Date post: | 29-Aug-2019 |
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SYMPOSIUM VERNETZTE ENERGIEFORSCHUNG
HOCHSPANNUNGSGLEICHSTROMÜBERTRAGUNG – DIE EFFEKTIVE ENERGIEÜBERTRAGUNG FÜR DIE ENERGIEWENDE
Prof. Dr.-Ing. Mark Bakran
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 2
Vernetzte Energieforschung und
Energieforschung für das Netz
DC AC
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 3
Hochspannungsgleichstromübertragung
Historie – The Battle of Currents
Die Erfindung des Transformators und die Möglichkeit der Hochspannungsübertragung war der
Grund für den Sieg von Tesla/Westinghouse über Edison
Damit war der "Battle of Currents" Ende des 19. Jahrhunderts zugunsten von Wechselstrom
entschieden
George Westinghouse 1846-1914
Nikola Tesla 1856 - 1943
Thomas A. Edison 1847 - 1931
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 4
Hochspannungsgleichstromübertragung
Heute – Übertragung mit HVDC ist die zukunfstweisende Energieübertragung
Die neuen Randbedingungen
1. Die Anforderungen an das Übertragungsnetz haben sich geändert
- Einbindung von regenerativen Energieerzeugern (Wind und Solar) im großen Stil
- Auswirkung:
- Stark fluktuierende Energieerzeugung mit Einspeisezwang
- Energie wird räumlich und zeitlich nicht passend zum Verbrauch erzeugt
und in unteren Spannungsebenen zur Verfügung gestellt
- Konsequenzen:
- Massive Erhöhung der Übertragungsentfernungen
- Bedarf an schnellem Leistungsausgleich
- Bedarf an stabilisierenden Netzelemente
- Bedarf an effizienterer Übertragung und Kopplung
2. Die Entwicklung der Leistungselektronik ermöglicht den "DC-Transformator"
(der eigentliche Schwerpunkt der Forschungsarbeit)
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 5
Hochspannungsgleichstromübertragung
Räumliche Konsequenzen der Energiewende
Total capacity of renewables (End 2000)
Wind energy
PV
Biomass
The circle diameter is proportional
to the electrical capacity
~ 30,000 installations
Sources: 50HertzT, TenneT, Amprion, TransnetBW, ENTSO-E
~ 221,000 installations
Total capacity of renewables (End 2005)
~ 750,000 installations
Total capacity of renewables (End 2010)
~ 1.300.000 installations
Total capacity of renewables (End 2012)
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 6
Hochspannungsgleichstromübertragung
Zeitliche Konsequenzen der Energiewende - Wind
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
23
.12.1
1 0
:00
23
.12.1
1 1
1:0
0
23
.12.1
1 2
2:0
0
24
.12.1
1 9
:00
24
.12.1
1 2
0:0
0
25
.12.1
1 7
:00
25
.12.1
1 1
8:0
0
26
.12.1
1 5
:00
26
.12.1
1 1
6:0
0
27
.12.1
1 3
:00
27
.12.1
1 1
4:0
0
28
.12.1
1 1
:00
28
.12.1
1 1
2:0
0
28
.12.1
1 2
3:0
0
29
.12.1
1 1
0:0
0
29
.12.1
1 2
1:0
0
30
.12.1
1 8
:00
30
.12.1
1 1
9:0
0
31
.12.1
1 6
:00
31
.12.1
1 1
7:0
0
1.1
.12 4
:00
1.1
.12 1
5:0
0
2.1
.12 2
:00
2.1
.12 1
7:0
0
3.1
.12 4
:00
3.1
.12 1
5:0
0
4.1
.12 2
:00
4.1
.12 1
3:0
0
5.1
.12 0
:00
5.1
.12 1
1:0
0
5.1
.12 2
2:0
0
6.1
.12 9
:00
6.1
.12 2
0:0
0
7.1
.12 7
:00
7.1
.12 1
8:0
0
8.1
.12 5
:00
8.1
.12 1
6:0
0
MW
Wind Power Generation at 50Hertz from 23/12/2011 - 08/01/2012
Gradienten > 800MW innerhalb von 15 minutes ;
> 2,400MW in einer Stunde
~2/3 des Maximalwertes innerhalb eines Tages (> 7,500 MW)
Source: Dobbeni / ENTSO-E
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 7
Hochspannungsgleichstromübertragung
Zeitliche Konsequenzen der Energiewende – Beispiel Nebel
Source: Dobbeni / ENTSO-E
- Nicht prognostizierter Nebel führt zu einem "kurzfristigen" Mangel von 8,000 MW an solarer Leistungserzeugung
0
5
10
15
20
3. Apr. 4. Apr. 5. Apr. 6. Apr.
Day-ahead forecast Final ID-forecast Real-time projection Open positions
GW 8 GW
Nur eine großräumige Leistungsübertragung kann eine effektive Lösung bieten
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 8
Hochspannungsgleichstromübertragung
Konsequenzen der Energiewende für das Übertragungsnetz
Die Energiewende braucht ein effizienteres Übertragungsnetz höchster Leistungsfähigkeit
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 9
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der Übergang zu DC - Vorteile
Vergleich des Mastbildes einer 3000MW Trasse a) AC b) DC (Quelle: Siemens)
• Um 30-50% reduzierte Übertragungsverluste
• Übertragungsentfernung auch mit Kabeln über 80km möglich
• Kontrollierter Leistungsfluss • Schutz zwischen Netzteilen
(Kurzschlussstrombegrenzung) • Regelbarer Energieaustausch
• Höhere Ausnutzung der
Übertragungskapazität
Die Übertragung mit DC bietet die bessere und ressourcenschonendere Lösung
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 10
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der Übergang zu DC - Herausforderungen
Traditionelle HVDC-Übertragung mit Thyristoren (Quelle: Siemens)
Moderne HVDC-Übertragung mit IGBTs (Quelle: Siemens)
Die HVDC Technologie hat sich in den letzten 10 Jahren massiv innoviert Sie bleibt jedoch eine Technologie für eine Punkt zu Punkt Übertragung
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 11
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der Übergang zu DC - Herausforderungen
DC-Grid Subsystem Test case nach CIGRE B4 (Quelle: CIGRE)
Für ein vermaschtes DC-Netz werden neue leistungselektronische Stellglieder benötigt
Cd-E1
Cb-C2
Ba-A0
Ba-B0
Cb-D1
DC Sym. Monopole DC Bipole AC Onshore
AC Offshore
Cable
Overhead line
AC-DC Converter
Station
DC-DC Converter
Station
DCS1
200
200
200
50
300
200
200
400 500
200
300
200 200
200
200
200
100
200
100
200
DCS2
DCS3
Ba-A1
Bm-A1
Bb-A1
Cm-A1
Cb-A1 Bb-C2
Bo-C2
Bo-C1
Bm-C1 Cm-C1
Bb-D1
Bb-E1 Bb-B4
Bb-B2
Bb-B1 Bb-B1s
Bm-B2
Bm-B3 Bm-B5 Bm-F1
Bm-E1
Cm-B2
Cm-B3
Cm-E1
Cm-F1
Bo-D1
Bo-E1
Bo-F1
Cd-B1
Cb-B2
Cb-B1
Ba-B1
Ba-B2
Ba-B3
Es fehlen heute für ein DC-Netz - DC-DC Wandler für hohe
Spannungen und Leistungen z.B. 300 auf 500kV mit 1-3GW
- DC-AC Wandler für kleine Leistungen z.B. für den Abgriff einer Teilleistung
- DC-Schalter zum Freischalten von Fehlern
- DC-Längsspannungsquellen zur Steuerung des Leistungsflusses
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 12
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der DC - Transformator
Es wird ein leistungselektronischer Wandler gesucht, der mit besserem Wirkungsgrad und geringerem Aufwand arbeitet
Die Kopplung zwischen DC-Netzen muss nach heutigen Stand realisiert werden durch eine zweistufige Wandlung, Konsequenz: - Der DC-Transformator ist aufwändig - Der Wirkungsgrad ist begrenzt
DC-AC AC-DC
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 13
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der DC - Spartransformator
Der entwickelte DC-DC Wandler bietet eine energieeffiziente Möglichkeit zur Verkopplung innerhalb von vermaschten DC-Netzen
DC
-DC
AC
-DC
DC
-AC
In dem Projekt wurde eine alternative Schaltungstopologie entwickelt: - Der DC-Spartransformator führt nur einen Teil der
Leistung über eine doppelte Wandlung
- Der Wirkungsgrad ist gegenüber konventionellen Schaltungen erhöht
- Der Bauelementaufwand ist im Idealfall auf 50% reduziert
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 14
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der DC - Spartransformator
Der entwickelte DC-DC Wandler vermindert Verluste und Aufwand
Vergleich der übertragbaren zur installierten Leistung Konventionell vs. DC-Spartransformator (n: Übersetzungsverhältnis)
Vergleich der Verluste Konventionell vs. DC-Spartransformator (n: Übersetzungsverhältnis)
1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1
PD
C=P
DC
;max
n
MMC F2F DC-DC Konverter
MMC DC-DC Spart ransformator
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
PL=P
L;n
om
n
MMC F2F DC-DC Konverter
MMC DC-DC Spart ransformator
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 15
Hochspannungsgleichstromübertragung
Der DC - Spartransformator
Entscheidend in der Energieübertragung ist immer die Verfügbarkeit Neue Schaltungen müssen auf die Beherrschung von Fehlerfällen hin entwickelt werden
UDC,Ia
IDC,I
Konver
ter
IK
onver
ter
II
UDC,I
UDC,II = 0
IDC,II
+
-
+
-
UDC,IIa
IDC,I
Konver
ter
IK
onver
ter
II
UDC,I = 0
UDC,II
IDC,II
+
-
+
-
Fehler auf der Unterspannungsseite Fehler auf der Oberspannungsseite
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 16
Hochspannungsgleichstromübertragung
Die Anbindung von Windparks an das DC - Netz
Die Anbindung von Offshore Windparks benötigt heute eine vielstufige Energieumwandlung Reduktion von Wandlungsschritten bietet Potenzial im Wirkungsgrad
AC-LVDC LVDC-LVAC LVAC-MVAC MVAC-HVAC HVAC-HVDC HVDC-HVAC
𝜂 ≈ 92%
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 17
Hochspannungsgleichstromübertragung
Weitere Schaltungskonzepte für DC-Netze
Das Arbeitsgebiet "Leistungselektronik für DC-Netze" bietet große Chance für die Energieversorgung der Zukunft und noch ein erhebliches technisches Potenzial
In dem Projekt werden weitere Konzepte untersucht, z.B.: - Die transformatorlose Anbindung von
Windkraftanlagen
- Die schaltungstechnische Kombination aus DC-Schalter und Lastflussregelung
- Schaltungen mit Redundanzbetrieb
...
UDC,I
...
UDC,II
Neuartige Schaltungskonzepte zur transformatorlosen Anbindung von Windkraftanlagen an DC-Mittelspannung
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 18
Hochspannungsgleichstromübertragung
Zusammenfassung
- HVDC-Übertragung und ein zukünftiges DC-Netz ist die Basis für eine effiziente Energieversorgung
- Leistungselektronik ist das entscheidende Stellglied
- Neue Aufgaben erfordern neue Lösungen
- Neue leistungselektronische Lösungen bieten neues Potenzial
Source: IEEE T&D Committee
Die Leistungsübertragung mit DC zeigt ein enormes Wachstum Innovative Lösungen sind der Schlüssel dazu
Datum manuell
Projekttitel
Zweite Zeile
Dritte Zeile Seite 19
Projekt
Die Arbeiten in dem Projekt werden durchgeführt in
Kooperation mit Siemens Sector Energy in Erlangen und mit
Förderung durch das BMU als Teilprojekt innerhalb ACCESS2Grid (FKZ 0325663)