Bestimmung von PQ-Kapabilitäten als Schnittstelle zwischen Betreibern vermaschter Netze auf der Übertragungs- und Verteilernetzebene. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das historisch gewachsene elektrische Energieversorgungssystem steht im Rahmen der Energiewende vor neuen Herausforderungen. Der Wandel in der Erzeugerlandschaft ist vielseitig und resultiert aus dem Ausbau von Erneuerbaren Energien (EE). So führt unter anderem deren Gestehung zur zunehmenden Unwirtschaftlichkeit und der damit einhergehenden Stilllegung von konventionellen Kraftwerken. Des Weiteren sind die EE-Anlagen überwiegend in den Verteilernetzebenen angeschlossen, wodurch es zu einer signifikanten Verlagerung der Einspeisung von den höheren Spannungsebenen in die unteren kommt. Gleichermaßen wandelt sich auch der Verbrauchssektor hinsichtlich neuer Akteure wie bspw. Elektrofahrzeuge oder flexible Lasten in den Verteilernetzebenen. Im Zuge dessen wird die Frage nach einer geeigneten Koordination zwischen den Netzbetreibern immer wichtiger. Deshalb befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Bestimmung von PQ-Kapabilitäten als Schnittstelle zwischen Betreibern vermaschter Netze auf der Übertragungs- und Verteilernetzebene. Dafür wird zunächst ein Konzept zur geeigneten Modellierung bzw. Darstellung mehrerer Netzverknüpfungspunkte (NVP) entworfen. Anschließend erfolgt auf Basis des Ansatzes der PQ-Kapabilität der Entwurf der Berechnungsmethode unter Einbeziehung von Sensitivitäten für die NVP-spezifische Abbildung der PQ-Kapabilitäten. Die Ergebnisse der numerischen Fallstudien zeigen, dass das entwickelte Verfahren eine Verbesserung hinsichtlich der Genauigkeit für die Schnittstelle in vermaschten Netzen mit mehreren NVP ermöglicht. Der vorgestellte Ansatz beinhaltet alle die an ihn gestellten Anforderungen, berücksichtigt die Wechselwirkungen in vermaschten Netzen und gewährleistet einen sicheren Netzbetrieb.
Präventive Optimierung einer kontinuierlichen DC-Spannungsregelcharakteristik für AC-HVDC-Systeme. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Der Ausbau von Erneuerbaren Energien Anlagen verursacht eine stärkere Auslastung des Übertragungsnetzes und erfordert den Transport der elektrischen Energie über große Distanzen zu den Verbraucherzentren. Für diese Aufgabe eignet sich die HGÜ-Technologie, welche beim Einsatz der VSC-Technologie den Aufbau eines vermaschten HVDC-Netzes ermöglicht. Für das so entstehende AC-HVDC-System müssen neue Systemführungskonzepte entwickelt werden, die auch beim Ausfall eines HVDC-Umrichters den sicheren Systembetrieb gewährleisten. Betriebsmittelausfälle innerhalb des DC-Systems verursachen Leistungsungleichgewichte, die durch eine lokale DC-Spannungsregelung mittels der eingesetzten Regelleistung kompensiert werden. Um durch den Regelleistungseinsatz keine Betriebsmittelgrenzen zu verletzten, muss eine koordinierte Parametrierung der DC-Spannungsregelung für alle Ausfallszenarien erfolgen. Ein neu entwickelter statischer DC-Leistungsfluss ermöglicht die Berechnung von Arbeitspunktabweichungen nach einem Umrichterausfall unter Verwendung von kontinuierlichen Regelungsfunktionen. Diese werden für die entwickelte Parametrierungsmethodik benötigt, um unter der Berücksichtigung der gegebenen Netzparameter und -restriktionen eine Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen im AC- sowie DC-System infolge der bereitgestellten Regelleistung zu gewährleisten.
Modellierung und Simulation elektrischer Phänomene in einer Power-Hardware-in-the-Loop Testumgebung. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Im Zuge der Energiewende wird eine Steigerung der Energieeffizienz und ein vermehrter Ausbau erneuerbarer Energien forciert, wodurch der Anteil leistungselektronischer Komponenten im elektrischen Gesamtsystem zunimmt. Die nichtlinearen Systemeigenschaften der an das Verbundsystem angeschlossenen Verbraucher und Erzeuger führen zu einer Veränderung des Gesamtsystemverhaltens, wodurch negative Auswirkungen auf die Stabilität und die Qualität der Spannung entstehen können. Das Forschungsprojekt VEREDELE untersucht die Auswirkungen dieser neu entstehenden Wechselwirkungen, um mögliche Herausforderungen frühzeitig zu erkennen und passende Lösungen zu entwickeln. Hierfür befindet sich ein Power-Hardware-in-the-Loop Versuchstand im Aufbau. Dieser besteht aus einem Echtzeitsimulationssystem für elektrische Netzmodelle sowie angeschlossener Power-Hardware zur Kopplung einzelner Betriebsmittel sowie kleinerer Netzstrukturen. Der Versuchsstand ermöglicht die Simulation praxisnaher Systemzustände mit unterschiedlichen Betriebsmitteln, elektrischen Arbeitspunkten sowie dynamischer Anregungen. In der vorliegenden Arbeit wurden Modelle erstellt, die es ermöglichen, beliebige Systemzustände und Arbeitspunkte, als Verlauf von Strom und Spannung am Anschlusspunkt, in einer Echtzeitsimulationsumgebung einzustellen und zu variieren. Die entwickelten Modelle bilden elektrische Phänomene nach, die in Verteilernetzen auftreten können. Die Modelle sind für Simulation in einer Power-Hardware-in-the-Loop Versuchsumgebung erstellt und validiert worden und eignen sich ebenso für die Softwaresimulation von Netzmodellen. Die Eigenschaften des Echtzeitsimulators limitieren die Nachbildung der elektrischen Phänomene von Strom und Spannung über gewisse Systemgrenzen hinaus. Die Kenntnis dieser Systemgrenzen ist eine Grundbedingung für eine genaue Analyse der mit diesem Versuchsaufbau durchgeführten Simulationen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden vorgestellt und angewandt, die eine Bewertung der Güte simulierter elektrischer Phänomene ermöglichen. Die Versuchsergebnisse der durchgeführten Simulationen zeigen, dass die elektrischen Phänomene individuell parametrierbar nachgebildet und als Anregung in den Prüfstand eingeprägt werden können. Die Erstellung der Signalkurven ist jedoch an die Simulationsschrittweite gebunden, wodurch die Genauigkeit in der Nachbildung höherer Frequenzen für Signale mit Oberwellen abnimmt. In einem Versuchsaufbau mit analoger Kopplung zwischen Software- und Hardwaresimulation sind Filter für die Reduzierung von Signalrauschen zu empfehlen.
Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen leistungselektronisch integrierten Netzelementen im Verteilernetz. - Ilmenau. - 149 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Aus den fortschreitenden Ausbau an erneuerbaren Energien resultierend, welche über leistungselektronische Komponenten, wie beispielsweise Umrichter, vor allem an das Verteilernetz angeschlossen sind, geht ein wegweißender Wandel in der Struktur der Energieerzeugung einher. Dies betriff vor allem die Energieübertragung in elektrischen Energienetzen, sodass eine Analyse von umrichterdominierten Verteilernetzen mit Hinsicht auf die Systemstabilität der Energienetze erforderlich ist. Hierbei besitzen Umrichter eine starke Wirkung auf die Systemstabilität, welcher vor allem durch deren Regelstruktur und deren Reglerparameter bestimmt wird. Als Ergebnis dieser Arbeit ist festzuhalten, dass die Systemstabilität im Kleinsignalbereich mit einer wachsenden Anzahl an Umrichtern in Form von einer Zunahme von Intranetzwechselwirkungen sinkt. Deren Einfluss übersteigt den Interferenzen von Netzelementen wie z.B. Leitern, Verbrauchern und Transformatoren wie auch unterschiedliche Netztopologien hinsichtlich der Systemstabilität. Daher bietet sich für die Stabilisierung eine Anpassung der Umrichterregelstruktur durch eine spannungsabhängige Zusatzsignalaufprägung zur Verbesserung der Systemeigenschaften bei Anregungen und Störungen an. Durch die Implementierung der Online-Anwendung wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Adjustierung mit der Konzentration auf die Dämpfungseigenschaften von Energienetzen zu deren Stabilisierung eröffnet. Für die allgemeingültige Funktionsweise des Stabilizers wurde die Korrelation des Systemverhaltens zwischen Anregungen im Klein- und Großsignalbereich für Intranetzwechsel-wirkungen simulativ als Nachweis erbracht. Basierend auf diesem Ergebnis wurde die Gültigkeit zur Anwendung des Stabilizers bei Klein- wie auch Großsignalanregungen, die je nach Netzsituation mit Hilfe einer Online-Parametrierung des Stabilizers mit Hinsicht auf die gewünschten Systemeigenschaften, aufgezeigt.
Realisierung von Umrichtermodellen und deren Untersuchung auf dynamisches Verhalten im Verteilernetz. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Mit dem Ziel der Energiewende tragen immer mehr erneuerbare Energie im Zusammenspiel mit den konventionellen Energieerzeugern zu einer dauerhaften und sicheren Stromversorgung bei. Zur Nutzung dieser erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie ist die moderne Leistungselektronik bzw. Stromrichter in Kombination mit intelligenter digitaler Steuerungstechnik notwendig. Der Einfluss auf die Stabilität und die Betriebsführung des zukünftigen Verteilernetzes wird dementsprechend stark zunehmen, immer mehr elektrische Leistung aus erneuerbaren Energiequelle wird durch Parallelschaltung von Stromrichtern in das Netz eingespeist werden. Um die Wechselwirkung zwischen den parallel geschalteten Stromrichtern zu untersuchen und damit die Stabilität des zukünftigen Netzes zu gewährleisten, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung eines Stromrichters am Beispiel eines Wechselrichters in MATLAB/Simulink. Nach dem Modellierungskonzept im elektrischen Energiesystem werden drei Wechselrichtermodelle, ein detailliertes Modell, ein Mittelwertmodell und ein Phasormodell, aufgebaut, damit das dynamische Verhalten des Parallelbetriebes der Wechselrichter unter verschiedenen Szenarien simuliert und mit einander verglichen werden können.
Entwicklung einer Methodik zur Bewertung und Optimierung bestehender und zukünftiger Standorte von Schwarzstarteinheiten. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Verantwortlichkeiten der Übertragungsnetzbetreiber umfassen die Wahrung der Versorgungs- und Systemsicherheit. Damit einhergehend obliegt es ihnen kleine Versorgungsunterbrechungen sowie großflächige Versorgungsstörungen zu vermeiden. Sie erbringen im Zuge dessen durch deren bedarfsgerechten Einsatz von Einzelprodukten die sogenannten Systemdienstleistungen. Die sich in Deutschland ändernde Erzeugungslandschaft stellt dabei die Netzbetreiber vor neue Herausforderungen. Die heutige deutsche elektrische Energieversorgung ist gekennzeichnet durch einen signifikanten Zubau an Erzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energien mit volatilen Einspeiseverhalten, wie z. B. Windkraft- oder Photovoltaikanlagen. Gleichzeitig resultiert aus verschiedenen Faktoren wie beispielsweise den klimapolitischen Zielen der deutschen Bundesregierung oder der bevorzugten Abnahme von Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien die Abschaltung und Stilllegung von konventionellen Kraftwerken. Als Folge des Rückgangs dieser plan- und steuerbaren Erzeugungsanlagen entsteht ein erhebliches Defizit an regelbarer bedarfsfolgender Erzeugung. Dies hat direkte Auswirkungen auf die bestehenden Konzepte der Netzbetriebsführung bis hin zum Netzwiederaufbau und erfordert deren Überdenken, um auch zukünftig den heutigen Status Quo erfüllen zu können. Im Falle überregionaler Großstörungen auf Übertragungsnetzebene müssen Konzepte existieren, die den Aufbau des Stromnetzes bis zur vollständigen Wiederversorgung der Endverbraucher regeln. Die Ultima Ratio des Netzwiederaufbaus basiert auf der Zuhilfenahme von Schwarzstarteinheiten, welche ihren Eigenbedarf bereitstellen und folglich das Anfahren ohne externe Spannungsvorgabe oder Leistungsbereitstellung ermöglichen können. Anschließend werden ausgehend von diesen Schwarzstarteinheiten Pfade zu den wieder zu versorgenden Kraftwerken aufgebaut, um einen sukzessiven Netzwiederaufbau zu realisieren. Die Position derartiger Schwarzstarteinheiten innerhalb einer Netzstruktur ist vornehmlich historisch bedingt. Durch die sich ändernde Erzeugungslandschaft bedarf es in Zukunft eine systematische Auswahl von Schwarzstarteinheiten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Entwicklung einer Bewertungsmethodik für bestehende Schwarzstarteinheiten in einem Stromnetz hinsichtlich ihres Nutzens und Potentials für den Netzwiederaufbau. Auf Basis dieser wird ein Optimierungsverfahren erarbeitet, welche Aussagen über die optimale Anzahl von Schwarzstarteinheiten sowie deren Platzierung in einem Übertragungsnetz trifft. Die Validierung der entworfenen Verfahren erfolgt anhand numerischer Fallstudien am Beispiel des Netzes der TenneT TSO GmbH, einem der vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber. Im Rahmen der Arbeit wird gezeigt, dass Schwarzstarteinheiten und ihre Zuordnung zu anzufahrenden Kraftwerken mit der erarbeiteten Bewertungsmatrix evaluiert werden können und welche Bewertungskriterien bei der Auswahl von Standorten für Schwarzstarteinheiten in einem Übertragungsnetz von Relevanz sind. Des Weiteren kann das entworfene Optimierungsverfahrens die optimale Platzierung der Schwarzstarteinheiten innerhalb einer gegebenen Übertragungsnetzstruktur hinsichtlich definierter Nebenbedingungen bestimmen und damit auch die optimale Anzahl dieser Einheiten ermitteln.
Beeinflussung von 110-kV-Systemen durch Gleich- und Wechselspannung höherer Spannungsebenen bei Parallelführung auf dem gleichen Mastsystem. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Durch eine kompakte Bauweise ist die Realisierung von Mehrfachleitungen unterschiedlicher Spannungssysteme und -ebenen auf einem Mastsystem eine wirtschaftliche, ökonomische und ökologisch sinnvolle Lösung. Die elektrische Beeinflussung der unterschiedlichen Spannungssysteme wird dabei meist nicht ausreichend betrachtet. In dieser Arbeit soll zunächst anhand eines realen Leitungsabschnittes mit Mehrfachleitungen untersucht werden, welche Beeinflussungen bei der Parallelführung von 380-kV und 110-kV-Freileitungen zu erwarten sind. Die messtechnisch festgestellten Beeinflussungen werden genutzt, um ein bestehendes Modell zu verifizieren. Auf Basis des verifizierten Modells wird anschließend theoretisch betrachtet, welche Beeinflussungen auf dem gleichen Leitungsabschnitt zu erwarten sind, wenn der Parallelführungsabschnitt durch eine Hochspannungsgleichstromleitung erweitert wird.
Methodische Erfassung von Eigenverbrauchsoptimierungs- und Energieflexibilisierungspotenzialen in der Industrie als Chance neuer Erlösmöglichkeiten für KMUs. - 126 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Aufgrund der Energiewende und dem damit verbundenen raschen Ausbau der volatilen erneuerbaren Energien befindet sich das Stromversorgungssystem im Umbruch. Für eine erfolgreiche Integration der erneuerbaren Energien gilt es eine Vielzahl von Herausforderung zu meistern. Dazu zählen die Steigerung der Energieeffizienz und die Flexibilisierung des Stromsystems. Produzierende Unternehmen können dafür einen wichtigen Beitrag leisten. Mit einem systemdienlichen Einsatz von erneuerbaren Eigenerzeugungsanlagen in Verbindung mit einem Speicher sowie der flexiblen Anpassung ihres Verbrauchs tragen sie maßgeblich zur Entlastung des Systems bei und können gleichzeitig ihre Energiekosten reduzieren. Allerdings stehen zahlreiche Hemmnisse einer raschen Ausschöpfung der vorhandenen Potenziale vor allem auf Ebene von kleinen und mittelständischen Unternehmen entgegen. Um diesen teilweise entgegenzuwirken, beschäftigt sich diese Arbeit mit Grundlagen im Bereich der Eigenverbrauchsoptimierung von erneuerbaren Eigenerzeugungsanlagen und der Flexibilisierung des Stromverbrauchs. Genauer sollen Methoden zu Erfassung von vorhandenen Potenzialen in beiden Bereichen entwickelt werden. Dabei zielt die Methode zur Eigenverbrauchsoptimierung auf die Auslegung einer PV-Anlage ab, mit welcher ein möglichst großer Anteil des erzeugten Stroms selbst verbraucht wird. Weiterhin wird der Einfluss eines zusätzlich integrierten Speichers auf den Eigenverbrauch dargestellt. Bezüglich der Flexibilisierung des Stromverbrauchs, auch bezeichnet als Energieflexibilität, schlägt diese Arbeit eine Vorgehensweise vor, welche schrittweise Potenziale identifiziert, notwendige Größen aufnimmt und anschließend Maßnahmen zur Flexibilisierung ableitet und bewertet. Die theoretischen Ausarbeitungen werden anschließend am Beispiel eines existierenden Industrieunternehmens angewendet.
Entwurf eines Kriterienkatalogs zur Beurteilung von Ersatzinvestitionsentscheidungen im Rahmen von RCM. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Der Wechsel der wirtschaftspolitischen Ausrichtung in den neuen Bundesländern nach 1990 brachte viele Investitionen mit sich. Im Gegensatz zu den hohen Investitionen in den 70er-Jahren in den alten Bundesländern wurden in den neuen Bundesländern viele finanzielle Mittel Anfang der 90er-Jahre genutzt um Investitionen zu tätigen. Insbesondere die Investitionen bei den Verteilnetzbetreibern in den neuen Bundesländern führen dazu, dass es in Zukunft einen erhöhten Bedarf an finanziellen Mitteln für Instandhaltung oder Ersatzinvestitionen gibt. In Folge würden die Netzentgelte erhöht und der Kunde im Vergleich zu vorigen Perioden stark belastet. Aus verschiedenen ökonomischen und politischen Gründen soll dies vermieden werden. Damit die Kosten für Netzentgelte möglichst gering ausfallen, ist es nötig eine geeignete Investitions- und Instandhaltungsstrategie zu implementieren. In den Netzen der Energieversorgung stellen Leistungstransformatoren die kostenintesivsten Betriebsmittel dar, weshalb der Fokus dieser Arbeit auf diese gelegt wird. Zu den Grundlagen werden in den ersten Kapiteln Asset Management, Instandhaltungsstrategien und der Betrieb von Leistungstransformatoren erläutert. Danach erfolgt der Entwurf eines Kriterienkataloges, der im Rahmen einer zuverlässigkeitsorientierten Instandhaltungsstrategie (RCM - Reliability-Centered Maintenance) alle Kennzahlen beinhaltet, die für die Berechnung der jährlichen Kosten nötig sind. Nach Beschreibung des Ansatzes wird dieser auf ausgewählte Transformatoren der TEN Thüringer Energienetze GmbH & Co. KG angewandt. Die Ergebnisse dieser Arbeit können dann als Unterstützung im Entscheidungsprozess zu Investitionsentscheidungen genutzt werden.
Ein Preventive Security Constrained Optimal Power Flow (PSCOPF) Verfahren für ein AC-HGÜ-Verbundnetz. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Zuge des rapide ansteigenden Anteils an Erneuerbaren Energien im AC-Netz müssen ÜNBs neue Herausforderung bewältigen, wie etwa volatile Erzeugung, einem wachsenden lokalen Ungleichgewicht zwischen Energieerzeugung und -verbrauch und stark belasteten Übertragungsleitungen. Um weiterhin einen sicheren Netzbetrieb zu gewährleisten, sind Netzverstärkungsmaßnahmen unumgänglich. Zur Beherrschung des steigenden Anteils großer Leistungen die bei der Energieübertragung über lange Distanzen nötig ist, ist HGÜ eine vernünftige Alternative. Aufgrund von langen andauernden Genehmigungsvorgängen und dem Protest der Bevölkerung ist es ebenfalls wichtig bereits existierende Betriebsmittel effizienter zu nutzen. Nach heutigen Sicherheitskriterien wird die (N 1)-Sicherheit jeweils für das AC- und HGÜ-System separat bewertet, wobei VSCs, als Koppelstelle zwischen beiden Systemen, eine aktive Beeinflussung des Energieaustauschs der Systeme erlauben und somit derzeitige Konventionen erweitern können. Mit solch einer ganzheitlichen Betrachtung auf das hybride Verbundnetz ist es möglich, die VSC-Fahrplanarbeitspunkte so zu bestimmen, dass Ausfälle von AC- und DC-Übertragungsleitungen sowie von Umrichtern keine Grenzwertüberschreitungen hervorrufen. Zur Bestimmung solcher optimalen Arbeitspunkte kann ein Optimal Power Flow zum Einsatz kommen. Fließen Sicherheitsaspekte mit in die Betrachtung ein, resultiert dies in einem (Preventive) Security Constrained Optimal Flow (PSCOPF). Das Ziel dieser Arbeit ist es ein solches PSCOPF Verfahren zur Koordinierung von VSC Arbeitspunkten zu entwickeln, wobei beide Systeme an der Klärung von Betriebsmittelausfällen beteiligt sind. Stellglied der Optimierung sind hierbei die Wirkleistung p_VSC und DC-Knotenspannung u_DC der VSCs. Entsprechend der genannten Problemstellung minimiert das zu entwickelnde Verfahren die Anzahl kritischer Betriebsmittelfälle. Dabei berücksichtigt der PSCOPF den Initialen Arbeitspunkt und reduziert die Arbeitspunktabweichung zu diesem auf ein Minimum.