Studie zu Aspekten der elektrischen Systemstabilität im deutschen Übertragungsnetz bis 2023
Das Institut für Hochspannungstechnik (IFHT) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen hat im Auftrag der Bundesnetzagentur eine Studie zur Systemstabilität im deutschen Übertragungsnetz durchgeführt.
In dieser Studie hat das IFHT analysiert und bewertet, welche Herausforderungen sich im Zusammenhang mit der Veränderung der Erzeugungsstruktur unter technischen Gesichtspunkten für das deutsche Übertragungsnetz im Zeitraum von 2019 bis 2023 unter der Voraussetzung des planmäßigen Netzausbaus ergeben.
Dazu wurden die Frequenzstabilität, die Kurzschlussleistungsbereitstellung, die Polradwinkelstabilität und die Blindleistungsbereitstellung eingehend untersucht. Das zentrale Ergebnis der Studie ist, dass trotz zurückgehender konventioneller Einspeisung die notwendigen Kriterien zur Aufrechterhaltung der Systemstabilität bis zum Jahre 2023 erfüllt werden können. Lediglich im Bereich der Blindleistungsbereitstellung zeigen die Ergebnisse einen Bedarf an zusätzlichen Blindleistungskompensationsanlagen. Das Gutachten verdeutlicht außerdem, dass Verzögerungen beim Netzausbau zu einem erheblichen Mehrbedarf an zusätzlichen Blindleistungskompensationsanlagen führen.
Zusammenfassung der Einzelergebnisse
Kurzschlussleistung
Die Kurzschlussleistung ist eine Rechengröße, die als Indikator dafür dient, ob die Betriebsmittel eines Netzes in der Lage sind, einen Kurzschluss eindeutig zu identifizieren und abzuschalten. Die Kurzschlussleistung muss ausreichend hoch sein, damit die Schutzeinrichtungen im Netz Kurzschlussereignisse sicher identifizieren. Die Kurzschlussleistung sollte aber auch nicht zu hoch sein, damit die Leistungsschalter die Fehlerströme sicher abschalten können und keine Schäden an Betriebsmitteln auftreten.
Polradwinkelstabilität
Die Polradwinkelstabilität bezeichnet die Fähigkeit eines elektrischen Systems trotz schwerer Störungen weiterhin synchron zu arbeiten: Im stationären Zustand drehen sich alle Generatoren eines Energieversorgungssystems mit gleicher Drehzahl. Sie besitzen konstante Polradwinkeldifferenzen. Der Polradwinkel beschreibt dabei den Winkel, um welchen der Läufer eines Synchrongenerators dem synchronen Drehfeld hinterhereilt.
Bei schweren Störungen (z.B. mehrphasigen Kurzschlüssen) kann es in der Folge dazu kommen, dass die Polradwinkeldifferenzen unkontrolliert zunehmen und einzelne Generatoren außer Tritt fallen. Das System ist dann instabil und läuft nicht mehr synchron.
Um die Polradwinkelstabilität zu überprüfen, wird untersucht, wie sich das System bei Auftritt eines schweren Fehlerfalles (z.B. eines generatornahen dreiphasigen Kurzschlusses) verhält. Eine wichtige Kenngröße zur Bewertung der transienten Polradwinkelstabilität eines Systems ist die kritische Fehlerklärungszeit. Diese bezeichnet die maximal zulässige Dauer eines dreipoligen Kurzschlusses, bei der das System in den stabilen Betrieb zurückkehrt. Als unterer Grenzwert gilt gemäß dem Transmission-Code eine Fehlerklärungszeit von 150ms für den gesamten Betriebsbereich der Generatoren. Diese darf nur in Absprache mit den zuständigen Netzbetreibern unterschritten werden.
Quelle: Schwab (2015): Elektroenergiesysteme; IFHT (2015): Untersuchungen zu Aspekten der elektrischen Systemstabilität im deutschen Übertragungsnetz bis 2023
Frequenzstabilität
Der stabile Betrieb eines elektrischen Energieversorgungssystems erfordert, dass die Last und die Erzeugung elektrischer Energie zu jeder Zeit gleich sind. Kurzfristige Abweichungen können auftreten, wenn Erzeuger oder größere Lasten ausfallen oder mehr Energie als erwartet durch die erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen eingespeist wird. In diesem Fall muss die Netzfrequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes bleiben und durch den Einsatz von Regelleistung auf die Nennfrequenz zurückgeführt werden.
Die Frequenzstabilität bezeichnet die Fähigkeit eines elektrischen Energieversorgungssystems, bei Abweichungen der Energiebilanz innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes zu verbleiben und in den Betrieb mit der vorgegebenen Netzfrequenz zurückzukehren.
Blindleistung
Die Untersuchung verdeutlicht die Herausforderungen bei der Bestimmung und Verortung notwendiger Blindleistungskompensationsanlagen. Der Bedarf an Kompensationsanlagen ist stark abhängig vom Netzausbauzustand und vom Kraftwerkseinsatz. Verzögerungen im Netzausbau können dazu führen, dass zeitweise zusätzliche Blindleistungskompensationsanlagen gebraucht werden.
Um den stabilen Netzbetrieb zu gewährleisten, muss die Spannung eines elektrischen Energieversorgungssystems innerhalb eines bestimmten Spannungsbandes gehalten werden. Um dies zu erreichen, wird lokal Blindleistung bereitgestellt. Dies kann durch statische Blindleistungskompensationsanlagen wie Kondensatorbänke oder Spulen, dynamische Kompensationsanlagen sowie Erzeugungsanlagen erfolgen.