Stabilität von Übertragungsnetzen mit starker regenerativer Erzeugung

Abstract

Auf Grund ihrer besonderen Vorzüge wird elektrische Energie weltweit immer mehr nachgefragt. In Europa (EU-25) ist der Verbrauch in den letzten 10 Jahren um 32 % gestiegen. 2006 betrug der Anteil der fossilen (Kohle, Erdöl und Erdgas) und nuklearen Brennstoffe an der Stromerzeugung 85 %.<br />Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien kann wegen deren geringer Energiedichte nicht, wie bei konventionellen Kraftwerken, räumlich konzentriert werden, sondern ist auf viele dezentrale Anlagen kleiner Leistung verteilt. Je mehr dezentrale Kraftwerke in ein Netz einspeisen, umso größer sind deren Auswirkungen auf die Stabilität.<br />In der vorliegenden Arbeit wird die Stabilität elektrischer Netze mit starker regenerativer Erzeugung untersucht. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulationen wird das Netzberechnungsprogramm NEPLAN verwendet. Nach einer kurzen Einführung, in der die Ausgleichsvorgänge und die Stabilitätsbegriffe erläutert werden, folgt die mathematische Beschreibung der Synchronmaschine. Anhand eines Ein-Maschinen-Problems wird das dynamische Verhalten der Synchronmaschine simuliert. Sodann wird das Modell der Synchronmaschine um eine Turbinen- und Spannungsregelung erweitert, um weiterführende Simulationen durchführen zu können.<br />Anschließend wird ein realitätsnahes Modellnetz mit starker regenerativer Erzeugung gebildet. An diesem Modellnetz werden in verschiedenen Szenarien die maßgebenden Einflussfaktoren auf die Stabilität untersucht. Dabei werden Lastsprünge, Windschwankungen, Netztrennungen und Kurzschlüsse simuliert und die jeweiligen Stabilitätsgrenzen, insbesondere jene der transienten Stabilität, ermittelt.<br />

Demand for electrical energy is rising worldwide due to its special advantages. Energy consumption in Europe (EU-25) has risen by 32 % in the last 10 years. In 2006 fossil fuels (coal, crude oil and natural gas) and nuclear energy amounted to 85 % of electricity generation.<br />Energy density of renewable forms of energy is low. Therefore electricity generation cannot be concentrated as is possible in conventional power plants. Electrical energy is generated in many distributed small scale power plants. The more decentralized power stations feed a grid, the higher is their impact on power system stability.<br />This paper investigates the stability of electrical grids with considerable electricity generation from renewables. For the necessary simulations the power system analysis tool NEPLAN is used. After a brief introduction explaining the transient phenomena and concepts concerning power system stability a mathematical description of the synchronous machine is presented. First of all, a single machine is used to show its dynamic behaviour. Then the model of the synchronous machine is extended by a turbine governor control system and a voltage regulator in order to carry out further simulations.<br />Finally, a realistic grid model containing significant electricity generation from renewables is formed. This grid model serves to show the decisive factors on stability. Various scenarios are analysed. Step changes in load, wind variabilities, grid separations and short circuits are simulated and the respective limits of stability, in particular those of transient stability, are investigated.