Analyse der Auswirkung von unsymmetrisch betriebenen Kundenanlagen auf die Strom- und Spannungsunsymmetrie in öffentlichen Niederspannungsnetzen am Beispiel von Elektrofahrzeugen und Photovoltaikanlagen

Die Zunahme unsymmetrisch betriebener Kundenanlagen mit hoher Betriebsdauer und -strömen in Niederspannungsnetzen führt neben der stärkeren Belastung der Betriebsmittel und des Spannungsbandes zu einer Erhöhung der Spannungsunsymmetrie. Diese Arbeit untersucht diese Beeinflussungen anhand von Wiederspannungsnetzsimulationen bei verschiedener Durchdringung von Elektrofahrzeugen und Photovoltaikanalgen. Dazu werden anhand von Labor- und Netzmessungen probabilistische Lastmodelle für Haushalte, Photovoltaikanalgen und Elektrofahrzeuge entwickelt, welche die unsymmetrische Betriebsweise über einen Tag berücksichtigen. Die Auswirkungen auf die Spannungsunsymmetrie werden anhand des Verhältnisses zwischen Gegen- zu Mitsystemspannung und die Stromunsymmetrie anhand von unsymmetrischen Leistungsanteilen beschrieben. Neben der Analyse der Auswirkungen der unsymmetrisch betriebenen Kundenanlagen auf die erwähnten Kenngrößen werden mögliche Maßnahmen zur Reduzierung des Einflusses vorgestellt und durch Simulationen geprüft. Anhand der durchgeführten Betrachtungen und Simulationen wird ein Niederspannungsäquivalent abgeleitet. Mit diesem können Profile für die unsymmetrischen Leistungsanteile bestimmt werden, mit denen die Sternpunktbelastung und der Einfluss auf die Unsymmetrie im übergeordneten Netz abgeschätzt werden kann.:1 Einführung 1 1.1 Stand der Technik 1 1.2 Ziel der Arbeit 2 1.3 Struktur der Arbeit 3 2 Grundlagen 4 2.1 Elektroenergiequalität und EMV Koordinierung 4 2.2 Allgemeine Bewertungsgrößen 8 2.2.1 Gleichphasigkeitsindizes 8 2.2.2 Qualitätsreserve 9 2.2.3 Quantil 9 2.3 Betriebsmittelbelastung 10 2.4 Verlustleistung und -energie 10 2.5 Langsame Spannungsänderung 10 2.6 Unsymmetrie-Kenngrößen 13 2.6.1 Spannungsunsymmetrie 16 2.6.2 Stromunsymmetrie 18 2.6.3 Unsymmetrische Leistung 20 3 Einflussfaktoren auf die Unsymmetrie 24 3.1 Übergeordnetes Netz 24 3.2 Transformator 25 3.3 Leitung 27 3.4 Erdung 28 3.5 Kundenanlagen 33 3.5.1 Anschluss der Kundenanlagen 33 3.5.2 Statisches Verhalten hinsichtlich Spannungs- und Frequenzabhängigkeit 34 3.5.3 Analytisches Modell zur vereinfachten Abschätzung der Spannungsunsymmetrie 35 3.6 Zusammenfassende Bewertung der Einflussfaktoren 40 3.7 Maßnahmen zur Reduzierung der Unsymmetrie 41 3.7.1 Verringerung der Gegensystemspannung des übergeordneten Netzes 43 3.7.2 Verringerung der wirksamen Gegen- bzw. Nullsystemimpedanz am Verknüpfungspunkt 43 3.7.3 Verringerung des Gegen- bzw. Nullsystemstroms der anzuschließenden Kundenanlage 43 3.7.4 Erhöhung der unsymmetrischen Lastimpedanz parallel betriebener Anlagen 44 3.7.5 Beeinflussung des Phasenwinkels des Gegen- bzw. Nullsystemstroms 44 3.8 Auswahl des Messorts zur Bestimmung der höchsten Spannungsunsymmetrie 47 4 Simulationskonzept und -modelle 49 4.1 Auswahl an Kundenanlagen 49 4.1.1 Erzeugungsanlagen im Niederspannungsnetz 49 4.1.2 Elektrofahrzeuge 51 4.2 Simulationsablauf 52 4.2.1 Wahl eines Simulationsszenarios und eines Simulationsnetzes 53 4.2.2 Installation von Photovoltaikanlagen und Ladepunkten für Elektrofahrzeuge 54 4.2.3 Festlegung von zu simulierender Zeitdauer und Mittelungsintervall 54 4.2.4 Lastflussberechnung je Zeitschritt 55 4.3 Stochastische Beschreibung der gleichzeitig ladenden Elektrofahrzeuge je Außenleiter – zentrales Laden 55 4.4 Simulationsmodelle - dezentrales Laden 57 4.4.1 Übergeordnetes Netz 57 4.4.2 Betriebsmittel des Niederspannungsnetzes 60 4.4.3 Kundenanlagen 62 5 Simulationsergebnisse 72 5.1 Zentrales Laden 72 5.1.1 Methodik 72 5.1.2 Auslastung der Betriebsmittel 73 5.1.3 Leitungsverluste 73 5.1.4 Unsymmetrischer Leistungsanteil 74 5.1.5 Spannungsunsymmetrie und Spannungsdifferenz 75 5.2 Dezentrales Laden 77 5.2.1 Methodik 77 5.2.2 Auslastung der Betriebsmittel 78 5.2.3 Leitungsverluste 79 5.2.4 Spannungsdifferenz 80 5.2.5 Unsymmetrischer Leistungsanteil 82 5.2.6 Spannungsunsymmetrie 83 5.2.7 Bewertung möglicher Maßnahmen zur Reduzierung der Spannungsunsymmetrie 89 5.2.8 Einfluss unsymmetrischer Koppelimpedanzen auf die Spannungsunsymmetrie 92 5.3 Resümee und Handlungsempfehlungen 94 6 Niederspannungsäquivalent für unsymmetrische Leistungsanteile 97 6.1 Lastgang der unsymmetrischen Leistungsanteile 97 6.2 Geräteklassenabhängiger unsymmetrischer Leistungsanteil 99 6.2.1 Unsymmetrischer Leistungsanteil Haushaltslasten 99 6.2.2 Unsymmetrischer Leistungsanteil Elektrofahrzeuge 99 6.2.3 Unsymmetrische Leistungsanteile PV-Anlagen 103 6.3 Überlagerung der Zeitverläufe 104 6.4 Beispiel 105 7 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 110 Anhang 11

Bestimmung des Regulierungsbedarfs aus ökonomischer Sicht: Angemessenheit und Folgen einer funktionalen oder strukturellen Trennung von Swisscom.

The study analyzes the regulatory need of a functional or structural separation of the Swiss incumbent Swisscom.Separation, Access, Telecommunications

Beschreibung der Elektroenergiequalität an der Schnittstelle zwischen Elektroenergieversorungsnetz und Elektroenergieabnehmer

Description of power quality at the interface between energy supplier and customer A non-optimal power quality can lead to substantial costs in industrial processes. Therefore the availability and quality of power supply have to be adapted to the necessity of the supplied industrial and technological processes. However, reality looks differently. Problems with power quality increased in the last years. A reason for this trend is also the more and more liberalized energy market, where the number of for example converter-fed drives or sensitive loads, like computer networks, increased substantially. These factors have been contributing e.g. to a sharp increase of harmonics in power supply. Therefore it's absolutely necessary to involve the aspects of power quality into the planning and engineering process. The indicators of power quality like harmonics, voltage dip, flicker etc. have to be determined under the aspect of operation of equipment and processes under a risky nonconformist way. Therewith and also by use of mathematical/numerical models of equipment, processes and electrical network as well one has the chance to describe the complete planning, engineering and running process under the aspects of the electromagnetic compatibility (EMC). The level of power quality of the power supply versus to its loads is the obligatory benchmark of all partners within the same power network and necessary to guarantee a quality-conform, reliable and safe production process. Five examples show how the effect of power quality in order to integrate the results into the engineering and/or planning process of electrical equipment and power supply networks has to be analysed. Furthermore it is shown how a customer can use the results to optimize his power supply structure under a minimum risk related to the process or product and also under the point of view to reduce investments.Beschreibung der Elektroenergiequalität an der Schnittstelle zwischen Elektroenergieversorgungsnetz und Elektroenergieabnehmer Verstärkt wird in der Industrie sichtbar: eine nicht optimal verfügbare elektrische Energie (EE) kann zu erheblichen Kosten führen; denn nur mit einer optimalen Verfügbarkeit und Qualität der EE, d.h. seiner Elektroenergiequalität (EEQ) ist die Produktion und deren Steuerung gesichert. Doch die Realität sieht anders aus. So hat das Problem der Qualität der EE in den letzten Jahren zugenommen. Der Markt für EE ist offen und der industrielle Elektroenergieverbraucher muss erkennen, dass es gilt den Fokus auf die weitere Entwicklung der Elektroenergieverbraucher, respektive deren verstärkten Einsatz als sensible Verbraucher, beispielsweise Rechnernetze, zu setzten. Folglich ist es absolut notwendig, die Aspekte der Elektroenergiequalität in den Planungs- und Betriebsprozess mit einzubeziehen. Die Kenngrößen der Elektroenergiequalität, wie Oberschwingungen, Spannungseinbrüche oder –senkungen, Flicker, etc., müssen durch ein geeignetes Verfahren, als Vorgehensweise unter dem Aspekt des Risikos eines nichtkonformen Betriebs von Anlagen am Netz, ermittelt werden. Die notwendige Anforderung an ein solches Verfahren, die daraus hervorgehende mathematische und numerische Modellbildung, ist Grundlage der Beschreibung der Betriebsmittel der Netze und der Abnehmer unter Gesichtspunkten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Die Quantität der EMV, gesehen als Elektroenergiequalität einer Vielzahl von Verbrauchern im Elektroenergiesystem, ist der obligatorische Benchmark zwischen allen Partnern im selben Netzverbund. Es gilt dem/den Elektroenergieverbraucher(n) einen qualitätskonformen, d.h. notwendigen und zugleich sicheren Produktionsprozess zu garantieren. Fünf Beispiele zeigen, wie man die Wirkung der Elektroenergiequalität analysiert, und die Ergebnisse im Technik- und/oder Planungsprozess von elektrischen Anlagen und Ausrüstungen (Elektroenergieabnehmer) zum Elektroenergieversorgungsnetz hin integriert. Des weiterem wird gezeigt, wie ein Verbraucher die Ergebnisse benutzen kann, um seine Elektroenergieversorgungsstruktur unter dem minimalen Risiko funktionaler Störung zum Prozess und/oder Produkt (Investment) zu optimieren

Einsatzpotenziale erneuerbarer Energien für Verkehr und Infrastruktur verstärkt erschließen. Ergebnisbericht des Themenfeldes 5 im BMVI-Expertennetzwerk für die Forschungsphase 2016 – 2019

Bundesanstalt für Gewässerkunde, Bundesanstalt für Straßenwesen, Deutscher Wetterdienst, Deutsches Zentrum für Schienenverkehrsforschung beim Eisenbahn-BundesamtAutoren: Markus Auerbach (BASt), Anna-Dorothea Ebner von Eschenbach (BfG), Dörthe Eichler (WSV), Felix Gersdorf (BASt), Frank Kaspar (DWD), Detlev Majewski (DWD), Deborah Niermann (DWD), Benjamin Schima (BfG), Philipp Streek (DZSF/EBA

Synthese von Zeitreihen elektrischer Lasten basierend auf technischen und sozialen Kennzahlen: Grundlage für Planung, Betrieb und Simulation von aktiven Verteilungsnetzen

Kenntnisse über das prinzipielle Verhalten der Lasten und deren Benutzung durch die Endabnehmer sind im Wesentlichen vorhanden. Viele der aktuell notwendigen Untersuchungen benötigen jedoch Zeitreihen elektrischer Lasten, sogenannte Lastgänge. Mit der Synthese von Zeitreihen elektrischer Lasten können unter Berücksichtigung verschiedenster Anforderungen Lastgänge aufgebaut werden, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf Haushaltsabnehmer liegt. Wichtige Eingangsdaten für die Lastgangsynthese sind die technischen Kenngrößen der elektrischen Geräte und die sozialen Kennzahlen zur Benutzung der Geräte durch die Endabnehmer. Anhand dieser Eingangsdaten wird die Lastgangsynthese durchgeführt und werden Anwendungsbeispiele dargestellt. Die Entwicklung von klassischen Versorgungsnetzen hin zu aktiven Verteilungsnetzen ist bedingt durch neue Verbraucher, wie Wärmepumpen, Elektroautos, sowie vielen dezentralen Erzeugungsanlagen. Speziell die fluktuierende Einspeisung durch Photovoltaik-Anlagen ist Anlass zur Forderung nach einem Verbrauchs- und Lastmanagement. Mit dem Verbrauchsmanagement wird die Last an die Einspeisung angepasst und das Lastmanagement berücksichtigt zusätzlich die Versorgungssituation des Netzes. Für die Lastgangsynthese werden die Haushaltsgeräte in fünf Geräteklassen unterteilt, für die spezifische Kennzahlen aus technischer und sozialer Sicht angegeben werden. Diese Kennzahlen sind Leistung pro Gerät oder Energieverbrauch pro Nutzung sowie Ausstattungsgrade, Benutzungshäufigkeiten und Zeiten für das Ein- und Ausschalten der Geräte. Damit wird ein neuer Ansatz gewählt, welcher nicht mehr auf die detaillierte Beschreibung des Bewohnerverhaltens beruht, da die Datenbereitstellung dafür äußerst schwierig war und ist. Vorzugsweise in Niederspannungsnetzen sind mit synthetischen Zeitreihen umfangreiche und umfassende Untersuchungen realisierbar. Es gibt verschiedenste Möglichkeiten, die Zeitreihen zusammenzustellen. Mit Lastgängen je Außenleiter können beispielsweise unsymmetrische Zustände der Netze analysiert werden. Zudem können auch Lastgänge für Geräte bzw. Gerätegruppen erstellt werden, welche für Potenzialanalysen des Verbrauchsmanagement essenziell sind. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass viele Berechnungen nicht mehr auf deterministische Extremwerte beruhen, sondern die stochastischen Eigenschaften der Endabnehmer mit den resultierenden Lastgängen berücksichtigt werden.Distributed generation and novel loads such as electric vehicles and heat pumps require the development towards active distribution networks. Load curves are needed for the appropriate design process. This thesis presents a feasible and expandable synthesis of load curves, which is performed exemplary on residential customers with a period under review of 1 year and time steps of as little as 30 s. The data is collected for up-to-date appliances and current statics examining the way of life. The main focus lies on the input data for the synthesis and distinguishes between technical and social factors. Some thirty home appliances have been analyzed and are classified into five appliance classes by incorporating switching operations and power consumptions. The active power is the key figure for the technical perspective and the data is derived from manufacturer information. For the social perspective six different customer types are defined. They differ in sizes of household and housekeeping. The social key figures are appliance penetration rate and depending on the appliance class the turn-on time, turn-off time, operating duration or cycle duration. The elaborated two-stage synthesis is efficiently implemented in Matlab®. First, artificial load curves are created for each appliance of the households under consideration of the appliance class. In the second step, the individual load curves of the appliances are combined to load curves per line conductor. The algorithms have been validated in the implementation process by retracing the input data in the load curves. Also, the feasibility of the results is shown by comparing the key figures maximum load and power consumption to data in literature. The generated load curves allow for unsymmetrical calculations of distribution systems and can be used for probabilistic investigations of the charging of electric vehicles, the sizing of thermal storage combined with heat pumps or the integration of battery storage systems. A main advantage is the possibility to estimate the likelihood of operating conditions. The enhancement to further appliances and the changeability of the input data allows for versatile further possible investigations

Die Gaswirtschaft im Zeichen von Wettbewerb und Umwelt: Perspektiven der Erdgasversorgung im europäischen Binnenmarkt

Die traditionelle Theorie der Regulierung natürlicher Monopole und daraus abgeleiteter wettbewerblicher Ausnahmebereiche konzentrierte sich auf die Frage, welche Regulierungen vorzusehen sind, um einem Mißbrauch der Marktmacht der regionalen Monopolisten auf den Strom- und Gasmärkten zu begegnen. Einen völlig anderen Ansatzpunkt stellt die „Essential Facilities Doctrine" dar, die sich aus dem Antitrust-Recht in den USA entwickelte: Hier steht die Frage im Mittelpunkt, durch welche institutionellen und vertraglichen Regelungen die Marktzutrittsbarrieren des Netzzugangs und der Netzbenutzung als Merkmale natürlicher Monopole relativiert oder beseitigt werden können. Diese Betrachtungsweise liegt auch der wettbewerblichen Umgestaltung des leitungsgebundenen Energiesektors durch die Binnenmarktrichtlinien Strom (19.2.1997) und Erdgas (10.8.1998) seitens der Europäischen Union zugrunde. Diese Richtlinien verlangen von den Mitgliedsländern eine schrittweise Liberalisierung und Marktöffnung. In Deutschland wurde die Novellierung des Energiewirtschafts- und Wettbewerbsrechts weitgehend parallel zu den Reformschritten in der EU vorangetrieben; die Novellierung des Energiewirtschaftsrechts trat am 29. April 1998 in Kraft. In der Umgestaltung der Marktregelungen für Strom und Gas geht die Novelle des Energiewirtschaftsrechts weit über Regelungen hinaus, die bei einer Umsetzung der Binnenmarktrichtlinie Erdgas als Mindestumfang erforderlich gewesen wären. Allerdings betreffen die Zugangsregelungen zum Versorgungsnetz nach deutschem Recht bislang nur den Strommarkt. Eine Verbändevereinbarung analog zum Strommarkt wird aber auch für den Erdgasmarkt angestrebt. Bisherige Abschätzungen des Preissenkungspotentials auf dem Gasmarkt infolge des Wettbewerbs siedeln dieses in einer Größenordnung von 10-20 vH an. Deutlich höher mit 20-30 vH wird das analoge Preissenkungspotential auf den Elektrizitätsmärkten eingeschätzt. Diese prospektiven Preissenkungen infolge wettbewerblicher Strukturen werden durch die Einführung der Ökosteuern sowie deren schrittweise Erhöhung ganz oder teilweise kompensiert. In der 1. Stufe der bereits beschlossenen Ökosteuern werden ab 1. April 1999 die Erdgaspreise im Kleinverbrauch um ca. 4 vH und für die Haushalte mit Vollversorgungstarifen um ca. 6,5 vH angehoben. Sollten auch die nachfolgenden beiden Stufen der ökologischen Steuerreform in dieser Größenordnung angesiedelt sein, so würden hierdurch die infolge des Wettbewerbs möglichen Senkungen des Erdgaspreises ausgeglichen oder überkompensiert. Durch den zunehmenden Anteil des Erdgases am Energieverbrauch der EU-Mitgliedsländer werden die Emissionen relativ zum Energieverbrauch in der Vergangenheit abnehmen, absolut aber bei den Treibhausgasen im Jahr 2020 das Ausgangsniveau von 1990 noch deutlich übersteigen. Derzeit ist völlig offen, wie die EUMitgliedsländer das in Kyoto eingegangene Reduktionsziel erreichen wollen (Abnahme von 8 vH für die Budgetperiode von 2008 bis 2012 auf Basis des 6-Gas-Ansatzes). In Deutschland wird sich der Anteil des Erdgases an der Stromerzeugung infolge des avisierten Ausstiegs aus der Kernenergie gegenüber den bisherigen Projektionen der EU deutlich erhöhen und damit den Zielerreichungsgrad bei der Emissionsminderung an Treibhausgasen deutlich herabsetzen. Die von der Bundesregierung beschlossenen und geplanten Ökosteuern werden hierbei keine Lenkungsfunktion ausüben, weil diese in ihrer Ausgestaltung (bislang) keinerlei Bezug zu einer schadstoffadäquaten Bemessungsgrundlage haben. --

Analyse und Bewertung des Elektrizitätssystems und des Wärmesystems der Wohngebäude in Deutschland

Die Arbeit befasst sich mit der Analyse und Bewertung der Entwicklung des Elektrizitäts- und Wärmesystems der Wohngebäude in Deutschland bis zum Jahr 2050. Das Untersuchungsziel besteht neben der Analyse der zeitlichen Veränderung der Teilenergiesysteme insbesondere darin, das Potenzial von Technologien an der Schnittstelle von Elektrizität und Wärme zu identifizieren sowie die Entwicklung vor dem Hintergrund der energie- und klimapolitischen Ziele im Wärmesystem der Wohngebäude zu bewerten