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Einfluss reduzierter rotierender Masse auf den Netzbetrieb

Projektstatus
Begonnen
Wie wirkt es sich auf den Netzbetrieb aus, wenn die Schwungmasse von großen Generatoren wegfallen? Im Bild: ein luftgekühlter Generator, der bis zu 350 MVA liefert.
Bild: Siemens

Die elektrische Energieversorgung in Deutschland wird immer mehr durch erneuerbare Energieerzeugungsanlagen geprägt. Diesen wird eine gesetzlich gesicherte, vorrangige Einspeisung zugesprochen, was eine Verdrängung von konventionellen Kraftwerken zur Folge hat. Dadurch ändert sich neben der geographischen Verteilung der Erzeugungszentren und den damit verbundenen Leistungsflüssen auch die Netzdynamik.

Im Gegensatz zu den Synchrongeneratoren der zumeist fossil befeuerten Kraftwerke, sind erneuerbare Erzeuger oft nicht frequenzsynchron am Netz angeschlossen. Insbesondere die Einspeisung der dezentralen Photovoltaik- und Windkraftanlagen, erfolgt mittels Umrichtertechnik. Daraus resultiert ein Wegfall von synchron am Netz rotierender Masse und damit einhergehend eine Abnahme der Momentanreserve. Diese Reserve beschreibt die Rotationsenergie, welche in der am Netz rotierenden Masse gespeichert ist. Sie wird im Falle eines Leistungsdefizites zwischen Erzeugung und Verbrauch in elektrische Energie umgewandelt. Bei einem Leistungsüberschuss wird wiederum elektrische Energie in Rotationsenergie überführt. Die Momentanreserve dient der schnellen Frequenzstützung und hat erheblichen Einfluss auf die Netzstabilität.

Ein weiterer Faktor für die Netzstabilität ist das Spannungsverhalten, welches lokal über die Bereitstellung von positiver beziehungsweise negativer Blindleistung geregelt wird. Besonders die dynamische Spannungsregelung im transienten Bereich erfolgt derzeit mittels Synchrongeneratoren, sodass bei zunehmender Verdrängung ebendieser ein deutlicher Einfluss auf die Gewährleistung der Spannungsstabilität zu erwarten ist.

Den Einfluss reduzierter Schwungmassen auf das Netz identifizieren

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist eine detaillierte Analyse der Auswirkungen reduzierter rotierender Masse auf die Netzstabilität im deutschen Regelblock. Die Forscher beziehen dabei das gesamte frequenzsynchrone kontinentaleuropäische Verbundsystem mit ein. Schwerpunkte des Forschungsvorhabens sind die Auswirkungen auf das Frequenz- und Spannungsverhalten sowie die Entwicklung und Analyse verschiedener Lösungsansätze. Hierbei ist insbesondere die Frage zu klären, inwiefern das Frequenz- und Spannungsverhalten durch die neuen Technologien beeinflusst wird, und wie diese zur Gewährleistung der Netzstabilität beitragen können. Die Ergebnisse sollen den Übertragungsnetzbetreibern mögliche, zukünftige Problemfelder sowie potentielle Lösungsvorschläge aufzeigen und als Grundlage für zukünftig notwendige Entwicklungen, Anforderungen und Lösungen für einen stabilen Netzbetrieb dienen.

Dazu untersuchen die Ingenieure zunächst anhand eines detaillierten Modells des kontinentaleuropäischen Verbundsystems, mit welchen Veränderungen im Netzdynamikverhalten aufgrund des Wegfalls von Schwungmasse im deutschen Regelblock zu rechnen ist und welchen Einfluss das auf die Netzstabilität hat. Zu diesem Zweck wählen sie charakteristische Netznutzungsfälle aus und erstellen verschiedene Zukunftsszenarien für die Entwicklung erneuerbarer und konventioneller Einspeisung. Die Szenarien werden an bestehende Studien zur Netzentwicklung angelehnt und mit den vier deutschen Übertragungsnetzbetreibern abgestimmt. 

Die Abbildung zeigt die Höchstspannungsleitungen eines Simulationsmodells des europäischen Verbundsystems. Dieses bildet derzeit mehr als 1.000 Kraftwerksblöcke, 4.000 dynamische Verbraucherzentren, ca. 13.000 Übertragungsleitungen, 900 Transformatoren sowie ca. 1.000 summarische Windparks knotenscharf ab.

In einem weiteren Schritt entwickeln sie neuartige Regelungen und Techniken zur Frequenz- und Spannungsstützung, die das verbundnetzweite Dynamikmodell ergänzen. Insbesondere die Beiträge von über Umrichter angeschlossene Windkraftanlagen sowie die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) analysieren und bewerten die Wissenschaftler. Zur Analyse erarbeiten sie aussagekräftige Kriterien zur Auswertung des transienten Frequenz- und Spannungsverhaltens. Hierzu zählen kritische Grenzwerte für Frequenzamplituden und -schwingungen sowie für maximal zulässige transiente Spannungsabweichungen. Außerdem legen sie einen Fokus auf die Frequenzänderungsgeschwindigkeit (ROCOF). Durch ausgewählte Systemanregungen zeigen sie Problemfelder auf und analysieren bestehende Lösungsansätze. Gegebenenfalls entwickeln sie auch neue Lösungsansätze.

Das Forschungsprojekt ist im Januar 2015 gestartet und wird über die gesamte Projektlaufzeit mit den deutschen Übertragungsnetzbetreibern, die als assoziierte Partner fungieren, abgestimmt. Dazu sind als erste Meilensteine für Mitte und Ende 2015 Diskussionsrunden angesetzt, aus denen Konzepte für sinnvolle Szenarien hervorgehen sollen. Ferner ist auf der Hälfte der Projektlaufzeit ein Workshop geplant, der dazu dienen soll die Zwischenergebnisse mit Vertretern aus verschiedenen Bereichen der Energietechnik zu diskutieren. 

Projektlaufzeit

01/2015 - 12/2017

Kontakt

Michael van der Straeten
Pfaffenwaldring 23
70569 Stuttgart
+49 711 685-65584
+49 711 685-63491

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

Basisinformationen

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