Masterarbeiten

Im Zuge des rapide ansteigenden Anteils an Erneuerbaren Energien im AC-Netz müssen ÜNBs neue Herausforderung bewältigen, wie etwa volatile Erzeugung, einem wachsenden lokalen Ungleichgewicht zwischen Energieerzeugung und -verbrauch und stark belasteten Übertragungsleitungen. Um weiterhin einen sicheren Netzbetrieb zu gewährleisten, sind Netzverstärkungsmaßnahmen unumgänglich. Zur Beherrschung des steigenden Anteils großer Leistungen die bei der Energieübertragung über lange Distanzen nötig ist, ist HGÜ eine vernünftige Alternative. Aufgrund von langen andauernden Genehmigungsvorgängen und dem Protest der Bevölkerung ist es ebenfalls wichtig bereits existierende Betriebsmittel effizienter zu nutzen. Nach heutigen Sicherheitskriterien wird die (N 1)-Sicherheit jeweils für das AC- und HGÜ-System separat bewertet, wobei VSCs, als Koppelstelle zwischen beiden Systemen, eine aktive Beeinflussung des Energieaustauschs der Systeme erlauben und somit derzeitige Konventionen erweitern können. Mit solch einer ganzheitlichen Betrachtung auf das hybride Verbundnetz ist es möglich, die VSC-Fahrplanarbeitspunkte so zu bestimmen, dass Ausfälle von AC- und DC-Übertragungsleitungen sowie von Umrichtern keine Grenzwertüberschreitungen hervorrufen. Zur Bestimmung solcher optimalen Arbeitspunkte kann ein Optimal Power Flow zum Einsatz kommen. Fließen Sicherheitsaspekte mit in die Betrachtung ein, resultiert dies in einem (Preventive) Security Constrained Optimal Flow (PSCOPF). Das Ziel dieser Arbeit ist es ein solches PSCOPF Verfahren zur Koordinierung von VSC Arbeitspunkten zu entwickeln, wobei beide Systeme an der Klärung von Betriebsmittelausfällen beteiligt sind. Stellglied der Optimierung sind hierbei die Wirkleistung p_VSC und DC-Knotenspannung u_DC der VSCs. Entsprechend der genannten Problemstellung minimiert das zu entwickelnde Verfahren die Anzahl kritischer Betriebsmittelfälle. Dabei berücksichtigt der PSCOPF den Initialen Arbeitspunkt und reduziert die Arbeitspunktabweichung zu diesem auf ein Minimum.

Netzengpässe sind ein zunehmendes Problem in der deutschen und europäischen Energieversorgung. Diese treten aufgrund der vermehrt dezentralen und regenerativen Erzeuger nicht mehr nur im Übertragungs-, sondern auch im Verteilernetz auf. Gleichzeitig besteht die Chance, neue Flexibilitätspotentiale der niederen Spannungsebenen aktiv in das Engpassmanagement einzubeziehen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, inwiefern klassische Engpassmanagementverfahren, die bisher ausschließlich im Übertragungsnetz angewendet werden, auch für den vertikalen Betrieb und die Anwendung im Verteilernetz geeignet sind. Dazu werden die Verfahren des Engpassmanagements zunächst im Detail vorgestellt. Anschließend erfolgt eine Kategorisierung und Bewertung der Verfahren hinsichtlich ihrer Anwendungsbereiche und der Erfüllung gesetzlicher Anforderungen. Auf dieser Basis kann eine Beurteilung ihrer Eignung für den vertikalen Betrieb erfolgen. Dazu werden vier Szenarien definiert, die mögliche Engpasssituationen in den verschiedenen Spannungsebenen verdeutlichen. Der Fokus liegt dabei auf kurzfristigen Engpässen. Es wird untersucht, inwiefern diese Engpässe durch Engpassmanagement-Maßnahmen der verschiedenen Netzbetreiber unter Einbeziehung vertikaler Maßnahmen beseitigt werden können. Die Arbeit zeigt die grundsätzliche Eignung klassischer Engpassmanagement-Maßnahmen für den vertikalen Betrieb sowie Vorteile und Herausforderungen des vertikalen Engpassmanagements auf.

Ein kritischer Fehler, der elektrische Anlagen und die daran arbeitenden Personen stark gefährdet, ist der dreipolige Störlichtbogen. Die Gefährdungsbeurteilung und Auswahl geeigneter persönlicher Schutzausrüstung fordert Kenntnisse über die Kenngrößen des Störlichtbogens. In systematischer Fortsetzung der früheren Untersuchungen am dreipoligen Störlichtbogen mit kleinräumiger Box in einem Prüfkreis 400 V AC 50 Hz wurde eine dreipolige Anordnung paralleler Elektroden, die horizontal nebeneinander verlaufen, untersucht. Die Lichtbogenenergie und die direkte thermische Einwirkenergie wurden für verschiedene Prüfströme, Arbeitsabstände und Elektrodenmaterialien bestimmt. Für die Kenngrößen wurden Regressionsgleichungen abgeleitet. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Lichtbogenfußpunkte und die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Gaswolke wurden bestimmt. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Lichtbogenleistung und -energie linear stromabhängig und kaum materialabhängig sind. Die Lichtbogenleistung liegt in der Nähe des theoretischen Maximums. Praktische Berechnungen sollten vom Maximalwert ausgehen. Der Strombegrenzungsfaktor ist im Mittel größer als 0,5, sodass ein Wert von 0,5 als Richtwert angesehen werden kann. Der Zusammenhang zwischen thermische Einwirkenergie und Lichtbogenenergie ist bei kleinen Prüfströmen proportional, bei großen Strömen (ab 7 kA) im Falle von Kupferelektroden unterproportional. Das Elektrodenmaterial Aluminium sorgt für die höchste Einwirkenergie gefolgt von Stahl und Kupfer. Die Einwirkenergie ist umgekehrt quadratisch proportional zum Arbeitsabstand. Im Vergleich zu den bisherigen dreipoligen Untersuchungen wurden in der neuen Anordnung die höchsten Einwirkenergien festgestellt. Sie stellt den Worst Case dar. Der dreipolige Störlichtbogen hat eine höhere Lichtbogenenergie und Einwirkenergie als der zweipolige. Die Lichtbogenenergie ist im Mittel um den Faktor 2,7 größer. Die Ergebnisse sind insbesondere für Kupferelektroden statistisch gut abgesichert. In weiterführenden Untersuchungen sollte dies für die anderen Materialien angestrebt werden. Des Weiteren sollten höhere Prüfströme betrachtet werden.

In elektrischen Netzen und Anlagen können Fehlerfälle auftreten, die mit einem elektrischen Kurzschluss verbunden sind. Infolgedessen kommt es an der Fehlerstelle meist zur Entstehung eines Störlichtbogens, der insbesondere durch dessen thermische Auswirkungen eine Gefährdung für die elektrotechnische Anlage und für sich in unmittelbarer Nähe befindlichen Personen darstellt. Um das Gefährdungspotential einschätzen zu können, müssen sowohl die Kenngrößen des Netzes als auch die spezifischen Anlagenanordnungen und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Dies gilt nicht nur für Drehstrom- sondern ebenfalls für Gleichstromsysteme. Darüber hinaus sind die Zusammenhänge der Lichtbogenkenngrößen sehr kompliziert und meist von nichtlinearem Charakter. Eine allgemeine Berechnung der Lichtbogenparameter ist somit praktisch nicht möglich. Empirische Bestimmungsgleichungen, die aus messtechnischen Untersuchungen abgeleitet werden, sind folglich unverzichtbar. Im Rahmen dieser Arbeit werden Versuchsreihen zur Messung der elektrischen und thermischen Kenngrößen von Störlichtbögen mit Hilfe gezielter Modifikation des Box-Test-Verfahrens nach IEC 61482-1-2 in DC- und AC-Prüfkreisen durchgeführt. Die Messergebnisse werden im Hinblick auf bestehende Zusammenhänge und Korrelationen der Lichtbogenparameter sowie die verschiedenen Einflussgrößen auf das Brennverhalten des Lichtbogens analysiert. Es wird gezeigt, welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Gleich- und Drehstromlichtbögen bestehen und inwieweit allgemeine Bestimmungsverfahren aus der Literatur anwendbar sind. Die Relation zwischen Lichtbogenleistung bzw. Lichtbogenenergie bei dreipoliger und zweipoliger Elektrodenanordnung hängt von der Konfiguration der Elektroden ab. Die Untersuchungen belegen, dass die thermischen Auswirkungen von Störlichtbögen stark von Elektrodenmaterial, -anordnung und -umgebung bestimmt werden. Bei Verwendung von Aluminiumelektroden und paralleler Anordnung horizontaler Elektroden in dreipoligen Systemen mit Box ergeben sich die jeweils höchsten thermischen Energiedichten.

Diese Arbeit untersucht die Eignung von virtuellen Stromspeichern für verschiedene Anwendungsfälle. Dies erfolgt zuerst durch eine theoretische Untersuchung, die grundsätzlich den Einsatz von virtuellen Stromspeichern für verschiedene Anwendungsfälle klären soll. Im Anschluss werden drei ausgewählte Anwendungen näher betrachtet, in dem eine Simulation durchgeführt wird, die bei der Erfüllung der Speicheraufgabe einen virtuellen Stromspeicher mit einem idealen Stromspeicher vergleicht. Zum Abschluss der Arbeit wird aufgezeigt, in wie weit sich der Einsatz von virtuellen Speichern zur Erfüllung der Anwendungsfälle lohnt.