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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
3Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Aufbau von Elektroenergiesystemen
Ver
teil
un
gsn
etz
Üb
ertr
agu
ng
snet
z
Hochspannungsnetz
Mittelspannungsnetz
Niederspannungsnetz
Höchstspannungsnetz
Leistungstransite
~ On- und Offshore WEA
Rückspeisungen
4Systemdienstleistungen von Windparkclustern
• 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
5Systemdienstleistungen von Windparkclustern
BegriffsdefinitionenEinleitung
Das Übertragungsnetz, seine Aufgaben und aktuelle Netzsituation
Clustermanagementsystem (WCMS)
Wirkleistungsregelung mit dem WCMS
Blindleistungsregelung mit dem WCMS
Zusammenfassung
Gliederung
Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement
6Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Netzregelung
Frequenz-Wirkleistungs-Regelung
(f-P-Regelung)
Spannungs-Blindleistungs-regelung
(U-Q-Regelung)
Netzregelung
Pü
jederzeit ausreichende Vorhaltung von – Primärregelleistung – Sekundärregelleistung und – Minutenreserveleistung
Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz
f = 50 Hz
X
7Systemdienstleistungen von Windparkclustern
0 50 100 150 200 250 300-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t in s
f ,
P
P ,
P
S i
n p
.u.
P
P
PS
f
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
8Systemdienstleistungen von Windparkclustern
0 50 100 150 200 250 300-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t in s
f ,
P
P ,
P
S i
n p
.u.
P
P
PS
f
Netzzeitkonstante Tm=4 s
Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s
Frequenz
Primärregelleistung
Sekundärregelleistung
910 mHz
9Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Spannungs-Blindleistungs-Regelung(U-Q-Regelung)
Generator-regelung
Transformator-regelung
Kompensations-regelung
Verstimmungs-gradregelung
R
Uf
U
Schräg:Längs:
±U
konventionelle Kraftwerke
von „oben“nach „unten“
Spannungs-stützung
Sternpunkt-erdung
10Systemdienstleistungen von Windparkclustern
0
100
200
300
0
100
200
300400
405
410
415
x in kmy in km
U in
kV
Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x100 Mvar
Umin = 411,5 kV
144 Knoten4 KraftwerkseinspeisungenLast 14065 MW mit cos=0.9
11Systemdienstleistungen von Windparkclustern
0
100
200
300
0
100
200
300400
405
410
415
x in kmy in km
U in
kV
Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x50 Mvar
Umin = 410,6 kV
144 Knoten4 KraftwerkseinspeisungenLast 14065 MW mit cos=0.9
12Systemdienstleistungen von Windparkclustern
0
100
200
300
0
100
200
300400
405
410
415
x in kmy in km
U in
kV
Spannungsprofil: ohne Blindleistungskompensation
Umin = 409,0 kV
144 Knoten4 KraftwerkseinspeisungenLast 14065 MW mit cos=0.9
13Systemdienstleistungen von Windparkclustern
~
~Land A
Land B
KW A
KW B
Netzengpässe und Engpassbeseitigung durch Redispatch
Dena-Netzstudie 2005Netzausbau bis 2015
NLHannover
B
L
F
CH
A
CZ
PL
DKS
Hamburg
Berlin
Dresden
Leipzig
Köln
EssenDortmund
Bremen
Frankfurt
Nürnberg
München
Stuttgart
Karlsruhe
33
44
11
22
11
22
44
55
66
77
33
2233
44
11
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
Netzausbau2010 bis 2015
Diele –Niederrhein, 200 kmWahle –Mecklar, 190 kmZubeseilung Berg-kamen – GersteinwerkZubeseilung Kriftel –Punkt Eschborn
1
2
3
4
1
2
4
5
6
7
3
3
4
2
1
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
Netzausbau2010 bis 2015
Diele –Niederrhein, 200 kmWahle –Mecklar, 190 kmZubeseilung Berg-kamen – GersteinwerkZubeseilung Kriftel –Punkt Eschborn
11
22
33
44
11
22
44
55
66
77
33
33
44
22
11
Quelle: dena
14Systemdienstleistungen von Windparkclustern
BegriffsdefinitionenEinleitung
Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement
Entwicklungen und deren Auswirkungen auf die Übertragungsnetze
Wirkleistungsregelung mit dem WCMS
Blindleistungsregelung mit dem WCMS
Zusammenfassung
Gliederung
Clustermanagementsystem (WCMS)
15Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Wirkleistungsregelung
Gradient Control
Timet
P [MW]
300
200
100
t+i t+j t+n
f
Blindleistungsregelung
P
+Q-Q
cos f
CapacitiveInductive
Adjustable power factor
Blindleistungsprognose
Blindleistungsregelung
Spannungsregelung
Windleistungsreserve
Engpassmanagement
Leistungsbegrenzung
Gradientenbegrenzung
Frequenzregelung
Aktiver Beitrag zur Systemsicherheit
16Systemdienstleistungen von Windparkclustern
“Logische Aggregation von physikalisch existierenden Windparks die an einem Netzknoten verknüpft sind”
Windenergieanlage
n
Windpark Windpark-Clusters
“Windenergie als
konventionelle Einspeiser”
Cluster-Architektur
Übernahme von Kraftwerkseigenschaften
Quelle: A. J. Gesino, IWES
17Systemdienstleistungen von Windparkclustern
WP 1
WP n
Wettervorhersage
Messwerte
Clusterprognose
Cluster-Befehle
Folgetags-prognose
Cluster-Regler
Netzberechnung
Kurzfrist-prognose
WCMS
Windpark-Sollwerte
Cluster-Architektur und Windparkclustermanagementsystem (WCMS)
Quelle: K. Rohrig, IWES
18Systemdienstleistungen von Windparkclustern
BegriffsdefinitionenEinleitung
Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement
Clustermanagementsystem (WCMS)
Übertragungsnetz der Zukunft
Blindleistungsregelung mit dem WCMS
Zusammenfassung
Gliederung
Wirkleistungsregelung mit dem WCMS
19Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Leistungsregelung / -begrenzung mit WP-ClusternKurzfristprognose Folgetagsprognose
• ÜNB/VNB: Sollwert für Netzverknüpfungspunkt zu erfüllen wenn prognostizierter Leistungswert > Sollwert
• Praxisbeispiel Erzeugungs- bzw. Einspeisemanagement
Quelle: K. Rohrig, IWES
20Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Praxisbeispiel Erzeugungs- bzw. Einspeisemanagement
Ieff(t) – 1/4-h-Werte
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
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
I in
A
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
Quelle: K. Rohrig, IWES
22Systemdienstleistungen von Windparkclustern
A1
A2
A0, BO
B1 B2100
5047 48 49 51 52 53B3 A3
xx
Nor
mie
rte
Leis
tung
[%
]
Frequenz [Hz]
Wirkleistungsregelung - Frequenzregelung
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
06.10.2003 07.10.2003 08.10.2003 09.10.2003 10.10.2003
Time
Po
wer
[MW
]
Reserve PowerReduced Power
Quelle: K. Rohrig, IWES
Regelleistungsbereitstellung durch Androsselung von WEA
23Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
24Systemdienstleistungen von Windparkclustern
BegriffsdefinitionenEinleitung
Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement
Clustermanagementsystem (WCMS)
Wirkleistungsregelung mit dem WCMS
Netzausbau und Übertragungstechnik
Zusammenfassung
Gliederung
Blindleistungsregelung mit dem WCMS
25Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Betriebsführungsstrategien – Blindleistung und Spannung
Blindleistungsbereitstellung: ÜNB/Grid-Code Anforderungen Bsp.:_National Grid, UK
26Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Betriebsführungsstrategie – Blindleistung und Spannung
Arbeitspunkt mussinnerhalb der Betriebsgrenzen
des Clusters liegen
K.. Rohrig, IWES
27Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
Un
-10 %
+10 %
28Systemdienstleistungen von Windparkclustern
BegriffsdefinitionenEinleitung
Systemdienstleistungen Netzregelung und Engpassmanagement
Clustermanagementsystem (WCMS)
Wirkleistungsregelung mit dem WCMS
Blindleistungsregelung mit dem WCMS
Zusammenfassung
Gliederung
Zusammenfassung
29Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
30Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
31Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
32Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
33Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
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
kW ;
kV
Ar
Setpoint P (kW) Actual P (kW) Actual Q (kVAr)
K.. Rohrig, IWES
34Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Ergebnisse des Portugiesischen Feldtests - Wirkleistung
Spannungsregelung (Gardunha)
-30
-20
-10
0
10
20
30
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
MVA
r
156
157
158
159
160
161
162
kV
Reactive Tap Voltage
OFF
-30
-20
-10
0
10
20
30
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
MVA
r
156
157
158
159
160
161
162
kV
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
0,000
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)
Act
ive
Po
wer
[M
W]
K.. Rohrig, IWES
35Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Das Regenerative Kombikraftwerk II
Vor kurzem begonnen:
Unterstützung desNetzbetriebs durch
EE-Kraftwerke
Systemdienstleistungen
FrequenzregelungSpannungsregelung
K.. Rohrig, IWES
36Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
37Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Dena-Netzstudie 2005Netzausbau bis 2015
NLHannover
B
L
F
CH
A
CZ
PL
DKS
Hamburg
Berlin
Dresden
Leipzig
Köln
EssenDortmund
Bremen
Frankfurt
Nürnberg
München
Stuttgart
Karlsruhe
33
44
11
22
11
22
44
55
66
77
33
2233
44
11
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
Netzausbau2010 bis 2015
Diele –Niederrhein, 200 kmWahle –Mecklar, 190 kmZubeseilung Berg-kamen – GersteinwerkZubeseilung Kriftel –Punkt Eschborn
1
2
3
4
1
2
4
5
6
7
3
3
4
2
1
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
Netzausbau2010 bis 2015
Diele –Niederrhein, 200 kmWahle –Mecklar, 190 kmZubeseilung Berg-kamen – GersteinwerkZubeseilung Kriftel –Punkt Eschborn
11
22
33
44
11
22
44
55
66
77
33
33
44
22
11
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
38Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
KW A
KW B
39Systemdienstleistungen von Windparkclustern
220 / 380 kV
110 kV
10, 20 kV
0,4 kV
~ ~
~ ~~
~
~
DEA
~ On- und Offshore WEA
Leistungstransite
Ve
rtei
lun
gs
ne
tzÜ
be
rtra
gu
ng
sn
etz
40Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Betriebsführungsstrategien – WirkleistungÜNB Sollwert
(P = 70 MW)
Sollwert 1? Sollwert 2? Sollwert 3?
Netzverluste?
K.. Rohrig, IWES
41Systemdienstleistungen von Windparkclustern
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
42Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Betriebsführungsstrategie – Wirkleistungsregelung
K.. Rohrig, IWES
43Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Cluster-Management: Motivation
K.. Rohrig, IWES
44Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Betriebsführungsstrategien – Blindleistung und Spannung
Leistungsfaktor- und Spannungscharakteristik
+Q-Q
P
Pin, cosin
K.. Rohrig, IWES
45Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Netzzeitkonstante Tm=8 s
Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s
Frequenz
Primärregelleistung
Sekundärregelleistung
650 mHz
Rückgang der rotierenden MassenÞ kleinere Zeitkonstante Tm
Þ größere Frequenzeinbrüche
0 50 100 150 200 250 300-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t in s
f ,
P
P ,
P
S i
n p
.u.
P
P
PS
f
0 50 100 150 200 250 300-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t in s
f ,
P
P ,
P
S i
n p
.u.
P
P
PS
f
46Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Pü
jederzeit ausreichende Vorhaltung von – Primärregelleistung – Sekundärregelleistung und – Minutenreserveleistung
Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz
f = 50 Hz
X
47Systemdienstleistungen von Windparkclustern
Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung
ÜNB/VNB: Sollwert für Netzverknüpfungspunkt zu erfüllen wenn prognostizierter Leistungswert > Sollwert
K.. Rohrig, IWES
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