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Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Sonne und Wind sicher ins Netz

Text: Norbert G. Breitwieser, Elektrasoft Foto, Grafiken: Querbeet/iStockphoto, Elektrasoft
Um erneuerbare Energien sicher und zuverlässig einspeisen zu können, müssen Energieversorger und Stadtwerke gewährleisten, dass das bestehende Stromnetz dafür ausgelegt ist. Für die nötigen Berechnungen fehlen aber häufig die genauen technischen Daten der eingebauten Betriebsmittel.Fachtechnische Computerprogramme helfen da weiter.

Der Wandel von konventioneller zu regenerativer Energiebereitstellung verändert die Struktur unserer Energiewirtschaft. Statt der Stromerzeugung in Großkraftwerken nimmt die Erzeugung in Kleinanlagen wie Photovoltaik und Windparks zu. Erneuerbare Energien müssen einerseits bedarfsorientiert einspeisen und zum Funktionieren des Gesamtsystems beitragen. Andererseits muss auch das Gesamtsystem auf die erneuerbaren Energien ausgerichtet werden.

Gemäß Energiewirtschaftsgesetz obliegt die Verantwortung für Herstellung und Betrieb der Stromnetze einschließlich der Technischen Anschlussbedingungen (TAB) dem jeweiligen Verteilungsnetzbetreiber. Die Optimierung unserer Stromnetze erfordert daher genaue Überlegungen hinsichtlich heutiger und zukünftiger Netzstrukturen. Umfangreiche elektrotechnische Berechnungen sind nötig, Voraussetzung hierfür ist die vollständige Dokumentation der heute vorhandenen Stromnetze.

Doch hier fangen die Probleme an. Ein großer Teil der kleinen und mittleren Energienetze in Deutschland ist noch nicht vollständig dokumentiert. Es fehlen vielerorts die exakten technischen Daten der eingebauten Betriebsmittel, da hierfür oft zeitaufwendige Begehungen der technischen Anlagen erforderlich sind. Nur mit den exakten technischen Daten können die Stromnetze elektrotechnisch berechnet und optimiert werden.

Moderne Softwaresysteme helfen optimieren

Wirtschaftliche und zukunftsorientierte Berechnungen leisten nur spezielle Computerprogramme. Der Markt bietet hierfür verschiedene fachtechnische Softwaresysteme an. So haben viele Stadtwerke bereits in den 90er Jahren begonnen ihre Stromnetze mit GIS-Systemen (Geografische Informationssysteme) digital zu dokumentieren.

Dies ist ein sinnvoller Anfang und stellt eine hochwertige und dauerhafte Anlagendokumentation sicher. Doch GIS-Systeme erlauben keine elektrotechnischen Berechnungen, so dass ein weiteres computerunterstütztes Verfahren notwendig ist. Als Leistungsumfang der Software sind die Kriterien gefragt wie

  • grafische Netzerfassung und Netzdokumentation,

  • Netzberechnungen nach IEC und DIN EN 60909 für alle Spannungsebenen,

  • Kurzschlussstromberechnungen,

  • Lastflussrechnungen, Auslastung Gesamtnetze/Teilnetze

  • Selektivitätsprüfungen,

  • Oberschwingungen,

  • Netzdatenprüfung hinsichtlich Vollständigkeit und Plausibilität,

  • Ergebnisdarstellungen in der Netzgrafik sowie in ausführlichen Onlineberichten,

  • Definition und Speicherung von Schaltzuständen,

  • farbige Darstellung von Netzzuständen wie Spannungsebenen, Auslastung und Teilnetze sowie

  • herstellerunabhängige Datenbibliothek für elektrotechnische Betriebsmittel.

Die genannten Leistungen bietet etwa die fachtechnische Software Elaplan. Mit ihr lassen sich schnell symmetrische und unsymmetrische Fehler nach DIN VDE, EN, IEC 60909 berechnen. Zur Beurteilung der Betriebssicherheit des Energienetzes berechnet die Software die Verteilung von Wirk- und Blindleistungsflüssen im gesamten Energienetz sowie die Spannungshaltung an den Netzknoten einschließlich der Auslastung der Betriebsmittel. Eine interaktive Netzgrafik zeigt den jeweiligen Zustand des Netzes in übersichtlicher Form und stellt wahlweise Betriebsmitteldaten, berechnete Kurzschlussströme oder Lastflüsse dar. Da die Software verschiedene Schaltzustände im Energienetz berücksichtigt, ist eine schnelle Bewertung kritischer Situationen möglich. So wird etwa die Selektivität in nur einem Berechnungslauf über alle erfassten Spannungsebenen überprüft. Weiterhin können an einem definierten Netzknoten die Kurzschlussströme simuliert werden.

Einfache Netzerfassung

Das bestehende Stromnetz wird als digitales Modell grafisch und mit sämtlichen Daten der angeschlossenen Betriebsmittel in das System aufgenommen. Die grafische Bedienoberfläche ermöglicht eine schnelle Erfassung der relevanten Daten und speichert diese dauerhaft. Stellt der Anlagenbetreiber den Antrag, erneuerbare Energie in das bestehende Netz Strom einspeisen zu dürfen, wird in Elaplan ein neuer Einspeisepunkt mit der erforderlichen Kennung aufgenommen und die Betriebsmitteldaten des Betreibers werden erfasst. Die Software berechnet sofort das gesamte Energienetz in Bezug auf Kurzschlussströme sowie Lastflüsse und zeigt auf, wo die Schwachpunkte durch die neue Einspeisung liegen. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich dann die geeigneten Maßnahmen ableiten, um die neue Netzeinspeisung unter Einhaltung der geforderten Versorgungssicherheit in das bestehende Energienetz zu integrieren.

Einspeisekriterien berücksichtigen

Stadtwerke und Verteilnetzbetreiber müssen schnell und sicher entscheiden, ob eine Windenergie-, Photovoltaik- oder Biogasanlage elektrotechnisch geeignet ist, in das bestehende Stromnetz einspeisen zu können. Um schädliche Rückwirkungen auf das Stromnetz zu vermeiden, sind folgende Punkte zu prüfen:

  • Netzzugangsbedingungen,

  • Einhaltung der Kapazität für die Einspeiseleistung,

  • Spannungs- und Frequenzqualität,

  • Kurzschlussströme am Netzverknüpfungspunkt,

  • Auswirkungen auf Rundsteueranlagen und Blindleistungskompensation,

  • Elektromagnetische Verträglichkeit sowie

  • Einhaltungen der technischen Regeln, DIN-VDE-Normen.

Elaplan hilft dabei, die Einspeisekriterien zu überwachen und bei einer Abweichung die erforderlichen Maßnahmen zu treffen. Da sich die jeweils aktuellen Netzverhältnisse simulieren lassen, hilft die Software dabei, für die Anlagenbetreiber schnell und einfach die notwendigen Vorgaben für den Einspeisebetrieb zu definieren wie etwa den Wirkfaktor für den Wechselrichter.

Wissen über die Anlagen sichern

Strom ist ein hohes Gut und muss langfristig bewahrt werden. Die zunehmende Komplexität der Stromnetze mit immer mehr dezentralen Einspeisepunkten erfordert die Durchführung exakter elektrotechnischer Berechnungen bei kompletter Kenntnis der Anlagen. Von Bedeutung ist hierbei, dass die Kenntnis über die Anlagen und ihre Daten gesichert werden und jederzeit für neue Optimierungen verfügbar sind. Die heute verfügbaren computerunterstützten Verfahren ermöglichen eine sichere und normgerechte Auslegung und Optimierung der Stromnetze und dokumentieren langfristig das gesamte Anlagen-Know-how.

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