Beiträge von Erneuerbare-Energien-Anlagen zur Kurzzeitstabilität im deutschen Übertragungsnetz

Der Ausbau von Erneuerbare-Energien-Anlagen (EE-Anlagen) mit Netzanbindung über Umrichter und der Rückgang thermischer Erzeugungsanlagen mit Netzanbindung über Synchrongeneratoren führt zu einer Veränderung der System-dynamik sowie einer potenziellen Gefährdung der Kurzzeitstabilität, da die Abnahme von synchroner Erzeugung mit einer Abnahme stabilisierender Momentanreserve und Kurzschlussleistung verbunden ist. Die heutzutage üblichen netz-folgenden Regelungskonzepte der Umrichter von EE-Anlagen können Momentanreserve und Kurzschlussleistung nicht instantan bereitstellen. Zudem ist ihre Bereitstellung durch EE-Anlagen durch ihre geringen Energiereserven und geringe Überlastfähigkeit stark eingeschränkt. Netzbildende Umrichter sind dagegen in der Lage, Momentanreserve und Kurzschlussleistung instantan bereitzustellen, auch wenn im Umfang geringer als Synchrongeneratoren. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Dissertation untersucht, welche Beiträge netzbildende Regelungskonzepte bei Umrichtern von EE-Anlagen zur Erhaltung der Kurz-zeitstabilität leisten können. Im Fokus steht hierbei die Bereitstellung von Momentanreserve für die Frequenzstabilität und von Kurzschlussleistung für die Spannungsstabilität im Kurzzeitbereich. Das methodische Vorgehen sieht die Entwicklung eines dynamischen Netzmodells des europäischen Übertragungsnetzes vor, welches für EE-Anlagen neben heute üblichen netzfolgenden Netzregelungskonzepten auch netzbildende Regelungs-konzepte einschließlich der Energie- und Stromgrenzen der Umrichter enthält. Durch Variantenvergleich lässt sich der Einfluss netzbildender Umrichter auf die Kurzzeitstabilität anhand des Frequenz- bzw. Spannungseinbruchs nach Fehler-fällen quantifizieren. Ein wesentlicher wissenschaftlicher Beitrag dieser Dissertation besteht in der Entwicklung eines Modells netzbildender Regelungskonzepte unter der Berücksichtigung von Energiemengenrestriktionen sowie maximalen Stromtragfähigkeit der Umrichter von EE-Anlagen, welches zur Zeitbereichssimulation, sogenannten RMS-Simulationen, von großen Elektrizi-tätsversorgungssystemen wie dem europäischen Übertragungsnetz geeignet ist.
Ein weiterer wesentlicher wissenschaftlicher Beitrag dieser Dissertation sind die durchgeführten systemischen Untersu-chungen mit einem dynamischen Netzmodell des kontinentaleuropäischen Übertragungsnetzes für das Zieljahr 2030 mit besonderem Fokus auf das deutsche Übertragungsnetz. Mittels der oben genannten Modelle netzbildender Umrichter wurde untersucht, welchen Beitrag EE-Anlagen bei unterschiedlichen Durchdringungsgraden netzbildender Regelungs-konzepte zur Erhaltung der Kurzzeitstabilität leisten können. Dazu wurden die initialen Frequenzgradienten nach Kraft-werksausfall als Indikator für die Frequenzstabilität im Kurzzeitbereich sowie die Ausbreitung eines Spannungstrichters während eines Kurzschlusses als Indikator für die Spannungsstabilität im Kurzzeitbereich herangezogen. Die Begrenzung von Frequenzgradienten durch die netzbildenden Umrichter der EE-Anlagen trägt dazu bei, dass sich Erzeugungseinheiten im Falle von Leistungsungleichgewichten nicht vom Netz trennen und das Leistungsdefizit vergrößern. Die Begrenzung des Spannungstrichters räumlich sowie im Umfang des Spannungseinbruchs durch die netzbildenden Umrichter trägt dazu bei, dass es zu keinen Unterspannungsschutzauslösungen von Erzeugungsanlagen und infolgedessen zu einem Spannungskollaps kommt.