Ohne Strom geht nichts!?!

Transkript

1 Strom Grundlage der modernen Gesellschaft Ohne Strom geht nichts!?! 1

2 USA Blackout am 14. August Mio. Menschen betroffen Großbritannien/London Blackout am 28. August 2003 ca. 1 Mio. Menschen betroffen Brasilien Blackout am 10. November 2009 ca. 40 Mio. Menschen betroffen Presse: Chaos an der Copacabana Blackout am in weiten Teilen Europas: ca. 10 Millionen Menschen betroffen Italien Blackout am 28. September 2003 über 57 Mio. Menschen betroffen Ohne Strom geht nichts!?! 2

3 Kontakt Dipl.-Ing. Joachim Lehner Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik Pfaffenwaldring 23, Stuttgart Ansprechpartner: (Vorlesungen, Bachelor-/Studien-/Diplomarbeiten, /Diplomarbeiten Anwendungsfach, HiWi-Stellen, ), Zi 1.76, , D. Schlipf Zi 1.73, , Anwendungsfach für Kybernetiker (B.Sc.) am IFK: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung Informationen unter 3

4 Ankündigung: Kraftwerksführung durch das HKW Pfaffenwald nach der Vorlesung Dauer: ca. 30 Minuten 4

5 Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 54 o N 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 36 o E 24 o E 0 o 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz 5 12 o E

6 Ausdehnung des Europäischen Verbundnetzes Frequnezmssanlagen des IFK Aalborg Gliwice Stuttgart Timisoara Zagreb Istanbul Madrid Sevilla Athen Algier Sfax Izmir Frequenzsynchroner Anschluss der Türkei am Amasya Batman Konya TAM Türkei ENTSO-E ERGCE 6

7 Türkeianschluss Anschluss der Türkei an das europäische Verbundnetz am [Hz] Frequenz f [ Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman :00 07:10 07:20 07:30 07:40 Uhrzeit UTC 7

8 Türkeianschluss Anschluss der Türkei am Anschluss gegen g 9:25 Uhr MEZ Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman [Hz] Frequenz f [ :23:00 07:23:30 07:24:00 07:24:30 07:25:00 07:25:30 07:26:00 Uhrzeit UTC 8

9 Türkeianschluss Anschluss gegen 9:25 Uhr MEZ Abwurf der Türkei gegen g 10:44 Uhr MEZ Erneuter Anschluss gegen10:46:30 Uhr MEZ [Hz] Frequenz f [ Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman :43 08:44 08:45 08:46 08:47 08:48 08:49 08:50 08:51 08:52 08:53 08:54 08:55 Uhrzeit UTC 9

10 Frequenzverhalten Verbesserung des Frequenzverhaltens in der Türkei Verringerung g der Frequenzabweichungen 50.4 vor Anschluss nach hanschluss Frequenz [Hz] :00 06:00 12:00 18:00 00:00 Uhrzeit UTC 10

11 Frequenzverhalten Verbesserung des Frequenzverhaltens in der Türkei Verringerung g der Frequenzabweichungen Netzpendelungen stark ausgeprägt, mit hohen Amplituden Frequenz f [Hz] Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman :53:00 08:53:30 08:54:00 08:54:30 Uhrzeit UTC 11

12 Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 54 o N 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 36 o E 24 o E 0 o 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz o E

13 Das Europäische Verbundnetz 13

14 Das Europäische Verbundnetz Frequenzsynchrones Gebiet: ehemals UCTE andere synchron angeschlossene nationale Teilnetze 14

15 Das Europäische Verbundnetz Starklast: P Last > 300 GW (tagsüber, Werktage) 54 o N Schwachlast: P Last» 160 GW Last (nachts, Sonn- und Feiertage) 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 0 o 12 o E 24 o E 36 o E Mögliche weitere Erweiterungsschritte des UCTE-Netzes: 380 kv 220 kv Erweiterung Richtung Baltikum, Schließen des Mittelmeerrings HGÜ HGÜ: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 15

16 Horizontale und vertikale Netzgliederung ~ ~ ~ S 300 MVA GN (Generator-Nennscheinleistung) Übertragungsnetz 380 / 220 kv Kuppelleitungen zu benachbarten Verbundpartnern ~ ~ S GN MVA Verteilungsnetz 110 kv / 220 kv S TN MVA (Trafo-Nennscheinleistung) großes Industrienetz ~ Versorgungsnetz 20 kv / 10 kv kleines Industrienetz Kleinerzeuger: S ~ ~ ~ GN 40 MVA 16

17 Aufgaben der Netzregelung Blindleistungs-Spannungs-Regelung Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Erzeuger Spannungshaltung (z.b. 110, 220, 380 kv) Verbundnetz Leistungsgleichgewicht Frequenz Leistungsübertragung, Kompensation des Blindleistungshaushalts der Übertragungsleitungen Verbraucher Blindleistungserzeugung Wirkleistungserzeugung Wirkleistungsverbrauch 17

18 Blindleistungs-Spannungs-Regelung Aufgabe: Halten der jeweiligen Spannungsebene durch Ausgleich des Blindleistungshaushalts a) Betrachtung einer Freileitung it Ersatzschaltbild : Blindleistungsbedarf: U I X L (Längsinduktivität) 1/X C (Querkapazität) Q FL = I 2 X L U 2 1/X C b) Betrachtung eines Teilnetzes Q TN = Q FL + Q Last Q TN kann positiv oder negativ sein: abhängig von Lastfluss und Lastverhalten 18

19 Blindleistungs-Spannungs-Regelung Aufgabe: Halten der jeweiligen Spannungsebene durch Ausgleich des Blindleistungshaushalts c) Blockschaltbild ltbild der Spannungsregelung eines (Kraftwerks-) Generators: Erregerspannung beeinflusst den Arbeitspunkt des Generators, und damit die Blindleistungs-Einspeisung Spannungsregler p T : Turbinenleistung p G : eingespeiste Generator-Wirkleistung q G : eingespeiste i Generator-Blindleistung i t n G : Generator-Drehzahl f: Netzfrequenz u G : Generatorspannung (Istwert) u G,soll : Generatorspannung (Sollwert) u e : Erregerspannung (Stellgröße) ug : Generator-Spannungswinkel 19

20 Blindleistungs-Spannungs-Regelung Aufgabe: Halten der jeweiligen Spannungsebene durch Ausgleich des Blindleistungshaushalts c) Blockschaltbild ltbild der Spannungsregelung eines (Kraftwerks-) Generators: Erregerspannung beeinflusst den Arbeitspunkt des Generators, und damit die Blindleistungs-Einspeisung Arbeitsbereich eines Synchrongenerators P max P Bereich der Wirkleistungs- Frequenz-Regelung Bereich der Blindleistungs- Spannungs-Regelung S n P min P Wirkleistung Q Blindleistung S Scheinleistung Q min 0 Q max Q 20

21 Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Erzeuger Verbraucher 21

22 Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: 1. Leistungsgleichgewicht Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Erzeuger erzeugte Wirkleistung muss sofort verbraucht oder gespeichert werden: P Erzeuger = P Verbraucher + P Speicher Es existieren nur begrenzte Möglichkeiten zur Speicherung elektrischer Energie, u.a.: in einem Reservoir (z.b. Wasser, Druckluftspeicher) in Batterien (aktueller Trend: E-Mobility) in rotierenden Schwungmassen Verbraucher 22

23 Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Erzeuger Zusammenhang zwischen Netzfrequenz und Leistungsgleichgewicht a) P Erzeuger = P Verbraucher Leistungsgleichgewicht / Frequenzgleichgewicht f b) P Erzeuger < P Verbraucher Erzeugerausfall / Verbraucherzuschaltung Frequenz fällt ab f Verbraucher c) P Erzeuger > P Verbraucher Erzeugerzuschaltung / Verbraucherausfall Frequenz steigt an f 23

24 Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Verbraucher Wirkleistungs-(Un)gleichgewicht P an der Regelung unbeteiligte Erzeuger P Netz f f soll = 50 Hz Erhöhung / Erniedrigung der Wirkleistungs-Einspeisung Regelkraftwerke Pi Primärregelung Sekundärregelung Tertiärregelung Regelkraftwerke: bevorzugt: Pumpspeicherwerke, moderne Kohlekraftwerke, Gasturbinen/GuD-Kraftwerke weniger eingesetzt: Kernkraftwerke (bis auf Frankreich), ältere verschleißanfällige Kohlekraftwerke, Laufwasserkraftwerke nicht ohne Weiteres einsetzbar: erneuerbare Energien (z.b. Wind), da nicht zu jeder Zeit verfügbar 24

25 Wirkleistungs-Frequenz-Regelung - Lastabwurfkonzepte a) 5-Stufenplan b) ehemaliger 8-Stufenplan für das Berliner Inselnetz Frequenz 50,0Hz 49,5 49,8 Stufe 1: Alarmierung des Personals Einsatz der noch nicht mobilisierten Kraftwerksleistung 49,5 49,0 48,7 48,5 48,4 48,0 Stufe 2: Unverzögerter Lastabwurf von 10 15% der Netzlast Stufe 3: Unverzögerter Lastabwurf von weiteren 10 15% der Netzlast Stufe 4: Unverzögerter Lastabwurf von weiteren 15 20% der Netzlast 8 i 1 8 Stufen á5% * PVi 40% 48,6 47,9 47,5 47,5 Stufe 5: Abtrennen der Kraftwerke vom Netz ~ 47,0 Abschaltung der Kraftwerksblöcke 25

26 Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Kraftwerksausfall von 776 MW in Atatürk am Frequenz [Hz] Türkei, Diyarbakir Türkei, Manisa Griechenland Kroatien Stuttgart Spanien Algerien Tunesien 20:06:25 20:06:30 20:06:35 20:06:40 20:06:45 20:06:50 20:06:55 20:07:00 Uhrzeit [UTC] 26

27 Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Große relativ schnelle Leistungsänderungen, z.b. durch Fluktuationen erneuerbarer Energiequellen KW 47, 2009: Spitzen-Windeinspeisung > 20 GW ]MW] stung [MW] d-leistung [ speiste Wind Leis Eingesp Tage vom 1. Mai bis 3. Juli

28 Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Im Wesentlichen zwei Probleme mit der Prognose der Windleistung Quelle: EON Teilweise sehr große Prognosefehler Teilweise gute Prognose, aber mit Zeitverzug Ausgleich durch Regelenergie 28

29 Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Änderung der Verbraucherlast aus Sicht des Übertragungsnetzes: Durch extrem starke Zunahme der Photovoltaik in Deutschland Leistu ung [MW W] :00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 Last Deutschland

30 Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts DESERTEC: Regenerative Stromerzeugung fern der Lastzentren, Übertragung über tausende von Kilometern 30