Zentrale vs. dezentrale Strukturen. Wolfgang Gawlik TU Wien Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

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1 entrale vs. dezentrale Strukturen Wolfgang Gawlik TU Wien Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe 11. ÖGOR-IHS Workshop & ÖGOR Arbeitskreis

2 Grundsätzliche Entwicklungen entrale vs. dezentrale Strukturen Rotierende Gut/böse Batman Fossil vs. Maschinen Superman regenerativ? böse/gut? vs. Leistungselektronik 2

3 Systemdienstleistungen im Drehstromsystem Frequenzhaltung Primärregelung/ Sekundärregelung/ Tertiärregelung Momentanreserve Spannungshaltung Blindleistungsbereitstellung Kurzschlussleistung Betriebsführung Versorgungswiederaufbau 3

4 Herausforderungen im Verbundnetzbetrieb Eigene Darstellung nach Tomschi, WEC-Workshop "Die Energiewende" ( , Wien) 4

5 Systemdienstleistungen im Drehstromsystem Lastdeckung Frequenzhaltung Primärregelung/ Sekundärregelung/ Tertiärregelung Momentanreserve Spannungshaltung Blindleistungsbereitstellung Kurzschlussleistung Betriebsführung Versorgungswiederaufbau 5

6 Lastdeckung mit viel Speichereinsatz Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

7 Lastdeckung mit wenig Speichereinsatz Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

8 Typischer Lastverlauf 14,00 [GW] 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Montag Samstag 0,00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 8

9 Fouriertransformation des Lastverlaufs 10GW 14,00 [GW] 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Montag Samstag 0,00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00: DC 1a 7d 24h Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

10 Spektrum der Photovoltaikerzeugung -168 DC 1a 24h Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

11 Spektrum der Windkrafteinspeisung -39 DC 1a 24h Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

12 Spektrum der Laufwasserkrafterzeugung DC 1a 6m Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

13 Spektrum der Residuallast DC 1a 7d 24h Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

14 Energieeffizienz Weiterer Ausbau Erneuerbarer (Saisonale) Langzeitspeicher Demand Side Integration Kurzzeitspeicher Handlungsfelder und -optionen DC 1a 7d 24h 14

15 Dezentrale Langzeitspeicher? Pumpspeicherpotential (A, S4MG): 5,1 GW, 0,14 TWh 4 Mio BEV (10kW, 30kWh): 40 GW, 0,12 TWh Quelle: Groiß, Maximierung des regenerativen Erzeugungsanteils an der österreichischen Elektrizitätsversorgung,

16 Systemdienstleistungen im Drehstromsystem Lastdeckung Frequenzhaltung Primärregelung/ Sekundärregelung/ Tertiärregelung Momentanreserve 16

17 Frequenzhaltung im Drehstromsystem 52Hz 51Hz 50Hz P G P L 49Hz 48Hz i P G i t P j L j t J d dt 17

18 Frequenzhaltung im Drehstromsystem Wo ist J in diesem Modell? 52Hz 51Hz 50Hz P G 49Hz 48Hz i P G i t P j L j t J d dt P L Frequenzabhängigkeit der Last, nimmt tendenziell ab 18

19 Energiespeicher im Drehstromsystem P G1 P G2 J 2 J 1 P L Welches J hat das Netz? 19

20 Energiespeicher im Drehstromsystem P G1 P G2 P DG J 2 J 1 J nimmt durch höheren Anteil dezentraler, auf Leistungselektronik basierender Einspeiser tendenziell ab! P L

21 Frequenzhaltung im Drehstromsystem Design case: T A = 10s Design case: Systemgröße: 150GW P G Design case: PRL nach Kennlinie P L 52Hz 51Hz 50Hz 49Hz 48Hz Design case: Lasteffekt: 1%/Hz Problem: Durch leistungselektronische Lasten sinkt Lasteffekt Durch leistungselektronische Einspeisungen sinkt J und damit T A 21

22 Schwungmasse im Verbundsystem P t P t G i Lj i j J d dt d dt df dt PG t P i P i P V T A J j L j t P J P P V V =1/T A f d P dt P V T A 2 J TA s PV 22

23 E E E Energie im österr. Verbundsystem 50Hz 1 2 J TA s P 1 2 J 2 P V 2 T V 1 10GW10s 50GWs 13, 9MWh J J J J rot A rot rot 50Hz 50Hz Erot Erot Erot 2J 50Hz 50Hz 23

24 Vorzuhaltende Momentanreserve E E rot rot f 2J J 2 1Hz 4 8% E rot 8% E rot 1,11MWh Voraussetzung: aktivierbar und wirksam zwischen 49Hz und 51Hz innerhalb von wenigen Sekunden (z.b. 3,6s: 1,11GW) Geht nur verteilt (dezentral) 24

25 Systemdienstleistungen im Drehstromsystem Frequenzhaltung Primärregelung/ Sekundärregelung/ Tertiärregelung Momentanreserve Spannungshaltung Blindleistungsbereitstellung Kurzschlussleistung Betriebsführung Versorgungswiederaufbau 25

26 Entwicklungen finden dezentral statt Kluge Vereinfachungen Min./ Max. Last mit/ ohne dez. Einspeisung m/o Demand Side Managem. m/o Q(U), cosφ(u), P(U) m/o dez. Speicher/ E.mob. m/o Kopplungen im Universal Grid 26

27 Virtuelle (dezentrale) Kraftwerke? 27

28 PQ-Diagramm eines Synchrongenerators Spannungsstützend Hohe Last Spannungssenkend Niedrige Last 28

29 Virtuelle Kraftwerke Definition: Koordinierte Steuerung von dezentralen Stromerzeugungseinheiten und regel- bzw. schaltbaren Lasten zu einer verteilten virtuellen Einheit (Virtuelles Kraftwerk), um gesichert auf Anforderung elektrische (Regel-)Leistung bereitzustellen Eigene Darstellung nach Tomschi, WEC-Workshop "Die Energiewende" ( , Wien) 29

30 Kopplungen P/Q durch dezentrale Struktur Dezentrale Strukturen tragen nur begrenzt zum Blindleistungshaushalt von Verbundsystemen bei 30

31 Systemdienstleistungen im Drehstromsystem Frequenzhaltung Primärregelung/ Sekundärregelung/ Tertiärregelung Momentanreserve Spannungshaltung Blindleistungsbereitstellung Kurzschlussleistung Betriebsführung Versorgungswiederaufbau 31

32 Kurzschlussverhalten von Dezentralen Neue Fehlerstromquellen Neue Fehlerstrompfade Neue Fehlerstromdynamik bei Leistungselektronik Neues Wiederzuschaltverhalten 32

33 Grundsätzliche Entwicklungen Durch verteilte Erzeugung steigen die Kurzschlussstrombeiträge dezentraler Erzeuger Verteilte Erzeugung nutzt oft Einspeisetechnologien, die sich stationär und dynamisch stark von direkt angebundenen rotierenden Maschinen unterscheiden Durch verteilte Erzeugung wird die Bildung und der Betrieb (ungewollter oder gewollter) Inselnetze realistischer In solchen Inselnetzen sind Netzimpedanz und Kurzschlussverhältnisse deutlich vom Verbundbetrieb unterschiedlich 33

34 Blinding und Sympathetic tripping ' ' N F N L L F I E c I ' L F L D D N N L D N D N L FL I E c E c I ' 1) ( N F D N L N L D N D FL FN I E c I I D N N FN FD I I Blinding Sympathetic tripping 34

35 Wechselrichterverhalten bei unsymmetrischen Betriebszuständen Regelstrategie von P Momentanwerte von Q Gegensystemströme werden zugelassen usätzliche Stromharmonische IARC konstant konstant ja ja ICPS konstant 100Hz-Anteil nein ja PNSC konstant 100Hz-Anteil ja nein AARC 100Hz-Anteil konstant ja nein BPSC 100Hz-Anteil 100Hz-Anteil nein nein 35

36 Verhalten von dezentralen Erzeugern Elektrische Maschinen über Wechselrichter E ( 1) E I fd I D ( 1) I D U (2) '' 2 '' x d x q I D( 2) 0 (häufig) X ( 0) 6% n 36

37 Unsymmetrische Fehler Elektrische Maschinen über Wechselrichter Kopplung der Systeme 37

38 Performance von 1-poliger Kurzunterbrechung in Netzen mit hohem Anteil von über Umrichter einspeisenden Erzeugern - Modellkonfiguration 380kV 110kV 20kV DG DG DG DG DG DG 38

39 1-polige KU in symmetrischen Komponenten Fehlerbedingung in a,b,c-koordinaten: I a 0, U 0, U 0 b c a b c a b c N N Fehlerbedingung in symmetrischen Komponenten: I I I 0 U U U ( 0) (2), (0) (2) (2) (2) (0) (0) 39 von 167

40 Auswirkungen von DER- Verhalten im (2)-System: 380kV 110kV 20kV I D ( 1) I D U DG DG DG DG (2) (2) I D( 2) 0 (häufig) DG DG (0) (0) 1-polige KU nur dann sinnvoll, wenn gegensystem-fähige Regelstrategie verwendet wird bei vielen DER (noch) nicht implementiert 40

41 Grundsätzliche Aussagen Schutz Es finden Veränderungen an den Anforderungen an Schutzsysteme durch dezentrale Erzeugung findet statt. Diese werden getrieben durch: Neue, verteilte Quellen für Kurzschlussströme im System und dadurch ggf. lokal höhere Kurzschlussleistung sowie Phänomene wie Blinding und Sympathetic tripping. Neue Betriebsmodi, z.b. Microgrids im Inselbetrieb, bei denen die Kurzschlussleistungen stark vom netzgekuppelten Betrieb abweichen und die die Problematik der Inselerkennung und Selektivität aufwerfen. Neue Anlagentypen, insbesondere über Umrichter einspeisende Anlagen, die tendenziell eine (global) geringere Kurzschlussleistung bedingen und ein deutlich von direkt gekoppelten (Synchron- /Asynchron-) Maschinen unterschiedliches Verhalten im Kurzschlussfall (stationär, transient) zeigen. 41

42 Grundsätzliche Aussagen Schutz (2) Das unterschiedliche Verhalten von über Umrichter einspeisenden Anlagen im Kurzschlussfall zeigt sich: stationär durch deutlich kleinere Kurzschlussleistungen aufgrund der Begrenzung auf Nennströme sowie deutlich unterschiedliches Verhalten bei unsymmetrischen Fehlern, weil ggf. kein Gegensystembeitrag oder keine sinusförmigen Ströme geliefert werden sowie transient dadurch, dass nicht subtransiente und transiente Ausgleichsvorgänge innerhalb der elektrischen Maschine, sondern die Übertragungsfunktion der Regelung und Ventilsteuerung dominieren. Außerdem ist die Fault-Ride-Through-Fähigkeit insbesondere größerer Anlagen in der Regel verlangt und gegeben und kann nicht vernachlässigt werden. 42

43 Grundsätzliche Aussagen Schutz (3) Kernaussagen sind also: Auswirkungen aufgrund analytischer Berechnungen werden dort erwartet und treten ggf. dann auf, wenn Fehlerstromanteile aus dem Netz sehr klein sind gegenüber Fehlerströmen durch die Umrichter diese wurden und werden näher untersucht Auswirkungen werden dort erwartet, wo Fehlerströme und spannungen nicht mehr sinusförmig sind diese wurden und werden näher untersucht (z.b. im Inselnetz, z.b. windparkseitige AC-Netze) Schutzkonzepte und Schutzgeräte müssen auf diesen Wandel vorbereitet werden und in ihrer Funktionalität auf die neuen Anforderungen hin überprüft werden 43

44 Conclusio entrale vs. dezentrale Strukturen Egal Aber: Wir brauchen dann auch nicht nur netzverträgliche Strukturen, nicht nur systemstützende Strukturen, sondern systembildende dezentrale Strukturen 44

45 Univ.Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Gawlik TU Wien Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe