Im Rahmen der Diplomarbeit wird analysiert, wie optimierende Modelle zur Energiesystemplanung mit Modellen zur Lastflussberechnung gekoppelt werden können. Die Notwendigkeit für diese Abbildung ergibt sich aus den zu erwartenden Netzengpässen innerhalb Deutschlands, bedingt durch einen starken Zubau von Windenergie-Kapazitäten vor allem im Norden von Deutschlands, sowie durch ein Nord-Südgefälle bei der Neuinstallation von konventionellen Kraftwerken in Kombination mit einem unzureichenden Netzausbau bis zum Jahr 2020.
In optimierenden Energiesystemmodellen werden Elektrizitätsnetze bislang nur stark vereinfacht abgebildet. Die aufgezeigten Probleme machen eine Berücksichtigung von detaillierten Informationen zu Elektrizitätsnetzen in Optimiermodellen notwendig. Es zeigt sich, dass eine Integration von DC-Lastflussrestriktionen, die Verwendung von Power Transfer Distribution Factors, als auch eine Kopplung mit einer vollständigen AC-Lastflussrechnung möglich sind. Die verschiedenen Konzepte werden vergleichend einander gegenüber gestellt und bewertet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Problemstellung
1.2. Zielstellung
1.3. Aufbau der Arbeit
2. Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen
2.1. Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit, Umweltverträglichkeit
2.2. Entwicklung der Erzeugungs- und Verbrauchsstruktur in Deutschland
2.2.1. Erneuerbare Energien
2.2.2. Der konventionelle Kraftwerkspark
2.2.3. Die Laststruktur
2.3. Konsequenzen
3. Das Spot Pricing
4. Die Modellierung von Energieübertragungsnetzen
4.1. Aufbau und Eigenschaften von Energieübertragungsnetzen
4.2. Elektrotechnische Grundlagen der Leistungsflussberechnung
4.2.1. Ursache und Darstellung von Wechselspannungen
4.2.2. Wirk- und Blindleistungen im Wechselstromsystem
4.2.3. Der Blindleistungsbedarf von Netzbetriebsmitteln
4.2.4. Blindleistungsbereitstellung (Kompensationsmittel)
4.3. Planung und Abbildung von Energieübertragungsnetzen mit Modellen
4.3.1. Alternating Current-Modelle (AC-Modell)
4.3.2. Direct Current-Modelle (DC-Modelle)
4.3.3. Erweiterte Direct Current-Modelle
4.3.4. Vergleich und Anwendung von DC- und AC-Modellen
5. Energiesystemmodelle und Netzabbildungen
5.1. Optimierende Energiesystemmodelle
5.2. Modellierung von Leistungsflüssen in Energiesystemmodellen
5.3. Technische und ökonomische Implikationen der Modellierung
6. Kapazitätsbestimmung mit NTC und PTDF
6.1. Die Bestimmung von Net Transfer Capacities
6.2. Die Bestimmung von Power Transfer Distribution Factors
6.3. Vergleich von NTC und PTDF
7. Modellkonzepte für verbesserte Netzabbildungen in PERSEUS
7.1. Vorgehensweise
7.2. Die geografisch detaillierte Abbildung der Netzstrukturen
7.3. Der PTDF-Ansatz
7.4. Integration von DC-Lastfluss-Restriktionen
7.5. Kopplung eines Energiesystemmodells mit einem Lastflussmodell
7.6. Vergleich der Ansätze
7.7. Aktuelle Ansätze anderer Forschungseinrichtungen
8. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit analysiert die Kopplung von optimierenden Energiesystemmodellen mit Modellen zur Lastflussberechnung, um eine realistischere Abbildung von Energieübertragungsnetzen zu ermöglichen. Die zentrale Forschungsfrage untersucht, wie Netzrestriktionen und technische Parameter, die in aktuellen Modellen oft vernachlässigt werden, in das Modell PERSEUS integriert werden können, um die Allokation der Energieerzeugung zu verbessern.
- Analyse der bisherigen Netzmodellierung in Energiesystemmodellen
- Untersuchung von Spot-Pricing und Engpassmanagementsystemen
- Technische Grundlagen der Lastflussberechnung (AC vs. DC)
- Konzepte für eine verbesserte Netzabbildung (z.B. PTDF-Ansatz)
- Methoden der Modellkopplung zur Berücksichtigung technischer Restriktionen
Auszug aus dem Buch
4.3.2. Direct Current-Modelle (DC-Modelle)
Durch Umformungen lassen sich die Gleichung 11 und Gleichung 12 nach folgender Berechnungsvorschrift ausdrücken (vgl. u. a. Schweppe et al., 1988, 313-317, eine Herleitung findet sich in Anhang A 8):
P_ae = -G * U_e^2 + G * U_a * U_e * cos(Θ) - B * U_a * U_e * sin(Θ) (Gleichung 13)
Q_ae = -B * U_e^2 + G * U_a * U_e * sin(Θ) + B * U_a * U_e * cos(Θ) (Gleichung 14)
Die Phasenwinkeldifferenz der Spannungen ergibt sich wiederum aus Θ = ϕ_a - ϕ_e. B bezeichnet den Blindleitwert (Suszeptanz) und G den Wirkleitwert (Konduktanz).
G = R / (R^2 + X^2) (Gleichung 15)
B = X / (R^2 + X^2) (Gleichung 16)
Für die Vereinfachung des AC-Ansatzes zu einem DC-Modell werden die folgenden Annahmen getroffen werden (Schweppe et al., 1988, 314 und Sun/Tesfatsion, 2007, 8):
• Der Wirkwiderstand (R) ist vernachlässigbar gegenüber dem Blindwiderstand (X) der Leitung ae und kann null gesetzt werden. (R = 0).
• Der Betrag der Spannung ist durch die Verwendung von p. u. -Größen für jeden Knoten annähernd gleich eins und entspricht der Eingangsspannung. (U_a ≈ U_e ≈ 1).
• Die Phasenwinkeldifferenz Θ = ϕ_a - ϕ_e über alle Leitungen ist ausreichend klein, so dass cos(ϕ_a - ϕ_e) ≈ 1 und sin(ϕ_a - ϕ_e) ≈ ϕ_a - ϕ_e = Θ.
• Es werden keine Verlustleistungen über die Leitungen berücksichtigt.
• Die Transformatorreaktanzen sind konstant.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Problemstellung der Netzabbildung in Energiesystemmodellen und definiert die Zielsetzung zur Erarbeitung verbesserter Modellkonzepte.
2. Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen: Dieses Kapitel skizziert die sich wandelnden Rahmenbedingungen, wie den Ausbau erneuerbarer Energien und den Atomenergieausstieg, die eine neue Netzplanung erfordern.
3. Das Spot Pricing: Das Kapitel behandelt den effizienten Ansatz des Spot Pricing zur Berücksichtigung von knappen Übertragungskapazitäten.
4. Die Modellierung von Energieübertragungsnetzen: Es werden die elektrotechnischen Grundlagen der Leistungsflussberechnung sowie AC- und DC-Modellansätze detailliert beschrieben.
5. Energiesystemmodelle und Netzabbildungen: Die bisherige Abbildung von Netzen in Energiesystemmodellen, speziell im Modell PERSEUS, wird analysiert.
6. Kapazitätsbestimmung mit NTC und PTDF: Hier werden die Verfahren NTC und PTDF erläutert und ihre Eignung für den grenzüberschreitenden Stromaustausch verglichen.
7. Modellkonzepte für verbesserte Netzabbildungen in PERSEUS: Den Hauptteil bildend, werden hier konkrete Konzepte zur verbesserten Integration von Netzrestriktionen in das Modell PERSEUS dargelegt.
8. Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer zusammenfassenden Bewertung der diskutierten Ansätze zur Modellverbesserung.
Schlüsselwörter
Energiesystemmodelle, Netzabbildung, Leistungsflussberechnung, PERSEUS, Spot Pricing, Nodal Pricing, NTC, PTDF, AC-Modell, DC-Modell, Engpassmanagement, Stromübertragungsnetz, Netzstabilität, Wirkleistung, Blindleistung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit primär?
Die Arbeit analysiert die Herausforderungen bei der Abbildung von Energieübertragungsnetzen in optimierenden Energiesystemmodellen und entwickelt Ansätze, um technische Netzrestriktionen besser zu integrieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Schwerpunkte liegen auf elektrotechnischen Grundlagen der Lastflussberechnung, verschiedenen Modellen zur Kapazitätsbestimmung (NTC/PTDF) sowie der Anwendung des Spot Pricing zur Engpassbewältigung.
Welches primäre Ziel verfolgt der Autor?
Das Hauptziel ist die Erarbeitung eines Konzepts zur verbesserten Netzabbildung im Energiesystemmodell PERSEUS, um realitätsnähere Ergebnisse für Kraftwerksallokationen zu erzielen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es erfolgt eine theoretische Herleitung von Leistungsflussmodellen, deren vergleichende Analyse sowie die Untersuchung praktischer Implementierungsmöglichkeiten durch Modellkopplung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil (Kapitel 7) werden konkrete Konzepte diskutiert, wie Netzrestriktionen – etwa durch den PTDF-Ansatz oder eine Kopplung mit Lastflussprogrammen – in PERSEUS integriert werden können.
Welche Rolle spielt das Energiesystemmodell PERSEUS?
PERSEUS dient als Anwendungsbeispiel, an dem die Diskrepanz zwischen vereinfachter Netzabbildung und technischer Realität aufgezeigt und Lösungsmöglichkeiten erprobt werden.
Warum ist die Unterscheidung zwischen AC- und DC-Modellen so wichtig?
AC-Modelle bilden die Realität zwar präzise ab, führen aber zu komplexen, nicht-linearen Optimierungsproblemen, während DC-Modelle linear lösbar sind, aber technische Aspekte wie Blindleistung vernachlässigen.
Was sind die Hauptschwierigkeiten bei der Kopplung von Modellen?
Die Kopplung scheitert oft an der unterschiedlichen mathematischen Struktur der Modelle (linear vs. nicht-linear) sowie an Rückkopplungsproblemen während der Optimierungsprozesse.
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- Dipl.-Ing Marco Groschke (Author), 2008, Zur Kopplung eines Energiesystemmodells mit einem Modell zur Lastflussanalyse, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/93770
