Autor: Janek Massmann

Das politische Ziel zur Dekarbonisierung der Energieversorgung und die damit einhergehende Substitution der Stromerzeugung konventioneller Kraftwerke durch erneuerbare Energien führt zu einem Umbau der elektrischen Energieversorgung. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken sind regenerative Erzeugungsanlagen aufgrund ihrer geringen Anschlussleistung vorwiegend in den Verteilungsnetzen verortet. Zusätzlich sind diese Anlagen überwiegend per Wechselrichter mit dem Netz gekoppelt, deren dynamisches Verhalten sich grundsätzlich von der Dynamik der Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke unterscheidet. Der strukturelle und technologische Wandel bewirkt daher eine grundlegende Veränderung der Systemdynamik. Für die Modellierung der Verteilungsnetze in Analysen der transienten Stabilität im Übertragungsnetz kommen in der Regel passive Residuallastmodelle zum Einsatz, denen eine Vernachlässigung der in den Verteilungsnetzen verorteten Anlagen zugrunde liegt. Dieser Modellierungsansatz ist jedoch vor dem Hintergrund des strukturellen Wandels und der damit einhergehenden Veränderung der Systemdynamik infrage zu stellen. In dieser Arbeit wird daher ein neues Verfahren zur Analyse der transienten Stabilität im Übertragungsnetz unter Berücksichtigung Verteilungsnetzebene entwickelt. Hierzu kommen Grey-Box Modelle zum Einsatz, die das Verhalten der in der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsebene verorteten Erzeugungseinheiten mithilfe äquivalenter Generatoren abbilden und eine reduzierte Komplexität sowie einen geringeren Informationsbedarf zur Parametrierung gegenüber detaillierten dynamischen Verteilungsnetzmodellen aufweisen. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Verfahren wird zunächst anhand synthetisch generierter Verteilungsnetzmodelle validiert. Für die erstellten Grey-Box Modelle zeigt sich im Gegensatz zu den klassischerweise verwendeten passiven Lastmodellen sowohl bei hohen Durchdringungsgraden erneuerbarer Energien als auch bei tiefen Spannungseinbrüchen eine hohe Abbildungsgüte. Durch Anwendung des Verfahrens auf ein Modell des kontinentaleuropäischen Verbundsystems für das Jahr 2035 wird anschließend ein spannungsebenenübergreifendes Netzmodell erstellt und eine Analyse der transienten Stabilität für dreiphasige Kurzschlüsse im deutschen Übertragungsnetz durchgeführt. Für die identifizierten kritischen Netznutzungsfälle und Fehlerfälle werden abschließend drei unterschiedliche Optionen zur Anpassung der technischen Netzanschlussrichtlinien diskutiert und der Einfluss auf die transiente Stabilität bewertet.

Das politische Ziel zur Dekarbonisierung der Energieversorgung und die damit einhergehende Substitution der Stromerzeugung konventioneller Kraftwerke durch erneuerbare Energien führt zu einem Umbau der elektrischen Energieversorgung. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken sind regenerative Erzeugungsanlagen aufgrund ihrer geringen Anschlussleistung vorwiegend in den Verteilungsnetzen verortet. Zusätzlich sind diese Anlagen überwiegend per Wechselrichter mit dem Netz gekoppelt, deren dynamisches Verhalten sich grundsätzlich von der Dynamik der Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke unterscheidet. Der strukturelle und technologische Wandel bewirkt daher eine grundlegende Veränderung der Systemdynamik. Für die Modellierung der Verteilungsnetze in Analysen der transienten Stabilität im Übertragungsnetz kommen in der Regel passive Residuallastmodelle zum Einsatz, denen eine Vernachlässigung der in den Verteilungsnetzen verorteten Anlagen zugrunde liegt. Dieser Modellierungsansatz ist jedoch vor dem Hintergrund des strukturellen Wandels und der damit einhergehenden Veränderung der Systemdynamik infrage zu stellen. In dieser Arbeit wird daher ein neues Verfahren zur Analyse der transienten Stabilität im Übertragungsnetz unter Berücksichtigung Verteilungsnetzebene entwickelt. Hierzu kommen Grey-Box Modelle zum Einsatz, die das Verhalten der in der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsebene verorteten Erzeugungseinheiten mithilfe äquivalenter Generatoren abbilden und eine reduzierte Komplexität sowie einen geringeren Informationsbedarf zur Parametrierung gegenüber detaillierten dynamischen Verteilungsnetzmodellen aufweisen. Das im Rahmen der Arbeit entwickelte Verfahren wird zunächst anhand synthetisch generierter Verteilungsnetzmodelle validiert. Für die erstellten Grey-Box Modelle zeigt sich im Gegensatz zu den klassischerweise verwendeten passiven Lastmodellen sowohl bei hohen Durchdringungsgraden erneuerbarer Energien als auch bei tiefen Spannungseinbrüchen eine hohe Abbildungsgüte. Durch Anwendung des Verfahrens auf ein Modell des kontinentaleuropäischen Verbundsystems für das Jahr 2035 wird anschließend ein spannungsebenenübergreifendes Netzmodell erstellt und eine Analyse der transienten Stabilität für dreiphasige Kurzschlüsse im deutschen Übertragungsnetz durchgeführt. Für die identifizierten kritischen Netznutzungsfälle und Fehlerfälle werden abschließend drei unterschiedliche Optionen zur Anpassung der technischen Netzanschlussrichtlinien diskutiert und der Einfluss auf die transiente Stabilität bewertet.