Statische und transiente Stabilität von Erzeugungsanlagen in Verteilnetzen

Abstract:
Der technische Fortschritt führt, beschleunigt durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz und das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, zu einem Umbruch in der Erzeugungsstruktur für elektrische Energie in Deutschland. Eine direkte Auswirkung ist die Substitution von zentralen Großkraftwerken durch dezentrale Erzeugungsanlagen. Wachsend mit ihrem Anteil an installierter Leistung müssen diese auch mehr und mehr die systemstützenden Anforderungen erfüllen, die bislang nur an große Erzeugungsanlagen gestellt werden. Dass die Einspeisung nicht über Synchrongeneratoren, sondern in der Regel über Asynchrongeneratoren und Umrichter erfolgt, bewirkt hingegen eine Reduktion der synchronisierenden Leistung und einen Verlust an rotierender Masse. Dadurch geht auch Kurzschlussleistung verloren. Die klassische Theorie zur Stabilitätsberechnung ist für die Untersuchung von Erzeugungsanlagen in Verteilnetzen nicht geeignet. Das hohe R/X-Verhältnis der Betriebsmittel bewirkt eine zusätzliche Kopplung zwischen Wirk- und Blindleistungsbilanz des Netzes, mit Wirkungen im stationären und im transienten Betrieb. Die große Anzahl im Netz verteilter Generatoren und deren schwache Kopplung über das gering vermaschte Netz haben zur Folge, dass relativ große Netzausschnitte berücksichtigt werden müssen. Eine einfache Aggregation von Teilnetzen ist nicht möglich. In diesem Aufsatz wird gezeigt, welchen Einfluss eine reduzierte Kurzschlussleistung auf die Stabilität von Maschinen in Verteilnetzen hat. Dabei erschwert der Einsatz unterschiedlicher Maschinentypen die Bewertung der Ergebnisse. Hierfür werden geeignete Methoden vorgeschlagen. Die Verteilnetze werden auf Basis des Erweiterten-Knotenpunkt-Verfahrens (EKPV) beschrieben, wobei die Möglichkeit besteht, Näherungen, wie einen symmetrischen quasistationären Betrieb, anzunehmen. Das resultierende nichtlineare Differenzialgleichungssystem besteht aus den Gleichungen für das elektrische Netz mit gesteuerten Quellen und den Differenzialgleichungen der angeschlossenen Betriebsmittel, deren Zustandsgrößen in die einheitlichen Quellengrößen umgerechnet werden. Ausgehend von diesem Gleichungssystem wird die statische und die transiente Stabilität von Erzeugungsanlagen für verschiedene Szenarien untersucht. An einem Beispielnetz kann gezeigt werden, dass die Kopplung zum überlagerten Netz einen großen Einfluss auf die Stabilität der Maschinen hat. Auch die Ausdehnung des Netzes und die Anzahl installierter spielt eine bedeutende Rolle. Im Gegensatz dazu können Erzeugungsanlagen in unterlagerten Spannungsebenen keinen signifikanten positiven Effekt auf die Stabilität der Generatoren im überlagerten Netz generieren.