Strukturelle Ausgestaltung von Mittelspannungsnetzen auf Basis von Gleichstromtechnologie unter Berücksichtigung einer Leistungsflusssteuerung

Durch technologische Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik sind heutzutage die Schlüsselkomponenten für Netze auf Basis von Gleichstromtechnologie vorhanden, sodass eine Realisierung dieser Netze technisch möglich ist. Eine Leistungsfl usssteuerung durch steuerbare Umrichter bietet dabei eine netzseitige Flexibilität. Zukünftig ist zu erwarten, dass sich die Versorgungsaufgabe in der Mittelspannung (MS) weiterhin verändern wird, sodass bestehende Strukturen zu überdenken und veränderte MS-Netzstrukturen naheliegend sind. MS-Netze haben zudem große Auswirkungen auf die Versorgungszuverlässigkeit von Letztverbrauchern. Netze auf Basis von Gleichstromtechnologie sind vor diesem Hintergrund in besonderem Maße für die MS-Ebene von Interesse. Es ergibt sich folglich die Frage nach einer strukturellen Ausgestaltung von MS-Netzen auf Basis von Gleichstromtechnologie. Dabei sind als wesentliche Strukturmerkmale die Trassenbelegung, Betriebsmittelwahl bei Leitungen, Transformatoren und Umrichtern, Nennspannung, Leitungskonfi guration, Steuerung von Leistungsfl üssen, Größe der Abschaltbereiche und die Inanspruchnahme der Hochspannungsebene von Interesse.
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist vor diesem Hintergrund die Untersuchung der strukturellen Ausgestaltung von MS-Netzen auf Basis von Gleichstromtechnologie unter Berücksichtigung einer Leistungsfl usssteuerung und der zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade.
Das dazu entwickelte Verfahren beruht auf einem Dekompositionsansatz und zerlegt das Gesamtproblem in drei Teilprobleme, die wiederum über einen zweistufi gen Ansatz gelöst werden. Dabei wird zuerst die Netzstruktur samt Betriebsmittelauslegung zur Versorgung aller MS-Stationen auf Basis eines Genetischen Algorithmus gemeinsam mit einer geschlossen formulierten Leistungsfl ussoptimierung zur Abbildung der steuerbaren Umrichter optimiert. Die Wahl der Freiheitsgrade Nennspannung, Leitungskonfi guration, Reservekonzept in den Umspannstationen sowie Inanspruchnahme der Hochspannungsebene wird überlagert durch Variantenrechnungen identifi ziert. Anschließend wird für die resultierende Netzstruktur die Größe von Abschaltbereichen durch Positionierung von Leistungsschaltern mittels eines heuristischen Ansatzes in Kombination mit Variantenrechnungen ermittelt.
In den exemplarischen Untersuchungen wird das Verfahren auf eine ländliche, städtische und vorstädtische Versorgungsaufgabe angewendet. In Folge der Leistungsfl usssteuerung ergeben sich vermaschte Strukturen zwischen Umspannstationen. Mit zunehmender Vermaschung reduziert sich allerdings der Bedarf an Leistungsfl usssteuerung. Somit zeigt sich eine direkte Abhängigkeit bei gegensätzlicher Wechselwirkung zwischen Netzstruktur und Leistungsfl usssteuerung. Durch eine zunehmend vermaschte Netzstruktur auf MS-Ebene lässt sich die Inanspruchnahme des Hochspannungsnetzes reduzieren, sodass ein Kompromiss zwischen der Dimensionierung der MS-Netzstruktur und der Inanspruchnahme der Hochspannungsebene resultiert. Die Größe von Abschaltbereichen hat durch vergleichsweise geringe Kosten zusätzlicher Leistungsschalter eine geringe Auswirkung auf die Netzstruktur. Eine stärkere Vermaschung führt jedoch zu einer höheren Anzahl erforderlicher Leistungsschalter.