Regelungstechnik in der elektrischen Energieversorgung
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Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik<br />
Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht<br />
Anwendungsfach<br />
„<strong>Regelungstechnik</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong><br />
<strong>Energieversorgung</strong>“<br />
Dipl.-Ing. F. Gutekunst<br />
Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik<br />
Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)<br />
12. Juli 2013
Regelungstechnische Aufgaben im<br />
Netz<br />
2
Frequenzsynchrone Verbundnetze im<br />
Netzgebiet <strong>der</strong> ENTSO-E<br />
ENTSO-E RG CE<br />
(Regional Group Cont<strong>in</strong>ental Europe)<br />
weitere synchron<br />
angeschlossene Teilnetze<br />
Kont<strong>in</strong>entaleuropäisches<br />
Verbundsystem<br />
(frequenzsynchron)<br />
ENTSO-E RG NORDIC<br />
(Regional Group Nordic)<br />
ENTSO-E RG BALTIC<br />
(Regional Group Baltic)<br />
Inselnetze<br />
(teilweise mittels HGÜs an<br />
Verbundnetze gekoppelt)<br />
TR<br />
Quelle: www.entsoe.eu<br />
3
Frequenz f [Hz]<br />
Frequenzmessung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Türkei am 29.09.2010<br />
49,97<br />
49,96<br />
49,95<br />
49,94<br />
49,93<br />
49,92<br />
49,91<br />
49,9<br />
49,89<br />
Türkei,Diyarbakir<br />
20:06:20 20:06:25 20:06:30 20:06:35 20:06:40 20:06:45 20:06:50 20:06:55<br />
Zeit t [hh:mm:ss] UTC<br />
4
RMS Spannungssignal [V]<br />
RMS Spannungsmessungen – Stuttgart<br />
260<br />
Spannungsverlauf <strong>in</strong> Stuttgart, Deutschland<br />
56 o N<br />
250<br />
54 o N<br />
240<br />
230<br />
52 o N<br />
220<br />
50 o N<br />
210<br />
48 o N<br />
Stuttgart<br />
200<br />
190<br />
46 o N<br />
6 o E 8 o E<br />
10 o E 12 o E 14 o E 16 o E<br />
180<br />
10/10 10/11 10/12 10/13 10/14 10/15 10/16 10/17<br />
Datum [Monat/Tag]<br />
Frequenz und Spannung s<strong>in</strong>d dynamische Größen und müssen <strong>in</strong><br />
gewissen Grenz gehalten werden<br />
• Messung <strong>in</strong> Stuttgart: Relativ konstante Spannung<br />
• Ger<strong>in</strong>ge Schwankung des Tagesmittelwertes<br />
5
Regelungstechnische Aufgaben im Netz<br />
• Im Kont<strong>in</strong>entaleuropäischen Verbundsystem beträgt die Sollfrequenz f soll = 50 Hz<br />
• Die Netzfrequenz f ist e<strong>in</strong> Indikator für das Leistungsgleichgewicht<br />
• Bei konstanter Netzfrequenz<br />
Erzeugung und Verbrauch im Gleichgewicht<br />
• Steigt die Netzfrequenz<br />
Erzeugung ist GRÖSSER als Verbrauch<br />
• S<strong>in</strong>kt die Netzfrequenz<br />
Erzeugung ist KLEINER als Verbrauch<br />
Leistungs-/Frequenzregelung<br />
• Leistungstransporte und Netzdynamik wirken sich zudem auf die Spannungen<br />
auf den verschiedenen Netzebenen aus<br />
Spannungs-/Bl<strong>in</strong>dleistungsregelung<br />
6
Messtechnische Aufgaben im Netz<br />
7
Messanlage<br />
Verbundnetzweites Messsystem des IFK<br />
Aktuelle Messstandorte<br />
TAM<br />
Türkei<br />
ENTSO-E RG CE<br />
8
Modellierung und Regelung von<br />
Kraftwerken / Erzeugungsanlagen<br />
9
Dampferzeuger – Modellierung und Regelung<br />
Frischlüfter<br />
Brennstoff-zufuhr<br />
c O<br />
2<br />
m R<br />
w 4<br />
R<br />
Dp<br />
F<br />
w 3<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
w 2<br />
m L<br />
m B<br />
L B<br />
L<br />
p D<br />
ZÜ 2<br />
ZÜ 1<br />
ÜH 3<br />
ÜH 2<br />
470°<br />
C<br />
ÜH<br />
1<br />
m W<br />
Elektrofilter<br />
Saugzuggebläse<br />
270°<br />
C<br />
HD-<br />
Vorwärmerkette<br />
580°<br />
C<br />
555°<br />
C<br />
496°<br />
C<br />
ÜH2<br />
w 6<br />
VD<br />
w 8<br />
m E3<br />
w 7<br />
m E2<br />
R<br />
m E1<br />
ECO<br />
D<br />
p ÜH1<br />
ÜH1<br />
R<br />
h ÜH1<br />
50<br />
bar<br />
R<br />
51<br />
bar<br />
260<br />
bar<br />
R<br />
R<br />
R<br />
w 5<br />
f<br />
f Soll - 100<br />
<br />
m T<br />
HD<br />
MD/<br />
ND<br />
m Ent<br />
30°<br />
C<br />
Speisewasserbehälter<br />
R<br />
0,044<br />
bar<br />
P G,Ziel<br />
w 1<br />
G<br />
P G<br />
Kondensator<br />
Kondensatpumpe<br />
ND-<br />
Vorwärmerkette<br />
Schnittstelle<br />
Kraftwerk - Netz<br />
Begrenzung<br />
10
Alles nur fossil?<br />
Regelungskonzept e<strong>in</strong>es CSP - Kraftwerks<br />
11
Erneuerbare Energien<br />
12
Leistung [GW]<br />
Stromerzeugung aus W<strong>in</strong>d und Solar <strong>in</strong><br />
Deutschland im März 2011<br />
30<br />
28<br />
26<br />
24<br />
22<br />
20<br />
E<strong>in</strong>speisung<br />
PV<br />
W<strong>in</strong>d<br />
Summe<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31<br />
Tag<br />
• W<strong>in</strong>dkraft : Installierte Leistung Ende 2010 > 27 GW<br />
• Photovoltaik: Installierte Leistung Ende 2010 > 17 GW<br />
13
Leistung [GW]<br />
Zukünftige Stromerzeugung<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Kraftwerkse<strong>in</strong>satz im Jahr 2022<br />
-10<br />
26.03/22 27.03 28.03 29.03 30.03 31.03 01.04<br />
Datum<br />
• Beispiel: Kraftwerkse<strong>in</strong>satz im März 2022<br />
• Auswirkungen auf die Kraftwerke<br />
Braunkohle<br />
Ste<strong>in</strong>kohle<br />
Erdgas GuD<br />
Pumpspeicher<br />
W<strong>in</strong>d<br />
Solar<br />
Wasser<br />
Biomasse<br />
Gesamtlast<br />
Residuallast
Heutige Anfor<strong>der</strong>ungen an fossile<br />
Kraftwerksblöcke<br />
<br />
<br />
*<br />
% G<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20.03.2004<br />
0:00 12:00 24:00 Uhrzeit<br />
P 15<br />
• Früher: Meist konstante Erzeugung über den ganzen Tag<br />
• Heute: Meist mehrere Lastwechselvorgänge über den gesamten<br />
Leistungsbereich im Laufe e<strong>in</strong>es Tages
Leistung [GW]<br />
Zukünftige Stromerzeugung<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Kraftwerkse<strong>in</strong>satz im Jahr 2022<br />
-10<br />
26.03/22 27.03 28.03 29.03 30.03 31.03 01.04<br />
Datum<br />
• Beispiel: Kraftwerkse<strong>in</strong>satz im März 2022<br />
• Auswirkungen auf die Kraftwerke<br />
• Auswirkungen auf das Übertragungsnetz<br />
• Betrachtung von Netzengpässen zwischen 20 Regionen<br />
Braunkohle<br />
Ste<strong>in</strong>kohle<br />
Erdgas GuD<br />
Pumpspeicher<br />
W<strong>in</strong>d<br />
Solar<br />
Wasser<br />
Biomasse<br />
Gesamtlast<br />
Residuallast
PTDF basierte Engpassbetrachtung<br />
Lastflüsse <strong>in</strong> MW bei Schwachw<strong>in</strong>d / hoher PV-E<strong>in</strong>speisung<br />
(26. März 2022, 13:20)<br />
Lastflüsse <strong>in</strong> MW bei Starkw<strong>in</strong>d / ger<strong>in</strong>ger PV-E<strong>in</strong>speisung<br />
(31. März 2022, 7:25)<br />
482<br />
449<br />
527<br />
218<br />
606<br />
101<br />
430<br />
965<br />
1802 3522<br />
646<br />
537<br />
659<br />
218<br />
238<br />
581<br />
1121<br />
776 203<br />
160<br />
162<br />
277<br />
782<br />
288<br />
1118<br />
1168<br />
469 125 874<br />
1097<br />
242<br />
770<br />
854<br />
1169<br />
278<br />
582<br />
864<br />
1199<br />
1300<br />
2663<br />
208<br />
129<br />
115<br />
243<br />
2497<br />
1198<br />
2645 1289<br />
703<br />
345<br />
440<br />
1386<br />
547<br />
230<br />
3696 3154<br />
716<br />
4553<br />
1891<br />
2618<br />
386<br />
2934<br />
3062<br />
328<br />
6172<br />
1226<br />
149<br />
3943<br />
1152<br />
1725<br />
375<br />
1615<br />
1060<br />
277<br />
1547<br />
412<br />
2346<br />
262<br />
176 655<br />
283<br />
1021<br />
1052<br />
105<br />
1386<br />
17
Anwendungsfach<br />
18
Überblick <strong>der</strong> Pflicht- und Wahlmodule<br />
Pflichtmodul (6 LP):<br />
Regelung von Kraftwerken und Netzen (Gutekunst, IFK)<br />
Wahlmodule (6LP):<br />
Elektrische Energienetze I (Tenbohlen,IEH)<br />
Energie- und Umwelttechnik (Scheffknecht, IFK)<br />
Energiesysteme I (Voß, IER)<br />
Grundlagen <strong>der</strong> thermischen Strömungsmasch<strong>in</strong>en (Mayer, ITSM)<br />
Grundlagen W<strong>in</strong>denergie (Lange, SWE)<br />
Hydraulische Strömungsmasch<strong>in</strong>en <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wasserkraft (Riedelbauch, IHS)<br />
Photovoltaik I (Werner, IPE)<br />
19
Im Rahmen des Anwendungsfachs<br />
Exkursion:<br />
Besichtigung:<br />
Netzleitwarte <strong>der</strong> TransnetBW GmbH <strong>in</strong><br />
Wendl<strong>in</strong>gen, <strong>in</strong>kl. Besichtigung des Umspannwerks<br />
Heizkraftwerk des Campus Vaih<strong>in</strong>gen<br />
Gastvorlesungen (Vorträge <strong>der</strong> letzten Jahre):<br />
S. Wachtel (GE) –<br />
Netz<strong>in</strong>tegration von W<strong>in</strong>denergie<br />
K. Wendelberger (Siemens PG) –<br />
Verfahrens- und <strong>Regelungstechnik</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Kraftwerks-Leittechnik<br />
W. Satt<strong>in</strong>ger (Swissgrid) –<br />
Netzbetrieb im Zentrum Europas<br />
T. Benz (ABB) –<br />
Hochspannungsgleichstromübertragung – Grundlagen und Anwendung<br />
H. Maier (enolcon) –<br />
Regelungstechnische Herausfor<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong> CSP-Kraftwerken<br />
20
Anwendungsfach: „<strong>Regelungstechnik</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>elektrischen</strong> <strong>Energieversorgung</strong>“<br />
Kontakt:<br />
Dipl.-Ing. Florian Gutekunst<br />
Tel.: 0711 685-65580<br />
E-Mail: florian.gutekunst@ifk.uni-stuttgart.de<br />
21
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