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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
Harmonische Interaktionen zwischen HGÜ-Systemen und dem Drehstromübertragungsnetz
Transiente Ausgleichvorgänge in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen und deren Auswirkung auf die Isolationskoordination

Kostenoptimaler Betrieb im Transportnetz der Zukunft

Regelung und Stabilität von gekoppelten HVAC/HVDC-Übertragungsnetzen
Frequenzregelung von Übertragungsnetzen mittels leistungselektronisch gekoppelter Energiespeichersysteme

 

 

Harmonische Interaktionen zwischen HGÜ-Systemen und dem Drehstromübertragungsnetz

 

Mit zunehmender Installation von erneuerbaren Energieerzeugern stellen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ) eine effiziente Lösung dar, die täglichen sowie saisonalen Schwankungen aus der Erzeugung erneuerbarer Energien örtlich voneinander zu entkoppeln. Derzeit befinden sich mehrere nationale und internationale HGÜ-Korridore (z.B. Nordlink, Ultranet, Südlink, …) in Planung, welche gemäß dem aktuellen Netzentwicklungsplan Leistungen von jeweils 1 -2 GW übertragen sollen. HGÜ-Links repräsentieren somit das Rückgrat des zukünftigen deutschen Energienetzes. Daher muss untersucht werden, welche Interaktionen zwischen den leistungsstarken HGÜ-Systemen und dem bestehenden Drehstromnetz auftreten können. Durch vielschichtige Vorteile hinsichtlich energiesystemrelevanter Eigenschaften und operativer Flexibilität wird in heutigen HGÜ-Projekten zunehmend die Modulare Multilevel Umrichtertopologie (MMC) eingesetzt. Daher ist ein weiteres Ziel dieser Arbeit zu untersuchen, welche netzstützende Flexibilitäten die Modulare Multilevel Umrichtertopologie (MMC) durch Implementierung entsprechender Regelungsverfahren zur Verfügung stellen kann.

 

Ansprechpartner: Carolin Hirsching, M.Sc.

 

Transiente Ausgleichvorgänge in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen und deren Auswirkung auf die Isolationskoordination

 

Für zukünftig geplante Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungstrassen (HGÜ, engl. HVDC) besteht in Deutschland per Gesetz der Vorrang der Erdverkabelung. Aufgrund unter anderem naturschutzrechtlicher Gründe sind jedoch auch kurze Streckenabschnitte mit Freileitungen 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 HGÜ-Systeme können eine Neubewertung der Isolationskoordination als auch eine Neuentwicklung des Schutzkonzeptes und der Fehlerklärungsstrategien erfordern. Hierzu werden am IEH elektromagnetische Transienten (EMT) 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. Zur Analyse von inneren Überspannungen, ausgelöst durch einpolige Fehler und anschließendem Blockieren der IGBTs in den Umrichter-Stationen, sind umfangreiche Kenntnisse im Bereich der Leistungselektronik, Regelungstechnik und EMT-Modellierung erforderlich. Mittels der EMT-Systemstudien können Handlungsempfehlungen zur Isolationskoordination und zuverlässigen Auslegung von HGÜ-Betriebsmitteln erstellt werden.

Ansprechpartner: Max Görtz, M.Sc.

 

 

Kostenoptimaler Betrieb im Transportnetz der Zukunft

 

Durch die wachsende Durchdringung von Erneuerbaren Energien müssen unsere elektrischen Netze und Betriebsmittel großen Herausforderungen standhalten und der Netzzustand erreicht immer häufiger Grenzbereiche. Mit einer intelligenten Arbeitspunktanpassung (Redispatch) von Generatoren und speziellen Betriebsmitteln können die Belastungen jedoch stark reduziert und Neuinvestitionen verhindert werden. Unter Berücksichtigung von sowohl stationären (z.B. thermische Grenzen, Spannungsbänder) als auch transienten Restriktionen (z.B. Rotorwinkelstabilität) kann ein wirtschaftliches Kostenminimum gefunden werden, welches N-1-Sicherheit garantiert. Eine wichtige Rolle im zukünftigen Übertragungsnetz wird hierbei überlagerten HGÜ-Systemen zukommen, welche durch ihr hohes Maß an Kontrollierbarkeit eine sichere und kostengünstige Netzsituation ermöglichen können. Um auch Speicher optimal zu integrieren ist ein Regelkonzept gefragt, welches bei der Optimierung nicht nur den aktuellen Zustand, sondern zudem zukünftige Netzzustände innerhalb eines prognostizierten Horizontes berücksichtigt. Sowohl HGÜ-Systeme als auch Speicher sind gut dafür geeignet, das Netz im N-1-Fall zu stützen und teure präventive Maßnahmen zu reduzieren. Des Weiteren wird die Einbindung und Optimierung zusätzlicher Komponenten wie beispielsweise Phasenschieber oder unterlagerte Gasnetze untersucht.

Das Optimierungsproblem wird bei ausgedehnten Verbundnetzen sehr groß, zudem kann davon ausgegangen werden, dass verschiedene Regionen oder ÜNBs eine gewisse Unabhängigkeit wahren wollen. Deshalb werden Möglichkeiten untersucht, verschiedene Regionen zu koordinieren und trotz lokaler Optimierung zu einem Zonen-übergreifenden sicheren Netzzustand bei minimierten Kosten zu gelangen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Nico Meyer-Hübner

 

 

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

 

 

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: