Systemdienstleistungen von Windparkclustern Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann im Wesentlichen Windausbau davon Großteil zukünftig offshore / Nordsee NDS im Wesentlichen betroffen Wie funktioniert Netzeinbindung offshore WK und welche Herausforderungen stellen sich für die Netzbetreiber Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung http://www.iee.uni-hannover.de

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Einleitung Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement Clustermanagementsystem (WCMS) Wirkleistungsregelung mit dem WCMS Blindleistungsregelung mit dem WCMS Zusammenfassung

Aufbau von Elektroenergiesystemen Leistungstransite Höchstspannungsnetz ~ On- und Offshore WEA Übertragungsnetz Rückspeisungen Hochspannungsnetz Mittelspannungsnetz Verteilungsnetz überregionaler Transport von den Großkraftwerken zu UW in den Ballungszentren, europäischer Strommarkt regionaler Transport/Verteilung von den UW zu den Verbrauchsschwerpunkten, z. B. Großindustrie, UW in Großstädten Energieverteilung von den 110 kV/MS-UW zu den Transformatorstationen Weiterverteilung von den MS/NS-Transformatorstationen In Deutschland wurde bislang eine Stromversorgung auf Basis von Großkraftwerken praktiziert, bei der die Kraftwerke über das ganze Land verteilt möglichst verbrauchsnah errichtet wurden. Auf diese Weise konnten großräumige Stromtransporte vermieden werden. Die Energie floss damit – vereinfacht ausgedrückt – immer in eine Richtung und nur über vergleichsweise kurze Entfernungen vom Übertragungsnetz in die Verteilnetze zu den Verbrauchern auf den verschiedenen Spannungsebenen. Dies wurde durch einen geringen Anteil an dezentraler Erzeugung insbesondere Windenergieeinspeisung nicht gestört Das hat sich mit dem Boom der Windenergie geändert. Mehr und mehr wurden und werden WEA und andere dezentrale Erzeuger in den MS-Netzen errichtet, die z. B. in Starkwindzeiten oder Schwachlastzeiten mehr Energie erzeugen, als in der jeweiligen Region gleichzeitig verbraucht wird. Es kommt zeitweise zur sogenannten Rückspeisung in die HS-Netze, d.h. zu wechselnden Lastflussrichtungen. Die Überschussenergie muss abtransportiert werden. Die Leitungsnetze sind hierfür nicht ausgelegt und geplant worden und können dies nicht uneingeschränkt leisten. Im Ergebnis wirken sich diese Veränderungen auch auf die Spannungsqualität und Versorgungszuverlässigkeit aus. Es kommt zu Spannungsschwankungen aufgrund der wechselnden Einspeisungen, es entstehen höhere Verluste in den Netzen aufgrund des Abtransports der erzeugten Energie. Und die Versorgungszuverlässigkeit sinkt aufgrund der auftretenden Spannungsschwankungen. Wie können diesen auftretenden und wachsenden Problemen begegnet werden und der weitere Ausbau der dezentralen Erzeugung nachhaltig unterstützt werden ohne die Struktur der vorhandenen MS-Netze grundsätzlich ändern zu müssen? Eine Lösung können sogenannte Dezentrale Energiemanagementsysteme kurz DEMS sein, die den Energieeinsatz der dezentralen Erzeuger mit dem Energieverbrauch der Abnehmer koordinieren und die negativen Auswirkungen auf die Netze reduzieren. Ein mögliches Konzept für ein DEMS ist dabei das Prinzip des Microgrids. früher HV: Erz & Transp MV: Verteilnetz monodirektional New MV: Erz & Verteilnetz Variable LF-Richtung Resultate Spannungsschwankungen ( -: Transportweg, +: Rückspeisung, Trafoimpedanz) Netzverluste Sinkende Zuverlässigkeit (power qualilty, Ausfälle, Spannungsstabilität, Verlässlichkeit) DEMS Niederspannungsnetz

Aufgaben und Herausforderungen für die Übertragungsnetze neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben Änderung der Erzeugungs- und Verbrauchsschwerpunkte Ersatz thermischer Erzeugungskapazität durch EEG Kraftwerksneubau und Kernenergieausstieg zunehmende dezentrale Erzeugung, Rückspeisungen aus Verteilnetzen Intensivierung europäischer Strommarkt Auswirkungen und Herausforderungen großräumige Energietransporte in die Lastschwerpunkte volatile Leistungsflüsse, Netzengpässe => Redispatch Einsatz von Ausgleichsleistung und „Schattenkraftwerken“ Bereitstellung von Systemdienstleistungen zur Wahrung der Netzstabilität Spannungshaltung Regelleistungsbereitstellung Schwarzstartfähigkeit und Betriebsführung Energieversorgung insb. elektr,. EV dominiert durch mehrer gesetzliche und politische Rahmenbedingungen: … Stromnetze verantwortlich für Übertragung und Verteilung der elektr. Energie Gesetzliche und politische Rahmenbedingungen, die die Entwicklung der zukünftigen Versorgung mit elektrischer Eneergie auf Basis regenerativer und thermischer Erzeugungskapazität bestimmen. Ersatz älterer therm. Kraftwerke , Kernenergieausstieg (?) Energiebedarf Primärenergieverbrauch sinkt, Anteil elektrischer Energie steigt Ausbau EEg und Ersazu und Neubau konv. KW im Norden Dena-Studie belegt notwendigen Netzausbau zur Abführung der Wind insb. Offshore-Windenergie Netzausbau stößt auf Widerstände => Forderung nach Verkabelung, Teilverkabelung Politik zuerst NS Nied. Erdkabelgesetz Unterschiedliche Betriebsmittel mit unterschiedlichem Stationären und nichtstationärem Betreisbverhalten Unterschiedliche Schutzkonzepte, Überlastverhalten, Zuverlässigkeit, Betriebserfahrungen in der HöS-Ebene, etc. Hier Beschreibung Stationären und nichtstationärem Betreisbverhalten sowie Untersuchung Zwischenverkabelung NETZREGELUNG

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Das Übertragungsnetz, seine Aufgaben und aktuelle Netzsituation Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement Clustermanagementsystem (WCMS) Wirkleistungsregelung mit dem WCMS Blindleistungsregelung mit dem WCMS Zusammenfassung

X Netzregelung Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz Frequenz-Wirkleistungs-Regelung (f-P-Regelung) Spannungs-Blindleistungs-regelung (U-Q-Regelung) Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz jederzeit ausreichende Vorhaltung von Primärregelleistung Sekundärregelleistung und Minutenreserveleistung X ~ Pü f = 50 Hz

Netzzeitkonstante Tm=8 s Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s Sekundärregelleistung Rückgang der rotierenden Massen der konventionellen thermischen Kraftwerke kleinere Zeitkonstante Tm größere Frequenzeinbrüche Primärregelleistung Frequenz  650 mHz

Netzzeitkonstante Tm=4 s Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s Sekundärregelleistung Primärregelleistung Frequenz  910 mHz

Spannungs-Blindleistungs-Regelung (U-Q-Regelung) Generator- regelung Transformator- regelung Kompensations- regelung Verstimmungs- gradregelung Längs: Schräg: Uf ±U U R konventionelle Kraftwerke von „oben“ nach „unten“ Spannungs- stützung Sternpunkt- erdung

Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x100 Mvar 144 Knoten 4 Kraftwerkseinspeisungen Last 14065 MW mit cos=0.9 Umin = 411,5 kV

Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x50 Mvar 144 Knoten 4 Kraftwerkseinspeisungen Last 14065 MW mit cos=0.9 Umin = 410,6 kV

Spannungsprofil: ohne Blindleistungskompensation 144 Knoten 4 Kraftwerkseinspeisungen Last 14065 MW mit cos=0.9 Umin = 409,0 kV

~ ~ Netzengpässe und Engpassbeseitigung durch Redispatch Land A KW A Land B ~ KW B

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement Entwicklungen und deren Auswirkungen auf die Übertragungsnetze Clustermanagementsystem (WCMS) Wirkleistungsregelung mit dem WCMS Blindleistungsregelung mit dem WCMS Zusammenfassung

Aktiver Beitrag zur Systemsicherheit Wirkleistungsregelung Gradient Control Time t P [MW] 300 200 100 t+i t+j t+n f Windleistungsreserve Engpassmanagement Leistungsbegrenzung Gradientenbegrenzung Frequenzregelung Blindleistungsregelung P +Q -Q cos f Capacitive Inductive Adjustable power factor Blindleistungsprognose Blindleistungsregelung Spannungsregelung

“Windenergie als konventionelle Einspeiser” Cluster-Architektur “Logische Aggregation von physikalisch existierenden Windparks die an einem Netzknoten verknüpft sind” Windenergieanlagen Windpark Windpark-Clusters “Windenergie als konventionelle Einspeiser” Quelle: A. J. Gesino, IWES  Übernahme von Kraftwerkseigenschaften

Cluster-Architektur und Windparkclustermanagementsystem (WCMS) Folgetags- prognose Cluster-Regler Netzberechnung Kurzfrist- WCMS Wettervorhersage WP 1 WP n Windpark-Sollwerte Messwerte Clusterprognose Cluster-Befehle Quelle: K. Rohrig, IWES 17

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement Wirkleistungsregelung mit dem WCMS Clustermanagementsystem (WCMS) Übertragungsnetz der Zukunft Blindleistungsregelung mit dem WCMS Zusammenfassung

Leistungsregelung / -begrenzung mit WP-Clustern Kurzfristprognose Folgetagsprognose Quelle: K. Rohrig, IWES ÜNB/VNB: Sollwert für Netzverknüpfungspunkt  zu erfüllen wenn prognostizierter Leistungswert > Sollwert Praxisbeispiel Erzeugungs- bzw. Einspeisemanagement

Praxisbeispiel Erzeugungs- bzw. Einspeisemanagement 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 t I in A 1MGD E19 I_real (A) Grenze Ltg I G (A) I_max (A) Beginn ErzMan Ende ErzMan IGrenze Ieff(t) – 1/4-h-Werte Beispiel: Situation am 12/13.03.2008 EAV Quelle: K. Rohrig, IWES

Regelleistungsbereitstellung durch Androsselung von WEA Quelle: Extended operation control to integrate german (offshore) wind farms, Wolff, Mackensen, Füller, Lange, Rohrig, Fischer, Hofmann, Heier, Valov

Wirkleistungsregelung - Frequenzregelung A1 A2 A0, BO B1 B2 100 50 47 48 49 51 52 53 B3 A3 xx Normierte Leistung [%] Frequenz [Hz] Quelle: K. Rohrig, IWES Regelleistungsbereitstellung durch Androsselung von WEA

Leistungsflussbeeinflussung durch gezielte Einspeiseänderung Bestimmung von Einflussfaktoren auf Basis des Netzgleichungssystems in MVA / MVA oder kA / MVA Auswahl der Windparks mit dem größten Einfluss auf den Engpass Bestimmung der maximal möglichen und erforderlichen Stellleistung Sik=KZSWP

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement Blindleistungsregelung mit dem WCMS Clustermanagementsystem (WCMS) Wirkleistungsregelung mit dem WCMS Netzausbau und Übertragungstechnik Zusammenfassung

Betriebsführungsstrategien – Blindleistung und Spannung Blindleistungsbereitstellung: ÜNB/Grid-Code Anforderungen Bsp.:_National Grid, UK

Betriebsführungsstrategie – Blindleistung und Spannung Arbeitspunkt muss innerhalb der Betriebsgrenzen des Clusters liegen K.. Rohrig, IWES

Blindleistungseinspeisung und Spannungsregelung durch gezielte Einspeiseänderung +10 % Un -10 % Bestimmung von Einflussfaktoren auf Basis des Netzgleichungssystems in kV / Mvar oder Mvar / Mvar lokale Spannungsregelung durch Blindleistungsbereitstellung Verlustminimierung durch gemeinsame Spannungsregelung (optimaler Leistungsfluss) UK=KKQWP

Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement Zusammenfassung Clustermanagementsystem (WCMS) Wirkleistungsregelung mit dem WCMS Blindleistungsregelung mit dem WCMS Zusammenfassung

Zusammenfassung und Ausblick zukünfige Netzsituation in DE wird dominiert durch …  die Änderung der Erzeugungsstruktur und den europäischen Strommarkt die Stromnetze übernehmen Schlüsselfunktion …  koordinierter Ausbau von regenerativen Erzeugungsanlagen und der Netze erforderlich sind … Ausbau der HS- und HöS-Netze für den regionalen und überregionalen Energietransport in die Verbrauchszentren netzverträgliche Integration regenerativer und dezentraler Energie- erzeugungsanlagen Übernahme von Kraftwerkseigenschaften => erweiterte Netzanschlussbedingungen aktiver Beitrag der WEA und Windparks zur Systemsicherheit => Regelleistungsbereitstellung, Spannungs-Blindleistungsregelung, Engpassmanagement, Leistungsregelung, Fahrpläne, etc. netzverträgliche Integration regenerativer und dezentraler Energie-erzeugungsanlagen (Anschlussbedingungen, DEMS, Speicherung, etc.) Ausbau der HS- und HöS-Netze für den regionalen und überregionalen Energietransport in die Verbrauchszentren dezentrale Energieerzeugungsanlagen benötigen dezentrale Energiemanagementsystem mit geeigneten Regelstrategien Netzzustandserfassung in den NS- und MS-Netze Energiespeicherung Kommunikationsnetz (intelligent oder smart generation) Koordinierter Ausbau von dezentralen und regenerativen Energieerzeugungsanlagen und der Netze (z. B. Verfahrensbeschleunigung Genehmigungsverfahren, Kostentragung Kabel-Freileitung, etc.)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann hofmann@iee.uni-hannover.de Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung http://www.iee.uni-hannover.de

Wind on the Grid: Feldtest in Portugal Cluster in Portugal Wind on the Grid: Feldtest in Portugal GENERG Pinhal Interior Gardunha K.. Rohrig, IWES

Wind on the Grid: Feldtest in Portugal Active power Reactive power 48,116 MW 33,658 MVar Spannungsregelung am PCC Pinhal Interior U, cos f, Q K.. Rohrig, IWES

Ergebnisse des Portugiesischen Feldtests - Wirkleistung Verhalten vom Windpark Proença (Pinhal Interior) bei Leitungsbegrenzung auf 2.3 MW für 5 Minuten K.. Rohrig, IWES

Ergebnisse des Portugiesischen Feldtests - Wirkleistung K.. Rohrig, IWES Spannungsregelung (Gardunha)

Das Regenerative Kombikraftwerk II Vor kurzem begonnen: Unterstützung des Netzbetriebs durch EE-Kraftwerke Systemdienstleistungen Frequenzregelung Spannungsregelung K.. Rohrig, IWES

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Herausforderungen für das Übertragungsnetz Anbindung und Integration von großen Wind- und PV-Parks Ersatz konventioneller thermischer Erzeugung durch EEG, Schatten-KW volatile Leistungsflüsse => Einsatz von Ausgleichsleistung Rückspeisung aus unterlagerten Netzen großräumige Energietransporte in die Lastschwerpunkte Bereitstellung von System-dienstleistungen, Netzstabilität Spannungshaltung Regelleistungsbereitstellung Schwarzstartfähigkeit Erzeugung aus konventionellen Kraftwerken Ersatz und Erweiterung der vorhandenen thermischen Erzeugungskapazität (ca. 40 GW bis 2020)  regionaler starker Zubau von Kraftwerken (z. B. Küstenbereich) Kernenergieausstieg wieder in Diskussion Erzeugung aus regenerativen Energien gesetzliche Förderung treibt weiteren Ausbau von regenerativen und dezentralen Energieerzeugungseinheiten insbesondere starker Zubau von Offshore- und Onshore WEA, Biomasse, Photovoltaik, BHKW, etc. in Verteilungsnetzen: kleine dezentral verteilte Anlagen in Übertragungsnetzen: Anschluss großer Windparks insb. Offshore Windparks Ausbau regenerativen Erzeugungseinheiten (insbesondere Wind) erfolgt europaweit

~ ~ Redispatch: Bsp. unvorhergesehene Windstromeinspeisung Erhöhung des Exports von Land A  Land B Leitung A-B ist überlastet Redispatchmaßnahme: Androsselung von KW A Hochfahren von KW B Beseitigung des Engpasses ~ Land A KW A Land B ~ KW B

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Übertragungsnetz Verteilungsnetz On- und Offshore WEA Leistungstransite Übertragungsnetz 220 / 380 kV ~ ~ ~ 110 kV ~ DEA Verteilungsnetz 10, 20 kV 0,4 kV

Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung ÜNB Sollwert (P = 70 MW) Netzverluste? Sollwert 1? Sollwert 2? Sollwert 3? K.. Rohrig, IWES

Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung Wirkleistungskompensation: Bestimmung des Sollwerts an den WP Netzberechnung Bestimmung der Netzverluste (Sollwerte ↔ tatsächliche WL am PCC) Bestimmung eines Kompensations-Windparks (oder alle WP) Neue Netzberechnung mit Verlustkompensation Verluste = 68,5 MW : anheben der Leistung je nach cos Fi…. K.. Rohrig, IWES

Betriebsführungsstrategie – Wirkleistungsregelung Leistungszeitreihe Alcarria  nicht alle Daten, fehlende Daten simuliert Netzdaten fehlen noch teilweise Regelung im Schwachwindbereich nicht möglich K.. Rohrig, IWES

Cluster-Management: Motivation Keine einmaligen Berechnungen, sondern täglich in 10/15-Minuten-Intervallen  dynamische Berechnungen K.. Rohrig, IWES

Betriebsführungsstrategien – Blindleistung und Spannung +Q -Q P Pin, cosin Zusammenhang Cos Fi/Spannung etc. zwischen WP und PCC für jede ¼ Stunde Leistungsfaktor- und Spannungscharakteristik K.. Rohrig, IWES

Netzzeitkonstante Tm=8 s Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s Sekundärregelleistung Rückgang der rotierenden Massen kleinere Zeitkonstante Tm größere Frequenzeinbrüche Primärregelleistung Frequenz  650 mHz

X Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz jederzeit ausreichende Vorhaltung von Primärregelleistung Sekundärregelleistung und Minutenreserveleistung X ~ Pü f = 50 Hz

Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung ÜNB/VNB: Sollwert für Netzverknüpfungspunkt  zu erfüllen wenn prognostizierter Leistungswert > Sollwert K.. Rohrig, IWES