Betriebliche Spannungshaltung im Übertragungsnetz unter Berücksichtigung von Unsicherheit

Knittel, Markus; Moser, Albert; Rehtanz, Christian

doi:10.18154/RWTH-2021-04688

Betriebliche Spannungshaltung im Übertragungsnetz unter Berücksichtigung von Unsicherheit

Knittel, Markus^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Knittel Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Moser, Albert (Thesis advisor)^RWTH* ; Rehtanz, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04688
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/818847/files/818847.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Übertragungsnetze und Energiewirtschaft (614110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrizitätsversorgung (frei) ; Netzbetrieb (frei) ; Spannungshaltung (frei) ; Unsicherheit (frei) ; Übertragungsnetz (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung führt aufgrund ihrer Dargebotsabhängigkeit zu einem Anstieg der Unsicherheit im Energieversorgungssystem und wirkt sich somit signifikant auf die betriebliche Spannungshaltung im Übertragungsnetz aus. Für das zukünftige Blindleistungskompensationsportfolio müssen somit Betriebskonzepte entwickelt werden, die eine Beherrschung der zunehmenden Unsicherheit ermöglichen. Grundlegend bestehen dazu zwei verschiedene Ansätze. Zum einen können bei der vorausschauenden Planung des Kompensationseinsatzes die Vorhaltung flexibler Blindleistungspotentiale priorisiert sowie zusätzliche Sicherheitsmargen für die betrieblichen Spannungsgrenzen geschaffen werden. Zum anderen können Automatisierungskonzepte eingesetzt werden, welche den Blindleistungseinsatz adaptiv für die eintretenden Netzzustände im Echtzeitbetrieb anpassen. Aus diesen Ansätzen werden im Rahmen dieser Arbeit drei verschiedene Konzepte entwickelt. Zwei dieser Konzepte basieren auf einer zentralen Spannungs-Blindleistungsoptimierung (ORPF). Im ersten Konzept wird diese im Time-Coupled-ORPF (TC-ORPF) zur vorausschauenden Bestimmung von paretooptimalen Fahrplänen für Kompensationsanlagen während der Betriebsplanung unter Berücksichtigung zeitlicher Kopplungen angewandt. Dahingegen wird die Optimierung durch den Closed-Loop-ORPF (CL-ORPF) im zweiten Konzept automatisiert, was zu einer direkten Umsetzung von Arbeitspunktanpassungen im Echtzeitbetrieb führt. Als drittes Konzept werden Schaltautomatiken für mechanisch geschaltete Kompensationsanlagen angewandt. Diese müssen während der Betriebsplanung für die erwartete Netzsituation ausgelegt werden und bewirken im Echtzeitbetrieb Schaltungen von Drosselspulen oder Kondensatorbänken in Abhängigkeit der lokalen Knotenspannung. Zur Validierung der entwickelten Konzepte wurden diese exemplarisch für unsicherheitsbehaftete Erzeugungszeitreihen simuliert. Im Vergleich zu konstanten Arbeitspunkten der Kompensations-anlagen und ihrer lokalen Regelungen konnte das Risiko für das Auftreten von Spannungsband-verletzungen in allen Konzepten signifikant abgesenkt werden. Die robustesten Ergebnisse wurden dabei durch den TC-ORPF erzielt, während die Ergebnisqualität des CL-ORPF und der Automatiken eine deutliche Abhängigkeit von den betrachteten Netzzuständen aufweist. Die Ergebnisqualität des CL-ORPF steigt dabei mit ansteigender Verfügbarkeit von Blindleistungspotentialen dezentraler Anlagen. Dahingegen führt ein sinkender Anteil geregelter Kompensationsanlagen im Übertragungsnetz zu zusätzlichen Einschränkungen bei der Anwendung von Schaltautomatiken, da Ein- und Ausschaltschwellen mit höherem Abstand zur Sollspannung gewählt werden müssen. Eine Kombination der Konzepte zu einem Gesamtkonzept ist dabei grundsätzlich möglich, da die im TC-ORPF abgeleiteten Fahrpläne während des Echtzeitbetriebs durch die Nutzung von CL-ORPF oder Schaltautomatiken adaptiv angepasst werden können.

The progressive integration of renewable energies in power systems leads to an increase in uncertainty of power generation due to their intermittent nature and thus has a significant impact on the operational voltage control in transmission grids. Consequently, operational concepts have to be developed that allow controlling the increasing uncertainty utilizing the future reactive power compensation portfolio. Two different approaches exist for this purpose. On the one hand, the scheduling of the reactive power dispatch during the operational planning phase can prioritize the provision of flexible reactive power potentials and create additional security margins for the operational voltage limits. On the other hand, automation concepts can be used to enable fast adaptions of the reactive power dispatch in real-time operation. From these approaches, three different concepts are developed in this thesis. Two of these concepts are based on a centralized optimal reactive power flow (ORPF). In the first concept, it is applied in a time-coupled ORPF (TC-ORPF) for the predictive determination of pareto-optimal reactive power schedules during operational planning. In the second concept, the optimization is operated in a closed-loop (CL-ORPF). To this end, new setpoints are sent to all optimized devices in real-time operation based on the optimization results without manual validation. Switching automatics for mechanically switched shunt compensators are applied as the third concept. The corresponding parameters have to be designed for the forecasted grid situations during operational planning. Switching actions of reactors or capacitor banks are then triggered in real-time operation depending on the local voltage measurements.To validate the developed concepts, they were simulated exemplarily for generation time series subject to uncertainty. Compared to constant operating points of reactive power compensators and their corresponding local controls, the risk of voltage band violations could be significantly reduced in all concepts. The most robust results were obtained by the TC-ORPF, whereas the robustness of the CL-ORPF and the switching automatics showed a clear dependence on the considered grid situations. The robustness of the CL-ORPF increases with the increasing availability of reactive power potentials of decentral generation units. For switching automatics, a decreasing share of voltage-controlled reactive power compensation in the transmission grid leads to additional restrictions for the parameter layout, since lower and upper voltage thresholds with a higher distance to the reference voltage have to be selected. A combination of the concepts is possible in theory since the schedules derived in the TC-ORPF during operational planning can be adjusted during real-time operation by using the CL-ORPF or switching automatics.

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