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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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Bewertung der Struktur

Bewertung der Struktur elektrischer Übertragungsnetze Evaluating the Structure of Electrical Transmission Networks Dipl.-Ing. Christian Krane christian.krane@iaew.rwth-aachen.de 1 Einleitung 1.1 Motivation Der Anteil dargebotsabhängiger Erzeugungsanlagen ist infolge der im Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) [1] festgelegten Anschlusspflicht für derartige Erzeugungsanlagen und der garantierten Vergütung für die in diesen Anlagen erzeugte Leistung in den letzten Jahren stark gestiegen. Maßgeblichen Anteil an dieser Entwicklung hat die Windenergie (Bild 1), deren Anteil aufgrund der geplanten Offshore-Windparks zukünftig deutlich steigen wird. Daraus resultieren sowohl mittelfristige Unsicherheiten hinsichtlich der installierten Leistung in Windenergieanlagen (WEA) als auch kurzfristige Unsicherheiten durch deren Dargebotsabhängigkeit. Die Berücksichtigung der genannten Unsicherheiten würde unter Beibehaltung bislang üblicher Planungsgrundsätze (d. h. Netzauslegung anhand deterministischer worst-case-Szenarien [2]) einen deutlichen Anstieg der Netzkosten aufgrund zusätzlich notwendiger Ausbaumaßnahmen bewirken. Daher gewinnt die Frage nach der notwendigen, an die Anforderungen der Netznutzer angepassten Qualität der Netze zunehmend an Bedeutung. Sowohl eine zu hohe Netzqualität (z. B. durch die Festlegung maximaler FORSCHUNGSPROJEKTE Erhöhte Unsicherheiten bei der Netznutzung der in den letzten Jahren stark zunehmenden dargebotsabhängigen Erzeugungsanlagen bewirken eine Zunahme möglicher Netznutzungsszenarien mit der Konsequenz, dass bisher übliche Verfahren zur Planung von Übertragungsnetzen aufgrund der (n-1)-sicheren Auslegung für alle denkbaren Netznutzungszustände zu wirtschaftlich nicht optimalen Ausbauentscheidungen führen können. Daher stellt sich für die Übertragungsnetzbetreiber gerade im Hinblick auf die beginnende Regulierung und dem damit verbundenen erhöhten Kostendruck die Frage, inwiefern die bestehenden Netze derzeit und in Zukunft die an sie gestellten Anforderungen erfüllen und wie diese Erfüllung anhand von Bewertungskenngrößen beschrieben werden kann. In dieser Forschungsarbeit sollen objektive Kenngrößen zur Bewertung der Struktur elektrischer Übertragungsnetze ermittelt werden, die den Vergleich unterschiedlicher Netzausbauvarianten sowie den Quervergleich unterschiedlicher Netze erlauben. Increased uncertainties in terms of the utilization of the power grid by wind turbines lead to a huge variety of scenerios regarding the utilization of the power grid. The consequence is that the common planning process for transmission networks using the (n-1)-criteria for all scenarios of utilization of the power grid may yield unreasonable decisions regarding the upgrading of the power grid. These decisions in the planning process increase the capital costs of the power grid. Since expected regulation of the German electricity market is increasing cost pressure on the grid operators, the grid operators want to know whether the existing grids meet the requirements and how the fulfilment of these requirements can be described by key figures. In this study objective key figures will be identified to evaluate the quality of the network structure of transmission networks. Netznutzungsentgelte) als auch eine zu geringe Netzqualität (z. B. durch Pönalen) kann Kosten für den Netzbetreiber bedeuten. 4 Installierte WEA-Leistung Zubau GW kummuliert 2 1 0 1996 1998 2000 2002 2004 2006 0 0 1996 1998 2000 2002 2004 2006 0 Jahr 24 GW 12 Bild 1: Entwicklung der installierten WEA-Leistung in Deutschland 1.2 Qualität Grundsätzlich kann die Qualität einer Einheit als der Erfüllungsgrad der Anforderungen verstanden werden. Während der Erfüllungsgrad der Anforderungen der an die Verteilungsnetze angeschlossenen Netznutzer mittels probabilistischer Zuverlässigkeitsanalysen bestimmt werden kann, ist dies auf der Übertragungs- IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 79 6

FORSCHUNGSPROJEKTE ebene aufgrund der vielseitigeren Anforderungen an die Übertragungsnetze unzureichend [3]. Zur Objektivierung der Qualität von Übertragungsnetzen wird eine weitgehend separate Bewertung des Komponentenzustandes und der Netzstruktur durchgeführt. Die Bewertung des Komponentenzustandes umfasst dabei alle Faktoren, die Einfluss auf die Erfüllung der Anforderungen der betrachteten Komponente haben. Hier gibt es bereits vielfältige Bewertungsmethoden (z. B. [4]). Die Bewertung der Netzstruktur beantwortet die Frage, wie gut das System als Ganzes (d. h. das Zusammenwirken aller Netzkomponenten) die Anforderungen erfüllt. Für diese Fragestellung existiert bislang kein systematischer Ansatz. 1.3 Ziel der Arbeit In dieser Forschungsarbeit sollen objektive Kenngrößen zur Bewertung der Struktur elektrischer Übertragungsnetze ermittelt werden, die den Vergleich unterschiedlicher Netzausbauvarianten sowie den Quervergleich unterschiedlicher Netze unter Berücksichtigung der erwähnten Unsicherheiten erlauben. 2 Analyse 2.1 Betrachteter Systembereich Elektrische Übertragungsnetze dienen dem weiträumigen Transport von elektrischer Energie. Diese Funktion übernehmen im UCTE-Verbund stark vermascht und redundant ausgelegte Höchstspannungsnetze mit Nennspannungen von 380 kV bzw. 220 kV. Die Transportfunktion unterlagerter Hochspannungsnetze mit Nennspannungen von z. B. in Deutschland 110 kV ist regional stark begrenzt. Sie werden daher in dieser Arbeit nicht betrachtet (Bild 2). Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Bewertung der Netzstruktur. Unterdimensionierungen von Netzanschlüssen, die häufig nicht im Verantwortungsbereich der Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) liegen, sollen nicht bewertet werden. Daher wird die Umspannebene zwischen Höchstspannung und Hochspannung nicht berücksichtigt. Der Betrachtungsbereich endet an der letzten Übergabestation, die redundant, d. h. über mindestens zwei Trassen, in das Übertragungsnetz eingebunden ist. Nachbarnetz Verteilungsnetz Systemgrenze Übertragungsnetz (220/380 kV) Bild 2: Abgrenzung des Systembereichs 2.2 Systemsicherheit Einspeisung ~ Industrienetz Die ÜNB unterscheiden nach planungsrelevanten und nicht planungsrelevanten Ausfällen [2]. Planungsrelevante Ausfälle sind der Einfachausfall einer Leitung, eines Transformators oder eines Kraftwerksblocks. Nicht planungsrelevante Ausfälle sind der Common- Mode-Ausfall (Ausfall mehrer Stromkreise eines Freileitungsgestänges aufgrund einer gemeinsamen Ursache), der Sammelschienenausfall und der stochastische Mehrfachausfall. Die Systemsicherheit ist gewährleistet, solange Grenzwertverletzungen (GWV) infolge planungsrelevanter Ausfälle vermieden werden. Vorübergehende GWV infolge nicht planungsrelevanter Ausfälle werden akzeptiert, da bei derart schwerwiegenden Ausfällen die großräumige Netzübertragungsfunktion oft nur durch Nutzung der Redundanzen benachbarter Übertragungsnetze aufrechterhalten werden kann. Relevante GWV aus Sicht der ÜNB sind die Verletzung der Spannungsgrenzen, der statischen oder transienten Stabilität, der Kurzschlussnebenbedingungen und die Verletzung der Strombelastungsgrenzen der Betriebsmittel, da es infolge dieser GWV zu Folgeauslösungen und zum Teil großflächigen Versorgungsunterbrechungen bis hin zum Zusammenbruch des Netzes kommen kann. 2.3 Mögliche Bewertungskenngrößen Der Betriebszustand eines Übertragungsnetzes kann anhand eines Betriebsdiagramms dargestellt werden. Wesentliches Kriterium zur Unterscheidung der Betriebszustände ist dabei die Beurteilung der Systemsicherheit [5]. Die Gewährleistung der Systemsicherheit ist die wichtigste Aufgabe der ÜNB zur Erfüllung der Anforderungen der an die Übertragungsnetze angeschlossenen Netznutzer und das zentrale Kriterium zur Bewertung der Netzstruktur. In Analogie zum Betriebsdiagramm elektrischer Übertragungsnetze wird daher auch für die 80 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

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