Integration_of_renewable_energy_Kapitel_1_Vie.pdf

Technische Universität München
Fakultät für
Elektrotechnik und Informationstechnik
Vorlesung
Netzintegration erneuerbarer Energien
- Kapitel 1 -
Problemstellungen der Energiewende
Prof. Dr.-Ing. Rolf Witzmann
Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze

Professur für
Elektrische Energieversorgungsnetze
Einführung 2
„Erneuerbare Energien sind Energieträger/-quellen, die sich ständig erneuern bzw.
nachwachsen. Hierzu zählen: Sonnenenergie, Biomasse, Wasserkraft, Windenergie,
Erdwärme (Geothermie) und Gezeitenenergie. Bei einer nachhaltigen Nutzung der
nachwachsenden Ressourcen dürfen die Verbrauchsrate die Erneuerungsrate nicht
übersteigen.“
http://www.umweltbundesamt.at

Professur für
Einführung 4
Energiewende in Deutschland
Ziele der Energiewende
• Reduktion Treibhausgasemission -40 % bis 2020 (ggü. 1990)
• Ausstieg aus Kernenergie bis 2022
• Sicherstellung Versorgungssicherheit & Wettbewerbsfähigkeit
Bausteine der Energiewende
• Ausbau erneuerbarer Energien
• Steigerung der Energieeffizienz
Sektoren
• Strom
• Wärme
• Verkehr

Professur für
Einführung 5
www.bmwi.de

Professur für
Einführung 6
Stromerzeugung in Deutschland
Bruttostromerzeugung in Deutschland 2014: 610 TWh
www.bmwi.de

Professur für
Einführung 7
CO2-Emissionen der Elektrizitätswirtschaft in
Deutschland
0
50
100
150
200
250
300
350
1990 1995 2000 2005 2008 2009 2010
Mio.
Tonnen
CO
2
Ziel 2020:
173,4 Mio t

Professur für
Einführung 8
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
• Ziel: Ausbau der erneuerbaren Energien fördern
Vorgänger: Stromeinspeisegesetz (1990)
• Erstmals Abnahmeverpflichtung für Strom aus reg. Quellen
• Vergütung 75% des Durchschnittserlöses: Wasserkraft, Deponiegas/Klärgas, Rest-
/Abfallstoffe aus Land-/Forstwirtschaft
• Vergütung90% des Durchschnittserlöses: Windkraft, Sonnenenergie
• Konsequenz: Insbesondere Bau von WEA
EEG 2000
• Auslöser: Sinkende Strompreise machen Investition in EEG Anlagen unwirtschaftlich
• Vorrangigkeit des EEG-Stroms festgeschrieben
• Definition Netzausbaupflicht
• Mindestvergütungen für 20 Jahre festgelegt
• Biomasse/WEA/PV: jährliche, degressive Absenkung der Vergütungssätze

Professur für
Einführung 9
EEG 2004
• Feste Zielsetzung zum Ausbau von EE: 12,5% bis 2010 / 20% bis 2020
• Neuregelung der Gesetzstruktur
1. Pflicht zu vorrangigem Anschluss
2. Abwälzungsanspruch der Kosten der VNB an ÜNB
3. Ausgleich der ÜNBs untereinander
4. Abwälzungsanspruch ÜNB an Stromhändler
5. Abwälzung Stromhändler an Endkunden
EEG 2009
• 24  55 Paragraphen
• PV-Novelle 2010
• Zubauabhängige automatische Degression
• Senkung der PV Investkosten  Senkung der Födersätze
• Förderung von Freiflächenanlagen auf Ackerflächen abgeschafft

Professur für
Einführung 10
EEG 2012
• Verankerung Anteil EE im Stromsektor:
- Bis 2020: 35%
- Bis 2030: 50%
- Bis 2040: 65%
- Bis 2050: 80%
• Optionale Marktprämie
• Befreiung von Speichern von EEG-Umlage ( abhängig vom Netzverknüpfungspunkt!)
EEG 2012 – PV Novelle
• Sonderabsenkung der PV Vergütung
• Neue Vergütungsklasse bis10 kW – bis 40 kW – bis 1000 kW – über 1000 kW
• Festlegung Ausbauziel geförderte PV: 52 GW
• Einspeisevorrang bleibt darüber hinaus gesichert
• Ausbaukorridor: jährlich 2,5-3,5 GW
• Marktintegrationsmodell: Dachanlagen ab 10 kW / Freiflächenanlagen ab 10 MW nur noch
Vergütung von 90 % der erzeugten Strommenge

Professur für
Einführung 11
EEG 2014
• Anpassung reduzierte EEG-Umlage
„Künftig gilt die Ausnahmeregelung nur für stromintensive Unternehmen aus
Branchen, die im internationalen Wettbewerb stehen. Die Wettbewerbsfähigkeit und
damit die Arbeitsplätze der stromintensiven Industrie, die im Vergleich zur
internationalen Konkurrenz jetzt schon hohe Strompreise zahlt, dürfen nicht
gefährdet werden.“ 1
• Beteiligung von Eigenversorgungsanlagen an EEG Umlage (teilweise vermindert)
• Zubaukorridor
1 http://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Dossier/eeg.html?cms_docId=73930
PV 2,5 GW jährl.
WEA onshore 2,5 GW jährl.
WEA offshore 6,5 GW bis 2020
15 GW bis 2030
Biomasse 100 MW jährl.
„Atmender Deckel“:
Sinkende Förderungssätze
nach erreichen des Zielwertes
Fester Mengendeckel

Professur für
Einführung 12
EEG 2014 (Fortsetzung)
• Direktvermarktungspflicht:
- Ab 01.08.2014: alle Neuanlagen > 500 kW
- Ab 01.01.2016: alle Neuanlagen > 100 kW
• Ausschreibung zur Bestimmung der Förderhöhe von Freiflächenanlagen
Ausbaukorridor
www.erneuerbare-energien.de

Professur für
Einführung 13
Ausbauziele reg. Stromerzeugung
35,6
38,4
6,4
19,6
44,1
48
7,8
20,7
61,1 62,8
9,2
21,4
0
10
20
30
40
50
60
70
Windenergie (Onshore) Photovoltaik Biomasse KWK (konventionell)
Installierte
Leistung
in
GW
2015
2020
2030
Quelle: dena-Verteilnetzstudie

Professur für
Einführung 14
EEG Vergütungssätze bis 2012
Anlagen auf Wohngebäuden und
Lärmschutzwänden
bis 10 kWp bis 40 kWp bis 1 MWp
12,70 12,36 11,09
Ab 01.10.2015
http://www.bundesnetzagentur.de
Quelle: http://www.volker-quaschning.de

Professur für
Einführung 15
Stromnetz
380 kV
110 kV 110 kV
20 kV 20 kV 20 kV 20 kV
0,4 kV 0,4 kV 0,4 kV
Übertragung
Überregionale Verteilung
regionale Verteilung
Endkunden
Lastfluss
• Konventionell: Lastfluss von Übertragungsnetzebene zu Endkunden
• Auslegung der Netze für den Lastfall
- Geringe Gleichzeitigkeit der Verbraucher
- Gute Planbarkeit der Anschlussgesuche
konventionell

Professur für
Einführung 16
Stromnetz
380 kV
110 kV 110 kV
20 kV 20 kV 20 kV 20 kV
0,4 kV 0,4 kV 0,4 kV
Übertragung
Überregionale Verteilung
regionale Verteilung
Endkunden
• Aktuell: Lastfluss in beide Richtungen
• Netzplanung für Last-/Rückspeisefall
- Hohe Gleichzeitigkeit z.B. bei PV
- Schlechte Planbarkeit des Ausbaupfades
- Anpassung von Transformatoren/Leitungen/Schutztechnik nötig
Lastfluss
Lastfluss
aktuell

Professur für
Einführung 17
Länge des Stromnetzes in Deutschland
968
479
115
1562
1168
514
115
1797
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Niederspannung Mittelspannung Hoch- und
Höchstspannung
Stromkreislänge gesamt
Stromkreislänge
in
Tausend
km
2000
2013
Quelle: BDEW

Professur für
Einführung 18
Aufteilung EEG Anlagen auf Spannungsebenen
Quelle: Fraunhofer IWES

Professur für
Einführung 19
Netzstrukturen
• Offene Topologie: Strahlennetz/Stichleitung
- übersichtlich im Aufbau und Betrieb
- kostengünstig
- auftretende Störungen können leicht eingegrenzt werden
- Bei Ausfall eines Transformators jedoch keine Reserve vorhanden,
 bei Störungen meist alle Abnehmer betroffen
- Keine (n-1)-Sicherheit
- Anwendung in ländlichen Regionen mit geringer Lastdichte
• Geschlossene Topologie: Ringnetz/Maschennetz
- Verbraucher werden über mehr als einen Netzstrang versorgt
- Erhöhte Versorgungssicherheit
- Höhere Spannungsqualität wegen geringem Spannungsfall
- Erweiterbar (wenn Kabel ausreichend bemessen)
- Hohe Kurzschlussströme
- Erschwerte Selektivität bei Fehlerklärung
- Höhere Kosten

Professur für
Einführung 20
Niederspannungsnetz
• Nennspannung 0,4 kV
• MS/NS Trafo: 100…630 kVA
• Anschluss: Haushalte / Landwirtschaft / Kleinbetriebe /
Kleine DEA
• 4-Leitersystem
• Meist keine (n-1) Sicherheit
• Netzstruktur Abhängig von Lastdichte
• Leitungstypen
- Kabel (85%)
- Freileitung (15%)
Quelle: Heuck/Dettmann /Schulz

Professur für
Einführung 21
Mittelspannungsnetz
• Nennspannung 10…30 kV
• HS/MS Trafo: 20…50 MVA
• Anschluss
- Industriekunden
- WEA > 100 kVA
- PVA > 100 kVA
• (n-1)-Kriterium findet Anwendung
• Freischalten in Netzstationen möglich
• Beschränkung für Vermaschung:
Kurschlussleistung
• Typ. Leitungstypen
- NA2XS2Y, 3x1x185
- Al/St 3x70
UST…Umspannstation HS/MS

Professur für
Einführung 22
Netzgrößen
Betriebsmittelauslastung
• allgemein
- Betriebsmitteltemperatur begrenzt Belastbarkeit
- i.A. keine Temperaturüberwachung vorhanden  Begrenzung der Leistung
• Leitungen
- Nennstrom begrenzt Übertragungskapazität
- Freileitungen begrenzt überlastfähig
- Kabel nicht überlastfähig
• Transformatoren
- Nennleistung begrenzt Übertragungskapazität
- Bedingt überlastfähig
• Überlastung reduziert Lebensdauer
• Öl-Transformatoren
http://goo.gl/CCiRjv
http://goo.gl/0q0urQ
Netzschutz muss auf
erhöhte Auslastung
ausgelegt sein!

Professur für
Einführung 23
Einschub: Lebensdauerverbrauch von
Verteilnetztransformatoren
• Gleichung von Arrhenius
𝐿𝑒𝑏𝑒𝑛𝑠𝑑𝑎𝑢𝑒𝑟~𝑒(𝛼+𝛽)/𝑇
• Beziehung nach Montsinger
 für 80°C < T < 140°C
𝐿𝑒𝑏𝑒𝑛𝑠𝑑𝑎𝑢𝑒𝑟~𝑒−𝑝Θ
• Heißpunkttemperatur T abhängig von
Umgebungstemperatur, Vorbelastung
sowie aktueller Belastung
𝚯𝒉 in °C Relativer
Lebensdauerverbrauch
80 0,125
86 0,25
92 0,5
98 1,0
104 2,0
110 4,0
116 8,0
122 18,0
128 32,0
134 64,0
140 128,0
Quelle: A. Eberle

Professur für
Einführung 24
Netzgrößen
Netzfrequenz
• Globale Größe  im gesamten Verbundnetz gleich
• Europa: 50 Hz
• Grenzen für 10-Sekunden-Mittelwerte (netze mit synchroner Verbindung zu Verbundnetz):
- 50 Hz ± 1% ( 49,5 Hz…50,5 Hz) während 99,5 % eines Jahres
- 50 Hz ± 4% ( 47 Hz…52 Hz) während 100 % der Zeit
• Reaktion auf Abweichung:
Regelleistung
Quelle: Amprion

Professur für
Einführung 25
Netzgrößen
Zulässiges Spannungsband
• In der Niederspannung ist gemäß DIN EN 50160 ein Spannungsband von ±10 % um die
Nennspannung einzuhalten.
• Keine Regeleinrichtungen zur Spannungshaltung unterhalb der Mittelspannungsebene
 Spannungsband muss auf Mittel- und Niederspannungsebene aufgeteilt werden!
• Für dezentrale Erzeuger stehen von diesem Toleranzband gemäß VDE-AR-N-4105 3 % in
der Niederspannung und 2 % in der Mittelspannung zur Verfügung.
 In der Niederspannung dürfen dezentrale Erzeugungsanlagen durch ihre Einspeisung die
Spannung an keinem Verknüpfungspunkt um mehr als 3 % gegenüber der Spannung ohne
Erzeugungsanlagen anheben.
Aber: Unter Berücksichtigung der Möglichkeiten der statischen Spannungshaltung kann von
diesem Wert abgewichen werden.
 Innovative Betriebsmittel!

Professur für
Einführung 26
Netzgrößen
Flicker
• Kurzzeitige Änderungen der Versorgungsspannung
• Langzeitflickerstärke Plt≤1 während 95% eines beliebigen Wochenintervalls
• Wahrnehmung subjektiv
Unsymmetrie der Versorgungsspannung
• Abweichung von symmetrischen Verhältnissen durch erhöhte Last/Einspeisung auf
einzelnen Phasen
• „…müssen innerhalb eines beliebigen Wochenintervalls 95% der 10-Minuten-Mittelwerte
des Effektivwerts der Gegensystemkomponente (Grundschwingung) der Versorgungs-
spannung innerhalb des 0% bis 2% der entsprechenden Mitsystemkomponente
(Grundschwingung) liegen…“ [DIN EN 50160]
Unsymmetrische Belastung
U
V
W
U
V
W
𝑈 = 𝑉 = |𝑊| 𝑈 ≠ 𝑉 = |𝑊|

Professur für
Einführung 28
Netzgrößen
Oberschwingungen
• Ursachen
- Nichtlineare Betriebsmittel emittieren Oberschwingungsströme
- Oberschwingungsströme über der Netzimpedanz rufen Spannungsabfall hervor
- Betriebsmittel: Transformatoren (Magnetisierungskurve), Lichtbogenöfen,
Schaltnetzteile, Gleich-/Wechselrichter
OS-Charakteristik Schaltnetzteil Hysterese Transformator Quelle: IHKS Fachjournal

Professur für
Einführung 29
Netzgrößen
Oberschwingungen
• Auswirkungen
- Fehlfunktionen von Geräten
- Überlastung des Neutralleiters ( N oftmals kleiner dimensioniert)
- Fehlauslösung von Schutzschaltern (FI bewertet Ströme in Neutral- & Außenleiter)
- Zusätzliche Verluste ( Temperatur  Lebensdauer)
- Vibrationen in Motoren
• Grenzwerte: IEC 61000-3-2 & IEC 61000-3-12
• Abhilfemaßnahmen
- Passive Filter
- Aktive Filter
• Grenzwerte: DIN EN 50160
• Gesamtoberschwingungsgehalt (Total Harmonic Distortion): 𝑇𝐻𝐷 = (𝑢ℎ)²
40
ℎ=2 ≤ 8%

Professur für
Einführung 30
Netzgrößen
Oberschwingungen (Fortsetzung)
• Grenzwerte: DIN EN 50160
Ungerade Harmonische
Gerade Harmonische
Keine Vielfache von 3 Vielfache von 3
Ordnung h Uh Ordnung h Uh Ordnung h Uh
5
7
11
13
17
19
23
25
6,0 %
5,0 %
3,5 %
3,0 %
2,0 %
1,5 %
1,5 %
1,5 %
3
9
15
21
5,0 %
1,5 %
0,5 %
0,5 %
2
4
6 bis 24
2,0 %
1,0 %
0,5 %
ANMERKUNG: Für die Oberschwingungen oberhalb der 25. Ordnung werden keine Werte angegeben, da sie
gewöhnlich niedrig, allerdings wegen Resonanzerscheinungen weitgehend unvorhersehbar sind

Professur für
Einführung 31
Entwicklung regenerativer Erzeugung
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Installierte
WEA
Leistung
in
MW
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014*
Installierte
PVA
Leisutng
in
MW
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
'90 '92 '94 '96 '98 '00 '02 '04 '06 '08 '10 '12 '14
Installierte
Wasserkraft
Leistung
in
MW
• Bereits früher regenerative Erzeugung
• Einfluss auf Netz erst nach 2000 spürbar
Quelle: BMWi

Professur für
Einführung 32
Charakteristik regenerativer Erzeuger
Allgemein
• Leistung fluktuierend
• Leistung nur begrenzt steuerbar
• Schlechte Prognostizierbarkeit
• Lokalisierung von günstigen Umgebungsbedingungen getrieben  oft große Entfernung
zwischen Erzeugung und Last

Professur für
Einführung 33
Wind
• Leistung 𝑃 =
1
2
⋅ 𝜌 ⋅ 𝐴 ⋅ 𝑣3
⋅ 𝑐𝑝(𝑣)
• Bis 7,5 MW je Anlage
ρ … Luftdichte
𝐴 … Rotorkreisfläche
𝑣 … Windgeschwindigkeit
𝑐𝑝 … Betz-Faktor (0,4…0,5)

Professur für
Einführung 34
• Onshore: ca. 2000 Volllastbenutzungsstunden
• Offshore: ca. 4000 Volllastbenutzungsstunden
• Fluktuierendes Winddargebot
- Saisonal
- Kurzfristig
Quelle: Fraunhofer IWES

Professur für
Einführung 35
Netzanbindung von Windparks
• Generator/Umrichter auf NS-Ebene (ab ca. 5 MW: MS)
• Innerparkverkabelung auf MS-Ebene
• Anschluss an öffentliches Netz auf HS/HöS-Ebene
 Anspruch auf Anschluss durch Netzbetreiber
 oftmals Netzertüchtigung notwendig

Professur für
Einführung 36
Offshore Windpark Nordsee-Ost
• 6 MW Turbinenleistung
 48 x 6 MW = 288 MW
Layout
• Kurze Verkabelungswege
• Optimale Windausbeute je Turbine
• Freie Installations-/Wartungswege
Anbindung
• 60 km Innerparkverkabelung: 33 kV Seekabel
• 90 km Anbindung an Festland: 155 kV Seekabel
• 45 km Kabel an Land (Anschlusspunkt Brunsbüttel)
Quelle: RWE

Professur für
Einführung 37
Einschub: Freileitungsmonitoring
• Konv. Auslegungsparameter für
Freileitungen
- Außentemperatur: 35°C
- Windgeschwindigkeit: 0,6 m/s
- Sonneneinstrahlung: 100%
- Leiterseiltemperatur: 80°C
• Online Monitoring
- Begrenzung: Leiterseiltemperatur 80°C
- Witterungsabhängige Betriebsführung: 𝑃𝑊𝑖𝑛𝑑~𝑣𝑊𝑖𝑛𝑑
- Höhere Leistungsübertragung möglich
• Aber: höhere Verluste (Wirk-/Blindleistung)
- 𝑃𝑁𝑒𝑛𝑛 ≤ 𝑃𝑤𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟𝑢𝑛𝑔𝑠𝑎𝑏ℎä𝑛𝑔𝑖𝑔 ≤ 1,5 ⋅ 𝑃𝑁𝑒𝑛𝑛
Schmale, Michael; Witterungsabhängige Belastbarkeit von
Freileitungen, Stuttgarter Hochspannungssymposium 2012

Professur für
Einführung 38
Photovoltaik
• Struktur der Netzanbindung
• Einspeisung stark fluktuierend: Saisonal/Kurzzeitig
0
20
40
60
80
100
Leistung
in
%
der
Nennleistung
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
Anteil
des
Ertrags
je
Monat
Wochenverlauf
Quelle: Heuck/Dettmann/Schulz

Professur für
Einführung 39
Photovoltaik - Einspeiseleistung
• Komponenten: Modul + Wechselrichter
• Momentanleistung abhängig von
- Modulnennleistung (STC)
- Zelltyp (Monokristallin/Polykristallin/Amorph)
- Neigungswinkel
- Ausrichtung
- Verschattung
- Temperatur
- Direkte + diffuse Strahlung
- Wechselrichterleistung
- Verschmutzung
- …

Professur für
Einführung 40
Einschub: Strahlungsüberhöhung
Maximale Einstrahlung tritt nicht bei wolkenlosen Verhältnissen auf
Tagesgang am 10.12.2012
der Strahlung am
Oberrand der Atmosphare
(TOA)
Globalstrahlung (GLO)
Direktstrahlung gerechnet
auf die Horizontale mit
Zenitwinkel α (DIR cos(α) )
Himmelsstrahlung (HIM)
Sonnenscheins
(Sun(TAWES))
Referenz: clear-sky
Bedingungen (GLO fit)
http://www.meteorologie.at/docs/Poster_Hofer.pdf
Quelle: www.meteorologie.at

Professur für
Einführung 42
Wasserkraftwerk
• Ca. 3,4 % der Stromerzeugung in Deutschland
• Ausführungen
- Laufwasser
- Speicherwasserkraftwerk
- Pumpspeicherkraftwerk ( Bereitstellung von Regelleistung)
• saisonale Schwankung
• Wenig Zubau (v.a. Repowering)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
Anteil
des
Ertrags
je
Monat
Energiebereitstellung Laufwasserkraftwerk

Professur für
Einführung 43
Auswirkungen auf das Netz
Photovoltaik - Niederspannung
• Auslegung von Niederspannungsnetzen nur zur
Versorgung
• Überlastung von Leitungen
• Verletzung des zulässigen
Spannungsbandes
Photovoltaik – Mittelspannung
• Auslegung auf Dauerlast (nicht EVU Last)  Kabel
• Zulässige Spannungsänderung 2%
• Beteiligung an statischer Spannungshaltung
• 0,95untererregt … cos φ …0,95übererregt
U
105%
102%
S/Sn
100%

Professur für
Einführung 44
Auswirkungen auf das Netz
Photovoltaik – Mittelspannung
• Dynamische Netzstützung
- Keine Netztrennung im Fehlerfall
- Blindstromstützung im Fehlerfall
- Keine erhöhte ind.
Blindleistungsaufnahme nach
Fehlerklärung
Oberhalb Grenzlinie 1
Keine Instabilität/Netztrennung zugelassen
Zwischen Grenzlinie 1 &2
Keine Netztrennung zugelassen, Einspeisung IKS mit
NB abzustimmen
Unterhalb Grenzlinie 2
Kurztrennung zugelassen

Professur für
Einführung 45
Integration von PV in der Niederspannungsebene
Netzausbau
• Auslegungsfall früher: Lastfall
• Auslegungsfall heute: Rückspeisefall
Problematik
• Hoher Strombezug
 Hohe Leitungsauslastung
 Spannungsabfall über Leitung senkt Spannung am Leitungsende
99 % 105 %
U/Un
Lastfall

Professur für
Einführung 46
Integration von PV in der Niederspannungsebene
Netzausbau
• Auslegungsfall früher: Lastfall
• Auslegungsfall heute: Rückspeisefall
Problematik
• Hohe Rückspeiseleistungen bei viel installierter PV
• Leitungsauslastung steigt
• Spannungsabfall über Leitung hebt Spannung im Netz an
S/Sn
100%
U
105%
102%
99 % 105 %
U/Un
Rückspeisefall

Professur für
Einführung 47
Konventionell: Netzausbau
• Aufteilen des Stromflusses auf zwei
Leitungen
 reduzierte Spannungsanhebung
• Ausbau der Leitung führt zu
niedrigerer Impedanz
 reduzierte Spannungsanhebung
• Kosten: ca 60.000 €/km
99 % 105 %
U/Un

Professur für
Einführung 48
Blindleistungsregelung
• Möglichkeiten nach AR 4105 / VDE 0435
- 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
- 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑓(𝑃)
- 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑄(𝑈)
• Erhöhter Blindleistungsfluss
• Kosten:
- Überdimensionierung Wechselrichter (ggü. reiner Wirkleistungseinspeisung)
- je nach Anlage: Funk-Rundsteuerempfänger
99 % 105 %
U/Un

Professur für
Einführung 49
Regelbarer Ortsnetztrafo (RONT)
• Durch Laststufensteller wird NS-seitige
Spannung von MS entkoppelt
• Senkt Spannungsniveau im gesamten Netz ab
• Einstellbereich von +/- 10 % möglich
• Kosten:
- ca. 25.000 €
- ca. 15.000 € mehr als normaler Trafo
99 % 105 %
U/Un
https://www.j-schneider.de/transformatoren/transformatoren/
regelbarer-ortsnetztransformator/

Professur für
Einführung 50
Integration von Batteriespeichern
• Abfangen der Einspeisespitze durch
Speicherung
• Zeitliche Verschiebung zwischen Erzeugung
und Verbrauch
• Netzentlastung abhängig von
- Anschlussort
- Dimensionierung (Leistung/Kapazität)
- Betriebsstrategie
• Kosten: 500-1000 €/kWh
99 % 105 %
U/Un
U
105%
102%
S/Sn
100%

Professur für
Einführung 51
Strangregler
• Wie Transformator im Verlauf eines Stranges
• Gut bei einem überlasteten Strang in Netzen mit mehreren Strängen
• Kosten:
- Stufenregler: ca. 25.000 €
- kontinuierlich: ca. 50.000 €

Professur für
Einführung 52
Schutz in Niederspannungsnetzen
Aufgaben
• Aufrechterhaltung des Netzbetriebs und Gewährleistung der Stabilität durch
zuverlässiges, schnelles und selektives Abschalten gestörter Netzelemente
• Vermeidung von Schäden an Menschen, Tieren und Betriebsmitteln
Arten des Netzschutzes:
• Primärschutz
bezeichnet Überstromschutz mit Hilfe von Sicherungen und direkt in Schalter eingebauten
messenden und auslösenden Einrichtungen (in NS- und teilweise auch in MS-Netzen)
• Sekundärtechnik
bezeichnet den Schutz, der auf Messungen mit Hilfe von Strom- und/oder
Spannungswandlern oder anderen Sensoren und Signalen basiert (in MS- und HS-Netzen)

Professur für
Einführung 53
Schutzsysteme
Nach Art des Betriebsmittels:
• Trafoschutz
• Generatorschutz
Nach Art der Störung:
• Kurzschlussschutz
• Überlastschutz
• Erdschlussschutz
• Über- und Unterspannungsschutz
• Über- und Unterfrequenzschutz
Nach eingesetztem Schutzverfahren:
• Überstromschutz
• Unterimpedanz- bzw. Distanzschutz
• Differentialschutz bzw. Vergleichsschutz
• Spannungsschutz
• Frequenzschutz

Professur für
Einführung 54
Parametrierung von Schutzsystemen
Wahl der Grenzwerte der Schutzsysteme:
• Berücksichtigen von Unschärfen bezüglich des Aufbaus und der Betriebsweise des Netzes
• Berücksichtigen von Ungenauigkeiten der Schutzeinrichtung
 Stromschwelle zu niedrig eingestellt  Überfunktion
 Stromschwelle zu hoch  Unterfunktion
ABER:
- Überfunktionen unerwünscht, da unnötig viele Betriebsmittel
abgeschaltet werden und Versorgungsunterbrechungen entstehen.
- Unterfunktionen kann nur dann toleriert werden, wenn Reserveschutz vorhanden.
Grundregel der Bemessung:
• primärer Schutz so eingestellt, dass er zur Unterfunktion neigt;
• Reserveschutz so eingestellt, dass jeder Fehler – wenn auch Zeit verzögert – geklärt wird.
 Prinzip stellt Selektivität sicher.

Professur für
Einführung 55
Überstromschutz
UMZ
(unabhängiger Maximalstrom-Zeitschutz)
üblicherweise für Leitungen, einstufige und
zweistufige UMZ-Relais
1
0,3
1
2
3
s
tv

r
5
1 2 3
0,3
1
2
3
s
tv

r
Einstellbereich:
Überstrom
Verzugszeit
AMZ
(abhängiger Maximalstrom-Zeitschutz)
 Typischerweise für Generatoren/Motoren
eingesetzt
tv

r
1

tv ~
UMZ einstufig UMZ zweistufig

Professur für
Einführung 56
Anwendung von UMZ-Relais für Leitungen
Bei Leitungen mit mehreren Relais wird durch zeitliche Staffelung Selektivität gewährleistet.
Dabei weist das von der Einspeisung entfernteste Relais die kürzeste Auslösezeit, das direkt
an der Einspeisung die längste Auslösezeit auf.
Beispiel: Einseitig gespeiste Leitung
Beispiel: Zweiseitig gespeiste Leitung mit UMZ- und Richtungs-Relais
0,9 s 0,5 s 0,1 s
.... UMZ - Schutz
1,0 s 0,7 s
0,1 s 1,0 s
0,4 s 0,7 s
0,4 s 0,1 s
0,5 s 0,1 s
.... UMZ - Schutz
0,1 s
.... Richtungsrelais
0,5 s

Professur für
Einführung 57
Distanzschutz
• bewertet die Entfernung zum Fehlerort
• nahe Fehler: Aus-Kommando an den Schalter in Schnellzeit gegeben
• weiter entfernte Fehler: Ausschaltung verzögert
Die Entfernung vom Schutzrelais bis zum Kurzschlussort wird indirekt gemessen:
Messgröße = Leitungsimpedanz ZL mit 𝑍𝐿 = (𝑅𝐿
′
+ 𝑗 𝑋𝐿
′
) ∙ 𝑙
Speziell bei Kurzschluss mit Lichtbogen gilt:
 zusätzlicher ohmscher Widerstand
 Impedanz erhöht sich
 Kurzschluss wird in größerer Entfernung gedeutet als tatsächlich vorhanden
 verzögerte Ausschaltung

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