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2021 | Buch

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Elektrische Energiesysteme

Wissensvernetzung von Stromrichter, Netzbetrieb und Netzschutz

verfasst von: Florian Mahr, Dr. Stefan Henninger, Martin Biller, Prof. Dr. Johann Jäger

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Stromrichter werden die Netze der Zukunft bestimmen, da eine dekarbonisierte elektrische Energieversorgung basierend auf Photovoltaik, Windkraft, Energiespeichern, Brennstoffzellen etc. technologisch vollständig auf Stromrichter angewiesen ist. Die Integration sowie das Betriebs- und Störungsverhalten von Stromrichtern im Netz und deren Auswirkungen auf die Schutztechnik sind einerseits Topthemen in der elektrischen Energieversorgung. Andererseits besteht eine enorme Wissenslücke hinsichtlich eines umfassenden interdisziplinären Systemverständnisses, das hierfür erforderlich ist. Durch die inhaltliche Ausgestaltung und den didaktischen Aufbau hilft dieses Buch diese Lücke zu schließen – sei es in der Praxis oder im Studium.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Wissensbriefing

Frontmatter

1. Ausrichtung, Randbedingungen und Begriffe

Zusammenfassung

Das erste der drei Hauptkapitel ist das Wissensbriefing. Es soll die inhaltliche Ausrichtung des Buches aus dem Bereich der elektrischen Energiesysteme vorgeben sowie die getroffenen Begriffsbestimmungen und Abgrenzungen zur Allgemeinheit festlegen. Darüber hinaus werden die Vereinbarungen und Konventionen hinsichtlich Notation und Abkürzungen zusammengefasst.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

Wissensvernetzung

Frontmatter

2. Stromrichter in Einphasensystemen

Zusammenfassung

Dieses Kapitel behandelt die Netzintegration von einphasigen Stromrichtern. Einphasige Stromrichter sind insbesondere für Niederspannungsnetze in Zusammenhang mit Photovoltaikanlagen von großer Bedeutung. Darüber hinaus können alle mehrphasigen Systeme durch geeignete Transformationen mathematisch auf einphasige Systeme zurückgeführt werden. Ausgehend von der Schaltzelle als Grundbaustein selbstgeführter Stromrichter werden die Halb- und die Vollbrücke als Basistopologie in Abschn. 2.1 eingeführt und deren Funktionsweise erklärt. Filter als Verbindungselemente zwischen Stromrichter und Netz sind Gegenstand von Abschn. 2.2. Die Einstellung von Strom und Spannung wird in Abschn. 2.3 vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt hier auf dem Entwurf eines zielführenden Regelungskonzeptes. Abschn. 2.4 behandelt die Gestaltung der Führungsgrößen der Strom- und Spannungsregelung. Dabei wird gezeigt, wie Wirk- und Verschiebungsblindleistung und die Strom-/Spannungscharakteristik eingestellt werden können.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

3. Stromrichter in Dreiphasensystemen

Zusammenfassung

In Kap. 2 wurden der Aufbau, die Modellierung und die Funktionsweise von einphasigen Stromrichtern erläutert. Darauf aufbauend folgt nun die Betrachtung in dreiphasigen Netzen. Der Fokus liegt hierbei auf den verschiedenen Regelungskonzepten und der daraus resultierenden Interaktion mit dem elektrischen Netz. Wie zuvor sind unter dem Begriff Stromrichter nur selbstgeführte Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis zu verstehen (englisch: Voltage Source Converter, VSC). Topologiespezifische Details wie der Aufbau, die Ansteuerung der Schaltzellen oder die grundlegende Funktionsweise selbstgeführter Stromrichter werden nicht betrachtet; hierfür sei auf Abschn. 2.1 und Kap. 8 verwiesen. Nach der Modellierung dreiphasiger Stromrichter in Raumzeiger und DSRF-Koordinaten in Abschn. 3.1 erfolgt in Abschn. 3.2 eine umfangreiche Übersicht und Klassifizierung der daraus abgeleiteten Regelungen. Diese werden in Abschn. 3.3 im Detail vorgestellt und analysiert, bevor Abschn. 3.4 durch den Vergleich mit Synchrongeneratoren die Unterschiede zwischen konventionellen und stromrichterdominierten Netzen aufzeigt.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

4. Stromrichter in Dreiphasen-Vierleitersystemen

Zusammenfassung

Dieses Kapitel soll über die Betrachtung ein- und dreiphasiger Systeme hinaus Möglichkeiten von Stromrichtern in Dreiphasen-Vierleitersystemen aufzeigen. Dabei wird eine schaltungstechnische und systemtheoretische Herangehensweise an dieses in der Literatur nur in sehr geringem Umfang diskutierte Thema gewählt. In praktischen Anwendungen müssen über diese Betrachtungen hinaus insbesondere die elektromagnetische Verträglichkeit überprüft und Anforderungen an den Stromrichter im Fehlerfall mit Erdberührung definiert werden. Dieser Aspekt ist eng mit dem Netzschutz verknüpft. Anhand des Beispiels der Addition einer dritten Harmonischen zur Erhöhung der verketteten Stromrichterausgangsspannung wird in Abschn. 4.1 aufgezeigt, inwiefern Nullsystemgrößen schon heute eine Rolle in der Stromrichtertechnik spielen. In Abschn. 4.2 wird abgeleitet, wie der Strom oder die Spannung im Nullsystem eingestellt werden können. Die notwendige Symmetrierung der Zwischenkreisspannung ist Gegenstand von Abschn. 4.3.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

5. Netzschutz unter Einfluss von Stromrichtern

Zusammenfassung

Die Hauptaufgabe von Netzschutzsystemen ist die Erkennung von Fehlern und eine anschließende selektive und schnelle Freischaltung des fehlerhaften Netzbereiches, sodass im fehlerfreien Netzbereich die Abnehmer weiterhin mit elektrischer Energie versorgt werden können. In diesem Kapitel werden zunächst Grundannahmen zum Netzverhalten dargestellt, auf denen die Gestaltung und die Funktionsfähigkeit der Netzschutzsysteme bisher beruhen.

Eine stärkere Durchdringung der Netze mit dezentralen Energieumwandlungsanlagen im Allgemeinen und Einspeisungen auf Stromrichterbasis im Speziellen führt dazu, dass einige der Grundannahmen generell oder in bestimmten Varianten aus Netztopologie und Stromrichterregelung nicht mehr zutreffen. Die Auswirkungen auf das Schutzsystem werden analytisch untersucht.

Hierbei ist vor allem in Abgrenzung zu Kap. 2 und 3 zu beachten, dass die Schutztechnik,

wegen zahlreicher Eventualitäten, eine „It depends“-Wissenschaft ist. In diesem Kapitel wird demgemäß versucht, generelle Aussagen zur Reaktion des Schutzsystems zu treffen. Die Gültigkeit dieser Aussagen ist jedoch oftmals einzelfallabhängig.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

Wissenscontainer

Frontmatter

6. Modal- und Koordinatentransformationen

Zusammenfassung

Drehstromsysteme können in unterschiedlicher Art und Weise beschrieben werden. Das Ziel ist immer eine auf die Anwendung orientierte, möglichst einfache mathematische Beschreibung ohne Informationsverlust, um damit eine höhere Kompaktheit und Anschaulichkeit für die Interpretation der Vorgänge zu erzielen. Neben der Darstellung in leiterbezogenen Größen L1, L2 und L3 sind zahlreiche weitere Darstellungsräume möglich. Dafür sind sogenannte Modaltransformationen notwendig, die die Leitergrößen in die Bildräume transformieren.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

7. Elektrische Leistungsbegriffe

Zusammenfassung

Die Entdeckung der elektrostatischen Aufladung eines Bernsteins wird dem Philosophen Thales von Milet 600 v. Chr. zugerechnet. Bernstein (griechisch: ηλεκτρον – Elektron) begründet begrifflich die Elektrizität. Die Aufladung oder Entladung entspricht einer elektrischen Potentialerhöhung oder -erniedrigung, der Potentialunterschied, beispielsweise gegenüber dem Erdpotential, einer elektrischen Spannung. Für die Auf- oder Entladung muss ein elektrischer Strom fließen.

Der Ingenieur der Elektrischen Energieversorgung beschäftigt sich oft mit der Einspeisung, dem Transport und der Bereitstellung von elektrischer Leistung. Die Fragen danach, was eigentlich elektrische Leistung, was Wirkleistung, was Blindleistung ist und wie elektrische Leistung transportiert wird, bleiben bisweilen unklar.

Im Folgenden sollen das Wesen, die physikalischen und mathematischen Zusammenhänge der elektrischen Leistung sowie die technische Interpretation dargestellt und das Verständnis über die elektrische Leistung erhöht werden.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

8. Stromrichtertopologien

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden der Aufbau und die Funktionsweise unterschiedlicher Stromrichtertopologien vorgestellt. Nach der Beschreibung des zweistufigen Elementarstromrichters in Abschn. 8.1.1 folgt in Abschn. 8.1.2 die Diskussion verschiedener Aspekte mehrstufiger Topologien. Schalterbasierte Multilevel-Topologien sind Inhalt von Abschn. 8.2, wobei der Fokus auf Diode-clamped und Flying-capacitor Stromrichtern liegt. Das Abschn. 8.3 behandelt Modulare Multilevel-Topologien. Nach der Beschreibung der Stromrichterzellen als Grundbausteine und deren Verschaltung zu Stromrichterzweigen in Abschn. 8.3.1 folgt in Abschn. 8.3.2 und 8.3.3 die Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise von Modularen Multilevel-Topologien in Dreieck- und Doppelsternschaltung.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

9. Regelungstechnik

Zusammenfassung

Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Regelungstechnik. An geeigneten Stellen werden spezielle Aspekte der Regelung von Stromrichtern hervorgehoben. Ausgehend von der Struktur und der Wirkungsweise einer Regelung in Abschn. 9.1 wird in Abschn. 9.2 die digitale Reglerimplementierung vorgestellt. Die Modellierung der Regelstrecke in Abschn. 9.3 und die Analyse des Regelkreises in Abschn. 9.4 führen zur Beschreibung der Reglersynthese in Abschn. 9.5. In Abschn. 9.6 werden zusätzliche Komponenten der Regeleinrichtung vorgestellt. Die Beschreibung von kaskadierten Regelkreisen ist Gegenstand von Abschn. 9.7. Wichtige Aspekte fortschrittlicher Zustandsregler werden in Abschn. 9.8 diskutiert.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

10. Aufbau und Betrieb elektrischer Netze

Zusammenfassung

Der Aufbau und der Betrieb elektrischer Netze ist auf die Eigenschaften konventioneller Stromerzeugungsanlagen wie Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerke ausgelegt. Im Zuge der Energiewende werden dagegen zunehmend Stromerzeugungsanlagen auf Basis regenerativer Energiequellen mit anderen Eigenschaften installiert. So zeichnen sich Windkraft- und PV-Anlagen beispielsweise durch eine kleinere Anlagengröße, eine Netzkopplung über Stromrichter und eine volatile Wirkleistungscharakteristik aus.

In diesem Kapitel des Wissenscontainers werden die Grundlagen klassischer Wechselstromnetze mit Synchronmaschinen vorgestellt. Der Fokus liegt hierbei auf dem elektromagnetischen und -mechanischem Verhalten von Synchronmaschinen sowie deren Wechselwirkung mit dem elektrischen Netz. Das Kapitel dient insbesondere als Grundlage für die Stromrichterbetrachtungen in Kap. 3 der Wissensvernetzung.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

11. Schutztechnik

Zusammenfassung

Die Schutztechnik ist ein integraler Bestandteil der elektrischen Energieversorgung, um fehlerhafte Netzzustände wie Kurzschlüsse oder Leiterunterbrechungen zu erkennen und die fehlerhaften Betriebsmittel möglichst schnell und selektiv zu isolieren. Somit soll im besten Fall eine unterbrechungsfreie Versorgung der Abnehmer mit elektrischer Energie gewährleistet werden.

Die Inhalte dieses Kapitels bieten einen kurzen Abriss über ausgewählte Themengebiete der Schutztechnik, welche insbesondere zum tieferen Verständnis der Wissensvernetzung in Kap. 5 beitragen.

Dies umfasst u. a. das Verhalten von Strom und Spannung während eines Netzfehlers, die Darstellung von Netzfehlern in Symmetrischen Komponenten und für Kap. 5 weitere wichtige Aspekte des Distanzschutzes. Des Weiteren werden die Modellierung von Stromrichtern in Symmetrischen Komponenten und die Anforderungen an dezentrale Energieumwandlungsanlagen bei Netzfehlern thematisiert.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

12. Distanzschutzalgorithmen

Zusammenfassung

Schutzrelais müssen im Millisekundenbereich sichere und zuverlässige Entscheidungen zum Fehlergeschehen in den Netzen auf Basis von Messwerten treffen. Ihre daraus abgeleiteten Aktionen haben eine enorme Tragweite für den Netzbetrieb, müssen jedoch selbständig und ohne menschliches Zutun erfolgen. Die Anfänge der Schutzrelaistechnik basierten auf elektromechanischen Mechanismen oder später auch elektronischen Schaltungen, die eine physikalische Messvorschrift so gut als möglich nachbilden. Beim Übergang zu digitalen Schutzrelais gewann man viele Freiheiten, da die Messvorschriften mit Hilfe von Algorithmen und numerischer Analytik auf Mikroprozessoren implementiert sind.

Der Wissenscontainer Distanzschutzalgorithmen stellt wichtige Vertreter von Messvorschriften und Algorithmen der Distanzschutztechnik vor. Dies umfasst die physikalische Ableitung und die Formulierung der analytischen Gleichungen sowie die Untersuchung zu deren Beeinflussung durch unterschiedliche Netzphänomene.

Die dargestellten Gleichungen und Zusammenhänge sind an vielen Stellen Grundlage für das Kap. 5 der Wissensvernetzung.

Florian Mahr, Stefan Henninger, Martin Biller, Johann Jäger

Titel: Elektrische Energiesysteme
verfasst von: Florian Mahr
Dr. Stefan Henninger
Martin Biller
Prof. Dr. Johann Jäger
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-34908-0
Print ISBN: 978-3-658-34907-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-34908-0

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