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2016 | Buch

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Netzberechnung mit Erzeugungsprofilen

Grundlagen, Berechnung, Anwendung

verfasst von: Torsten Werth

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieses Buch erläutert die Methodik für die Zeitreihenberechnung von Photovoltaik- und Windkraftanlagen anhand statistischer Größen. Es hilft, das zeitliche Zusammenwirken der beiden Erzeugungssysteme zu berechnen, Randbedingungen zu bestimmen und für die Dimensionierung technischer und Netzrelevanter Einheiten.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Elektrische Energie ist für die Menschheit unverzichtbar geworden. Sie ist vielseitig einsetzbar, auf zahlreiche Arten zu erzeugen und verlustarm zu transportieren. Sie kann in andere Energieformen wie mechanische Energie oder Wärme gewandelt werden.

In der Industrie wird elektrische Energie zusätzlich für sämtliche Aufgaben der Steuerung und Regelung eingesetzt.

Die Bedeutung der elektrischen Energie im Bereich der Mobilität gewinnt zunehmend an Bedeutung und für die immer wichtiger und leistungsfähiger werdende Informations‐ und Kommunikationstechnologie ist elektrische Energie Grundvoraussetzung.

Dabei hat die Energieversorgung in den Industrieländern eine so hohe Qualität und einen so hohen Stellenwert erreicht, dass Sie von den meisten Menschen als selbstverständlich empfunden wird.

Durch die allgemeinen Anforderungen an die Energieversorgung ergeben sich entsprechende Anforderungen an die Energieverteilnetze.

Die Anforderungen ergeben sich aus Gesetzen, aus den Erwartungen aus der Gesellschaft und aus den ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen.

Torsten Werth

2. Netzplanung

Zusammenfassung

Die Netzplanung kann in die Grundsatz-, die Ausbau- und die Projektplanung unterteilt werden. Jede Planungsart verfolgt unterschiedliche Zielsetzungen und beinhaltet unterschiedliche Aufgabenschwerpunkte. In der Planung wird neben vielen anderen Aspekten die Einhaltung von Grenzwerten überprüft. Spannungen an einzelnen Knoten im Netz müssen Minimal- und Maximalwerte einhalten. Betriebsmittel dürfen thermisch nicht überlastet werden. Sollen Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien angeschlossen werden, müssen diese Grenzen weiterhin eingehalten werden. Durch die Unvorhersagbarkeit zukünftiger Entwicklungen im Zuwachs von Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen gestaltet sich die Netzplanung zu einem abstrakten wie komplexen und spannendem Aufgabenbereich.

Torsten Werth

3. Netzberechnung

Zusammenfassung

Netzberechnung beinhaltet unterschiedlichste Werkzeuge, die zur Planung von elektrischen Netzen eingesetzt werden können. Die Kernelemente sind die Leistungsfluss- und die Kurzschlussstromberechnung. Auch bei anderen Formen der Netzberechnung erfolgen im Hintergrund Berechnungen von Spannungen und Strömen. Durch übergeordnete Verfahren können automatisch mehrere Berechnungen durchgeführtwerden, beispielsweise für Variantenvergleiche oder Optimierungsaufgaben. Die Netzberechnung ist ein wesentlicher Bestandteil der Netzplanung, der zunehmend an Bedeutung gewinnt und sich immer weiter entwickelt. Das Ergebnis hängt vom Netzmodell ab und von den Annahmen, die zur Leistung und Last getroffen werden.

Torsten Werth

4. Photovoltaikanlagen

Zusammenfassung

Die Leistungsangaben einer Photovoltaikanlage als auch eines Photovoltaikmoduls gelten für die STC-Bedingen mit einer definierten Einstrahlung, einer definierten Temperatur und einer definierten Verteilung des Strahlungsspektrums. Die tatsächliche Leistung hängt von der Einstrahlung auf das Modul und von der Modultemperatur ab. Mit zunehmender Temperatur verringert sich die Leistung. Die Wahrscheinlichkeit von Leistung im Bereich der STC-Werte liegt im einstelligen Prozentbereich. Teilverschattungen durch benachbarte Gebäude oder Bäume, Mismatching, Staubbelag und Trackingverluste können sich zusätzlich leistungsmindernd auswirken. Die Einstrahlung ist abhängig von Standort, Jahreszeit, Tageszeit, Höhenwinkel und Azimut.

Torsten Werth

5. Windkraftanlagen

Zusammenfassung

Das elektrische Verhalten von Windkraftanlagen wird durch die Leistungskennlinien beschrieben. Durch die Kennlinie wird vom Hersteller angegeben, bei welcher Windgeschwindigkeit wie viel Leistung erzeugt werden kann. Die Windgeschwindigkeit ändert sich mit der Höhe. Sie wird für die Sensorhöhe angegeben und muss für jede Anlage zur Bestimmung der Leistung auf die Geschwindigkeit in Nabenhöhe umgerechnet werden.

Torsten Werth

6. Zusammenwirken von Windkraft- und Photovoltaikanlagen

Zusammenfassung

Wind ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Durch regionale Besonderheiten ergeben sich spezielle Abhängigkeiten der maximalen Leistung von Photovoltaik bei bestimmten Leistungen durch Windkraft. Diese Abhängigkeit kann durch eine Photovoltaik-Windkraft-Kennlinie abgebildet werden. Je steiler diese fällt, umso größer ist der Vorteil durch die Berücksichtigung von Erzeugungsprofilen. Dafür werden neben den meteorologischen Daten auch Informationen über die Anlagen benötigt. Aus den Zeitreihen der Leistungen werden die Zusammenhänge ermittelt, indem für sämtliche Zeitpunkte die Leistung aus Photovoltaik über die Leistung aus Windkraft aufgetragen werden.

Torsten Werth

7. Anwendungsbeispiel Auslastung von Transformatoren

Zusammenfassung

Im folgenden Beispiel wird ein 110 kV/20 kV‐Transformator hinsichtlich seiner Belastbarkeit untersucht.

Wie bereits erläutert, stellt sich grundsätzlich die Frage, wann der Austausch eines Betriebsmittels sinnvoll erscheint. Werden an ein Netz Windkraftanlagen und Photovoltaikanalgen installiert, deren Nennleistung in Summe größer ist als die zur Verfügung stehende Transformatorenleistung, stehen verschiedene Handlungsoptionen zur Verfügung:

Erhöhung der installierten Transformatorleistung durch zusätzliche Transformatoren.
Erhöhung der installierten Transformatorenleistung durch Ersatz von mindestens einem Transformator gegen einen mit höherer Leistung.
Unveränderte Transformatorenleistung und temporäre Leistungsbegrenzung der Erzeugungsanlagen.
Kurzzeiteiger Betrieb des Transformators oberhalb seines Bemessungsbetriebes.

Jede Handlungsoption hat ihre Vor‐ und Nachteile. Welche Handlungsoption vorzuziehen ist, ist in jedem einzelnen Fall neu abzuwägen.

Torsten Werth

8. Anwendungsbeispiel zur Weitbereichsregelung

Zusammenfassung

Im vorliegenden Beispiel soll gezeigt werden, wie eine Netzberechnung mithilfe von Erzeugungsprofilen bei der Planung einer Weitbereichsregelung eingesetzt werden kann.

Werden in einem Netz die definierten Spannungsgrenzen verletzt, stehen unterschiedliche Lösungsmethoden zur Verfügung. Die umfangreichste ist eine Netzverstärkung, bei der Leitungsquerschnitte erhöht oder zusätzliche Umspannstationen installiert werden. Beide führen zu einer Verringerung der Längsimpedanzen. Nicht immer sind solche Maßnahmen sofort umsetzbar oder es liegt keine ausreichende Planungssicherheit vor, die die Maßnahme rechtfertigt.

Wird ein Netzausbau durchgeführt, so reicht in der Regel eine rechnerische Überprüfung der Grenzwerte durch konventionelle Annahmen. Werden bei maximaler Lastentnahme und keiner Einspeisung durch Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen an allen Knoten im Netz die unteren Spannungsgrenzen weder unterschritten, noch bei der Annahme einer maximalen Einspeisung durch Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen – bei keiner gleichzeitigen Lastentnahme – die oberen Spannungsgrenzen überschritten, so werden die Spannungsgrenzen auch bei allen anderen gemischten Entnahme‐ und Einspeisezuständen eingehalten.

Torsten Werth

9. Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die stetig wachsende Anzahl von Anlagen zur Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen – insbesondere Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen – muss in die vorhandene Infrastruktur der Stromverteilnetze eingebunden werden. Da historisch bedingt die vorhandenen Netze für andere Wege des Leistungsflusses geplant, gebaut und optimiert wurden, ist dies oft nur durch Anpassungen des Stromnetzes möglich. Die Anpassung der Netze soll im Idealfall technisch zuverlässig und wirtschaftlich erfolgen. Um dies zu erreichen sind bei der Integration einzelner Anlagen auch Überlegungen notwendig, ob ein umfangreicher Netzausbau langfristig günstiger erscheint als eine der Situation angepasste Netzoptimierung oder ‐verstärkung. Bei der Vielzahl möglicher Handlungsoptionen müssen alle technischen wie wirtschaftlichen Vor‐ und Nachteile berücksichtigt und bewertet werden.

Die gesteigerten Anforderungen an die Gestaltung elektrischer Netze führen konsequenterweise zu erhöhten und komplexeren Anforderungen an die Netzplanung.

Torsten Werth

Backmatter

Titel: Netzberechnung mit Erzeugungsprofilen
verfasst von: Torsten Werth
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-12728-2
Print ISBN: 978-3-658-12727-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-12728-2