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Institut für Energieversorgung und HochspannungstechnikFachgebiet Elektrische Energieversorgunghttp://www.iee.uni-hannover.de

Systemdienstleistungen von Windparkclustern

Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann

2Systemdienstleistungen von Windparkclustern

BegriffsdefinitionenEinleitung

Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement

Clustermanagementsystem (WCMS)

Wirkleistungsregelung mit dem WCMS

Blindleistungsregelung mit dem WCMS

Zusammenfassung

Gliederung

Einleitung

Aufbau von Elektroenergiesystemen

Hochspannungsnetz

Mittelspannungsnetz

Niederspannungsnetz

Höchstspannungsnetz

Leistungstransite

~ On- und Offshore WEA

Rückspeisungen

• 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

Aufgaben und Herausforderungen für die Übertragungsnetze

NETZREGELUNG

Das Übertragungsnetz, seine Aufgaben und aktuelle Netzsituation

Zusammenfassung

Gliederung

Netzregelung

Frequenz-Wirkleistungs-Regelung

(f-P-Regelung)

Spannungs-Blindleistungs-regelung

(U-Q-Regelung)

Netzregelung

jederzeit ausreichende Vorhaltung von – Primärregelleistung – Sekundärregelleistung und – Minutenreserveleistung

Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz

f = 50 Hz

0 50 100 150 200 250 300-0.02

t in s

Netzzeitkonstante Tm=8 s

Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s

Frequenz

Primärregelleistung

Sekundärregelleistung

650 mHz

Rückgang der rotierenden Massen der konventionellen thermischen KraftwerkeÞ kleinere Zeitkonstante Tm

Þ größere Frequenzeinbrüche

0 50 100 150 200 250 300-0.02

t in s

Frequenz

910 mHz

Spannungs-Blindleistungs-Regelung(U-Q-Regelung)

Generator-regelung

Transformator-regelung

Kompensations-regelung

Verstimmungs-gradregelung

Schräg:Längs:

konventionelle Kraftwerke

von „oben“nach „unten“

Spannungs-stützung

Sternpunkt-erdung

300400

x in kmy in km

Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x100 Mvar

Umin = 411,5 kV

144 Knoten4 KraftwerkseinspeisungenLast 14065 MW mit cos=0.9

300400

x in kmy in km

Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x50 Mvar

Umin = 410,6 kV

300400

x in kmy in km

Spannungsprofil: ohne Blindleistungskompensation

Umin = 409,0 kV

~Land A

Land B

Netzengpässe und Engpassbeseitigung durch Redispatch

Dena-Netzstudie 2005Netzausbau bis 2015

NLHannover

Hamburg

Berlin

Dresden

Leipzig

EssenDortmund

Bremen

Frankfurt

Nürnberg

München

Stuttgart

Karlsruhe

Netzausbaubis 2007

1 x Querreglerin Brunsbüttel2 x Querreglerin DieleNetzverstärkungThüringenNetzverstärkungFranken I

Netzausbau2007 bis 2010

Hamburg/Nord –Dollern, 45 kmGanderkesee –Wehrendorf, 80 kmNeuenhagen –Bertikow/Vierraden,110 kmLauchstädt –Vieselbach, 80 kmVieselbach –Altenfeld, 80 kmAltenfeld –Redwitz, 80 kmNetzverstärkungFranken I I

Diele –Niederrhein, 200 kmWahle –Mecklar, 190 kmZubeseilung Berg-kamen – GersteinwerkZubeseilung Kriftel –Punkt Eschborn

Netzausbaubis 2007

Quelle: dena

Entwicklungen und deren Auswirkungen auf die Übertragungsnetze

Zusammenfassung

Gliederung

Wirkleistungsregelung

Gradient Control

P [MW]

t+i t+j t+n

Blindleistungsregelung

CapacitiveInductive

Adjustable power factor

Blindleistungsprognose

Blindleistungsregelung

Spannungsregelung

Windleistungsreserve

Engpassmanagement

Leistungsbegrenzung

Gradientenbegrenzung

Frequenzregelung

Aktiver Beitrag zur Systemsicherheit

“Logische Aggregation von physikalisch existierenden Windparks die an einem Netzknoten verknüpft sind”

Windenergieanlage

Windpark Windpark-Clusters

“Windenergie als

konventionelle Einspeiser”

Cluster-Architektur

Übernahme von Kraftwerkseigenschaften

Quelle: A. J. Gesino, IWES

Wettervorhersage

Messwerte

Clusterprognose

Cluster-Befehle

Folgetags-prognose

Cluster-Regler

Netzberechnung

Kurzfrist-prognose

Windpark-Sollwerte

Cluster-Architektur und Windparkclustermanagementsystem (WCMS)

Quelle: K. Rohrig, IWES

Übertragungsnetz der Zukunft

Zusammenfassung

Gliederung

Leistungsregelung / -begrenzung mit WP-ClusternKurzfristprognose Folgetagsprognose

• ÜNB/VNB: Sollwert für Netzverknüpfungspunkt zu erfüllen wenn prognostizierter Leistungswert > Sollwert

• Praxisbeispiel Erzeugungs- bzw. Einspeisemanagement

Praxisbeispiel Erzeugungs- bzw. Einspeisemanagement

Ieff(t) – 1/4-h-Werte

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00t

1MGD E19I_real (A)Grenze LtgI G (A)1MGD E19I_max (A)

Beginn ErzMan Ende ErzMan

IGrenze

Beispiel: Situation am 12/13.03.2008 EAV

A0, BO

B1 B2100

5047 48 49 51 52 53B3 A3

Frequenz [Hz]

Wirkleistungsregelung - Frequenzregelung

06.10.2003 07.10.2003 08.10.2003 09.10.2003 10.10.2003

Reserve PowerReduced Power

Regelleistungsbereitstellung durch Androsselung von WEA

Leistungsflussbeeinflussung durch gezielte Einspeiseänderung

• Bestimmung von Einflussfaktoren auf Basis des Netzgleichungssystemsin MVA / MVA oder kA / MVA

• Auswahl der Windparks mit dem größten Einfluss auf den Engpass• Bestimmung der maximal möglichen und erforderlichen Stellleistung

Sik=KZSWP

Netzausbau und Übertragungstechnik

Zusammenfassung

Gliederung

Betriebsführungsstrategien – Blindleistung und Spannung

Blindleistungsbereitstellung: ÜNB/Grid-Code Anforderungen Bsp.:_National Grid, UK

Betriebsführungsstrategie – Blindleistung und Spannung

Arbeitspunkt mussinnerhalb der Betriebsgrenzen

des Clusters liegen

K.. Rohrig, IWES

Blindleistungseinspeisung und Spannungsregelung durch gezielte Einspeiseänderung

• Bestimmung von Einflussfaktoren auf Basis des Netzgleichungssystemsin kV / Mvar oder Mvar / Mvar

• lokale Spannungsregelung durch Blindleistungsbereitstellung• Verlustminimierung durch gemeinsame Spannungsregelung

(optimaler Leistungsfluss)

UK=KKQWP

Zusammenfassung

Gliederung

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung und Ausblick

Institut für Energieversorgung und HochspannungstechnikFachgebiet Elektrische Energieversorgunghttp://www.iee.uni-hannover.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmannhofmann@iee.uni-hannover.de

Cluster in Portugal

GENERG

Pinhal Interior

Gardunha

Pinhal Interior

Gardunha Total

ENERCON 90 114 204VESTAS 54 54ENEOP2 24 24Total 168 114 282% Teste 54% 100% 72%

Wind on the Grid: Feldtest in Portugal

K.. Rohrig, IWES

Wind on the Grid: Feldtest in Portugal

U, cos f, QSpannungsregelung am PCC

Pinhal InteriorActive power

Reactive power

48,116 MW

33,658 MVar

K.. Rohrig, IWES

Ergebnisse des Portugiesischen Feldtests - Wirkleistung

Verhalten vom Windpark Proença (Pinhal Interior) bei Leitungsbegrenzung auf

2.3 MW für 5 Minuten

11:50:50; 2345

11:50:05; 5161

-1,000

11:40:00 11:42:00 11:44:00 11:46:00 11:48:00 11:50:00 11:52:00 11:54:00 11:56:00 11:58:00 12:00:00

Setpoint P (kW) Actual P (kW) Actual Q (kVAr)

K.. Rohrig, IWES

Ergebnisse des Portugiesischen Feldtests - Wirkleistung

Spannungsregelung (Gardunha)

25-11-200913:28.00

25-11-200913:30.00

25-11-200913:32.00

25-11-200913:34.00

25-11-200913:36.00

25-11-200913:38.00

25-11-200913:40.00

25-11-200913:42.00

25-11-200913:44.00

Reactive Tap Voltage

25-11-200913:04.00

25-11-200913:06.00

25-11-200913:08.00

25-11-200913:10.00

25-11-200913:12.00

25-11-200913:14.00

25-11-200913:16.00

25-11-200913:18.00

25-11-200913:20.00

Reactive Tap Voltage

CFG1 CFG2

additional conditions:

max. PQ-range of the wind farmmin. required PQ-rangecosj at point of connection, if all WECs operate with constant cosj=1.0

ENERCON GmbHSales Department, Technical Supportauthor ENERCON EQversion 4 [MW]version date 02.06.2009printed 02.06.2009

Project Gardunha in Portugal with 30 E-82 2 MW (TQ+) 25 E-82 2 MW (FT) 2 E-70 2 MW (FT)PQ-Diagram for point of connection in substation, busbar at 160 kV

Orientation of PQ-Diagram according to IEC 60034-3, mirror-inverted to usual UK orientation!

Based on data from customers SLD+ENERCON-EW calculation, 4-6-08

Diagram is valid for steady state operation.

Calculation valid for operational voltage range 90%Un < U < 110%Un at WEC terminals

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

-100,0-80,0-60,0-40,0-20,00,020,040,060,0

export to grid (lagging) Reactive Power Q [Mvar] import from grid (leading)

K.. Rohrig, IWES

Das Regenerative Kombikraftwerk II

Vor kurzem begonnen:

Unterstützung desNetzbetriebs durch

EE-Kraftwerke

Systemdienstleistungen

FrequenzregelungSpannungsregelung

K.. Rohrig, IWES

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Dena-Netzstudie 2005Netzausbau bis 2015

NLHannover

Hamburg

Berlin

Dresden

Leipzig

EssenDortmund

Bremen

Frankfurt

Nürnberg

München

Stuttgart

Karlsruhe

Netzausbaubis 2007

Quelle: dena

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

Redispatch: Bsp. unvorhergesehene Windstromeinspeisung

~Land A

Land B

Erhöhung des Exportsvon Land A Land B

1) Leitung A-B ist überlastet

2) Redispatchmaßnahme:Androsselung von KW AHochfahren von KW B

3) Beseitigung des Engpasses

220 / 380 kV

110 kV

10, 20 kV

0,4 kV

~ On- und Offshore WEA

Leistungstransite

Betriebsführungsstrategien – WirkleistungÜNB Sollwert

(P = 70 MW)

Sollwert 1? Sollwert 2? Sollwert 3?

Netzverluste?

K.. Rohrig, IWES

Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung

Wirkleistungskompensation:

1. Bestimmung des Sollwerts an den WP

2. Netzberechnung3. Bestimmung der

Netzverluste (Sollwerte ↔ tatsächliche WL am PCC)

4. Bestimmung eines Kompensations-Windparks (oder alle WP)

5. Neue Netzberechnung mit Verlustkompensation

K.. Rohrig, IWES

Betriebsführungsstrategie – Wirkleistungsregelung

K.. Rohrig, IWES

Cluster-Management: Motivation

K.. Rohrig, IWES

Betriebsführungsstrategien – Blindleistung und Spannung

Leistungsfaktor- und Spannungscharakteristik

Pin, cosin

K.. Rohrig, IWES

Frequenz

650 mHz

Rückgang der rotierenden MassenÞ kleinere Zeitkonstante Tm

Þ größere Frequenzeinbrüche

0 50 100 150 200 250 300-0.02

t in s

0 50 100 150 200 250 300-0.02

t in s

jederzeit ausreichende Vorhaltung von – Primärregelleistung – Sekundärregelleistung und – Minutenreserveleistung

Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz

f = 50 Hz

Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung

ÜNB/VNB: Sollwert für Netzverknüpfungspunkt zu erfüllen wenn prognostizierter Leistungswert > Sollwert

K.. Rohrig, IWES

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