Regeldynamik konventioneller Kraftwerke im Kontext veränderter Erzeugungsstrukturen

Der konventionelle Kraftwerkspark in Europa wird sich aufgrund der ansteigenden Einspeisung aus erneuerbaren Energien und der damit einhergehenden Reduktion der Volllaststunden konventioneller Kraftwerke zukünftig erheblich verkleinern. Konventionelle Kraftwerke leisten jedoch nach wie vor einen wesentlichen Beitrag zu Frequenz- und Spannungsregelung im kontinentaleuropäischen Verbundnetz. Vor dem Hintergrund einer sukzessiven Verkleinerung des Kraftwerksparks werden im Rahmen dieser Dissertation Untersuchungen zur zukünftigen transienten Frequenz- und Spannungsstabilität bei veränderter Erzeugungsstruktur vorgestellt. Die Frequenzstabilität wird mit Hilfe eines vereinfachten dynamischen europäischen Netzmodells untersucht. Gegenstand der Untersuchungen sind die Auswirkungen der Visionen des ENTSO-E Ten Year Network Development Plans 2016 für das Jahr 2030 auf die Primärregelung der Netzfrequenz in Situationen niedriger Resiuallast mit geringer Anzahl netzgekoppelter konventioneller Kraftwerke. Ziel ist es abzuschätzen, inwiefern in naher Zukunft ENTSO-E Grenzwerte der Netzfrequenz verletzt werden könnten und ob ein frequenzstabiles Ausregeln eines 3-GW-Erzeugungsausfalls im zukünftigen kontinentaleuropäischen Verbundnetz noch möglich ist. Im Zuge dessen werden auch die zukünftigen Anforderungen an ein primärregelendes Einzelkraftwerk analysiert. Ebenfalls werden die Auswirkungen der Bereitstellung eines Teils der Primärregelleistung durch umrichtergespeiste Anlagen auf die Netzfrequenz im Störungsfall beleuchtet. Die Spannungsregelung konventioneller Kraftwerke betreffend wird in dieser Arbeit ein Optimierungsalgorithmus zur Parameterauslegung eines PID-Spannungsreglers vorgestellt, der bei gleichbleibendem Erregersystem zu einem verbesserten transienten Spannungsverhalten eines Kraftwerksblocks infolge symmetrischer Störungen führt. Bei einer verringerten Anzahl konventioneller Kraftwerke im System kann so die spannungsstützende Funktion der verbleibenden Kraftwerke möglichst optimal genutzt werden. Die Spannungsregleroptimierung wird sowohl in einem einfachen Ein-Generator-Modell als auch in einem vermaschten Übertragungsnetzmodell für verschiedene Erregersysteme verifiziert. Der Einfluss einer veränderten Erzeugungs-struktur auf die transiente Spannungsstabilität und die damit einhergehenden Möglichkeiten durch Spannungsregleroptimierung werden mit Hilfe eines einfachen dynamischen Windparkmodells im vermaschten Übertragungsnetzmodell erarbeitet.

Due to the increased electrical power supply from renewable energy sources and the corresponding reduction of full load hours of conventional power plants, the number of conventional power plants in the european power system will decrease continuously in the future. However, conventional power plants still play a major role in the frequency and voltage control schemes of the synchronously operated continental european interconnected power systems. The investigations of this dissertation focus on the future role of conventional power plants in transient voltage and frequency stability within a changed electrical power supply structure. Frequency stability is investigated using a simplified dynamic grid model of the continental european interconnected power system. The visions for 2030 of the EN-TSO-E Ten Year Network Development Plan 2016 are tested for their frequency behavior during critical situations such as low residual load with reduced number of grid-connected conventional power plants. The objective of these investigations is to determine, if frequency boundaries of the ENTSO-E could be violated in the near future and if frequency stability of the future continental european power system can be assured for a 3 GW power supply outage. Future demands that have to be met by a single conventional power plant taking part in primary frequency control are also part of the frequency investigations. Additionally, the influence of primary control power contribution of rectifier driven power supply units on frequency stability is investigated. To improve transient voltage stability this thesis focuses on an optimization algorithm to define PID-parameters for automatic voltage regulators of excitation systems of conventional power plants. Optimzation is done according to support different symmetrical disturbances like short-circuit- or load-step-incidents. The objective is to achieve sufficient transient voltage stability for a decreased number of conventional power plants. The optimization algorithm is verified for different types of excitation systems and disturbances within a simple single-generator-system and a meshed extra high voltage transmission system. The influence of a changed power supply structure on transient voltage stability and the corresponding opportunities of voltage regulator optimization are investigated using a simple dynamic wind farm model within the meshed transmission system model.