cold load pickup - · pdf filetransformator einschaltstrom, „ inrush
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Institut für Elektrische Anlagen
Cold Load Pickup
Ao.Univ.-Prof. Dr. Herwig Renner
Fachtagung Energie:Was bewegt die Netze der Zukunft?
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Institut für Elektrische Anlagen
Cold Load Pickup (CLPU):
Leistungsüberhöhung nach Ausfall der Versorgung
cold: bezieht sich auf den Zustand der Last, nicht unbedingt auf die „kalte“ Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt des Ausfalls, auch wenn diese eine Rolle spielt.
pickup: Versorgungswiederaufnahme, Wiederherstellung in einem Netz oder Abzweig
Einleitung
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Institut für Elektrische Anlagen
Einleitung
Die Leistungsaufnahme von Lasten bei der Einschaltung nach einer (längeren) spannungslosen Pause ist generell höher als vor der Pause. Diese Leistungsüberhöhung hat im Wesentlichen folgende Ursachen:
Transiente Einschaltströme von Geräten
Verlust der statistischen Diversifizierung der Betriebszustände von regelnden Geräten
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Institut für Elektrische Anlagen
Einleitung
Relevanz:
• Schwaches Inselnetz bei Netzwiederaufbau nach Blackout
• Zuschaltung von einzelnen Mittelspannungsabzweigen• Wenige Kraftwerke am Netz, geringe
Trägheitskonstante• Herausforderung für Frequenzregelung
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Institut für Elektrische Anlagen
Typischer zeitlicher Verlauf
t
I
Strom vor Ereignis
transiente Spitze
Leistungsüberhöhung
stationärer Endwert
Unterbrechung
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Institut für Elektrische Anlagen
Transienter Einschaltstrom
Netzgeräte:Ladestrom KondensatorStromaufnahme elektronischer Eingangsstufen
Transformatoren, Eisendrosseln und Stromwandler:Zuschaltstrom Induktivität,Transformator Einschaltstrom, „inrush“
Leuchtmittel:Gasentladungslampen,
Elektrischen Maschinen und Antriebe:Anlaufverhalten Asynchronmotoren
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Institut für Elektrische Anlagen
Transienter Einschaltstrom
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90
0.05
0.1
0.15
0.2
Einschaltstrom einer Energiesparlampe
Zeit in Sekunden
Stro
m in
Am
pere
Messdaten
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-200
0
200
400
600
Zeit in Sekunden
Strom
in A
mpere
Transienter Zuschaltstrom Phase L1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-400
-200
0
200
400
600
Zeit in Sekunden
Strom
in A
mpere
Transienter Zuschaltstrom Phase L2
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-600
-400
-200
0
200
400
Zeit in Sekunden
Strom
in A
mpere
Transienter Zuschaltstrom Phase L2
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-20
0
20
40
60
80
Zeit in Sekunden
Stro
m in
Am
pere
Transienter Zuschaltstrom Phase L1
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-20
0
20
40
60
80
Zeit in Sekunden
Stro
m in
Am
pere
Transienter Zuschaltstrom Phase L2
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-150
-100
-50
0
50
Zeit in Sekunden
Stro
m in
Am
pere
Transienter Zuschaltstrom Phase L2
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Institut für Elektrische Anlagen
Verlust statistische Diversität Verlust der statistischen Diversität des Betriebszustandes
von geregelten Lasten Thermostatisch geregelten Lasten – Wärme
Direktheizungen, Elektroherde- und Backöfen, Waschmaschinen, Geschirrspüler etc.
Thermostatisch geregelten Lasten – KühlungKühl- und Gefriergeräte, Klimaanlagen
Abhängig von der mittleren Zyklusdauer der Geräte, Dauer Versorgungsunterbrechung, Umgebungstemperatur
In der Praxis dauert es einige zehn Minuten, bis die ursprüngliche Diversität wieder hergestellt ist.
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Institut für Elektrische Anlagen
„top down“ „bottom up“
„black box“ physikalisches Modell
Ableitung Bildungsgesetz:Eingangsdaten:
Messschriebe, Lastzusammen-setzung, Unterbrechungsdauer, Umgebungstemperatur
Ausgangsdaten:Leistungsüberhöhung
VT: -kein Modell notwendig-Regelwerk Erstellung
NT: -Anzahl der Datensätze-keine Einbringung von „a-priori“ Informationen
Ableitung Bildungsgesetz:
Physikalische Grundlagen, mathematische Zusammenhänge
VT: -keine Messdaten notwendig.
NT: - Aufwändige Modellnachbildung-Modellparameter: Identifikation
Verlust statistische Diversität - Analyse, Modellbildung
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Institut für Elektrische Anlagen
Verlust statistische Diversität - Simulation
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
t
P
t0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
T
0.5
1
1.5
2
5 zufällig gewählte thermostatisch Verbraucher33 min Unterbrechung
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Institut für Elektrische Anlagen
Verlust statistische Diversität – Simulation (bottom up)
30 % thermostatgesteuerte Last10 min Unterbrechung
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
t
P
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Institut für Elektrische Anlagen
Verlust statistische Diversität - Simulation
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
t
P
30 % thermostatgesteuerte Last33 min Unterbrechung
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Institut für Elektrische Anlagen
Messdatensammlung (top down)
Datensammlung in Kooperation mit
Leistungsschrieb mit hoher Zeitauflösung zumindest für die erste Minute (z.B. Störschreiber),
Leistungsschrieb der nächsten 30 min mit geringerer zeitlicher Auflösung (z.B. Netzleitsystem)
Grobe anonymisierte Charakterisierung des gemessenen Abzweigs bzw. der Station: Spannungsebene, Anteil von Gewerbe, Industrie, Haushaltskunden, Elektroheizungen, dezentrale Einspeiser
Zeitpunkt des Ausfalls bzw. der Wiedereinschaltung, Dauer der Unterbrechung
Klimatische Bedingungen während des Ausfalls, ungefähre Außentemperatur
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Institut für Elektrische Anlagen
Störschriebe
32 verwertbare Störschriebe
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Institut für Elektrische Anlagen
Leistungserhöhung
Vermutete Einflussparameter:
• Verbraucherzusammensetzung• Ausfalldauer• E-Heizungsanteil• Außentemperatur
De facto zu wenig unterschiedliche Messschriebe für die möglichen Kombinationen!
Konzentration auf Ausfalldauer
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Institut für Elektrische Anlagen
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
2.75
3
3.25
3.5
3.75
4
4.25
4.5
4.75
5Zeitlicher Verlauf nach Wiedereinschaltung:
Zeit [m]
Stro
m [p
.u.]
Beschreibung: Rot...tA > 120 min, Grün...tA > 60 min,Cyan...tA > 30 min, Blau...tA < 30 min
Dunkelblau tA < 30minHellblau 30 min < tA < 60minGrün 60 min < tA < 120minRot 120 min < tA
Ergebnisse
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Institut für Elektrische Anlagen
Ergebnisse
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
2.75
3
3.25
3.5
3.75
4
4.25
4.5
4.75
5Zeitlicher Verlauf nach Wiedereinschaltung:
Zeit [m]
Stro
m [p
.u.]
Ausfall Nummer: 4 Ausfalldauer: tA = 2 min
Ausfall Nummer: 19 Ausfalldauer: tA = 37 min
Ausfall Nummer: 11 Ausfalldauer: tA = 182 min
Ausfall Nummer: 25 Ausfalldauer: tA = 316 min
Dunkelblau tA =2 minHellblau tA = 37 minGrün tA = 182 minRot tA = 316 min
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Institut für Elektrische Anlagen
Ergebnisse
1
2 3
100% Gewerbe,80% E-Heizung
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Institut für Elektrische Anlagen
Netzfrequenz bei Netzwiederaufbau
f
t
∆P, H df/dt∆P, σ fstat
∆P, TRegl. fmin
∆P LaständerungH Trägheitskonstante1/σ Reglerverstärkung
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Institut für Elektrische Anlagen
Netzfrequenz bei Netzwiederaufbau
Wirkleistung zugeschaltener Netzblöcke bestimmt auftretende Frequenzänderung (fmin, fstat)
Cold Load Pickup beeinflusst die Höhe der Wirkleistung bei Zuschaltung
Nach dem derzeitigen Wissensstand können für die Frequenzhaltung bei dem Netzwiederaufbau die transienten Einschaltströme mit starker Amplitudenüberhöhung in den ersten Sekunden vernachlässigt werden, aber ...
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Institut für Elektrische Anlagen
Netzfrequenz bei Netzwiederaufbau
... die Möglichkeit von Schutzgerätefehl-auslösungen sollte berücksichtigt werden
Schutzgeräte (z.B. Überstromzeitschutzrelais) können optional dieses Verhalten in Form spezieller Kennlinien „pickup curves“ hinterlegt haben.
Literatur z.B. Mirza O. H., "Usage of CLPU curve to deal with the cold load pickup problem"
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Institut für Elektrische Anlagen
Messdaten zeigen einen Bereich für die Leistungsüberhöhung von 1...4
„Kurze“ Ausfälle: die statische Lastdiversität bleibt erhalten, bei tA< 30min kann Überhöhung nach Wiederzuschaltung vernachlässigt werden
Bei längerer Ausfalldauer kann durchaus mit einem Überhöhungsfaktor von 3 gerechnet werden.
exakte Vorhersage Zuschaltstrom nicht möglich.
Netzfrequenz bei Netzwiederaufbau
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Institut für Elektrische Anlagen
zusätzliche Eingangsparameter:
Uhrzeit, dadurch Einfluss Tageslastgang, z.B. Mittagsspitze
Witterung, dadurch Heizungseinsatz genauer festgelegt.
Saisonale Einflüsse
Geographische Parameter
Demographische Parameter
Unsicherheiten
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Institut für Elektrische Anlagen
Cold Load Pickup
Ao.Univ.-Prof. Dr. Herwig Renner