Under voltage ride through tests on nacelle test benches equipped with a power hardware in the loop setup

• Spannungseinbruchstests auf Gondelprüfständen unter Berücksichtigung eines Power-Hardware-in-the-Loop-Aufbaus

Frehn, Anica Renate; Monti, Antonello (Thesis advisor); Andresen, Björn (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: E.On Energy Research Center 112. Ausgabe der Serie ACS I Automation of Complex Power Systems
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Windenergie ist die führende Energiequelle in Deutschland und daher von großer Bedeutung für einen sicheren und zuverlässigen Netzbetrieb. Um die Versorgungsstabilität zu gewährleisten, ist der Nachweis der Netzkonformität von Windenergieanlagen (WEA) erforderlich. Dieser beinhaltet die Messung der elektrischen Eigenschaften und die Erstellung und Validierung eines WEA-Modells. Die IEC 61400-21-1 definiert die Prüfanforderungen, die in Deutschland durch die FGW TR3 ergänzt werden, um die Einhaltung der Netzanschlussregeln nachzuweisen. Die Messung der elektrischen Eigenschaften wird derzeit an der installierten Anlage im Feld durchgeführt. Aufgrund der Abhängigkeit von den Wetter- und Netzbedingungen kann dieser Ansatz sehr zeit- und kostenaufwendig sein. Außerdem sind einzelne Messungen aufgrund der schwankenden äußeren Bedingungen nicht reproduzierbar. Gondelprüfstände bieten die Möglichkeit die elektrischen Eigenschaften unter Laborbedingungen zu messen und sind geeignet die Feldmessung oder Teile davon zu ersetzen. Netzemulatoren, die in der Regel auf Prüfständen installiert sind, stellen ein künstliches Netz als vollständig regelbare Spannungsquelle dar. Sie bieten eine Vielzahl neuer Einstellmöglichkeiten und definierter Eingangsparameter, die bei den bisherigen auf Spannungsteilern basierenden Prüfverfahren im Feld nicht zur Verfügung stehen. So bieten bereits die heute erhältlichen Netzemulatoren Prüfmöglichkeiten, die über die in den Normen definierten Anforderungen hinausgehen. Als weiterer Bestandteil der Zertifizierung ermöglichen Netzemulatoren die Validierung der WEA Modelle unter bekannten, vordefinierten Eingangsparametern. Dies erhöht die Genauigkeit der Modellvalidierung indem frühere Unsicherheiten, wie z. B. die Netzeigenschaften, die bei Feldmessungen nicht genau bekannt sind, eliminiert werden. Gleichzeitig haben Netzemulatoren einen erhöhten Modellierungsaufwand, da es sich um aktiv geregelte Systeme handelt. Detaillierte Analysen der erforderlichen Modelltiefe zeigen jedoch, dass es ausreichend ist die Impedanznachbildung in der Simulation einzubetten. Der wichtigste wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit ist die Beschreibung der notwendigen Erweiterung der technischen Richtlinien, um die erweiterten Einstellmöglichkeiten, die bereits heutige Netzemulatoren bieten, zu berücksichtigen. Ziel ist es die hohe Qualität der UVRT Vermessung und die Vergleichbarkeit einzelner Messungen zu erhalten. Die vorgeschlagenen Erweiterungen dieser Arbeit sind teilweise bereits in den aktuellen technischen Richtlinien wie der FGW TR3 Rev.26 und der IEC 61400-21-4 aufgenommen. Zudem zeigt diese Arbeit potentielle Ergänzungen der bisherigen Prüfverfahren sowie neue Testmöglichkeiten auf. Dies geschieht hauptsächlich durch experimentelle Untersuchgen am 4 MW-Prüfstand am Center for Wind Power Drives (CWD), ergänzt durch Simulationen. Mithilfe der Netzemulatoren sind neben einer frei einstellbaren Spannung und Frequenz auch die Netzparameter am Anschlusspunkt regelbar. Daher ist erstmals die Untersuchung des UVRT Verhaltens bei unterschiedlichen Netzcharakteristiken möglich. Die WEA verhält sich je nach eingestellten Netzparametern unterschiedlich, was nicht nur die Reproduzierbarkeit der Feldmessung auf dem Prüfstand beeinträchtigt. Vielmehr erschwert es die Vergleichbarkeit einzelner UVRT Vermessungen. Die Gegenüberstellung einer Prüfstandmessung und einer Feldmessung mit einer baugleichen Anlage beweist die Reproduzierbarkeit der Feldmessung auf dem Prüfstand bei identischen Netzparametern. Ergänzend zeigt eine weitere Versuchsreihe, dass bei stark abweichenden Impedanzen zwischen der nach dem Spannungsteilerprinziep arbeitenden Prüfmethode und dem Netzemulator die Übertragbarkeit der Ergebnisse nicht gewährleistet ist. Die Anlage zeigt ein unterschiedliches Verhalten, abhängig von der eingesetzten Prüfmethode. Zusätzlich zur Impedanzemulation ermöglichen Netzemulatoren einen steuerbaren Spannungsübergang während des Spannungseinbruchs. Um Rückschlüsse auf die einzustellenden Parameter für die Momentanspannungen zu gewährleisten, ist die bisherige Beschreibung des Spannungsprofils im UVRTFall auf Basis von Effektivwerten nicht eindeutig. Eine von der Autorin entwickelte und empfohlene Variante auf der Basis von dq0-Komponenten berücksichtigt die Variabilität während der Spannungstransienten und ermöglicht so eine klare Definition des zu erwartenden Spannungsprofils bei UVRT Tests. Dies stellt zudem die Vergleichbarkeit einzelner Tests sicher. Mit der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Energiequellen ändern sich auch die Anforderungen an diese Energiequellen selbst. So zeigen Versuche, dass es, im Gegensatz zu den derzeitigen Anforderungen in den Grid Codes, von Vorteil ist eine bevorzugte Wirkleistungseinspeisung im Fehlerfall zu fordern. Sie bietet eine größere Spannungsstützung in Netzen mit hohen ohmschen Lasten und gewährleistet eine stabile Frequenz in Netzen, die auf erneuerbaren Energiequellen basieren. Es ist daher ratsam, die Fähigkeit der Wirkleistungseinspeisung in Zukunft auch im Fehlerfall zu testen. Zu diesem Zweck bieten Netzemulatoren durch die einstellbare Impedanz am emulierten Netzanschlusspunkt eine einzigartige Testumgebung. Der einstellbare transiente Spannungsübergang ermöglicht zusätzlich Prüfungen mit unterschiedlichen Hüllkurven während des Fehlers. Dadurch kann die Reaktion der WEA auf nahe und ferne Fehler untersucht werden, um die korrekte Reaktion der WEA zur Stabilisierung des beeinträchtigten Energiesystems sicherzustellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen folglich, dass mit Netzemulatoren ausgestattete Prüfstände nicht nur frühere Feldmessungen reproduzieren. Vielmehr ergeben sich aufgrund der einstellbaren Eingangsparameter neue Prüfverfahren, die die Eigenschaften eines zunehmend auf erneuerbaren Energien basierenden Stromnetzes widerspiegeln.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems [616310]