Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven
Standort Wilhelmshaven
Fachbereich Ingenieurwissenschaften
Forschungsvorhaben gefördert durch das Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie
Verbundprojekt „Ausbreitung von Energiequalitätsbeeinflussungen durch
dezentrale Anlagen zur Elektroenergieerzeugung in Verteilungsnetzen“
Laufzeit des Vorhabens:
01.08.1999 – 31.01.2002
Verbundpartner:
WINDTEST Kaiser-Wilhelm-KoogGmbH
Sommerdeich 14b
25709 Kaiser-Wilhelm-Koog
Einleitung und Gesamtziel
Die energiepolitischen und -rechtlichen Rahmenbedingungen haben sich mit
der politischen Zielstellung des Ausstiegs aus der Atomenergie sowie der
Neuordnung des europäischen Binnenmarktes für Elektrizität
qualitativ geändert. Die dadurch verursachten Wirkungen führen
zu tiefgreifenden, langfristigen, widersprüchlichen und komplexen
Umgestaltungen in der Energiewirtschaft.
Ein Teil der Umgestaltungsprozesse bezieht sich auf Technologien zur
dezentralen und CO2-armen oder -freien Erzeugung von Elektroenergie. Neben
den umwelt-, klima- und energiepolitischen Motiven zum breiteren Einsatz
dieser Technologien werden auch vor dem Hintergrund einer veränderten
wirtschaftlichen Gewichtung von Kapital- und Betriebskosten wirtschaftliche
Motive verstärkt an Bedeutung gewinnen.
Neben Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung und Verstromung von
Biogas u.ä. Energieträgern hat die Technologie der Windenergieanlagen
ihre großmaßstäbliche Anwendbarkeit zwischenzeitlich erreicht.
Weitere Technologien befinden sich in der Entwicklung. Insgesamt ist davon
auszugehen, daß Technologien für eine umfangreiche dezentrale
Elektroenergieerzeugung zur Verfügung stehen und weitere in der Zukunft
folgen. Darüberhinaus ist ihr verstärkter Einsatz festzustellen.
Folge dieser Entwicklung ist jedoch, daß der umfangreichere Einsatz
derartiger Technologien (z.B. in Form von Windenergieanlagen) technische
Wirkungen bei ihrer Integration in Energiesysteme verursachen, welche
-
zu einer Beeinflussung der Qualität der Elektroenergie in Verteilungsnetzen
sowie deren Betreibbarkeit führen können sowie
-
die großräumige Leistungsbilanz zu beeinflussen beginnen (sog.
kapazitätswirksame Effekte) und damit auch für Belange der Übertragungsnetze
und Großkraftwerke von Bedeutung sind.
Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit der Beeinflussung der
Energiequalität in Verteilungsnetzen durch dezentrale Anlagen zur
Elektroenergieerzeugung. Deren Quantifizierung und Vorhersage sollen untersucht
und verbessert werden. Parallel dazu sollen die Erfahrungen in die Normenerstellung
eingebracht werden, die im internationalen Rahmen (IEC) derzeit abweichend
von den in Deutschland gängigen Methoden vorangetrieben wird.
Endprodukt soll ein Softwarewerkzeug zur Berechnung der Ausbreitung
von Energiequalitätsbeeinflussungen durch dezentrale Anlagen zur Elektroenergieerzeugung
in Verteilungsnetzen sein.
Das Projekt wird von zwei Parteien bearbeitet, deren Arbeitsschritte
aufeinander abgestimmt werden. Die Partner sind die Fachhochschule Wilhelmshaven
mit den beiden Laboren für Elektrische Energieversorgung sowie für
Leistungselektronik und EMV und die WINDTEST Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH.
Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Vorhabens
Die Einhaltung bestimmter minimaler Standards für die Energiequalität
ist vor dem Hintergrund der volkswirtschaftlichen Abhängigkeit von
der Elektroenergieversorgung unverzichtbar. Mit der zunehmenden Anzahl
und Leistung sowie dem immer flächendeckenderen Einsatz von dezentralen
Elektroenergieerzeugungsanlagen wird das quantitative Maß der Beeinflussung
der Energiequalität durch diese jedoch immer umfangreicher. Daraus
resultiert das ständig zunehmende Interesse verschiedener Interessengruppen
an einer genaueren Berücksichtigung der Auswirkungen der Netzintegration
z.B. von Windenergieanlagen im Rahmen von Netz- und Projektplanungen.
Die z. Z. bzgl. der Netzintegration dezentraler Erzeugungsanlagen in
der Praxis angewendeten Meß- und Berechnungsgrundlagen wurden erarbeitet,
als diese Anlagen sowohl hinsichtlich ihrer Leistung als auch ihrer Anzahl
noch ‘Ausnahmen’ in den Energiesystemen bildeten. Während die Grenzen
der Messungen bei der Erfassung höherfrequenter Störungen erreicht
wurden, werden die Grenzen der Berechnungsgrundlagen in den letzten Jahren
insbesondere in Norddeutschland dort sichtbar, wo der Anteil der Windenergieleistung
partiell sogar den der Lastleistung übersteigt und Rückspeisungen
in das Hochspannungsnetz auftreten.
Die Erarbeitung weiterreichender Meß- und Berechnungsverfahren
ist deshalb ein seit mehreren Jahren zu beobachtender Prozeß, in
welchen auch die Antragsteller involviert sind. (Vgl. detailliertere Beschreibung
des Status-quo in Kapitel 4 sowie Arbeiten der Antragsteller.)
Im Ergebnis dieser u.a. auch geförderten F/E-Arbeiten sind sowohl
Meßkonzepte als auch Modelle für Energiesysteme sowie Berechnungsmethoden
geschaffen worden, welche eine wesentlich genauere Erfassung und Berechnung
der Beeinflussung der Energiequalität in Verteilungsnetzen durch dezentrale
Erzeugungsanlagen ermöglichen können. Die Probleme bestehen in
der derzeitig noch wesentlich zu geringen Anwendungserfahrung sowie Bewertung
der erreichbaren Genauigkeiten und Grenzen dieser weiterentwickelten Meß-
und Berechnungsmethoden.
Die Ziele für das beantragte Teilprojekt bestehen deshalb in:
-
der Messung der Ausbreitung von Oberschwingungen in Verteilungsnetzen,
welche durch dezentrale Anlagen zur Elektroenergieerzeugung verursacht
werden,
-
der Messung der Ausbreitung von Spannungsschwankungen in Verteilungsnetzen,
welche durch dezentrale Anlagen zur Elektroenergieerzeugung verursacht
werden,
-
der Entwicklung bzw. Abstimmung von Berechnungsalgorithmen zur Berechnung
der Ausbreitung von Spannungsänderungen, Flickerstörpegel sowie
niederfrequenter Oberschwingungen;
-
der Berechnung der Ausbreitung der Energiequalitätsstörungen
-
dem Vergleich der Berechnungsergebnisse mit den Messungen.
Damit werden Hilfsmittel geschaffen, die praktisch beliebige Netzkonfigurationenen
und dezentrale Einspeisungen berechnen können und damit eine Prognose
für die Entwicklung der Energiequalität für diese Verteilungsnetze
zulassen. Mit der Erstellung dieser Möglichkeit wird die Integration
von dezentralen Energieerzeugern in die bestehenden Verteilungsnetze wesentlich
gefördert und die Diskussion um technisch mögliche Einspeisepunkte
auf eine solide Grundlage gestellt.
Die zur Zeit in Deutschland angewendeten Verfahren zur Bestimmung der
elektrischen Eigenschaften von Windenergieanlagen werden in der internationalen
Normenarbeit des IEC derzeit stark angegriffen. Es besteht die Gefahr,
daß in Deutschland gängige und abgestimmte Verfahren durch die
internationale Normenarbeit aufgeweicht werden. Insbesondere sind bestimmte
Einflußfaktoren auf die Spannungsschwankungen durch Windenergieanlagen
international noch stark umstritten, insbesondere die Turbulenz des Windes,
eine für das Binnenland interessante Kenngröße. Parallel
zu den Messungen der Ausbreitung der Spannungsschwankungen sollen daher
auch diese Einflußfaktoren untersucht werden.
Zwischenbericht 1999
gemäß Nr. 3.1 BNBest-BMBF 98
Zuwendungsempfänger:
Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven
Standort Wilhelmshaven
Friedrich-Paffrath-Straße 101
26389 Wilhelmshaven
Förderkennzeichen:
0329855A
Vorhabensbezeichnung:
Verbundprojektes „Ausbreitung von Energiequalitätsbeeinflussungen
durch dezentrale Anlagen zur Elektroenergieerzeugung in Verteilungsnetzen“
Laufzeit des Vorhabens:
01.08.1999 – 31.01.2002
Berichtszeitraum:
01.08.1999 – 31.12.1999
1. Aufzählung der wichtigsten wissenschaft!ich-technischen Ergebnisse
und anderer wesentlicher Ereignisse
Teilgebiet Netzberechnung
Schwerpunkte der Projektbearbeitung im Bereich der Berechnung von Energiequalitätsausbreitungen
waren im Berichtszeitraum
- die Weiterentwicklung des Programms zur Berechnung transienter Netzvorgänge
- die Abstimmung des Netzbereichs, welcher zum Vergleich mit den Messungen
einer dynamischen Netzberechnung zugrunde gelegt werden soll.
Programmentwicklung
Der zu berechnende Mittelspannungsnetzbereich zeichnet sich durch durch
eine größere Anzahl magnetisch gekoppelter Mehrphasenbetriebsmittel
aus (Leitungen, Transformatoren, Asynchronmaschinen). Hinsichtlich des
maschinell zu erzeugende expliziten Zustandsmodells führt dieser Sachverhalt
zu Untermatrizen mit vollständiger Besetzung. Die Algorithmen zur
Erzeugung dieser Untermatrizen bildeten den programmtechnischen Arbeitsschwerpunkt
während der Berichtszeit.
Die notwendige Berücksichtigung mehrerer rotierender elektrischer
Maschinen im Zustandsmodell verhindert die effektive Nutzbarkeit von Koordinatentransformationen.
Folge sind nichtlineare Systemmatrizen, welche nach Linearisierung positive
Eigenwerte aufweisen. Begonnen wurde mit der Analyse der Auswirkungen dieses
Sachverhaltes auf die Stabilität des Simulationsmodells.
Netzanalyse
Im Rahmen der Abstimmungen zwischen den Partnern des Verbundprojektes
mit dem regionalen Energieversorgungsunternehmen EWE AG konnte die EWE
AG gewonnen werden, Messungen zur Ausbreitung von Energiequalitätsbeeinflussungen
in ihrem Netz kostenlos zu ermöglichen. Derzeit befindet sich der
Prozeß der Identifikation des am besten geeigneten Netzbereichs in
der Endabstimmung. Darüber hinaus beginnen die Arbeiten zur Bestimmung
der Modellparameter des Netzbereiches
Teilgebiet Oberschwingungen
Als Untersuchungsgebiet wurde dem Projekt von der EWE Aktiengesellschaft,
Oldenburg, das Mittelspannungskabelnetz der Betriebsabteilung Norden zur
Verfügung gestellt. Aus diesem Netz wurde der Bereich zwischen dem
Umspannwerk (UW) Lütetsburg, der Innenraumschaltanlage (ISA) Neßmersiel
und der ISA Hage ausgewählt. In diesem Bereich verfügt das Netz
über eine Windlast von ca. 7,7 MW, außerdem werden weitere 15
MW direkt am UW Lütetsburg eingespeißt.
Bei starker Windlast entsteht zwischen dem Bereich des UW Lütetsburg
und dem des UW Westeraccum eine starke Verschiebung der Spannung zueinander.
Dieses Problem soll im Laufe des Projektes mit untersucht werden. Für
eine Simulation ist dieser Bereich sehr interessant, da hier eine reine
Kabelstrecke ohne Verbraucher / Erzeuger existiert.
Für die Messungen wurde ein weiteres Netzqualitäts–Analyse-System
der Firma HAAG vom Typ EWS 130 mit einem GPS-Empfänger beschafft.
Das System ermöglicht Dauermessungen von Oberschwingungen mit deren
Komponenten (z.B. Strom, Spannung, Leistung, Winkel). Der GPS-Empfänger
ermöglicht die Synchonisation von mehreren Geräten dieses Systems.
Dadurch sind z.B. die Meßergebnisse von beiden Kabelenden vergleichbar.
Bei einem Test mit dem HAAG EWS 130 im Labor für Leistungselektronik
an einem B6-Wechselrichter wurde ein Wirkleistungsverhalten der Oberschwingungen
festgestellt, was den bisherigen Theorien und Veröffentlichungen im
Bezug auf Erzeuger und Verbraucher widerspricht. Zu diesem Punkt sind in
naher Zukunft weitere theoretische und praktische Untersuchungen und eine
Veröffentlichung geplant.
Die meßtechnische Untersuchungen werden im April / Mai 2000 beginnen.
2. Vergleich des Stands des Vorhabens mit der ursprünglichen (bzw.
mit Zustimmung des Zuwendungsgebers geänderten) Arbeits-, Zeit- und
Ausgabenplanungen.
Es wurde nach Rücksprache mit dem Projekträger BEO eine
Änderung der Mittelverteilung durch verzögerten Projektbeginn
vorgenommen. Insbesondere bei der Personalbesetzung gab es große
Schwierigkeiten. Eine BAT 2a-Stelle konnte leider trotz entsprechender
Ausschreibung nicht besetzt werden. Wir konnten die Mittel deshalb nicht
wie beantragt ausgeben. Für die Stellenbesetzung wurde dann auf eine
hausinterne Lösung zurückgegriffen und aus Projektmitteln finanziert.
Die von uns beantragte Änderung des Finanzierungsplanes ist bewilligt
worden und uns mit dem Schreiben vom 05.11.1999 vom BMWT zugegangen.
Eine Übersicht über die Projektausgaben entnehmen Sie bitte
den Anlagen.
3. Haben sich die Aussichten für die Erreichung der Ziele des Vorhabens
innerhalb des angegebenen Ausgabenzeitraums gegenüber dem ursprünglichen
Antrag geändert (Begründung)?
Nein, die Aussichten für die Erreichung der Ziele des Vorhabens
haben sich nicht verändert.
4. Sind inzwischen von dritter Seite Ergebnisse bekannt geworden, die für
die Durchführung des Vorhabens relevant sind? (Darstellung der aktuellen
lnformationsrecherchen nach Nr 2.1 BNBest-BMBF 98
Informationsrecherchen werden zur Zeit bezüglich der Frequenzabhängigkeit
von Modellen elektrotechnischer Betriebsmittel durchgeführt. In Abhängigkeit
von den Ergebnissen, werden spezielle Datenbankrecherchen vorgenommen.
5. Sind oder waren Änderungen in der Zielsetzung notwendig?
Nein, Änderungen in der Zielsetzung sind nicht notwendig.
6. Fortschreibung des Verwertungsplans. Dieser soll, soweit im Einzelfall
zutreffend, Angaben zu folgenden Punkten enthalten (Geschäftsgeheimnisse
des Zuwendungsempfängers brauchen nicht offenbart zu werden):
Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen und erteilte Schutzrechte, die
vom Zuwendungsempfänger oder von am Vorhaben Beteiligten gemacht oder
in Anspruch genommen wurden, sowie deren standortbezogene Verwertung (Lizenzen
u. a.) und erkennbare weitere Verwertungsmöglichkeiten.
Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen sind bis zu diesem Projektzeitpunkt
noch nicht notwendig gewesen.
Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende (mit Zeithorizont)
- z.B. auch funktionale/wirtschaftliche Vorteile gegenüber Konkurrenzlösungen.
Nutzen für verschiedene Anwendergruppen/-industrien am Standort Deutschland.
Umsetzungs- und Transferstrategien (Angaben soweit die Art des Vorhabens
dies zuläßt).
Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende sind zu diesem Projektzeitpunkt
nicht anders als im Antrag formuliert einzuschätzen.
Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende
(mit Zeithorizont) - u.a. wie die geplanten Ergebnisse in anderer Weise
(z.B. für öffentliche Aufgaben, Datenbanken, Netzwerke, Transferstellen
etc.) genuzt werden können. Dabei ist auch eine etwaige Zusammenarbeitmit
anderen Einrichtungen, Firmen, Netzwerken, Forschungsstellen u. a. einzubeziehen.
Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende
sind zu diesem Projektzeitpunkt nicht anders als im Antrag formuliert einzuschätzen.
Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlußfähigkeit für
eine mögliche notwendige nächste Phase bzw. die nächsten
innovatorischen Schritte zur erfolgreichen Umsetzung der Ergebnisse.
Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlußfähigkeit ist
zu diesem Projektzeitpunkt noch nicht hinreichend einschätzbar.
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