Stabilitätsanalyse zur Bereitstellung von Momentanreserve am frequenz-starren Übertragungsnetz durch einen mittelspannungsnetzseitigen Verbund virtueller Synchronmaschinen

Werther, Benjamin

Kurzfristige Leistungsschwankungen im Energieversorgungssystem werden durch die im System vorhandene Trägheit gedämpft. Diese erfolgt typischerweise durch die im Verbundnetz vorhandenen rotierenden Massen des angeschlossenen Kraftwerkspark, die über Synchronmaschinen ihre Leistung dem Netz bereitstellen. Diese netzdämpfende Eigenschaft die den Synchronmaschinen prinzipbedingt inne wohnt, wird auch als Momentanreserve bezeichnet. Ein reduzieren des Kraftwerksparks ohne Substitution der Momentanreserve auf anderem Wege, führt zu höheren Frequenzschwankungen und kann zu einer Destabilisierung des Netzes führen. Eine Möglichkeit die notwendige Momentanreserve dezentral bereitzustellen, ist Umrichter mit angeschlossenen elektrochemischen Speichern zu verwenden. Dazu sollte der Umrichter nach dem Konzept einer Virtuellen Synchronmaschine (VISMA) realisiert sein. Das bedeutet, dass der Umrichter in der Form geregelt wird, dass er sich aus Sicht des Netzes wie eine Synchronmaschine, bzw. wie das mathematische Modell einer solchen, verhält. In dieser Arbeit werden zwei in der Literatur wohlbekannte Konzepte, die jeweils ein unterschiedliches Modell zur Nachbildung des Maschinenverhaltens nutzen, vorgestellt. Zu den vorgestellten Modellen wird in dieser Arbeit eine Methode zur Parametrierung vorgestellt, mit der die abstrahierten, virtuellen Synchronmaschinen ein vergleichbares, dynamisches Verhalten aufweisen wie die realen Synchronmaschinen in den Kraftwerkparks. Dadurch können die beiden Konzepte miteinander verglichen und bewertet werden. Dies geschieht zum einem durch Messungen, die an Laboraufbauten vorgenommen wurden, als auch durch Simulationsstudien. Dadurch wird zum einen verifiziert, unter welchen Bedingungen das reale Verhalten auch dem Wunschverhalten entspricht, und zum anderen dienen diese Betrachtungen dem Vergleich der Verfahren untereinander und dem Aufzeigen der Stabilitätsgrenzen des Einzelbetriebes. Anschließend wird aus dem Vergleich der beiden Verfahren dasjenige ausgewählt, dass zur Erbringung von Momentanreserve am starren Netz am günstigsten erscheint. Für dieses werden die weiteren Betrachtungen zur Verbundstabilität durchgeführt. Hier wird geprüft, unter welchen Umständen für einen Verbund von Virtuellen Synchronmaschinen, die an einem starren Netz betrieben werden, die Stabilität garantiert werden kann. Zum Ableiten der Kriterien zur Verbundstabilität wird mit Hilfe eines auf Lyapunov-Funktionen basierten Verfahrens für verschiedene Sonderfälle wie beispielsweise, von N induktiv gekoppelten Maschinen am starren Netz, hinreichende Stabilitätskriterien ermittelt. Ein hervorzuhebendes Merkmal dieser Arbeit ist, dass der überwiegende Teil der Ergebnisse analytisch bestimmt werden. Dazu müssen insbesondere beim Ermitteln der Verbundstabilität, zum Teil großzügige Abschätzungen vorgenommen werden. Jedoch lassen sich hier trotzdem allgemeine Wirkprinzipien, wie der Arbeitspunkt, die Kurzschlussleistung, die Massenträgheit und die Kopplungsimpedanzen des Netzes, welche die Stabilität des Gesamtsystems beeinflussen, nachvollziehen. Zusammengefasst beantwortet die vorliegende Arbeit drei Fragen die bezüglich der Bereitstellung von Momentanreserve durch virtuelle Synchronmaschinen am Verbundnetz auftreten. Erstens, welches Verfahren/Modell ist für diese Anwendung gut geeignet. Zweitens, wie sind die Parameter eines solchen Modells festzulegen, und drittens, wie kann garantiert werden, dass ein Anlagenverbund stabil am Netz arbeitet.

Short-term power fluctuations in the energy system are dampened by the inertia in the system. This is typically done by the rotating masses of the connected power plants in the interconnected network, which provide their power to the network via synchronous machines. This inherent behavior of synchronous machines in which they provide to the grid, is also known as the instantaneous reserve. A massive reducing of conventional power plants without substituting the instantaneous reserve in other ways, leads to higher frequency fluctuations and can also lead to a destabilization of the whole power grid. One possibility to provide the necessary instantaneous reserve, in a decentralized manner, is the virtual synchronous machine (VISMA). With this concept, a converter with a electrochemical storage device, is controlled in such a way that, from the grid point of view, it behaves like a mathematical model of a synchronous machine. In this thesis are presented, two concepts of virtual synchronous machine that are well known in the literature, each using a different mathematical model. For these models a parameterization method is shown, in which is shown a comparable dynamic behavior similar to the desired behavior. In this way the two concepts can be compared directly and to be evaluated. This is carried out by measurements made in the laboratory and also with the simulation studies. On the one hand, this verifies the conditions under which the real behavior corresponds to the desired behavior, and on the other hand, these considerations serve to compare the processes with one another and to show the stability limits of one VISMA system operation on mains. From the comparison of the two methods is selected the model, that appears to be the most favorable for providing instantaneous reserve to the power grid. For this model the following analyses on stability of multiple VISMA systems connected to one grid are carried out. To derive a criteria for the stability of the multiple interconnected systems, a method based on Lyapunov functions is used to determine the sufficient stability criteria for various special cases such as N inductively coupled machines on a rigid grid. An attribute of this thesis that should be emphasized, is that the majority of the results are determined analytically. For this purpose, in particular when determining the stability of the interconnected systems, in some cases an estimation must be made. However, general operating principles such how as the operating point, the short-circuit power, the inertia and the coupling impedances of the network, influence the stability of the overall system, can still be understood here. In summary, the present work answers three questions that arise with regard to the provision of instantaneous reserve by multiple virtual synchronous machines. First, which method /model is best suited for this application. Secondly, how can be parameterized such a model, and thirdly, how can it be guaranteed that a system of multiple virtual synchronous machines will work stable on the grid.

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Werther, Benjamin: Stabilitätsanalyse zur Bereitstellung von Momentanreserve am frequenz-starren Übertragungsnetz durch einen mittelspannungsnetzseitigen Verbund virtueller Synchronmaschinen. Clausthal-Zellerfeld 2022.

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