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Analyse von Energiesystemen: Warum ist digitales Rechnen wichtiger als Simulationsexperimente?
Im Bereich der Energietechnik handelt es sich bei Leistungsflussstudien üblicherweise um numerische Analysen des Flusses elektrischer Energie in miteinander verbundenen Stromsystemen. Bei solchen Studien werden üblicherweise vereinfachte Symbole wie einlinienförmige Diagramme und Systeme pro Einheit verwendet, wobei der Schwerpunkt auf verschiedenen Aspekten der Wechselstromparameter liegt, wie etwa Spannung, Spannungswinkel, Wirkleistung und Blindleistung. Solche Untersuchungen sind nicht nur wichtig, wenn das System normal und stabil funktioniert, sondern sie sind auch ein zentrales Instrument für die Planung künftiger Netzausbauten und den optimalen Betrieb bestehender Systeme.
Zu den wichtigsten Informationen der Leistungsflussstudie gehören die Spannungshöhe und der Phasenwinkel jeder Sammelschiene sowie die Wirkleistung und Blindleistung, die in jeder Leitung fließt.
Da die Energiesysteme immer komplexer wurden, ist die manuelle Berechnung des Energieflusses nicht mehr praktikabel. Daher wurden zwischen 1929 und Anfang 1960 spezielle Datenanalysatoren entwickelt, um physikalische Modelle im Labormaßstab zu liefern. Die Rolle dieser Simulationsexperimente wurde schließlich durch große Digitalcomputer und ihre numerischen Lösungen ersetzt. Heutzutage basieren nicht nur Leistungsflussstudien, sondern auch Kurzschlussfehleranalysen, Stabilitätsstudien (transient und stationär), die Personaleinsatzplanung von Einheiten und Berechnungen zur wirtschaftlichen Einsatzplanung auf Programmen auf der Basis digitaler Computer. Insbesondere verwenden einige Programme die lineare Programmierung, um den optimalen Leistungsfluss zu finden und die niedrigsten Kostenbedingungen pro gelieferter Kilowattstunde zu bestimmen.
Leistungsflussstudien sind besonders wertvoll für Systeme mit mehreren Lastzentren, wie beispielsweise einem Raffineriekomplex. Dabei wird nicht nur analysiert, ob die Systemkapazität ausreicht, um die angeschlossene Last zu versorgen, sondern es hilft uns auch dabei, zu ermitteln, wie die Geräte richtig betrieben werden können, um Verluste zu verringern und die Effizienz zu verbessern. Die Durchführung einer Lastflussstudie kann Erkenntnisse und Optimierungsempfehlungen für den Systembetrieb liefern, mit dem Ziel, die Leistung zu maximieren und gleichzeitig die Betriebskosten zu minimieren.
Durch diese Analysen sind Leistungsflussberechnungen für den optimalen Betrieb der Stromerzeugungsgruppe von entscheidender Bedeutung.
Für den Umgang mit Unsicherheit kann die Lastflussforschung in deterministische Lastflüsse und Lastflüsse unter Berücksichtigung von Unsicherheit unterteilt werden. Deterministische Lastflüsse berücksichtigen nicht die Unsicherheit, die durch die Stromerzeugung und das Lastverhalten verursacht wird. Wenn diese Unsicherheit berücksichtigt werden soll, können Wahrscheinlichkeitstheorie, Möglichkeitstheorie, Informationslücken-Entscheidungstheorie, robuste Optimierung und Intervallanalyse verwendet werden. Mehrere Methoden .
Ein AC-Leistungsflussmodell wird im Bereich der Elektrotechnik häufig zur Analyse von Stromnetzen verwendet. Es stellt ein nichtlineares Gleichungssystem dar, das den Energiefluss entlang jeder Übertragungsleitung beschreibt. Da der Leistungsfluss eine Funktion des Quadrats der Spannung über der Lastimpedanz ist, ist das Problem von Natur aus nichtlinear. Aus diesem Grund ist die Analyse bei großen Netzwerken oft nicht praktikabel, weshalb häufig lineare (aber weniger genaue) Gleichstrom-Leistungsflussmodelle verwendet werden.
In der Praxis wird die Analyse dreiphasiger Stromversorgungssysteme häufig dadurch vereinfacht, dass man davon ausgeht, dass alle drei Phasen gleichmäßig belastet sind. Außerdem wird angenommen, dass alle Strom- und Spannungswellenformen sinusförmig sind und dass es keine vorübergehenden Änderungen aufgrund von Last- oder Erzeugungsänderungen gibt. Unter dieser Annahme ist der Systembetrieb relativ stabil und kann mithilfe einer Zeigeranalyse weiter vereinfacht werden.
Eine weitere Vereinfachung besteht in der Verwendung des Pro-Einheit-Systems, das alle tatsächlichen Werte von Spannung, Leistungsfluss und Impedanz in einen geeigneten Referenzwert umwandelt.
Ziel des Leistungsflussproblems ist es, vollständige Informationen zu Spannungswinkel und -größe für jede Sammelschiene zu erhalten, basierend auf gegebener Last und den tatsächlichen Leistungs- und Spannungsbedingungen der Erzeugung. Wenn diese Informationen verfügbar sind, kann der Fluss der Wirk- und Blindleistung in jedem Zweig analytisch bestimmt werden. Aufgrund der nichtlinearen Natur des Problems sind jedoch numerische Methoden erforderlich, um Lösungen innerhalb akzeptabler Toleranzen zu erhalten.
Das Newton-Verfahren wird häufig zum Lösen der oben genannten nichtlinearen Gleichungen verwendet. Bei diesem Ansatz handelt es sich um eine iterative Technik, die mit einer ersten Schätzung aller unbekannten Variablen beginnt, wie etwa der Spannungshöhe und des Spannungswinkels des Lastbusses und des Spannungswinkels des Erzeugungsbusses. Anschließend wird die Taylor-Erweiterung der funktionalen Bilanzgleichungen durchgeführt und das resultierende lineare Gleichungssystem gelöst. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Abbruchbedingung erfüllt ist und die endgültige Lösung vorliegt.
Der Vorteil digitaler Computer besteht darin, dass sie komplexe Energiesysteme in datengesteuerte Modelle umwandeln können. Dadurch können wir nicht nur schneller Analysen durchführen, sondern auch potenzielle Probleme präziser vorhersagen und rechtzeitig reagieren. Der Einsatz digitaler Technologien in Energiesystemen ist für moderne Energietechniker zweifellos zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. Doch geht mit der zunehmenden Verbreitung digitaler Computer auch das intuitive Verständnis und die praktische Erfahrung verloren, die uns analoge Experimente ermöglichen?
