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Zürcher Fachhochschule, Prof. Dr. P. Korba, IEFE
Herausforderungen an das Netz bei fluktuierender Einspeisung
Prof. Dr. Petr Korba Dozent und Fachgruppenleiter
Elektrische Energiesysteme & Smart Grids
ebw / REE-LAB-Laborbesuch 28. Oktober 2015
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Agenda
Gruppe elektrische Energiesysteme und Smart Grids (Vorhandenes Know-How) Elektrische Energietechnik
(elektrische Maschinen und Netze) Mess- und Regelungstechnik Integration von erneuerbaren Energiequellen ins Netze
Kurzer Überblick über Projekte und Projektpartner
Regelung der Wirk- und Blindlastflüsse in Verteilnetzen Integration von Speichern ins Netz (CCEM, SCCER) Tools für Analysen von 400 V-Niederspannungsnetzten (EKZ) Spannungsregelung in Verteilnetzen (KTI)
Systemdynamik und Stabilität Intelligente Erregungssysteme für Synchrongeneratoren (ABB) WAMS – Wide-area Monitoring & Control Systeme (ABB, Swissgrid)
Labor:
Hardware Emulator eines elektrischen Energiesystems (skaliert 1:1000V) Ausbau mit Unterstützung von ABB Schweiz AG
(Forschung und Entwicklung, Test von neuen Komponenten) 2
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Fachgruppe Elektrische Energiesysteme & Smart Grids
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Wissenschaftliche Assistenten Wissenschaftliche Mitarbeiter
Dr. V. Knazkins
Dr. R. F. Segundo
C. Park, MSc.
L. Baumgartner, MSc.
P. Lienert, BSc.
Prof. Dr. P. Korba
…seit Mitte 2012 an der ZHAW
B. Schlatter, BSc.
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Patente und Veröffentlichungen seit 2012 «Dissemination of results Electric Power Systems & Smart Grids Group»
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Int. Konferenzen & Fachtagungen (14) Fachzeitschriften (2) Buchbeiträge (2) Patente (2)
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Elektrisches Energiesystem
Capacity
Reliability
Efficiency
Sustainability
A. Kapazität
B. Verfügbarkeit
C. Effizienz
D. Zukunftsfähigkeit
1. Aufgaben der Stromversorgung: Kapazität - Verfügbarkeit - Effizienz - Nachhaltigkeit/Zukunftsfähigkeit
2. Aufgaben der Netzführung / -automatisierung:
Vorhersagen und Planung der Energieerzeugung (oder des Verbrauches) und -übertragung
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Quelle: ABB Ltd.
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Umstieg auf Erneuerbare Energien «Steigende Wichtigkeit von Netzen und Speichern»
Typische Herausforderungen: 1. Primärenergiequellen nicht steuerbar ⇒ Sonne/Wind (nicht korreliert mit Verbrauch) 2. Saisonale Erzeugung ⇒ Sonne nur im Sommer (Winter?) 3. Kleiner Kapazitätsfaktor ⇒ Spitzen in der Erzeugung (Übertragung?) 4. Fluktuation der Erzeugung ⇒ Stabilität des Energiesystems Implikationen und mögliche Lösungen:
• Lokal speichern ⇒ Speicher (lang-zeit & kurz-zeit) • Energie übertragen an Orte, wo sie gebraucht wird ⇒ Netz • Energie übertragen an Orte, wo sie gespeichert wird ⇒ Netz + Speicher • Last anpassen ⇒ Last-Management System (Komfort?) • Einhaltung der Spannung
⇒ Spannungsregelung Problem beim Übertragen:
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Reserve
Infrastruktur (Transformatoren und Leitungen) historisch bedingt dimensioniert für unidirektionale Lastflüsse mit bekannten Tagesprofilen
Überlastung
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Projekte und Zusammenarbeit Akademische, industriele und öffentliche Partner
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Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität swisselectric
research
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Beispiel 1: Active power flow control» Optimale Speicher Integration (Regelungsalgorithmen, Sizing & Siting, cost-benefit analysis)
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Power Load Profile
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Beispiel 2: Power2Gas-Konzept als Langzeitspeicher (CCEM Projekt «RENERG2»)
Solar / Wind
Elektrolyse
Stromnetz
Gasnetz CH4
H2
HCNG
CO2 (aus
Biogas, Abgas
Vergasung)
Gas Speicher
H2- Mobilität
H2(O2)
Methanisierung H-CNG Mobilität
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Beispiel 3: Spannungsregelung in Verteilnetzen (KTI) «Economic Voltage Control in distribution grids» (EKS, ABB)
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Quelle: www.ront.info
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Beispiel 4: Fluktuation der erneuerbaren Erzeugung
Source: Energinet.dk
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Schnelle Änderungen der erneuerbaren Energieerzeugung
Erfahrung Dänemark: … Gradienten bis zu 10% der installierten Kapazität pro Minute
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Beispiel 4: Netzpendelungen detektiert in der CH
Dynamik des Europäischen Energienetzes
Freq. Mettlen, CH
Freq. Brindisi, I
Source: Swissgrid
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Beispiel 4: Netzstabilität («Power System Oscillations») Hochspannungsnetz (ABB, Swissgrid)
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Beispiel 4: Netzstabilität («Power System Oscillations») Hochspannungsnetz (WAMS)
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Ceuta
BassecourtMettlenLavorgoSoazzaRobbia 1+2
Wien S.O.TernitzDivacaZerjavinecTumbriThessalonikiAg. Stefanos
Installierte PMU’sGeplanten PMU’s
920
930
940
950
960
970
980
990
1000
08:14:00 08:14:30 08:15:00 08:15:30 08:16:00 08:16:30 08:17:00 08:17:30 08:18:00
P [
MW
]
3 Minuten
4 Sekunden
25 MW
Source: W. Sattinger, P. Korba, M. Zima, M. Larsson, Online-Überwachung der Europäischen Netzpendelverhalten, Electroswiss Bulletin SEV, no. 9, pp. 15-19, 2007.
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Beispiel eines aktuellen Projektes mit ABB ZHAW, IEFE, Elektrische Energietechnik und Smart Grids
REE-Lab = «Renewable Electric Energy Lab» der ZHAW (TB149) • Emulation eines el. Energiesystems (hardware-technisch für F&E und Unterrichtszwecke) • 1:1000 spannungsmässig • Entwicklung eines neuen Regelungssystems (Kooperation mit ABB Schweiz AG)
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Zusammenfassung und Ausblick
• Unser zukünftiges Energiesystem wird stärker automatisiert und in diesem Sinne intelligenter, d.h. für das Fachgebiet der Energietechnik:
– Nicht nur „dicke Kabel“ und grosse „Leistungsflüsse“ – Um erneuerbare Energiequellen zu integrieren,
braucht es immer mehr ICT, Automatisierungs- und Regelungstechnik, Signalverarbeitung usw. …
• Interdisziplinarität aus unseren F&E-Projekten fliesst direkt auch in den Unterricht ein (6 entsprechende Module im neuen Studiengang Energie- und Umwelttechnik)
• Fachgruppe ist aktives Mitglied in 2 Workpackages SCCER#2 Grids & Components (Leiter «WP Transmission System Upgrade») 16
ebw / REE-LAB-Laborbesuch��28. Oktober 2015AgendaFachgruppe �Elektrische Energiesysteme & Smart GridsPatente und Veröffentlichungen seit 2012�«Dissemination of results Electric Power Systems & Smart Grids Group»Elektrisches EnergiesystemUmstieg auf Erneuerbare Energien�«Steigende Wichtigkeit von Netzen und Speichern» Projekte und Zusammenarbeit�Akademische, industriele und öffentliche PartnerBeispiel 1: Active power flow control»�Optimale Speicher Integration�(Regelungsalgorithmen, Sizing & Siting, cost-benefit analysis)Beispiel 2: �Power2Gas-Konzept als �Langzeitspeicher (CCEM Projekt «RENERG2»)Beispiel 3: �Spannungsregelung in Verteilnetzen (KTI)�«Economic Voltage Control in distribution grids» (EKS, ABB)Beispiel 4: �Fluktuation der erneuerbaren ErzeugungBeispiel 4:�Netzpendelungen detektiert in der CH Beispiel 4: �Netzstabilität («Power System Oscillations»)�Hochspannungsnetz (ABB, Swissgrid)Beispiel 4:�Netzstabilität («Power System Oscillations»)�Hochspannungsnetz (WAMS)Beispiel eines aktuellen Projektes mit ABB�ZHAW, IEFE, Elektrische Energietechnik und Smart GridsZusammenfassung und Ausblick