Energiewende International - Netzstabilität der Zukunft - Dena
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Verbundvorhaben: „Netzregelung 2.0“ Energiewende International – Netzstabilität der Zukunft Dr. Thomas Degner mit Beiträgen von Dr. Philipp Strauß, Maria Nuschke, Luis Pabon und Peter Unruh Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE Königstor 59 | 34119 Kassel
Trend zur Stromrichterdominanz Summenleistung der Stromrichter wächst SR-Regler bestimmen Systemdynamik Zeitweise regional bis 100% Stromrichter Last zunehmend stromrichtergekoppelt Zunehmend leistungselekronische Netzbetriebsmittel 2050 (a): Umweltbundesamt 2010 (b): Fraunhofer IEE Barometer 2019 Slide -2-
Umrichter ersetzen Synchronmaschinen Synchronmaschinen werden zunehmend aus dem Verbundnetz verdrängt. Synchronmaschinen haben heute eine wichtige Rolle: Turbosatz: Dampfturbine mit Spannungsregelung Synchrongenerator, Quelle: Siemens Blindleistungsbereitstellung Frequenzregelung Inhärente Trägheit (rotierende Masse) Netzdynamik / Stabilität Netzschutz… PV-Wechselrichter, Quelle: SMA Slide -3-
Neue Aufgaben und Anforderungen an Stromrichter Netzbildend (Spannungsquelle) Dämpfung von sub- und supersynchronen Schwingungen Bereitstellung von Trägheit / Momentanregelreserve Bereitstellung von schneller Frequenzhaltungsreserve Integration in Systemschutzpläne Beiträge zum Netzwiederaufbau Beiträge zum Netzschutz Slide -4-
Fähigkeiten netzbildender Stromrichter Bereitstellung einer Spannungsquelle Beiträge zum Kurzschlussstrom Beitrag zur Systemträgheit (Momentanregelreserve) Im Fall von Netzauftrennungen: Begrenzung von Frequenzänderungsraten. Lastabwurfschemata haben Zeit wirksam zu werden Senke für Harmonische und Zwischenharmonische der Systemspannung Verringerung von Spannungsunsymmetrien Vermeidung unerwünschter Wechselwirkungen von Stromrichterregelungen Report: „High Penetration of Power Electronic Interfaced Power Sources and the Potential Contribution of Grid Forming Converters” by the ENTSO-E TG on High Penetration, 2020 Slide -5-
Verbundvorhaben Netzregelung 2.0 - Projektziele Regelung und Stabilität im Stromrichter-dominierten Verbundnetz Nachweis, dass das elektrische Verbundsystem auch mit sehr hohen Stromrichteranteilen durch geeignete = Regelungsverfahren stabil betrieben werden kann ~ Stabilitätsnachweis auch für elektrisch getrennte Teile während „System Split“ Vorbereitung einer konkreten Umsetzung der Ergebnisse im deutschen Teil des kontinentaleuropäischen Verbundnetzes Slide -6-
Netzregelung 2.0 / Interessenlage Slide -7-
Forschungsfragen des Projekts (A) Stabiler Betrieb der Strom- (B) Räumliche Verteilung (C) Vermeidung ungewollter richter im Verbundnetz Inselnetze Unter welchen Bedingungen und Gibt es Anforderungen an die Besteht ein Zielkonflikt zwischen den mit welchen Regelungsverfahren räumliche Verteilung netzbildenden Eigenschaften können Stromrichter unter stromrichtergekoppelter Anlagen? spannungseinprägender Erzeugungs- Einhaltung ihrer Stromgrenzen anlagen und der Anforderung auf stabil am Verbundnetz betrieben Vermeidung ungewollter Inselnetze im werden? Verteilnetz und wie ist dieser ggf. zu lösen? Slide -8-
Forschungsfragen des Projekts UG Ui (D) Technologien zur Bereit- E) Maximaler Anteil an F) Spezifikation spannungs- stellung von Momentan- Stromrichtern einprägender Stromrichter reserve Wie sind spannungseinprägende Wie sieht die Stabilität bei Stromrichter aus Systemsicht zu Welche Technologien eignen sich spezifizieren? unterschiedlichen Anteilen an zur systemkompatiblen Synchrongeneratoren aus? Bereitstellung von G) Prüfverfahren positiver und negativer Gibt es einen Minimalanteil an Synchrongeneratoren? Wie können spannungs- Momentanreserve? einprägende Stromrichter geprüft werden? Slide -9-
Neue Aufgaben und Anforderungen an Stromrichter Netzbildend (Spannungsquelle) Dämpfung von sub- und supersynchronen Schwingungen Bereitstellung von Momentanregelreserve Bereitstellung von schneller Frequenzhaltungsreserve Integration in Systemschutzpläne Beiträge zum Netzschutz und zum Netzwiederaufbau Slide -10-
Träger Spannungszeiger des SR begründet elektrische Trägheit
Beispiel für eine netzbildende Stromrichterregelung: Selfsync+TM (Fraunhofer 2017)
Robuste spannungseinprägende Regelung LPV – linear parameter-varying control – Method for synthesizing inverter controllers
Neue Aufgaben und Anforderungen an Stromrichter Netzbildend (Spannungsquelle) Dämpfung von sub- und supersynchronen Schwingungen Bereitstellung von Momentanregelreserve Bereitstellung von schneller Frequenzhaltungsreserve Integration in Systemschutzpläne Beiträge zum Netzschutz und zum Netzwiederaufbau Slide -14-
Schnelle Regelreserve ?? ?? Momentanregelreserve & schnelle Primär-Regelung < 1ms Ergänzung der Regelleistungsreserve: Die anfängliche Leistungsdifferenz wird durch Momentanreserve und schnelle Primärregelleistungsreserve ausgeglichen, bevor die Primärregelleistungsreserve wirksam wird. Slide -15-
Fallstudie: Netzauftrennung Benchmark System der deutschen ÜNB für Netzauftrennungen bei hohem Stromrichteranteil [4] Last wird tendenziell durch entfernte, große Umrichterparks versorgt Abnehmender Anteil von Synchrongeneratoren Netzauftrennung im Überfrequenzfall: 40% Leistungs-Überschuss Überfrequenz-Abregelung der Stromrichter (LFSM-O) [4] K. Vennemann et al., “Systemic Issues of Converter-based Generation and Transmission Equipment in Power Systems”, Wind Integration Workshop, vol.17., Stockholm, Sweden, 2017 [5] (Figure) M.Nuschke et al., „Power system stability analysis for system-split situations with increasing shares of inverter based generation“, NEIS Conference, Hamburg, 2019 Slide -16-
Stromeinprägende vs. spannungseinprägende Regelung max. 60 % SR möglich (*) Synchrone Erzeugung 1.03 Ratiowird (SYM) 10% geringer. Frequency in p.u. Stromein- Ratio 20% Stromrichterleistung Grid-supporting Maximum Grid-supportingMaximale share of grid-supporting Durchdringung stromeinprägender 1.02 Ratiokonstant bleibt 30% prägend invertersabhängig Stromrichter dependsvon on parameters, Parametrierung 1.01 RatioAnteil Ratio: 40%der geregelte inverters inverters zwischen 20%20% between und 60%. and 60%. Stromrichter Ratio 50%(SR) an Stromrichter 1 Gesamterzeugung Ratio 60% Netzauftrennung 0.99 0 5 10 15 20 25 30 bei t=1s Time in s Ratio 10% 100 % SR möglich (*) ab 70%: Simulation 1.03 Ratio 20% konvergiert nicht Spannungs- Spannungseinprägende geregelte Strom- Frequency in p.u. Ratio 30% 1.02 Ratio 40% einprägend richter führen zu einem gedämpften Grid-supporting Ratio 50% geregelte Frequenzverhalten. 1.01 nimmt ab Ratio 60% Ratio 10% inverters Ratio 70% Stromrichter 100% Durchdringung aus Sicht der 1.03 1 ist konstant Ratio 80% Ratio 20% Frequenzstabilität im Testsystem machbar. Frequency in p.u. nimmt mit Ratio ab Ratio 90% 0.99 Ratio 100% Ratio 30% 0 5 10 15 20 25 30 1.02 100 % SR möglich Time in s Ratio 10% Ratio 40% 1.03 Ratio 20% Ratio 50% Frequency in p.u. Ratio 30% Spannungs- Kompensation fehlender Massenträgheit Ratio 40% Grid-supporting 1.01 1.02 Ratio 60% einprägend durch angepasste Parametrierung möglich. Ratio 50% geregelte 1.01 nimmt ab Ratio 60% Ratio 70% inverters Trägheitsmoment im System für alle wird erhöht Ratio 70% Stromrichter Durchdringungen gleich. 1 1 Ratio 80% Ratio 80% bleibt konstant 0.99 Ratio 90% Ratio 90% Ratio 100% 0.99 0 5 10 15 20 25 30 Ratio 100% 0 5 10 15 Time in20 s 25 30 17 Time in s
Neue Aufgaben und Anforderungen an Stromrichter Netzbildend (Spannungsquelle) Dämpfung von sub- und supersynchronen Schwingungen Bereitstellung von Momentanregelreserve Bereitstellung von schneller Frequenzhaltungsreserve Integration in Systemschutzpläne Beiträge zum Netzschutz und zum Netzwiederaufbau Slide -18-
Verbesserung der Langzeit-Spannungsstabilität
Neuer Spannungsregler vermeidet Kollaps/erhöht Stromtragfähigkeit des Systems
Netzstabilität der Zukunft Thema hat international große Bedeutung Bsp.: Einführung neuer Stabilitätskategorien für stromrichterdominierte Systeme Quelle: IEEE PES-TR77, April 2020 Slide -21-
Literatur A. Engler, „Device for parallel operation of equal range single-phase or three-phase voltage sources”, European Patent EP1286444B1, 2001 P. Unruh and T. Gühna, “Distributed grid-forming inverters in power grids”, PV Integration Workshop 2017 K. Vennemann et al., “Systemic Issues of Converter-based Generation and Transmission Equipment in Power Systems”, Wind Integration Workshop, vol.17., Stockholm, Sweden, 2017 M. Nuschke et.al., „Power system stability analysis for system-split situations with increasing shares of inverter based generation“, NEIS conference 19.09.2019 in Hamburg L. D. Pabon, T. Van Cutsem, "Power Factor improvement by active distribution networks during voltage emergency situations," accepted for publication, IEEE PSCC2020 – XXI Power Systems Computation Conference, June 2020. L. D. Pabon, T. Van Cutsem, "Emergency support of transmission voltages by active distribution networks: a non-intrusive scheme," unpublished, under review process in IEEE Transactions on Power Systems.… Slide -22-
Konsortium Netzregelung 2.0 Budget: ca. 10.5 Mio. € Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft Laufzeit: 12/2017-11/2021 und Energie unter den Förderkennzeichen Koordination: Fraunhofer IEE 0350023A-G gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren Dr. Philipp Strauß, Dr. Thomas Degner und spiegelt nicht notwendigerweise die Meinung des netzregelung-2.0@iee.fraunhofer.de Projektkonsortiums Netzregelung 2.0 wider. Slide -23-
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