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Planungsgrundsätze für erweiterte Stabilitätsbetrachtungen im europäischen Stromversorgungsnetz

Projektstatus
Begonnen

Mit der Neuauflage des Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG) von 2012 wurde der Ausbau erneuerbarer Energiewandlungseinheiten weiter forciert. Die zeitliche und räumliche Inhomogenität der Einspeisung aus den Erneuerbaren Energien führt zu einem erhöhten Bedarf an Leistungstransportkapazitäten und mithin an Netzkapazitäten. Zur Identifizierung dafür notwendiger Netzausbaumaßnahmen werden überwiegend stationäre Leistungsflussanalysen herangezogen, die schwerpunktmäßig den Leistungstransport unter Berücksichtigung stationärer Grenzwerte für Strom und Spannung untersuchen.

P-V-Kurve für den (N-0), (N-1) und (N-2)-Fall bei einer statischen P-Lastcharakteristik
P-V-Kurve für den (N-0), (N-1) und (N-2)-Fall bei einer statischen P-Lastcharakteristik
© RWTH Aachen University

Die Berücksichtigung von Stabilitätsaspekten erfolgt hierbei auf Basis bestehender Planungsgrundsätze zu (n-1) und ausgewählten (n-2) Untersuchungen in „kritischen“ Netznutzungsfällen, deren Identifikation auf langjährigen Betriebserfahrungen beruht. Die Eignung eines derartigen Vorgehens unter Berücksichtigung der voranschreitenden Umstrukturierung der Energieversorgungssysteme muss jedoch hinterfragt werden. Die mit der Umstrukturierung einhergehende Substitution konventioneller Stromerzeuger durch umrichterbasierte, dezentrale Erzeugungseinheiten sowie die Zunahme weiträumiger Leistungsflüsse lässt erwarten, dass Stabilitätsaspekte wie die Spannungsstabilität zukünftig eine höhere Signifikanz sowohl in der Netzplanung als auch in der Netzbetriebsführung erlangen. Die Überprüfung bestehender Planungsgrundsätze ist daher von zentraler Bedeutung, um mit bisherigen Planungsansätzen kaum absehbaren infrastrukturellen Fehlallokationen frühzeitig vorzubeugen und damit ein zügiges Voranschreiten der Energiewende nicht zu gefährden.

Blindleistungsbereitstellung für stabile Netze

Schematische Darstellung der Stabilitätsgrenzen
Schematische Darstellung der Stabilitätsgrenzen des Zustandsraums für den (N-0), einen (N-1) und (N-2)-Fall mit einem gegebenen Arbeitspunk (AP) und den Sicherheitsmargen
© RWTH Aachen University

Eine zentrale Problemstellung stellt der Blindleistungshaushalt der Netze dar. Die steigende Auslastung bestehender Übertragungsleitungen sowie großräumige Leistungstransite resultieren zunehmend in einem Hochstrombetrieb, der eine steigende dynamische Blindleistungsbereitstellung erfordert. Gleichzeitig ist bisher wenig darüber bekannt, welche Auswirkungen derartige Betriebsweisen auf die Spannungsstabilität ausüben, bzw. wo genau die Betriebsgrenzen der bestehenden Übertragungsnetze liegen. Hieran knüpft sich die Frage an, welche Robustheit das Übertragungsnetz zukünftig aufweisen soll. So führen beispielsweise ökologisch motivierte Maßnahmen wie die Infrastrukturbündelung zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für den gleichzeitigen Ausfall großer Transportleistungen.

Im Fall eines Ausfalls mehrerer der geplanten HGÜ Verbindungen in Deutschland könnte dies zu einer Grenzbelastung des umliegenden Drehstrom-(AC)-Netzes führen, deren stabiler Betrieb ein Vielfaches der normalen Blindleistungsbereitstellung erfordert. Dementsprechend ist zu prüfen, welche Menge an statischer wie auch dynamischer Blindleistungsbereitstellung für die zu beherrschenden Netzsituationen und unter Berücksichtigung notwendiger Sicherheitsmargen erforderlich ist. Dieser zentrale Aspekt ist derzeit nicht umfassend berücksichtigt und erfordert eine grundlegende Überprüfung der bestehenden Netzplanungsgrundsätze.

Die Ziele dieser Studie im Einzelnen:

  • Eine Bewertung von Kaskadeneffekten zur Entstehung von Spannungszusammenbrüchen in hybriden Netzen, unter Berücksichtigung der dabei relevanten Zeitbereiche wurde in der ersten Phase des Projekts abgeschlossen, um die Modellanforderungen und relevanten Komponenten zu definieren. Hieraus entstanden zwei Modellansätze: Einmal ein stationäres Modell für die Analyse der Langzeit-Spannungsstabilität und ein zweites Modell zur Simulation dynamischer Zeitbereichsvorgänge für die Kurzzeit-Spannungsstabilität.
  • Simulation und Analyse der Spannungsstabilität in hybriden Netzstrukturen unter Berücksichtigung großer Leistungstransite und (n-1) bzw. ausgewählter (n-2)-Fehler. Die Spannungsstabilität wird für den „Postfault“-Zustand des Systems in stationären Analysen zu untersucht. Dabei gilt es zu klären, welche Probleme nach heutigen Richtlinien bzw. Netzanschlussbedingungen zu erwarten sind. Hierzu wurden im Rahmen des Projekts bereits Methoden entwickelt, mit denen die Systemstabilität bewertet und der Abstand eines gegebenen Arbeitspunktes zur nächstgelegenen Stabilitätsgrenze quantifiziert werden kann. Zudem wurde eine Methode entwickelt, um relevante (N-k)-Fälle zu ermitteln, die einen großen Einfluss auf die Systemstabilität haben können.
  • Neben den stationären Untersuchungen werden die dynamischen Anforderungen an die Blindleistungsbereitstellung auf Basis ausgewählter dynamischer Simulationen und definierter Fehlerfälle im Zeitbereich ermittelt. Die Auswahl relevanter Fehlerfälle erfolgt durch die zuvor erwähnten Methoden zur Ermittlung kritischer (N-k)-Fälle. Erste dynamische Simulationen zeigen bereits die erhöhten Anforderungen an die dynamische Blindleistungsbereitstellung bei vermehrtem Einsatz von Umrichter-Technologien in Form von HGÜ, Erzeugern oder Lasten.
  • Insbesondere im Zusammenhang mit den dynamischen Anforderungen in Abhängigkeit unterschiedlicher Durchdringungsraten und Betriebsweisen neuer Energiewandlungstechnologien im Hinblick auf eine verbesserte Blindleistungsbereitstellung und Spannungsstabilität geprüft. Erste Sensitivitätsanalysen wurden im Rahmen des Projektes bereits durchgeführt.
  • Auf Grundlage der unterschiedlichen Durchdringungen werden Sicherheitsmargen identifiziert, die einzuhalten sind, um einen sicheren Betrieb gewährleisten zu können.

Zuletzt gilt es Untersuchung und Weiterentwicklung bestehender Konzepte zu systemstabilisierenden Maßnahmen („Defense-Plänen“) bei schweren Fehlern durchzuführen. Erste Konzepte für einen effektiven Lastabwurf als Defense-Maßnahme wurden entwickelt und befinden sich zurzeit im Test.

Planungsgrundsätze erweitern

Schematische Darstellung der iterativen Methode zur Ermittlung der nächstgelegenen Stabilitätsgrenze
Schematische Darstellung der iterativen Methode zur Ermittlung der nächstgelegenen Stabilitätsgrenze
© RWTH Aachen University

Auf Basis der ermittelten Ergebnisse werden abschließend mögliche Anpassungen bzw. Erweiterungen bestehender Planungsgrundsätze geprüft. Hierunter fallen beispielsweise die Anpassung von Sicherheitsmargen oder weiterführende Netzanalysen in der Netzplanung oder Betriebsführung. Ebenso ist eine Anpassung vorzuhaltender Systemdienstleistungen in Abhängigkeit der Netzsituation sowie eine Anpassung technischer Anschlussbedingungen und von Defense-Plänen möglich. Letzteres zielt dabei auf eine Reduzierung von Auswirkungen unter Großstörungen ab. Dies betrifft konkret die Bewertung von Steuerungsmöglichkeiten zur Verhinderung von Kaskadeneffekten und Netzzusammenbrüchen.

Der Übertragungsnetzbetreiber Amprion unterstützt als assoziierter Partner die gesamte Forschungsarbeit und berät hinsichtlich der späteren praktischen Anwendbarkeit der Methoden und Ergebnisse.

Projektlaufzeit

07/2015 - 12/2017

Kontakt

Dipl.-Ing. Moritz Mittelstaedt
Institut für Hochspannungstechnik, Nachhaltige Übertragungssysteme, Teamleiter Systemstabilität
RWTH Aachen University
Schinkelstraße 2, Raum SG 105
52056 Aachen
Germany
+49 241 80-94781
+49 241 80-92135

Forschungsförderung

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

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