Im Zuge einer sicheren und nachhaltigen Energieversorgung macht sich die EnBW Regional AG als größter Verteilnetzbetreiber Baden-Württembergs bereits Gedanken um einen Netzwiederaufbau nach einem Schwarzfall. Dabei ist es wichtig das Verhalten aller am Netzwiederaufbau beteiligten Komponenten zu kennen. Dies war der Grund die regenerativen Einspeiser anhand dieser Bachelorthesis genauer zu untersuchen. Im Netzgebiet der EnBW Regional AG machen Photovoltaikanlagen 3/4 der eingespeisten Leistung aus regenerativer Erzeugung aus, daher wurden sie in dieser Bachelorthesis besonders genau untersucht. Ein besonderer Teil der Bachelorthesis stellt das Kapitel „Netzwiederaufbau“ und das Verhalten eines Windparks bei einem Netzwiederaufbau dar. In einer vorhergehenden umfangreichen Herstellerabfrage zum Verhalten von Photovoltaikanlagen bei einem Netzwiederaufbau, wurden die Grundsteine für diese Bachelorthesis gelegt. Aufbauend auf dieser Verhaltensabfrage, sowie den geltenden Normen und Richtlinien, wurde anhand von EnBW Stammdaten und durch das Zusammenführen von Daten aus mehreren internen Datenbanken zu den Wechselrichtern einer Photovoltaikanlage, ein Beispielnetzgebiet der EnBW Regional AG genauestens untersucht. Dieses Referenznetzgebiet ist Heuberg-Bodensee und befindet sich im Süden Baden-Württembergs oberhalb des Bodensees. Aus den bekannten Informationen des Referenznetzes konnte eine Leistungs-Zeitkennlinie für das Zuschalten von Photovoltaikanlagen, bei einer konstanten Frequenz von 50 Hz und eine Leistungs-Frequenzkennlinie für das Netzgebiet Heuberg-Bodensee ermittelt werden. Es wurde ein Netzmodell zur Simulation für die Frequenz in Abhängigkeit der Leistungsänderung entworfen und anschließend auf bekanntes Netzverhalten, sowie Messergebnisse aus realen Feldversuchen parametriert. Des Weiteren wurde das bekannte Verhalten der Photovoltaikanlagen aus dem durchschnittlichen Mischungsverhältnis vom Referenznetz in das Netzsimulationsmodell implementiert. Anschließend wurde das Zuschalten unterschiedlich vieler Netzgruppen mit verschiedenem Anteil an Einspeiseleistung aus Photovoltaikanlagen in über 20 Simulationsszenarien betrachtet. Durch genaues Analysieren anderer Netzgruppen, war es möglich die Ergebnisse der Bachelorarbeit auf andere Netzgebiete der EnBW, die Regelzone der Transnet BW, auf ganz Deutschland und darüber hinaus zu übertragen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung und Ziel der Arbeit
2. Grundlagen – Versorgungsnetz
2.1. Aufbau des Versorgungsnetzes
2.2. Netzwiederaufbau
2.3. Grundlagen zur Netzsimulation
3. Regenerative Einspeiser bei einem Netzwiederaufbau
3.1. Windkraftanlagen
3.2. Wasserkraftwerke
3.3. Photovoltaik
4. Herstellerabfrage zum Verhalten von Photovoltaikwechselrichtern bei einem Netzwiederaufbau
4.1. Einschaltverhalten von Photovoltaikanlagen
4.2. Frequenzverhalten von Photovoltaikanlagen
5. Referenznetz Heuberg-Bodensee
5.1. Referenznetzsuche – EnBW Regional AG
5.2. Datenüberblick
5.3. Datenqualität
5.4. Grundlegende Annahmen für die Auswertung der Daten
5.5. Leistungs-Zeit-Verhalten
5.6. Leistungs-Frequenzverhalten
5.7. Auswirkungen der 50,2 Hertz Umrüstung (Beispiel: Heuberg-Bodensee)
6. Simulation „Verhalten von regenerativen Einspeisern bei einem Netzwiederaufbau“
6.1. Annahmen für die Simulation
6.2. Simulations-Modell
6.2.1. Parametrierung des Modells
6.2.2. Simulationsszenarien
6.2.3. Auswertung der Simulation
6.3. Ergebnisse aus der Simulation
6.3.1. Durchführung der Simulation
6.3.2. Zusammenfassung der Simulationsergebnisse
7. Vergleiche verschiedener Daten und Einspeiser
7.1. Vergleich Wechselrichterhersteller vor 2012
7.2. Netzgruppenvergleich – Regelzone der Transnet BW
7.3. Andere regenerative Einspeiser beim Netzwiederaufbau
8. Fazit und Ausblick
8.1. Fazit
8.2. Vorschlag für einen Praxistest
8.3. Ausblick
9. Anhang
9.1. Verhaltensangaben Herstellerabfrage
9.2. Daten Leistungs-Zeit-Kennlinie
9.3. Daten Leistungs-Frequenz-Kennlinie
9.4. Simulationsergebnisse
9.5. Bekannte Daten
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, das Verhalten von Photovoltaikanlagen bei einem Netzwiederaufbau zu analysieren und zu bewerten, um Strategien für eine sichere Wiederherstellung der Stromversorgung nach einem Schwarzfall zu entwickeln. Dabei wird insbesondere das Risiko der 50,2-Hertz-Schleife untersucht, das durch das „Herdenverhalten“ vieler Einspeiser entstehen kann.
- Analyse des Zuschaltverhaltens von regenerativen Einspeisern
- Entwicklung eines Netzsimulationsmodells für den Netzwiederaufbau
- Untersuchung von Herstellerdaten bezüglich der 50,2-Hertz-Problematik
- Evaluierung der Auswirkungen der Systemstabilitätsverordnung (SysStabV)
- Durchführung von Simulationsszenarien zur Stabilitätssicherung
Auszug aus dem Buch
Netzwiederaufbau am Beispiel eines Windparks
Im Folgenden soll der Netzwiederaufbau am Beispiel eines Windparks erläutert werden. Wenn mehrere Windanlagen zusammengeführt werden, macht man eine Umspannstation auf der Hochspannungsseite. Dabei spricht man von einer 100 kV Steckdose. Dies ist zum Beispiel bei einem größeren Windpark der Fall. Die unten abgebildete Abbildung 3-1 soll den prinzipiellen Aufbau eines solchen Windparks darstellen. Ein großer Windpark wird bei einem Netzwiederaufbau manuell an das Netz zugeschaltet. Ein Windpark wird über mehrere Stufen hochgefahren. Das dauert ungefähr ein bis zwei Stunden, je nach Größe des Windparks. In der ersten Stufe wird das mit Diesel betriebene Notstromaggregat angefahren. Durch dieses bekommt der Windpark seine Schwarzstartfähigkeit.
In diesem Beispiel besitzt jeder Strang ein solches Notstromaggregat, es liefert eine Spannung von 0,5 kV. Ist das Notstromaggregat angefahren, wird es mit den Windrädern zusammengeschaltet. Über einen Transformator wird die Spannung von 0,5 kV auf 33 kV hochtransformiert. Die Windräder haben nun eine Versorgungsspannung und somit die für den Asynchrongenerator wichtige Erregerspannung. Die Erregerspannung wird benötigt, damit die Windräder Strom produzieren können. Wenn sich nun die Spannung und Frequenz stabilisiert hat und genügend Blindleistung für die Spannungshaltung bereitgestellt wird, kann über ein Synchronisierungsgerät, das Synchronisieren mit dem Versorgungsnetz begonnen werden. Ist die Frequenz synchron und alle anderen Parameter stimmen überein, werden die einzelnen Teile des Windparks an das Netz hinzugeschaltet (siehe Abbildung 3-2), dies geschieht meist über Funk.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung und Ziel der Arbeit: Diese Einführung beschreibt die Problematik eines flächendeckenden Blackouts und definiert das Ziel der Arbeit, das Herdenverhalten von regenerativen Einspeisern zu untersuchen.
2. Grundlagen – Versorgungsnetz: Das Kapitel erläutert die Struktur der deutschen Stromnetze, die verschiedenen Spannungsebenen sowie die Mechanismen und Strategien für einen Netzwiederaufbau.
3. Regenerative Einspeiser bei einem Netzwiederaufbau: Hier werden die Rollen verschiedener regenerativer Erzeugungsarten wie Windkraft, Wasserkraft und Photovoltaik im Kontext des Netzwiederaufbaus analysiert.
4. Herstellerabfrage zum Verhalten von Photovoltaikwechselrichtern bei einem Netzwiederaufbau: Dieses Kapitel fasst die Umfrageergebnisse zur Reaktion von Wechselrichtern auf Frequenzschwankungen und deren Implementierung von Normen wie der VDE-AR-N 4105 zusammen.
5. Referenznetz Heuberg-Bodensee: Das Netzgebiet Heuberg-Bodensee dient als Beispielnetz, an dem das Verhalten und die Zusammensetzung der Photovoltaik-Leistung anhand von EnBW-Stammdaten detailliert ausgewertet werden.
6. Simulation „Verhalten von regenerativen Einspeisern bei einem Netzwiederaufbau“: In diesem zentralen Kapitel wird ein Netzmodell entwickelt und in zahlreichen Szenarien simuliert, um die Stabilität bei unterschiedlichen Anteilen an Photovoltaik-Leistung zu testen.
7. Vergleiche verschiedener Daten und Einspeiser: Hier werden die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Referenznetz auf andere Netzgebiete und die gesamte Regelzone der Transnet BW übertragen.
8. Fazit und Ausblick: Das Kapitel bewertet die Ergebnisse, empfiehlt die Beibehaltung der Strategie zur gestaffelten Zuschaltung und gibt einen Ausblick auf künftige Herausforderungen.
Schlüsselwörter
Netzwiederaufbau, Photovoltaik, Schwarzfall, EnBW, Wechselrichter, 50,2-Hertz-Problem, Frequenzstabilität, Systemstabilität, Leistungs-Zeit-Kennlinie, Netzsimulation, Regelzone, Transnet BW, Regenerative Einspeiser, Leistungs-Frequenzverhalten, Umrüstung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht das Verhalten von dezentralen regenerativen Einspeisern, primär Photovoltaikanlagen, während eines Netzwiederaufbaus nach einem Stromausfall.
Welche Themenfelder sind zentral?
Die Schwerpunkte liegen auf der Netzstabilität, dem Einfluss der Frequenz auf das Einspeiseverhalten von Wechselrichtern und der Problematik der 50,2-Hertz-Abschaltung.
Was ist die primäre Forschungsfrage?
Wie reagieren regenerative Erzeuger, insbesondere Photovoltaikanlagen, bei einem Netzwiederaufbau und ab welchem Anteil an Einspeiseleistung entstehen kritische Frequenzprobleme?
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Autorin kombiniert eine theoretische Analyse geltender Normen und Herstellerdaten mit einer empirischen Auswertung von Stammdaten und einer numerischen Netzsimulation mittels MATLAB Simulink.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der Analyse eines spezifischen Referenznetzes, der Herstellerbefragung zur Wechselrichter-Parametrierung und der Durchführung umfangreicher Simulationsszenarien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Netzwiederaufbau, Photovoltaik, 50,2-Hertz-Problematik, Systemstabilität und Netzsimulation.
Warum sind ältere PV-Anlagen ein spezielles Problem?
Ältere Wechselrichter, die nicht nach modernen Normen umgerüstet wurden, trennen sich bei Frequenzen von 50,2 Hz schlagartig vom Netz, was bei hohen Anteilen eine Frequenzschleife ("Jo-Jo-Effekt") auslösen kann.
Warum sind Pumpspeicherkraftwerke beim Netzwiederaufbau so wichtig?
Sie sind schwarzstartfähig, liefern schnell die notwendige Schwungmasse zur Frequenzstabilisierung und können als regelbare Last im Pumpbetrieb zur Netzdämpfung dienen.
- Arbeit zitieren
- Florian Biesinger (Autor:in), 2014, Das Verhalten regenerativer Einspeiser bei einem Netzwiederaufbau, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/281425
