Netzbildende Wechselrichter finden ihren Platz in großen Netzen: Können sie halten, was sie sagen?

Bis vor Kurzem waren die praktischen Anwendungen von netzbildenden (GFM) Wechselrichtern auf Mikro- und Inselnetze sowie auf kleinere Netzanwendungen in der Größenordnung von einigen zehn Megawatt beschränkt.

In den letzten 12 Monaten hat sich die Landschaft rasant verändert, und weltweit wurden mehr als zehn Projekte in der Größenordnung von mehreren hundert Megawatt für Großenergiesystemanwendungen entwickelt.

Allerdings ist diese Technologie bei ihrer Anwendung im Megamaßstab noch nicht gut verstanden. Dies wird in Zukunft noch wichtiger, wenn es möglicherweise die Rolle übernehmen wird, die Synchrongeneratoren seit mehreren Jahrzehnten als Arbeitstier zur Unterstützung der Systemstabilität übernehmen.

Ziel dieses Blogbeitrags ist es, eine Zusammenfassung der bekannten Fähigkeiten, Einschränkungen und Überlegungen von GFM aus Sicht der Modellierung und technischen Leistung von Energiesystemen bereitzustellen, wobei der Schwerpunkt auf Netzverbindungsstudien sowie der Planung und dem Betrieb von Energiesystemen liegt.

Zusätzlich zur herkömmlichen Phasor-Domain-Transient-Modellierung (PDT) wird die Modellierung elektromagnetischer Transienten (EMT) für die dynamische Analyse von Energiesystemen in Szenarien mit einem hohen Anteil an wechselrichterbasierten Ressourcen (IBRs) immer wichtiger.

Sowohl EMT- als auch PDT-Modelle können in Form von projektspezifischen Modellen (mit standortspezifischen Steuerungssystemparametern des Wechselrichters) oder generischen Modellen vorliegen. Jedes der EMT- und PDT-Modelle und wiederum die projektspezifischen und generischen Modelle haben bestimmte Anwendungen und Einschränkungen, die ihren komplementären Einsatz bei der Planung und dem Betrieb von Energiesystemen sowie bei Netzverbindungsstudien rechtfertigen.

Dies gilt sowohl für die netzfolgenden Wechselrichter (GFL) als auch für die GFM-Wechselrichter. Dies liegt daran, dass die Regelungsstruktur beider Wechselrichtertypen sehr ähnlich ist und unterschiedliche Regelungsziele aufweist.

Zu den häufigsten Missverständnissen im Zusammenhang mit der GFM-Modellierung gehören:

– Die Ansicht, dass die PDT-Modellierung nur begrenzte oder keine Anwendung für GFM hat, da diese Technologie in erster Linie für Szenarien mit hohem IBR mit sehr wenigen oder keinen aktiven Synchrongeneratoren gedacht ist, was zur offensichtlichen Wahl der EMT-Modellierung führt.

– Auf der anderen Seite des Spektrums die Auffassung, dass, da GFM-IBRs normalerweise mehrere Eigenschaften einer Synchronmaschine emulieren, die PDT-Modellierung wie schon immer für Synchronmaschinen ausreichend wäre.

Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass EMT-Modelle, die von Originalgeräteherstellern (OEMs) für Netzanschlussstudien bereitgestellt werden, oft robust und genau sind und in der Regel eine getreue Darstellung des tatsächlichen Wechselrichter-Steuerungscodes darstellen.

Für PDT-GFM-Modelle wurden unterschiedliche Robustheits- und Genauigkeitsgrade beobachtet. Dies liegt daran, dass die Entwicklung von PDT-Modellen die Anwendung vereinfachender Annahmen und die manuelle Entwicklung erfordert, was länger dauert, um das Modell zu entwickeln, abzustimmen, zu verifizieren und zu reifen.

Allerdings bieten PDT-Modelle von GFM einiger OEMs eine vergleichbare Robustheit und Genauigkeit wie die besten projektspezifischen Modelle von GFL. Das Benchmarking der EMT- und PDT-Modelle bietet die Möglichkeit, potenzielle Kinderkrankheiten in den PDT-Modellen zu verstehen und anzugehen.

Es ist jedoch Vorsicht geboten, da PDT-Tools möglicherweise nicht in der Lage sind, unter allen möglichen Betriebsbedingungen, z. B. bei Bedingungen mit geringer Systemfestigkeit, die gleiche dynamische Leistung wie ein EMT-Modell zu erzielen.

Der Bedarf an anbieterspezifischen, projektspezifischen GFM-Modellen für Netzverbindungsstudien ist klar. Dies ermöglicht eine genaue Bewertung des positiven Beitrags dieser Technologie zum gesamten Energiesystem, einschließlich der Bereitstellung ausreichender Systemstärke für den stabilen Betrieb nahegelegener GFL-IBRs.

Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der projektspezifischen Modelle die Bewertung und Bewältigung potenzieller nachteiliger Wechselwirkungen des Kontrollsystems mit anderen GFM- und GFL-IBRs im Netzwerk. GFM-Wechselrichter können weiterhin mit anderen Wechselrichtern mit ähnlicher Regelbandbreite interagieren.

Schließlich haben verschiedene OEMs unterschiedliche GFM-Steuerungsphilosophien implementiert; Derzeit sind kommerzielle Produkte erhältlich, die auf virtuellen Synchrongeneratoren/-maschinen, Statik und synchroner Leistungssteuerung basieren. Innerhalb jeder dieser Kategorien gibt es mehrere Kombinationen und Permutationen. Daher ist es nicht ratsam, generische Modelle für Netzverbindungsstudien zu verwenden.

Was für Studien zur Netzverbindung am besten ist, unterscheidet sich jedoch von dem, was für die langfristige Planung am besten ist. Angesichts der Tatsache, dass innerhalb des Planungszeitraums von mehreren Jahren eine schnelle Technologieentwicklung stattfinden kann, besteht häufig Unsicherheit über die genaue Art und Marke der künftig anzuschließenden Generation. Dies macht die Verwendung standortspezifischer, herstellerspezifischer dynamischer Modelle für langfristige Planungsstudien unpraktisch.

Die Verwendung der generischen EMT- und PDT-Modelle ist daher der praktischste Ansatz. Die zunehmende Verbreitung von IBR und das Auftreten neuer Instabilitätsphänomene weltweit bedeuten, dass die EMT-Modellierung zusätzlich zu den häufig verwendeten PDT-Modellen eine Schlüsselrolle spielen muss.

IBRs und insbesondere GFM können auf unterschiedliche Weise gesteuert werden und weisen im Gegensatz zu Synchronmaschinen nur sehr wenige inhärente Eigenschaften auf. Zu den bemerkenswerten Unterschieden zwischen einem GFM IBR und einer Synchronmaschine gehören:

– Steuerbare und einstellbare Reaktion des GFM IBR im Gegensatz zu einer festen Reaktion der Synchronmaschine. Beispielsweise kann die von einem GFM IBR bereitgestellte virtuelle Trägheit auf die Anforderungen des Stromnetzes zugeschnitten werden, an das sie angeschlossen ist, und in einem weiten Bereich variieren.

– Im Gegensatz zu einer Synchronmaschine, bei der die meisten Funktionen größtenteils als inhärente Funktionen bereitgestellt werden, ohne dass die Möglichkeit besteht, welche hinzuzufügen oder zu entfernen, kann ein GFM IBR je nach Systemanforderungen und der Priorität der erforderlichen Dienste einige oder alle seiner möglichen Netzunterstützungsfunktionen bereitstellen .

– Typischerweise hat ein GFM-IBR eine kürzere Bau- und Inbetriebnahmezeit, ein wichtiger Faktor, wenn die beabsichtigte Anwendung darin besteht, die Stabilität von GFL-IBRs in der Nähe zu erhöhen.

Trotz dieser Flexibilität sind sowohl die GFM- als auch die GFL-IBRs strombegrenzte Geräte, was bedeutet, dass sie nicht gleichzeitig einen optimalen Beitrag zu mehreren Eigenschaften des Stromversorgungssystems leisten können.

Abbildung 1 zeigt, wie der gesamte im GFM verfügbare Strom auf verschiedene Netzstützungsleistungen aufgeteilt werden kann, wobei es sich bei den grün dargestellten Aspekten in der Regel um Standardbeiträge handelt, die auch von der GFL bereitgestellt werden können.

Die richtige Priorisierung dieser Funktionen sollte in Abhängigkeit von den Anforderungen des umgebenden Energiesystems in Betracht gezogen werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass der höchstmögliche Beitrag zu einem bestimmten Attribut nicht immer die wünschenswerteste Reaktion ist. Praktische Erfahrungen zeigen beispielsweise, dass die Bereitstellung einer hohen Trägheit unter Bedingungen geringer Systemfestigkeit die Systemspannungen negativ beeinflussen könnte.

Die zunehmende Verbreitung von GFM-IBRs und die Flexibilität, mehrere Netzunterstützungsfunktionen bereitzustellen, werden dazu führen, dass das Gesamtstromsystem und die technischen Anforderungen an die Leistung einzelner Generatoren zunehmend miteinander verflochten sind.

Wenn daher eine bestimmte Fähigkeit vom GFM IBR angestrebt wird, ist es zunächst wichtig, diese Fähigkeit zu bestimmen, damit den OEMs hohe funktionale Anforderungen bereitgestellt werden können.

Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, festzustellen, ob diese Funktionen von Natur aus ohne zusätzliche Entwicklungskosten bereitgestellt werden oder ob erhebliche Änderungen der Originalausrüstung erforderlich sind, um die erforderlichen Systemdienste bereitzustellen.

Beispielsweise wird die Bereitstellung von zusätzlichem Fehlerstrom mit zusätzlichen Kosten verbunden sein, und es ist nicht klar, in welchem ​​Umfang dieser im zukünftigen Stromsystem mit sehr geringer oder keiner synchronen Erzeugung erforderlich sein wird. Empfohlene Schwerpunktbereiche

Im Folgenden werden Schwerpunktbereiche für die zukünftige Entwicklung aus der Perspektive der Energiesystemmodellierung und technischen Leistungsbewertung vorgeschlagen:

– Verbesserte EMT- und PDT-Modelle sowohl der projektspezifischen als auch der generischen GFM-Steuerungen zur Verwendung bei der Planung und dem Betrieb von Energiesystemen sowie bei Netzverbindungsstudien.

– Maßgeschneiderte technische Standards für Generatoren und Stromversorgungssysteme, die die Unterschiede zwischen GFL- und GFM-IBRs und Synchronmaschinen berücksichtigen, anstatt bestehende Anforderungen zu übernehmen, die hauptsächlich für Synchronmaschinen und GFL-IBRs entwickelt wurden.

– Systematischere Prozesse für Modellabnahmetests, Konformitätsbewertung (einschließlich Optimierung) und Modellvalidierung unter Berücksichtigung der hochgradig interaktiven Reaktion des GFM IBR mit dem breiteren Energiesystem.

– Vorausschauende Studien zur Dynamik des Energiesystems, um den zukünftigen Bedarf des Energiesystems und den erforderlichen Erzeugungsmix zu ermitteln. Dazu gehört die Beantwortung folgender Fragen:

Babak Badrzadeh ist technischer Leiter für Energiesysteme bei Aurecon

Bei diesem Artikel handelt es sich um einen Blogbeitrag der Energy Systems Integration Group (ESIG). ESIG ist eine gemeinnützige Organisation, die das Fachwissen der technischen Gemeinschaft der Elektrizitätsindustrie bündelt, um die Netztransformation sowie die Integration und den Betrieb von Energiesystemen zu unterstützen. Weitere Informationen finden Sie unter https://www.esig.energy