Einsatzoptimierung von FACTS und Batterieanlagen zur Unterstützung der Windintegration

Künftig ist mit einem weiter steigenden Beitrag der Windenergie zur Stromerzeugung in Deutschland und dabei insbesondere mit der Förderung des Ausbaus von Offshore- Windkraftanlagen zu rechnen. Die grundsätzliche Schwierigkeit besteht in der optimalen Übertragung der Energie über große Entfernungen anhand der vorhandenen 380-kV-Spannungsebene. Mit Hilfe des Einsatzes moderner Leistungselektronik (FACTS) ist es prinzipiell möglich, den Wirkleistungsfluss und die Spannungshaltung zu beeinflussen.

Ein weiteres Problem der Windenergienutzung besteht in dem unvorhersehbaren Charakter des Windes, welches eine Bereitstellung der kurzfristigen Regelleistung durch regelbare traditionelle Kraftwerke erfordert. Hierbei erscheint die Anwendung von modernen Hochenergiebatterien als eine besonders sinnvolle Möglichkeit, da im Falle eines Offshore-Windparks mit Gleichspannungsübertragung diese Spannungsebene gleichzeitig dem Batterieanschluss dienen könnte.

Die vorliegende Arbeit betrachtet die Problematik der Windenergienutzung. Die Windintegration in Nord- und Ostregionen erfordert den Anschluss an das Höchstspannungsnetz, wobei die Anzahl der verfügbaren Anschlusspunkte in diesen Regionen äußerst gering ist. Die Netztopologie des deutschen 380-kV-Netzes wird auf Basis vorhandener Unterlagen nachgebildet. Basierend auf dem Modellnetz werden zur Ermittlung der optimalen Anschlusspunkte Spannungsstabilitätsuntersuchungen durchgeführt. Somit kann das Spannungsverhalten von verfügbaren Anschlussknoten miteinander verglichen und die maximale Wirkleistungseinspeisung an den jeweiligen Netzknoten abgeschätzt werden.

Bei der Untersuchung des Netzverhaltens infolge einer zusätzlichen Windeinspeisung werden unter Berücksichtigung des Einsatzes von FACTS, in einem weiteren Schritt geeignete Platzierungsstrategien entwickelt und vorgestellt. Anschließend zeigen Simulationen im nachgebildeten Netz die Anwendbarkeit der entwickelten Platzierungsmethoden. Auch wenn der Fokus auf Static Var Compensators (SVC) und Thyristor- Controlled Series Compensators (TCSC) liegt, können die entwickelten Methoden auf weitere regelbare Geräte angewendet werden. Zur Ermittlung der optimalen Einstellwerte von FACTS wird in dieser Arbeit ein optimales Lastflussproblem formuliert. Sensitivitätsanalysen werden verwendet, um das Einflussgebiet eines Gerätes zu bestimmen und das entsprechende Optimierungsproblem aufzustellen. Somit erfolgt die Regelung unabhängig von der Größe des Netzes.

Abschließend werden zwei Anwendungsfälle für den Batterieeinsatz zur Unterstützung der Windintegration betrachtet und untersucht. Für die jeweiligen Anwendungsfälle werden Batterieauslegungsmethoden vorgestellt. Hierzu wird für die Untersuchung des optimierten Batterieeinsatzes ein Berechnungsprogramm eingesetzt und im Rahmen dieser Arbeit erweitert. Das Ziel des Optimierungsmodells besteht in der Minimierung des Regelleistungsbedarfs der Windkraftanlagen über den gesamten Betrachtungszeitraum unter Beibehaltung der technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen Anreiz geben, die Einbindung von FACTS und Batteriesystem angesichts der zukünftigen Windintegration in Deutschland voranzutreiben.