Netzanschlüsse für Offshore-Windparks

Transkript

1 Netzanschlüsse für Offshore-Windparks Workshop zur Klärung technischer Fragen am beim BMWi in Berlin Jochen Jung

2 Stay tuned. Safety first! Im Interesse Ihrer und unserer Sicherheit bitten wir Sie, sich an die folgenden Sicherheitsregeln zu halten. Bei Räumung gelten die folgenden zusätzlichen Regeln: Folgen Sie dem angegebenen Fluchtweg. Benutzen Sie anstelle von Aufzügen das Treppenhaus. Begeben Sie sich zum Sammelplatz. Folgen Sie den Anweisungen der Evakuierungshelfer, die bei einer Räumung anwesend sind Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 2

3 Agenda Auslegung und Belastbarkeit von Seekabeln Abgestimmtes Design zwischen Windenergieanlagen und (HVDC-) Netzanschluss Möglichkeiten zu Querverbindungen zwischen Clustern 3

4 Belastbarkeit von Seekabeln

5 Belastbarkeit von Seekabeln Die Einhaltung des 2-K-Kriteriums ist eine Genehmigungsauflagen der Behörden für jede Kabelanlage. Aus naturschutzfachlicher Sicht vorgeschlagene Grenztemperatur von 2 K für die AWZ von Nord- und Ostsee für eine Aufpunkttiefe von 20 cm. (Standard: "Konstruktive Ausführung von Offshore-Windenergieanlagen" vom , Kap Wärmeabgabe der Energiekabel) Für das Watt gilt abweichend: 2 K in 30 cm Aufpunkttiefe Rechnerischer Nachweis: IEC für die stationäre Erwärmung IEC für die transiente Erwärmung Kenngrößen der angeschlossenen Windparks sind zu berücksichtigen: Windparkleistung inkl. Kompensations- und dielektrischer Verluste Anzahl der Turbinen und deren Nennleistung Windgeschwindigkeiten des Standortes spezifischer Wärmewiderstand ρ = 0.7 Km/W Offshore Symposium

6 Belastbarkeit von Seekabeln Rechnerischer Nachweis Wärmeverluste einer AC-Kabelverbindung nach IEC 60287: Die elektrischen Verluste eines AC-Kabels setzten sich zusammen aus den Leiterverlusten: W l = I 2 R (1 + y s + y p ) (1), den induktiven Schirmverlusten: W s = I 2 R λ 1 (2), den induktiven Verlusten in der Bewehrung: W B = I 2 R λ 2 (3) und den dielektrischen Verlusten: W d = CU 2 0 tan (4) mit: R = R 0 (1+α0 (θ 20)) (5) (dem elektrischen Widerstand bei der Betriebstemperatur θ = 90 C). Die Gesamtverluste des Dreileiterkabels sind somit: W i = 3 (W l + W S + W B + W d ) (6). Wärmeverluste einer DC-Kabelverbindung nach IEC W i = I² R (7) Offshore Symposium

7 Belastbarkeit von Seekabeln Rechnerischer Nachweis Berechnung der Temperaturerhöhung θ(t) an einem beliebigen Punkt x zum Zeitpunkt t n : θ t n = i=n i=1 ρ T 4π W i Ei d pk 2 4 t i δ Ei 2 d pk 4 t i δ i=n = W i X i i=1 mit Δt = t n t i Diffusionskonstante des Bodens in m²/s Offshore Symposium

8 Belastbarkeit von Seekabeln Zugrunde gelegtes Windprofil Als Berechnungsgrundlage zur Einhaltung des 2-K-Kriteriums wird ein Lastprofil angenommen, das durch die Auswertung der FINO-Winddaten als realistisch und zutreffend angenommen wird: - Auf einen stationären Zustand bei 77 % der maximal übertragbaren Leistung - folgt ein Zeitraum von 7 Tagen, in dem 99 % der maximalen Leistung übertragen wird. - Hieran schließen sich weitere 45 Tage mit 77 % der maximalen Leistung an Offshore Symposium

9 Belastbarkeit von Seekabeln Rechnerischer Nachweis Beispiel Eine permanente Erhöhung der Grundlast führt zu einer Verletzung des 2 K Kriteriums und zu einer erheblich verlängerten Relaxationszeit Die DC-Anbindung erfüllt im Nearshore-Bereich exakt die Anforderungen Offshore Symposium

10 Belastbarkeit von Seekabeln Konsequenzen für den Netzbetrieb der OWPs Ohne weitere technische Maßnahmen ist die Einhaltung der genehmigungsrechtlichen Auflagen und technischen Grenzen nur durch nachfolgende Vorgaben sichergestellt: (1) Die Kabel sind nicht für Dauerlast, sondern für ein Standard-Windprofil ausgelegt. (2) Aus diesem Grund darf die an ein Kabel (oder einen Netzanschlusspunkt) angeschlossene Summe der Generatornennleistungen zu keinem Zeitpunkt die zugewiesene Netzanschlusskapazität überschreiten. (3) Praktisch folgt hieraus eine maximal zulässige Anzahl an einspeisebereiten WEA pro Kabel bzw. Netzanschlusspunkt. (4) Auch bei Schwachwind darf diese max. Anzahl betriebsbereiter WEA an einem Netzanschlusspunkt nicht überschritten werden, auch wenn die momentane Leistung kleiner ist, als die zugewiesene Netzanschlusskapazität. (5) Power-Boost-Funktionen, Überbelegung und ähnliche Maßnahmen zur Erhöhung der erzeugten Energie sind bei der Auslegung nicht berücksichtigt Offshore Symposium

11 Belastbarkeit von Seekabeln Perspektive - Die tatsächlichen zeitlichen Temperaturverläufe im Kabel und dessen Umgebung werden in den Berechnungsvorschriften der IEC-Normen durch Näherungsformeln approximiert. - Die IEC Normen wählen einen konservativen Ansatz, um eine Überschreitung der maximalen Leitertemperatur sicher auszuschließen. - Durch Berücksichtigung der thermischen Trägheit eines Kabelsystems lässt sich die tatsächliche in einem Zeitintervall übertragene Energie (nicht Leistung) erhöhen. - Dem technologischen Fortschritt steht TenneT aufgeschlossen gegenüber Offshore Symposium

12 Abgestimmtes Design zwischen Windenergieanlagen und HVDC - Netzanschluss Problemstellung: Netzstabilität Europäische Network Codes und HVDC Codes Rechnerische Nachweise Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 12

13 Der Spiegel vom Harmonic Stability in Offshore Grids 13

14 Harmonische Instabilität Harmonic Stability in Offshore Grids 14

15 Ein Schnittstellen - Problem?! In Offshore Netzen dominiert die Leistungselektronik (WEA und HVDC) In konventionellen Netzen dominieren große rotierende Massen (Turbogeneratoren) >> Unterschiedliches Systemverhalten in On- und Offshore-Netzen << Regelung von Leistungselektronik wird üblicherweise unter der Annahme eines Idealen Netzes entwickelt Dynamik und Eigenschaften der Regelung ändern sich beim Anschluss an ein Reales Netz > Dynamische Kopplung Gemeinsames Problem in Elektrischen Energiesystemen Ideale Spannungsquelle Idealer Verstärker Phänomene im Offshore-Netz BorWin 1 15

16 Impedanz-Kopplung.. eine neues Phänomen in Energienetze HVDC Windpark V s s : Ausgangsspannung der unbelasteten Quelle Z s s : Ausgangsimpedanz der Quelle Z l s : Eingangsimpedanz der Last Stabilitätskriterium Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 16

17 Impedanz Impedanz Impedanz Stabilitätskriterien Instabiles System HGÜ OWP Frequenz Stabiles System durch Änderung der HGÜ Impedanu durch Änderung der OWP - Impedanz HGÜ OWP HGÜ OWP Frequenz Frequenz Harmonic Stability in Offshore Grids 17

18 Impedanzverläufe mit zunehmender Länge des AC-Kabels zwischen OWP und HGÜ verschiebt sich die rote Kennlinie nach links Netze mit hohem Kabelanteil (Kapazität) neigen zur Instabilität > Bahnnetze, Mittelspannungsnetze, Offshore-Netze Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 18

19 Sicherstellung der Netzstabilität Gird Codes (Netzanschlussregeln): Technische Regeln und Anforderungen eines sicheren, zuverlässigen und wirtschaftlichen Netzbetriebes Numerische Netzberechnungen (Simulation) während der Planung der Energienetze Neue Netztopologien mit hohem Anteil leistungselektronischer Teilnehmer erfordern neue Berechnungsmethoden und umfangreichen Datenaustausch Impedanz-Kriterium ist mittlerweile als relevantes Stabilitätskriterium in der Branche akzeptiert (WEA- und HGÜ-Hersteller, Netzbetreiber, Forschung) Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 19

20 Europäische Network Codes

21 Network Code HVDC und RfG NC HVDC definiert technische Anforderungen an HVDC Systeme und deren Schnittstellen Exhaustive : Vollständige Anforderungen, ggf. mit einheitlichen europäischen Parametern oder Schwellwerten. Non-Exhaustive : Unvollständige Anforderungen, Details müssen auf nationaler Ebene geregelt werden. NC RfG definiert technische Anforderungen für Stromerzeugungsanlagen, u.a. PPM und Offshore Erzeugungsanlagen Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 21

22 NCs Aktueller Status Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 22

23 Umsetzung bei TenneT Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 23

24 Einordnung der Anforderungen Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 24

25 Inhalte und Ablauf der Systemstudien Stationäre und Dynamische Untersuchungen; Oberschwingungsanalyse Netzanschlüsse für Offshore-Windparks 25

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27 TenneT ist der erste grenzüberschreitende Übertragungsnetzbetreiber für Strom in Europa. Mit rund Kilometern an Hoch- und Höchstspannungsleitungen und 41 Millionen Endverbrauchern in den Niederlanden und in Deutschland gehören wir zu den Top 5 der Netzbetreiber in Europa. Unser Fokus richtet sich auf die Entwicklung eines nordwesteuropäischen Energiemarktes und auf die Integration erneuerbarer Energie. Taking power further