Ursachen und Grundsätze zur Spannungsänderungen im elektrischen Netz nach dem Anschluss von neuen Erzeugungsanlagen

Die elektrischen Triebfahrzeuge weisen höchste Effizienz auf, wenn sie mit ei-ner stabilen Spannung versorgt werden. Tatsächlich wird die Spannung durch die unterschiedliche Stromabnahme während der Zugfahrt geändert. Der An-schluss von Windparks oder PV-Anlagen kann im Normalbetrieb, aufgrund der fluktuierenden Stromeinspeisung, die bestehenden Spannungsänderungen ver-stärken (Senkung der Spannungsqualität). Um eine erforderliche Funktionalität der elektrischen Triebfahrzeuge und anderen Verbrauchern der Deutschen Bahn sichern zu können, dürfen die resultierenden Spannungsänderungen nur in bestimmten Toleranzen schwanken (Tabelle 5).

Die Hauptursache für Spannungssenkung oder Spannungsanhebung am Netz-anschlusspunkt der neuen Erzeugungsanlage ist der variable Spannungsfall über der Impedanz im übergeordneten Netz dU_Netz und im Transformator am Unterwerk dU_UW (Abbildung 66).

Abbildung 66:

Allgemeine Struktur des Bahnstromnet-zes mit eigenen und neuen Erzeugungs-anlagen

Quelle: Eigene Darstellung – Fraun-hofer IWES

Die nach dem Netzanschluss der neuen EE-Anlagen zu erwartenden Span-nungsanhebungen können nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden.

Für die allgemeine technische Analyse der entwickelten Konzepte in diesem Projekt ist es ausreichend, statt der genauen und aufwändigen Netzberech-nungen für das gesamte 110-kV- und 15-kV-Bahnnetz mit mehr als tausend Knotenpunkten, nur eine Schätzungen nach dem Ohmschen Gesetz für reprä-sentative Netzpunkte durchzuführen. Aus diesem Gesetz kann ein mathemati-sches Kriterium abgeleitet werden, dass eine Bestätigung oder eine Ablehnung jedes neuen vorgeschlagenen Konzepts ohne Durchführung von komplizierten Netzberechnungen schätzen kann.

FhG IWES; DB Energie, BBH, IKEM Bahnstrom Regenerativ - Endbericht 132 Das ganze übergeordnete Netz wird im Bezug auf einen betrachtenden Netz-anschlusspunkt der neuen EE-Anlage durch ein Äquivalent ersetzt (Abbildung 66). Eigenschaften dieses Netzanschlusspunktes werden durch eine Kurz-schlussleistung S_K^" und einen Netzimpedanzwinkel _Netz charakterisiert. Aus diesen Parametern können der ohmsche Widerstand R_Netz und die Reaktanz XNetz vom Äquivalent des übergeordneten Netzes berechnet werden. Dabei sind c1,1 - Spannungsfaktor³²,



_Netz - Netzimpedanzwinkel und U_n - Nennspannung. Aus den Netzparametern und eingespeisten Wirk- und Blind-leistungen der neuen EE-Anlagen ergibt sich der variable Spannungsfall über Impedanz im übergeordneten Netz dU_Netz. Dabei sind P_EA - eingespeiste Wirkleistung und



_EA - regelbarer Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom der Erzeugungsanlage, U_Netz - Längsspannungsänderung (Realteil der komplexen Spannungsänderung) und j



U_Netz - Querspannungsänderung (Imaginärteil der komplexen Spannungsänderung) am Netzanschlusspunkt der Erzeugungsanlage. Es kann ein Kriterium für die Bestimmung der maximal zu-lässigen eingespeisten Leistung der neuen Erzeugungsanlage P_EAmax abgeleitet werden.

Die durch die Deutsche Bahn durchgeführten Netzberechnungen haben fol-gende Kennwerte der Kurzschlussleistungen und Netzimpedanzwinkel erge-ben:

Einsatz des durchschnittlichen Netzimpedanzwinkels von 66,3 Grad im 110-kV-Netz ermöglicht die Gleichung 1 zu vereinfachen

32 IEC 60909-0 (VDE 0102) “Kurzschlussströme in Drehstromnetzen“. Juli 2002

FhG IWES; DB Energie, BBH, IKEM Bahnstrom Regenerativ - Endbericht 133

 

Soll die Erzeugungsanlage nur Wirkleistung in das Bahnnetz einspeisen, d.h.

1

tg



EA , so bekommt das Kriterium folgende Darstellung 27 (%) Netzimpedanzwinkels ergibt sich das Kriterium für 15-kV-Netz

63 (%)

Die Grafik in der Abbildung 67 verdeutlicht die Gleichung 3. Sie zeigt die Ab-hängigkeit der maximal zulässigen eingespeisten Wirkleistung der EE-Anlagen bei den unterschiedlichen angenommenen Spannungsanhebungen am Netzan-schlusspunkt von 2 % bis 4 % für die tatsächlichen Kurzschlussleistungen im 110-kV-Netz der DB Energie vom minimalen bis zum maximalen Wert (Tabelle 13). Größere Spannungsanhebungen am Netzanschlusspunkt der EE-Anlage sind aus betrieblichen Gründen des 110-kV-Bahnnetzes nicht zulässig, weil die Rückspeisungen an das Netz durch Lokomotiven bzw. entsprechende Span-nungsanhebungen im Normalbetrieb auch kompensiert werden müssen. Die berechneten Werte gelten für den Anschluss an einen Netzpunkt. Sollen An-schlüsse an mehreren Netzpunkten durchgeführt werden, so ist eine vollstän-dige Netzberechnung erforderlich.

FhG IWES; DB Energie, BBH, IKEM Bahnstrom Regenerativ - Endbericht 134 Aus der Abbildung 67 ergeben sich die maximal zulässigen eingespeisten Wirk-leistungen der Erzeugungsanlagen bei den maximalen erlaubten Spannungs-anhebungen von 2 und 4 %. Die gewonnenen Werte entsprechen den übli-chen Leistungen der Windparks im Onshore-Bereich Deutschlands. Das erlaubt anzunehmen, dass die Aufnahmekapazität der Netzanschlusspunkte mit den durchschnittlichen Parametern des 110-kV-Bahnnetzes für einen Anschluss von Onshore-Windparks ausreichen ist.

Das Kriterium nach Gleichung 4 ermöglicht auch die durchschnittlichen Leis-tungen der EE-Anlagen im 15-kV-Netz auszuwerten. Die Ergebnisse sind als Grafik in Abbildung 68 dargestellt. Werden die praktischen Erfahrungen und Anforderungen zum Netzanschluss und Parallelbetrieb der EE-Anlagen im 50-Hz-Mittelspannungsnetz (siehe Abschnitt 2.4.2 Seite 28) akzeptiert, so sollen nur die Spannungsanhebung von 2 % bzw. die eingespeiste Wirkleistung der Erzeugungsanlage von maximal 16 MW in Betracht kommen. Dieser Wert ist größer als die typischen installierten Leistungen von PV-Anlagen und Wasser-kraftwerken und Biogas/BHKW-Anlagen. Darüber hinaus folgt, dass die Auf-nahmekapazität des 15-kV-16,7-Hz-Netzes für den Anschluss genannter Typen von EE-Anlagen mit einer zurzeit typischen Leistung ausreichend ist. Die be-rechneten Werte gelten für den Anschluss an einen Netzpunkt. Sollen An-schlüsse an mehreren Netzpunkten durchgeführt werden, so ist eine vollstän-dige Netzberechnung erforderlich.

Abbildung 68:

Maximal eingespeis-te Wirkleistungen der neuen Erzeu-gungsanlagen an einen Punkt des 15-kV-Netzes Quelle:

Berechnung von Fraunhofer IWES und DB Energie

Die ausführliche Analyse der maximalen Anschlussleistungen der EE-Anlagen an allen 110-kV- und 15-kV-Netzpunkten gehört nicht zu den Zielen dieses Projektes. Trotzdem wurden solche Analysen für einige repräsentative Netz-punkte durchgeführt. Deren Ergebnisse werden im Weiteren diskutiert. Dabei ist zu bemerken, dass die Grafiken in Abbildung 67 und Abbildung 68 unter der Annahme entwickelt wurden, dass eine EE-Anlage nur die Wirkleistung in das Netz einspeist. Die im Abschnitt 2.4.2 auf Seite 28 genannten Richtlinien haben den Hersteller zur Produktion von regelbaren EE-Anlagen verpflichtet, die im Stande sein sollen, nicht nur Wirkleistung sondern auch Blindleistung bereitstellen zu können. Wird die Nutzung der geplanten EE-Anlagen auch für die Spannungsstützung geplant, soll bei der Berechnung der Spannungsanhe-bungen auch deren Phasenwinkel



_EA berücksichtigt werden. Durch Regelung dieses Winkels können die EE-Anlagen die Spannung sowohl anheben als auch

FhG IWES; DB Energie, BBH, IKEM Bahnstrom Regenerativ - Endbericht 135 senken. Dieser Regelungseffekt bezeichnet weitere Vorteile der Netzintegration von EE-Anlagen ins Bahnnetz.

9.2 Szenarien zur Entwicklung des Verkehrsaufkommen und resultierender

Im Dokument Bahnstrom Regenerativ - Analyse und Konzepte zur Erhöhung des Anteils der Regenerativen Energie des Bahnstroms Endbericht (Seite 133-137)