Solcelleanlæg i elnettet Hvis sol-energi er smitsom, kan elnettet så hjælpe med at sprede det? Søren Bækhøj Kjær, sbk@danfoss.com

Solcelleanlæg i elnettet Hvis sol-energi er smitsom, kan elnettet så hjælpe med at sprede det? Søren Bækhøj Kjær, sbk@danfoss.com

Hjælp søges!!! Hvis i har, eller får kendskab til solcelleinstallationer der skaber problemer i jeres elnet, så hører vi meget gerne om det. Vi vil bruge denne viden til at forbedre inverterne. Problemerne kunne være relaterede til: Spændingsproblemer ved én- eller to-faset anlæg Overspænding (også underspænding for den sags skyld ) Flicker Harmoniske strømmen og/eller spændinger Overbelastning af transformer / kabler Andet Hvis i har andre ideer til, hvordan inverterne kan hjælpe elnettet, så hører vi også gerne om dem. Ring / skriv på: +45 3051 3414 eller sbk@danfoss.com sbk@danfoss.com 2

Spørgeskema I alt 17 skemaer kom tilbage i udfyldt stand. I 10 af dem var alle svar: vi har ikke oplevet situationer med De sidste 7 besvarelser siger samstemmigt at de har haft problemer med overspænding på nettet. Dette er blevet løst ved: Større kabel fra transformer til kabelskab: 3 Større kabel fra kabelskab til installation/inverter: 1 Trimmede transformeren: 3 Installerede ny transformer med større effekt: 1 Bad kunden om at skifte inverter: 1 Øgede inverterens udkoblingsgrænse: 1 Specielt når det gælde overspænding, så kan en tre-faset inverter hjælpe, da spændingsstigningen kun er 1/6 af hvad en énfaset inverter i samme størrelse ville have medført. Man må IKKE øge inverterens udkoblingsspænding, så overholder man ikke længere TF3.2.1 hos Energinet.dk sbk@danfoss.com 3

Agenda (30 minutter) Danfoss Potentialet og scenerierne for solcelleanlæg i danmark Solcelleanlægs, varmepumpers og elbilers indflydelse på elnettet Hvad er udfordringerne og hvordan kan de afhjælpes? Hvordan kan de kommende udfordringer løses Hvad kan man klare uden nye invertere, (self consumption) Hvad kan en moderne inverter på elnettet? Morgendagens krav til invertere Demand side management (DSM) og lokal lagring af energi Sidste instans: netforstærkning Designregler for nye områder sbk@danfoss.com 4

Vores produkter DLX Invertere Overtager ULX s plads En faset, nettilsluttet inverter med transformer >96% EU virkningsgrad Udendørs (IP65) Indbygget webserver DLX 2.0 DLX 2.9 DLX 3.8 DLX 4.6 sbk@danfoss.com 5

Vores produkter TLX Invertere Ny FLX overtager TLX på sigt Tre-faset, nettilsluttet inverter uden transformer Udendørs (IP54) >97% EU virkningsgrad TLX 6k TLX 8k TLX 10k TLX 12.5k TLX 15k sbk@danfoss.com 6

Vores produkter SLX Invertere Netop offentliggjort Tre-faset, nettilsluttet inverte Tilsluttes på MV niveau Udendørs (IP65) >97% EU virkningsgrad SLX 1000 kw SLX 1250 kw SLX 1500 kw sbk@danfoss.com 7

EP-Grid Closed loop plant controller of P and Q Measures the grid directly at the connection point Can be employed in all connections from the PV plant to the transmission grid Guaranteed compatibility with Danfoss installations Comes with project specific consulting Will be tailored to your specific needs by Danfoss and ABE Group sbk@danfoss.com 8

www.connectingthesun.eu [EPIA] Svarer til 400 kw anlæg sbk@danfoss.com 9

Elproduktion fra privat PV De følgende resultater tager udgangspunkt i Potentiale for privat PV i Danmark Lokale skyggeforhold er ikke medregnet Indstråling er taget fra PVSYST Forbrug er fra Energinet.dk Der ses på en uge i maj, hvor effekten fra anlæggene er højest 50% anlæg med optimale betingelser og 50% distribuerede anlæg Vores resultater siger, at den optimale mængde til peak-shaving ligger imellem 3000 MW og 4000 MW. Dette niveau indeholde også de 3400 MW, som Dansk Energi, DONG Energy og Energinet.dk mener der vil være installeret i 2020, jævnfør Sol til alle. Men kun halvdelen af det som Aalborg og Aarhus universitet mener der skal til. sbk@danfoss.com 10

Elproduktion fra privat PV I dag: ~400 MWp sbk@danfoss.com 11

Elproduktion fra privat PV Optimal for peak-shaving: 3000-4000 MW sbk@danfoss.com 12

Paradigmeskift! Konventionel elproduktion kan stoppes nogle dage ved ca. 7000 MWp Konklusion: 7000 MWp solceller, svarende til gennemsnitlig 100 kw per 10/04 station, kan forsyne os med 1/4 af det samlede elektriske energiforbrug!!! Så det burde sagtens kunne lade sig gøre!!! Hvad mener I? sbk@danfoss.com 13

Udfordringer ved massiv udruldning af solceller Overspænding Reverse power-flow og overbelastning af kabler og transformere Spændingsubalance Underspænding og spændingsubalance når der kommer flere elbiler og varmepumper Dimensionering af fremtidige netværk sbk@danfoss.com 14

sbk@danfoss.com 15

Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: Statiske overspændinger hos slutkunden Løsning: Ifølge klassisk teori for effektoverførelse, f.eks. VØRTS: ΔU % = S R cos φ X sin φ Unom 2 for induktiv strøm Effektfaktor (PF) i moderne invertere kan reguleres (jævnfør TF 3.2.1): Anlæg under 16 A per fase: 0.95 PF 1.00 Anlæg over 16 A per fase: 0.90 PF 1.00 sbk@danfoss.com 16

Resultater fra PVNET.dk P,Q Aggregated distribution networks Udlægning af netværk: 100 kva trafo 71 slutbrugere Alle med solceller 4 sbk@danfoss.com 17

Resultater fra PVNET.dk Invertere kører med tre (3) forskellige spænding-regulatorer: Ingen PF(P) Q(U) sbk@danfoss.com 18

Resultater fra PVNET.dk Normaliseret effektforbrug og produktion fra solceller sbk@danfoss.com 19

Resultater fra PVNET.dk sbk@danfoss.com 20

Resultater fra PVNET.dk Belastning af 100 kva transformer, total 8760 timer per år Der kan installeres +140 kw solceller uden at overbelaste transformeren og op til 180 kw uden at overbelaste kablerne sbk@danfoss.com 21

Resultater fra PVNET.dk Spændingkontrol kan øge elnettets solcelle-kapacitet med 20-30% Transformere kan typisk bestykkes med +140% solceller uden at blive overbelastet. Med 70 000 styk 10/0.4 kv stationer i Danmark, kan lavspændingsnettet udbygges med 7500 MW 8700 MW solceller uden nævneværdige problemer med overspænding og/eller overbelastning. Hvilket indflydelse har det på spændingsreguleringen i 60/10 stationerne, samt på transmissionsniveau?? Tabene i transformere og kabler kan sænkes med 10% - 15% ved at installere 40% - 70% solceller i elnettet Med 70 000 styk 10/0.4 kv stationer i Danmark, ligger det totale potentiale i omegnen af 50 GWh/år, svarende til elforbruget i ca. 14 500 husholdninger. sbk@danfoss.com 22

Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: MVAr-kompensering Løsning: En moderne inverter kan levere reaktivstrøm til elnettet, f.eks. fra 0,80 induktiv (sænker spændingen) op til 1,00 og videre til 0,80 kapacitiv (øger spændingen). For store solcelleanlæg vil man typisk definere en given PF(P) eller Q(U) karakteristik som anlægget SKAL følge. Eller man vil give anlægget en reference Constant Q or PF Master via SCADA system eller tilsvarende. K1-4 PRO+ PRO+ PRO+ PRO+ Q, PF and P I dag kun MVAr-kompensering når solen skinner. Har I også brug for det om nattet? 4-20 ma Set-point curves PF(p) and Q(u) 1 Q PF U P Ethernet up to 100 inverters sbk@danfoss.com 23

Udfordring: reverse power-flow sbk@danfoss.com 24

Udfordring: reverse power-flow sbk@danfoss.com 25

Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: Overbelastning af kabler og transformatorer i lavspændingsnettet, da samtidsfaktoren er = 0,7 1 Løsning: Kan klares med øget selvforbrug. Demand side management (Smart Grid) Selvforbrug (se næste slide) Lagring af energien i lokale batterier Begrænsning af udgangseffekt må kun anvendes i akutte nødsituationer. Nye dimensioneringsmetode for 10/0,4 stationer og kabler (det kommer vi til) sbk@danfoss.com 26

sbk@danfoss.com 27

sbk@danfoss.com 28

Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: Risiko for asymmetri ved en- og to-faset indfødning Løsning: Anvend trefasede invertere til anlæg over 4 kw og i områder hvor mange husstande har små anlæg (op til 3,68 kw) skal installatørerne sørge for at fordele vekselretterne ligeligt mellem faserne. Dette kan gøres efter 1-2-3 metoden: Adresser med husnumre: 1, 4, 7, 10, : vekselretteren skal tilsluttes L1 (&2) Adresser med husnumre: 2, 5, 8, 11, : vekselretteren skal tilsluttes L2 (&3) Adresser med husnumre: 3, 6, 9, 12, : vekselretteren skal tilsluttes L3 (&1) sbk@danfoss.com 29

Voltage [Vrms] Current [Arms] Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: Risiko for asymmetri ved en- og to-faset indfødning Løsning: Fremtidige trefasede invertere kan indføre ubalanceret strøm for at kompensere spændingsubalance, også den der skabes af enfasede belastninger. 255 250 245 Phase 1 Phase 2 Phase 3 150 100 Phase 1 Phase 2 Phase 3 Neutral 240 235 50 230 225 1500 2000 2500 Time [s] Spænding ved inverter 0 1500 2000 2500 Time [s] strøm ved transformer sbk@danfoss.com 30

Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: Frekvens stabilitet (Dette er ikke jeres hovedpine, med de balanceansvarlige) Løsning: Overfrekvens er tegn på, at der er for meget aktiv effekt tilstede. Inverteren skal deltage i primær frekvens kontrol, når frekvensen overstiger 50.2 Hz (jævnfør VDE 4105): sbk@danfoss.com 31

Hvad kan en inverter på elnettet? Problem: Påvirkning af beskyttelsesudstyr Løsning: Anlæg tilsluttet MS-nettet bør ikke koble fra i tilfælde af fejl på nettet, men skal forblive på nettet og indføde en kacapitiv strøm for at hæve spændingen. En moderne inverter efter BDEW:2008 kan køre med en statik på 2% (f.eks. ved en residual spænding på 80% indføder inverteren 40% reaktiv strøm). For anlæg tilsluttet LS-nettet bør der kunne vælges hvorledes inverteren skal indføre aktiv og/eller reaktiv strøm under fejl. Men den må IKKE koble fra og skal kunne klare et såkaldt Fault Ride Through FRT. sbk@danfoss.com 32

Opsummering af kritiske punkter: Overspænding Kan i første omgang klares vha. spændingdregulering med reaktiv effekt PF(P), dernæst øget selvforbrug og til slut udbygning af net eller lokal lager Underspænding og spændingsubalance når der kommer flere elbiler og varmepumper Som ovenfor Reverse power-flow og overbelastning af kabler og transformere Reverse power-flow er i sig selv ikke et problem. Først ved overbelastning af infrastrukturen bør det tages nye tiltag: øget selvforbrug og til slut udbygning af net eller lokal lager Spændingsubalance Lær at fordele solcelleinstallationerne ligeligt imellem faserne, anvend trefasede apparater sbk@danfoss.com 33

www.connectingthesun.eu [EPIA] sbk@danfoss.com 34

Hvad kan en inverter IKKE på elnettet? Problem: Overbelastning af kabler og transformatorer i lavspændingsnettet Løsning: Kan klares med større kabler og transformatorer. Tyske studier har vist, at der kan tilsluttes op til 130% af nominel effekt på en almindelig transformer, uden fare for at levetiden reduceres. Dette betyder, at der kan tilsluttes op 520 kva solceller på en 400 kva transformer. Kablerne skal ligeledes dimensioneres til den fulde effekt (strøm). Husk at PF ligger i områder 0,95 til 1,00. sbk@danfoss.com 35

Design af nye net Antagelser: Lige langt mellem stikledninger (der for øvrigt ikke medtages her) Kun én kabel dimension (villakvarter) Jævn fordeling af solcelleanlæg (antaget trefasede med strøm Inom) Kun spændingsstigning over kabel og spændingsfald over transformer Spændingen ude i sidste kabelskab bliver da: U N = I nom R N + I nom R N 1 ++ +I nom R + U trafo U N U trafo = ΔU = I nom R N 1 N 2 sbk@danfoss.com 36

Design af nye net Data: Nyt boligområde (villakvarter) med 88 boliger med 30 meter imellem stikledninger Alle forventes at få solcelleanlæg á 6 kw Jævn fordeling over øst/vest, samtidsfaktor = 0,75 Maksimalt 5% spændingsstigning over kablet Løsning 10/0,4 station: Total solcelleeffekt er 88 * 6 kw = 530 kw Maksimal samtidig indfødt effekt = 530 kw *0,75 = 396 kw Transformerens størrelse bør da være på 400 kva Fire udføringer Løsning Kabel: 230V 5% = R 8,7A 22 1 22 2 R 5,7 mω per 30 m. Kablets tværsnit skal være større end 139 mm 2 AL, og der vælges derfor et 150 mm 2 AL kabel. sbk@danfoss.com 37

sbk@danfoss.com 38