75 Jahre Elektrotechnik Fachhochschule Frankfurt am Main

Fachhochschule Frankfurt am Main –

University of Applied Sciences

02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 1Sta

nd

: Ja

nu

ar

20

09

75 Jahre Elektrotechnik

Fachhochschule Frankfurt am Main

Vortrag zur Festveranstaltung

am 2. Dezember 2011

Walter Kühn, Prof. Dr.-Ing.

Elektrische Netze der Energieversorgung im

Zeichen des Energiewende




nd

: Ja

nu

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Zeichen des Energiewandels

Inhalt

Ziele

Erzeugungsmix

Zukunktsfähige Netze

Smart Grid EnT und IKT Technologies

Engpasssimulation für Netzausbau

Übertragungssysteme und Windpark Anschluss

Risiken




nd

: Ja

nu

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Erzeugungsmix

Offshore und Onshore

Windenergie

Dezentrale Erzeugung

durch PV, Wind und KWK

Kohle- und GuD-Kraftwerke

Gasturbinen- und

Wasserkraftwerke

Beschluss des Bundestags:

39 % Erneuerbare Energien in D bis 2020Anforderungen an den

Erzeugungsmix

Versorgungssicherheit

Wirtschaftlichkeit

Umweltverträglichkeit

Systemzuverlässigkeit

neuer Konzepte, Anlagen

und Systeme




nd

: Ja

nu

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Versorgungssicherheit?

Ausbau des Netzes für

Nord-Süd-Transfer

Bau von Energiespeichern

in Norwegen

Anbindung des Nordic

Netzes

Im weiteren Schritt: Bau

eines Nordsee-DC Netzes

System-Zuverlässigkeit?

Sicherstellen der Funktions-

tüchtigkeit

neuer Anlagen und

Systeme

im Netzverbund

durch Echtzeitsimulationen

Anforderungen an zukünftige Netze




nd

: Ja

nu

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Netzausbau -

europaweite Planung

ENTSOs – European Network

Transmission Systems Operators

Keine nur regionale oder nationale

Angelegenheit

Quelle: Amprion, Berlin 9.3.2011

Erzeugung Verbrauch

Spannung

Frequenz

TYNDP = Ten year network development plan

National und Europäisch – ÜNB erstellen NEP




nd

: Ja

nu

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LElektrische Netze der Energieversorgung im


Presentation

at IEEE conference

in Seattle 2009

Zukünftige Einspeisesituation

Hierfür braucht man

Smart Grid IKT

und Smart Grid EnT




nd

: Ja

nu

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Smart Grid IKT-Technologies



Erzeuger

zentralErzeuger dezentral

inkl. SDL

Netzleittechnik – SCADA Übertragung und Verteilung

Wärme u. Strom/ – technisch und kommerziell

Groß-

speicher Übertragung

und Verteilung

Verbraucher inkl.

Plug-in EV

Preis- und anreiz-

basierter Bezug, bzw.

Lieferung

Zustandsschätzung

AMI Advanced Measure-

ment Infrastructure




nd

: Ja

nu

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Offshore Windparks in D

Endausbau 25 GW

Nordsee Windfarm Cluster:

Borwin, Dolwin, Helwin, Sylwin

Borwin 1 400 MW

Borwin 2 800 MW

Dowin 1 800 MW

Dolwin 2 900 MW

Helwin 1 576 MW

total 3476 MW

bis 2015



© ABB Group

OWP = offshore wind power




nd

: Ja

nu

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Turbine & Generator AC Offshore Grid Controls HVDC Controls AC Grid Controls plus Overall Coordinating Controls

Netzanschluss eines Offshore Windparks



33 kVac690 Vac 155 kVac +150 kVdc

380 kVac

80 x 5 MW

400 MW




nd

: Ja

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Übertragungssysteme

Drehstrom- oder Gleichstromübertragung?

Freileitungsfernübertragung: ab ca. 500 km HGÜ

Seekabel- und Erdkabelübertragung:

ab ca. 60 km HGÜ

Verbindung asynchroner Netze: HGÜ

HVDC Classic – 6000 MW / + 800 kVdc

Line Commutated Converter LCC (netzgeführte SR)

HVDC Light/PLUS – 1000 MW / + 320 kVdc

Self Commutated Converter SCC (selbstgeführte SR)




nd

: Ja

nu

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Erde

Pluspol

Minuspol

AC Filterkreise

DC Filter

DC Leitung

12 Puls Stromrichter

mit Thyristoren

StromrichtertransformatorDrehstromleitung

HGÜ klassisch – Bipol

Idc

Idc

Glättungsdrosselspule

N

E

T

Z

1

N

E

T

Z

2




nd

: Ja

nu

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HGÜ klassisch – Current Sourced Converter

Einsatzbereiche: Übertragungsentfernung und

Übertragungsleistung sehr groß

Isolationsanforderungen an Komponenten sehr hoch

Stromrichtertransformatoren mit Gleichspannungs- und

Wechselspannungsbelastung

Hohe Anforderungen an Filterung auf AC und DC Seite

Blindleistungskompensation und Spannungsregelung

sehr aufwändig und technisch äußerst komplex

Firewallwirkung, wenn gut verstanden, ansonsten große

Probleme bei Parallelbetrieb mit AC Leitungen




nd

: Ja

nu

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© ABB Group

800 kV Ventilhalle in Fengxian UHVDC station




nd

: Ja

nu

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HGÜ klassisch – Betriebseigenschaften

Leistungsumkehr durch Spannungsumkehr Isolation

Resonanzgefahr zwischen Filterkreisen und

Netzreaktanz

Gefahr der Spannungsinstabilität

Gefahr des Spannungszusammenbruchs bei

schleichenden Vorgängen Blackout

Häufig zu geringe Beachtung netzschwächender

Einflüsse

VDCOL und Event-triggered Power Order Reduction

funktioniert nicht immer Automatic Voltage Stabilizer




nd

: Ja

nu

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HGÜ Light/PLUS Voltage Sourced Converter

Kondensatoren

Normale Drehstrom-

transformatoren

IGBTs mit

antiparallelen Dioden

hochgetaktet mit

PWM

FilterkreiseDC Leitung




nd

: Ja

nu

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HGÜ Light/PLUS Voltage Sourced Converter

Einsatzbereiche und Betriebseigenschaften

Fernübertragung bei moderaten Entfernungen und Leistungen

Kurzkupplungen - Verbindung asynchroner Netze

Seekabelanschluss von Wind Parks

Offshore-Stromversorgung von Ölplattformen –

Inselnetzfähig, schwarzstartfähig

Kontinuierliche Blindleistungs- und Spannungsregelung

Sowohl Bezug als auch Lieferung von Blindleistung

Durch hohe Taktung gut filterbare Oberschwingungen

Nahezu perfekte Sinusform




nd

: Ja

nu

ar

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HGÜ Light - Betriebseigenschaften

Firewall-Wirkung

Gut regelbar durch Entkopplung von P- und Q-Regelung

Auch bei geringer Wirkleistung Blindleistungslieferung

Leistungsumkehr durch Stromrichtungswechsel

Keine erhöhten Ventilverluste wie bei HGÜ classic bei

90 Grad-Betrieb

Durch schnelle Regelung auch Gefahr der Instabilität

Abhilfe Automatic Transmission Angle Stabilizer




nd

: Ja

nu

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Simulation

4 Stabilitätsgrenzen

- Thermisch

- Spannung

- Winkel

- Transient

HVDC

Transmission

2000 MW

PMU/WAMS

slack

1

2

3097 MW

3

81%A

MW

4

85%A

MW

119%A

Amps

900 MW

81%A

MW

5

-7.94 Deg

-97.94 Deg

© Power World Simulator

Überlast-Szenario beim Übergang von Nuklear auf Wind

downloads_ab_Nov_23_2011/Offshore_Windfarm_1_AC.pwb




nd

: Ja

nu

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slack

1

2

2100 MW

3

A

MW

4

A

MW

A

Amps

1900 MW

A

MW

5

-4.28 Deg

-59.36 Deg



Simulation

4 Stabilitätsgrenzen

- Thermisch

- Spannung

- Winkel

- Transient

HVDC

Transmission

2000 MW

PMU/WAMS

© Power World Simulator

Überlast-Szenario beim Übergang von Nuklear auf Wind

downloads_ab_Nov_23_2011/Offshore_Windfarm_1_AC.pwb




nd

: Ja

nu

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Stability Enhancement and Blackout Prevention by

VSC Based HVDC






nd

: Ja

nu

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„Automatic Voltage and

Transmission

Angle Stabilizer“

Europäische Patentanmeldung

10 715 2134

USA Patentanmeldung

13/269,734

Smart Grid EnT-

Technologies




nd

: Ja

nu

ar

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Vergleichende Untersuchungen zur Vermeidung

von Spannungsinstabilität

bei klassischer HGÜ




nd

: Ja

nu

ar

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SmarTS Lab at KTH StockholmEmulate Power System using

OPAL-RT eMegaSim Simulator

GPS Synchronized

Measurement Devices

Virtual

Devices




nd

: Ja

nu

ar

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FACTS Flexible AC Transmission Systems

TCR Thyristor Controlled Reactor parallel zur

Kondensatorbatterie

Nachteil TCR: nur spannungsstablisierend im

Arbeitsbereich, an der Grenze plötzlicher

Spannungszusammenbruch

HGÜ + FACTS = Smart Grid EnT-Technologies

- flexibel regel- und steuerbar






nd

: Ja

nu

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• Vollumfängliches Verstehen der komplexen

Zusammmenhänge und Wechselwirkungen

• Schwierig durch Unstetigkeiten an Betriebsgrenzen

• Gegenwärtig gibt es keinen State Estimator unter Einschluss

von HGÜ und deren Regelung -> Entwicklungsbedarf

• Hier in Frankfurt ist eine Keimzelle „ein Team von vier

Ingenieuren unter meiner Führung“

• Machen Sie davon Gebrauch!

Voraussetzung zum Einsatz von

Smart Grid EnT Technologien:




nd

: Ja

nu

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Abschlussbetrachtung

Angesichts der Komplexität, der Erstmaligkeit und der

immensen Bedeutung für die Deutsche Wirtschaft:

Risiken minimieren I

Simulation auf einem Echtzeitsimulator (z.B. RTDS

oder OPAL)

einschließlich der Windparks und aller

Regeleinrichtungen

Entscheidung für ein DC Netz nur nach Sicherstellen

der Funktionsfähigkeit




nd

: Ja

nu

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Risiken minimieren - II

Sicherstellen der fachtechnischen Bearbeitungs-

kapazität des Generalunternehmers und von

Unterlieferanten

Sicherstellen des Knowhows und der

Bearbeitungskapazität der Projektmannschaften

Sicherstellen der Lieferfähigkeit vor Auftragserteilung

Transparenz schaffen durch Audits

Erreichen der gesetzten Ziele

damit aus der Wende keine Halse wird




nd

: Ja

nu

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bElektrische Netze der Energieversorgung im


© ABB Group

Solare Energie aus Wüstengebieten„90 percent of people live within 2700 km of a desert“

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