbeitung der Daten des markierten Transformators. Wie im Windows Explorer können Sie die Hauptinformationen der angewählten Kabel in die Zwischenablage kopieren.

In der Datenbank sind über 1000 Transformatoren enthalten. Um einen speziellen Transformator innerhalb der Datenbank zu finden, können unter Verwendung des Typs, Material, Name, Kurzbezeichnung, Hersteller, Spannungsebenen, Nennleistung, usw. frei-definierbare Suchfilter festgelegt werden.

Das oberste Feld wird für den Namen des Suchfilters verwendet. Sie können diesen automatisch von WindPRO erzeugen lassen („Filtername automatisch erzeugen“) oder selber aussagekräftige Namen eingeben. Die Such¬parameter zur Definition mehrerer Suchkriterien finden Sie im rechten Feld. Diese wählen Sie über einen Doppelklick aus, z.B. Hersteller und geben an welche Bedingung dieser Parameter haben soll (z.B. = 'Pauwels'). Danach können Sie beliebig weitere Bedingungen z.B. eine unterspannungsseitige Bemessungsspannung von 690V (Bemessungsspg, NS (kV) = 0,69) definieren.

Eingabe einer WEA, speziell: Eingabe der WEA eGRID Daten

Zur Bearbeitung von WEA im windPRO-eigenen WEA-Katalog siehe WEA-Katalog.

Für einfache Netzkonfigurationen oder schnelle Übersichtsberechnungen, z.B. wenn ein Windpark lediglich aus einem Windkraftanlagentyp besteht oder falls alle Windkraftanlagen eines Parks mit dem gleichen Leistungsfaktor einspeisen sollen, ist es unter Vernachlässigung oder unter Verwendung von automatisch erzeugten Windkraft¬anlagentransformatoren möglich alle für die Berechnungen notwendigen Eingabedaten innerhalb der Berechnungsdefinition anzugeben (Siehe hierzu Abschnitt 10.2). Die Erstellung der im Folgenden beschriebenen eGRID Kategorie ist somit nicht zwingend erforderlich.

Die Windkraftanlagendatenbank wurde um die Kategorie eGRID in den Detaildaten erweitert. Die hier benötigten elektrischen Eigenschaften der WEA sind den Vermessungsberichten zur elektrischen Vermessung zu entnehmen. Praktisch gibt es drei unterschiedliche Vermessungsprotokolle: Ein Protokoll, das auf die internationale Norm IEC 61400-21 basiert, ein Protokoll nach der MEASNET Richtlinie und ein Protokoll, welches von der deutschen Fördergesellschaft Windenergie e.V. (FGW) veröffentlicht wird. Mittlerweile wurde das zuletzt genannte Protokoll dem IEC Protokoll angepasst. Im Vergleich zum IEC Protokoll enthält das MEASNET Protokoll noch weitere Daten in Bezug auf Harmonische und Zwischenharmonische (Oberschwingungen). Da eGRID noch keinerlei Berechnungen hinsichtlich Oberschwingungen unterstützt, können die aktuellen Protokolle als identisch angesehen werden. Es erfolgt lediglich eine Unterscheidung zum alten FGW-Protokoll.

Die Kategorie ’eGRID’ besteht aus fünf Registern. Das erste Register enthält Daten über den Generator sowie die Leistungsdaten der Anlage. Anzumerken ist hierbei, dass in Hinblick auf die neueren Anlagen, kein Unterschied zwischen dem Leistungsfaktor λ und dem Verschiebungsfaktor cosφ (CosPhi) gemacht wird. Dieser wird im eGRID Modul generell als cosφ bezeichnet.

Weiterhin wird auf diesem Registerblatt der Kurzschlussstrombeitrag, bzw. die Impedanz der Anlage im Kurzschlussfall eingetragen. Hier werden standardmäßig vom Programm übliche Werte eingetragen. Falls Sie über detaillierte Daten verfügen, können Sie diese Informationen natürlich verwenden. Zusätzlich ist hier noch der Typ des verwendeten Vermessungsprotokolls (altes FGW-, MESNET, IEC- oder aktualisiertes FGW-Protokoll) anzugeben. Basierend auf dieser Angabe unterscheiden sich die jeweiligen Eingabeformulare der Register „Langzeitflicker“ und „Schaltbedingte Spannungsänderungen“ voneinander.

Das zweite Registerblatt enthält nähere Informationen zum Leistungsfaktor der Anlage, wenn auch das Teillastverhalten und der motorische Betrieb der WEA betrachtet werden soll. Dazu deaktivieren Sie die Kontrollschaltfläche und wählen aus in welcher Kombination aus Wirkleistung, CosPhi, Blindleistung und Scheinleistung Sie die Daten eingeben möchten.

Die erste Zeile in der Tabelle einspricht einem motorischen Betrieb der WEA. Alle weiteren Zeilen beliebiger Anzahl beschreiben den Verlauf des CosPhi in Abhängigkeit der Leistung. Für die Berechnungen eventuell notwendige Zwischenwerte werden von WindPRO mittels linearer Interpolation bestimmt.

Informationen über in der WEA integrierte Objekte wie Kabel und Transformatoren können durch Auswahl der entsprechenden Objekte aus den Datenbanken auf dem dritten Registerblatt eingegeben werden. Standardmäßig sind in den Windenergieanlagen-Objekten Transformatoren und evtl. zusätzliche Leitungen zwischen Anschlussklemme und Transformator vorhanden. Um nicht jeder WEA im Park einen einzelnen Transformator zuordnen zu müssen können Sie direkt in den Detaildaten einen Transformator und Kabel vorgeben. Hierbei gilt zu beachten, dass die Leistungskennlinie normalerweise niederspannungsseitig gemessen wird, z. B: auf der Nieder¬spannungsseite des Anlagentransformators. Daher sind eventuell noch zusätzlichen Kabelstrecken zu berücksichtigen wenn sich der Transformator in der WEA-Gondel und nicht im Turmfuß oder außerhalb der Anlage (externe Transformatorstation) befindet. Manchmal beziehen sich die Vermessungsprotokolle aber auf die Hochspannungsseite des Transformators, z.B. 20kV. Daher sollten die Transformatorverluste der WEA-internen Transformatoren in der Leistungskurve der Anlage enthalten sein – was eventuell nicht immer der Fall ist. Die Nachbildung eines Anlagentransformators wäre dann nicht notwendig, da dessen Verluste bereits in der Leistungskennlinie enthalten sein dürften.

Das vierte Register beinhaltet die Flickerdaten. Bitte beachten Sie, dass das Eingabemenü und die notwendigen Daten vom gewählten Vermessungsprotokoll im Register „Hauptmenü“ abhängen. Bei Verwendung des alten FGW-Protokolls werden drei gängige Angabeformen

Angabe des Flickerfaktors und des flickerrelevanten Phasenwinkels Angabe eines konstanten Flickerfaktor (vom Netzimpedanzwinkel unabhängig) Angabe des Flickerfaktors in Abhängigkeit des Netzwinkels in Tabellenform

unterstützt.

Bei Wahl des überarbeiteten FGW-, MEASNET- oder IEC-Protokolls erfolgt die Eingabe der Flickerdaten anhand einer Tabelle, in der die Daten in Abhängigkeit von mittleren Windgeschwindigkeiten und Netzimpedanzwinkel eingetragen werden.

Die Daten, die für eine Berechnung der schaltbedingten Spannungsänderungen benötigt werden, sind in das fünfte Registerblatt einzutragen. Wiederum unterscheiden sich die Eingabedaten je nach gewähltem Vermessungsprotokoll.

Um eine entsprechende Berechnung durchzuführen, sind keine zusätzlichen, standortbezogenen Eingaben notwendig, weder die Eingabe einer mittleren Windgeschwindigkeit für die Flickerberechnung noch die Angabe von Schaltbedingungen für die individuellen WEA. Jeder einzelne Eintrag wird in der Berechnung automatisch berücksichtigt. Für WEA, für die keine Daten vorliegen, können in den Berechnungseinstellungen Standardwerte angegeben werden.