Einfluss von Spannungsstabilitätsproblemen auf die Sicherheit elektrischer Energienetze

Abstract

Die kontinuierliche Erhöhung des Energiebedarfs einerseits, sowie eine Erhöhung der Volatilität der Energieeinspeisung durch regenerative Erzeugung andererseits bewirken, dass die elektrischen Netze zunehmend an die Grenzen ihrer Belastbarkeit gelangen. Eine der Folgen dieser Entwicklung ist die zunehmende Gefahr des Auftretens von Spannungshaltungsproblemen, welche - sofern nicht beherrschbar - im Spannungskollaps münden können. Auf die beschriebene Problematik des Netzbetriebes Bezug nehmend, wurde die vorliegende Arbeit dem Thema "Spannungsstabilität" gewidmet, mit dem Ziel vier Methoden zur Untersuchung der Spannungsstabilität elektrischer Energienetze sowohl in Theorie als auch in praktischer Anwendung zu vergleichen. Folgende Verfahren werden betrachtet:<br />* Continuation Power Flow (CPF) * Knoten-L-Index basierend auf Knotenlasten * Zweig-L-Index basierend auf Zweig-Blindleistungsflüssen * Zweig-L-Index basierend auf maximalen Wirkleistungsflüssen Weitere Schwerpunkte der Arbeit betreffen:<br />* Analyse des Konvergenzverhaltens des innerhalb der CPF-Iterationen erfolgenden Korrektorschritts, Ableitung eines Divergenzindikators.<br />* Entwicklung einer Methode zur Verdichtung des Informationsgehalts der Resultate der CPF-Analyse.<br />Zum Verfahrensvergleich wurde folgende prinzipielle Methodik angewandt:<br />* Durchführung einer vollständigen CPF-Analyse, einschließlich der Ermittlung des unterhalb des kritischen Spannungskollapspunktes liegenden Teils der PV-Kurve.<br />* Danach Ermittlung der L-Indizes unter Verwendung der vom CPF gelieferten Lastwerte und komplexen Kontenspannungen. Somit entspricht jedem Punkt (bzw. jedem Lastwert) der PV-Kurve je ein Punkt der L-Index-Kurven.<br />Als Berechnungswerkzeug fand MATLAB Verwendung, womit auf einfache Art und Weise die graphische Darstellung der Resultate möglich war. Als Testsysteme dienten synthetische Hochspannungsnetze mit 2 bis 17 Knoten.<br />Die Entwicklung einer für beliebige Netze verwendbaren Software wird Gegenstand zukünftiger Arbeiten sein.<br />* PV-Kurve) sind bei entsprechender graphischer Aufbereitung leicht interpretierbar

Growth of load and of energy injected by regenerative sources drives electrical energy grids towards their capacity limits.<br />Consequently, danger of voltage- stability problems is continuously rising, leading to an increase of the expected number of voltage-collapse events in near future.<br />In that context voltage-stability was selected to be the main topic of this dissertation, with a comparison of the efficiency of voltage-stability-index calculation methods as main target of this research.<br />The following methods were taken into consideration:<br />* Continuation Power Flow (CPF) * Node-L-Index basing on loads * Branch-L-Index basing on reactive power flows * Branch-L-Index basing on real power flows Additional emphasis is laid on following topics:<br />* Analysis of convergence behaviour of corrector iterations taking place within each CPF-step, development of a divergence indicator * Development of a method for concentrating the information delivered by the CPF-analysis Comparison of voltage-stability analysis methods was performed applying the following methodology:<br />* Performing CPF-analysis including evaluation of the lower PV-curve part situated below voltage-collapse point * Subsequently, computation of L-indexes using loads and complex voltages delivered by CPF. Thus, each point (each load level) of the PV-curve corresponds to a point of each L-index-curve.<br />MATLAB with its powerful graphical illustration capabilities serves as computation tool. Methods were applied using input data of synthetic high-voltage networks with 2 to 17 nodes. Development of software applicable to real networks with deliberate number of nodes will be topic of future research.<br />