Betriebliche Spannungshaltung im Übertragungsnetz unter Berücksichtigung von Unsicherheit

Knittel, Markus; Moser, Albert (Thesis advisor); Rehtanz, Christian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung führt aufgrund ihrer Dargebotsabhängigkeit zu einem Anstieg der Unsicherheit im Energieversorgungssystem und wirkt sich somit signifikant auf die betriebliche Spannungshaltung im Übertragungsnetz aus. Für das zukünftige Blindleistungskompensationsportfolio müssen somit Betriebskonzepte entwickelt werden, die eine Beherrschung der zunehmenden Unsicherheit ermöglichen. Grundlegend bestehen dazu zwei verschiedene Ansätze. Zum einen können bei der vorausschauenden Planung des Kompensationseinsatzes die Vorhaltung flexibler Blindleistungspotentiale priorisiert sowie zusätzliche Sicherheitsmargen für die betrieblichen Spannungsgrenzen geschaffen werden. Zum anderen können Automatisierungskonzepte eingesetzt werden, welche den Blindleistungseinsatz adaptiv für die eintretenden Netzzustände im Echtzeitbetrieb anpassen. Aus diesen Ansätzen werden im Rahmen dieser Arbeit drei verschiedene Konzepte entwickelt. Zwei dieser Konzepte basieren auf einer zentralen Spannungs-Blindleistungsoptimierung (ORPF). Im ersten Konzept wird diese im Time-Coupled-ORPF (TC-ORPF) zur vorausschauenden Bestimmung von paretooptimalen Fahrplänen für Kompensationsanlagen während der Betriebsplanung unter Berücksichtigung zeitlicher Kopplungen angewandt. Dahingegen wird die Optimierung durch den Closed-Loop-ORPF (CL-ORPF) im zweiten Konzept automatisiert, was zu einer direkten Umsetzung von Arbeitspunktanpassungen im Echtzeitbetrieb führt. Als drittes Konzept werden Schaltautomatiken für mechanisch geschaltete Kompensationsanlagen angewandt. Diese müssen während der Betriebsplanung für die erwartete Netzsituation ausgelegt werden und bewirken im Echtzeitbetrieb Schaltungen von Drosselspulen oder Kondensatorbänken in Abhängigkeit der lokalen Knotenspannung. Zur Validierung der entwickelten Konzepte wurden diese exemplarisch für unsicherheitsbehaftete Erzeugungszeitreihen simuliert. Im Vergleich zu konstanten Arbeitspunkten der Kompensations-anlagen und ihrer lokalen Regelungen konnte das Risiko für das Auftreten von Spannungsband-verletzungen in allen Konzepten signifikant abgesenkt werden. Die robustesten Ergebnisse wurden dabei durch den TC-ORPF erzielt, während die Ergebnisqualität des CL-ORPF und der Automatiken eine deutliche Abhängigkeit von den betrachteten Netzzuständen aufweist. Die Ergebnisqualität des CL-ORPF steigt dabei mit ansteigender Verfügbarkeit von Blindleistungspotentialen dezentraler Anlagen. Dahingegen führt ein sinkender Anteil geregelter Kompensationsanlagen im Übertragungsnetz zu zusätzlichen Einschränkungen bei der Anwendung von Schaltautomatiken, da Ein- und Ausschaltschwellen mit höherem Abstand zur Sollspannung gewählt werden müssen. Eine Kombination der Konzepte zu einem Gesamtkonzept ist dabei grundsätzlich möglich, da die im TC-ORPF abgeleiteten Fahrpläne während des Echtzeitbetriebs durch die Nutzung von CL-ORPF oder Schaltautomatiken adaptiv angepasst werden können.

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