Frequenzstabilität im regenerativ geprägten kontinentaleuropäischen Elektrizitätsversorgungssystem

Durch den Zubau von Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energien befinden sich zukünftig vermehrt
umrichterbasierte Anlagen im kontinentaleuropäischen Elektrizitätsversorgungssystem. Ein Großteil dieser Anlagen liefert keinen intrinsischen Beitrag zur Frequenzstützung, da keine elektromechanische Kopplung mit dem elektrischen Netz vorliegt. Darüber hinaus werden weiterhin Stilllegungen von Großkraftwerken prognostiziert, so dass der Anteil elektromechanisch mit dem Netz gekoppelter Erzeugungsanlagen sinkt. Dies führt insgesamt zu einer Reduktion rotierender Massen und somit zu einer Verminderung stabilisierender Einflüsse auf die Netzfrequenz. Daher ist eine Untersuchung einer potentiellen Gefährdung der Frequenzstabilität notwendig, bei der auch geprüft wird, inwiefern
umrichterbasierte Anlagen mit entsprechender Regelung zukünftig einen unterstützenden Einfluss auf die Netzfrequenz haben können.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine Quantifizierung dieser Auswirkungen in einem erneuerbar geprägten kontinentaleuropäischen Synchrongebiet zu ermöglichen, so dass ein Verfahren zur Zeitbereichssimulation mit adäquaten dynamischen Modellen entwickelt wurde.
Das entwickelte Verfahren und die Modelle ermöglichen, die gegebenen regionalen Unterschiede in derErzeugungsstruktur und die Standortabhängigkeit der Netzfrequenz mithilfe eines hochaufgelösten Mehr-Knoten-Netzmodells zu
berücksichtigen, um auch Fragen hinsichtlich regionaler Kernanteile für die Momentanreserve und Primärregelung zu beantworten. Die Komponentenmodelle und angewendeten Methoden sind speziell hinsichtlich ihrer Eignung für Frequenzstabilitätsuntersuchungen und mit Fokus auf Windenergie-, Photovoltaik- und Energiespeicheranlagen mit einer parametrierbaren Frequenzstützung analysiert, angepasst und weiterentwickelt worden. Der dabei gefundene Kompromiss zwischen ausreichender Genauigkeit und Modellreduktion ist gelungen, so dass das ausgedehnte Netz des kontinentaleuropäischen Synchrongebiets mit dem entwickelten Verfahren in annähernd Echtzeit simulierbar ist.
Die exemplarischen Untersuchungen eines Szenarios des Jahres 2050 mit einem Anteil an der Leistungseinspeisung von Anlagen auf Basis erneuerbarer Energien von etwa 58% in Europa und etwa 89% in Deutschland zeigen, dass die Kennwerte für die Frequenzstabilität auch ohne Frequenzstützung aus umrichterbasierten Anlagen innerhalb der aktuell
gültigen Grenzwerte liegen, so dass für das untersuchte Szenario keine Gefährdung der Frequenzstabilität vorliegt. Darüber hinaus sind umrichterbasierte Anlagen in der Lage, sowohl Leistung aus einer RoCoF-Regelung als auch Primärregelleistung bereitzustellen und zeigen in den Untersuchungen entsprechende stabilisierende Effekte. Dabei ist eine reine Proportionalregelung nicht imstande, die transient auftretenden Frequenzgradienten signifikant zu minimieren. Dies konnte durch eine PD-Regelung erreicht werden. Weitere Untersuchungen zur Standortabhängigkeit der Momentanreserve zeigen, dass ein signifikanter lokaler Einfluss auf die maximalen Frequenzgradienten in der Umgebung der frequenzstützenden Anlagen vorliegt. Die maximal auftretenden Frequenzgradienten im Synchrongebiet konnten hierbei nicht reduziert werden. Eine RoCoF-Regelung kann jedoch dazu dienen, Frequenzgradienten in Regionen mit geringer Momentanreserve zu dämpfen.