Elektroenergiesysteme (eBook)

Smarte Stromversorgung im Zeitalter der Energiewende

Adolf J. Schwab (Autor)

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2019 | 6. Aufl. 2020
XXVI, 832 Seiten
Springer Berlin Heidelberg (Verlag)
978-3-662-60374-1 (ISBN)

Infos

In außergewöhnlich verständlicher Weise führt dieses Buch in die Komplexität moderner Elektroenergiesysteme und insbesondere in das Generationenprojekt Energiewende ein. Von der Umwandlung der Primärenergieressourcen der Erde in konventionellen thermischen Kraftwerken bis hin zur aktuellen Migration des überwiegenden Teils der deutschen Jahresstromproduktion weg von den großen Kraftwerken zu Millionen dezentraler EE­-Stromerzeugungsanlagen in den Verteilnetzen behandelt das Buch das gesamte Spektrum der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Der Paradigmenwechsel in der Stromproduktion und Stromverteilung geht einher mit der Aufrüstung klassischer Verteilnetze zu Smart Grids mittels kommunikationsfähiger, intelligenter Messsysteme sowie umfassender Änderungen ihrer Netzführung und Netzbereitstellung. Besondere Beachtung erfahren wirtschaftliche Aspekte im Rahmen der Liberalisierung des Strommarktes und der Energiewende sowie informationstechnische Aspekte sicherer Kraftwerks- und Netzleittechnik. Visionen von Smart Homes und Smart Cities sowie potentiellen Optionen künftiger Energiespeicherung lassen die weitere Evolution der allgemeinen Stromversorgung erahnen. Neu aufgenommen wurden auch die seltenen Risiken flächendeckender Blackouts durch geomagnetische Stürme oder nukleare elektromagnetische Impulse. Schließlich rundet eine neue Sichtweise und Begriffsbildung bezüglich Wirk- und Blindleistungen die 6. Auflage ab.

Das Buch wendet sich vorrangig an Studierende und Berufsanfänger der Elektrotechnik sowie an alle in der Praxis stehenden Ingenieure und Fachleute anderer Disziplinen, die mit Elektroenergiesystemen, der Energiewende und allen daraus resultierenden Veränderungsprozessen in der allgemeinen und industriellen Stromversorgung befasst sind.

Professor Dr. Ing. Dr. hc mult.  Adolf Josef Schwab studierte und promovierte an der Elite-Universität Karls­ruhe auf dem Gebiet der Elek­trotechnik. Seinem Aufenthalt als Postdoctoral Fellow am MIT - Massachusetts Institute of Technology in den USA folgte 1972 die Habilitation. 1976 erhielt er einen Ruf als Professor an die Universität Darmstadt, 1978 an die Universität Dortmund. Im Jahr 1980 wurde er zum Ordentlichen Professor und Direktor des Instituts für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik an der Elite-Uni­versität Karls­ruhe ernannt. Von 1989 bis 1993 leitete er das ABB Konzernforschungszentrum in Heidelberg. Heute ist Prof. Schwab Ordinarius im Ruhestand und leitet die Prof. Schwab Consulting. Er ist Ehrendoktor der Universitäten St. Petersburg und Tomsk sowie Consulting Professor der Uni­versität Xian. Er ist Mitglied des VDE, Life Fellow des IEEE, Past Chair des IEEE Ethik-Komitees und Past Chair der  IEEE Germany Section.

Inhalt

Geleitwort 6
Vorwort zur 6. Auflage 7
Vorwort zur 1. Auflage 9
Inhaltsverzeichnis 12
1. Elektrische Energie und Lebensstandard 24
2. Elektroenergiesysteme, Verbundsysteme 32
2.1 Evolution der öffentlichen Stromversorgung 32
2.1.1 Liberalisierung des Strommarkts 35
2.1.2 Energiewende 39
2.2 Elektroenergiesysteme 47
2.3 Verbundsysteme 53
3. Energieressourcen – Energieverbrauch 61
3.1 Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie 61
3.2 Primärenergieressourcen 65
3.2.1 Erschöpfliche Ressourcen und ihr Verbrauch 67
3.2.2 Unerschöpfliche Ressourcen 73
3.2.3 Energieflussrate, Leistung eines Energieflusses 76
3.3 Klimawandel 78
3.4 Energieeffizienz 80
4. Stromerzeugung in Wärmekraftwerken 83
4.1 Thermodynamische Grundbegriffe 85
4.1.1 Dampfgehalt 86
4.1.2 Entropie, T(S)-Diagramm 87
4.1.3 Carnot-Prozess und thermischer Wirkungsgrad 89
4.1.4 Arbeitsfluid Wasser/Dampf im T(s)-Diagramm 91
4.1.5 Enthalpie, h(s)-Diagramm 93
4.2 Dampfkraftwerksprozess 96
4.2.1 Wärmeschaltbild, T(s)-Diagramm und Wirkungsgrad 96
4.2.2 Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrads 98
4.2.2.1 Zwischenüberhitzung 99
4.2.2.2 Regenerative Speisewasservorwärmung 99
4.2.2.3 Kühlmitteltemperatur 100
4.2.2.4 Gesamtwirkungsgrad eines Kraftwerks 101
4.2.3 Exergetischer Wirkungsgrad 104
4.3 Dampfkraftwerkkomponenten 105
4.3.1 Dampferzeuger 4.3.1.1 Dampferzeugerbauarten 105
4.3.1.2 Feuerungen 109
4.3.1.3 Leistungsregelung bei Dampferzeugern 110
4.3.1.4 Rauchgasreinigung 112
4.3.2 Dampfturbinen 4.3.2.1 Bauarten 115
4.3.2.2 Leistungsregelung von Dampfturbinen 119
4.3.3 Kondensator, Kühleinrichtungen 122
4.3.3.1 Kondensator 122
4.3.3.2 Kühlarten 123
4.3.3.3 Abwärmenutzung 124
4.4 Leistungsregelung in Dampfkraftwerken 125
4.4.1 Festdruckbetrieb 125
4.4.2 Gleitdruckbetrieb 126
4.4.3 Modifizierter Gleitdruckbetrieb 127
4.4.4 Vergleichende Betrachtung 127
4.5 Gasturbinenkraftwerke 128
4.6 Kombinierte Gasund Dampfkraftwerke (GuD) 132
4.7 Kraft-Wärme-Kopplung 135
4.7.1 Kraft-Wärme-Kopplung in der Industrie 135
4.7.2 Kraft-Wärme-Kopplung in der öffentlichen Stromversorgung 136
5. Stromerzeugung in Kernkraftwerken 140
5.1 Kernenergie 142
5.1.1 Kernfusion 143
5.1.2 Kernfission (Kernspaltung) 144
5.1.3 Nachzerfallswärme 153
5.1.4 Brennstoffkreislauf 155
5.2 Druckwasserreaktoren (DWR) 158
5.3 Siedewasserreaktoren (SWR) 160
5.4 Gasgekühlte Reaktoren 162
5.5 Brutreaktoren 164
5.6 Kernkraftwerke der Generation IV 165
5.7 Leistungsregelung von Kernreaktoren 166
5.7.1 Leistungsregelung von Druckwasserreaktoren 168
5.7.2 Leistungsregelung von Siedewasserreaktoren 169
5.7.3 Leistungsregelung von gasgekühlten Reaktoren 170
5.7.4 Leistungsregelung von natriumgekühlten Reaktoren 170
5.7.5 Bereitstellung von Regelenergie durch Kernkraftwerke 171
5.7.6 Stilllegung und Rückbau von Kernkraftwerken 172
6. Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien 174
6.1 Wasserkraftwerke 175
6.1.1 Laufwasserkraftwerke 176
6.1.2 Speicherkraftwerke 176
6.1.3 Pumpspeicherkraftwerke 178
6.1.4 Gezeitenkraftwerke 179
6.1.5 Turbinentypen 180
6.1.5.1 Kaplan-Turbine 181
6.1.5.2 Francis-Turbine 181
6.1.5.3 Pelton-Turbine 182
6.1.6 Leistungsregelung 183
6.2 Windkraftanlagen 185
6.2.1 Mechanische Leistung 185
6.2.2 Generatorkonzepte 186
6.2.3 Leistungsregelung von Windturbinen 188
6.2.4 Einbindung von Windkraftanlagen in die Netze der öffentlichen Stromversorgung 189
6.2.5 Stand der Technik und Ausblick 190
6.3 Solarenergieanlagen 193
6.3.1 Direkte Nutzung der Solarenergie 195
6.3.1.1 Photovoltaik-Anlagen 195
6.3.1.2 Solarthermische Anlagen 200
6.4 Biomassse Kraftwerke 204
6.5 Geothermische Stromerzeugung 205
6.6 Brennstoffzellen 207
6.7 Virtuelle Kraftwerke 209
6.8 Speicher elektrischer Energie 210
6.8.1 Kurzzeitspeicher 211
6.8.1.1 Pumpspeicherkraftwerke 211
6.8.1.2 Druckgasspeicher-Kraftwerke 212
6.8.1.3 Wiederaufladbare Batterien 213
6.8.1.4 Superkondensatoren 217
6.8.1.5 Wasserstofftechnologie 218
6.8.1.6 Wärmespeicher/Power to Heat (PtH, P2H) 219
6.8.1.7 Schwungradspeicher 220
6.8.1.8 Supraleitende magnetische Energiespeicher 220
6.8.1.9 Sektorenkopplung 220
6.8.2 Langzeitspeicher 221
6.8.2.1 Power to Gas (PtG, P2G) 221
6.8.2.2 Innereuropäische Kooperation 222
6.8.3 Backup-Versorgung 222
7. Kraftwerkleittechnik 224
7.1 Leittechnik-Funktionen 225
7.2 Verfahrensund leittechnische Struktur eines Kraftwerkprozesses 226
7.3 Prozessleitsysteme 228
7.3.1 Verbindungsprogrammierte Prozessleitsysteme 228
7.3.2 Speicherprogrammierbare Prozessleitsysteme 229
7.3.3 Prozessleitsysteme mit Feldbus 236
7.3.4 Energiemanagementsysteme 237
7.3.4.1 Prozessnahe Anwendungen 237
7.3.4.2 Betriebliche Anwendungen 238
7.3.4.3 Business Anwendungen 238
7.3.4.4 Fernwartung 239
7.4 Prozessvisualisierung 239
7.5 Energiemanagementsysteme der Generation IV 241
7.6 Digitales Kraftwerk, Kraftwerk 4.0 243
7.7 IT-Sicherheit 243
8. Umwandlung mechanischer Energie mittels Synchrongeneratoren 246
8.1 Vollpolund Schenkelpolgeneratoren 247
8.2 Wirkungsweise von Synchrongeneratoren 249
8.2.1 Der Synchrongenerator im Leerlauf 249
8.2.2 Der Synchrongenerator bei Belastung (Ankerrückwirkung) 253
8.2.3 Einfluss der Sättigung 257
8.2.4 Dämpferwicklung 258
8.3 Besonderheiten der Schenkelpolmaschine 259
8.4 Leistungsgleichungen der Synchronmaschine 261
8.5 Stationäre Betriebszustände 263
8.6 Phasenschieberbetrieb 263
8.7 Belastungsgrenzen des Synchrongenerators 265
8.8 Sternpunktbehandlung bei Synchrongeneratoren 268
8.9 Erregungsverfahren für Synchrongeneratoren 270
8.9.1 Gleichstromerregermaschinen 270
8.9.2 Drehstromerregermaschinen 271
8.9.3 Statische Erregereinrichtungen 272
8.9.4 Dynamisches Verhalten von Erregereinrichtungen 272
8.10 Der Synchrongenerator im Kurzschluss 273
8.10.1 Generatorferner Kurzschluss 274
8.10.2 Generatornaher Kurzschluss 278
8.11 Mathematische Modelle für Synchrongeneratoren 282
8.11.1 Grundsätzliches dreiphasiges Modell eines Synchrongenerators mit Vollpolläufer im stationären Betrieb 283
8.11.2 Grundsätzliches einphasigesModell eines Synchrongenerators mit Vollpolläufer im stationären Betrieb 285
8.11.3 Ermittlung der Mit-, Gegenund Nullimpedanz eines Synchrongenerators 291
8.11.4 Die dq0-Transformation 294
8.11.4.1 Mathematische Vorgehensweise der dq0-Transformation 296
8.11.4.2 Elektrische Leistung und Drehmoment 304
8.11.4.3 Kopplung des Generatormodells mit dem Elektroenergiesystem 305
8.12 Virtueller Synchrongenerator 307
9. Bereitstellung elektrischer Energie auf verschiedenen Spannungsebenen 309
9.1 Wirkungsweise und Ersatzschaltbild von Transformatoren 311
9.2 Kurzschlussersatzschaltbild 319
9.2.1 Ersatzschaltbilder mit umgerechneten Größen 319
9.2.2 Messung der Kurzschlussimpedanz 321
9.2.3 Berechnung der Kurzschlussimpedanz 323
9.2.4 Zeigerdiagramme des Kurzschlussersatzschaltbilds 324
9.2.5 Kurzschlussersatzschaltbild für Dreiwicklungstransformatoren 324
9.3 Kaskadierte und parallel geschaltete Transformatoren 325
9.3.1 Kaskadierte Transformatoren 325
9.3.2 Parallelbetrieb von Transformatoren 327
9.4 Spartransformatoren 328
9.5 Drehstromtransformatoren 329
9.5.1 Kernbauformen 329
9.5.2 Schaltgruppen 330
9.5.2.1 Schaltgruppe Yy0 333
9.5.2.2 Schaltgruppe Dy5 336
9.5.2.3 Schaltgruppe Yd5 337
9.5.2.4 Schaltgruppe Yz5 337
9.5.3 Mit-, Gegenund Nullimpedanz von Drehstromtransformatoren 338
9.5.3.1 Mitimpedanz von Drehstromtransformatoren 338
9.5.3.2 Nullimpedanz von Drehstromtransformatoren 339
9.6 Regeltransformatoren 344
9.6.1 Längsregler 344
9.6.1.1 Unter Last schaltbare Transformatoren 344
9.6.1.2 Längsregler mit Zusatztransformatoren 346
9.6.2 Querregler 347
9.6.3 Schrägregler 349
9.7 Zeitlicher Verlauf des Magnetisierungsstroms 349
9.8 Einschaltstoßstrom leerlaufender Transformatoren 350
10. Transport und Übertragung elektrischer Energie 354
10.1 Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung, HDÜ 354
10.1.1 Transportnetze 355
10.1.2 Hochspannungsnetze 357
10.1.3 Höhe der Netzspannung 357
10.1.3.1 Übertragungsverluste 357
10.1.3.2 Übertragungskapazität 358
10.2 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, HGÜ 360
10.2.1 Netzgeführte HGÜ mit Thyristoren 360
10.2.2 Selbstgeführte HGÜ mit IGBT-Leistungshalbleitern 363
10.2.3 HGÜ-Leistungsschalter 364
10.3 Betriebsverhalten von Leitungen 365
10.3.1 Elektrisch lange und kurze Leitungen 365
10.3.2 Mathematisches Modell elektrisch langer Leitungen 368
10.3.3 Verlustlose Leitung 372
10.3.3.1 Ausgewählte betriebliche Spezialfälle 372
10.3.3.2 Leerlauf am Leitungsende 373
10.3.3.3 Kurzschluss am Leitungsende 374
10.3.3.4 Belastung mit dem Wellenwiderstand 375
10.3.4 Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm einer elektrisch langen Leitung 378
10.3.5 Betriebsverhalten elektrisch kurzer Leitungen 381
10.3.5.1 Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm 381
10.3.5.2 Längsund Querspannungsabfall 382
10.4 Blindleistungskompensation in Hochspannungsnetzen 384
10.4.1 Kompensation induktiver Blindleistung 384
10.4.1.1 Parallel-Kompensation 384
10.4.1.2 Reihen-Kompensation 386
10.4.2 Kompensation kapazitiver Blindleistung 387
Parallel-Kompensation 387
Reihendrossel 388
10.5 FACTS (Flexible AC-Transmission Systems) 388
10.5.1 Klassifizierung von FACTS-Betriebsmitteln 389
10.5.2 Parallel geschaltete FACTS-Regler 390
10.5.2.1 Thyristor-Controlled Reactor, TCR 391
10.5.2.2 Thyristor-Switched Capacitor, TSC 392
10.5.2.3 Static VAr Compensator, SVC 392
10.5.2.4 STATCOM 393
10.5.3 Seriengeschaltete FACTS-Betriebsmittel 395
10.5.3.1 Thyristor-Controlled Series Capacitor, TCSC 395
10.5.3.2 Static Synchronous Series-Compensator, SSSC 396
10.5.4 Kombinierte FACTS-Regler 397
10.5.4.1 Unified Power-Flow Controller, UPFC 397
10.5.4.2 Dynamic Power-Flow Controller, DFC 398
10.5.4.3 FACTS HGÜ-Kupplungen 398
10.5.5 FACTS-Regelung 399
10.6 Berechnung der Betriebsimpedanzen von Mehrleitersystemen 400
10.6.1 Berechnung von Betriebsimpedanzen in Längsrichtung 400
10.6.1.1 Carson-Formel 403
10.6.1.2 Tabellenbücher 404
10.6.1.3 Messung der Impedanzen 404
10.6.2 Berechnung der Betriebskapazitäten 406
11. Verteilung elektrischer Energie 412
11.1 Netztopologien klassischer Verteilnetze 413
11.1.1 Strahlennetze 413
11.1.2 Ringnetze 414
11.1.3 Maschennetze 414
11.2 110 kV-Verteilnetze 415
11.3 Mittelspannungsnetze 417
11.3.1 Mittelspannungs-Ortsnetze 418
11.3.2 Mittelspannungs-Industrienetze 420
11.3.3 Mittelspannungsnetze in Großgebäuden bzw. Gebäudekomplexen 422
11.3.4 Eigenbedarfsnetze 424
11.4 Niederspannungsnetze 426
11.4.1 Niederspannungs-Ortsnetze 426
11.4.2 Niederspannungs-Industrienetze 427
11.4.3 Großgebäudenetze 429
11.5 Smart Grids 430
11.5.1 Smart Metering und Intelligente MessSysteme IMSys 433
11.5.2 Smart Homes 437
11.5.3 Smart Cities 438
11.5.4 Kommunikationswege für Smart Grids 439
11.6 Mini-, Micro-, und Nano Grids, Zellulare Netze 440
11.7 Blindstromkompensation in Mittel- und Niederspannungsnetzen 442
11.7.1 Netze mit geringem Stromrichteranteil 444
11.7.2 Netze mit hohem Stromrichteranteil 445
12. Sternpunktbehandlung 448
12.1 Netze mit isolierten Sternpunkten 449
12.2 Über Kompensationsreaktanzen geerdete Netze 452
12.3 Netze mit geerdeten Sternpunkten 454
12.4 Sternpunktbehandlung in der Begriffswelt der Methode der symmetrischen Komponenten 455
12.5 Sternpunktbehandlung in Niederspannungsnetzen 457
12.5.1 TN-Netze 457
12.5.2 TT-Netze 459
12.5.3 I-Netze 459
13. Schaltanlagen 462
13.1 Schaltgeräte 463
13.1.1 Sicherungen 465
13.1.2 Lastschalter 469
13.1.3 Leistungsschalter 470
13.1.4 Trennschalter 474
13.1.5 Kurzschlussstrombegrenzer 475
13.1.6 Schaltgeräteübersicht 478
13.2 Niederspannungsschaltanlagen 479
13.2.1 Niederspannungsschaltanlagen im Wohn-Installationsbereich 479
13.2.2 Niederspannungsschaltanlagen bis 630 A 481
13.2.3 Niederspannungsschaltanlagen über 630 A 482
13.3 Mittelspannungsschaltanlagen 484
13.3.1 Mittelspannungsschaltanlagen der Primärverteilung 487
13.3.2 Mittelspannungsschaltanlagen der Sekundärverteilung 489
13.4 Hochspannungsschaltanlagen 491
13.4.1 Freiluftschaltanlagen 491
13.4.2 Gekapselte Hochspannungsschaltanlagen für Innenraumaufstellung 493
13.4.3 Topologie von Hochspannungsschaltanlagen 495
13.5 Umspannstationen 499
13.6 Sicherheitstechnische, mechanische, thermische, informationstechnische und andere Anforderungen an Schaltanlagen 502
14. Netzschutz 504
14.1 Schutztechnik-Grundlagen 504
14.2 Schutzgerätetechnik 508
14.3 Schutzprinzipien und -kriterien 510
14.3.1 Überstromschutz 510
14.3.1.1 Abhängiges Maximalstrom-Zeitrelais (AMZ-Relais) 511
14.3.1.2 Unabhängiges Maximalstrom-Zeitrelais (UMZ-Relais) 511
14.3.1.3 UMZ-Schutz mit Richtungskriterium 513
14.3.2 Distanzschutz 514
14.3.3 Vergleichsschutz 517
14.3.3.1 Messgrößenvergleichsschutz 517
14.3.3.2 Phasenvergleichsschutz 519
14.3.3.3 Signalvergleichsschutz 519
14.3.4 Erdschlussmeldung 519
14.4 Schutztechnik aus Sicht einzelner Betriebsmittel 520
14.4.1 Leitungsschutz 520
14.4.1.1 Strahlennetze 520
14.4.1.2 Ringleitungen und Maschennetze 521
14.4.2 Transformatorschutz 521
14.4.2.1 Transformatordifferenzialschutz 521
14.4.2.2 Buchholzrelais 522
14.4.3 Generatorschutz 523
14.4.4 Blockschutz 523
14.4.5 Sammelschienenschutz 525
14.4.6 Schaltanlagenschutz 526
14.5 Schutzkoordination 527
14.5.1 Stromstaffelung im Strahlennetz 527
14.5.2 Zeitstaffelung im Strahlennetz 528
14.5.3 Schutzkoordination in Ringund Maschennetzen mit UMZ-Schutz 529
14.5.4 Zeitstaffelung mit Distanzrelais 530
14.6 ANSI Schutz Codes 531
14.7 Schutz in Niederspannungsnetzen 532
14.7.1 Nullung (TN-Netze) 534
14.7.2 Schutzerdung (TT-Netze) 536
14.7.3 Schutzleitungssystem (IT-Netze) 537
14.7.4 Fehlerstrom-(FI)-Schutzschaltung 538
14.7.5 Fehlerspannungs-(FU)-Schutzschaltung 538
14.7.6 Schutztrennung 539
14.7.7 Schutzisolierung 540
14.8 Wide Area Monitoring Systeme 540
15. Frequenzund Spannungsregelung 544
15.1 Frequenzregelung 547
15.1.1 Alleinbetrieb 547
15.1.2 Parallelbetrieb 549
15.1.3 Netzfrequenzregler 553
15.1.4 Verbundbetrieb 554
15.1.5 Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Frequenzregelung 557
15.1.6 Netzregelverbund (NRV) 562
15.2 Spannungsregelung 562
15.2.1 Spannungsqualität 562
15.2.2 Spannungsregelung in Übertragungsund Transportnetzen 563
15.2.3 Stellglieder der Spannungs-/Blindleistungsregelung 564
15.2.4 Spannungs-/Blindleistungsoptimierung 565
15.3 Begrenzungsregelungen 565
16. Netzleittechnik 568
16.1 Netzleitstellen 570
16.1.1 SCADA-Funktionen 571
16.1.2 Höherwertige Entscheidungsund Optimierungsfunktionen HEO 573
16.1.3 Rechnerstruktur und Datenbanksystem 574
16.1.4 Schnittstellen zu anderen Systemen 576
16.2 Stationsleittechnik 577
16.3 Feldleittechnik 578
16.4 Fernwirktechnik 579
16.5 Tonfrequenzund Funkrundsteuerung 580
16.5.1 Tonfrequenzrundsteuerung 580
16.5.2 Funkrundsteuerung 582
16.5.3 Cyber Security in Netzen 582
17. Netzbetrieb 585
17.1 Netzführung in Transportnetzen 586
17.1.1 Transportnetzführung in der klassischen Stromversorgung, so genannte Lastverteilung 588
17.1.1.1 Lastprognose 588
17.1.1.2 Lastverteilung 592
17.1.1.3 Kraftwerksauswahl, Order of Merit 595
17.1.1.4 Netzführung in der Schaltwarte 596
17.1.2 Transportnetzführung im liberalisierten Strommarkt, so genannte Systemführung 598
17.1.3 Flexibilitätsoptionen in den Übertragungs- und Hochspannungsnetzen 602
17.1.4 Netzreserve, Kapazitätsreserve und Sicherheitsbereitschaft 604
17.1.5 EMS-Funktionen 605
17.2 Netzführung in Verteilnetzen 608
17.2.1 Flexibilitätsoptionen 609
17.2.1.1 Erzeugungsmanagement 609
17.2.1.2 Lastmanagement 610
17.2.1.3 Kooperation Übertragungsnetz-/Verteilnetzbetrieb 613
17.2.1.4 Blockchain Technologie 614
17.3 Netzbereitstellung 616
18. Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb 620
18.1 Leistungsflussrechnung 620
18.1.1 Mathematisches Netzmodell mit Admittanzmatrix 621
18.1.1.1 Vierleiternetze (Netze mit Sternpunktleiter) 624
18.1.1.2 Dreileiter-Drehstromnetze 626
18.1.2 Hybridmatrix H 627
18.1.3 Impedanzmatrix 629
18.1.4 Berechnung der Knotenspannungen und Leitungsströme bei vorgegebenen Belastungsströmen 630
18.1.5 Berechnung der Knotenspannungen bei vorgegebenen Knotenleistungen (Leistungsflussrechnung) 631
18.1.6 Behandlung unterschiedlicher Netzknoten 633
18.2 Varianten der Leistungsflussrechnung 634
18.2.1 Schnelle Leistungsflussrechnung 634
18.2.2 Optimale Leistungsflussrechnung 635
18.2.3 Probabilistische Leistungsflussrechnung 636
18.3 Manuelle Berechnung von Leitungsströmen in kleinen Netzen 636
18.3.1 Die an einem Ende belastete Leitung 637
18.3.2 Die mehrfach belastete Leitung 639
18.3.3 Die beidseitig gespeiste Leitung, gleiche Versorgungsspannung 641
18.3.4 Die beidseitig gespeiste Leitung bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen 642
18.3.5 Vereinfachungen in der Berechnung 642
18.3.6 Berechnung der Stromverteilung in Netzen 643
18.3.6.1 Strahlennetze 643
18.3.6.2 Ringnetze 644
18.3.6.3 Maschennetze 644
1. Schritt: Netzvereinfachung 645
2. Schritt: Netzwiederaufbau 647
19. Kurzschlussstromberechnung 650
19.1 Begriffswelt und Methodik der Kurzschlussstromberechnung 651
19.1.1 Berechnung des Anfangs-Kurzschlusswechselstroms I"k 652
19.1.2 Berechnung aus I"k abgeleiteter Kurzschlussstromgrößen 653
19.1.2.1 Berechnung des Stoßkurzschlussstroms ip 653
19.1.2.2 Ausschaltwechselstrom Ib 653
19.1.2.3 Dauerkurzschlussstrom Ik 653
19.1.2.4 Thermisch wirksamer Kurzschlussstrom Ith 654
19.2 Der symmetrische Kurzschluss 654
19.2.1 Berechnung von I"k bei einfacher Generatorspeisung 655
19.2.2 Berechnung von I"k bei Netzeinspeisung 659
19.2.3 Berechnung von I"k bei mehrfacher Einspeisung 662
19.2.3.1 Das Verfahren der Ersatzspannungsquelle 662
19.2.3.2 Rechenbeispiel zum Verfahren der Ersatzspannungsquelle 663
19.3 Unsymmetrische Fehler 668
19.3.1 Berechnungsformeln für unsymmetrische Fehler 670
19.3.2 Berechnungsbeispiel „ Unsymmetrische Kurzschlussströme“ 671
19.3.2.1 Aufstellen der Ersatzschaltbilder des Mit-, Gegen- und Nullsystems 671
19.3.3 Berechnung der Mit- und Gegenimpedanzen 671
19.3.4 Berechnung der Nullimpedanzen 672
19.3.5 Berechnung der finalen Impedanzen Z+, Z– und Z0 672
19.3.5.1 Einpoliger Kurzschluss 673
19.3.5.2 Zweipoliger Kurzschluss ohne Erdberührung 673
19.3.5.3 Zweipoliger Kurzschluss mit Erdberührung 674
19.4 Kurzschlussimpedanzen elektrischer Betriebsmittel 674
19.4.1 Generatoren 675
19.4.2 Netzeinspeisung 676
19.4.3 Transformatoren 676
19.4.4 Kraftwerksblöcke 677
19.4.5 Windkraftund PV-Anlagen 678
19.4.6 Freileitungen und Kabel 678
19.4.7 Motoren 678
19.4.8 Sonstige Betriebsmittel 679
19.4.9 Übersicht der Betriebsmittelimpedanzen 679
19.5 Kurzschlussstromberechnung mit bezogenen Größen 680
19.5.1 Das per–unit–Verfahren 680
19.5.2 Das %/MVA–Verfahren 681
19.6 Digitale Kurzschlussstromberechnung 683
19.6.1 Berechnung des Anfangs-Kurzschlusswechselstroms I"k aus der Knotenadmittanzmatrix 683
20. Stabilität von Elektroenergiesystemen 685
20.1 Polradwinkelstabilität 686
20.1.1 Leistungs-/Polradwinkelkurve 687
20.1.2 Bewegungsgleichung eines Synchrongenerators 688
20.1.3 Kleinsignalstabilität 691
20.1.3.1 Grafische Untersuchung der Kleinsignalstabilität 692
20.1.3.2 Untersuchung der Kleinsignalstabilität anhand von Übertragungsfunktionen 694
20.1.3.3 Methode der Zustandsvariablen 695
20.1.4 Großsignalstabilität 696
20.1.4.1 Numerische Integration des Bewegungsdifferenzialgleichungssystems 696
20.1.4.2 Untersuchung der Großsignalstabilität mit der Methode der Zustandsvariablen 698
20.1.4.3 Ljapunov-Verfahren 699
20.2 Spannungsstabilität 705
20.3 Netzzusammenbrüche 708
20.4 Resiliente Netze 713
21. Wirtschaftliche Aspekte in Elektroenergiesystemen 715
21.1 Versorgungsqualität 715
21.2 Strommarktliberalisierung 717
21.3 Netzzugang im deutschen Strommarkt 720
21.4 Stromhandel 721
21.4.1 Großhandelsmärkte 723
21.4.2 Regelleistungsmärkte 723
21.4.3 Strommarkt 2.0 724
21.4.4 CO2-Emissionsrechtehandel 725
21.4.5 Energy Trading 726
21.5 Bilanzkreise und Bilanzierungsgebiete 727
21.6 Stromkosten und Strompreise 731
21.6.1 Kalkulation der Stromkosten 731
21.6.1.1 Stromerzeugungskosten 732
21.6.1.2 Ermittlung von Netznutzungsentgelten 734
21.6.2 Kalkulation der Strompreise 736
21.6.3 Negative Strompreise 738
21.6.4 Stromausfallkosten 738
21.7 Methoden zur Investitionsrechnung 739
21.8 Asset Management 741
Anhang 747
A. Rechnen mit komplexen Größen 749
A.1 Komplexe Wechselstromrechnung 749
A.2 Komplexe Darstellung von Reaktanzen und Impedanzen 751
A.3 Zählpfeilsysteme 754
A.4 Zeigerdiagramme 756
A.5 Wechselstromleistung 760
A.6 Blindleistungskompensation und Blindleistungslieferung 763
A.6.1 Blindleistungskompensation 765
A.6.2 Erzeugung und Lieferung von Blindleistung 767
A.7 Wechselstromleistung bei nichtsinusförmigen Spannungen und Strömen 770
A.8 Ergänzende Bemerkungen zu elektrischer Energie und Leistung 771
B. Rechnen in Drehstromsystemen 775
B.1 Begriffe und Größen in Drehstromsystemen 775
B.1.1 Spannungen und Ströme in Drehstromnetzen 775
B.1.2 Spannungen und Ströme von Drehstromerzeugern und -verbrauchern 776
B.2 Drehstromleistung elektrischer Betriebsmittel 778
B.2.1 Drehstromverbraucher am Drehstromnetz 779
B.2.2 Stern-Dreieck-Anlaufschaltung 780
C. Rechnen mit bezogenen Größen 783
C.1 Referenzgrößen 784
C.1.1 Bezogene Spannungen 784
C.1.2 Bezogene Leistungen 785
C.1.3 Bezogene Ströme 785
C.1.4 Bezogene Impedanzen 786
C.2 Rechnen mit pu-Größen 787
D. Grundbegriffe magnetischer Wechselfelder 793
D.1 Induktionsgesetz, induzierte und selbstinduzierte Spannung 793
D.1.1 Induzierte Spannung 793
D.1.2 Selbstinduzierte Spannung 795
D.2 Windungsfluss, Spulenfluss und Flussverkettung einer Wicklung 796
D.3 Magnetische Streuung (X = XH + X?) 798
E. Unsymmmetrische Kurzschlussströme 801
E.1 Die Methode der symmetrischen Komponenten 801
E.2 Berechnungsformeln für unsymmetrische Kurzschlussströme 804
E.2.1 Berechnungsformel für einpolige Kurzschlussströme 804
E.2.2 Berechnungsformel für zweipolige Kurzschlüsse ohne Erdberührung 806
E.3 Berechnungsformel für zweipolige Kurzschlüsse mit Erdberührung 808
F. Geräte Funktions-Codes nach ANSI C 37.2 (Auszug) 811
G. Lösung linearer und nichtlinearer Gleichungssysteme 813
G.1 Direkte Verfahren 813
G.1.1 Gauß’sches Eliminationsverfahren 813
G.1.2 Gauß-Jordan-Algorithmus 816
G.1.3 Dreiecksfaktorisierung 817
G.1.4 Optimal geordnete Dreiecksfaktorisierung 819
G.2 Iterationsverfahren 820
G.2.1 Stromiterationsverfahren 820
G.2.1.1 Jacobi-Verfahren (Gesamtschrittverfahren) 820
G.2.1.2 Gauß-Seidel-Verfahren (Einzelschrittverfahren) 821
G.2.1.3 Newton-Raphson-Verfahren 822
H. Methode der Zustandsvariablen 825
I. IEEE Code of Ethics 829
IEEE Code of Ethics 829
Index 831

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 15.11.2019
• Zusatzinfo: XXVI, 832 S. 591 Abb., 588 Abb. in Farbe.
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Schlagworte: Energieressourcen • Energieverbrauch • Energiewende • Kraftwerks- und Netzleittechnik • Liberalisierung des Strommarktes • Netzschutz • Schaltanlagen • Smart Grids
• ISBN-10: 3-662-60374-8 / 3662603748
• ISBN-13: 978-3-662-60374-1 / 9783662603741