Berücksichtigung von Betriebsführungskonzepten hybrider AC/DC-Mittelspannungsnetze in der Netzplanung
von Niklas WehbringIm Zuge des Zubaus von Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energien sowie Veränderungen der Verbraucher-struktur entsteht ein Handlungsbedarf für Verteilnetzbetreiber, ihre Stromnetze zu ertüchtigen. Dafür steht dem Verteil-netzbetreiber heutzutage ein Portfolio aus konventionellem, auf Drehstrom basierendem Netzausbau sowie Flexibilitäten der Anlagen der Netznutzer zur Verfügung. Durch technologische Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik kann das Portfolio insbesondere für Mittelspannungsnetze zukünftig um die Planung von DC-Netzstrukturen erweitert werden, deren Integration in die historisch gewachsenen AC-Netze zu hybriden AC/DC-Netzen führt.
Grundlage jeder Netzplanungs-entscheidung sind betriebliche Kenngrößen wie die prognostizierte Netzauslastung, die Anforderungen an die Auslegung von Betriebsmitteln, Bedarfe für netznutzerseitige Flexibilität sowie Netzverluste. Das Ziel dieser Dissertation war es, ein computergestütztes Vorgehen zu entwickeln, das die betrieblichen Kenngrößen in Abhängigkeit auszugestaltender Betriebsführungskonzepte ermittelt und somit einen Beitrag zu einer Investitions-entscheidung für DC-Netzstrukturen in elektrischen Verteilnetzen liefert.
Erster wissenschaftlicher Beitrag ist der Entwurf von drei Betriebsführungskonzepten für hybride AC/DC-Mittelspannungs-netze, die Umrichter, Transformatoren und Anlagen der Netzkunden so steuert, dass Strom- und Spannungsgrenzwerte des Netzes gewahrt bleiben, die Leistungsbilanz von DC-Teilnetzen ausgeregelt und Netzverluste minimiert werden. Die Betriebsführungskonzepte sind hierarchisch strukturiert: Sie sehen lokale Regelungen anhand von Kennlinien zur schnellen Reaktion auf veränderte Netzzustände und eine übergeordnete Parametrierung der Kennlinien vor. Die entworfene zweistufige Umrichterregelung ist unter Berücksichtigung multikriterieller Anforderungen, d. h. Spannungs-haltung und Engpassvermeidung sowie Bilanzausgleich für DC-Teilnetze, optimiert.
Ein weiterer Neuheitswert dieser Dissertation ist ein zweistufiges Betriebssimulationsverfahren, mit Hilfe dessen betriebliche Kenngrößen im Normalbetrieb sowie bei Betriebsmittelausfällen bestimmt werden. Die erste Verfahrensstufe modelliert die übergeordnete Optimierung der Reglerparameter und führt zu einem nichtlinearen Optimierungsproblem, welches nutzer-seitige Flexibilitätsabrufe und Netzverluste minimiert. Als Freiheitsgrade werden neben nutzerseitigen Flexibilitätsabrufen, die Stufenstellung von HS/MS-Transformatoren, die Blindleistungsbereitstellung von Anlagen der Netzkunden sowie Soll-werte von Umrichterbetriebspunkten an der Schnittstelle von AC- und DC-Netzstrukturen herangezogen. Zur Beherrschung der Modellkomplexität wird eine Relaxation durch einen Second Order Cone durchgeführt. Auf der zweiten Verfahrensstufe werden die quasi-stationären Auswirkungen der derart parametrierten lokalen Regelungen von Umrichtern, Trans-formatoren und Erzeugungsanalgen in Folge von Betriebsmittelausfällen simuliert.
Grundlage jeder Netzplanungs-entscheidung sind betriebliche Kenngrößen wie die prognostizierte Netzauslastung, die Anforderungen an die Auslegung von Betriebsmitteln, Bedarfe für netznutzerseitige Flexibilität sowie Netzverluste. Das Ziel dieser Dissertation war es, ein computergestütztes Vorgehen zu entwickeln, das die betrieblichen Kenngrößen in Abhängigkeit auszugestaltender Betriebsführungskonzepte ermittelt und somit einen Beitrag zu einer Investitions-entscheidung für DC-Netzstrukturen in elektrischen Verteilnetzen liefert.
Erster wissenschaftlicher Beitrag ist der Entwurf von drei Betriebsführungskonzepten für hybride AC/DC-Mittelspannungs-netze, die Umrichter, Transformatoren und Anlagen der Netzkunden so steuert, dass Strom- und Spannungsgrenzwerte des Netzes gewahrt bleiben, die Leistungsbilanz von DC-Teilnetzen ausgeregelt und Netzverluste minimiert werden. Die Betriebsführungskonzepte sind hierarchisch strukturiert: Sie sehen lokale Regelungen anhand von Kennlinien zur schnellen Reaktion auf veränderte Netzzustände und eine übergeordnete Parametrierung der Kennlinien vor. Die entworfene zweistufige Umrichterregelung ist unter Berücksichtigung multikriterieller Anforderungen, d. h. Spannungs-haltung und Engpassvermeidung sowie Bilanzausgleich für DC-Teilnetze, optimiert.
Ein weiterer Neuheitswert dieser Dissertation ist ein zweistufiges Betriebssimulationsverfahren, mit Hilfe dessen betriebliche Kenngrößen im Normalbetrieb sowie bei Betriebsmittelausfällen bestimmt werden. Die erste Verfahrensstufe modelliert die übergeordnete Optimierung der Reglerparameter und führt zu einem nichtlinearen Optimierungsproblem, welches nutzer-seitige Flexibilitätsabrufe und Netzverluste minimiert. Als Freiheitsgrade werden neben nutzerseitigen Flexibilitätsabrufen, die Stufenstellung von HS/MS-Transformatoren, die Blindleistungsbereitstellung von Anlagen der Netzkunden sowie Soll-werte von Umrichterbetriebspunkten an der Schnittstelle von AC- und DC-Netzstrukturen herangezogen. Zur Beherrschung der Modellkomplexität wird eine Relaxation durch einen Second Order Cone durchgeführt. Auf der zweiten Verfahrensstufe werden die quasi-stationären Auswirkungen der derart parametrierten lokalen Regelungen von Umrichtern, Trans-formatoren und Erzeugungsanalgen in Folge von Betriebsmittelausfällen simuliert.