Overlaynetz in HGÜ oder 16.7 Hertz Alternativen zum klassischen 380-kV- Freileitungsbau?

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1 Overlaynetz in HGÜ oder 16.7 Hertz Alternativen zum klassischen 380-kV- Freileitungsbau? Prof. I. Erlich Universität Duisburg-Essen Prof. H. Braklemann Universität Duisburg-Essen Dr. Ing. H. Wrede E.ON Engineering GmbH Gelsenkirchen

2 16.7-Hz-Übertragung, eine Alternative zu Prof. I. Erlich Universität Duisburg-Essen Prof. H. Braklemann Universität Duisburg-Essen Dr. Ing. H. Wrede E.ON Engineering GmbH Gelsenkirchen

3 Inhalt 1. Problem 2. Alternativen zur Einbindung von offshore Windparks 3. Overlaynetz 4. Was wäre erforderlich für die Einführung von 16,7 Hz? 3

4 Ziele der Bundesregierung

5 Entwicklung Offshore Bis zum Jahre 2030 sollen bis zu Megawatt Leistung in den Offshore-Windparks der deutschen Nord- und Ostsee installiert sein. Für die Leistungsabführung brauchte man ca. 7 neue 400-kV-Doppelleitungen. Nordsee Ostsee

6 6 Brauchen wir neue Leitungen? Die Frage ist weniger ob Ja oder Nein, sondern wann und welche Leitung ist erforderlich. Machen lange Overlay - Leitungen evt. lokale Netzverstärkungen überflüssig?

7 7 Kabel oder Freileitung? 400-kV-VPE-Kabel, zwei Stromkreise 400-kV-Freileitung Einige Aspekte: Kosten Genehmigungsprozedur Umwelteinfluss Elektromagnetische Felder Verfügbare Technologien Netzsicherheit Lebensdauer Freileitung wäre technisch und wirtschaftlich günstiger. Aber, reine Freileitung unrealistisch in der Zukunft Kabel muss für die gewählte Technologie vorhanden sein!

8 8 Warum reduzierte Frequenz? Reaktanz der Übertragung geringer, geringerer Spannungsfall Geringere Ladeströme überbrückbare Entfernung ca. 3fach VPE-Kabel für bis 500 kv verfügbar Warum 16,7 Hz? I = U 2π f C X = 2π f L Erprobte Technik bis 110 kv verfügbar Direktabspannung für die Bahn mit einfachem Transformator wäre möglich c

9 Erzeugung/Umformung 16,7 Hz WEA mit Vollumrichter auf der Netzseite anstatt könnten problemlos 16,7 Hz erzeugen Generatorfrequenz bleibt unverändert Anpassung der WEA mit geringem Aufwand möglich (Drossel, Filter) 16,7 Hz Umrichter für die Kopplung von beiden Netzen Technologie der Bahnumrichter dreiphasig nutzen (98% Wirkungsgrad) 9

10 Vorteil/Nachteil bis zu 300 km Entfernung wäre kein Umrichter auf der Offshoreplattform erforderlich Bewährte Technologie (Leistungsschalter, Kabel, etc. könnte eingesetzt werden) Kein Nachteil? Transformatoren ca. 2-3 größer und schwerer Überbrückbare Entfernung etwas geringer als bei 10

11 Vorteile niedriger Frequenz Strombelastbarkeit eines 500-kV-VPE-Kabelssystems als Funktion der Betriebsfrequenz 3000 A I ,7 Hz 11 1 Hz

12 Vorteile niedriger Frequenz Verluste je Kabelader als Funktion der Betriebsfrequenz für den maximalen 50-Hz-Strom von 2483 A 70 W/m P c ~ P s P d P P c ,7 Hz 12 1 Hz

13 13 Vorteile niedriger Frequenz Verluste je Kabelsystem für den maximalen 50-Hz-Strom 2384 A/2065 MVA als Funktion der Betriebsfrequenz; 500 kv/3200 mm 2 Cu; 1 System; m = 0, Gesamtverluste in W/m 16.7 Hz 0 10 F Frequenz in Hz

14 14 Schlüsseltechnologie Umrichter VSC-Converter Link, 60 Hz, 16,7 Hz anpassbar, 60 Hz, 16,7 Hz anpassbar

15 -50-Hz-Offshoreeinbindung Offshore Onshore WEA mit Ausgangsfrequenz 50-Hz Mittelspannungs- Windparknetz 50-Hz-Netz VPE--Kabel mit 50-Hz-Trafo Länge bis zu 100 km

16 -Offshoreeinbindung Offshore Onshore WEA mit Ausgangsfrequenz 50-Hz (16,7 Hz, 60 Hz) Mittelspannungs- Windparknetz 50-Hz-Netz (16,7 Hz, 60 Hz) 50-Hz-Trafo ½ Umrichter auf See, ca. 1,5% Verluste VPE--Kabel Mehrere Hundert km ½ Umrichter auf Land, ca. 1,5% Verluste

17 -16,7-Hz-Offshoreeinbindung WEA mit 16.7 Hz Ausgangsfrequenz Offshore 16,7-Hz Mittelspannungs- Windparknetz; geringere Verluste Onshore 50-Hz-Netz 16,7-Hz- Trafos VPE--Kabel mit 16,7 Hz Länge bis zu 300 km Trafo gegenüber : - 2-3faches Gewicht aber kein Umrichter auf der Plattform! Kabel gegenüber : -30% geringerer Widerstand -1/3 Reaktanz -1/3 kap. Ladeleistung 16,7 Hz Umrichter auf Land ca. 2% Verluste

18 Overlaynetz mit Offshoreeinbindung 50-Hz Windpark Beste Variante, Kein Umrichter Offshore Windpark ½ Umrichter offshore ½ Umrichter auf Land 16,7 Hz Windpark 17,7 Hz Umrichter vollständig auf Land besser 400/500/800 kv Kabel nur bis 500 kv Serien- und Querkompensation, Querreglertrafos 18 Abspannung zu anderen 50-Hz- Spannungsebenen

19 19 Overlaynetz mit Offshoreeinbindung 50-Hz Windpark Windpark 16,7 Hz Windpark Falls - Spannungsniveaus nicht gleich, --Wandler 17,7 Hz ½ Umrichter auf Land, bis 300 kv, Kabel/Freileitung darüber nur Freileitung Keine -Schalter vorhanden Abspannung zu anderen 50-Hz- Spannungsebenen

20 20 Overlaynetz mit Offshoreeinbindung 50-Hz Windpark Windpark 16,7 Hz Windpark 16,7Hz Umrichter vollständig auf Land besser 16,7Hz ½ Umrichter offshore ½ Umrichter auf Land Beste Variante, Kein Umrichter Offshore 16,7 Hz 400/500/800 kv Kabel nur bis 500 kv Keine Serienkompensation, weniger Querkompensation, keine Querreglertrafos Abspannung zu anderen 50-Hz- Spannungsebenen 16,7Hz

21 Warum nur eine Vision? ,7 Hz 16.7 Vermaschtes 400 (500) kv -Netz mit 16,7 Hz (Kabel und Freileitung) Dreifache Entfernungen möglich; Kabel, Schalter vorhanden; bewähte Technik nutzbar Verbindung mit dem vorhandenen 50-Hz-Netz über Umrichter Anfang- und Endpunkte der Verbindungen sind beliebig gewählt

22 22 Was wäre erforderlich? Entwicklung von Hz-Windturbinen beim Vollumrichter-WEA nur geringe Anpassungen erforderlich - 3phasigen 16,7/50-Hz-Umrichtern vorhandene Technologie von der Bahn erweitern - Leistungsschalter sowie Schaltanlagen für 16.7 Hz - vorhandene Technologie erweitern Bau eines 16.7-Hz-Testwindparks Entscheidung über Overlaynetz, erforderlich? Welche Frequenz, Spannung? Forschungsbedarf über Betrieb eines Netzes ohne rotierende Masse (gilt unabhängig von der Frequenz!)

23 23 Thank you for your attention! Danke für Ihre Aufmerksamkeit!