Was ist ein elektrisches Netz?

Definition

Ein elektrisches Netz, auch als Stromnetz bezeichnet, ist definiert als ein umfassendes Netzwerk, das Einheiten zur Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung integriert. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Übertragung von elektrischer Energie von den Erzeugungsstandorten zu den Endverbrauchern zu ermöglichen. Eine beträchtliche Menge an Elektrizität wird mit Spannungen von 220 kV oder höher von den Kraftwerken zu den Lastzentren übertragen. Das Netzwerk, das aus diesen Hochspannungsleitungen besteht, wird als Super-Netz bezeichnet. Dieses Super-Netz versorgt wiederum das Untertransmissionsnetz, das in der Regel bei Spannungen von 132 kV oder niedriger arbeitet.

Arten von elektrischen Netzen

Kraftwerke innerhalb eines elektrischen Netzes sind oft in der Nähe von Brennstoffquellen angeordnet, um die Systemtransportkosten zu minimieren. Allerdings bedeutet dies in der Regel, dass sie weit entfernt von dicht besiedelten Gebieten liegen. Die in diesen Anlagen erzeugte Hochspannung wird in Umspannanlagen mit Abstreuern reduziert, bevor sie an die Verbraucher verteilt wird. Elektrische Netze lassen sich hauptsächlich in zwei Arten einteilen:

Regionales Netz

Ein regionales Netz wird durch die Verbindung verschiedener Übertragungssysteme innerhalb eines bestimmten geografischen Bereichs über Übertragungsleitungen gebildet. Diese Art von Netz dient der Optimierung der Energieverteilung und -verwaltung auf lokaler oder regionaler Ebene, um sicherzustellen, dass die Strombedarfe des Gebiets effizient gedeckt werden.

Nationales Netz

Das nationale Netz entsteht durch die Verknüpfung mehrerer regionaler Netze. Es bietet ein einheitliches und umfangreiches Energieverteilungsnetzwerk für ein ganzes Land, das eine nahtlose Übertragung von Elektrizität zwischen verschiedenen Regionen ermöglicht. Dieses vernetzte System hilft dabei, die Versorgung und Nachfrage nach Strom im ganzen Land auszugleichen und die Gesamtstabilität und Zuverlässigkeit des Netzes zu erhöhen.

Gründe für die Vernetzung von Netzen

Die Vernetzung von elektrischen Netzen bietet mehrere wichtige Vorteile. Sie ermöglicht die optimale Nutzung von Energiemitteln und sorgt dafür, dass Energie effizient in verschiedenen Gebieten verteilt wird. Diese Vernetzung verbessert auch die Sicherheit der Stromversorgung, da Ausfälle in einem Teil des Netzes durch Strom aus anderen vernetzten Regionen ausgeglichen werden können.

Darüber hinaus trägt die Vernetzung zur wirtschaftlichen Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Energiesystems bei. Durch die Verlinkung von Kraftwerken kann die erforderliche Reservekapazität in jedem einzelnen Gebiet reduziert werden. Dieser Ansatz der geteilten Ressourcen spart nicht nur Kosten, die mit dem Aufrechterhalten übermäßiger Reserven verbunden sind, sondern verbessert auch die Gesamtwiderstandsfähigkeit und Leistung des elektrischen Netzes.

Wenn es zu einem plötzlichen Lastanstieg oder einer Störung in der Stromerzeugung in einem bestimmten Bereich des elektrischen Netzes kommt, kann dieser Bereich Strom aus benachbarten vernetzten Gebieten beziehen. Um jedoch eine zuverlässige Vernetzung zu gewährleisten, ist eine bestimmte Menge an Erzeugerkapazität, bekannt als Spinning Reserve, unerlässlich. Die Spinning Reserve besteht aus Generatoren, die mit normaler Geschwindigkeit laufen und bereit sind, sofort Strom zu liefern, wenn nötig.

Arten von Vernetzungen

Die Vernetzungen zwischen elektrischen Netzen lassen sich hauptsächlich in zwei Arten einteilen: die HVAC- (Hochspannungswechselstrom-) Verbindung und die HVDC- (Hochspannungsgleichstrom-) Verbindung.

HVAC (Hochspannungswechselstrom) Vernetzung

Bei einer HVAC-Verbindung werden zwei Wechselstromsysteme über eine Wechselstromübertragungsleitung verbunden. Für eine erfolgreiche Vernetzung von Wechselstromsystemen ist es entscheidend, die Frequenz auf beiden Systemen genau zu kontrollieren. In einem 50-Hz-System liegt der akzeptable Frequenzbereich in der Regel zwischen 48,5 Hz und 51,5 Hz. Diese Art der Vernetzung wird als synchrone Vernetzung oder synchrone Verbindung bezeichnet, da sie eine starre Verbindung zwischen den beiden Wechselstromsystemen herstellt.

Trotz ihrer weiten Verbreitung hat die Wechselstromverbindung einige Einschränkungen, und die Vernetzung von Wechselstromsystemen stößt oft auf folgende Herausforderungen:

• Frequenzstörungsausbreitung: Da die Vernetzung zweier Wechselstromnetze synchron ist, werden Frequenzschwankungen in einem System schnell auf das andere übertragen. Dies kann zu Instabilitäten im vernetzten Netzwerk führen.

• Auswirkungen von Leistungsoszillationen: Leistungsoszillationen in einem Wechselstromsystem können das andere erheblich beeinflussen. Große Leistungsoszillationen können häufiges Auslösen von Schutzgeräten auslösen und potenziell zu schwerwiegenden Fehlern im System führen. In schweren Fällen können solche Fehler zum vollständigen Zusammenbruch des gesamten vernetzten Wechselstromnetzes führen.

• Erhöhte Fehlerpegel: Die Verbindung eines bestehenden Wechselstromsystems zu einem anderen über eine Wechselstromverbindung kann den Fehlerpegel erhöhen. Dies liegt daran, dass die zusätzliche parallele Leitung den äquivalenten Reaktanzwert des vernetzten Systems reduziert. Wenn jedoch beide Wechselstromsysteme an die gleiche Fehlerlinie angeschlossen sind, bleibt der Fehlerpegel jedes einzelnen Systems unberührt.

HVDC (Hochspannungsgleichstrom) Vernetzung

Eine Gleichstromverbindung, oder DC-Verbindung, bietet eine flexiblere Kopplung zwischen den beiden verbundenen Wechselstromsystemen. Im Gegensatz zu HVAC-Verbindungen sind DC-Verbindungen asynchron. Der Ansatz der HVDC-Vernetzung bietet mehrere bemerkenswerte Vorteile:

• Frequenzunabhängigkeit: Die asynchrone Natur des Gleichstromverbindungssystems ermöglicht die Verbindung von Wechselstromnetzen, die entweder mit derselben oder unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht die nahtlose Integration verschiedener Wechselstromsysteme, während jedes System seine eigenen Frequenzstandards beibehalten und unabhängig operieren kann.

• Genaue Leistungsflusskontrolle: HVDC-Verbindungen können die Größe und Richtung des Leistungsflusses durch Anpassen des Feuerwinkels der Umrichter schnell und zuverlässig steuern. Dieses präzise Steuerungssystem erhöht erheblich die transiente Stabilitätsgrenze des vernetzten Systems und gewährleistet eine verlässlichere Stromübertragung.

• Dämpfung von Leistungsoszillationen: Durch Modulation des Leistungsflusses über die Gleichstromverbindung können HVDC-Verbindungen Leistungsoszillationen in den vernetzten Wechselstromnetzen schnell dämpfen. Dies verbessert die Gesamtstabilität des elektrischen Netzes, reduziert das Risiko von Kaskadenausfällen und erhöht die Widerstandsfähigkeit des Systems.

In moderner Zeit werden traditionelle elektrische Netze zunehmend durch Smart Grids ersetzt. Mit Smart-Metern und intelligenten Geräten bieten Smart Grids eine verbesserte Betriebs-effizienz, bessere Lastseitenmanagement und eine verbesserte Gesamtleistung im Vergleich zu ihren konventionellen Gegenstücken.