Strom Grundlage der modernen Gesellschaft Ohne Strom geht nichts!?! 1
USA Blackout am 14. August 2003 50 Mio. Menschen betroffen Großbritannien/London Blackout am 28. August 2003 ca. 1 Mio. Menschen betroffen Brasilien Blackout am 10. November 2009 ca. 40 Mio. Menschen betroffen Presse: Chaos an der Copacabana Blackout am 4.11.2006 in weiten Teilen Europas: ca. 10 Millionen Menschen betroffen Italien Blackout am 28. September 2003 über 57 Mio. Menschen betroffen Ohne Strom geht nichts!?! 2
Kontakt Dipl.-Ing. Joachim Lehner Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik Pfaffenwaldring 23, 70569 Stuttgart Ansprechpartner: (Vorlesungen, Bachelor-/Studien-/Diplomarbeiten, /Diplomarbeiten Anwendungsfach, HiWi-Stellen, ), Zi 1.76, 0711-685 66207, joachim.lehner@ifk.uni-stuttgart.de D. Schlipf Zi 1.73, 0711-685 66213, dominik.schlipf@ifk.uni-stuttgart.de Anwendungsfach für Kybernetiker (B.Sc.) am IFK: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung Informationen unter www.techkyb.de 3
Ankündigung: Kraftwerksführung durch das HKW Pfaffenwald nach der Vorlesung Dauer: ca. 30 Minuten 4
Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 54 o N 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 36 o E 24 o E 0 o 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz 5 12 o E
Ausdehnung des Europäischen Verbundnetzes Frequnezmssanlagen des IFK Aalborg Gliwice Stuttgart Timisoara Zagreb Istanbul Madrid Sevilla Athen Algier Sfax Izmir Frequenzsynchroner Anschluss der Türkei am 18.09.2010 Amasya Batman Konya TAM Türkei ENTSO-E ERGCE 6
Türkeianschluss Anschluss der Türkei an das europäische Verbundnetz am 18.09.2010 [Hz] Frequenz f [ 50.1 50.08 50.06 50.04 50.02 50 49.9898 Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman 49.96 49.94 49.92 07:00 07:10 07:20 07:30 07:40 Uhrzeit UTC 7
Türkeianschluss Anschluss der Türkei am 18.09.2010 Anschluss gegen g 9:25 Uhr MEZ 50.06 50.04 50.02 Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman [Hz] Frequenz f [ 50 49.9898 49.96 07:23:00 07:23:30 07:24:00 07:24:30 07:25:00 07:25:30 07:26:00 Uhrzeit UTC 8
Türkeianschluss Anschluss gegen 9:25 Uhr MEZ Abwurf der Türkei gegen g 10:44 Uhr MEZ Erneuter Anschluss gegen10:46:30 Uhr MEZ [Hz] Frequenz f [ 50.05 50.04 50.03 50.02 50.01 50 49.99 Sfax Sevilla Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman 49.98 49.97 49.96 08:43 08:44 08:45 08:46 08:47 08:48 08:49 08:50 08:51 08:52 08:53 08:54 08:55 Uhrzeit UTC 9
Frequenzverhalten Verbesserung des Frequenzverhaltens in der Türkei Verringerung g der Frequenzabweichungen 50.4 vor Anschluss nach hanschluss 50.3 50.2 Frequenz [Hz] 50.1 50 49.9 49.8 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 Uhrzeit UTC 10
Frequenzverhalten Verbesserung des Frequenzverhaltens in der Türkei Verringerung g der Frequenzabweichungen Netzpendelungen stark ausgeprägt, mit hohen Amplituden Frequenz f [Hz] 50.025 Sfax Sevilla 50.02 50.015015 50.01 50.005005 50 Stuttgart Zagreb Athen Ankara Batman 49.995 49.99 49.985 08:53:00 08:53:30 08:54:00 08:54:30 Uhrzeit UTC 11
Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 54 o N 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 36 o E 24 o E 0 o 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz 12 12 o E
Das Europäische Verbundnetz www.entsoe.eu 13
Das Europäische Verbundnetz www.entsoe.eu Frequenzsynchrones Gebiet: ehemals UCTE andere synchron angeschlossene nationale Teilnetze 14
Das Europäische Verbundnetz Starklast: P Last > 300 GW (tagsüber, Werktage) 54 o N Schwachlast: P Last» 160 GW Last (nachts, Sonn- und Feiertage) 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 0 o 12 o E 24 o E 36 o E Mögliche weitere Erweiterungsschritte des UCTE-Netzes: 380 kv 220 kv Erweiterung Richtung Baltikum, Schließen des Mittelmeerrings HGÜ HGÜ: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 15
Horizontale und vertikale Netzgliederung ~ ~ ~ S 300 MVA GN (Generator-Nennscheinleistung) Übertragungsnetz 380 / 220 kv Kuppelleitungen zu benachbarten Verbundpartnern ~ ~ S GN 40... 300 MVA Verteilungsnetz 110 kv / 220 kv S TN 100... 300 MVA (Trafo-Nennscheinleistung) großes Industrienetz ~ Versorgungsnetz 20 kv / 10 kv kleines Industrienetz Kleinerzeuger: S ~ ~ ~ GN 40 MVA 16
Aufgaben der Netzregelung Blindleistungs-Spannungs-Regelung Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Erzeuger Spannungshaltung (z.b. 110, 220, 380 kv) Verbundnetz Leistungsgleichgewicht Frequenz Leistungsübertragung, Kompensation des Blindleistungshaushalts der Übertragungsleitungen Verbraucher Blindleistungserzeugung Wirkleistungserzeugung Wirkleistungsverbrauch 17
Blindleistungs-Spannungs-Regelung Aufgabe: Halten der jeweiligen Spannungsebene durch Ausgleich des Blindleistungshaushalts a) Betrachtung einer Freileitung it Ersatzschaltbild : Blindleistungsbedarf: U I X L (Längsinduktivität) 1/X C (Querkapazität) Q FL = I 2 X L U 2 1/X C b) Betrachtung eines Teilnetzes Q TN = Q FL + Q Last Q TN kann positiv oder negativ sein: abhängig von Lastfluss und Lastverhalten 18
Blindleistungs-Spannungs-Regelung Aufgabe: Halten der jeweiligen Spannungsebene durch Ausgleich des Blindleistungshaushalts c) Blockschaltbild ltbild der Spannungsregelung eines (Kraftwerks-) Generators: Erregerspannung beeinflusst den Arbeitspunkt des Generators, und damit die Blindleistungs-Einspeisung Spannungsregler p T : Turbinenleistung p G : eingespeiste Generator-Wirkleistung q G : eingespeiste i Generator-Blindleistung i t n G : Generator-Drehzahl f: Netzfrequenz u G : Generatorspannung (Istwert) u G,soll : Generatorspannung (Sollwert) u e : Erregerspannung (Stellgröße) ug : Generator-Spannungswinkel 19
Blindleistungs-Spannungs-Regelung Aufgabe: Halten der jeweiligen Spannungsebene durch Ausgleich des Blindleistungshaushalts c) Blockschaltbild ltbild der Spannungsregelung eines (Kraftwerks-) Generators: Erregerspannung beeinflusst den Arbeitspunkt des Generators, und damit die Blindleistungs-Einspeisung Arbeitsbereich eines Synchrongenerators P max P Bereich der Wirkleistungs- Frequenz-Regelung Bereich der Blindleistungs- Spannungs-Regelung S n P min P Wirkleistung Q Blindleistung S Scheinleistung Q min 0 Q max Q 20
Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Erzeuger Verbraucher 21
Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: 1. Leistungsgleichgewicht Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Erzeuger erzeugte Wirkleistung muss sofort verbraucht oder gespeichert werden: P Erzeuger = P Verbraucher + P Speicher Es existieren nur begrenzte Möglichkeiten zur Speicherung elektrischer Energie, u.a.: in einem Reservoir (z.b. Wasser, Druckluftspeicher) in Batterien (aktueller Trend: E-Mobility) in rotierenden Schwungmassen Verbraucher 22
Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Erzeuger Zusammenhang zwischen Netzfrequenz und Leistungsgleichgewicht a) P Erzeuger = P Verbraucher Leistungsgleichgewicht / Frequenzgleichgewicht f b) P Erzeuger < P Verbraucher Erzeugerausfall / Verbraucherzuschaltung Frequenz fällt ab f Verbraucher c) P Erzeuger > P Verbraucher Erzeugerzuschaltung / Verbraucherausfall Frequenz steigt an f 23
Wirkleistungs-Frequenz-Regelung Aufgabe: Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch Verbraucher Wirkleistungs-(Un)gleichgewicht P an der Regelung unbeteiligte Erzeuger P Netz f f soll = 50 Hz Erhöhung / Erniedrigung der Wirkleistungs-Einspeisung Regelkraftwerke Pi Primärregelung Sekundärregelung Tertiärregelung Regelkraftwerke: bevorzugt: Pumpspeicherwerke, moderne Kohlekraftwerke, Gasturbinen/GuD-Kraftwerke weniger eingesetzt: Kernkraftwerke (bis auf Frankreich), ältere verschleißanfällige Kohlekraftwerke, Laufwasserkraftwerke nicht ohne Weiteres einsetzbar: erneuerbare Energien (z.b. Wind), da nicht zu jeder Zeit verfügbar 24
Wirkleistungs-Frequenz-Regelung - Lastabwurfkonzepte a) 5-Stufenplan b) ehemaliger 8-Stufenplan für das Berliner Inselnetz Frequenz 50,0Hz 49,5 49,8 Stufe 1: Alarmierung des Personals Einsatz der noch nicht mobilisierten Kraftwerksleistung 49,5 49,0 48,7 48,5 48,4 48,0 Stufe 2: Unverzögerter Lastabwurf von 10 15% der Netzlast Stufe 3: Unverzögerter Lastabwurf von weiteren 10 15% der Netzlast Stufe 4: Unverzögerter Lastabwurf von weiteren 15 20% der Netzlast 8 i 1 8 Stufen á5% * PVi 40% 48,6 47,9 47,5 47,5 Stufe 5: Abtrennen der Kraftwerke vom Netz ~ 47,0 Abschaltung der Kraftwerksblöcke 25
Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Kraftwerksausfall von 776 MW in Atatürk am 29.09.2010 49.97 49.96 49.95 49.94 Frequenz [Hz] 49.93 49.92 49.91 49.9 49.89 Türkei, Diyarbakir Türkei, Manisa Griechenland Kroatien Stuttgart Spanien Algerien Tunesien 20:06:25 20:06:30 20:06:35 20:06:40 20:06:45 20:06:50 20:06:55 20:07:00 Uhrzeit [UTC] 26
Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Große relativ schnelle Leistungsänderungen, z.b. durch Fluktuationen erneuerbarer Energiequellen KW 47, 2009: 16000 Spitzen-Windeinspeisung > 20 GW 14000 ]MW] stung [MW] d-leistung [ speiste Wind Leis Eingesp 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Tage vom 1. Mai bis 3. Juli 2006 27
Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Im Wesentlichen zwei Probleme mit der Prognose der Windleistung Quelle: EON Teilweise sehr große Prognosefehler Teilweise gute Prognose, aber mit Zeitverzug Ausgleich durch Regelenergie 28
Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts Änderung der Verbraucherlast aus Sicht des Übertragungsnetzes: Durch extrem starke Zunahme der Photovoltaik in Deutschland 80000 70000 60000 Leistu ung [MW W] 50000 40000 30000 20000 10000 0 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 00:00:00 Last Deutschland 10000 20000 30000 40000 50000 29
Störungen des Wirkleistungsgleichgewichts DESERTEC: Regenerative Stromerzeugung fern der Lastzentren, Übertragung über tausende von Kilometern 30