75 jahre elektrotechnik fachhochschule frankfurt am main
TRANSCRIPT
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 1Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
75 Jahre Elektrotechnik
Fachhochschule Frankfurt am Main
Vortrag zur Festveranstaltung
am 2. Dezember 2011
Walter Kühn, Prof. Dr.-Ing.
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewende
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 2Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Inhalt
Ziele
Erzeugungsmix
Zukunktsfähige Netze
Smart Grid EnT und IKT Technologies
Engpasssimulation für Netzausbau
Übertragungssysteme und Windpark Anschluss
Risiken
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 3Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Erzeugungsmix
Offshore und Onshore
Windenergie
Dezentrale Erzeugung
durch PV, Wind und KWK
Kohle- und GuD-Kraftwerke
Gasturbinen- und
Wasserkraftwerke
Beschluss des Bundestags:
39 % Erneuerbare Energien in D bis 2020Anforderungen an den
Erzeugungsmix
Versorgungssicherheit
Wirtschaftlichkeit
Umweltverträglichkeit
Systemzuverlässigkeit
neuer Konzepte, Anlagen
und Systeme
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 4Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Versorgungssicherheit?
Ausbau des Netzes für
Nord-Süd-Transfer
Bau von Energiespeichern
in Norwegen
Anbindung des Nordic
Netzes
Im weiteren Schritt: Bau
eines Nordsee-DC Netzes
System-Zuverlässigkeit?
Sicherstellen der Funktions-
tüchtigkeit
neuer Anlagen und
Systeme
im Netzverbund
durch Echtzeitsimulationen
Anforderungen an zukünftige Netze
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 5Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Netzausbau -
europaweite Planung
ENTSOs – European Network
Transmission Systems Operators
Keine nur regionale oder nationale
Angelegenheit
Quelle: Amprion, Berlin 9.3.2011
Erzeugung Verbrauch
Spannung
Frequenz
TYNDP = Ten year network development plan
National und Europäisch – ÜNB erstellen NEP
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 6Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
LElektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Presentation
at IEEE conference
in Seattle 2009
Zukünftige Einspeisesituation
Hierfür braucht man
Smart Grid IKT
und Smart Grid EnT
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 7Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Smart Grid IKT-Technologies
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Erzeuger
zentralErzeuger dezentral
inkl. SDL
Netzleittechnik – SCADA Übertragung und Verteilung
Wärme u. Strom/ – technisch und kommerziell
Groß-
speicher Übertragung
und Verteilung
Verbraucher inkl.
Plug-in EV
Preis- und anreiz-
basierter Bezug, bzw.
Lieferung
Zustandsschätzung
AMI Advanced Measure-
ment Infrastructure
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 8Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Offshore Windparks in D
Endausbau 25 GW
Nordsee Windfarm Cluster:
Borwin, Dolwin, Helwin, Sylwin
Borwin 1 400 MW
Borwin 2 800 MW
Dowin 1 800 MW
Dolwin 2 900 MW
Helwin 1 576 MW
total 3476 MW
bis 2015
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
© ABB Group
OWP = offshore wind power
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 9Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Turbine & Generator AC Offshore Grid Controls HVDC Controls AC Grid Controls plus Overall Coordinating Controls
Netzanschluss eines Offshore Windparks
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
33 kVac690 Vac 155 kVac +150 kVdc
380 kVac
80 x 5 MW
400 MW
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 10Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Übertragungssysteme
Drehstrom- oder Gleichstromübertragung?
Freileitungsfernübertragung: ab ca. 500 km HGÜ
Seekabel- und Erdkabelübertragung:
ab ca. 60 km HGÜ
Verbindung asynchroner Netze: HGÜ
HVDC Classic – 6000 MW / + 800 kVdc
Line Commutated Converter LCC (netzgeführte SR)
HVDC Light/PLUS – 1000 MW / + 320 kVdc
Self Commutated Converter SCC (selbstgeführte SR)
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 11Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Erde
Pluspol
Minuspol
AC Filterkreise
DC Filter
DC Leitung
12 Puls Stromrichter
mit Thyristoren
StromrichtertransformatorDrehstromleitung
HGÜ klassisch – Bipol
Idc
Idc
Glättungsdrosselspule
N
E
T
Z
1
N
E
T
Z
2
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 12Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
HGÜ klassisch – Current Sourced Converter
Einsatzbereiche: Übertragungsentfernung und
Übertragungsleistung sehr groß
Isolationsanforderungen an Komponenten sehr hoch
Stromrichtertransformatoren mit Gleichspannungs- und
Wechselspannungsbelastung
Hohe Anforderungen an Filterung auf AC und DC Seite
Blindleistungskompensation und Spannungsregelung
sehr aufwändig und technisch äußerst komplex
Firewallwirkung, wenn gut verstanden, ansonsten große
Probleme bei Parallelbetrieb mit AC Leitungen
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 13Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
© ABB Group
800 kV Ventilhalle in Fengxian UHVDC station
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 14Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
HGÜ klassisch – Betriebseigenschaften
Leistungsumkehr durch Spannungsumkehr Isolation
Resonanzgefahr zwischen Filterkreisen und
Netzreaktanz
Gefahr der Spannungsinstabilität
Gefahr des Spannungszusammenbruchs bei
schleichenden Vorgängen Blackout
Häufig zu geringe Beachtung netzschwächender
Einflüsse
VDCOL und Event-triggered Power Order Reduction
funktioniert nicht immer Automatic Voltage Stabilizer
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 15Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
HGÜ Light/PLUS Voltage Sourced Converter
Kondensatoren
Normale Drehstrom-
transformatoren
IGBTs mit
antiparallelen Dioden
hochgetaktet mit
PWM
FilterkreiseDC Leitung
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 16Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
HGÜ Light/PLUS Voltage Sourced Converter
Einsatzbereiche und Betriebseigenschaften
Fernübertragung bei moderaten Entfernungen und Leistungen
Kurzkupplungen - Verbindung asynchroner Netze
Seekabelanschluss von Wind Parks
Offshore-Stromversorgung von Ölplattformen –
Inselnetzfähig, schwarzstartfähig
Kontinuierliche Blindleistungs- und Spannungsregelung
Sowohl Bezug als auch Lieferung von Blindleistung
Durch hohe Taktung gut filterbare Oberschwingungen
Nahezu perfekte Sinusform
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 17Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
HGÜ Light - Betriebseigenschaften
Firewall-Wirkung
Gut regelbar durch Entkopplung von P- und Q-Regelung
Auch bei geringer Wirkleistung Blindleistungslieferung
Leistungsumkehr durch Stromrichtungswechsel
Keine erhöhten Ventilverluste wie bei HGÜ classic bei
90 Grad-Betrieb
Durch schnelle Regelung auch Gefahr der Instabilität
Abhilfe Automatic Transmission Angle Stabilizer
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 18Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Simulation
4 Stabilitätsgrenzen
- Thermisch
- Spannung
- Winkel
- Transient
HVDC
Transmission
2000 MW
PMU/WAMS
slack
1
2
3097 MW
3
81%A
MW
4
85%A
MW
119%A
Amps
900 MW
81%A
MW
5
-7.94 Deg
-97.94 Deg
© Power World Simulator
Überlast-Szenario beim Übergang von Nuklear auf Wind
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 19Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
slack
1
2
2100 MW
3
A
MW
4
A
MW
A
Amps
1900 MW
A
MW
5
-4.28 Deg
-59.36 Deg
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Simulation
4 Stabilitätsgrenzen
- Thermisch
- Spannung
- Winkel
- Transient
HVDC
Transmission
2000 MW
PMU/WAMS
© Power World Simulator
Überlast-Szenario beim Übergang von Nuklear auf Wind
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 20Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Stability Enhancement and Blackout Prevention by
VSC Based HVDC
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 21Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
„Automatic Voltage and
Transmission
Angle Stabilizer“
Europäische Patentanmeldung
10 715 2134
USA Patentanmeldung
13/269,734
Smart Grid EnT-
Technologies
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 22Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Vergleichende Untersuchungen zur Vermeidung
von Spannungsinstabilität
bei klassischer HGÜ
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 23Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
SmarTS Lab at KTH StockholmEmulate Power System using
OPAL-RT eMegaSim Simulator
GPS Synchronized
Measurement Devices
Virtual
Devices
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 24Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
FACTS Flexible AC Transmission Systems
TCR Thyristor Controlled Reactor parallel zur
Kondensatorbatterie
Nachteil TCR: nur spannungsstablisierend im
Arbeitsbereich, an der Grenze plötzlicher
Spannungszusammenbruch
HGÜ + FACTS = Smart Grid EnT-Technologies
- flexibel regel- und steuerbar
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 25Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
HGÜ + FACTS = Smart Grid EnT-Technologies
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
STATCOM in VSC Ausführung für Spannungsregelung und
Batteriespeicher
© ABB Group
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 26Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
HGÜ + FACTS = Smart Grid EnT-Technologies
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
© ABB Group
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 27Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
• Vollumfängliches Verstehen der komplexen
Zusammmenhänge und Wechselwirkungen
• Schwierig durch Unstetigkeiten an Betriebsgrenzen
• Gegenwärtig gibt es keinen State Estimator unter Einschluss
von HGÜ und deren Regelung -> Entwicklungsbedarf
• Hier in Frankfurt ist eine Keimzelle „ein Team von vier
Ingenieuren unter meiner Führung“
• Machen Sie davon Gebrauch!
Voraussetzung zum Einsatz von
Smart Grid EnT Technologien:
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 28Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Abschlussbetrachtung
Angesichts der Komplexität, der Erstmaligkeit und der
immensen Bedeutung für die Deutsche Wirtschaft:
Risiken minimieren I
Simulation auf einem Echtzeitsimulator (z.B. RTDS
oder OPAL)
einschließlich der Windparks und aller
Regeleinrichtungen
Entscheidung für ein DC Netz nur nach Sicherstellen
der Funktionsfähigkeit
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 29Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
Elektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
Risiken minimieren - II
Sicherstellen der fachtechnischen Bearbeitungs-
kapazität des Generalunternehmers und von
Unterlieferanten
Sicherstellen des Knowhows und der
Bearbeitungskapazität der Projektmannschaften
Sicherstellen der Lieferfähigkeit vor Auftragserteilung
Transparenz schaffen durch Audits
Erreichen der gesetzten Ziele
damit aus der Wende keine Halse wird
Fachhochschule Frankfurt am Main –
University of Applied Sciences
02.12.2011 Frankfurt Walter Kühn Folie 30Sta
nd
: Ja
nu
ar
20
09
bElektrische Netze der Energieversorgung im
Zeichen des Energiewandels
© ABB Group
Solare Energie aus Wüstengebieten„90 percent of people live within 2700 km of a desert“