Planung und Optimierung von Niederspannungsnetzen bei dezentraler Stromerzeugung

Abstract

Der zunehmende Kostendruck auf die Verteilernetzbetreiber durch die Liberalisierung der Elektrizitätswirtschaft und der zukünftig vermehrte Einsatz von Brennstoffzellen- und Mikrogasturbinenanlagen in der Hausenergieversorgung ergeben neue Aufgaben für die Planung und Betriebsführung von Niederspannungsnetzen. Die bestehenden Netzreserven müssen besser genutzt und die dezentralen Energieversorgungsanlagen kostenminimal integriert werden. In dieser Arbeit wird ein Optimierverfahren zur Planung von Niederspannungsnetzen vorgestellt. Die Kriterien bilden dabei neben der Wirtschaftlichkeit insbesondere auch betriebliche und technische Planungsgrundsätze zur Einhaltung der Nebenbedingungen wie Spannungsqualität, thermischen Belastbarkeit von Betriebsmitteln und Forderungen zur Versorgungszuverlässigkeit. Die Auswirkungen dezentraler Energieversorgungsanlagen mit möglicher Lastflussumkehr in Form von Spannungsanhebungen, veränderten Betriebsmittelauslastungen, Netzrückwirkungen und die Probleme zur Parametrierung der Netzschutztechnik werden dargestellt und Planungskriterien abgeleitet. Mit den an die Besonderheiten der Niederspannungebene angepassten Berechnungsmethoden und entwickelten Modellen der Netzsystemkomponenten und Erzeugungsanlagen wird die Planungsaufgabe als mathematisches Optimierproblem definiert. Das eingesetzte Lösungsverfahren basiert auf gemischt-ganzzahliger Programmierung, wobei zur effizienten Umsetzung der Lösungsprozedur die Benders-Dekomposition angewendet wird, die das ursprüngliche Problem in eine Folge einfacherer Optimieraufgaben zerlegt. Das Optimierverfahren kann zur Bestimmung der technisch zulässigen Leistungseinspeisung von dezentralen Energieversorgungsanlagen in bestehenden Niederspannungsnetzen und zur kostenminimalen Ermittlung von notwendigen Ausbaumaßnahmen eingesetzt werden. Die Anwendung wird anhand von zwei typischen Versorgungsgebieten demonstriert.

The considerable economy measures in the electrical distribution networks caused by the competitive electricity markets and the increasing use of fuel cells and microturbines in residential energy supply result in new requirements for planning and operation of low voltage networks. The available transmission capability of the grids must be used and distributed power supply systems have to be integrated economically. This thesis presents an algorithm which enables optimal planning of low voltage distribution networks. The goals are cost efficiency as well as operational and technical restrictions like power quality, thermal limits and reliability. The aspects of stationary decentralized power supply stations with possible reversal power flow like voltage rises, different load characteristics of the equipment, voltage fluctations and parameterizing the system protection equipment are discussed and planning criteria are derived. By using calculating tools and models of the energy supply system, which are adapted to the characteristics of low voltage level systems, the planning task can be defined as a mathematical optimization problem. The solution method is based on mixed intereger programming and Benders-decomposition, in which the original problem is split up to simpler subproblems and so it can be solved effectively. The planning algorithm can be used to determine the technically possible interconnection capacity of decentralized power supply plants in low voltage networks and to optimize necessary extensions of the grid. The utilization is shown in two typical examples of low voltage distribution networks.