Welche Methoden gibt es zur Frequenzregelung im Stromnetz?

Frequenzregelung (Frequency Regulation) ist eine wesentliche Aufgabe in Stromnetzen, die darauf abzielt, die Stabilität der Netzfrequenz aufrechtzuerhalten. Die Frequenz eines Stromsystems muss in der Regel innerhalb eines bestimmten Bereichs, wie z.B. 50 Hz oder 60 Hz, gehalten werden, um den ordnungsgemäßen Betrieb aller elektrischen Geräte zu gewährleisten. Hier sind einige gängige Methoden der Frequenzregelung:

1. Primäre Frequenzregelung

Prinzip: Die primäre Frequenzregelung wird erreicht, indem die Leistungsausgabe von Erzeugern durch ihre Regler automatisch angepasst wird, um auf kurzfristige Frequenzabweichungen zu reagieren.

Anwendung: Geeignet für eine schnelle Reaktion auf kurzfristige Laständerungen.

Funktionsweise: Die Regler passen das Dampf- oder Wasserfluss zu den Turbinen automatisch anhand der Frequenzabweichungen an, wodurch die Leistung des Generators verändert wird.

2. Sekundäre Frequenzregelung

Prinzip: Die sekundäre Frequenzregelung passt die Leistungsausgabe von Erzeugern weiter an, baut auf der primären Frequenzregelung auf und verwendet Automatische Erzeugungssteuerungssysteme (AGC), um die Frequenz auf den Sollwert zurückzuführen.

Anwendung: Geeignet für mittelfristige Frequenzregelung.

Funktionsweise: AGC-Systeme passen die Leistungsausgabe von Erzeugern automatisch anhand von Frequenzabweichungen und der Area Control Error (ACE) an.

3. Tertiäre Frequenzregelung

Prinzip: Die tertiäre Frequenzregelung optimiert die Leistungsausgabe von Erzeugern für die wirtschaftliche Abwicklung, baut auf der sekundären Frequenzregelung auf, um die Erzeugungskosten zu minimieren.

Anwendung: Geeignet für langfristige Frequenzregelung und wirtschaftliche Abwicklung.

Funktionsweise: Optimierungsalgorithmen bestimmen die optimale Leistungsausgabe für jeden Generator, um Frequenzstabilität und Kostensenkung zu erreichen.

4. Frequenzregelung mit Energiespeichersystemen (ESS)

Prinzip: Energiespeichersysteme können schnell laden oder entladen, um Leistung bereitzustellen oder aufzunehmen und so zur Erhaltung der Frequenzstabilität beizutragen.

Anwendung: Geeignet für schnelle Reaktion und kurzfristige Frequenzregelung.

Funktionsweise: Energiespeichersysteme verwenden Leistungselektronik-Umrichter (wie Inverter), um schnell auf Frequenzänderungen zu reagieren und die notwendige Leistungsbilanzierung bereitzustellen.

5. Lastmanagement auf der Verbraucherseite (DSM)

Prinzip: DSM beinhaltet Anreize für Nutzer, ihren Stromverbrauch anzupassen, um die Stabilität der Netzfrequenz zu gewährleisten.

Anwendung: Geeignet für mittelfristige Frequenzregelung.

Funktionsweise: Preiszeichen, Anreizmechanismen oder Smart-Grid-Technologien leiten Nutzer an, den Verbrauch während Spitzenzeiten zu reduzieren und während Tiefschlagzeiten zu erhöhen.

6. Frequenzregelung mit erneuerbaren Energiequellen (RES)

Prinzip: Die schnelle Reaktionsfähigkeit erneuerbarer Energiequellen (wie Wind und Solarenergie) wird genutzt, um durch Leistungselektronik-Umrichter (wie Inverter) Frequenzregelungsdienstleistungen bereitzustellen.

Anwendung: Geeignet für schnelle Reaktion und kurzfristige Frequenzregelung.

Funktionsweise: Inverter passen die Leistungsausgabe erneuerbarer Energiequellen schnell an, um auf Frequenzänderungen zu reagieren.

7. Virtueller Synchrongenerator (VSG)

Prinzip: Die dynamischen Eigenschaften von Synchronmaschinen werden simuliert, um dezentralen Energiequellen (wie Inverter) die Fähigkeit zur Frequenzregelung zu ermöglichen.

Anwendung: Geeignet für Frequenzregelung in dezentralen Energiequellen und Mikrogrids.

Funktionsweise: Steuerungsalgorithmen machen Inverter zum Vorbild von Synchronmaschinen, um Trägheit und Frequenzregelung zu unterstützen.

8. Black Start

Prinzip: Wiederherstellung des Netzbetriebs nach einem vollständigen Ausfall durch vorgesehene Erzeuger, um die Frequenzstabilität sicherzustellen.

Anwendung: Geeignet für Netzreaktion und Notfallsituationen.

Funktionsweise: Bestimmte Erzeuger werden als Black-Start-Quellen vorgesehen, die zuerst beim Netzreaktionsprozess gestartet werden, um schrittweise andere Erzeuger und Lasten wiederherzustellen.

Zusammenfassung

Die Frequenzregelung ist ein kritisches Mittel, um die Stabilität der Netzfrequenz zu gewährleisten, und kann durch verschiedene Methoden erreicht werden. Die primäre und sekundäre Frequenzregelung sind grundlegende Methoden, die für unterschiedliche Zeitskalen der Frequenzregelung geeignet sind. Energiespeichersysteme, Lastmanagement auf der Verbraucherseite und Frequenzregelung mit erneuerbaren Energien bieten flexible Möglichkeiten für schnelle Reaktion und kurzfristige Frequenzregelung. Virtuelle Synchrongeneratoren und Black-Start spielen wichtige Rollen in spezifischen Szenarien.