Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung Systemdienstleistungen

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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

Ver

teil

un

gsn

etz

Üb

ertr

agu

ng

snet

z

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

Pü

jederzeit ausreichende Vorhaltung von – Primärregelleistung – Sekundärregelleistung und – Minutenreserveleistung

Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz

f = 50 Hz

X


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


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



Frequenz



910 mHz


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


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


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



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



~

~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


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






11

22

33

44

11

22

44

55

66

77

33

33

44

22

11

Quelle: dena




Entwicklungen und deren Auswirkungen auf die Übertragungsnetze



Zusammenfassung

Gliederung



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


“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


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





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

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



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


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

Un

-10 %

+10 %







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 [email protected]


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

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


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


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

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

2

3

4

1

2

4

5

6

7

3

3

4

2

1

Netzausbaubis 2007






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


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


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


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

+Q-Q

P

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

-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


Pü

jederzeit ausreichende Vorhaltung von – Primärregelleistung – Sekundärregelleistung und – Minutenreserveleistung

Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz

f = 50 Hz

X


Betriebsführungsstrategien – Wirkleistung

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

K.. Rohrig, IWES

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