Kwaliteit van de elektrische infrastructuur

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project Kwaliteit van de elektrische infrastructuur Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum April 2011 Status Definitief Technische Universiteit Eindhoven, e.a. in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon Kwaliteit van de elektrische infrastructuur Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn EOSLT04024 Technische Universiteit Eindhoven Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 Eindrapport (openbaar) Energie Onderzoek Subsidie: Lange Termijn Kwaliteit van de elektrische infrastructuur (EOSLT04024) 1

5 1. Gegevens project Projectnummer: EOSLT04024 Projecttitel: Kwaliteit van de elektrische infrastructuur Penvoerder: prof dr. ir. Sjef Cobben Mede aanvragers: Laborelec, ECN Projectperiode: Oktober 2006 April Inhoudelijk eindrapport 2.1 Samenvatting Binnen het EOS-LT ('Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn') is dit onderzoeksproject Kwaliteit van de spanning in Toekomstige Infrastructuren (KTI) gestart. In verband met de wens tot verduurzaming van de elektriciteitsvoorziening moet rekening worden gehouden met diverse ontwikkelingen in zowel belasting en opwekkers die ook gevolgen zullen hebben voor de toekomstige elektrische infrastructuur. Er zal een toename zijn van toestellen met niet-lineair gedrag die invloed zullen hebben op de kwaliteit van de spanning en de stromen. Ook zal een toename van decentrale opwekkers een grotere flexibiliteit van de infrastructuur vragen. Binnen dit project is gekeken naar de invloed van deze nieuwe belastingen en opwekkers op het net, de mogelijkheden om met vermogenselektronica de kwaliteit en flexibiliteit van het net te vergroten en de eisen en verantwoordelijkheden rondom de kwaliteit van spanning en stroom. Binnen dit project zijn er drie thema s gevormd om het project vorm te geven. Een van de thema s doet onderzoek naar de kwaliteit van de huidige infrastructuur, kosten van power quality en verantwoordelijkheden rondom dit aspect van de elektriciteitsvoorziening. Een tweede thema analyseert de invloed van niet-lineaire belastingen en opwekkers en hun invloed op de harmonische stromen (en dus ook spanningen) in installaties en het net. In het derde thema wordt een vermogenselektronische oplossing ontworpen voor een stabiele netspanning in de installatie en voor ondersteuning van de netkwaliteit. De resultaten van het project zijn beschreven in een drietal proefschriften die te downloaden zijn via de website van de technische universiteit Eindhoven ( onder de koppen, bibliotheek, catalogus TU/e, proefschriften. Door de uitvoering van dit project is er een beter inzicht verkregen in de huidige kwaliteit van de spanning in de netten, de invloed van nieuwe belastingen en opwekkers en is aangetoond dat er vermogenselektronische oplossingen te maken zijn die de kwaliteit van de spanning in installaties kunnen verbeteren tevens de kwaliteit van de spanning in het net kunnen ondersteunen. Dit kunnen afzonderlijke applicaties zijn maar kunnen ook als extra services worden ingebouwd in inverters die worden toegepast in combinatie met decentrale opwekkers die ook via inverters aan het net worden gekoppeld. De belangrijkste eindconclusie is dat een toename van power quality problemen te verwachten valt als er een toename is van nieuwe applicaties en opwekkers zonder dat er duidelijke randvoorwaarden rondom power quality zijn gesteld. Het is dan ook van belang om de normen en regelgeving op dit gebied verder te verdiepen en aan te scherpen. 2.2 Doelstelling 2

6 Dit onderzoek beoogt een maatschappelijk economisch optimale oplossing te vinden voor PQ problemen. De belangrijkste doelstellingen zijn: Analyseer de belangrijkste PQ problemen en hun gevolgen voor verschillende betrokken partijen. Vervolgens, definieer optimum PQ-criteria op het aansluitpunt van de klant en tenslotte specificeer de verantwoordelijkheden van de verschillende partijen. Deze doelstelling is verder uitgewerkt in thema 1 (zie werkwijze) Analyseer de invloed van nieuwe type belastingen en opwekkers en de interactie tussen stroom en spanning, zeker ten aanzien van mogelijke harmonische vervormingen. Deze doelstelling is verder uitgewerkt in thema 2 (zie werkwijze) Ontwerp een vermogenselektronische toepassing om de netkwaliteit voor een aangesloten installatie te waarborgen, die tevens de kwaliteit van de netspanning kan ondersteunen. Deze doelstelling is verder uitgewerkt in thema 3 (zie werkwijze) 2.3 Werkwijze Het project was onderverdeeld in drie hoofdthema s, zoals weergegeven in onderstaande figuur. Deze hoofdthema s zijn: a) Onderzoek naar de huidige verantwoordelijkheden, limieten en normen rondom Power Quality. Hierbij wordt ook gekeken naar de kosten van Power Quality problemen en naar de wenselijkheid van het aanpassen van de huidige normgeving. b) De karakteristieken van nieuwe toepassingen en hoe de interactie tussen stroom van de toestellen en de netspanning verloopt. c) De ontwikkeling van een vermogenselektronische apparatuur om de kwaliteit van de netspanning te ondersteunen en daarmee de flexibiliteit van het net te vergroten. Figuur 1: Thema s binnen het KTI project 3

7 In het kader van het eerste thema zijn gedurende de looptijd van het project op 20 specifieke locaties in Nederland Power Quality metingen uitgevoerd. Daarnaast is gebruik gemaakt van de metingen die hebben plaatsgevonden onder de verantwoordelijkheid van Netbeheer Nederland in het kader van een landelijk PQ-meetprogramma. Op deze wijze is een goed beeld gevormd van de huidige kwaliteit van de spanning in de Nederlandse netten. Verder is er gebruik makend van ontwikkelde netmodellen gekeken naar de invloed van een toename van niet-lineaire gebruikers en decentrale opwekkers. Ook is de sommatie en propagatie van diverse PQ-aspecten geanalyseerd. Dit alles om de verantwoordelijkheden van de diverse partijen die betrokken zijn bij goede power quality (fabrikanten, netbeheerders en aangesloten klanten) goed te kunnen wegen en voorstellen te doen voor de aanpassing van normen. In het tweede thema is geanalyseerd wat het harmonische gedrag van elektronische toestellen in het net betekent voor een toekomst waar de toename van dit soort toestellen te verwachten is. Naast de analyse van het harmonische gedrag van deze toestellen is ook de mogelijke betekenis voor het net geanalyseerd en zijn er voorstellen gedaan om harmonische stromen en spanningen te verminderen. Deze zijn getest en worden in pilots geïmplementeerd. In het derde thema is een apparaat ontwikkeld die een vermogenselektronische buffer kan zijn tussen het net en de aangesloten installatie. Het apparaat kan enerzijds zorgen voor een stabiele en goede laagspanning voor de aangesloten installatie en anderzijds de kwaliteit van de netspanning ondersteunen. 2.4 Resultaten De resultaten van het project zijn beschreven in drie proefschriften met als titels: Power Quality Requirements and Responsibilities at the Point of Connection (Sharmistha Bhattacharyya, Juni 2011) Minimizing the impact of Resonances in the low voltage grids by Power Electronics based Distributed Generators (Peter Heskes, April 2011) Flexible Operation of Grid-Interfacing Converters in Distribution Networks: Bottomup Solutions to Voltage Quality Enhancement (Fei Wang, November 2010) Kort samengevat zijn de volgende resultaten verkregen: Een beter inzicht in PQ problemen over de wereld is verkregen. Typische netmodellen voor computer simulaties ten aanzien van verschillende PQ fenomenen (zoals flikker, harmonische en spanningsdips) zijn ontwikkeld en de resultaten zijn geverifieerd met meetdata vanuit de praktijk. Praktische informatie met betrekking tot diverse technische en financiële gevolgen van onvoldoende PQ voor de verschillende partijen, namelijk de netbeheerders, de klanten en de producenten van toestellen, zijn verzameld. Een inventarisatie is gemaakt van verschillende bestaande (en in ontwikkeling) zijnde normen/standaarden en technische documenten in de wereld. Daarna zijn de limieten ten aanzien van diverse PQ parameters, opgenomen in deze normen, vergeleken en is hun relevantie en toepasbaarheid van de toekomst geanalyseerd. 4

8 Een voorstel is gemaakt voor optimum PQ limieten (voor flikker en harmonischen) op het aansluitpunt van (LS) klanten. Ook een schatting gemaakt van het gemiddelde en maximale aantal spanningsdips in het net. Bruikbare limieten voor planningniveaus voor flikker, harmonischen en spanningsdips zijn beschreven. PQ gerelateerde verantwoordelijkheden voor de klanten, netbeheerders en producenten van toestellen zijn gedefinieerd. Inzicht in de werking van nieuwe type (niet-lineaire) belastingen en de harmonische stromen die hierbij optreden. Inzicht in de interactie tussen harmonische stromen en spanningen en inzicht in de sommatie van harmonische stromen in installaties en netten.inzicht in de mogelijkheden om de harmonische vervorming van stromen en spanningen in het net te verminderen. Inzicht in de mogelijkheden om met vermogenselektronische toepassingen de kwaliteit van de spanning in installaties te verbeteren. Inzicht in de mogelijkheden om met vermogenselektronische toepassingen de kwaliteit van de spanning in laagspanningsnetten te ondersteunen. Deze resultaten zijn in de diverse proefschriften gedetailleerd beschreven. Daarnaast is op conferenties diverse papers gepresenteerd op basis van het werk van de promovendi en de projectpartners ECN en Laborelec. Deze zijn vermeld in de halfjaarrapportages van het project en op te vragen bij de TU/e. 2.5 Discussie De benodigde kwaliteit van de spanning en stroom staan internationaal en nationaal nog steeds ter discussie. Ten aanzien van de kwaliteit van de spanning zijn er nog diverse blinde vlekken en dat geldt in nog grotere mate voor de kwaliteit van de stroom. De diverse onderzoeksresultaten zijn goed bruikbaar om ingebracht te worden in nationale en internationale normcommissies en werkgroepen die uiteindelijk de normen bepalen. De uiteindelijke normen zijn van groot belang voor zowel netbeheerders als aangeslotenen en fabrikanten. Ook de transitie naar smart grids is geholpen met duidelijke normen. 2.6 conclusie en aanbevelingen De belangrijkste conclusies en aanbevelingen van dit project zijn: Harmonisatie van de huidige beschikbare PQ normen is noodzakelijk en een toepasselijke set van globale normen is nodig om optimale PQ op het aansluitpunt van de klant te krijgen. Diverse limieten ten aanzien van diverse PQ parameters (bijvoorbeeld limieten voor flikker emissie and emissie van harmonische stromen voor een klant) op het aansluitpunt zijn noodzakelijk. Voorstellen hiervoor zijn in de proefschriften opgenomen, In de huidige energiemarkt is de kwaliteit van elektriciteit als product belangrijker geworden dan voorheen. Moderne elektrische toestellen zijn complex en ten aanzien van functionaliteit gevoeliger voor de kwaliteit van de geleverde elektriciteit. Een verstoring in de voedende spanning kan significante financiële kosten veroorzaken voor een industriële klant. Verder zijn er een toenemend aantal discussies in verschillende landen op de wereld tussen 5

9 netbeheerders, klanten en producenten van toestellen over hun individuele verantwoordelijkheid ten aanzien van Power Quality (PQ) problemen en oplossingen. Bovendien, de bestaande normen over PQ geven maar beperkte informatie over de verdeling van de verantwoordelijkheden tussen de verschillende partijen. PQ verstoringen kunnen hun oorsprong hebben in het net maar ook in de installatie van de klant en kunnen zich voortzetten naar andere delen van het elektriciteitsnet. Het PQ niveau in het net wordt grotendeels beïnvloed door PQ emissies van de aangesloten toestellen en de eigenschappen van het net. Gedurende de afgelopen decennia zijn PQ gerelateerde problemen sterk gestegen. Onvoldoende PQ kan leiden tot diverse technische en financiële ongemakken voor de klanten en de netbeheerders. Er zijn technische mogelijkheden om de kwaliteit van de stroom en de spanning te verbeteren. Hierbij zal in eerste instantie altijd worden beoordeeld wie de eerste verantwoordelijke is om actie te ondernemen en ook de financiële gevolgen zullen van belang zijn voor welke keuze gemaakt wordt om problemen te voorkomen of op te lossen. Het is daarom vooral van belang om meer duidelijkheid te krijgen in de kosten van power quality problemen en oplossingen. Ook zal de regelgeving en normen op dit gebied nog verder moeten worden uitgebreid en uitgediept. Een aanzet hiertoe is in dit project gegeven. 3. Uitvoering van het project 3.1 De problemen (technisch en organisatorisch) die zich tijdens het project hebben voorgedaan en de wijze waarop deze problemen zijn opgelost In onderstaand schema is de planning aangegeven van het werk wat is uitgevoerd volgens thema 1 (zie blok werkwijze). In dit blok zijn wat verschuivingen geweest met de tijdbalken. De andere twee thema s zijn volgens schema verlopen. 6

10 3.2 Toelichting op wijzigingen ten opzichte van het projectplan De aanpassingen in de tijd voor het eerste thema hebben vooral plaatsgevonden omdat er in de netten van netbeheerders gemeten moest worden op 20 vooraf bepaalde gebieden (met PV, windmolens, bijzondere installaties). Het plaatsen van de meters en het collecteren van de data koste meer tijd dan verwacht. Deze aanpassingen hebben echter niet tot problemen geleid. 3.3 Toelichting op de verschillen tussen de begroting en de werkelijk gemaakte kosten. De verschillen tussen de begroting en de werkelijk gemaakte kosten zijn voornamelijk in de posten: Materialen en Hulpmiddelen, begroot: Euro ,00 werkelijk gerealiseerd Euro ,09 Kosten Derden : begroot: Euro ,00 (Buitenlandse Reizen ,00+Organisatie Symposia/website ,00) werkelijk gerealiseerd: Euro ,63 De overschrijding in de materialen en hulpmiddelen komen voort uit de benodigde aanschaf van meetinstrumenten en bijbehorende hulpmiddelen benodigde om zowel in het power quality lab alswel in de praktijk gedetailleerde metingen te kunnen doen naar het gedrag van harmonischen. De overschrijding in deze post kon worden gecompenseerd met een besparing op de kosten derden. Het Laborelec subsidiebedrag is flink lager dan het initieel ingeschatte bedrag, omdat de medewerker in het eerste jaar dat hij op dit project werkte 7

11 een Belgisch contract had, wat niet subsidiabel is. De kosten van het seminair die in eigen huis met eigen mensen kon worden georganiseerd waren ook lager dan gepland. 4. Bijdrage aan de EOS: Lange Termijn doelstellingen 4.1. De bijdrage aan een duurzame energiehuishouding: De verduurzaming van de elektriciteitsvoorziening zal leiden tot nieuwe toepassingen en aanpassingen in de netten. De belangrijkste toepassingen zijn: decentrale opwekkers (PVsystemen, uwkk, windmolens) en nieuwe belastingen (warmtepompen, elektrisch vervoer). Inpassen van deze nieuwe toepassingen in het net zal aanpassingen vergen van het net. Met de benodigde flexibilisering van het net zal ook de druk op de randvoorwaarden zoals de kwaliteit van spanning en stroom toenemen. Het is van groot belang om te komen tot geoptimaliseerde randvoorwaarden om de introductie van deze nieuwkomers te kunnen faciliteren en daarmee de verduurzaming te kunnen realiseren. Dit onderzoek levert een belangrijke bijdrage aan het bouwwerk van kwaliteit van spanning en stroom en daarmee dus ook aan de verduurzaming van de energiehuishouding De bijdrage van dit project aan de doelstellingen van het desbetreffende onderzoeksprogramma (speerpunt/kennisimportthema). De bijdrage van dit project aan de doelstellingen spitst zich voornamelijk toe op het vergaren en uitdragen van kennis op het gebied van kwaliteit van spanning en stroom. Ook is er een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van producten die de kwaliteit van de spanning en stroom kunnen verbeteren De bijdrage aan een technologische doorbraak of innovatie in een internationaal perspectief. Dit heeft met name betrekking op de tools die in de thema s 2 en 3 ontwikkeld zijn. Het gaat hierbij vooral om algoritmen die toegepast kunnen worden bij vermogenselektronische omzetters die ook de toepassing van decentrale opwek of opslag faciliteert en daarnaast de kwaliteit van de spanning ondersteunt. Deze algoritmen in prototype ontwikkelt zijn innovatief en internationaal erkend in de vorm van publicaties De strategische visie op het implementatietraject van de onderzoeksresultaten en de verwachtingen over toekomstige voortzetting van de ingezette onderzoekslijn. De uiteindelijke resultaten van het eerste thema zullen hun weg vinden naar nationale en internationale werkgroepen en commissies die uiteindelijk de normen bepalen voor de kwaliteit van spanning en stroom. De juiste normen zijn van groot belang voor de verdere flexibilisering van de netten en de mate waarin decentrale opwek en nieuwe toepassing hiermee kunnen worden gefaciliteerd. Hierbij is er sprake van een optimalisatie traject waarbij de belangen van de netbeheerders, de fabrikanten en de uiteindelijke gebruikers meewegen. De resultaten van het tweede en derde thema zullen zoals hiervoor aangegeven hun weg vinden in concrete toepassingen. 4.2.De versterking van de kennispositie van Nederland: 8

12 4.2.1 De bijgedragen aan de versterking van kennis, kunde of onderzoeksfaciliteiten in Nederland. Power Quality is een redelijk nieuw terrein waarbij de noodzaak voor gedegen onderzoek de laatste jaren enorm is toegenomen. Alle partijen, betrokken bij de elektriciteitsvoorziening of gebruik zal belanghebbende zijn en iedereen is gebaat bij voldoende kwaliteit van spanning en stroom. Het onderzoek heeft een belangrijke rol gespeeld bij de verdere verdieping van de kennis bij de onderzoeksinstituten en bij de problemen die in de praktijk nog spelen. Er zijn oplossingen ontwikkeld maar desondanks is ook gebleken dat er nog veel te onderzoeken valt. Nieuwe toepassingen brengen weer hun eigen specifieke problemen met zich mee De verspreiding en benutting van de in het project opgedane kennis, kunde en de voorwaarden waaronder dit is gebeurd. De opgedane kennis is met regelmaat besproken met de begeleidingscommissie en zowel in normcommissies als bij fabrikanten van vermogenselektronische toepassingen is al gebruik gemaakt van de opgedane kennis. Daarnaast is het resultaat van het onderzoek 3 openbare proefschriften en tientallen publicaties. Tenslotte is het project afgesloten met een internationaal symposium waar ca 200 deelnemers van over de gehele wereld aan hebben deelgenomen. Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie, regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL 9