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Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2007

Durch den zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung des Verkehrs- und Wärmesektors kommt es in ländlichen Niederspannungsnetzen vermehrt zu Problemen bei der Einhaltung des Spannungsbandes. Für den dadurch erforderlichen Netzausbau bietet gerade bei langen Netzausläufern in der Niederspannung der Einsatz von Strangspannungsreglern eine kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Maßnahmen. Die aktuell bekannten Umsetzungen bewirken jedoch eine Einprägung von Netzrückwirkungen oder einen erhöhten Aufwand für den Netzbetreiber hinsichtlich der Instandhaltung. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt und erforscht, das eine netzrückwirkungsarme und robuste Strangspannungsregelung ermöglicht. Das Konzept beruht auf einem stufenlosen Strangspannungsregler, der auf Basis von variablen Induktivitäten arbeitet. Neben der allgemeinen Wirkungsweise und Aufbaumöglichkeiten eines solchen Strangspannungsreglers werden Ansteuerungs- und Regelungsverfahren untersucht, welche das statische und dynamische Verhalten der stufenlosen Spannungsregelung netzverträglich gestalten. Dabei wird die Netzverträglichkeit des entwickelten Konzeptes über eine Analyse der Netzauswirkungen sowie eine Erprobung im Labor und im Feld bewertet.

Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2020

Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2020

Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2019

Die elektrische Energieversorgung ist ein fester Bestandteil in unserem Leben. DieTragweite der st��rungsfreien Energieversorgung wird schnell deutlich, wenn einStromausfall auftritt. Innerhalb weniger Minuten f��hrt das Ausbleiben der Energie zuvereinzelten Einschr��nkungen im Haushalt bis hin zum Verkehrschaos in der Infrastrukturund im schlimmsten Fall zu gro��fl��chigen Stromausf��llen.Der Weg des Energietransportes vom Erzeuger zum Verbraucher geschieht in einerklassischen Top-Down Struktur. Das Hochspannungsnetz transportiert zun��chst elektrischeLeistung zentraler Erzeuger. ��ber das Mittel- und Niederspannungsnetz wirddie Leistung schlie��lich an Industrie und Hausanschl��sse verteilt. Diese klassischeTop-Down-Struktur befindet sich nun im Wandel. Parallel zu den zentralen Gro��erzeugernspeisen nun immer mehr erneuerbare Energie-Anlagen direkt auf Niederspannungsebenein das Stromnetz ein und belasten zus��tzlich, volatil die nicht ��berwachtenNetzelemenete des Verteilnetzes. H��lt dieser Trend weiter an, so k��nnten sich Netzfehlerauf Niederspannungsebene zuk��nftig h��ufen.Die Zeit des Stromausfalls soll so klein wie m��glich gehalten werden, um den ��konomischenSchaden von Netzkunden und -betreiber zu begrenzen. Die Ortung des Netzfehlersund der vom Netzfehler betroffenen Region (outage area) nimmt dabei diemeiste Zeit in Anspruch.Ziel der Arbeit ist es, die Anforderungen f��r ein Gesamtsystem zur Analyse von Fehlernim Niederspannungsnetz, und f��r dessen Subsysteme/Module ("Hausmessung","Netzmessung", "zentrale Datenverarbeitung" und "Kommunikationsinfrastruktur"),zu spezifizieren. Die Teilaufgaben "Fehlererkennung", "-klassifizierung" und "-ortung",sowie die Bestimmung der Ausfallregion sollen dabei so auf die Module verteiltwerden, dass die Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur minimiert werden.Dazu wurde unter Zuhilfenahme der Erkenntnisse einschl��giger Literatur und einesSzenarios zun��chst ein m��gliches Funktionsprinzip entwickelt, um Fehler im Niederspannungsnetzautomatisiert zu analysieren, um somit den Netzwiederaufbau zubeschleunigen und Netzfehlerdaten zu sammeln. Anhand des Funktionsprinzips wurdendie System Requirements abgeleitet und definiert.Die integrierte Methode vereint altbew��hrte mit modernen Konzepten zur Netzfehleranalyse.Auf Grundlage von Wavelet Transformation von Strom- und Spannungssignalenund Anwenden von Merkmalerkennung k��nnen k��nstlich neurale Netze (KNN)auf die Fehlerart und den Fehlerort schlie��en. In Kombination mit weiteren, bereits imVerteilnetz verwendeten Methoden kann ein System entstehen, das durch seine unterschiedlichenInformationsquellen zum Fehler akkurate und verl��ssliche Ergebnisse zurBeschleunigung des Netzwiederaufbaus und zur Netzfehleranalyse liefern kann. Zudiesen Methoden z��hlen die impedanzbasierte Methode, das Auswerten von Fehlerindikatoren,um den Fehlerpfad zu lokalisieren, Kundenanrufe etc.Nach einem Vergleich der Anforderungen an das System aus den Requirements Specificationsmit den bereits vorhandenen Mitteln, die im Verteilnetz bereits zur Verf��gungstehen ist eine Realisierung des entwickelten Systems prinzipiell m��glich. DieAnforderungen an die notwenigen Messeinheiten des Systems, hinsichtlich Qualit��tund Quantit��t, k��nnen von bereits installierten, elektrischen Einrichtungen des Netzeserf��llt werden. Das Ergebnis der Netzfehleranalyse ist jedoch abh��ngig von der Qualit��tund Quantit��t der Trainingsdaten, die das KNN dieser Methode ben��tigt., The electrical power supply is an essential component of everyday life. Once an outageappears the negative consequences of the disturbed energy supply are perceptiblewithin a very short time. Within only a few minutes without electrical energy constraintswill show up in managing household up to infrastructural chaos and in worstcase it will lead to large-scale outages.The way how electrical energy is transported between producer and consumer showsa clear top-down structure. In first instance high voltage grids transport power of central,electrical producers. Via medium and low voltage grids, the electric power is finallydistributed to industrial consumers and households. The classic top-down-structureis changing. Parallel to central major producers there are also smaller power plantsfeeding renewable energy directly into low voltage level grids and stressing additionaland volatile the unsupervised grid units of distribution grids. If this trend continuesfaults in low voltage grids could accumulate in future.Outage time should be as short as possible to limit economical damage of grid consumersand operators. Locating the grid fault and outage area requires most of the faultclearing process.The goal of this thesis is to specify the requirements for a overall system for faultanalysis in a low-voltage grid and for its subsystems / modules ("Hausmessung","Netzmessung", "zentrale Datenverarbeitung" and "Kommunikationsinfrastruktur").The subtasks ���fault detection���, ���-classification��� and ���-localisation��� as well as the determinationof the outage area should be allocated to the modules for minimizing therequirements for the communication infrastructure. Therefore, knowledge of relevantliterature and a scenario helped to develop a possible operating principle for an automaticanalysis of low voltage grid faults to accelerate the time of grid reconstructionand collecting fault data. On the basis of the operating principle system requirementswere derived and defined.The integrated method combines classical with modern approaches for fault analysis.On the basis of wavelet transformation of current and voltage signals and use of featureextraction, artificial neural networks are able to derive fault type and fault location.11In combination with further methods, already being in use like the impedance basedmethod, the utilization of fault indicator data to find the faulted branch, customer callsetc., a system can be built up that is able to produce accurate and reliable results bymeans of different fault information sources.After a comparison of the system requirements of the system requirements specificationswith the already existing resources of the distribution grid, a realization of thechosen system is basically possible. The systems measurement units requirements,concerning quality and quantity are able to be satisfied by already installed, electricalUnits of the grid. Though the result of the fault analysis is dependent of the quality andquantity of the training data the ANN needs.

Durch den wachsenden Anteil an Erzeugungsanlagen und leistungsstarken Verbrauchern aus dem Verkehr- und Wärmesektor kommen Niederspannungsnetze immer näher an ihre Betriebsgrenzen. Da für die Niederspannungsnetze bisher keine Messwerterfassung vorgesehen war, können Netzbetreiber Grenzverletzungen nicht erkennen. Um dieses zu ändern, werden deutsche Anschlussnutzer in Zukunft flächendeckend mit modernen Messeinrichtungen oder intelligenten Messsystemen (auch als Smart Meter bezeichnet) ausgestattet sein. Diese sind in der Lage über eine Kommunikationseinheit, das Smart-Meter-Gateway, Messdaten an die Netzbetreiber zu senden. Werden Messdaten aber als personenbezogene Netzzustandsdaten deklariert, so ist aus Datenschutzgründen eine Erhebung dieser Daten weitgehend untersagt. Ziel dieser Arbeit ist es eine Zustandsschätzung zu entwickeln, die auch bei niedrigredundanter Messwertaufnahme für den Netzbetrieb von Niederspannungsnetzen anwendbare Ergebnisse liefert. Neben geeigneten Algorithmen zur Zustandsschätzung ist dazu die Generierung von Ersatzwerten im Fokus. Die Untersuchungen und Erkenntnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, den Verteilnetzbetreibern bei den maßgeblichen Entscheidungen in Bezug auf die Zustandsschätzung in Niederspannungsnetzen zu unterstützen. Erst wenn Niederspannungsnetze mit Hilfe der Zustandsschätzung beobachtbar sind, können darauf aufbauende Konzepte zur Regelung entwickelt werden, um die Energiewende zu unterstützen.

Die Versorgungsaufgaben für Niederspannungsnetze werden sich in den kommenden Jahrzehnten durch die weitere Verbreitung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpenheizungen und Elektroautomobilen gegenüber denen des Jahres 2018 voraussichtlich stark ändern. In der Praxis verbreitete Planungsgrundsätze für den Neubau von Niederspannungsnetzen sind veraltet, denn sie stammen vielfach in ihren Grundzügen aus Zeiten, in denen die neuen Lasten und Einspeisungen nicht erwartet und dementsprechend nicht berücksichtigt wurden. Der Bedarf für neue Planungsgrundsätze fällt zeitlich mit der Verfügbarkeit regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) zusammen, die zur Verbesserung der Spannungsverhältnisse im Netz eingesetzt werden können. Die hier entwickelten neuen Planungsgrundsätze erfordern für ländliche und vorstädtische Versorgungsaufgaben (nicht jedoch für städtische Versorgungsaufgaben) den rONT-Einsatz, um die hohen erwarteten Leistungen des Jahres 2040 zu geringen Kosten beherrschen zu können. Eine geeignete rONT-Standardregelkennlinie wird angegeben. In allen Fällen werden abschnittsweise parallelverlegte Kabel mit dem Querschnitt 240 mm² empfohlen.

Diese Arbeit untersucht Herausforderungen, die sich aus dem zunehmenden Anteil der dezentralen Erzeugung in Niederspannungsnetzen ergeben. Die Erh��hung der eingespeisten Wirkleistung durch das Netz erh��ht die Spannung, wodurch die obere Spannungsgrenze verletzt werden kann. Es gibt verschiedene M��glichkeiten, mit diesen Spannungsverletzungen umzugehen. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen des L��ngsreglers in Niederspannungsnetzen und des Verteilnetztransformators mit Laststufenschalter untersucht. Europ��ische Verteilungsnetze sind das Untersuchungsobjekt. Es werden zwei verschiedene Arten von Verteilungsnetzen simuliert: ein sehr gro��es st��dtisches und ein l��ndliches Netz. Kundenanlagen, die in diesen Netzen angeschlossen sind, weisen drei Besonderheiten auf: In jeder von ihnen ist eine Dachanlage installiert; sie gelten als Q-Autark (Blindleistung autark); und um ��ber moderne elektronische Ger��te wie LED usw. zu verf��gen, setzt die Q-Autarkie Regelung der Kundenanlagen den Austausch von Blindleistung zwischen den Kunden und dem Niederspannungsnetz auf Null. W��hrend die Elektronik das Lastverhalten von induktiv auf kapazitiv ��ndert. Somit verbrauchen oder speisen die Kundenanlagen Wirkleistung aus oder in das Netz ein. Mit SINCAL werden Leistungsflusssimulationen durchgef��hrt. Letztere werden f��r drei verschiedene Zeitpunkte des Lastprofils durchgef��hrt: Mittag, 12:00 - maximale PV-Einspeisung ins Netz; Nachmittag, 17:00 Uhr - Last mit maximalem induktivem Verhalten; keine PV-Einspeisung ins Netz; abends 22:00 - laden mit maximal kapazitivem verhalten. Drei verschiedene Spannungen auf der Prim��rseite des Verteilernetztransformators werden ber��cksichtigt: 0,96, 1,01 und 1,06 p.u. Die Ergebnisse zeigen, dass Spannungsverletzungen nahe am Abzweig beginnen. Infolgedessen werden die LVRs in der N��he der Niederspannungssammelschiene des DTR installiert. Unter diesen Bedingungen wird die Auswirkung eines mit OLTC aktualisierten DTR untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass in beiden F��llen (Verwendung von LVRs oder OLTC-DTR) die Belastung des DTR im l��ndlichen und gro��en st��dtischen Netz leicht zunimmt. Dieser Anstieg ist beim OLTC-DTR etwas gr����er als beim LVR. In allen F��llen ist der Blindleistungsaustausch und -verlust bei Verwendung des OLTC-DTR h��her. Der Einsatz von Q-Autarkie zeigt im Vergleich zu keiner Q-Autarkie etwas h��here Spannungen, aber deutliche Vorteile gegen��ber dem Blindleistungsaustausch mit dem ��berlagerten Netz (Mittelspannungsnetz), Verlusten und der Belastung des Verteilnetztransformators. Der induktive Leistungsaustausch mit dem ��berlagerten Netz ist mindestens halbiert, w��hrend das kapazitive Verhalten der Last am Abend verschwindet., This thesis investigates challenges emerging from the increasing share of distributed generation in low voltage grids. The increase of the injected active power through the grid boosts the voltage, which may violate the upper voltage limit. There are several ways to handle those voltage violations. In this thesis the impact of the line voltage regulator and the distribution grid transformer equipped with on-load-tap-changer are investigated. European distribution grids are the study object. Two different types of distribution grids are simulated: a real large urban and a rural grid. Customer plants connected in these grids have three special features: In each of them a rooftop facility is installed; they are considered to be Q-Autarkic (reactive power self sufficient); and to have modern electronic equipment like LED, etc. the Q-Autarky feature of customer plants sets the exchange of reactive power between the customers and the low voltage grid to zero. While the electronic equipment change the load behaviour from inductive to capacitive. SINCAL is used to perform power ow simulations. Thus the customer plants consume or inject active power from or into the grid. Simulations are performed for three different time points of the load profile: Midday, 12:00 - maximum PV injection into the grid; afternoon, 17:00 - load with the maximum inductive behaviour; no PV injection into the grid; evening, 22:00 - load with the maximum capacitive behaviour. Three different voltage on the primary side of distribution grid transformer are considered: 0.96, 1.01 and 1.06 p.u. Results show that voltage violations appear close to the feeder begin. As a result, the LVRs are installed close to the low voltage bus bar of the DTR. In these conditions the effect of a DTR upgraded with OLTC is investigated. Results show that in both cases (use of LVRs or OLTC-DTR) the loading of the DTR in the rural and large urban grid slightly increases. This increase is a bit larger for OLTC-DTR than for LVR. In all cases the reactive power exchange and loss results higher when using the OLTC-DTR. The use of Q-Autarky shows slightly higher voltages compared to the case of no Q-Autarky but shows significant advantages over the reactive power exchange with the overlaid grid (medium voltage grid), losses and the loading of the distribution grid transformer. The inductive power exchange with the overlaid grid is at least halved, while the capacitive behaviour of the load in the evening disappears.

Der zunehmende Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen sowie die steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen stellen die Niederspannungsnetze vor neue Herausforderungen. Neben der Einhaltung des zulässigen Spannungsbands führen Erzeugungsanlagen und neue Lasten zu einer zunehmenden thermischen Auslastung der Leitungen. Einfache, konventionelle Maßnahmen wie Topologieänderungen zu vermascht betriebenen Niederspannungsnetzen sind ein erster hilfreicher und kostengünstiger Ansatz, bieten aber keinen grundsätzlichen Schutz vor einer thermischen Überlastung der Betriebsmittel. Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption eines Spannungs- und Wirkleistungsreglers für vermaschte Niederspannungsnetze. Durch den Regler erfolgt eine messtechnische Erfassung der Spannungen und Ströme in einzelnen Messpunkten des Niederspannungsnetzes. Mit Hilfe eines speziellen Kennlinienverfahrens kann eine Leistungsverschiebung in einzelnen Netzmaschen hervorgerufen und vorgegebene Soll- oder Grenzwerte eingehalten werden. In vorliegender Arbeit werden die analytischen Grundlagen des Reglers, seine Hardware sowie das Kennlinienverfahren zusammen mit den realisierbaren Regelkonzepten vorgestellt. Die Ergebnisse aus Simulationsstudien, Labor- und Feldtests stellen die Effektivität des Reglers eindeutig dar und werden diskutiert.

Abweichender Titel nach ��bersetzung der Verfasserin/des Verfassers

Das klassische Energieverteilnetz war aufgrund der klaren Leistungs-Flussrichtung von der Hochspannungsüber die Mittelspannungsbis hin zum Endkunden in der Niederspannungsebene geplant. Das Planungsleitbild des Stromverteilnetzes wird insbesondere durch die wachsende Anzahl von dezentralen Erzeugern verändert. Zudem bedingt die steigende Komplexität des Netzes eine Verbindung der Energieversorgung und der Kommunikationsund Informationstechnik. Die extremen Leistungsschwankungen zeigen, dass ein höherer Aufwand betrieben werden muss, um moderne Netze planen und kontrollieren zu können. Folge dieser starken Schwankungen ist die Gefahr, dass bei Lastumkehr die Spannung außerhalb der zulässigen Toleranzschwellen liegen kann. Die Anzahl von kritischen Betriebszuständen und Überlastungen nimmt stetig zu, da die klassisch geplanten Netze dafür nicht bemessen wurden. Mit der zunehmenden Einspeisung regenerativer Energieformen und der zunehmenden Nutzung effizienter leistungselektronischer Schaltungen in den einzelnen Verbrauchern (z.B. Schaltnetzteile) und somit auch der Zunahme von Oberschwingungen im Netz, nimmt der Bedarf zu, den genauen Systemzustand des Niederspannungsnetzes zu kennen, um Maßnahmen zur Erhaltung der Spannungsqualität zielgerichtet ergreifen zu können. Bedingt durch den bislang unidirektionalen Leistungsfluss in der Niederspannungsebene sind in der Vergangenheit keine oder kaum Messstellen in den unteren Spannungsebenen aufgebaut worden. Mangels Messstellen bestand auch nicht der Bedarf an einer informationstechnischen Anbindung auf dieser Ebene. Die Verbrauchszähler in den Haushalten sind bis auf wenige Ausnahmen elektromechanische Zählwerke, die zusätzliche Messgrößen, wie Strom und Spannung prinzipbedingt nicht erfassen können. Daher ist die Installation neuer Technik zur Messung und Übertragung von Zustandsgrößen des Niederspannungsnetzes notwendig. Während die Störaussendung von elektrischen Einrichtungen oberhalb 150 kHz normativ geregelt ist, handelt es sich unterhalb von 150kHz um einen Bereich, der nur von wenigen Produktgruppen berücksichtigt wird. Speziell treten regelmäßig Störungen von Systemen zur Zählerfernauslesung und durch leistungselektronischen Baugruppen auf, deren Beseitigung inzwischen auf europäischer Ebene als ein wesentlicher Meilenstein zur Umsetzung eines „Smart Grid“ angesehen werden [1]. Zur Erfassung der hochfrequenten Störsignale im Netz werden Untersuchungen im Frequenzbereich bis 500 kHz durchgeführt, wobei auch der Frequenzbereich unterhalb 150 kHz betrachtet wird. Basierend auf den gemessenen Störsignalen werden Spezifikationen für die Auslegung der G3-PLC-Technik erarbeitet, um im Sinne einer geeigneten EMV-Koordinierung eine sichere Datenübertragung in diesem Frequenzbereich umsetzen zu können.

Diese Dissertation widmet sich der Erarbeitung verschiedener Managementstrategien für ein leistungsflussoptimierendes Energiemanagement von dezentralen Energieversorgungssystemen in zukünftigen Niederspannungsnetzstrukturen. Als dezentrales Energieversorgungssystem ist dabei eine beliebige Kombination von Erzeuger-, Verbraucher- und Speichereinheiten zu sehen. Die Optimierung des Leistungsflusses auf Niederspannungsebene wird durch zwei Managementansätze untersucht. In einem verlustoptimierten Managementansatz stehen die bekannten Leitverluste, verursacht durch die wirksamen Leitungsresistanzen, im Fokus der Betrachtung. Durch einen zweiten Ansatz, dem clusterbasierten Managementansatz, wird nochmals eine Fokussierung auf die wirksamen Leitungsresistanzen durch eine Cluster-Bildung von Hausanschlüsen erreicht, welche nur durch geringe wirksame Leitungsresistanzen voneinander getrennt sind. Anhand realitätsnaher Netzabbildungen sowie unterschiedlicher Erzeuger- und Verbrauchersituationen wird der Einfluss eines solchen Energiemanagements auf die Integration dezentraler Erzeuger und der Leitverluste gezeigt sowie die Möglichkeit einer netzoptimierten Betriebsweise untersucht. This thesis includes two different options to manage the situation of consumption and supply in a low-voltage grid. On the one hand the energy management is based on the optimization of the losses in the low-voltage grid caused by the resistance of the branchs. On the other hand the resistance between consumption and supply is the optimized parameter. This is implemented with a clustering of the whole low-voltage grid in groups of households. Based on realistic models of low-voltage grids and different situations of consumption and supply the two management strategies are tested. These tests shows the influence on the losses, the integration of distributed suppliers and the controlled power flow to the medium-voltage grid.

Aufgrund neuer technischer Entwicklungen rückt der Frequenzbereich 2 kHz bis 150 kHz zunehmend in den Blickpunkt des Interesses. Das liegt einerseits an einer verstärkten Nutzung dieses Bereiches, z.B. für Datenkommunikation zur Fernabfrage intelligenter Elektrizitätszähler und für andere Anwendungen, wobei das Niederspannungsnetz selbst für die Datenübertragung benutzt wird. Mit der Nutzung dieses Netzes als Übertragungsweg ist andererseits aber auch eine mögliche Anfälligkeit für Störungen verbunden, beispielsweise durch Aussendungen von leistungselektronischen Geräten, wie Wechselrichter von Solaranlagen. Diese Wechselbeziehungen sind Gegenstand von EMV-Untersuchungen in diesem Frequenzbereich mit dem Ziel, eine unerwünschte Beeinflussung zu vermeiden. Die derzeit noch bestehende Normungslücke soll in Bezug auf die Störfestigkeit gegenüber differentiellen Störsignalen im Bereich 2 kHz bis 150 kHz mit der Norm IEC 61000-4-19 geschlossen werden. Der Normentwurf der IEC 61000-4-19 [77A/815e/CDV, IEC 61000-4-19: Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-19: Testing and measurement techniques - Test for immunity to conducted, differential mode disturbances and signalling in the frequency range 2 kHz to 150 kHz at a.c. power ports, Genf, 2013] befindet sich derzeit im Bearbeitungsstand eines CDV (Committee Draft for Vote). Im Rahmen des Beitrags soll über den aktuellen Stand der Normung, die Messverfahren und Grenzwerte berichtet werden.

Etwa ab dem Jahre 1980 hat die Elektronik Einzug in die elektrischen Niederspannungsnetze gehalten, beginnend mit Geräten kleiner Leistung, z.B. Fernseh- und Audiogeräten, Videorekordern, Rechnern, Monitoren und Energiesparlampen. Später kamen aus Energiespargründen leistungsstärkere elektronische Geräte hinzu, insbesondere solche mit drehzahlgeregelten Antrieben, z.B. bei Waschmaschinen, Wäschetrocknern, Staubsaugern, Heizwasser-Umwälzpumpen und Lüftern; hierbei geht der Trend seit längerer Zeit zu Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtersteuerung. In jüngerer Zeit nimmt wegen der gewünschten dezentralen Energieversorgung die Zahl von Pulsumrichtern zur Netzeinspeisung aus Photovoltaik-Anlagen und künftig eventuell aus Brennstoffzellen erheblich zu.

Durch die schnell steigende Durchdringung von innerstädtischen Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeugen in den Niederspannungsnetzen wird die zukünftige Versorgungsinfrastruktur herausgefordert. Die Schwerpunkte der Netzauswirkungen werden auf das Spannungsband und die tolerierte Netzbelastung der untersuchten Netze fokussiert. Das Ziel dieser Dissertation ist es, die zulässig installierbare Photovoltaikleistung in den Wohnsiedlungen zu ermitteln und die möglichen Lösungen zur Vermeidung des notwendigen Netzausbaues zu entwickeln. Zunächst wurde eine Untersuchung zur Ermittlung des Photovoltaikpotenzials in der Stadt Cottbus mit ca. 100.000 Einwohnern durchgeführt. Insgesamt ist ca. 250 MWp Photovoltaikleistung theoretisch installierbar. Dies kann zu einer maximalen Summeneinspeiseleistung von 200 MW führen, welche die derzeitige Lastspitze in Cottbus weit überschreiten würde. Zur Ermittlung der Netzauswirkungen auf die Niederspannungsnetze bei hoher Penetration von Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeugen wurden die folgenden drei Modelle erstellt: Das Photovoltaikeinspeisemodell basiert auf der gemessenen Globalstrahlung mit realen Zeitreihen in Cottbus. Zur Modellierung der Lastgänge von Haushalten wird das Standardlastprofil zur Verfügung gestellt. Die zusätzlichen Ladelastgänge von Elektrofahrzeugen werden den derartigen Lastgängen von Haushalten überlagert. Die Netzstruktur wurde für Ein- und Zweifamilienhaussiedlungen und Mehrfamilienhaussiedlungen modelliert. Die Simulationen wurden in der Netzberechnungssoftware ELEKTRA durchgeführt. Es ist festzuhalten, dass die installierbare Photovoltaikleistung in den Ein- und Zweifamilienhaussiedlungen beschränkt werden muss. Durch eine induktive Blindleistungsbereitstellung kann die zulässige Leistung erhöht werden. In den Mehrfamilienhaussiedlungen ist eine komplette Ausnutzung der Dachfläche mit Photovoltaikanlagen möglich. Zum Schluss wurden zwei Varianten durch Einsatz der Speichersysteme zur besseren Integration der Photovoltaikanlagen entwickelt und dann anhand eines Beispielnetzes demonstriert. With the fast growing penetration of photovoltaic systems and future electric cars in the low voltage networks, the energy supply will be challenged. Main concerns of the impact on the networks are focused on the voltage band and tolerable utilisation ratio. The aim of this dissertation is to evaluate the acceptable penetration limit of photovoltaic systems in the urban residential settlements and to find out solutions to avoid the necessary network extensions. In the first part a study of the photovoltaic potentials was carried out in the city of Cottbus that inhabits approximately 100.000 people. About 250 MWp photovoltaic capacities could be installed. This could result in a maximum photovoltaic power infeed of 200 MW, which would clearly exceed the current peak load and highly stress the grids. To analyse the impact of high penetration of photovoltaic systems and electric cars more specifically, the following three models must be created: The photovoltaic system model is based on the real solar radiation data in Cottbus. The standard load profile was used for the consumer model, where the electric cars were considered as additional loads. Different network models were investigated for detached house settlements and apartment settlements. The simulations were carried out in the software ELEKTRA. The results showed that, the permissible installable photovoltaic capacity per accommodation unit in the detached house settlement is supposed to be limited. By generating reactive power from the inverters of the photovoltaic generators, the permissible photovoltaic capacity can be increased. In the apartment settlements, the available roofs can be used for installation of photovoltaic systems without limitation. In the end, two solutions by using batteries for a better integration of the photovoltaic systems were developed and demonstrated in an example network.

durch Martin Fröhlich Zsfassung in engl. Sprache. - Literaturverz. Bl. 76 - 78 Wien, FH-Campus, FH-StG Technisches Projekt- und Prozessmanagement, Dipl.-Arb., 2004

The future operation of public low voltage networks has to consider increased decentralised generation using photovoltaic systems for residential application. For utilities it is necessary to determine the maximum permissible installed power of residential photovoltaic systems in sections of the low-voltage network. For this purpose a method based on modelling low-voltage network structures, occurring loads and insolation situations is presented and demonstrated. The maximum permissible installed power of residential photovoltaic systems is fundamentally determined by the structure of the settlement of the affected low-voltage network section. By modifying the generator model the method can be applied too for other types of decentralized generators in the low-voltage network such as fuel cell systems. Für den Betrieb des öffentlichen Niederspannungsnetzes in Wohnsiedlungsgebieten ist zukünftig mit einem verstärkten Einsatz dezentraler photovoltaischer Energiewandlungsanlagen zu rechnen. Für Netzbetreiber ist es erforderlich, die maximal zulässige Netzanschlussleistung derartiger Anlagen für Niederspannungs-Netzbezirke zu bestimmen. Dazu wird ein Verfahren auf der Grundlage der Modellierung der Struktur von Netzbezirken, der dort auftretenden Belastungen und Einstrahlungssituationen vorgestellt und demonstriert. Die maximal zulässige Netzanschlussleistung dezentraler photovoltaischer Energiewandlungsanlagen wird wesentlich durch die Siedlungsstruktur des betreffenden Niederspannungs-Netzbezirkes bestimmt. Durch Modifikation des Erzeugermodelles kann das Verfahren auch für andere dezentrale Kleinerzeuger im Niederspannungsnetz angewandt werden.