Zustandsschätzung und Regelung in einem intelligenten Energieübertragungsnetz

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1 Zustandsschätzung und Regelung in einem intelligenten Energieübertragungsnetz 19. Juni 2012 Dipl. Ing. (IEH) KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Netz im Wandel Verteilnetz Transportnetz Erzeugung in allen Netzebenen Blindleistungsfähige PV-Anlagen im Niederspannungsnetz Auslegung dezentralen Regelung Fluktuierende Einspeisung Bedarf an Energietransport steigt Schätzung des Netzzustandes Juni 2012

3 Blindleistungskompensation 20 kv / 0,4 kv Wichtiger Baustein zur Netzoptimierung Einhaltung des Spannungsbandes Erhöhung der Übertragungskapazität Verlustminimierung P PV, Q PV Juni 2012

4 Lokale Regelung zur Blindleistungskomp. Wie verhalten sich eine Vielzahl von Anlagen im Netzverbund? Juni 2012

5 Kompensation im vermaschten Netz Juni 2012

6 Kompensation im vermaschten Netz Juni 2012

7 Kompensation im vermaschten Netz Spannungsband soll angehoben werden Spannungsband soll abgesenkt werden Q steigt Q sinkt Netzknoten tauschen Q aus Sollwerte werden aufgrund dessen nicht erreicht Juni 2012

8 Beispielnetz Leitungen : Lasten : PV : Blindleistung Knoten 3 & 5 Spannung Knoten 3 & 5 Q (MVar) Zeit (s) U (p.u.) Knoten 5 Knoten Zeit (s) Juni 2012

9 Aufstellung Gesamtmodell Vorgehen Modellierung der einzelnen Komponenten Auslegung der Kompensatoren über Wurzelortskurven Juni 2012

10 Beschreibung von Energienetzen Ziel: Modell zur Reglersynthese Lastflussberechnung nicht geeignet Knotenpunktadmittanzmatrix eingeschwungenes Verhalten bedingt geeignet Juni 2012

11 Dynamische Knotenpunktadmittanzmatrix Energienetz wird als RLC Netzwerk beschrieben frequenzabhängig als Laplace-Transformierte darstellbar Beschreibt auch dynamische Vorgänge Juni 2012

12 Tor-Admittanz-Darstellung Dynamische Beschreibung des Netzes Systemtheoretische Darstellung zur Reglersynthese Berücksichtigung von Verkoppelungen Tor-Admittanz Juni 2012

13 Stromrichtermodell Stromrichter besteht aus schaltenden Elementen Nicht als lineares System darstellbar Klemmverhalten entscheidend Für die Stabilität ist die einwirkende Regelung Entscheidend Juni 2012

14 Stromrichtermodell Spannungsgleichungen im RST-System Durch Linearisierung Bezug zur Leistung Zusammenfassung von Photovoltaik und Stromrichter Juni 2012

15 Aufstellung Gesamtmodell Vorgehen Modellierung der einzelnen Komponenten Auslegung der Kompensatoren über Wurzelortskurven Juni 2012

16 Auslegung Q( U) Imaginärachse (seconds -1 ) Wurzelortskurve Pole Wanderung der Pole Realachse (seconds -1 ) Juni 2012

17 Beispielnetz Usoll = 1 p.u. Lastzuschaltung nach 100s von 2 MW + j1mvar Blindleistung Knoten 3 & 5 Spannung Knoten 3 & 5 Q (MVar) Zeit (s) U (p.u.) Konten 5 Konten Zeit (s) Juni 2012

18 Wurzelortskurve Mittelspannungsnetz 2.5 x 106 Wurzelortskurve Pole Imaginärachse Mittelspannungsebene 80 Knoten Netz 8 PV Anlagen x 10 4 Realachse Juni 2012

19 Netz im Wandel Verteilnetz Transportnetz Erzeugung in allen Netzebenen Blindleistungsfähige PV-Anlagen im Niederspannungsnetz Auslegung dezentralen Regelung Fluktuierende Einspeisung Bedarf an Energietransport steigt Schätzung des Netzzustandes Juni 2012

20 Zustandsschätzung Durch fluktuierende Einspeisung und den steigt Energietransport wird eine zuverlässige Schätzung des Netzzustands immer wichtiger Bessere Auslastung des Netzes s Frühzeitige Erkennung von Pendelschwingungen Spannungsinstabilitäten a Betrag außerhalb Toleranzband Winkeldifferenz > Juni 2012

21 Simulation - 4 Generator Benchmark Modell PMU Kommunikation Phasen Messgerät Betrag U, I Phase U, I Schätzung U, f Dynamischer Vorgang Bessere Genauigkeit, Konvergenz Leitwarte Juni 2012

22 Monitoring Nichtlinearer Prozess Juni 2012

23 Monitoring Nichtlinearer Prozess Geschätzte Größen: a U k Knotenspannungen w Drehzahl Generatoren Messgrößen: U m, I m Juni 2012

24 Simulation - 4 Generator Benchmark Modell Leitwarte Generatoren 4 x 900 MVA 20kV Kurzschluss von 150ms an K8 Netzdaten 230 kv L7: 1 GW, 100 MVar C7: 200 MVar L9: 1,7 GW, 100 MVar C9: 350 MVar Juni 2012

25 Simulation - 4 Generator Benchmark Modell Leitwarte Schätzwert Originalwert Betrag von U K7 Phase von U K abs(u) in p.u Phase (rad) Zeit (s) Zeit (s) Juni 2012

26 Simulation - 4 Generator Benchmark Modell Leitwarte Schätzwert Originalwert x 10-3 Generator 1 x 10-3 Generator (rad/s) -2.4 (rad/s) Zeit (s) Zeit (s) Juni 2012

27 Dezentrale Modellprädiktive Regelung Juni 2012

28 Zusammenfassung Dynamisches Netzmodell wurde entwickelt Stromrichtermodell wurde entwickelt Interaktion von einer Vielzahl von Generatoren und Stromrichtern kann analytisch beschrieben werden Q( U) Regelung kann Stabilität gefährden Durch eine passende Auslegung kann ein aufschwingen vermieden werden Zustandsschätzung mittels dynamischen Modells Effizienterer Netzbetrieb Übertragungsengpässe Leistungspendelungen frühzeitig erkennbar Juni 2012

29 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Juni 2012

30 Schätzung des Netzzustandes mittels PMU Schätzwert Originalwert U in p.u. Betrag von U K Phase (rad) Phase von U K U in p.u. Betrag von U K Phase (rad) Phase von U K (rad/s) x 10-3 Generator Zeit (s) (rad/s) x 10-3 Generator Zeit (s) Schätzung nach einem Kurzschluss von 150ms Juni 2012 Network 2 Frühjahrstreffen