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Forschungsbereich Transportnetze


Während vordergründig der Begriff der Energiewende lediglich einen Umbau der Erzeugungsstruktur suggeriert, so gilt es aus gesamtsystemischer Sicht eine weitaus umfangreichere Aufgabenstellung zu beherrschen. Diese umschließt die zunehmende geographische Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch, die massive Integration leistungselektronischer Komponenten in der Energieinfrastruktur sowie die sehr volatile Leistungsbereitstellung nachhaltiger Erzeugungsanlagen. Anspruch der am IEH durchgeführten Forschung im Bereich der Transportnetze ist daher maximale Versorgungssicherheit mit Nachhaltigkeit und neuen Technologien stimmig zu vereinen. Dies erfordert die Betrachtung von Problemstellungen mit hoher Gesamtkomplexität und gekoppelten systemischen Abhängigkeiten. Besonders die Entwicklung methodischer Kompetenz zur Bewertung durchgeführter Energie-systemsanpassungen in den Bereichen optimierte Betriebsführung, dynamischer Stabilität sowie transienter Strom- und Spannungsbeanspruchungen wird forciert vorangetrieben.

 

 

 

Forschungsschwerpunkte im Bereich Transportnetze
Frequenzregelung von Übertragungsnetzen mittels leistungselektronisch gekoppelter Energiespeichersysteme
Modellierung transienter Ausgleichvorgänge in teilverkabelten HGÜ-Übertragungstrecken
Optimaler Generator- und Speicherbetrieb unter Einhaltung von stationären und transienten Netzrestriktionen
Regelung und transiente Fehleruntersuchung von HGÜ-Systemen basierend auf der Modularen Multilevel Umrichtertopologie
Regelung und Stabilität von gekoppelten HVAC/HVDC-Übertragungsnetzen

 

 

Frequenzregelung von Übertragungsnetzen mittels leistungselektronisch gekoppelter Energiespeichersysteme

 

Die Frequenzregelung und Frequenzstabilisierung in Energiesystemen erfolgt durch verschiedene Mechanismen mit unterschiedlichen Antwortzeitkonstanten. Bei instantanen Änderungen werden Gradienten heute maßgeblich durch die Massenträgheit der thermischen Kraftwerksgeneratoren beeinflusst und in ihrer Dynamik limitiert. Steigt beispielsweise die Last in einem Netzverbund rasch an, so gleicht die in der rotierenden Masse gespeicherte Energie die aus dem Gleichgewicht geratene Systembilanz wieder aus, was sich umgekehrt proportional in einem Frequenzeinbruch äußert. Besonders in Deutschland, aber auch in ganz Europa, führen gesellschaftliche Entscheidungen zu einer Reduktion großer thermischer Kraftwerksblöcke. Hier seien speziell der Atomausstieg und die Abschaltung von großen Kohleblöcken genannt. Als mögliche Lösung der so aufkommenden Problematik von reduzierter Massenträgheit wird daher die direkte Einbindung leistungselektronsicher Komponenten oder Einspeiser in einen reaktionsschnellen Frequenzstabilitätsmechanismus diskutiert. Zwar erscheint die hierzu verfügbare, gespeicherte Energie in den Umrichtern zunächst stark limitiert, dennoch gilt es vor allem die erreichbaren Reaktionsgeschwindigkeiten durch Antwortzeiten im niedrigen us-Bereich zu betrachten und ggf. sinnvoll zur Verbesserung der Systemstabilität zu nutzen.

Ansprechpartner: Freiber Rojas, Eng.

 

 

Modellierung transienter Ausgleichvorgänge in teilverkabelten HGÜ-Übertragungstrecken

 

Für zukünftig geplante Hochspannungs-Gleichstrom (HGÜ, engl. HVDC) Übertragungstrassen besteht in Deutschland per Gesetz der Vorrang der Erdverkabelung. Aufgrund unter anderem naturschutzrechtlicher Gründe sind jedoch auch kurze Streckenabschnitte mit Hochspannungsfreileitungen denkbar. In diesen Mischübertragungssystemen bestehend aus Kabel- und Freileitungsabschnitten kommt es bei schnell veränderlichen (transienten) Vorgängen zu Reflexionen der einlaufenden Wanderwellen an den Übergängen Kabel zu Freileitung wodurch lokal erhebliche Überspannungen auftreten können. Teilverkabelte DC-Systeme können eine Neubewertung der Isolationskoordination als auch eine Neuentwicklung des Schutzkonzeptes und der Fehlerklärungsstrategie erfordern. Hierzu werden elektromagnetische Transienten Modelle entwickelt, mittels derer äußere Überspannungen (atmosphärische Entladungen) als auch innere Überspannungen (ausgehend von den Umrichtern) abgebildet und beurteilt werden können. Dazu ist neben dem Verhalten der Freileitungs- und Kabelstrecke mit ihren verteilten, frequenzabhängigen Parametern eine detaillierte Modellierung der Peripherie einschließlich Freileitungsmasten und Muffen erforderlich. Weiterführende Untersuchungen sollen aktive DC Fehlerklärungsstrategien basierend auf einem MMC Regelungskonzeptes hinsichtlich einer Anwendung in teilverkabelten Systemen evaluieren.

Ansprechpartner: Max Görtz, M.Sc.

 

 

Optimaler Generator- und Speicherbetrieb unter Einhaltung von stationären und transienten Netzrestriktionen

 

Durch die Integration von dezentralen Einspeisern müssen unsere elektrischen Netze und Betriebsmittel großen Herausforderungen standhalten und der Netzzustand erreicht immer häufiger gefährliche Grenzbereiche. Mit einem intelligenten Betrieb von Kraftwerken und Speichern können die Belastungen jedoch stark reduziert und Neuinvestitionen verhindert werden. Unter Berücksichtigung von sowohl stationären als auch transienten Restriktionen muss ein wirtschaftliches Kostenminimum gefunden werden. Um auch Speicher optimal zu integrieren ist ein Regelkonzept gefragt, welches bei der Optimierung nicht nur den aktuellen Zustand, sondern ebenso alle Netzzustände innerhalb eines prognostizierten Horizontes berücksichtigt. Das Optimierungsproblem wird bei ausgedehnten Netzen deshalb sehr groß. Daher werden Möglichkeiten untersucht, den hohen Rechenaufwand durch Dekomposition zu verringern. Auch die Integration weiterer Komponenten wie beispielsweise überlagerte Gleichstrom-Netze oder Gasnetze wird untersucht.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Nico Meyer-Hübner

 

 

Regelung und transiente Fehleruntersuchung von HGÜ-Systemen basierend auf der Modularen Multilevel Umrichtertopologie

 

Durch vielschichtige Vorteile hinsichtlich energiesystemrelevanter Eigenschaften und operativer Flexibilität wird in heutigen HGÜ-Projekten mit Transportleitungen von bis zu 1-2 GW die Modulare Multilevel Umrichtertopologie (MMC) in verschiedenen Systemausführungen eingesetzt. Im Vergleich zu früher genutzten zwei-level Voltage Source Convertern (VSC) bestehen jedoch signifikante Unterschiede hinsichtlich der Regelung und der Fehlerklärungsmöglichkeit auf der DC Seite. Besonders die Verwendung von Vollbrückenbausteinen auf der Submodulebene eröffnet gänzlich neue Fehlerdurchfahrungs-Sequenzen. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen haben das primäre Ziel, die maximale Ausnutzung der durch diese Umrichter bereitgestellten Potentiale zu entwickeln und aufzuzeigen. Dies ist gerade im Kontext aktueller innerdeutscher Projekte zur Abschätzung von Projektrisiken und zur Hebung aller Technologiepotentiale von hohem Interesse.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Simon Wenig

 

 

Regelung und Stabilität von gekoppelten HVAC/HVDC-Übertragungsnetzen

 

Die Integration innovativer Modular Multilevel Converter basierter HGÜ-Systeme in synchrone Drehstrom-Verbundnetze erfordert neuartige Methoden zur Bewertung der Stabilität der dadurch entstehenden hybriden Netzstrukturen. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitskalen von dynamischen Ausgleichsvorgängen in beiden Systemen müssen sowohl geeignete Ansätze zur Modellierung ihrer Betriebsmittel als auch neue Verfahren zur dynamischen Simulation ausgedehnter hybrider HVAC/HVDC Netze entwickelt werden. Neben Methoden der Zustandsraumbeschreibung zur Bewertung der Kleinsignalstabilität sollen ebenso dynamische Modelle im Zeitbereich zur Untersuchung von Regelverfahren und Interaktionen zwischen Multiterminal DC-Netzen und dem unterlagerten AC-Netz eingesetzt werden. Die entwickelten Methoden und Verfahren bilden die Grundlage für potentielle weiterführende Fragestellungen wie beispielsweise die Dämpfung von Leistungspendelungen in hybriden Netzen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Yannick Rink