Modellierung eines Drei-Knoten-Niederspannungsnetzes mit angeschlossenem Batteriespeicher zur Analyse transienter Leistungs- und Spannungsverläufe

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein EMT-Modell zur transienten Spannungs- und Leistungsanalyse von, in einem Niederspannungsnetz per Batteriespeicher bereit gestellten, Systemdienstleistungen. Bei den zu betrachtenden Systemdienstleistungen handelt es sich um Maßnahmen zur Frequenz- und Spannungshaltung sowie zur Blindleistungskompensation. Durch das Modell sind ein an das Mittelspannungsnetz auf 20 kV-Ebene angeschlossener Niederspannungsnetzabschnitt auf 0,4 kV-Ebene, ein daran angeschlossener Batteriespeicher, ein Verbraucher sowie die verbindenden Leitungen dargestellt. Zur Modellbildung ist die auf elektrische Systeme spezialisierte Simulationssoftware Plecs gewählt. Diese bietet parametrierbare Modelle der gängigen Netzbestandteile, welche zum gewünschten System zusammengefügt und nach dessen Verhalten parametriert sind. Das Verbundnetz, welches das Mittelspannungsnetz speist, ist durch das Modell eines fremderregten Synchron-Vollpol-Generators dargestellt. Über dessen Erregerstrom kann die am Generator anliegende Spannung, und damit die Netzspannung des Mittelspannungsnetzes, gesteuert werden. Die Parametrierung seines Trägheitsmoments ermöglicht die Simulation der am Netz betriebenen rotierenden Masse und deren Einfluss auf die Netzfrequenz. Das den Generator antreibende Drehmoment bestimmt die in das Netz eingespeiste Leistung. Der Synchrongenerator ist über eine Kabelleitung mit einem Dy5-verschalteten Verteiltransformator verbunden. Dieser stellt den Netzübergabepunkt zwischen 20 kV- und 0,4 kV-Ebene dar. Der Niederspannungsnetzabschnitt beinhaltet drei Netzknoten, die über drei Kabelleitungen miteinander verbunden sind. Alle Leitungen sind durch das -Modell implementiert. Ein Netzknoten ist mit dem Verteiltransformator verbunden, an den anderen Netzknoten sind Verbraucher und Batteriespeicher angeschlossen. Der Verbraucher ist symmetrisch aufgebaut und besteht zur Abbildung des praktisch in Summe ohmsch-induktiven Stromnetzes aus einem RL-Glied an jeder Phase. Der Batteriespeicher ist dazu vorgesehen, dem Netz als weitere Energiequelle zu dienen und im Blindleistungsanteil variable Leistung einzuspeisen. Dies ist durch eine netzspannungsgeführte Stromquelle realisiert, welche Strom mit gleicher Frequenz, eingeschränkt variabler Amplitude und variablem zeitlichem Versatz zur Netzspannung einspeist. Die zur Parametrierung und Steuerung des Modells verwendeten Größen sind Erregerstrom, Trägheitsmoment und Drehmoment des Synchrongenerators;Windungszahlverhältnis und Phasenversatz des Verteiltransformators;Wirkwiderstand und Induktivität des Verbrauchers; Stromstärke und Gradient sowie Phasenwinkel des Batteriestroms und die Leitungsbeläge der Leitungen. Die Parametrierung richtet sich nach dem abzubildenden System und ist in dieser Arbeit für eine fiktive Beispielsimulation durchgeführt worden. Diese beinhaltet drei Szenarien, welche die Vorgänge bei der Durchführung der Systemdienstleistungen Frequenz- und Spannungshaltung sowie Blindleistungskompensation simulieren. Mit der Beispielsimulation zur Frequenzhaltung wird gezeigt, dass sich eine Wirkleistungsdifferenz im System auf dessen Frequenz auswirkt. Ist die ins Netz eingespeiste Wirkleistung größer als dessen Leistungsbezug, so steigt die Netzfrequenz und andersherum. Die Beispielsimulation zur Spannungshaltung verdeutlicht, dass das vorliegende Modell den Zusammenhang von Blindleistungsgehalt und Spannung korrekt abbildet. Durch eine Blindleistungseinspeisung kann die Netzspannung angehoben werden, ein Blindleistungsbezug senkt die Netzspannung. 60 Durch die Beispielsimulation zur Blindleistungskompensation wird dargestellt, wie es möglich ist, den Batteriespeicher des Modells zu nutzen, um die Phasenverschiebung niederspannungsseitig des Transformators nahezu vollständig zu kompensieren. Dabei wird deutlich, dass die Blindleistungskompensation sich auf einen bestimmten Ort bezieht. An anderen Orten kann es dadurch auch zu einer Vergrößerung des Phasenwinkels kommen. Eine Blindleistungskompensation auf der 20 kV-Ebene konnte nicht erzielt werden. Durch die Beispielsimulationen wird verdeutlicht, dass sich das für die Betrachtung von Systemdienstleistungen wichtige Verhalten des Stromnetzes durch den gewählten Modellierungsansatz qualitativ korrekt abbilden lässt und transientes Verhalten dargestellt wird. Die Simulationsdauer der 5 s langen Beispielszenarien beträgt um die 50 s.