HOCHSPANNUNGSGLEICHSTROMÜBERTRAGUNG · symposium vernetzte energieforschung...

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SYMPOSIUM VERNETZTE ENERGIEFORSCHUNG HOCHSPANNUNGSGLEICHSTROMÜBERTRAGUNG – DIE EFFEKTIVE ENERGIEÜBERTRAGUNG FÜR DIE ENERGIEWENDE Prof. Dr.-Ing. Mark Bakran

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SYMPOSIUM VERNETZTE ENERGIEFORSCHUNG

HOCHSPANNUNGSGLEICHSTROMÜBERTRAGUNG – DIE EFFEKTIVE ENERGIEÜBERTRAGUNG FÜR DIE ENERGIEWENDE

Prof. Dr.-Ing. Mark Bakran

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Vernetzte Energieforschung und

Energieforschung für das Netz

DC AC

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Historie – The Battle of Currents

Die Erfindung des Transformators und die Möglichkeit der Hochspannungsübertragung war der

Grund für den Sieg von Tesla/Westinghouse über Edison

Damit war der "Battle of Currents" Ende des 19. Jahrhunderts zugunsten von Wechselstrom

entschieden

George Westinghouse 1846-1914

Nikola Tesla 1856 - 1943

Thomas A. Edison 1847 - 1931

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Heute – Übertragung mit HVDC ist die zukunfstweisende Energieübertragung

Die neuen Randbedingungen

1. Die Anforderungen an das Übertragungsnetz haben sich geändert

- Einbindung von regenerativen Energieerzeugern (Wind und Solar) im großen Stil

- Auswirkung:

- Stark fluktuierende Energieerzeugung mit Einspeisezwang

- Energie wird räumlich und zeitlich nicht passend zum Verbrauch erzeugt

und in unteren Spannungsebenen zur Verfügung gestellt

- Konsequenzen:

- Massive Erhöhung der Übertragungsentfernungen

- Bedarf an schnellem Leistungsausgleich

- Bedarf an stabilisierenden Netzelemente

- Bedarf an effizienterer Übertragung und Kopplung

2. Die Entwicklung der Leistungselektronik ermöglicht den "DC-Transformator"

(der eigentliche Schwerpunkt der Forschungsarbeit)

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Räumliche Konsequenzen der Energiewende

Total capacity of renewables (End 2000)

Wind energy

PV

Biomass

The circle diameter is proportional

to the electrical capacity

~ 30,000 installations

Sources: 50HertzT, TenneT, Amprion, TransnetBW, ENTSO-E

~ 221,000 installations

Total capacity of renewables (End 2005)

~ 750,000 installations

Total capacity of renewables (End 2010)

~ 1.300.000 installations

Total capacity of renewables (End 2012)

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Zeitliche Konsequenzen der Energiewende - Wind

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1000

2000

3000

4000

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6000

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8.1

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6:0

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MW

Wind Power Generation at 50Hertz from 23/12/2011 - 08/01/2012

Gradienten > 800MW innerhalb von 15 minutes ;

> 2,400MW in einer Stunde

~2/3 des Maximalwertes innerhalb eines Tages (> 7,500 MW)

Source: Dobbeni / ENTSO-E

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Zeitliche Konsequenzen der Energiewende – Beispiel Nebel

Source: Dobbeni / ENTSO-E

- Nicht prognostizierter Nebel führt zu einem "kurzfristigen" Mangel von 8,000 MW an solarer Leistungserzeugung

0

5

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3. Apr. 4. Apr. 5. Apr. 6. Apr.

Day-ahead forecast Final ID-forecast Real-time projection Open positions

GW 8 GW

Nur eine großräumige Leistungsübertragung kann eine effektive Lösung bieten

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Konsequenzen der Energiewende für das Übertragungsnetz

Die Energiewende braucht ein effizienteres Übertragungsnetz höchster Leistungsfähigkeit

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der Übergang zu DC - Vorteile

Vergleich des Mastbildes einer 3000MW Trasse a) AC b) DC (Quelle: Siemens)

• Um 30-50% reduzierte Übertragungsverluste

• Übertragungsentfernung auch mit Kabeln über 80km möglich

• Kontrollierter Leistungsfluss • Schutz zwischen Netzteilen

(Kurzschlussstrombegrenzung) • Regelbarer Energieaustausch

• Höhere Ausnutzung der

Übertragungskapazität

Die Übertragung mit DC bietet die bessere und ressourcenschonendere Lösung

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der Übergang zu DC - Herausforderungen

Traditionelle HVDC-Übertragung mit Thyristoren (Quelle: Siemens)

Moderne HVDC-Übertragung mit IGBTs (Quelle: Siemens)

Die HVDC Technologie hat sich in den letzten 10 Jahren massiv innoviert Sie bleibt jedoch eine Technologie für eine Punkt zu Punkt Übertragung

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der Übergang zu DC - Herausforderungen

DC-Grid Subsystem Test case nach CIGRE B4 (Quelle: CIGRE)

Für ein vermaschtes DC-Netz werden neue leistungselektronische Stellglieder benötigt

Cd-E1

Cb-C2

Ba-A0

Ba-B0

Cb-D1

DC Sym. Monopole DC Bipole AC Onshore

AC Offshore

Cable

Overhead line

AC-DC Converter

Station

DC-DC Converter

Station

DCS1

200

200

200

50

300

200

200

400 500

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300

200 200

200

200

200

100

200

100

200

DCS2

DCS3

Ba-A1

Bm-A1

Bb-A1

Cm-A1

Cb-A1 Bb-C2

Bo-C2

Bo-C1

Bm-C1 Cm-C1

Bb-D1

Bb-E1 Bb-B4

Bb-B2

Bb-B1 Bb-B1s

Bm-B2

Bm-B3 Bm-B5 Bm-F1

Bm-E1

Cm-B2

Cm-B3

Cm-E1

Cm-F1

Bo-D1

Bo-E1

Bo-F1

Cd-B1

Cb-B2

Cb-B1

Ba-B1

Ba-B2

Ba-B3

Es fehlen heute für ein DC-Netz - DC-DC Wandler für hohe

Spannungen und Leistungen z.B. 300 auf 500kV mit 1-3GW

- DC-AC Wandler für kleine Leistungen z.B. für den Abgriff einer Teilleistung

- DC-Schalter zum Freischalten von Fehlern

- DC-Längsspannungsquellen zur Steuerung des Leistungsflusses

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der DC - Transformator

Es wird ein leistungselektronischer Wandler gesucht, der mit besserem Wirkungsgrad und geringerem Aufwand arbeitet

Die Kopplung zwischen DC-Netzen muss nach heutigen Stand realisiert werden durch eine zweistufige Wandlung, Konsequenz: - Der DC-Transformator ist aufwändig - Der Wirkungsgrad ist begrenzt

DC-AC AC-DC

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der DC - Spartransformator

Der entwickelte DC-DC Wandler bietet eine energieeffiziente Möglichkeit zur Verkopplung innerhalb von vermaschten DC-Netzen

DC

-DC

AC

-DC

DC

-AC

In dem Projekt wurde eine alternative Schaltungstopologie entwickelt: - Der DC-Spartransformator führt nur einen Teil der

Leistung über eine doppelte Wandlung

- Der Wirkungsgrad ist gegenüber konventionellen Schaltungen erhöht

- Der Bauelementaufwand ist im Idealfall auf 50% reduziert

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der DC - Spartransformator

Der entwickelte DC-DC Wandler vermindert Verluste und Aufwand

Vergleich der übertragbaren zur installierten Leistung Konventionell vs. DC-Spartransformator (n: Übersetzungsverhältnis)

Vergleich der Verluste Konventionell vs. DC-Spartransformator (n: Übersetzungsverhältnis)

1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

PD

C=P

DC

;max

n

MMC F2F DC-DC Konverter

MMC DC-DC Spart ransformator

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 30

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

PL=P

L;n

om

n

MMC F2F DC-DC Konverter

MMC DC-DC Spart ransformator

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Der DC - Spartransformator

Entscheidend in der Energieübertragung ist immer die Verfügbarkeit Neue Schaltungen müssen auf die Beherrschung von Fehlerfällen hin entwickelt werden

UDC,Ia

IDC,I

Konver

ter

IK

onver

ter

II

UDC,I

UDC,II = 0

IDC,II

+

-

+

-

UDC,IIa

IDC,I

Konver

ter

IK

onver

ter

II

UDC,I = 0

UDC,II

IDC,II

+

-

+

-

Fehler auf der Unterspannungsseite Fehler auf der Oberspannungsseite

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Die Anbindung von Windparks an das DC - Netz

Die Anbindung von Offshore Windparks benötigt heute eine vielstufige Energieumwandlung Reduktion von Wandlungsschritten bietet Potenzial im Wirkungsgrad

AC-LVDC LVDC-LVAC LVAC-MVAC MVAC-HVAC HVAC-HVDC HVDC-HVAC

𝜂 ≈ 92%

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Weitere Schaltungskonzepte für DC-Netze

Das Arbeitsgebiet "Leistungselektronik für DC-Netze" bietet große Chance für die Energieversorgung der Zukunft und noch ein erhebliches technisches Potenzial

In dem Projekt werden weitere Konzepte untersucht, z.B.: - Die transformatorlose Anbindung von

Windkraftanlagen

- Die schaltungstechnische Kombination aus DC-Schalter und Lastflussregelung

- Schaltungen mit Redundanzbetrieb

...

UDC,I

...

UDC,II

Neuartige Schaltungskonzepte zur transformatorlosen Anbindung von Windkraftanlagen an DC-Mittelspannung

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Hochspannungsgleichstromübertragung

Zusammenfassung

- HVDC-Übertragung und ein zukünftiges DC-Netz ist die Basis für eine effiziente Energieversorgung

- Leistungselektronik ist das entscheidende Stellglied

- Neue Aufgaben erfordern neue Lösungen

- Neue leistungselektronische Lösungen bieten neues Potenzial

Source: IEEE T&D Committee

Die Leistungsübertragung mit DC zeigt ein enormes Wachstum Innovative Lösungen sind der Schlüssel dazu

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Projekt

Die Arbeiten in dem Projekt werden durchgeführt in

Kooperation mit Siemens Sector Energy in Erlangen und mit

Förderung durch das BMU als Teilprojekt innerhalb ACCESS2Grid (FKZ 0325663)

www.zet.uni-bayreuth.de

Vielen Dank

Prof. Dr.-Ing. Mark-M. Bakran