Klassifizierung von Kraftwerksbussen

Definition und Klassifizierung von Bussen in Stromnetzen

In einem Stromnetz wird ein Bus als Verbindungspunkt definiert, der in der Regel durch eine vertikale Linie dargestellt wird, an dem verschiedene Systemkomponenten wie Generatoren, Lasten und Leitungen miteinander verbunden sind. Jeder Bus in einem Stromnetz wird durch vier wesentliche elektrische Größen charakterisiert: die Spannungsmagnitude, der Phasenwinkel der Spannung, die aktive Leistung (auch Wirkleistung genannt) und die reaktive Leistung. Diese Größen spielen eine entscheidende Rolle bei der Analyse und dem Verständnis des Verhaltens und der Leistungsfähigkeit des Stromnetzes.

Während der Lastflussuntersuchungen, die darauf abzielen, die stationären Betriebsbedingungen eines Stromnetzes zu analysieren, sind von den vier Größen, die mit jedem Bus verbunden sind, zwei bekannt, und die verbleibenden zwei müssen bestimmt werden. Basierend auf den spezifizierten Größen können Busse in drei unterschiedliche Kategorien unterteilt werden: Erzeugerbusse, Lastbusse und Schlussbusse. Diese Klassifizierung hilft dabei, die Lastflussgleichungen zu formulieren und zu lösen, was Ingenieuren ermöglicht, die Betriebsweise des Stromnetzes effektiv zu analysieren, die Stromerzeugung und -verteilung zu planen und die Gesamtstabilität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes sicherzustellen.

Die unten gezeigte Tabelle zeigt die Arten von Bussen und die zugehörigen bekannten und unbekannten Werte.

Erzeugerbus (Spannungsregelbus oder P-V-Bus)

Der Erzeugerbus, oft auch als P-V-Bus bezeichnet, ist ein wesentlicher Bestandteil der Stromnetzanalyse. Bei diesem Typ von Bus sind zwei Parameter vorgegeben: die Spannungsmagnitude, die mit der erzeugten Spannung übereinstimmt, und die aktive Leistung (Wirkleistung) P, die dem Nennwert des Generators entspricht. Um die Spannungsmagnitude auf einen konstanten, vorgegebenen Wert zu halten, wird nach Bedarf reaktive Leistung in das System eingespeist. Daher sind die Erzeugung der reaktiven Leistung Q und der Phasenwinkel δ der Spannung am P-V-Bus die Unbekannten, die durch Stromnetzanalysealgorithmen berechnet werden müssen. Dieser Prozess ist entscheidend für die Stabilität und ordnungsgemäße Funktion des Stromnetzes, da eine konstante Spannung für eine zuverlässige Energieversorgung unerlässlich ist.

Lastbus (P-Q-Bus)

Der Lastbus, auch als P-Q-Bus bekannt, dient als Verbindungspunkt, an dem sowohl aktive als auch reaktive Leistung aus dem elektrischen Netzwerk entnommen oder eingeführt werden. Im Rahmen von Lastflussuntersuchungen werden an diesem Bus die Werte der aktiven Leistung P und der reaktiven Leistung Q basierend auf den Eigenschaften der angeschlossenen Lasten vorgegeben. Die Hauptunbekannten hier sind die Magnitude und der Phasenwinkel der Spannung. Obwohl die Spannung am Lastbus innerhalb eines tolerierbaren Bereichs, in der Regel um 5%, variieren darf, ist es wichtig, sie innerhalb dieser Grenzen zu halten, um die ordnungsgemäße Funktion der angeschlossenen elektrischen Geräte zu gewährleisten. Für Lasten ist der Phasenwinkel δ der Spannung im Vergleich zur Spannungsmagnitude weniger kritisch, da die meisten elektrischen Geräte so konstruiert sind, dass sie innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs effektiv arbeiten.

Schluss-, Schwinger- oder Referenzbus

Der Schlussbus spielt eine einzigartige und wesentliche Rolle in Stromnetzen. Im Gegensatz zu anderen Bussen beliefert er keine physische Last direkt. Stattdessen fungiert er als Energiereservoir, das in der Lage ist, sowohl aktive als auch reaktive Leistung in das Stromnetz einzuspeisen oder daraus abzuziehen, je nach Bedarf. In der Lastflussanalyse sind die Magnitude und der Phasenwinkel der Spannung am Schlussbus vordefiniert. Konventionell wird der Phasenwinkel der Spannung an diesem Bus auf Null gesetzt, wodurch er zum Referenzpunkt für das gesamte Stromnetz wird. Die Werte der aktiven und reaktiven Leistung für den Schlussbus werden während der Lösung der Lastflussgleichungen bestimmt.

Das Konzept des Schlussbusses entsteht aus den praktischen Herausforderungen der Lastflussberechnungen. Da die I²R-Verluste innerhalb des Stromnetzes nicht vorher genau vorhergesagt werden können, ist es unmöglich, die insgesamt eingespeiste Leistung an jedem einzelnen Bus präzise zu spezifizieren. Durch die Festlegung eines Schlussbusses können Ingenieure die Leistungsgleichungen über das gesamte System hinweg ausbalancieren, wodurch sichergestellt wird, dass die gesamten Lastflussberechnungen konsistent und akkurat sind. Die Null-Phasenwinkel-Konvention am Schlussbus vereinfacht die mathematische Modellierung und Analyse des Stromnetzes und erleichtert ein einfacheres Verständnis der elektrischen Beziehungen und der Leistungsaustauschprozesse im Netz.