Plenz, Maik

Die fortlaufenden, regulatorischen Eingriffe der Bundesregierung im Bereich erneuerbarer Energien führen zu einem hohen Anteil an Windkraft und Photovoltaikanlagen im elektrischen Energieversorgungssystem. Neben einer bevorzugten Einspeisung der erneuerbaren Energien erfolgt aktuell und zukünftig ein Rückbau oder die Stilllegung konventioneller Kraftwerke, wie Atom- und Kohlekraftwerke. Als quantitativer Bewertungsparameter zur Abschätzung der potenziellen Konsequenzen wird die Kurzschlussimpedanz verwendet, die aus den Kurzschlussströmen ableitbar ist. Die Kurzschlussimpedanz dient beispielsweise zur Bewertung der Aufnahmekapazität der Netzanschlusspunkte, der Sicherstellung der Versorgungsqualität und der Reduktion der Netzrückwirkungen. Die Impedanz eines Netzverknüpfungspunktes einer Anlage berechnet sich aus Netzkurzschlussleistung und der Netznennspannung. Somit ist die Netzkurzschlussleistung ein wesentlicher Parameter der Netzbewertung, der sich durch die Energiewende verändert. Betrachtet wird in diesem Beitrag der Anfangs-Kurzschlusswechselstrom, der die Grundlage für die rechnerische Größe der Netzkurzschlussleistung ist. Dieser Beitrag analysiert den Einfluss der Veränderung der Kurzschlussströme auf die Niederspannung (NS) unter Verwendung von Referenznetzen der Nieder- und Mittelspannungsebene (MS), szenariobasierten Simulationen und vereinfachten Modellen für erneuerbare Energieanlagen. Gleichzeitig werden bisherige Forschungsergebnisse auf Tendenzen untersucht, die die Veränderungen der Kurzschlussströme und den Einfluss von EE-Anlagen analysieren. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass die Kurzschlussströme trotz der Abschaltung von Großkraftwerken, die bisher durch Synchrongeneratoren den größten Anteil am Netzkurzschlussstrom lieferten, nicht in relevantem Maße abnehmen.

In this work, a frequency-dependent transformer model is derived with the help of a measurement device that determines the frequency response of the grid impedance at an arbitrary point of connection to the power grid. In this case, the measurement device was connected to a 20 kV medium voltage grid of a wind farm. The disconnection and reconnection of the wind turbine’s transformers revealed the impact the open circuit input impedance of the transformers has on the positive sequence component of the grid impedance. First deriving a positive sequence grid model from the measurement without the transformers, later analyzing the impact the transformers have on the grid impedance, allowed the calculation of the positive sequence component of a frequency-dependent open circuit transformer model, which results in the same impact on the overall grid impedance as observed in the measurements.

Optimized grid integration of proton exchange membrane fuel cells in various possible applications requires a suitable protection system. For this reason, this paper examines the transient behavior of a fuel cell stack after an external electrical shortening. In order to show the influence of operating parameters on the short-circuit behavior, various experiments with changed anode and cathode humidity, cell temperature and anode and cathode stoichiometry are carried out. With this, manufacturers can estimate the short-circuit magnitude of their stacks and recommend a suitable plant protection system. It could be shown that the peak short-circuit current depends on the operating point as well as the operating conditions. For the steady-state short-circuit current, the gas stoichiometry has an impact on the deliverable current. For all other operating conditions the steady-state short-circuit current is approximately twice the recommended maximum operating current. Furthermore, a method to estimate the effective fuel cell stack capacity out of the transient short-circuit current is presented.

The reduction of greenhouse gas and pollutant emissions is a major issue in modern society. Therefore, environmentally friendly technologies like fuel cells should replace conventional energy generation plants. Today, fuel cells are used in households for CHP (combined heat and power) applications, for emergency power supply in many stationary applications and for the power supply of cars, buses and ships and emergency power supply of aircrafts. A significant challenge is the optimal electrical grid integration and selection of the appropriate grid protection mechanism for fuel cell applications. For this, the short circuit capability and behavior needs to be known. This paper gives a mathematical estimation of the short circuit behavior of fuel cells. Five main transient and dynamic phenomena are investigated. The impact of the main transient effect for the provision of additional short circuit energy is simulated, and the simulation is experimentally validated. For this purpose, a 25 cm2 single cell consisting of a NafionTM 212 membrane and carbon cloth electrodes with a catalyst loading of 0.5 mg/cm2 Pt is analyzed. The magnitude of the transient short circuit current depends on the operating point right before the short circuit occurs, whereas the stationary short circuit current of fuel cells is invariably about twice the operational current. Based on these results, a novel fuel cell model for the estimation of the short circuit behavior is proposed.