Betriebsverhalten elektrischer Energiesysteme - Cheatsheet

Aufbau und Funktion elektrischer Energienetze

Definition:

Grundlagen der Struktur und Betriebsweise elektrischer Energienetze.

Details:

• Netztypen: Übertragungsnetz (Höchstspannung), Verteilnetz (Mittel- und Niederspannung)
• Hauptkomponenten: Kraftwerke, Transformatoren, Schaltanlagen, Leitungen
• Ziel: Zuverlässige, wirtschaftliche und sichere Stromversorgung
• Physikalische Grundlagen: Kirchhoff'sche Gesetze, Ohmsches Gesetz
• Spannungsebenen: Höchstspannung (220-380 kV), Hochspannung (110 kV), Mittelspannung (10-35 kV), Niederspannung (230/400 V)
• Aktive und reaktive Leistung: Wirk- und Blindleistung, P (Watt), Q (Var)

Regelungsverfahren und Schutzeinrichtungen

Definition:

Regelungsverfahren: Systematische Methoden, um Spannung, Strom und Frequenz in elektrischen Energiesystemen zu steuern. Schutzeinrichtungen: Vorrichtungen zum Schutz vor Überlastung, Kurzschluss und anderen Störfällen.

Details:

• P-Regler (Proportional-Regler): \[ u(t) = K_p \, e(t) \]
• PI-Regler (Proportional-Integral-Regler): \[ u(t) = K_p \, e(t) + K_i \, \int e(t) \, dt \]
• PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative-Regler): \[ u(t) = K_p \, e(t) + K_i \, \int e(t) \, dt + K_d \, \frac{d \, e(t)}{dt} \]
• Leistungsschalter: Abschaltung bei Überstrom
• Sicherung: Einmalige Trennung bei Überstrom
• Relais: Schutz gegen Erdschluss, Überlastung und Kurzschluss

Integration von Solaranlagen und Windkraft

Definition:

Integration von Solaranlagen und Windkraft in elektrische Energiesysteme behandelt die Kombination und Steuerung erneuerbarer Energien zur stabilen Energieversorgung.

Details:

• Steuerung über Netzmanagementsysteme erforderlich
• Variabilität durch Wetterbedingungen beeinflusst
• Speichersysteme zur Pufferung notwendig
• Zusammenarbeit mit konventionellen Kraftwerken
• Netzstabilität durch Regelenergie und Backup-Systeme

Blackout- und Ausfallsicherheit

Definition:

Maßnahmen und Strategien zur Vermeidung von Stromausfällen und zur Sicherstellung der kontinuierlichen Stromversorgung

Details:

• Redundanz und Diversifizierung von Energiequellen
• Schnelle Erkennung und Behebung von Störungen (Automatisierung, SCADA)
• Lastabschaltungen zur Stabilisierung des Netzes
• Netzwerkstrukturen dezentral und meshed, statt zentralisiert
• Wartung und regelmäßige Überprüfung von Systemkomponenten
• Notfallpläne und Simulationen für Krisenmanagement

Mathematische Methoden und Algorithmen zur Energiesystemsimulation

Definition:

Details:

• Lineare Optimierung anwenden: z.B. Simplex-Verfahren für Kostenminimierung
• Newton-Raphson-Verfahren für Netzwerkanalyse und Lastflussberechnung
• Dynamische Simulationen mit Differentialgleichungslösern (z.B. Runge-Kutta-Methoden)
• Monte-Carlo-Simulationen zur Unsicherheitsanalyse
• Algorithmen zur Lastprognose und Laststeuerung
• Stochastische Modelle zur Abbildung volatiler Einspeisungen aus erneuerbaren Energien
• Ausgleichsverfahren und Glättungsalgorithmen zur Datenverarbeitung

Verlustmechanismen und Effizienz in Energienetzen

Definition:

Verluste entstehen durch Erwärmung (Joule-Verluste), Wirbelströme, Korona-Entladungen, Isolationswiderstände und Schaltvorgänge. Effizienz beschreibt das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Energie.

Details:

• Joule-Verluste: P_{\text{Verlust}} = I^2 \times R
• Wirbelströme: Verluste in Transformatoren und Leitungen
• Korona-Entladungen: Verluste bei Hochspannungsleitungen, vor allem bei nasser Witterung
• Isolationswiderstände: Verluste durch Leckströme
• Schaltvorgänge: Verlust durch Lichtbögen und Übergangswiderstände
• Effizienzsteigerung: Verlustreduzierung und Nutzung verlustarmer Komponenten

Frequenz- und Spannungsregelung

Definition:

Steuerung und Stabilierung von Frequenz und Spannung im Stromnetz zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs.

Details:

• Frequenzregelung: Anpassung von Erzeugungsleistung an Verbrauch; Primär-, Sekundär-, und Tertiärregelung
• Spannungsregelung: Spannungsprofile innerhalb von Grenzwerten halten; Transformatoren, Kapazitäts- und Reaktanzregelungen
• Mathematische Grundlage: LaTeX Formeln hier... Frequenzregelung: P-f Steuerung, Spannungsregelung: Q-V SteuerungDynamisches Modell: LaTeX Modelle hier... Regelkreis für Frequenz- und Spannungsregelung

Szenario-Analysen und Optimierungsverfahren

Definition:

Szenario-Analysen dienen der Bewertung unterschiedlicher Entwicklungsmöglichkeiten und Risiken, während Optimierungsverfahren dazu verwendet werden, unter gegebenen Randbedingungen optimale Lösungen zu finden.

Details:

• Szenario-Analyse: Untersuchung verschiedener Zukunftsszenarien, um Unsicherheiten und Risiken zu analysieren
• Deterministische und stochastische Ansätze
• Optimierungsverfahren: Bestimmen der besten Lösung aus einer Menge von Alternativen
• Lineare Programmierung (LP)
• Ganzzahlige Programmierung (IP)
• Quadratische Programmierung (QP)
• Ziel: Effizienzsteigerung und Kostenreduktion in elektrischen Energiesystemen