Kwaliteit van de elektrische infrastructuur

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
Status
April 2011
Definitief
Technische Universiteit Eindhoven, e.a.
in opdracht van Agentschap NL
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.
Eindrapport (openbaar)
Energie Onderzoek Subsidie: Lange Termijn
Kwaliteit van de elektrische infrastructuur (EOSLT04024)
1
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 2011
2. 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 (www.tue.nl)
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
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
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
• 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
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
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 36.000,00 werkelijk gerealiseerd
Euro 78.616,09
• “Kosten Derden”: begroot: Euro 56.000,00 (Buitenlandse Reizen
36.000,00+Organisatie Symposia/website 20.000,00) werkelijk gerealiseerd: Euro
21.642,63
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
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.
4.1.1 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.
4.1.2 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.
4.1.3 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
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.
4.2.2 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