Anwendungsfach Regelungstechnik in der elektrischen Energieversorgung

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1 Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Anwendungsfach Regelungstechnik in der elektrischen Energieversorgung Prof. Dr.-Ing. Hendrik Lens Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik

2 Systemteilnehmer des elektrischen Energieversorgungssystems Netz Erzeuger Verbraucher In allen Bereichen des Systems und im Zusammenwirken der Elemente spielen Dynamik und Regelungen eine wesentliche Rolle. Markt Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

3 Regelungstechnische Aufgaben im Netz

4 Frequenzsynchrone Verbundnetze im Netzgebiet der ENTSO-E Netzfrequenz 50 Hz Niederspannungsebene 230 V TR Quelle: Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

5 Frequenzmessung in der Türkei am ,97 49,96 49,95 Frequenz f [Hz] 49,94 49,93 49,92 49,91 49,9 49,89 Türkei,Diyarbakir 20:06:20 20:06:25 20:06:30 20:06:35 20:06:40 20:06:45 20:06:50 20:06:55 Zeit t [hh:mm:ss] UTC Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

6 RMS Spannungsmessungen Beispiel Stuttgart 260 Spannungsverlauf in Stuttgart, Deutschland 56 o N o N 52 o N 50 o N 48 o N Stuttgart RMS Spannungssignal [V] o N 6 o E 8 o E Messung in Stuttgart: 10 o E 12 o E 14 o E 16 o E Relativ konstante Spannung Geringe Schwankung des Tagesmittelwertes /10 10/11 10/12 10/13 10/14 10/15 10/16 10/17 Datum [Monat/Tag] Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

7 RMS Spannungsmessungen Beispiel Diyarbakır, Türkei 260 Spannungsverlauf in Diyarbakir, Türkei o N o N 38 o N 36 o N 24 o E 28 o E 32 o E 36 o E 40 o E Diyarbakir 44 o E RMS Spannungssignal [V] Messung in Diyarbakır: Extreme tageszeitliche Schwankungen des Spannungsmittelwerts Schwankungen von mehr als 50 Volt im Tagesverlauf /14 02/15 02/16 02/17 02/18 02/19 02/20 02/21 Datum [Monat/Tag] Frequenz und Spannung sind dynamische Größen und müssen geregelt werden. Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

8 Blockschaltbild des Netzes Prinzip Leistungs-Frequenzregelung Störgrößen Prognoseabweichungen (Erneuerbare und Verbrauch) Kraftwerksausfälle Sollwert Frequenz 50 Hz - Regelleistung ΔPP Summarische Netzdynamik ff ΔPP dtt Istwert Frequenz Netzselbstregeleffekt Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

9 Blackout in der Türkei am Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

10 Modellidentifikation und validierung für das Netz

11 Verbundnetzweites Frequenzmesssystem des IFK Aktuelle Messstandorte TAM Türkei ENTSO-E RG CE Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

12 Kraftwerksausfall im Osten der Türkei Frequenz f [Hz] Türkei,Diyarbakir Türkei,Manisa Türkei,Diyarbakir Türkei,Manisa Griechenland Türkei,Diyarbakir Türkei,Diyarbakir Türkei,Manisa Griechenland Kroatien Türkei,Manisa Griechenland Kroatien Deutschland Türkei,Diyarbakir Türkei,Manisa Griechenland Kroatien Deutschland Spanien Türkei,Diyarbakir Türkei,Manisa Griechenland Kroatien Algerien Türkei,Diyarbakir Deutschland Spanien Griechenland Kroatien Deutschland Spanien Algerien Tunesien Türkei,Manisa :06:20 20:06:25 20:06:30 20:06:35 20:06:40 20:06: [HH:MM:SS] UTC 20:06:50 20:06:55 Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

13 Modellierung und Regelung von Erzeugungsanlagen

14 Dampfkraftwerk Modellierung Elektrofilter Rauchgase Saugzuggebläse ZÜ 2 ZÜ 1 Dampferzeuger ÜH 3 ÜH 2 Dampf m T Turbine HD MD/ ND Strom G Frischlüfter Brennstoff Brennstoffzufuhr ÜH 1 VD ECO Wasser Kondensatpumpe ND-Vorwärmer HD-Vorwärmer Speisewasserbehälter Speisewasserpumpe Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

15 Dampfkraftwerk Regelkreise c O 2 Elektrofilter f f Soll δ Saugzuggebläse P G,Ziel Schnittstelle Kraftwerk - Netz w 4 R m R ZÜ w C 8 m E3 50 bar R w 1 Begrenzung w 3 Frischlüfter Brennstoffzufuhr R R R R m L m B L B p F L p D ZÜ 1 ÜH C ÜH 2 ÜH C m W 555 C 496 C ϑ ÜH2 w 6 w 2 ND-Vorwärmer HD-Vorwärmer Speisewasserbehälter Speisewasserpumpe Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung" VD w 7 m E2 R m E1 p ÜH1 ECO ϑ D ϑ ÜH1 R h ÜH1 51 bar 260 bar R R R w 5 m T HD MD/ ND m Ent 30 C R 0,044 bar G P G Kondensator Kondensatpumpe

16 Regelungen werden nicht nur für konventionelle Kraftwerke benötigt Concentrated Solar Power Kraftwerk (CSP) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

17 Erneuerbare Energien

18 Zukünftige Stromerzeugung Leistung [GW] Kraftwerkseinsatz im Jahr / Datum Beispiel: Kraftwerkseinsatz im März 2022 Braunkohle Steinkohle Erdgas GuD Pumpspeicher Wind Solar Wasser Biomasse Gesamtlast Residuallast Auswirkungen auf die Kraftwerke Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

19 Zukünftige Stromerzeugung Leistung [GW] Kraftwerkseinsatz im Jahr / Datum Beispiel: Kraftwerkseinsatz im März 2022 Braunkohle Steinkohle Erdgas GuD Pumpspeicher Wind Solar Wasser Biomasse Gesamtlast Residuallast Auswirkungen auf das Übertragungsnetz Betrachtung von Netzengpässen zwischen 20 Regionen Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

20 PTDF basierte Engpassbetrachtung Lastflüsse in MW bei Schwachwind / hoher PV-Einspeisung (26. März 2022, 13:20) Lastflüsse in MW bei Starkwind / geringer PV-Einspeisung (31. März 2022, 7:25) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

21 Anwendungsfach

22 Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung Pflichtmodul Regelung von Kraftwerken und Netzen Dynamisches Verhalten und Regelung der Teilnehmer am elektrischen Energieversorgungssystem Erzeuger Verbraucher Netzbetriebsmittel Liberalisierung und Deregulierung: Wechselwirkungen zwischen Markt und Physik; Stromhandel und Einbindung erneuerbarer Energien Netzregelung: Grundlegende Regelaufgaben in elektrischen Energieversorgungssystemen Leistungs-Frequenzregelung: Ausregelung von Wirkleistungsungleichgewichten Spannungsregelung: Deckung des Blindleistungsbedarfs Aktuelle Herausforderungen Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

23 Inhalt des Pflichtmoduls Inhalt des Pflichtmoduls Regelung von Kraftwerken und Netzen Exkursion: Netzleitwarte der TransnetBW GmbH in Wendlingen, inkl. Besichtigung des Umspannwerks Besichtigung: Heizkraftwerk des Campus Vaihingen Gastvorlesungen (Vorträge Wintersemester ): S. Wachtel (GE) Netzintegration von Windenergie W. Sattinger (Swissgrid) Netzbetrieb im Zentrum Europas A. Krontiris (ABB) Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) G. Zeitler (TransnetBW) Teilnehmer am elektrischen Energieversorgungssystem Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

24 Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung Überblick der Pflicht- und Wahlmodule Pflichtmodul (6 LP): Regelung von Kraftwerken und Netzen (Lens, IFK) Wahlmodule (6LP): Elektrische Energienetze I (Tenbohlen,IEH) Energie- und Umwelttechnik (Scheffknecht, IFK) Grundlagen der Energiewirtschaft und versorgung (Hufendiek, IER) Grundlagen der thermischen Strömungsmaschinen (Vogt, ITSM) Grundlagen Windenergie (Cheng, SWE) Hydraulische Strömungsmaschinen in der Wasserkraft (Riedelbauch, IHS) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. H. Lens - Anwendungsfach Regelungstechnik in der el. Energieversorgung"

25 Vielen Dank! Prof. Dr.-Ing. Hendrik Lens Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Universität Stuttgart Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Pfaffenwaldring Stuttgart