Fachbeitrag Spannung regeln, Effizienz erhalten

Die dezentrale Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen ist mehr als nur ein Trend und sorgt dafür, dass der Lastfluss im Energieversorgungssystem zunehmend komplexer wird. Je wirtschaftlicher Windkraft- und Photovoltaikanlagen werden, desto attraktiver wird ihr Einsatz in ländlichen Gebieten – und desto größer wird die Herausforderung für die Netzbetreiber, die Spannung konstant zu halten.

Die Lösung ist der Umbau der Netzinfrastruktur zu einem System, das effizient, leistungsfähig und vor allem anpassungsfähig ist. Die Energieversorgungsunternehmen unterliegen nicht nur der Pflicht, die dezentral erzeugte Energie in ihre Netze aufzunehmen, sondern müssen daneben auch noch die Spannungsqualität sicherstellen. Eine der wirtschaftlichsten und wohl auch elegantesten Lösungen zur Sicherstellung der Spannungsqualität sind die unter Last regelbaren Ortsnetztransformatoren. Die Anbieter auf dem neuen Markt der regelbaren Ortsnetztrafos (RONTs) verfolgen insbesondere bezüglich der technischen Ausführungen unterschiedliche Philosophien.

Auf Ober- oder Unterspannungsseite regeln?

Ist das Übersetzungsverhältnis bei konventionellen Ortsnetztransformatoren ledig­lich lastfrei und ausschließlich auf der Oberspannungsseite einstellbar, so kann dieses bei RONTs – je nach technischem Konzept – sowohl auf der Seite der Oberspannung (OS) als auch Unterspannung (US) unter Last geregelt werden. Auf der OS-Seite befinden sich zahlreiche Win­dungen, und der Leiterquerschnitt ist kleiner als auf der US-Seite, was für eine feinstufigere Regelung auf der OS-Seite spricht. Des Weiteren zeichnet sich die OS-Seite durch kleine Ströme und hohe Spannungen aus. Das heißt, die Komplexität bei einer OS-seitigen Regelung liegt in der Beherrschung hoher Spannungen, die meist im Bereich zwischen 10 und 30 kV liegen.

Auf der US-Seite dagegen liegt die Komplexität nicht in hohen Spannungen – diese sind hier mit in der Regel 400 bis 420 V gering – sondern in hohen Strömen, die es zu beherrschen gilt. Der Übergangswiderstand an den Kontakten muss gering gehalten werden, um nicht zusätzliche Verluste zu generieren. Der Anzapfungsbereich auf dieser Seite ist sehr beschränkt, da nur wenige Windungen zur Verfügung stehen. Ein Verteilungstransformator mit einer Scheinleistung von 630 kVA besitzt lediglich 30 Windungen auf der US-Seite.

Der lastfrei regelbare Einstellbereich der konventionellen Verteilungstransformatoren bleibt bei dem US-seitig geregelten RONT weiterhin erhalten und ermöglicht so, dass der Trafo im Falle eines Netzausbaus über die Anzapfungen an der OS-Seite nachgestellt werden kann.

Der beschränkte Anzapfungsbereich auf der US-Seite hat zur Folge, dass die Anzahl der Stufungen nicht beliebig groß sein kann. Dies ist jedoch kein Nachteil, sieht man sich Anforderungen und Ergebnisse der RONTs an, die Siemens einsetzt. Im Gegenteil, die geringe Anzahl an Stufungen und der sich daraus ergebende breite Lastregelbereich ist sogar vorteilhaft: Es können durch Schalthandlungen der Hoch- und Mittel­leistungstransformatoren in Kombination mit dem RONT keine Regelschleifen eintreten. Dieser Vorteil wird zudem durch die Tatsache unterstrichen, dass Mittelleistungstransformatoren heute viel mehr regeln als früher, um zusätzliche Spannungsreserven zu nutzen. Mit dem US-seitigen Lastregelkonzept schaltet der RONT immer nur dann, wenn es wirklich notwendig ist. Die Gefahr des Eintretens der zuvor beschriebenen Regelschleifen ist bei einer hohen Stufenzahl mit feinen Stufen wesentlich höher. Bezüglich der Einhaltung des Spannungsbandes ergibt sich somit aus einer feineren Stufung kein Vorteil für Energieversorgungsunternehmen.

Die meisten der am Markt verfügbaren RONT-Lösungen sind oberspannungsseitig geregelt; nicht so aber der aus dem Hause Siemens kommende RONT Fitformer Reg. Er ist unter Last über die Unterspannungsseite regelbar und besitzt zusätzlich den oberspannungsseitigen, lastfreien Einstellbereich, wie die konventionellen Verteilungstransformatoren.

RONT gemäß neuer Ökodesign-Richtlinie

Die Siemens-Lösung verfügt über ein angepasstes Aktivteildesign, das die Verluste aus Steuerung, Schaltelementen und Ausleitungen kompensiert. Durch die Regelung unter Last fallen also keine zusätzlichen Verluste an und damit ist dieser RONT der einzige seiner Art, der in seinen Verlusten denen konventioneller Verteiltransformatoren entspricht. Dies ist von hoher Bedeutung für Energieversorgungsunternehmen, die ihre Energieeffizienz optimieren wollen. Zusätzliche Verluste würden eine Verschlechterung der Effizienz mit sich bringen.

Ein weiterer Vorteil dieses RONT ist, dass er bereits heute den verschärften Ökodesign-Richtlinien der EU entspricht. Die europaweit geltende Verordnung für Transformatoren (sowohl Verteil- als auch Leistungstransformatoren) tritt im Juli 2015 in Kraft und zieht eine weitere Stufe mit strengeren Mindeststandards im Jahre 2021 nach sich. Sie legt einen Rahmen für die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte fest. Sie hat unter anderem zum Ziel, die Energieeffizienz zu verbessern, die allgemeine Umweltverträglichkeit von Elektrogeräten zu erhöhen, den CO₂-Ausstoß zu verringern und – speziell für Transformatoren – den Wirkungsgrad um 20 Prozent zu erhöhen. Die Tabelle auf Seite 32 gibt einen Einblick, was sich bei flüssigkeitsgefüllten Verteilungstransformatoren ändert [1].

Damit wird der neue RONT zu einer ganzheitlichen wirtschaftlichen Lösung für Energieversorger. Nicht nur die Investitionskosten, auch die Kosten für den Netzausbau und die Netzbetrieb können durch den Einsatz eines Fitformer Reg gering gehalten werden [2]. Er ermöglicht die Einspeisung dezentral erzeugter Energie und hält trotz eines bidirektionalen Energieflusses, schwankenden Lastbezugs und variabler Einspeiseleistung das Spannungsband gemäß DIN EN 50160 problemlos ein.

Weitere Informationen

[1] Detailliertere Informationen zu den neuen Vorgaben der EU (Bezeichnung: Nr. 548/2014 der Kommission zur Umsetzung der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG): http://www.siemens.com/energy/transformatoren/oekodesign

[2] Weitere Informationen zum Fitformer Reg: http://www.siemens.com/energy/fitformer-reg