Blindvermogen tegen de spanning

9

Netbeheerders zijn hard aan het werk om de transportcapaciteit van het elektriciteitsnet zo snel mogelijk op het gewenste niveau te krijgen zodat de drukte op het elektriciteitsnet opgevangen kan worden. Hiervoor worden verschillende oplossingen ingezet.

Een van de meer innovatieve, technische oplossingen is gebruikmaken van zogenaamd blindvermogen. Dit artikel legt uit wat blindvermogen betekent en op welke manier netbeheerders dit fenomeen kunnen inzetten.

DOOR Herman Bontius en Martijn Bongaerts

Blindvermogen tegen de spanning

H

et wordt steeds drukker op ons elektriciteitsnet. Door de (weliswaar afnemende) economische groei neemt het aantal bedrijven, elektrische auto’s, datacenters en glastuinbouwbedrijven die vragen naar elektrisch vermogen nog steeds toe. Daarnaast stijgt ook het aantal wind- en zonneparken dat elektriciteit opwekt. Gevolg: op steeds meer plekken is de capaciteit van het elektriciteitsnet (bijna) bereikt. Netbe­ heerders in Nederland, zoals Enexis

en Liander, communiceren inmiddels land­kaarten, waarop is aangegeven in welke gebieden in Nederland problemen zijn om voldoende transportcapaciteit te realiseren, zie bovenstaande figuren.

Een ander probleem is dat door toename van het aantal decentrale opwekbronnen op het net de spanning toeneemt (zie kader op p11). Netbeheerders doen hun uiterste best om de transport­capaciteit zo snel moge­lijk op het gewenste niveau te krijgen door netten bij te bouwen.

Maar uit­brei­ding van de netten vergt een lange door­loop­tijd. Met name trajecten om bestem­mings­plannen gewijzigd te krijgen en de benodigde vergunning zorgen voor jaren­lange trajecten.

Daarom wordt er, samen met marktpartijen en de overheid, ook gewerkt aan alternatieve oplossingen om te voldoen aan de behoefte aan elektriciteitstransport transportvraag van klanten.

Oplossingsrichtingen waaraan gewerkt zijn onder andere: WINDNIEUWS - NR.4 2019

10 - het benutten van flexibiliteit van klanten, zodat pieken worden afgezwakt - het lokaal matchen van vraag en aanbod zodat minder transport nodig is - de inzet van opslag of de conversie naar waterstof - het gebruik van de reserve transportruimte in net voor duurzame energie En er zijn ook innovatieve oplossingen, die zich richten op spanningsregelingen bij windturbines en zonne-installaties.

De analogie van blindvermogen met het schuim van bier De onderstaande figuur maakt duidelijk dat alleen actieve energie, het werkelijk vermogen, zinvol is (het bier). Het blindvermogen wordt niet omgezet in zinvolle energie (het schuim). Als we het bier en het schuim bij elkaar optellen krijgen we de minimale grootte van het glas. In de energie­ techniek geldt: tellen we het werkelijk vermogen en het blind­vermogen bij elkaar op, dan krijgen we de minimale benodigde capaciteit van de elektrische infrastructuur. Hoe meer blindvermogen, hoe meer koper-, transformator- en aansluitcapaciteit er nodig is.

Hierbij wordt gebruik gemaakt van de technische mogelijkheden van de omvormers, die alle zonne-installaties en de meeste windturbines sowieso al hebben om te koppelen aan de 50 Hz van het elek­triciteitsnet. Op die manier wordt blind­vermogen ingezet om de spanning op het net naar wens aan te passen.

Spanningsregeling met blindvermogen Het lijkt voor de hand te liggen en het is ook niet nieuw: als je wilt dat de spanning niet te hoog oploopt pas je een span­ningsregeling toe. Reeds geruime tijd worden spanningsregelingen daarom in de hoogspanningsnetten en bij grote conventionele draaiende opwek toegepast. In het net van de regionale netbeheerder zijn ook reeds mechanische spanningsregelaars actief.

Wat relatief nieuw is, is dat ook kleinere opwekkers de mogelijkheid bezit­ten een spanningsregeling in te stellen en dat deze ook nuttig ingezet kan voor het regelen van de spanning in het net, waardoor investeringen in het net uitgesteld en zelfs voorkomen kunnen worden.

De regelingen zijn onderdeel van de omvormer en zijn elektronisch, snel, en slijten niet. Dankzij bestaande Duitse en Europese standaardisatie (NEN-EN 50549) en recente Europese regelgeving (RfG 2016/631) zijn vanaf begin dit jaar de spanningsregelmogelijkheden verregaand standaard en zelfs verplicht aanwezig in de grotere omvormers en systemen die op middenspanning invoeden.

Met de mogelijkheden van een elektronische omvormer zijn diverse soorten WINDNIEUWS - NR.4 2019

spanningsregelingen te activeren. Spanning kan grofweg geregeld worden op twee manieren: 1. Door het opgewekte vermogen te variëren. Hierbij regel je het opgewekte vermogen af naarmate de spanning stijgt. Oftewel door minder op te wekken, daalt de spanning in het net.

2. Door het aandeel blindvermogen te regelen. Het aardige van blindvermogen is dat dit nauwelijks invloed heeft op je opgewekte energie, terwijl dat met het regelen van reëel vermogen wel het geval is.

Wat is dat blindvermogen nu eigenlijk?

Blindvermogen (ook wel reactief vermogen genoemd) is het natuurkundig verschijnsel dat vrijwel altijd optreedt bij het gebruik en transport van wisselstroom. In natuurkundige zin wordt blindvermogen gebruikt om het magnetisme in stand te houden van bijvoorbeeld transformatoren, motoren, voorschakelapparatuur, LED-lampen en ook alle vermogenselektronica zoals voedingen en omvormers.

Deze energie wordt over het algemeen niet als wenselijk gezien, omdat deze niet gebruikt wordt voor de functies,

die we meestal beogen (zoals licht (lamp), mecha­nische energie (motor), warmte of koeling. In het bovenstaande kader staat het fenomeen blindvermogen uitgelegd naar analogie van een glas bier.

Het net moet zowel het werkelijke (actieve) vermogen als het blindvermogen transporteren en beide vermogens hebben daarmee ook invloed op de spanning in het net. Door het blindvermogen te regelen, kan het net ontlast worden, dan wel de spanning worden geregeld.

Door het blindvermogen te regelen, kan gezorgd worden dan het net alleen met actief vermogen wordt belast. De vrijgemaakte capaciteit kan worden gebruikt voor het overbrengen van actieve energie (‘het bier’ ), dus meer duurzame opwek.

Zonne- en windinstallaties kunnen het net ondersteunen De omvormers van zonne- en windin­ stal­laties kunnen dus de netbeheerder helpen met het ondersteunen van het net door de spanning mee te regelen.

De meeste omvormers van de hui­ dige opwekkers hebben namelijk de functio­naliteit in huis om een blind­ vermogensregeling toe te passen.

Of anders kan dit bij het ontwerp

11

Het net onder spanning Het elektriciteitsnet staat onder spanning in een dubbele betekenis. Niet alleen is de drukte, oftewel de capaciteit (stroom of vermogen) een knelpunt, maar vormt ook de spanning in het net een probleem. De netbeheerders leveren een vastgestelde spanning aan de aangeslotenen op het elektriciteitsnet (van consumenten tot en met opwekkers).

Zo komt bij aansluitingen op het laagspanningsnet, zoals huishoudens, ongeveer 230 Volt uit het stopcontact. Deze spanning moet aan normen voldoen, zoals vastgelegd is in onder andere de Netcode. Zo mag het spanningsniveau maar rond de 10 procent afwijken. Uit het stopcontact komt dus een spanning tussen de 207 en de 253 Volt.

Door de introductie en de verdere groei van decentrale opwek stijgt de spanning echter, met name bij voort­ varende wind of een onbewolkte dag. Steeds vaker komt het voor dat tijdens pieksituaties de spanning boven de toegestane grenzen dreigt te komen. Zie de figuur hiernaast voor een verdere uitleg.

De traditionele oplossing hiervoor is, net als bij tekort aan capaciteit, ook het verzwaren van het net, oftewel de aanleg van dikkere kabels. En dan komt wederom de problematiek naar voren: de aanleg van zwaardere netten duurt regelmatig langer dan gewenst en afgesproken. De netbeheerders moeten daarom steeds vaker nee of uitstel verkopen bij de aanvraag van een aansluiting vanwege te hoge spanning die zal gaan ontstaan.

Enkele dagen per jaar De te hoge spanning zal doorgaans alleen optreden bij een gelijktijdigheid van lage vraag naar elektriciteit en lokaal veel opwek door zon en bij stevige wind. Ook kan een te hoge spanning voorkomen tijdens storing of onderhoud in het net (ca. 1x per 4 jaar). Uiteindelijk komt de te hoge spanning dus hooguit enkele tientallen uren per jaar voor.

Invloed van vraag en opwek op spanning in net, met (blauwe) bandbreedte van toegestane spanning

E

en te hoge spanning in het net en bij de aangeslotenen is ongewenst vanwege mogelijke schade aan componenten, apparaten en installaties van bedrijven en consumenten. En ook bij een te lage spanning kan apparaat minder goed functioneren, zoals verlichting zal minder fel branden.

Van oudsher zijn de netten zo opgebouwd dat de spanning niet te laag zal worden. De spanning in het net wordt namelijk lager als er elektriciteit wordt afgenomen van het net. En tot voor kort kwam er eigenlijk alleen elektriciteitsafname voor in de distributienetten.

Het is de vraag of voor deze beperkte hoeveelheid uren per jaar het maatschappelijk gezien wenselijk is om het net structureel uit te breiden. Dit betekent namelijk dat er grote investeringen gedaan moeten worden ten behoeve van een relatief geringe meeropbrengst van duurzame energie (omdat het slechts zelden optreedt).

In het Clean Energy Package van de Europese Unie wordt dit fenomeen onderkend en in Nederland ook door het ministerie van EZK. In Duitsland, maar ook in andere landen, zijn reeds mechanismen bedacht in regelgeving om deze onevenredige (net) investeringen te voorkomen. Ook zon- en windinstallaties houden in hun ontwerp al steeds meer rekening hiermee. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het lager dimensioneren van het omvormervermogen ten opzichte van het piekvermogen van een generator.

WINDNIEUWS - NR.4 2019

12 meegenomen worden. Door het bij het ontwerp direct mee te nemen, kan er ook voor gezorgd worden dat het regelen van het blindvermogen impact heeft op het actieve vermogen dat opgewekt wordt.

In de figuur hiernaast is te zien, dat door bij de keuze en dimensionering van de omvormer al rekening te houden met het blindvermogen, geen actief vermogen afgeregeld hoeft te worden.

Deze dimensionering betaalt zich uit, omdat anders minder of helemaal geen actief vermogen aan het net zou kunnen worden geleverd, tenzij een ander netwerkaansluitpunt en locatie wordt gekozen of gewacht wordt op de net­ verzwaring.

Voorlopige conclusie Leveren of opnemen van reactief vermogen via omvormers kan een belang-

Het benodigde blindvermogen wordt opgewekt in de omvormer bovenop het actieve vermogen. De complexe som is het schijnvermogen; het is bepalend voor het omvormer ontwerp.

Bron: https://www.sma.de/en/partners/knowledgebase/sma-shifts-the-phase.html

rijke stap zijn voor de kosten-efficiënte integratie van meer duurzame opwek in het bestaande net, en het is daarmee ook aantrekkelijk voor netbeheerders.

Omvormers zijn door hun mogelijk­he­ den zeer geschikt om dit te doen en worden tegenwoordig in de meeste opwek installaties (zon, wind) toegepast. Met deze zogenaamde blindstroom compensatie kan de spanning geregeld worden, meestal effectief genoeg om binnen de spanningsgrenzen te blijven. Soms is de blindstroomcompensatie niet voldoende, maar dan kan er eventueel ook nog voor gekozen worden om ook tijdelijk het actief vermogen terug te regelen.

Dit lijkt acceptabel als de economische winst ervan groter of gelijk is aan het verlies aan inkomsten door de opwek­ reductie.

Hoe werkt het in praktijk ?

Voorbeeld spanningsregeling De voorgestelde regeling wordt geactiveerd door instellingen in de omvormer of clustercontroller te wijzigen. In deze regeling wordt eerst geregeld met blindvermogen (Q) en als dat niet voldoende effect heeft op de spanning wordt het reële vermogen (P) geregeld. Zie een regelschema van een Q(U) en P(U) regelaar in de onderstaande figuur. De regelingen worden eenmalig ingesteld middels de setpoints (1), (2) en (3).

De regeling is na instelling van de setpoints actief (alert). De Q(U) regeling grijpt in als de spanning boven VthQ (1) komt en regelt tot -Qmax (2).

Mocht het blindvermogen niet voldoende effect hebben op de spanning, kan met P(U) setpoint (3) eventueel daarna ook nog geregeld worden met het actieve (werkzame) vermogen. In bovenstaande figuur regelt P(U) het opgewekte vermogen naar nul voordat de maximale spanning is bereikt.

De Q(U) setpoints moeten ingesteld kunnen worden op aangeven van de netbeheerder, de P(U) setpoints zijn niet verplicht.

Bron: Qirion

WINDNIEUWS - NR.4 2019

De eerste modelleringen, labtests en praktijktests van de spanningsregeling met blindvermogen zijn succesvol uit­ ge­voerd in het project ‘Power Quality in Control’, een door TKI (Topconsortia voor Kennis & Innovatie) gesubsidieerde samen­werking tussen Qirion, Liander, DNV-GL, TUe en Kenter. In dit project is de spannings­regeling zoals in het voorbeeld toegepast.

Het is nu zaak om in de praktijk te gaan bewijzen dat het inderdaad goed functioneert. Ook bij meerdere opwek­ installaties tegelijk in één net. Er worden op dit moment proeven uitgevoerd met meerdere opwek­installaties om de werking te toetsen, daarbij wordt ook gekeken of de blind­vermogensregeling gestan­daardiseerd kan worden voor opwekinstallaties in Nederland.