Netzanschluss von umrichterbasierter Erzeugung
Motivation
Aufgrund der Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien in der Stromerzeugung erfährt die Struktur der Stromnetze seit einigen Jahren einen Veränderungsprozess. Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen und Speichertechnologien ist praktisch immer auf Umrichter-Technologie angewiesen. In der Vergangenheit war dieser prozentuelle Anteil minimal oder sogar vernachlässigbar. Jedoch treten heute bereits Betriebssituationen auf, in denen durch die Verdrängung der klassisch genutzten Synchrongeneratoren bereits die dynamischen Eigenschaften des Stromnetzes stark beeinflusst sind. Denn im Gegensatz zu konventionellen rotierenden Maschinen hängt das Verhalten der leistungselektronischen Systeme primär von der angewandten Regelungsstrategie ab.
Bewertung von Umrichterregelungen mittels Black-Box Ansatz
In der Praxis existieren eine große Vielfalt unterschiedlicher Regelungsstrategien, wobei es noch offene Fragen über deren Stabilität im Stromnetz gibt. Eine Möglichkeit ist das Nachbilden der positiven (Stabiltäts-) Eigenschaften von Synchrongeneratoren. Diese Regelstrategien werden Grid-Forming bzw. netzbildende Regelungen genannt. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, müssen jedoch auch die Netzbetreiber die Konformität über dieses Verhalten feststellen können. Aufgrund der mangelnden Einsichtbarkeit auf die Regelung und um das geistige Eigentums der Hersteller zu schützen, müssen Prüfmethoden entwickelt werden, welche das Überprüfen der Eigenschaften von außen ermöglichen.
Abbildung 1: Netzseitiger Umrichter mit Grid-Following („netzfolgend“) und Grid-Forming („netzbildende“) Regelungsstrategie
Sicheres Durchfahren von Fehlerfällen und Unterstützung der Netzstabilität
Eine besondere Herausforderung bei Erzeugungsanlagen ist das stabile Durchfahren von Fehlerfällen (e.g. FRT Fähigkeit), wobei bei einem Spannungseinbruch die Erzeugungsanlage nicht nur stabil am Stromnetz bleiben, sondern auch ein netzstützendes Verhalten aufweisen muss. Hierzu stellen neben der transienten Stabilität besonders die Stromlimitierung der Umrichter und das Auftreten von unsymmetrischen Fehlern eine Herausforderung dar. Die neuen Umrichterregelungen müssen auch in der Lage sein Momentanreserve („virtuelle Schwungmasse“) zur Stabilisierung der Netzfrequenz bereit zu stellen.
Abbildung 2: FRT-Profil nichtsynchroner Stromerzeugungsanlagen laut TOR Typ D
Validierung und Testung von netzseitigem Umrichter im Labormaßstab
Zur Validierung des ordnungsgemäßen Verhaltens werden plattformunabhängige Prüf- und Bewertungsverfahren entwickelt, welche in verschiedenen Simulationsumgebungen und Hardware-in-the-Loop (HIL) Plattformen angewendet werden. Hierzu werden Prototypen anhand hochtechnologischen Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Tests geprüft, sowie Tests an kommerziell erhältlichen PV-Wechselrichter durchgeführt. Dies ermöglicht die Basis für zuverlässige Bewertung der geforderten Netzanschlussbedingungen und legt den Grundstein für die stabile Integration von energieeffizienter erneuerbarer Erzeugung.
Abbildung 3: Power Hardware-in-the-Loop Setup für Protypentest
Projekte
