EMM

• Netzfrequenz ist theoretisch überall gleich

• Lokale Abweichung durch den Phasenwinkel

  (Lastwinkel) möglich

• Genutzt für Stabilitätsüberwachung in

  Übertragungsnetzen

• Mehr und mehr Anwendung in Verteilnetzen

• Ursachen:

  • Zu- und Abschalten von Lasten oder Erzeugern

  • Ausfall/Überlastung von Infrastruktur (z. B. große Transformatoren, Leitungen, Kabel)

• Auswirkungen:

  • Abschaltung von Umrichtern

  • Drehzahlschwankungen elektrischer Maschinen

  • Schäden an sensiblen Verbrauchern

• Versorgungsunterbrechung: 𝑈𝑒 < 5% der vereinbarten Versorgungsspannung

• Kurzeit: t_interrupt ≤ 3 min

• Langzeit: t_interrupt > 3 min (SAIDI – System Average Interruption Duration Index: mit wievielen Minuten hat ein Verbraucher an Ausfall pro Jahr zu rechnen)

• BNetzA erhebt nach §52 EnWG Daten zu Langzeitunterbrechungen

  • 2022: 12,0 Minuten (Frankreich 59,6 Minuten

• Ursachen:

  • Abschalten von Erzeugern und Zuschalten von Lasten

  • Ausfall/Überlastung von Infrastruktur (z. B. große Transformatoren, Leitungen, Kabel)

• Auswirkungen:

  • Abschaltung von netzgeführten Umrichtern

  • Drehzahlschwankungen elektrischer Maschinen

  • Schäden an sensiblen Verbrauchern

• Dauer: 10ms bis 1min

• Ursachen:

  • Abschalten von Lasten und Zuschalten von Erzeugern

  • Ausfall/Überlastung von Infrastruktur (z. B. große Transformatoren,

    Leitungen, Kabel)

• Auswirkungen:

  • Abschaltung von netzgeführten Umrichtern

  • Drehzahlschwankungen elektrischer Maschinen

  • Schäden an sensiblen Verbrauchern

• Dauer: 10ms bis 1min

• Übergang von einem stationären Zustand in einen Anderen

• Ursachen:

  • Zu- und Abschalten von Lasten oder Erzeugern

  • Ausfall/Überlastung von Infrastruktur (z.B. große Transformatoren, Leitungen, Kabel)

• Auswirkungen:

  • Abschaltung von netzgeführten Umrichtern

  • Drehzahlschwankungen elektrischer Maschinen

  • Schäden an sensiblen Verbrauchern

• Instantaneous: 0,5 cyc - 0,5 s

• Momentary: 0,5 s - 3 s

• Temporary: 3 s - 1 min

• Ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz (50 Hz)

• Ursachen:

  • Nicht-Lineare Lasten/Erzeuger: Leistungselektronik z. B. Wechselrichter, Frequenzumrichter, Schaltnetzteile, Gleichrichter

  • Kommutierungsvorgänge (z. B. Universalmotor)

• Auswirkungen:

  • Störungen von Netz-Kommunikations-Systemen

  • Überhitzung von Betriebsmitteln (z. B. Transformatoren)

  • Spannungsüberhöhung durch Resonanzen

  • Störung sensibler Verbraucher

  • Künstl. Alterung von Betriebsmitteln (z. B. Kondensatoren)

• Typischerweise werden Harmonische bis zur 40. Ordnung im Amplitudenspektrum betrachtet

• Anteil 3. Harmonischer (und 3*n) weisen keine Phasenverschiebung auf

• Grundschwingung: 120° Phasenverschiebung

Kein ganzzahliges Vielfaches (m anstatt n) der 1. Harmonischen (z. B. 55 Hz @ 50 Hz = f_1)

VDE DIN EN61000-2-2: Bereich 2-9kHz in 200Hz Bändern

• Ursachen:

  • Fluktuierende leistungsstarke Lasten

  • Gelegentlich durch fluktuierende Erzeugung (z.B. PV-Verschattung)

• Auswirkungen:

  • Extreme Flickerwerte stören sensible Elektronik

  • Visuelle Störung: Schnelle Ermüdung des Sehnervs, Reizbarkeit,

    verringerte Konzentration

  • Deutlichste Wahrnehmung bei 8,8Hz

• Deutlichste Wahrnehmung bei 8,8Hz

• Visuelle Störung: Schnelle Ermüdung des Sehnervs, Reizbarkeit, verringerte Konzentration

• nicht periodische Vorgänge

• Ursachen:

  • Elektromagnetische Pulse

  • Schaltvorgänge von Induktivitäten und Kapazitäten

• Auswirkungen:

  • Schäden an elektronischen Verbrauchern, die sensibel auf

    Spannungsspitzen reagieren

  • Reflexionen auf Leitungen (Wellenausbreitung)

VDE 61000-2-12:

• Transiente Überspannungen atmosphärischen Ursprungs sind in der Amplitude eher höher und in der Dauer kürzer.

• Transiente Überspannungen durch Schalthandlungen sind in der Amplitude eher niedriger, dafür in der Dauer länger und

  energiereicher.

• Die Fourier-Reihe berechnet das Frequenzspektrum für periodische Signale. Diese Signale wiederholen sich in regelmäßigen Abständen mit einer festen Periodendauer T.

• Das Fourier-Integral berechnet das Frequenzspektrum für aperiodische (nicht-periodische) Signale sowie für Signale, die nur über einen bestimmten Zeitraum existieren.

• Während die Fourier-Reihe nur für periodische Signale funktioniert, beschreibt das Fourier-Integral das Frequenzverhalten beliebiger Signale, indem es sie als eine Überlagerung unendlich vieler harmonischer Schwingungen darstellt.

• Ursachen:

  • Ungleiche Verteilung von Wechselstrom-Erzeugern/-Verbrauchern

  • Kurzschlüsse Leiter-Erde / Leiter-Leiter

• Auswirkungen:

  • Unter- bzw. Überspannung einzelner Außenleiterspannungen

  • Überlastung Symmetrischer Drehstrom-Komponenten (Generatoren, Leitungen, Transformatoren)

• Passive Filter:

  • Kommutierungsinduktivität

  • LC-Saugkreis

• Aktive Filter:

  • Power Factor Correction (PFC)

  • Dynamic Voltage Restorer (DVR)

  • Distribution Static Compensator (D-STATCOM)

• Static VAR Compensator (SVR)

• Unified Power Quality Conditioner (UPQC)

• Uninterruptible Power Supply/ Unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS/USV)

• Voltage Dependet Resistor/ Varistor (VDR)

• Funktionsweise:

  • Glättung der Stromsteilheit durch eine Induktivität

• Verbesserung der PQ hinsichtlich:

  • Harmonischen und höher Anteile

• Einsatzbereich:

  • Betriebsmittelebene

• Funktionsweise:

  • Resonanzfrequenz wird auf Harmonische abgestimmt.

  • Harmonische Ströme werden „aufgesaugt“ und nicht ins Netz emittiert.

• Verbesserung der PQ hinsichtlich:

  • Einzelner Harmonischer

• Einsatzbereich:

  • PCC (Point of Common Coupling)

  • Betriebsmittelebene

• Reihenfolge Anordnung der Saugkreise muss beachtet werden (z. B. H = 3, 5, 7,…)

• Aktiver Filter

• Funktionsweise:

  • Annäherung des entnommenen/eingeprägten Stroms and Sinus der 1. Harmonischen

  • Netz- oder Selbstgeführt

• Verbesserung der PQ in:

  • Theoretische alle Harmonischen/ Interharmonischen/ Supraharmonische steuerbar

• Einsatzbereich:

  • PCC (Point of Common Coupling)

  • Betriebsmittelebene

• Aktiver Filter

• Funktionsweise:

  • Erzeugen einer synchronisierten Spannung (PLL) in Reihe zur Quelle

• Verbesserung der PQ in:

  • Unterstützung von Spannungseinbrüchen

  • Reduktion von Spannungsüberhöhungen

• Einsatzbereich:

  • PCC (Point of Common Coupling)

  • Betriebsmittelebene

  • Verteilnetzebene nahe leistungsstarker Verbraucher

• Aktiver Filter

• Funktionsweise:

  • Parallelgeschaltet Spannungsquelle

  • Kann hochdynamisch Ströme einspeisen und beziehen

  • Hohe Leistung bei geringer Energie im Zwischenkreis

• Verbesserung der PQ in:

  • Spannungsstabilisierung (Phasenschieber)

  • Last-Symmetrisierung (Gegen- und Mitsystem)

  • Filterung Harmonischer

  • Auslöschung einzelner Harmonischer

  • Verbesserung des Leistungsfaktors (𝑃𝐹 ≈ 1)

• Einsatzbereich:

  • Verteilnetze (D-STATCOM) – Last-Symmetrisierung (EVs, PV, …)

  • Hochspannungsnetze (STATCOM) - Blindleistungsmanagement

• Verteilnetze (D-STATCOM) – Last-Symmetrisierung (EVs, PV, …)

• Hochspannungsnetze (STATCOM) - Blindleistungsmanagement

Bei harmonischer Zeitabhängigkeit (Sinusgrößen), wenn die Wellenlänge deutlich größer als Leitungslänge ist 𝜆 ≫ 𝑙

• Modellierung nicht-linearer Lasten:

  • Darstellung als Stromquelle mit gekoppelter Harmonischen-Matrix

• Gleichphasigkeit der 3. Harmonischen:

  • Die 3. Harmonische ist in allen drei Phasen eines Drehstromsystems gleichphasig.

  • Das bedeutet, dass sich die Spannungen der 3. Harmonischen in einem Sternpunkt (Neutralleiter) addieren und nicht ausgleichen.

• Kurzschluss der 3. Harmonischen im Dreieck:

  • In einer DY-Schaltung (Sekundärseite im Dreieck, Primärseite im Stern) kann die 3. Harmonische nicht auf die Primärseite (Oberspannungsseite) gelangen, weil das geschlossene Dreieck auf der Sekundärseite (Unterspannungsseite) wie ein Kurzschluss für die 3. Harmonische wirkt.

• Transformatoren mit DY-Schaltung wirken als Filter für die 3. Harmonische

Das Nyquist-Shannon-Theorem besagt: Ein bandbegrenztes Signal (f_Max) kann aus einer Folge äquidistanter Abtastwerte exakt rekonstruiert werden, wenn es mit einer Frequenz von f_𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ≥ 2f_Max abgetastet wird.

• Funktionsprinzip:

  • Primärstrom 𝐼𝑃 wird transformiert

  • Sekundärstrom 𝐼𝑆 versorgt „Bürde“ (𝑅_𝐵/ 𝐿_𝐵)

  • Spannung an Bürde kann gemessen werden

  • Gleichstrom kann nicht gemessen werden

• Vorteile Sonderwandler für PQ-Anwendung:

  • Frequenzbereich 50 Hz . . 9 𝑘𝐻𝑧

  • Primärer Bemessungsstrom 50 … 3000 𝐴

  • Genauigkeitsklassen 0,2; 0,5; 0,2 𝑆; 0,5 𝑆

• Funktionsprinzip:

  • Leiterstrom 𝐼𝐿 induziert Spannung in Toroid-Luft-Spule

  • Gleichstrom kann nicht gemessen werden

• Vorteile für PQ-Anwendung:

  • Frequenzbereich Hz - 𝑀𝐻𝑧

  • Primärer Bemessungsstrom 500 … 5000 𝐴

  • Genauigkeitsklassen 0,5; 0,5 𝑆

  • Keine Sättigung des Kerns bei hohen Strömen

  • Kostengünstig

  • Leicht anlegbar (Kein Eisenkern muss geschlossen werden)

𝑙_𝑚: Mittlere Länge Toroid

N: Anzahl Wicklungen

M: Induktivität der Spule

• Früher:

  • Pumpspeicherkraftwerke (5,5 GW), Nachtspeicherheizungen (40 GW)

  • Verbrauch an konstante Energieerzeugung angepasst

  • Laststeuerung über Rundsteuertechnik

• Heute:

  • Fluktuierende Energieerzeugung, je nach EE-Einspeisung

  • Verbrauch an momentane Erzeugung anpassen

  • Kurzzeit- und Langzeitspeicher notwendig

• Kurzzeitspeicher:

  • Demand Response & Smart Metering

  • Plug-in-Hybrid und Batterieelektrische Fahrzeuge

  • Pumpspeicherkraftwerke

  • Druckluftspeicher

• Langzeitspeicher:

  • Grüner Wasserstoff

  • Erneuerbares Methan

  • Wärmespeicher

• Strom- und Wärmesektor:

  • Wärmeerzeugung aus Strom

  • Kraft-Wärme-Kopplung (KWK): Nutzung von Stromerzeugung zur Bereitstellung von Wärme (z. B. Blockheizkraftwerke)

  • Power-to-Heat (PtH): Überschüssiger Strom (z. B. aus Wind oder Photovoltaik) wird zur Wärmeerzeugung genutzt (Wärmepumpen, Elektroheizungen)

  • Fernwärmenetze: Integration von erneuerbaren Quellen wie Geothermie oder industrieller Abwärme

• Strom- und Mobilitätssektor:

  • Elektromobilität: Nutzung von erneuerbarem Strom für E-Fahrzeuge

  • Vehicle-to-Grid (V2G): E-Autos als mobile Speicher zur Netzstabilisierung

  • Power-to-Fuel: Erzeugung synthetischer Kraftstoffe aus Strom (Wasserstoff, E-Fuels)

• Strom- und Industriesektor

  • Elektrifizierung von Produktionsprozessen: Ersatz fossiler Brennstoffe durch elektrische Prozesse (z. B. Elektrolyse, Induktionsöfen)

  • Power-to-X-Technologien: Nutzung von Strom zur Herstellung von Wasserstoff, Methan oder Chemikalien

  • Abwärmenutzung: Integration industrieller Abwärme in Wärmenetze

• Gas- und Stromsektor

  • Power-to-Gas (PtG): Umwandlung von Strom in Wasserstoff oder Methan zur Einspeicherung ins Gasnetz

  • Biogasanlagen mit Rückverstromung: Nutzung von Biogas zur Stromproduktion bei Bedarf

• Gesamtwirkungsgrad sogar schlechter als bei Wasserstoff

• Nutzung von Abwärme bei dezentraler Anwendung

• Nutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur!

• Energiespeicher

• Netzausbau

• Erneuerbare Überproduktion

• Primärregelleistung ist die erste Reaktion auf Frequenzabweichungen im Stromnetz

• wird beispielsweise über Drehzahlregelung der elektrischen Generatoren der beteiligten Kraftwerke bereitgestellt

• Jedes Kraftwerk mit einer Nennleistung ≥ 100 MW muss zur Abgabe von Primärregelleistung fähig sein

• Minimale Primärregelleistung +/- 1 MW

• Das Primärregelband muss mindestens ± 2 % der Nennleistung betragen

• Die Leistungszahl muss einstellbar sein (Regeldynamik der Primärregelleistung variabel anpassbar)

• Muss spätestens nach 30 s und mindestens für 15 min bereitgestellt werden können

• Verantwortung und Organisation liegt beim Übertragungsnetzbetreiber

• Regeldifferenz bleibt erhalten → Sekundärregelung

• Verantwortung und Organisation liegt beim Übertragungsnetzbetreiber

• Die Sekundärregelleistung (SRL oder aFRR) muss nach 5 min zu 100 % bereitgestellt werden

• Aufgaben:

  • Rückführung auf die Nennfrequenz

  • Einhaltung der Übergabeleistungen/Austauschleistungen

  • Mindestangebot: +/- 5 MW

• Minutenreserve

• Aufgaben des Übertragungsnetzbetreibers:

  • Bereitstellung von kurzfristigen Stromreserven

  • Ablösung der Sekundärregelenergie

• Technologien:

  • Flexible Gas-Kraftwerke

  • Pumpspeicherkraftwerke

  • Aussicht: BHKW, Biogasanlagen, flexible Stromverbraucher

• Volle Verfügbarkeit nach 15 min

• Mindestens +/- 5 MW

• Stundenreserve

• Kein Bestandteil des Regelenergiemarktes

• Aufgaben des Verursachers -> Kraftwerksbetreibers:

  • Ausgleich von Prognosefehlern

  • Folgt aus fehlerhafter Wettervorhersage oder Lastprognose

• Volle Verfügbarkeit nach 60 min

• Wird über die Börse Day-ahead geregelt