Kapitel 6

Einfluss von Elektrofahrzeugen auf die Spannung

6 Einfluss von Elektrofahrzeugen auf die Spannung In diesem Kapitel wird untersucht, wie hoch der Einfluss verschiedener Verbreitungsgrade und Ladeleistungen von Elektrofahrzeugen auf die Netzspannung ist. Zudem wird betrachtet, wie sich eine Wirkleistungsregelung der Ladeleistung zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs durch EFZ auf die Spannung auswirkt. Im Anschluss daran wird dargestellt inwieweit EFZ mit einer Blindleistungsregelung die Spannung stabilisieren können. Dieser Abschnitt ist der umfangreichste, da im Wesentlichen dargestellt wird welchen Beitrag EFZ zur Spannungsstabilisierung leisten können. Zudem werden die spannungsstabilisierenden Auswirkungen einer Blindleistungsregelung in Verbindung mit einer Begrenzung der Ladeleistung betrachtet. Abschließend wird analysiert, in wie fern ein konventioneller rONT oder ein lastflussgesteuerter rONT die Spannung stabilisieren kann. Die betrachteten Durchdringungsgrade von Elektrofahrzeugen werden in 10 % Schritten von 0 auf 100 % EFZ Anteil bei den Haushalten erhöht. Parallel dazu wird die maximale EFZ Ladeleistung von 3 kW auf 21 kW in 3 kW Schritten erhöht. Durch die beiden variierten Größen ergeben sich in Summe 77 Einzel-Szenarien.

6.1 Rahmendaten Als Netztopologie wird das extreme Referenznetz „Vorstadtnetz mit extremen Netzstrahlen und hoch ausgelastetem Transformator“ (Name aus /TUM-04 11/) aus der Dissertation von G. Kerber gewählt. Dieses Netz hat bei der Betrachtung der Auswirkungen des Referenzszenarios 2030 auf die verschiedenen Netztopologien das synthetische Stromnetz den geringsten Spannungswert. Zudem sind die Eigenschaften der Netztopologie (z.B. Leitungslänge) so gewählt, dass sie den 95 %-Quantilen aller Stromnetze entsprechen. Insofern sollten die Auswirkungen der Szenarien auf die Spannung in dieser Betrachtung stärker als in 95 % aller Stromnetze sein. Die Netztopologie ist in Abbildung 2-3 dargestellt. Das Netz verfügt über eine gesamte Leitungslänge von 5.329 Meter. 60 % der Leitungslänge besteht aus dem Kabeltyp NAYY-4x185. Dies ist ein Standard Aluminiumkabel mit PVC-Isolierung und -Mantel. Die Hausleitungen bestehen zur Hälfte jeweils aus NAYY 4x50 und NYY 4x35. Das Netz verfügt über 192 Hausanschlüsse und ebenso viele Haushalte. Die Haushalte verbrauchen im Mittel 4.582 kWh/Jahr. Der Energieverbrauch pro HH und Tag liegt somit bei 12,55 kWh. Dieser Energieverbrauch richtet sich nach /TUM-04 11/. In der Dissertation wird für Extrem- und Referenznetze ein Verbrauch von 4.500 kWh/Jahr pro Hausanschluss angenommen. Der ONT ist im Mittel zu 41 % ausgelastet, im Jahresmaximum zu 103 %. Die Leitungen sind im Mittel zu 15,4 % ausgelastet, im Jahresmaximum zu 61 %.

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6.1 - Rahmendaten

Abbildung 6-1: Netztopologie ONT 1159 (Eigene Darstellung nach /TUM-04 11/)

Der PV-Eigendeckungsgrad der Haushalte im Netzgebiet liegt bei 27,5 %. Dies entspricht in etwa dem PV-Ausbaugrad im Referenzszenario. Die Energie wird durch 37 PV-Anlagen erzeugt welche durchschnittlich 17,4 kWh pro Tag erzeugen. Alle PV-Anlagen verfügen über ein Peak-Shaving auf 70 % ihrer Modulleistung und über eine wirkleistungsabhängige Blindleistungsregelung. Aufgrund dieser beiden Maßnahmen, und der Anzahl an PV-Anlagen, gibt es in diesem Szenario keine Überspannungen oder thermische Überlastungen durch die PV-Erzeugung. Da in diesem Kapitel der Einfluss von Elektrofahrzeugen auf die Spannung betrachtet wird, wird auf den Einsatz von Hausspeichersystemen in der Simulation verzichtet. Die Anzahl der Elektrofahrzeuge wird von 0 auf 190 Stück im Wohngebiet in elf Schritten mit jeweils 19 EFZ erhöht. Die Fahrzeuge verbrauchen im Durchschnitt pro Tag 6,7 kWh. Die Ladeleistung wird in sieben Stufen á 3 kW von 3 kW auf 21 kW variiert. Um die Einflüsse der Regelungen besser sichtbar zu machen, wird keine zeitvariable Spannung am Netzanschlusspunkt (Slack Bus Spannung) verwendet.

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6.2 - EFZ ohne Regelungen

Die 77 Einzel-Szenarien werden jeweils mit acht verschiedenen Verteilungen berechnet. Die 616 Parametersätze werden mit einer zeitlichen Auflösung von fünf Minuten über die Zeitdauer von einem Jahr simuliert. Basierend auf ausgewählten Ergebniswerten der 77 Einzel-Fällen (7x11) wird eine hochaufgelöste Ergebnismatrix (180x1000) aufgespannt. Die fehlenden Zwischenwerte werden kubisch interpoliert. Die entstehenden Ergebnismatrizen werden in Form von Heatmaps mit Konturlinien dargestellt.

6.2 EFZ ohne Regelungen Im Referenzfall werden die Fahrzeuge ungesteuert geladen und verfügen über keine Blindleistungsregelung. Weiterhin verfügt der ONT über keinen automatischen Stufensteller. In Abbildung 6-2 ist die mittlere, minimale Spannung des Netzgebietes für alle 77 Fälle in einer Heatmap dargestellt. Bei 0 % Fahrzeugdurchdringung liegt die Spannung knapp über 0,88 p.u.. Je dunkler die Farbe ist, desto geringer ist die Spannung. Gut erkennbar ist, dass die mittlere, minimale Spannung mit zunehmender EFZ-Durchdringung und Ladeleistung sinkt. Aufgrund der Konturen, welche bis zu einer Fahrzeugdurchdringung von 40 % nahezu parallel zur Achse der Ladeleistung verlaufen, ist erkennbar, dass die Ladeleistung bis zu diesem EFZ- Durchdringungsgrad nur einen geringen Einfluss auf die mittlere, minimale Spannung ausübt. Darüber hinaus steigt der Einfluss der Ladeleistung an. So beträgt beispielweise bei einer Fahrzeugdurchdringung von 20 % die Spannungsdifferenz zwischen einer Ladeleistung von 3 kW und 21 kW nur 0,004 p.u., wobei bei 80 % EFZ-Durchdringung dieser Differenz bereits 0,04 p.u. beträgt.

Abbildung 6-2: EFZ ohne Regelungen: mittlere, minimale Spannung in Abhängigkeit der Ladeleistung und Fahrzeugdurchdringung

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Summe der Ladeleistungen aller EFZ, den resultierenden Spannungsfall bestimmt. Die maximale Wirkleistung am ONT, die innerhalb

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6.2 - EFZ ohne Regelungen

eines Jahres aufgetreten ist, ist in Abbildung 6-3 dargestellt. Ohne Elektrofahrzeuge liegt die maximale Last bei ca. 230 kW. Bei einer Ladeleistung von 3 kW verursacht eine EFZ- Durchdringung von 100 % eine Lastspitze von 400 kW. Bei einer Ladeleistung von 21 kW wird diese Lastspitze bereits mit einer EFZ-Durchdringung von 40 % überschritten. Der Anstieg der Lastspitze steigt jedoch nicht proportional mit der EFZ-Durchdringung. Beispielsweise verursacht eine EFZ-Durchdringung von 50 % in diesem Netzgebiet eine Lastspitze von ca. 460 kW. Die doppelte Anzahl an EFZ verdoppelt jedoch nicht die Lastspitze, sondern erhöht sie auf ca. 710 kW. Dies entspricht einem Anstieg von ca. 54 %.

Abbildung 6-3: EFZ ohne Regelungen: Maximale Wirkleistung am ONT in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Die maximale Lastspitze steigt auf Grund der unterschiedlichen, maximalen Gleichzeitigkeit der Ladevorgänge nicht proportional mit der Anzahl der Fahrzeuge. Die mittlere Ladegleichzeitigkeit ist, bei den verwendeten Fahrprofilen, unabhängig von der EFZ- Durchdringung und hängt nur von der Ladeleistung ab. Dies liegt darin, dass die mittlere Ladegleichzeitigkeit bei konstanter Ladeleistung nur vom Energieverbrauch der EFZ abhängt. Dies ist in Abbildung 6-4 links dargestellt. Dem entgegen, ist die maximale Ladegleichzeitigkeit stark von der Ladeleistung und der EFZ-Durchdringung abhängig. Gut erkennen lässt sich dies an der Konturlinie „40 %“ in Abbildung 6-4 rechts. Die maximale Ladegleichzeitigkeit ist bei einer EFZ Durchdringung von 20 % und einer Ladeleistung von 21 kW in etwa gleich hoch wie bei einer EFZ-Durchdringung von 100 % und einer Ladeleistung von 3 kW. Dies verdeutlicht, dass mit steigender Ladeleistung oder steigender EFZ- Durchdringung die spezifische Leistung pro EFZ abnimmt.

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6.3 - Regelungen zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs

Abbildung 6-4: EFZ ohne Regelungen: Links: Mittlere Ladegleichzeitigkeit, Rechts: Maximale Ladegleichzeitigkeit in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

6.3 Regelungen zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs Dieser Abschnitt betrachtet den Einfluss einer PV-Eigenverbrauchserhöhung durch EFZ nach der in Kapitel 4.4.2 vorgestellten Regelung auf die Spannung. Bei den Auswertungen zu diesem Szenario ist zu beachten, dass jeweils maximal 37 EFZ gesteuert geladen werden können. Diese Begrenzung beruht auf der Anzahl an PV-Anlagen welche im Netzgebiet installiert sind. Für das betrachtete Szenario bedeutet dies, dass bis zu einer EFZ- Durchdringung von 20 % alle EFZ gesteuert geladen werden. Darüber hinaus ist die absolute Anzahl an EFZ mit Ladesteuerung konstant wohingegen die ungesteuerten EFZ zunehmen. Bei einer EFZ-Durchdringung von 40 % hat nur jedes zweite EFT eine Ladesteuerung und bei 100 % nur noch jedes fünfte EFZ. Die Szenarienergebnisse zeigen, dass eine Regelung zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs nur einen sehr geringen Einfluss auf die mittlere, minimale Spannung ausübt. Die Änderung der mittleren, minimalen Spannung im Fall mit Ladesteuerung gegenüber dem Fall „EFZ ohne Regelung“ ist in Abbildung 6-5 dargestellt. Die türkisenen Flächen stellen eine leichte Spannungsanhebung dar und die gelben Flächen stellen eine leichte Spannungsabsenkung dar. Diese sind jedoch mit einer Spannungsänderung von maximal ± 0,005 p.u. gegenüber dem Fall „EFZ ohne Regelungen“ sehr gering bis nicht vorhanden. Allenfalls lassen sich Tendenzen ableiten, dass es bei einer höheren Ladeleistung zu einer leichten Absenkung der mittleren, minimalen Spannung kommen kann. Die mittlere, minimale Spannung tritt vor allem in den Wintermonaten auf, in denen die PV-Einstrahlung gering und die Ladesteuerung somit wenig Einfluss hat.

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6.3 - Regelungen zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs

Abbildung 6-5: EFZ mit Ladesteuerung: Änderung der mittleren, minimalen Spannung gegenüber dem Fall „EFZ ohne Regelungen“ in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Die maximale Wirkleistung am ONT ändert sich nicht durch die Ladesteuerung. Dies kommt aus dem Umstand, dass die maximale Wirkleistung, analog zur minimalen Spannung in der Regel in einem Wintermonat auftritt. Hier ist die ONT-Last im Allgemeinen etwas höher. Die Abbildung 6-6 stellt die Änderung der mittleren und maximalen Ladegleichzeitigkeit im Vergleich zum Fall „EFZ ohne Regelungen“ dar (vgl. Abbildung 6-4). Die maximale Ladegleichzeitigkeit (rechte Abbildung) steigt vor allem bei den EFZ-Durchdringungen 10 % bis 30 %, da hier die EFZ größtenteils über Ladesteuerung verfügen. Die mittlere Ladegleichzeitigkeit (linke Abbildung) steigt über den gesamten Bereich merkbar. Ohne Ladesteuerung war die mittlere Ladegleichzeitigkeit bei einer Ladeleistung größer als 6 kW immer unter 6 %. Durch die Ladesteuerung steigt sie auf 9,5 %, auch bei einer Ladeleistung von 12 kW. Dies entspricht einer relativen Steigerung von über 50 %.

Abbildung 6-6: EFZ mit Ladesteuerung: Links: Absolute Änderung der mittleren Ladegleichzeitigkeit, Rechts: Absolute Änderung der maximalen Ladegleichzeitigkeit in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

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6.4 - Regelungen für EFZ zur Verbesserung der Spannungsstabilität

Der mittlere Anteil vollelektrischer Fahrten (elektrische Fahrprofilabdeckung) ist zwar nicht relevant für die Spannung, stellt aber dar welche negativen Auswirkungen eine PV- Eigenverbrauchsoptimierte Ladesteuerung zum Teil verursacht. Die Abbildung 6-7 stellt die absolute Änderung der elektrischen Fahrprofilabdeckung zum Fall „EFZ ohne Regelung“ dar. Bei einer geringen EFZ-Durchdringung (hohe Verbreitung von Ladesteuerungen) ist ein spürbarer Rückgang der elektrischen Fahrprofilabdeckung sichtbar. Dies ist vor allem bei geringen Ladeleistungen mit einer Änderung von ca. 0,75 %-Punkte ausgeprägt. Ohne Ladesteuerung lag die Fahrprofilabdeckung bei 98 %. Bei steigender Ladeleistung nimmt die Reduktion aufgrund der Ladesteuerung ab.

Abbildung 6-7: EFZ mit Ladesteuerung: Absolute Änderung der elektrischen Fahrprofilabdeckung in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

6.4 Regelungen für EFZ zur Verbesserung der Spannungsstabilität Im Folgenden wird betrachtet wie groß die Auswirkungen gezielter Regelungen zur Verbesserung der Spannungsstabilität auf die Spannungshöhe sind. Der erste Abschnitt betrachtet die Auswirkungen einer spannungsabhängigen Blindleistungsregelung bei den EFZ. Die stückweise lineare Kennlinie richtet sich nach der Kennlinie in Abbildung 4-4 im Kapitel 4.2.2. Die Blindleistungsbereitstellung beginnt bei 0,97 p.u. und erreicht die maximale Blindleistungsbereitstellung bei einer Spannung von 0,94 p.u. mit einem von 0,9. Im zweiten Abschnitt wird die spannungsabhängige Blindleistungsregelung durch eine spannungsabhängige Wirkleistungsregelung unterstützt. Die Wirkleistungsregelung begrenzt die Ladeleistung in Abhängigkeit der Spannung. Die verwendete Kennlinie ist in Abbildung 4- 8 im Kapitel „Ladesteuerungen für Elektrofahrzeuge“ (4.4.1) dargestellt. Ab einer Spannung von 0,97 p.u. wird sie aktiv und begrenzt die Ladeleistung auf maximal 50 %. Im Falle einer

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6.4 - Regelungen für EFZ zur Verbesserung der Spannungsstabilität

Wirkleistungsreduzierung wird die Blindleistung analog mit reduziert, da sie über den fest eingestellt ist.

6.4.1 Blindleistungsregelung Die spannungsabhängige Blindleistungsregelung (Q(U)) erfüllt ihren Zweck und senkt die Spannung ab. In Abbildung 6-8 ist die mittlere, minimale Spannung des Netzgebietes dargestellt. Bei hohen EFZ-Durchdringungen und hohen Ladeleistungen ist sie weiterhin kritisch und häufiger unter 0,85 p.u. und verletzt somit, unabhängig von der Größe des zur Verfügung stehenden Spannungsbandes, die EN 50160 in diesem Bereich.

Abbildung 6-8: EFZ mit Q(U)-Regelung: Mittlere, minimale Spannung in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Abbildung 6-9 stellt die absolute Differenz der mittleren, minimalen Spannung zum Fall „EFZ ohne Regelungen“ dar. Anhand dieser Abbildung lässt sich erkennen wie stark die Q(U)- Regelung die Spannung bei den verschiedenen Ladeleistungen und EFZ-Durchdringungen anhebt. Die Spannungen werden bei höheren Ladeleistungen und höheren EFZ- Durchdringungen stärker erhöht als bei geringeren. Im Szenario mit 100 % EFZ Durchdringung mit 21 kW Ladeleistung wird die Spannung um ca. 2,7 %-Punkte angehoben.

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6.4 - Regelungen für EFZ zur Verbesserung der Spannungsstabilität

Abbildung 6-9: EFZ mit Q(U) Regelung: Differenz der mittleren, minimalen Spannung gegenüber dem Fall „EFZ ohne Regelungen“ in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Dass die Q(U)-Regelung bei einer höheren elektromobilen Belastung der Stromnetze die Spannung stärker anhebt liegt an der Kennlinie. Je geringer die Spannung ist, desto mehr EFZ werden aufgrund der Q(U)-Regelung Blindleistung bereitstellen. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 6-10 (links) anhand der mittleren Blindleistungsbereitstellung der EFZ ersichtlich. Bei einer EFZ-Durchdringung von 50 % werden im Mittel ca. 7 kVAr abgegeben, bei der doppelten Anzahl an EFZ werden 23 kVAr abgegeben. Zudem ist bei dieser Abbildung erkennbar, dass die mittlere Blindleistungsbereitstellung von der EFZ-Durchdringung abhängt, bei einer Ladeleistung von 9 kW und höher ist sie nahezu unabhängig von der Ladeleistung. In Abbildung 6-10 (rechts) ist dagegen die maximale Blindleistungsbereitstellung durch die EFZ dargestellt. Diese ist gegenüber der mittleren Blindleistungsbereitstellung auch von der Höhe der Ladeleistung abhängig. Sie ist etwa fünfmal so hoch wie die mittlere Blindleistungsbereitstellung. Durch Verrechnung mit der elektromobilen Lastspitze (ca. 500 kW, vgl. Abbildung 6-3) ergibt sich ein Leistungsfaktor von etwa 0,97. Dieser sehr hohe Leistungsfaktor bedeutet, dass zur Zeit der hohen Last nicht alle EFZ Blindleistung bereitgestellt haben. Etwa die Hälfte des möglichen Blindleistungspotentials wird aktiviert. Viele EFZ waren in kurzen Strängen angeschlossen bei denen im Augenblick der hohen Lastspitze keine Spannungsinstabilitäten auftraten. Insofern haben diese keine Blindleistung bereitgestellt.

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6.4 - Regelungen für EFZ zur Verbesserung der Spannungsstabilität

Abbildung 6-10: EFZ mit Q(U) Regelung: Links: Mittlere Blindleistungsbereitstellung der EFZ, Rechts: Maximale Blindleistungsbereitstellung der EFZ in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Dies führt zur Frage wie häufig und wann die Blindleistung bereitgestellt wird. Hierfür wird in Abbildung 6-11 für das Szenario 100 % EFZ-Durchdringung mit 21 kW Ladeleistung die Blindleistungsbereitstellung aller EFZ für jeden Tag in Abhängigkeit der Uhrzeit dargestellt. Erkennbar ist, dass die hohen Blindleistungsspitzen nur wenige Male im Jahr auftreten. Zudem wird zwischen 00:00 Uhr und 12:00 Uhr nur wenig bis keine Blindleistung bereitgestellt. Sämtliche, hohe Blindleistungsspitzen treten zwischen 15:00 Uhr und 21:00 Uhr auf.

Abbildung 6-11: EFZ mit Q(U) Regelung: Szenario: 100 EFZ mit 21 kW Ladeleistung: Bereitgestellte Blindleistung der EFZ im gesamten Netzgebiet übers Jahr

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6.4 - Regelungen für EFZ zur Verbesserung der Spannungsstabilität

6.4.2 Kombination einer Wirk- und Blindleistungsregelung Die Kombination einer spannungsabhängigen Blindleistungsregelung (Q(U)) mit einer spannungsabhängigen Wirkleistungsregelung (P(U), s. Kapitel 4.4.1) hebt die Spannung stärker an als eine spannungsabhängige Blindleistungsregelung. Dies ist in Abbildung 6-12 dargestellt. Um beispielsweise eine mittlere, minimale Spannung größer 0,86 p.u. zu erreichen ist bei der alleinigen Q(U)-Regelung eine EFZ-Durchdringung von weniger als 40 % (Ladeleistung 21 kW) notwendig. Bei der kombinierten Q(U)- mit P(U)-Regelung ist dagegen eine EFZ- Durchdringung von bis zu 60 % (Ladeleistung 21 kW) zulässig. Somit kann durch ergänzende P(U)-Regelung eine etwa 20 %-Punkte höhere EFZ-Durchdringung in das Stromnetz integriert werden, ohne das Spannungsinstabilitäten auftreten. Eine EFZ-Durchdringung höher als 70 % und eine Ladeleistung größer als 15 kW führt weiterhin zu einer mittleren, minimalen Spannung von 0,85 p.u. und verursacht somit weiterhin Spannungsbandverletzungen.

Abbildung 6-12: EFZ mit Q(U)- und P(U)-Regelung: Mittlere, minimale Spannung in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Die Ergebnisse zeigen, dass die Begrenzung der Ladeleistung im Sinne der P(U)-Regelung nur einen sehr geringen Einfluss auf die elektrische Fahrprofilabdeckung ausübt. Diese sinkt durch die Begrenzung lediglich um 0,027 %-Punkte und ist somit vernachlässigbar. In Abbildung 6-13 ist die Änderung der maximalen Wirkleistung am ONT gegenüber dem Szenario „EFZ ohne Regelungen“ dargestellt. Die maximale Wirkleistung am ONT wird durch die ergänzende P(U)-Regelung abgesenkt. Im Fall einer EFZ-Durchdringung von 100 % mit einer Ladeleistung von 21 kW wird die maximale Wirkleistung um knapp 70 kW auf 640 kW abgesenkt, dies entspricht in etwa 10 % der maximalen Wirkleistung. Dies entspricht einer Absenkung der Ladeleistung der EFZ zum Zeitpunkt der maximalen Wirkleistung am ONT um 14,5 %.

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6.5 - Regelungen für Transformatoren zur Verbesserung der Spannungsstabilität

Abbildung 6-13: EFZ mit Q(U)- und P(U)-Regelung: Änderung der maximalen Wirkleistung am ONT in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

6.5 Regelungen für Transformatoren zur Verbesserung der Spannungsstabilität Im folgenden Abschnitt wird betrachtet in wie weit ein rONT die Spannungsfälle, die von EFZ verursacht werden ausgleichen kann. Im ersten Abschnitt wird ein rONT eingesetzt welcher die sekundärseitige Spannung am ONT auf 1 p.u. einstellt Dieser ist mit den in Kapitel 4.5.1 dargestellten Parametern eingestellt. Im darauffolgenden Abschnitt wird ein lastflussgesteuerter rONT eingesetzt. Die Parameter hierfür werden nach Kapitel 4.5.2 eingestellt.

6.5.1 Konventionell gesteuerter rONT Die Auswirkungen des konventionell gesteuerten rONT auf die mittlere, minimale Spannung im Netzgebiet sind in Abbildung 6-14 dargestellt. Die mittlere, minimale Spannung ist über alle Fälle hinweg höher als im Fall „EFZ ohne Regelungen“.

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6.5 - Regelungen für Transformatoren zur Verbesserung der Spannungsstabilität

Abbildung 6-14: EFZ mit rONT: Mittlere, minimale Spannung in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Bei Verwendung des rONT wird die mittlere, minimale Spannung über alle Einzel-Szenarien im Vergleich mit den vorherigen Regelungen (Q(U), Q(U) & P(U)) am meisten beeinflusst. Beispielsweise beträgt im Szenario 100 % EFZ-Durchdringung (Ladeleistung 21 kW) die mittlere, minimale Spannung 0,847 p.u., wohingegen sie im gleichen Fall bei Verwendung der kombinierten Q(U)- und P(U)-Regelung 0,815 p.u. beträgt. Dies entspricht einer Verbesserung von etwa 3 %-Punkten. Da der rONT nur das Übersetzungsverhältnis am ONT in Abhängigkeit der Spannung ändert, hat dieser keinen Einfluss auf die Ladevorgänge der ungeregelten EFZ. Insofern sind die maximalen Wirkleistungen am ONT entsprechend dem Fall „EFZ ohne Regelungen“.

6.5.2 Lastflussabhängig gesteuerter rONT In Abbildung 6-15 ist die mittlere, minimale Spannung für den Fall dargestellt, dass der rONT lastflussabhängig gesteuert wird. Die Spannung hat sich gegenüber dem konventionell gesteuerten rONT um weitere 2 %-Punkte verbessert. Gegenüber dem Szenario „EFZ ohne Regelung“ bei einer EFZ-Durchdringung von 100 % und einer maximalen Ladeleistung von 21 kW hat sich die Spannung um ca. 7,6 %-Punkte verbessert. Spannungen von unter 0,85 p.u. treten in der Simulation nicht auf.

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6.6 - Schlussfolgerungen

Abbildung 6-15: EFZ mit lfrONT: Mittlere, minimale Spannung in Abhängigkeit der Fahrzeugdurchdringung und Ladeleistung

Das Szenario „EFZ mit lfrONT“ ist das einzige der vorgestellten Szenarien bei dem kein 10- Minuten-Mittelwert unterhalb der Spannung 0,9 p.u. aufgetreten ist.

6.6 Schlussfolgerungen Die dargestellten Ergebnisse wurden alle auf Basis des schwächsten Netzes aus Kapitel 5.1.3.2 erstellt. Da es sich hierbei um ein Extremnetz nach /TUM-04 11/ handelt, welches schwächer ausgebaut ist als 95 % der Niederspannungsnetze in Deutschland, sollten die in diesem Kapitel berechneten Spannungen theoretisch in 95 % der Fälle in anderen Netzen besser ausfallen. Insofern kann gesagt werden, dass die dargestellten Ergebnisse einen Worst-Case-Fall darstellen. Im betrachteten, extremen Referenznetz sind die Auswirkungen der Elektrofahrzeuge auf die Spannung moderat. Ab einer Durchdringung von ungeregelten EFZ in Höhe von etwa 33 % mit hoher Ladeleistung von 21 kW treten Spannungen unterhalb von 0,85 p.u. auf. Bei gemischten Ladeleistungen, wie sie in der Realität üblicherweise auftreten ist eine Fahrzeugdurchdringung von über 50 % möglich. Die dargestellte Regelung zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs mit Elektrofahrzeugen hat keinen Einfluss auf den Spannungsfall. Die untersuchte, spannungsabhängige Blindleistungsregelung verbessert das Spannungsniveau deutlich, so dass erst ab einer EFZ-Durchdringung oberhalb von 50 % und Ladeleistung von 21 kW Spannungsinstabilitäten auftreten. Im Maximalfall wird die Spannung um 2,7 %-Punkte gegenüber dem Fall mit ungesteuerten EFZ angehoben. Gegenüber dem Fall mit ungesteuerten EFZ verbessert sich die kombinierte spannungsabhängige Blind- und Wirkleistungsregelung die Spannung um maximal 3,4 %-Punkte. Ein weiterer Vorteil dieser Regelung ist die Reduktion der maximalen

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6.6 - Schlussfolgerungen

Wirkleistung am ONT. Hierdurch wird ein Austausch des ONT mit einem leistungsstärkeren erst später notwendig. Durch die Begrenzung der Ladeleistung wird die Fahrprofilabdeckung nicht wesentlich beeinflusst. Spannungsbandverletzungen können bei Ladeleistungen größer als 15 kW und EFZ-Durchdringungen größer als 70 % auftreten. Der konventionell gesteuerte rONT verbessert die Spannung gegenüber der kombinierten Wirk- und Blindleistungsregelung um bis zu 3 %-Punkte. Der in Abhängigkeit des Lastflusses geregelte ONT verbessert die Spannung gegenüber dem konventionellen rONT um weitere 2 %-Punkte. Es ist die einzige Netzstabilisierungsmaßnahme bei der bei allen Ladeleistungen und EFZ-Durchdringungen keine Spannungsinstabilität auftrat. Grundsätzlich zeigen die Ergebnisse, dass Elektrofahrzeuge in den nächsten Jahren einen eher untergeordneten Einfluss auf die Spannung in Wohngebieten haben. Bei aktuell optimistischen Marktprognosen werden Elektrofahrzeuge bis 2030 einen Marktanteil von unter 15 % haben mit Ladeleistungen im Mittel von unter 7 kW /FFE-16 15/. Im Extremnetz wäre bei dieser Ladeleistung ein Anteil von über 50 % ungesteuerter Fahrzeuge immer noch zulässig. Eine Blindleistungsregelung in Verbindung mit einer spannungsabhängigen Reduktion der Ladeleistung ist sinnvoll um Hemmnisse für die wachsende Anzahl an EFZ in Zukunft zu vermeiden. Darüber hinaus haben diese Regelungen keine nennenswerten Nachteile für den Netzbetreiber, Fahrzeugbesitzer oder Fahrzeugherstelle. Im Hinblick auf die Ergebnisse besteht in den nächsten Jahren, bei Verwendung der analysierten Blind- und Wirkleistungsregelungen, ein geringes Risiko für einen durch Elektrofahrzeuge induzierten Netzausbaubedarf in Wohngebieten. In ferner Zukunft oder in fortschrittlichen Wohngebieten, wenn jeder Haushalt über ein oder mehrere Elektrofahrzeuge verfügt, werden regelbare Ortsnetztransformatoren notwendig sein um die stärken Spannungsschwankungen auszugleichen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine lastflussabhängige Steuerung der konventionellen Steuerung deutlich überlegen ist. In Gewerbegebieten oder Netzgebieten mit Arbeitsstätten, welche in dieser Arbeit nicht betrachtet wurden, könnte es durch Sammelladepunkte, beispielsweise an Firmenparkplätzen, zu Spannungsbandverletzungen an einzelnen Netzknoten kommen.

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6 - Einfluss von Elektrofahrzeugen auf die Spannung

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7 - Zusammenfassung