Elektroenergiesysteme (eBook)
XXVII, 885 Seiten
Springer Vieweg (Verlag)
978-3-662-64774-5 (ISBN)
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.
Geleitwort 6
Vorwort zur 7. Auflage 7
Vorwort zur 1. Auflage 9
Inhaltsverzeichnis 12
1. Elektrische Energie und Lebensstandard 25
2. Elektroenergiesysteme, Verbundsysteme 33
2.1 Evolution der öffentlichen Stromversorgung 33
2.1.1 Liberalisierung des Strommarkts 36
2.1.2 Energiewende 40
2.2 Elektroenergiesysteme 49
2.3 Verbundsysteme 55
3. Energieressourcen – Energieverbrauch 63
3.1 Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie 63
3.2 Primärenergieressourcen 68
3.2.1 Erschöpfliche Ressourcen und ihr Verbrauch 70
3.2.2 Unerschöpfliche Ressourcen 76
3.2.3 Energieflussrate, Leistung eines Energieflusses 79
3.3 Klimawandel 81
3.4 Energieeffizienz 83
4. Stromerzeugung in Wärmekraftwerken 86
4.1 Thermodynamische Grundbegriffe 88
4.1.1 Dampfgehalt 89
4.1.2 Entropie, T(S)-Diagramm 90
4.1.3 Carnot-Prozess und thermischer Wirkungsgrad 92
4.1.4 Arbeitsfluid Wasser/Dampf im T(s)-Diagramm 94
4.1.5 Enthalpie, h(s)-Diagramm 96
4.2 Dampfkraftwerksprozess 99
4.2.1 Wärmeschaltbild, T(s)-Diagramm und Wirkungsgrad 99
4.2.2 Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrads 101
4.2.2.1 Zwischenüberhitzung 102
4.2.2.2 Regenerative Speisewasservorwärmung 102
4.2.2.3 Kühlmitteltemperatur 103
4.2.2.4 Gesamtwirkungsgrad eines Kraftwerks 104
4.2.3 Exergetischer Wirkungsgrad 107
4.3 Dampfkraftwerkkomponenten 108
4.3.1 Dampferzeuger 108
4.3.1.1 Dampferzeugerbauarten 108
4.3.1.2 Feuerungen 112
4.3.1.3 Leistungsregelung bei Dampferzeugern 113
4.3.1.4 Rauchgasreinigung 115
4.3.2 Dampfturbinen 118
4.3.2.1 Bauarten 118
4.3.2.2 Leistungsregelung von Dampfturbinen 122
4.3.3 Kondensator, Kühleinrichtungen 125
4.3.3.1 Kondensator 125
4.3.3.2 Kühlarten 126
4.3.3.3 Abwärmenutzung 127
4.4 Leistungsregelung in Dampfkraftwerken 128
4.4.1 Festdruckbetrieb 128
4.4.2 Gleitdruckbetrieb 129
4.4.3 Modifizierter Gleitdruckbetrieb 130
4.4.4 Vergleichende Betrachtung 130
4.5 Gasturbinenkraftwerke 131
4.6 Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke (GuD) 135
4.7 Kraft-Wärme-Kopplung 138
4.7.1 Kraft-Wärme-Kopplung in der Industrie 138
4.7.2 Kraft-Wärme-Kopplung in der öffentlichen Stromversorgung 139
5. Stromerzeugung in Kernkraftwerken 143
5.1 Kernenergie 145
5.1.1 Kernfusion 146
5.1.2 Kernfission (Kernspaltung) 147
5.1.3 Nachzerfallswärme 156
5.1.4 Brennstoffkreislauf 158
5.2 Druckwasserreaktoren (DWR) 161
5.3 Siedewasserreaktoren (SWR) 163
5.4 Gasgekühlte Reaktoren 165
5.5 Brutreaktoren 167
5.6 Kernkraftwerke der Generation IV 168
5.7 Leistungsregelung von Kernreaktoren 169
5.7.1 Leistungsregelung von Druckwasserreaktoren 171
5.7.2 Leistungsregelung von Siedewasserreaktoren 172
5.7.3 Leistungsregelung von gasgekühlten Reaktoren 173
5.7.4 Leistungsregelung von natriumgekühlten Reaktoren 173
5.7.5 Bereitstellung von Regelenergie durch Kernkraftwerke 174
5.7.6 Stilllegung und Rückbau von Kernkraftwerken 175
6. Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien 177
6.1 Wasserkraftwerke 178
6.1.1 Laufwasserkraftwerke 179
6.1.2 Speicherkraftwerke 179
6.1.3 Pumpspeicherkraftwerke 181
6.1.4 Gezeitenkraftwerke 182
6.1.5 Turbinentypen 183
6.1.5.1 Kaplan-Turbine 184
6.1.5.2 Francis-Turbine 184
6.1.5.3 Pelton-Turbine 185
6.1.6 Leistungsregelung 186
6.2 Windkraftanlagen 188
6.2.1 Mechanische Leistung 188
6.2.2 Generatorkonzepte 189
6.2.3 Leistungsregelung von Windturbinen 191
6.2.4 Einbindung von Windkraftanlagen in die Netze der öffentlichen Stromversorgung 192
6.2.5 Stand der Technik und Ausblick 193
6.3 Solarenergieanlagen 196
6.3.1 Direkte Nutzung der Solarenergie 198
6.3.1.1 Photovoltaik-Anlagen 198
6.3.1.2 Solarthermische Anlagen 203
6.4 Biomassse - Kraftwerke 207
6.5 Geothermische Stromerzeugung 208
6.6 Brennstoffzellen 210
6.7 Virtuelle Kraftwerke 212
6.8 Speicher elektrischer Energie 213
6.8.1 Kurzzeitspeicher 214
6.8.1.1 Pumpspeicherkraftwerke 214
6.8.1.2 Druckgasspeicher-Kraftwerke 215
6.8.1.3 Wiederaufladbare Batterien 216
6.8.1.4 Superkondensatoren 221
6.8.1.5 Wasserstofftechnologie 221
6.8.1.6 Wärmespeicher/Power to Heat (PtH, P2H) 223
6.8.1.7 Schwungradspeicher 223
6.8.1.8 Supraleitende magnetische Energiespeicher 223
6.8.1.9 Sektorenkopplung 224
6.8.2 Langzeitspeicher 224
6.8.2.1 Power to Gas (PtG, P2G) 225
6.8.2.2 Innereuropäische Kooperation 225
6.8.3 Backup-Versorgung 225
7. Kraftwerkleittechnik 228
7.1 Leittechnik-Funktionen 229
7.2 Verfahrens- und leittechnische Struktur eines Kraftwerkprozesses 230
7.3 Prozessleitsysteme 232
7.3.1 Verbindungsprogrammierte Prozessleitsysteme 232
7.3.2 Speicherprogrammierbare Prozessleitsysteme 233
7.3.3 Prozessleitsysteme mit Feldbus 240
7.3.4 Energiemanagementsysteme 241
7.3.4.1 Prozessnahe Anwendungen 241
7.3.4.2 Betriebliche Anwendungen 242
7.3.4.3 Business Anwendungen 242
7.3.4.4 Fernwartung 243
7.4 Prozessvisualisierung 243
7.5 Energiemanagementsysteme der Generation IV 245
7.6 Digitales Kraftwerk, Kraftwerk 4.0 247
7.7 IT-Sicherheit 247
8. Umwandlung mechanischer Energie mittelsSynchrongeneratoren 250
8.1 Vollpol- und Schenkelpolgeneratoren 251
8.2 Wirkungsweise von Synchrongeneratoren 253
8.2.1 Der Synchrongenerator im Leerlauf 253
8.2.2 Der Synchrongenerator bei Belastung (Ankerrückwirkung) 257
8.2.3 Einfluss der Sättigung 261
8.2.4 Dämpferwicklung 262
8.3 Besonderheiten der Schenkelpolmaschine 263
8.4 Leistungsgleichungen der Synchronmaschine 265
8.5 Stationäre Betriebszustände 266
8.6 Phasenschieberbetrieb 267
8.7 Belastungsgrenzen des Synchrongenerators 269
8.8 Sternpunktbehandlung bei Synchrongeneratoren 272
8.9 Erregungsverfahren für Synchrongeneratoren 274
8.9.1 Gleichstromerregermaschinen 274
8.9.2 Drehstromerregermaschinen 275
8.9.3 Statische Erregereinrichtungen 276
8.9.4 Dynamisches Verhalten von Erregereinrichtungen 276
8.10 Der Synchrongenerator im Kurzschluss 277
8.10.1 Generatorferner Kurzschluss 278
8.10.2 Generatornaher Kurzschluss 282
8.11 Mathematische Modelle für Synchrongeneratoren 286
8.11.1 Grundsätzliches dreiphasiges Modell eines Synchrongenerators mitVollpolläufer im stationären Betrieb 287
8.11.2 Grundsätzliches einphasiges Modell eines Synchrongenerators mit Vollpolläufer im stationären Betrieb 289
8.11.3 Ermittlung der Mit-, Gegen- und Nullimpedanzeines Synchrongenerators 295
8.11.4 Die dq0-Transformation 298
8.11.4.1 Mathematische Vorgehensweise der dq0-Transformation 300
8.11.4.2 Elektrische Leistung und Drehmoment 308
8.11.4.3 Kopplung des Generatormodells mit dem Elektroenergiesystem 309
8.12 Virtueller Synchrongenerator 311
9. Bereitstellung elektrischer Energie auf verschiedenenSpannungsebenen 313
9.1 Wirkungsweise und Ersatzschaltbild von Transformatoren 315
9.2 Kurzschlussersatzschaltbild 323
9.2.1 Ersatzschaltbilder mit umgerechneten Größen 323
9.2.2 Messung der Kurzschlussimpedanz 325
9.2.3 Berechnung der Kurzschlussimpedanz 327
9.2.4 Zeigerdiagramme des Kurzschlussersatzschaltbilds 328
9.2.5 Kurzschlussersatzschaltbild für Dreiwicklungstransformatoren 328
9.3 Kaskadierte und parallel geschaltete Transformatoren 329
9.3.1 Kaskadierte Transformatoren 329
9.3.2 Parallelbetrieb von Transformatoren 331
9.4 Spartransformatoren 332
9.5 Drehstromtransformatoren 333
9.5.1 Kernbauformen 333
9.5.2 Schaltgruppen 334
9.5.2.1 Schaltgruppe Yy0 337
9.5.2.2 Schaltgruppe Dy5 340
9.5.2.3 Schaltgruppe Yd5 341
9.5.2.4 Schaltgruppe Yz5 341
9.5.3 Mit-, Gegen- und Nullimpedanz von Drehstromtransformatoren 342
9.5.3.1 Mitimpedanz von Drehstromtransformatoren 342
9.5.3.2 Nullimpedanz von Drehstromtransformatoren 343
9.6 Regeltransformatoren 348
9.6.1 Längsregler 348
9.6.1.1 Unter Last schaltbare Transformatoren 348
9.6.1.2 Längsregler mit Zusatztransformatoren 350
9.6.2 Querregler 351
9.6.3 Schrägregler 353
9.7 Zeitlicher Verlauf des Magnetisierungsstroms 353
9.8 Einschaltstoßstrom leerlaufender Transformatoren 354
10. Transport und Übertragung elektrischer Energie 358
10.1 Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung, HDÜ 358
10.1.1 Transportnetze 359
10.1.2 Hochspannungsnetze 361
10.1.3 Höhe der Netzspannung 361
10.1.3.1 Übertragungsverluste 361
10.1.3.2 Übertragungskapazität 362
10.2 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, HGÜ 364
10.2.1 Netzgeführte HGÜ mit Thyristoren 364
10.2.2 Selbstgeführte HGÜ mit IGBT-Leistungshalbleitern 367
10.2.3 HGÜ-Leistungsschalter 368
10.3 Betriebsverhalten von Leitungen 369
10.3.1 Elektrisch lange und kurze Leitungen 369
10.3.2 Mathematisches Modell elektrisch langer Leitungen 372
10.3.3 Verlustlose Leitung 376
10.3.3.1 Ausgewählte betriebliche Spezialfälle 376
10.3.3.2 Leerlauf am Leitungsende 377
10.3.3.3 Kurzschluss am Leitungsende 378
10.3.3.4 Belastung mit dem Wellenwiderstand 379
10.3.4 Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm einer elektrisch langen Leitung 382
10.3.5 Betriebsverhalten elektrisch kurzer Leitungen 385
10.3.5.1 Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm 385
10.3.5.2 Längs- und Querspannungsabfall 386
10.4 Blindleistungskompensation in Hochspannungsnetzen 388
10.4.1 Kompensation induktiver Blindleistung 388
10.4.1.1 Parallel-Kompensation 388
10.4.1.2 Reihen-Kompensation 390
10.4.2 Kompensation kapazitiver Blindleistung 391
10.5 FACTS (Flexible AC-Transmission Systems) 392
10.5.1 Klassifizierung von FACTS-Betriebsmitteln 393
10.5.2 Parallel geschaltete FACTS-Regler 394
10.5.2.1 Thyristor-Controlled Reactor, TCR 395
10.5.2.2 Thyristor-Switched Capacitor, TSC 396
10.5.2.3 Static VAr Compensator, SVC 396
10.5.2.4 STATCOM 397
10.5.3 Seriengeschaltete FACTS-Betriebsmittel 399
10.5.3.1 Thyristor-Controlled Series Capacitor, TCSC 399
10.5.3.2 Static Synchronous Series-Compensator, SSSC 400
10.5.4 Kombinierte FACTS-Regler 401
10.5.4.1 Unified Power-Flow Controller, UPFC 401
10.5.4.2 Dynamic Power-Flow Controller, DFC 402
10.5.4.3 FACTS HGÜ-Kupplungen 402
10.5.5 FACTS-Regelung 403
10.6 Berechnung der Betriebsimpedanzen von Mehrleitersystemen 404
10.6.1 Berechnung von Betriebsimpedanzen in Längsrichtung 404
10.6.1.1 Carson-Formel 407
10.6.1.2 Tabellenbücher 408
10.6.1.3 Messung der Impedanzen 408
10.6.2 Berechnung der Betriebskapazitäten 410
11. Verteilung elektrischer Energie vor der Energiewende 416
11.1 Netztopologien klassischer Verteilnetze 417
11.1.1 Strahlennetze 417
11.1.2 Ringnetze 418
11.1.3 Maschennetze 418
11.2 110 kV-Verteilnetze 419
11.3 Mittelspannungsnetze 421
11.3.1 Mittelspannungs-Ortsnetze 422
11.3.2 Mittelspannungs-Industrienetze 425
11.3.3 Mittelspannungsnetze in Großgebäuden bzw. Gebäudekomplexen 427
11.3.4 Eigenbedarfsnetze 429
11.4 Niederspannungsnetze 431
11.4.1 Niederspannungs-Ortsnetze 431
11.4.2 Niederspannungs-Industrienetze 432
11.4.3 Großgebäudenetze 434
11.5 Blindstromkompensation in Mittel- und Niederspannungsnetzen 435
11.5.1 Netze mit geringem Stromrichteranteil 437
11.5.2 Netze mit hohem Stromrichteranteil 438
12. Smart Grids 440
12.1 Smart Metering und intelligente MessSysteme iMSys 442
12.2 Wie funktionieren die Rechnernetze der Smart Grids? 448
12.2.1 Was sind Rechnernetze, Protokolle? 448
12.2.2 iMSys-Rechnernetze 453
12.2.3 LoRaWAN-Netze 454
12.2.4 PLC-Rechnernetze 455
12.3 Kommunikationswege in Smart Grids 457
12.4 Parallele Entwicklungen im Rahmen der Digitalisierung 459
12.4.1 IoT-Rechnernetze 459
12.4.2 Digitalisierte Betriebsmittel bei den Netzbetreibern 460
12.4.3 Innovative, digitalisierte Systeme bei den Stromkunden 461
12.4.3.1 Intelligentes Leistungsspitzen-Management bei RLM-Stromkunden 461
12.4.3.2 Energie-Managementsysteme vom Typ HEMS 462
12.4.3.3 Smart Home Systems 464
12.5 Smart Homes 465
12.6 Smart Cities 466
12.7 Ladestationen für die Elektromobilität 467
12.8 Mini-, Micro-, und Nano Grids, Zellulare Netze 468
12.9 Smarte Gleichstromnetze 470
12.9.1 Gleichstromleitungen in der öffentlichen Stromversorgung 470
12.9.2 Gleichstromnetze in der Fabrik 470
12.9.3 Gleichstromnetze inWohn- und Bürogebäuden, sonstige Anwendungen 472
13. Sternpunktbehandlung 476
13.1 Netze mit isolierten Sternpunkten – OSPE 477
13.2 Netze mit Erdschlusskompensation – RESPE 481
13.3 Netze mit niederohmig geerdetem Sternpunkt – NOSPE 484
13.4 Netze mit starr geerdeten Sternpunkten 484
13.5 Sternpunktbehandlung in der Begriffswelt der Methode der symmetrischenKomponenten 485
13.6 Sternpunktbehandlung in Niederspannungsnetzen 487
13.6.1 TN-Netze 488
13.6.2 TT-Netze 489
13.6.3 I-Netze 490
13.7 Erdschlussmanagement 490
13.7.1 Erdschlusserfassung 491
13.7.2 Stationäre Erdschlussortungsverfahren 491
13.7.2.1 Ampèremetrische Methode 492
13.7.2.2 Wattmetrische Methode für isolierte Netze, sin ?-Verfahren 492
13.7.2.3 Wattmetrische Methode für kompensierte bzw. gelöschte Netze,cos?-Verfahren 492
13.7.2.4 Wattmetrische Methode mit Wattreststromerhöhung 493
13.7.2.5 Kurzzeitige, niederohmige Phasenerdung KNOPE 493
13.7.2.6 Oberschwingungsverfahren 494
13.7.2.7 Pulsortungsverfahren 494
13.7.3 Transiente Ortungsverfahren 494
13.7.3.1 Erdschlusswischerrelais 494
13.7.3.2 Zeitbereichsreflektometrie Verfahren 495
14. Schaltanlagen 499
14.1 Schaltgeräte 500
14.1.1 Sicherungen 502
14.1.2 Lastschalter 506
14.1.3 Leistungsschalter 507
14.1.4 Trennschalter 511
14.1.5 Kurzschlussstrombegrenzer 512
14.1.6 Schaltgeräteübersicht 515
14.2 Niederspannungsschaltanlagen 516
14.2.1 Niederspannungsschaltanlagen im Wohn-Installationsbereich 516
14.2.2 Niederspannungsschaltanlagen bis 630 A 518
14.2.3 Niederspannungsschaltanlagen über 630 A 519
14.3 Mittelspannungsschaltanlagen 521
14.3.1 Mittelspannungsschaltanlagen der Primärverteilung 524
14.3.2 Mittelspannungsschaltanlagen der Sekundärverteilung 526
14.4 Hochspannungsschaltanlagen 528
14.4.1 Freiluftschaltanlagen 528
14.4.2 Gekapselte Hochspannungsschaltanlagen für Innenraumaufstellung 530
14.4.3 Topologie von Hochspannungsschaltanlagen 532
14.5 Umspannstationen 536
14.6 Sicherheitstechnische, mechanische, thermische, informationstechnischeund andere Anforderungen an Schaltanlagen 539
15. Netzschutz 541
15.1 Schutztechnik-Grundlagen 541
15.2 Schutzgerätetechnik 545
15.3 Schutzprinzipien und -kriterien 547
15.3.1 Überstromschutz 547
15.3.1.1 Abhängiges Maximalstrom-Zeitrelais (AMZ-Relais) 548
15.3.1.2 Unabhängiges Maximalstrom-Zeitrelais (UMZ-Relais) 548
15.3.1.3 UMZ-Schutz mit Richtungskriterium 550
15.3.2 Distanzschutz 551
15.3.3 Vergleichsschutz 554
15.3.3.1 Messgrößenvergleichsschutz 554
15.3.3.2 Phasenvergleichsschutz 556
15.3.3.3 Signalvergleichsschutz 556
15.3.4 Erdschlussmeldung 556
15.4 Schutztechnik aus Sicht einzelner Betriebsmittel 557
15.4.1 Leitungsschutz 557
15.4.1.1 Strahlennetze 557
15.4.1.2 Ringleitungen und Maschennetze 558
15.4.2 Transformatorschutz 558
15.4.2.1 Transformatordifferenzialschutz 558
15.4.2.2 Buchholzrelais 559
15.4.3 Generatorschutz 560
15.4.4 Blockschutz 560
15.4.5 Sammelschienenschutz 562
15.4.6 Schaltanlagenschutz 563
15.5 Schutzkoordination 564
15.5.1 Stromstaffelung im Strahlennetz 564
15.5.2 Zeitstaffelung im Strahlennetz 565
15.5.3 Schutzkoordination in Ring- und Maschennetzen mit UMZ-Schutz 566
15.5.4 Zeitstaffelung mit Distanzrelais 567
15.6 ANSI Schutz Codes 568
15.7 Schutz in Niederspannungsnetzen 569
15.7.1 Nullung (TN-Netze) 571
15.7.2 Schutzerdung (TT-Netze) 573
15.7.3 Schutzleitungssystem (IT-Netze) 574
15.7.4 Fehlerstrom-(FI)-Schutzschaltung 575
15.7.5 Fehlerspannungs-(FU)-Schutzschaltung 575
15.7.6 Schutztrennung 576
15.7.7 Schutzisolierung 577
15.8 Wide Area Monitoring Systeme 577
16. Frequenz- und Spannungsregelung 581
16.1 Frequenzregelung 585
16.1.1 Alleinbetrieb 585
16.1.2 Parallelbetrieb 587
16.1.3 Netzfrequenzregler 591
16.1.4 Verbundbetrieb 592
16.1.5 Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Frequenzregelung 595
16.1.6 Netzregelverbund (NRV) 600
16.2 Spannungsregelung 601
16.2.1 Spannungsqualität 601
16.2.2 Spannungsregelung in Übertragungs- und Transportnetzen 601
16.2.3 Stellglieder der Spannungs-/Blindleistungsregelung 602
16.2.4 Spannungs-/Blindleistungsoptimierung 603
16.3 Begrenzungsregelungen 604
17. Netzleittechnik 606
17.1 Netzleitstellen 609
17.1.1 SCADA-Funktionen 609
17.1.2 Höherwertige Entscheidungs- und Optimierungsfunktionen HEO 611
17.1.3 Rechnerstruktur und Datenbanksystem 612
17.1.4 Schnittstellen zu anderen Systemen 614
17.2 Stationsleittechnik 615
17.3 Feldleittechnik 617
17.4 Fernwirktechnik 617
17.5 Tonfrequenz- und Funkrundsteuerung 618
17.5.1 Tonfrequenzrundsteuerung 619
17.5.2 Funkrundsteuerung 620
17.6 Smart Grid Netzführung 621
17.7 Cyber Security in Netzen 621
18. Netzbetrieb 623
18.1 Netzführung in Transportnetzen 624
18.1.1 Transportnetzführung in der klassischen Stromversorgung, so genannteLastverteilung 626
18.1.1.1 Lastprognose 626
18.1.1.2 Lastverteilung 631
18.1.1.3 Kraftwerksauswahl, Order of Merit 633
18.1.1.4 Netzführung in der Schaltwarte 635
18.1.2 Transportnetzführung im liberalisierten Strommarkt, so genannte Systemführung 636
18.1.3 Flexibilitätsoptionen in den Übertragungs- und Hochspannungsnetzen 641
18.1.4 Netzreserve, Kapazitätsreserve und Sicherheitsbereitschaft 642
18.1.5 EMS-Funktionen 644
18.2 Netzführung in Verteilnetzen 646
18.2.1 Flexibilitätsoptionen 648
18.2.1.1 Erzeugungsmanagement 648
18.2.1.2 Lastmanagement 649
18.2.1.3 Kooperation Übertragungsnetz-/Verteilnetzbetrieb 652
18.2.1.4 Blockchain Technologie 653
18.3 Netzbereitstellung 655
19. Berechnung von Netzen und Leitungen im stationärenBetrieb 659
19.1 Leistungsflussrechnung 659
19.1.1 Mathematisches Netzmodell mit Admittanzmatrix 660
19.1.1.1 Vierleiternetze (Netze mit Sternpunktleiter) 663
19.1.1.2 Dreileiter-Drehstromnetze 665
19.1.2 Hybridmatrix H 666
19.1.3 Impedanzmatrix 668
19.1.4 Berechnung der Knotenspannungen und Leitungsströme bei vorgegebenenBelastungsströmen 669
19.1.5 Berechnung der Knotenspannungen bei vorgegebenen Knotenleistungen(Leistungsflussrechnung) 670
19.1.6 Behandlung unterschiedlicher Netzknoten 672
19.2 Varianten der Leistungsflussrechnung 673
19.2.1 Schnelle Leistungsflussrechnung 673
19.2.2 Optimale Leistungsflussrechnung 674
19.2.3 Probabilistische Leistungsflussrechnung 675
19.3 Manuelle Berechnung von Leitungsströmen in kleinen Netzen 675
19.3.1 Die an einem Ende belastete Leitung 676
19.3.2 Die mehrfach belastete Leitung 678
19.3.3 Die beidseitig gespeiste Leitung, gleiche Versorgungsspannung 680
19.3.4 Die beidseitig gespeiste Leitung bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen 681
19.3.5 Vereinfachungen in der Berechnung 681
19.3.6 Berechnung der Stromverteilung in Netzen 682
19.3.6.1 Strahlennetze 682
19.3.6.2 Ringnetze 683
19.3.6.3 Maschennetze 683
20. Kurzschlussstromberechnung 689
20.1 Begriffswelt und Methodik der Kurzschlussstromberechnung 690
20.1.1 Berechnung des Anfangs-Kurzschlusswechselstroms I"k 691
20.1.2 Berechnung aus I"k abgeleiteter Kurzschlussstromgrößen 692
20.1.2.1 Berechnung des Stoßkurzschlussstroms ip 692
20.1.2.2 Ausschaltwechselstrom Ib 692
20.1.2.3 Dauerkurzschlussstrom Ik 692
20.1.2.4 Thermisch wirksamer Kurzschlussstrom Ith 693
20.2 Der symmetrische Kurzschluss 693
20.2.1 Berechnung von I"k bei einfacher Generatorspeisung 694
20.2.2 Berechnung von I"k bei Netzeinspeisung 698
20.2.3 Berechnung von I"k bei mehrfacher Einspeisung 701
20.2.3.1 Das Verfahren der Ersatzspannungsquelle 701
20.2.3.2 Rechenbeispiel zum Verfahren der Ersatzspannungsquelle 702
20.3 Unsymmetrische Fehler 707
20.3.1 Berechnungsformeln für unsymmetrische Fehler 709
20.3.2 Berechnungsbeispiel „ Unsymmetrische Kurzschlussströme “ 710
20.3.2.1 Aufstellen der Ersatzschaltbilder des Mit-, Gegen- und Nullsystems 710
20.3.3 Berechnung der Mit- und Gegenimpedanzen 710
20.3.4 Berechnung der Nullimpedanzen 711
20.3.5 Berechnung der finalen Impedanzen Z+, Z? und Z0 711
20.3.5.1 Einpoliger Kurzschluss 712
20.3.5.2 Zweipoliger Kurzschluss ohne Erdberührung 712
20.3.5.3 Zweipoliger Kurzschluss mit Erdberührung 713
20.4 Kurzschlussimpedanzen elektrischer Betriebsmittel 713
20.4.1 Generatoren 714
20.4.2 Netzeinspeisung 715
20.4.3 Transformatoren 715
20.4.4 Kraftwerksblöcke 716
20.4.5 Windkraft- und PV-Anlagen 717
20.4.6 Freileitungen und Kabel 717
20.4.7 Motoren 717
20.4.8 Sonstige Betriebsmittel 718
20.4.9 Übersicht der Betriebsmittelimpedanzen 718
20.5 Kurzschlussstromberechnung mit bezogenen Größen 719
20.5.1 Das per–unit–Verfahren 719
20.5.2 Das %/MVA–Verfahren 720
20.6 Digitale Kurzschlussstromberechnung 722
20.6.1 Berechnung des Anfangs-Kurzschlusswechselstroms I"k aus der Knotenadmittanzmatrix 722
21. Stabilität von Elektroenergiesystemen 725
21.1 Polradwinkelstabilität 726
21.1.1 Leistungs-/Polradwinkelkurve 727
21.1.2 Bewegungsgleichung eines Synchrongenerators 728
21.1.3 Kleinsignalstabilität 731
21.1.3.1 Grafische Untersuchung der Kleinsignalstabilität 732
21.1.3.2 Untersuchung der Kleinsignalstabilität anhand von Übertragungsfunktionen 734
21.1.3.3 Methode der Zustandsvariablen 735
21.1.4 Großsignalstabilität 736
21.1.4.1 Numerische Integration des Bewegungsdifferenzialgleichungssystems 736
21.1.4.2 Untersuchung der Großsignalstabilität mit der Methode der Zustandsvariablen 738
21.1.4.3 Ljapunov-Verfahren 739
21.2 Spannungsstabilität 745
21.3 Netzzusammenbrüche 748
21.4 Resiliente Netze 753
22. Wirtschaftliche Aspekte in Elektroenergiesystemen 755
22.1 Versorgungsqualität 755
22.2 Strommarktliberalisierung 757
22.3 Netzzugang im deutschen Strommarkt 760
22.4 Stromhandel 761
22.4.1 Großhandelsmärkte 763
22.4.2 Regelleistungsmärkte 763
22.4.3 Strommarkt 2.0 764
22.4.4 CO2-Emissionsrechtehandel 765
22.4.5 Energy Trading 766
22.5 Bilanzkreise und Bilanzierungsgebiete 767
22.6 Stromkosten und Strompreise 771
22.6.1 Kalkulation der Stromkosten 772
22.6.1.1 Stromerzeugungskosten 772
22.6.1.2 Ermittlung von Netznutzungsentgelten 774
22.6.2 Kalkulation der Strompreise 776
22.6.3 Negative Strompreise 778
22.6.4 Stromausfallkosten 778
22.7 Methoden zur Investitionsrechnung 780
22.8 Asset Management 781
Anhang 786
A. Rechnen mit komplexen Größen 787
A.1 Komplexe Wechselstromrechnung 787
A.2 Komplexe Darstellung von Reaktanzen und Impedanzen 789
A.3 Zählpfeilsysteme 792
A.4 Zeigerdiagramme 794
A.5 Wechselstromleistung 798
A.6 Blindleistungskompensation und Blindleistungslieferung 801
A.6.1 Blindleistungskompensation 803
A.6.2 Erzeugung und Lieferung von Blindleistung 805
A.7 Wechselstromleistung bei nichtsinusförmigen Spannungen und Strömen 808
A.8 Ergänzende Bemerkungen zu elektrischer Energie und Leistung 809
B. Rechnen in Drehstromsystemen 813
B.1 Begriffe und Größen in Drehstromsystemen 813
B.1.1 Spannungen und Ströme in Drehstromnetzen 813
B.1.2 Spannungen und Ströme von Drehstromerzeugern und -verbrauchern 814
B.2 Drehstromleistung elektrischer Betriebsmittel 816
B.2.1 Drehstromverbraucher am Drehstromnetz 817
B.2.2 Stern-Dreieck-Anlaufschaltung 818
C. Rechnen mit bezogenen Größen 820
C.1 Referenzgrößen 821
C.1.1 Bezogene Spannungen 821
C.1.2 Bezogene Leistungen 822
C.1.3 Bezogene Ströme 822
C.1.4 Bezogene Impedanzen 823
C.2 Rechnen mit pu-Größen 824
D. Grundbegriffe magnetischer Wechselfelder 829
D.1 Induktionsgesetz, induzierte und selbstinduzierte Spannung 829
D.1.1 Induzierte Spannung 829
D.1.2 Selbstinduzierte Spannung 831
D.2 Windungsfluss, Spulenfluss und Flussverkettungeiner Wicklung 832
D.3 Magnetische Streuung (X = Xh + X?) 834
E. Unsymmmetrische Kurzschlussströme 836
E.1 Die Methode der symmetrischen Komponenten 836
E.2 Berechnungsformeln für unsymmetrischeKurzschlussströme 839
E.2.1 Berechnungsformel für einpolige Kurzschlussströme 839
E.2.2 Berechnungsformel für zweipolige Kurzschlüsse ohne Erdberührung 841
E.3 Berechnungsformel für zweipolige Kurzschlüsse mit Erdberührung 843
F. Geräte Funktions-Codes nach ANSI C 37.2(Auszug) 846
G. Lösung linearer und nichtlinearer Gleichungssysteme 848
G.1 Direkte Verfahren 848
G.1.1 Gauß’sches Eliminationsverfahren 848
G.1.2 Gauß-Jordan-Algorithmus 851
G.1.3 Dreiecksfaktorisierung 852
G.1.4 Optimal geordnete Dreiecksfaktorisierung 854
G.2 Iterationsverfahren 855
G.2.1 Stromiterationsverfahren 855
G.2.1.1 Jacobi-Verfahren(Gesamtschrittverfahren) 855
G.2.1.2 Gauß-Seidel-Verfahren (Einzelschrittverfahren) 856
G.2.1.3 Newton-Raphson-Verfahren 857
H. Methode der Zustandsvariablen 860
I. IEEE Code of Ethics 864
Index 866
| Erscheint lt. Verlag | 16.2.2022 |
|---|---|
| Zusatzinfo | XXVII, 873 S. 600 Abb., 595 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 | 3-662-64774-5 / 3662647745 |
| ISBN-13 | 978-3-662-64774-5 / 9783662647745 |
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