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Abstract (German)

Im Zuge der Energiewende werden zahlreiche Offshore-Windparks vor den Küsten Deutschlands errichtet. Gemäß den Zielen der Bundesregierung soll bis zum Jahr 2030 eine installierte Leistung von 15 GW erreicht werden, so dass diese Anlagen zukünftig ein zentrales Element der Energieversorgung in Deutschland darstellen.

Für die Betreiber der Offshore-Windparks ist die Dimensionierung der Netzinfrastruktur von großer Bedeutung. Hier gilt es, ein Optimum zu finden aus den Errichtungs- und Betriebskosten einerseits und der erzielbaren Einspeisevergütung andererseits. Denn eine zuverlässige und redundante Netzinfrastruktur kann zwar zu höheren Errichtungs- und Betriebskosten führen, aber damit auch zu geringeren monetären Einbußen durch die entgangene Einspeisevergütung im Störungsfall. Demgegenüber hat eine ausschließlich auf Errichtungs- und Betriebskosten hin optimierte Netzinfrastruktur (ohne Redundanzen) die höchsten Einbußen bzgl. entgangener Einspeisevergütung zur Folge. Zwischen beiden Extremfällen liegt die optimale Auslegung der Netzinfrastruktur.

Der realitätsgerechten Zuverlässigkeitsberechnung kommt bei der optimalen Dimensionierung der Netzinfrastruktur von Offshore-Windparks eine Schlüsselrolle zu. Allerdings bilden bestehende Zuverlässigkeitsmodelle nur klassische elektrische Versorgungsnetze hinreichend genau ab.

Für die Berechnung von Offshore-Windparks wichtige Spezifika wie die Ermittlung von Zuverlässigkeitskenngrößen für Einspeisungen, die Berücksichtigung des Ausfallverhaltens der Windenergieanlagen und ihrer Einzelkomponenten, die Leistungsregelung im Störungsfall oder geeignete Wettermodelle finden dagegen keinerlei Berücksichtigung.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Zuverlässigkeitsberechnung um wesentliche Modelle erweitert, um die Spezifika von Offshore-Windparks zu berücksichtigen und damit eine realitätsgerechte Zuverlässigkeitsberechnung für den Offshore-Bereich zu erzielen.

Dazu wurden zunächst der Aufbau und die Betriebsweise von Offshore-Windparks detailliert analysiert und so der Anpassungsbedarf der konventionellen Zuverlässigkeitsmodelle an die Spezifika von Offshore-Windparks ermittelt. Dabei hat sich gezeigt, dass die verfügbaren Modelle den Anforderungen an die Berechnung derartiger Windparks nur bedingt genügen. So haben sich große Unterschiede zur Berechnung „normaler“ Netze offenbart. Aufgrund dieser Unterschiede war eine Zuverlässigkeitsberechnung von Offshore-Windparks mit den klassischen Programmen nicht möglich. Die wesentlichen Defizite liegen hauptsächlich darin, dass die bisherigen klassischen Zuverlässigkeitsprogramme stets die Versorgungsunterbrechung von Verbrauchern berechnen, nicht aber die Unterbrechung der Einspeisung von Erzeugungsanlagen (hier Windenergieanlagen). Dazu ist das Regelungsverhalten der Windenergieanlagen bei Störungen im Netz durch Anpassung der Einspeiseleistung der Windenergieanlagen nicht nachgebildet. Außerdem werden bei den klassischen Modellen die Wetterverhältnisse in keiner Weise berücksichtigt. Darüber hinaus existiert keine geeignete Modellbildung des Ausfallverhaltens der Windenergieanlagen.

Diese Unterschiede führten zur Weiterentwicklung der Zuverlässigkeitsberechnung gemäß den Offshore-Spezifika. Zur Überwindung der Defizite der bisher verfügbaren Modelle und Programme wurden realitätsgerechte Zuverlässigkeitsmodelle für Offshore-Windparks und für Windenergieanlagen entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die klassische Zuverlässigkeitsberechnung um die folgenden vier Module erweitert: Zuverlässigkeitskenngrößen für Einspeisungen, Leistungsregelung der Windenergieanlagen bei Netzausfällen, Zuverlässigkeitsmodell für Windenergieanlagen und Wettermodell.

Abschließend wurden die neu entwickelten und erweiterten Module zuerst anhand eines Beispielnetzes mit den konventionellen Modellen verglichen und so ihre Notwendigkeit und Funktionsfähigkeit gezeigt. Danach wurden sie zur Berechnung von zwei realen Offshore-Windparknetzen sowie deren Modifikationen (z.B. bezüglich der eingesetzten Windenergieanlagenkonzepte und Planungsvarianten) angewendet.

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