Wahrung der Netzsicherheit durch Nutzung flexibler Lasten am Beispiel des gesteuerten Ladens von Elektrofahrzeugen

Schlegel, Steffen

Die Erzeugungsstruktur für elektrische Energie im europäischen Verbundnetz ist geprägt von Wandlungsprozessen. Mit der steten Veränderung der Erzeugungsstruktur ändern sich auch die Standorte der Erzeugung. Daraus resultiert eine zunehmende Belastung der elektrischen Netze, welche sich in der Folge vor allem im Anstieg von Gefährdungen der Netzsicherheit bemerkbar macht. Eine Anpassung der Last zur Reduzierung von Netzbelastungen stellt eine Möglich Lösung dar. Insbesondere durch die zukünftige Beeinflussung von Elektrofahrzeugen während des Ladevorgangs kann eine flexible Leistung für den sicheren Betrieb elektrischer Netze zur Verfügung gestellt werden. Diese Arbeit widmet sich der Fragestellung, inwieweit die Nutzung von Elektrofahrzeugen der Wahrung der Netzsicherheit dienen kann. Als Ergebnis kann festgestellt werden, dass bei entsprechender Anzahl an Elektrofahrzeugen ausreichend flexible Leistung bereitgestellt werden kann, um die Netzsicherheit zu gewährleisten.

The structure of electricity generation in Europe is being shaped by ecological, economic and social processes of change. These processes are recognizable through the expansion of renewable energy sources and also in countries participating in nuclear power phase out. With the constant change of the generation structure the locations of electricity production are shifting. This results in an increased loading of electricity power grids, which compromises grid security. An effective way to prevent this grid insecurity problem is the usage of remedial actions by the adjustment of electrical loads. In particular, utilizing the flexible charging process of electric vehicles can provide additional reserves for a secure system operation in future. This thesis is devoted to the question how electric vehicles could contribute to system security. The proposed method determines the unconsidered capability of remedial actions through electric vehicles. Furthermore, an innovative method for optimal determination of remedial actions is proposed. Thereby (n-1)-criteria is utilized for assessing the system state. In addition, a decoupling of the computationally intensive outage simulation from the proper optimization is proposed. A major part of the optimization process is the use of a genetic algorithm. This method was selected due to the applicability to large-scale power systems with mixed type of control variables. In addition, any partial optimization objectives can be formulated, which is an advantage in the situation of shifting requirements for system operation. The proposed method is verified based on stationary power flow calculation in a real world large-scale power system. Numerical case studies will be provided. Utilizing electric vehicles will lead to the effect that there will be significant additional reserves for remedial actions. In the end, the thesis will point out that a certain amount of electric vehicles could prevent renewable energy systems from being shut down in case of insecure system state.

Die Erzeugungsstruktur für elektrische Energie im europäischen Verbundnetz ist geprägt von ökologischen, ökonomischen und sozialen Wandlungsprozessen. Diese Prozesse sind unter anderem an dem Ausbau Erneuerbarer Energien sowie durch den länderspezifischen Ausstieg aus der Kernkraftnutzung erkennbar. Mit der steten Veränderung der Erzeugungsstruktur ändern sich auch die Standorte der Erzeugung. Daraus resultiert eine zunehmende Belastung der elektrischen Netze, welche sich in der Folge vor allem im Anstieg von Gefährdungen der Netzsicherheit bemerkbar macht. Eine Anpassung der Last zur Reduzierung von Netzbelastungen kann ein probates Mittel zur Lösung des Problems darstellen. Insbesondere durch die zukünftige Beeinflussung von Elektrofahrzeugen während des Ladevorgangs kann eine flexible Leistung für den sicheren Betrieb elektrischer Netze zur Verfügung gestellt werden. Diese Arbeit widmet sich der Fragestellung, inwieweit die Nutzung von Elektrofahrzeugen der Wahrung der Netzsicherheit dienen kann. Für die Beantwortung der Fragestellung wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die bisher nicht berücksichtigten Anpassungsoptionen durch Elektrofahrzeuge methodisch bestimmt und in eine mit technologischen Alternativen vergleichbare Beschreibungsform überführt. Weiterhin wird eine innovative Methode zur optimalen Bestimmung der Anpassungsmaßnahmen vorgeschlagen. Dabei findet das (n-1)-Netzsicherheitskriterium zur Beurteilung des Netzbetriebszustandes Anwendung. Zudem wird eine Entkopplung der rechenintensiven Ausfallsimulation von der eigentlichen Optimierung betrachtet. Der zur Optimierung verwendete genetische Optimierungsalgorithmus, welcher den Kern der Methode darstellt, erweist sich als besonders robust für Optimierungsprobleme von Netzen mit hoher Knotenanzahl und einer gemischten Art von Steuerungsvariablen. Zusätzlich können in der Optimierung neben dem Netzsicherheitsproblem beliebige partielle Optimierungsziele formuliert werden. In Bezug auf die wechselnden Anforderungen an die Netzführung, die teilweise im Rahmen der Modellierung nicht vollständig beschreibbar sind, erscheint die damit gegebene Adaptierbarkeit als besonderer Vorteil. Die dargestellte Methode wird, basierend auf stationärer Netzberechnung, an einem realistisch modellierten Höchstspannungsnetz verifiziert. Unter Nutzung der beschriebenen Methoden werden numerische Fallstudien durchgeführt. Als Ergebnis kann festgestellt werden, dass bei entsprechender Anzahl an Elektrofahrzeugen ausreichend flexible Leistung bereit gestellt werden kann, um die andernfalls notwendige Reduzierung der Einspeiseleistung von Erneuerbaren Energien-Anlagen zur Wahrung der Netzsicherheit zu vermeiden.

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Schlegel, Steffen: Wahrung der Netzsicherheit durch Nutzung flexibler Lasten am Beispiel des gesteuerten Ladens von Elektrofahrzeugen. Ilmenau 2015. Universitätsverlag Ilmenau.

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