Vorwort
In weiten Teilen der Welt bildet das Rückgrad der Energieversorgung das Drehstrom. In der Vergangenheit war dieses Netz dominiert von starken thermischen Kraftwerken mit großen Synchronmaschinennetzen. Auch die Großverbraucher hatten viele Motoren ( asunchron und synchron) als Last.Die aktuellen Netze ändern sich durch das aufkommen alternativer Energiequellen start zu einem Multiquellennetz. Hier gibt es viele Erzeuger. Dies betrifft im Besonderen alle erneuerbaren Energiequellen. Die aktuelle Normenlage, insbesondere 4110/4120, beschreibt hierbei ein Netzverhalten welches zu einer Netzstabilisierung führen soll.
Von der reinen abstrakten Anforderung herraus, sollte also eine "Energieerzeugereinrichtung" , also ein Umrichter zur Netzeinspeisung,in der Lage sein ein NEtz zu stabilisieren. Wenn man jetz den Gedanken zuende denkt, dann sollte eine "Energieerzeugereinrichtung" im Grenzfall aber auch ein NEtz stellen können.
Leider sind die in der Normenlage beschrieben Maßnamen nicht geeignet, ein Netz zu stellen.
Beim Netzstellen geht es um die prinzipielle Eigenschaft eines Umrichters ein Drehstromnetz zu erzeugen, der Umrichter also die Netzbildung beherrscht. Es wird zuerst auf die allgemeinen Anforderungen aus Normen/Betreibersicht eingegangen. Dann wird versucht mit einfachen Simulationen die optimale Regelungsstrategie zu entwickeln. Zuletzt werden verswchieden Regelungsstrategien genauer untersucht.
Anforderungen
Der Umrichter Umrichter muss die Netzqualität sicher stellen. Dabei müssen die Grenzen des Umrichtes ausgenutzt werden.
Normenlage:
- Netzquaität DIN EN 50160 Anhang A1 vom Februar 2016
- SpannungsQualität in Mittelspannungsnetzen DIN EN 50160 vom Februar 2011
- EMV DIN EN 61000-2-2 vom Februar 2002
- EMV-Drehzahlveränderliche Antriebe: IEC 61800-3 Febr 2017
- Stromrichternorm DIN EN 60146-1-1 vom April 2011
- Anschlussnorm Mittelspannung VDE-AR-N 4120:2015-01
- USV-Norm mit Spannungsdefinition: DIN IEC 62040-3 VDE 0558-530: 2011
- Notmaßnahmen um Netzzusammenbruch zu vermeiden: VDE 4142
- AR 4120 10.2.4.3: Messzeit kleiner 200ms
- AR 4120 10.2.4.3: Messgenauigkeit kleiner 50mHz
- AR 4120 3.1.38: Normbetrieb Netztolerenz 50Hz +- 200mHz
- DIN EN 50160-A1 4.2.1,5.2.1,5.2.1: Normbetrieb Netztolerenz 50Hz +- 100mHz
- DIN EN 50160-A1 4.2.2.1: Normbetrieb Netztolerenz +- 10% / 1Min
- DIN EN 50160-A1 4.2.4,5.2.4,6.2.4: Gegensystem kleiner 2% / 10min
- DIN EN 50160-A1 6.2.5: Höchstspannung: THD kleiner 3% für 10min Mittel
- IEC 61800-3:2017 B.2: THDi in Abhängigkeit vom Kurzschlussverhältnis
Netzstellen aus Normensicht
Der interssante Teile zum Netzstellen erginbt sich aus der Norm 4110/4120 aus dem Kapitel des LVRT. Hier werden sehr detailierte Vorgaben zum Blindstrom für mit und Gegenssytem in Abhängigkeit der Netzspannung gemacht. Auch die Reaktionsgeschwindigkeiten sind vorgegeben.- Blindstrom Mitsystem ergibt sich aus dem Netzspannungseinbruch:
- ⇒ Δi_Grid_pos_q = Δv_Grid_pos * k_pos
- Blindstrom im Gegensystem ergibt sich aus den Spannungen im Gegensystem
- ⇒ i_Grid_neg_d = v_Grid_neg_q * k_neg
- ⇒ i_Grid_neg_q = v_Grid_neg_d * k_neg
Zusätzlich werden nach Norm sehr genaue Vorschriften gemacht, die den Ein- und Austritt des LVRT beschreiben.
Be genauer Betrachtung geht die Norm von einem entscheidenden Einfluss des Blindstromes, also der Steuerblindleistung, aus. Der Verlauf des Wirkstroms wird nur untergeordnet behandelt.
abstrakte Netzsicht
Die Anforderungen an einen Umrichter zum Netzstellen lassen sich zu einem einfachen Theorem zusammenfassen:- Netzspannungsqualität: Spannung und Frequenz
- paralleler Betrieb: ein paralleler Betrieb mehrerer Umrichter oder auch mit Generator oder Landesnetz muss möglich sein
- Die Netzqualität muss unabhängig von der Anschlusskonfiguration (weiches Netz, hartes Netz, Inselbetrieb) sichergestellt werden.
- Kurzschlussunterstützung: der Umrichter muss alles tun um die Netzqualität bei Störungen so schnell wie möglich "wiederzubeleben". Der Umrichter muss dabei immer an seine Grenzen gehen. Bei einem Kurzschluss darf zb die Spannung einbrechen, aber nicht die Frequenz.
- keine Abschaltung: der Umrichter darf unter keinen Umständen mit Fehler abschalten, insbesondere nicht bei Netzstabilisierungsmaßnahmen
- Eine Netzstabilisierung ist erfolgreich, wenn die Netzqualität sichergestellt wurde.
- Bei einem Netzfehler muss der Umrichter immer an die Umrichtergrenzen gehen.
Zusammenfassung allgemeine Grenzwerte
- Der Umrichter hat eine statische und dynamische Stromgrenze. An diese Grenzen soll bei einem Störfall herangefahren werden, ohne diese zu überschreiten. Der Umrichter hat ein statisches Wirk- und Blindleistungslimit. Diese Werte dürfen statisch nicht überschritten werden ( <2% Überschreitung)
- Die statischen Grenzen für den Strom dürfen nur für eine einstellbare Zeit (0.5..10sec) überschritten werden. Die dynamischen Grenzen müssen immer gehalten werden(<10% Überschreitung).
- Die Netzspannungsgrenzwerte liegen statisch bei +-10%. für <20ms können auf Werte von +15% -30% toleriert werden. Zeiten <5ms müssen nicht zwingend berücksichtigt werden.
- Die Netzfrequenzgrenzwerte liegen üblicherweise bei +-100mHz. Die zeitliche Grenze hierzu ist nicht festgelegt. Als Zielwert sollte hier aber <100ms gelten.
- Der Effektivwert der Netzspannung muss bei den Spannungsgrenzen eingehalten werden. Achtung: es gibt 6 Effektivwerte in einem 3-poligen System: uL1, uL2, uL3, L12, L23, uL31. Auch die Berechnung des Effektivwertes ist normativ nicht immer sauber hinterlegt. Im Allgemeinen wird bei Mittelspannungsnetzen der Grundschwingungseffektivwert bemüht.
- Der Strom-THD (hartes Netz) sollte unter 5% liegen. Der Spannungs-THD (weiches Netz) sollte unter 2% liegen
- Querverkopplungsverbot: Bei beiden Modi muss beim Überschreiten des Spannungsgrenzwertes die Wirkleistung beim Sollwert bleiben. Ebenso muss die Blindleistung weiterhin im Sollwert bleiben, wenn der Frequenzsollwert überschritten wurde.
Testcases
Zu jeder Anforderungen gehören auch die dazu passenden Testcases☺.Betriebsarten
(UFdroop) Netzstellen mit Droop: Es wird eine Netzspannung in Abhängigkeit der Sollspannung und aktuellen Blindleistung eingestellt.| UFdroop_1 | $$V_{act} = V_{ref} + k_{droopV} \cdot ( Q_{act} - Q_{ref} )$$ |
| UFdroop_2 | $$f_{act} = f_{ref} + k_{droopF} \cdot (P_{act} - P_{ref} )$$ |
(UFtol) Netzstellen mit Toleranz. Hierbei wird der Leistungssollwert realisiert, solange sich die Spannung oder die Frequenz im Toleranzband befinden
| UFtol_1 | $$ Q_{act} = \begin{cases} Q_{ref} & \text{falls } V_{min}< V_{act}< V_{max}\\ \text{Grenzwert der Blindleistung } & \text{sonst} \end{cases} $$ |
| UFtol_2 | $$ P_{act} = \begin{cases} P_{ref} & \text{falls } f_{min}< f_{act}< f_{max}\\ \text{Grenzwert der Wirkleistung } & \text{sonst} \end{cases} $$ |
Betrieb
| B1 | Parallelbetrieb von mehreren Umrichtern ohne Kommunikation | Die Umrichter am Netz teilen Ihre Wirkleistung entsprechend der eingestellten Sollleistungsvorgaben und der Statik auf. Der statische Fehler ergibt sich dabei nur aufgrund der Messtoleranz |
| B2 | Betrieb am weichen Netz: \( S_k = 1 \cdot S_n \) | siehe allgemeine Grenzwerte |
| B3 | Betrieb am harten Netz: \( S_k = 100 \cdot S_n \) | siehe allgemeine Grenzwerte |
| B4 | Leistungsvorgabe Wirk- und Blindleistung | Die Sollwerte sollten innerhalb von 100ms..2000ms umgesetzt werden |
| B5 | Frequenz- und Spannungsvorgabe | Die Sollwerte sollten innerhalb von 100ms..2000ms umgesetzt werden |
| B6 | Droop/Statik (Spannung über Blindleistung, Frequenz über Wirkleistung) | die Spannung-und Blindleistungsvorgaben sollen über einen Droop kombinierbar sein. Ebenso die Frequenz- und Wirkleistungsvorgaben |
| B7 | Einstellen und Einhalten von Spannungs- und Frequenzgrenzen | Siehe Grenzwerte |
| B8 | Parallelbetrieb an einem Dieselmotor mit Synchrongenerator ohne Dämpferkäfig | Ein Dieselmotor mit einer Leistung PNennDiesel = PNennUmrichter soll mit einer mechanischen Zeitkonstante von <500ms ohne Dämpferkäfig stabil am Umrichter laufen. Der Umrichter läuft dabei im Ufdroop und UFtol |
Störfälle
Die folgenden Störfälle sind als betriebliche Sonderfälle zu betrachten. Diese Fälle müssen vom Umrichter beherrscht werden, ohne das dieser in eine Überspannungs- oder Überstromabschaltung fällt. Sn ist die Umrichternennleistung, Sk die Netzkurzschlussleistung.| S1 | zweiphasiger Betrieb, dritte Phase offen | der Umrichter stellt die Sollwerte von Wirk und Blindleistung ein, Alle drei Phasen bleiben innerhalb der Spannungstoleranz |
| S2 | harter Kurzschluss 2 phasig und 3 phasig (Sk=100*Sn) | der Umrichter geht innerhalb von 10ms an die Stromgrenze. Die Frequenzgrenzwerte werden gehalten |
| S3 | weicher Kurzschluss 2 phasig und 3 phasig ( \( S_k = 1 \cdot S_n \) ) | Der Umrichter hält die Spannungs- und Frequenzgrenzwerte. |
| S4 | Einschalten einer leerlaufenden Asynchronmaschine ( $$ P_{mot} = 2 \cdot S_n) | der Umrichter geht an die Stromgrenze. Die Spannungs- und Frequenztoleranzen müssen erst nach Abklingen des Inrushs gehalten werden |
| S5 | Einschalten eines Trafos( PNennTrafo = 2*Sn) | siehe S4 |
| S6 | Zuschalten des Umrichters auf ein nicht synchronisiertes Netz | Der Umrichter geht an die Stromgrenze. Schwingungen müssen einen klar abklingenden Verlauf haben. Nach <200ms muss der Einschwingvorgang abgeschlossen sein (Restwelligkeit der Wirk- und Blindleistung <5%) |
Überlastfälle
Die Überlastfälle stellen Grenzsituationen das.| L1 | Spannung außerhalb der Limits, Netzbetrieb Sk=3*Sn | Umrichter fährt auf das Blindleistungslimit, Wirkleistung bleibt bei Sollwert (oder 0) |
| L2 | Frequenz außerhalb der Limits, Netzbetrieb Sk=3*Sn | Umrichter fährt auf Wirkleistungslimit, Blindleistung bleibt auf Sollwert (oder 0) |
| L3 | Last (ohmsch) größer als Sn, Schwarzstart | Umrichter erhöht die Spannung bis die Wirkleistungsgrenze des Umrichters erreicht wird. Frequenz ist innerhalb der Toleranz |
| L4 | Last ( Blindleistung) größer als Sn, Schwarzstart | Umrichter erhöht die Spannung bis die Blindleistungsgrenze des Umrichters erreicht wird. Frequenz ist innerhalb der Toleranz |
| L5 | Kombination aus L3 und L4 | Der Umrichter geht an die Stromgrenze. Es wird die “richtige” Ecke der Wirk- und Blindleistung eingestellt |
Hardwaretechnische Vorraussetzungen
Der Umrichter muss bei der Netzbildung die "Standartanforderungen" an ein Netz erfüllen:- Spannungsrippel (THDu) des zu stellenden Netzen
- Stoßkurzschlussstrom des Umrichters in Anlehnung die Kennwerte einer Synchronmaschine
- Dauerkurzschlussstrom des Umrichters in Anlehnung die Kennwerte einer Synchronmaschine
Inselbildung im Leerlauf
Bei einem netzbildenden Umrichter muss im Zweifelsfall von einer Inselbildung ausgegangen werden. Dieser Fall ist der Designfall für die Auslegung des Netzfilters. Als maximale Grenzwert können hier die Spannungsqualitäten nach DIN EN xxx herrangezogen werden. Ein ausreichender Abstand muss aber zu den Grenzwerten gewährleistet werden, da angeschlossene Verbraucher einen zusätzlichen "Spanungsripple" verursachen. Daher sollte im Umricherleerlauf der THDu bei kleiner 2% liegen.Umrichter mit Landesnetz
Der Umrichter muss auch die Stromverzerrungen bei Betrieb im normalen nachweisen. Hier gelten zwar die "alten" Umrirchternormel mit ca 20% THDi, diese können aber für einen netzbildenden Umrichter nicht mehr als Stand der Technik gelten. Hier sollten Werte von kleiner 5% erreicht werden.Spannungsverzerrung im Leerlauf
Hier gibt es Teils sehr drastische Einschränkungen. Um ein NEtz setellen zu können sollte der Spannungsripple im Leerlauf kleiner als 4% sein. Die Normenlage unterscheidet hier stark nach Industrienetzen und öffentlichen Netzen. Ein guter Zielwert für den THDu im Leerlauf ist aber kleiner 3%, da angeschlossenee Geräte immer noch etwas hinzufügen.Harmonische größer 25te
Es gibt zwar normativ hier immer wieder Diskussionen über etwaige Grenzwerte in dem Bereich, aber spätestens wenn der netzbildende Umrichter im Leerlauf die Kabelresonanz anregt wird es sehr ärgerlich. Die Überspannungen die dabei entstehen können durchaus >30% vom Nennwert betragen und können dabei schon Isolationsschäden hervorrufen. Als Hinweis hierzu sollte der Umrichter an der Netzseite immer kapazitiv abgeschlossen sein.Kurzschlussleistung
Hier wird bei Synchronmaschinen in den Stoßkurzschlussstrom und den Dauerkurzschlussstrom unterschieden. Für alle Fehlerbehandlungsmassnahmen ist der Dauerkurzschlussstrom verantworlich. Der Stoßkurzschlussstrom bildet vor allem die Grundlage zur Berechnung der Netzimpedanz bei Oberschwingungsanalysen. Selbsverständlich muss auch der Stoßkurzschlussstrom in die mechanische Dimensionierung Einzug finden.Bei einer Synchronmaschine wird der Stoßkurzschlussstrom vor allem durch die Ständer- und Dämpferstreuungen beeinflusst. Der Dauerkurzschlussstrom ist mehr eine Funktion der Erregerstromfähigkeiten.
Bei Umrichter kann man ebenso diese Unterscheidung ebenso treffen, jedoch sind die physikalischen Grundlagen etwas andere. Hier muss zwischen Klein- und Großsignalverhalten unterschiden werden.
Für die Oberschwingungsanalysen in Netzen muss hier die Streuinduktivitäten des Umrichters, typischeweise Umrichterdrossel plus Trafostreuung, herrangezogen werden. Für die Berechnung von Kurzschlussfällen gibt es aber eine maximale Stromgrenze, hiermit sind die Stromrichterinternen Stromschutzschwellen gemeint, die relevant für die Kurzschlussoperation ist.
Als Umrichterbeispiel kann im Kleinsignalverhalten durchaus eine Impedanz von Faktor 5 bis 10 x der Umrichternennleistung herrangezogen werden. Beim Großsignalverhalten werden aber typischerweise nur Werte von 1.5 bis 2.5 x der Umrichternennleistung erreicht.
Dauerkurzschlussstrom
Die Kurzschlussleistung ist eine gängige Variante um die Impedanz eines Netzes zu beschreiben. Hier wird das Netz gedanklich kurzgeschlossen und der dabei ermittelte Kurzschlussstrom mit der Leerlaufspannung multipliziert. Herraus kommt die Kurzschlussleistung.Eine an das Netz angeschlossene elektrische Maschine hat auch eine Kurzschlussleistung. Selber Versuch wie oben. Alle parallel an einem Punkt angeschlossenen Einspeisungen oder Maschinen bilden zusammen eine Summenkurzschlussleistung die vor allem aufgrund mechanischer Kräfte einen maximalen Grenzwert nicht überschreiten darf.
Ebenso darf aber ein minimaler Grenzwert nicht unterschritten werden, um zusätzliche Verbraucher sicher ins Netz zu bringen.
Üblicherweise sind an die Mittelspannungsnetze aber auch Niederspannungsnetze angeschlossen. Diese werden mit einer klassischen Überstromabsicherung betrieben. Damit diese sicher, lokal und zuverlässig funktioniert ist ebenfalls eine gewisse Mindestkurzschlussleistungs notwendig. Die Regelung des Umrichters hat einen großen Einfluss auf diese Größe.
Stoßkurzschlussstrom
Diese Kurzschlussleistung ist vor allem für eine Harmonischenanalyse notwendig. In der Impedanzwahl ist normalerweise nicht frei. Der absolute Stoßkurzschlussstrom einer Synchronmaschine kann gemessen werden. Bei einem Umrichter kann man diese Impedanz nur über das Kleinsignalverhalten ermiteln.Ableitung der Regelungsstrategie
Die Drehstromnetze sind schon sehr alt. Man kann also davon ausgehen, das es schon vor dem Einsatz von Umrichters auch eine andere Möglichkeiten zum Netzstellen gegeben hat. Auch die ganzen Fehlerbehandlungsmassnahmen sind auf dieses Verhalten abgestimmt, so dass für einen netzbildenden Umrichter dieses Verhalten die Referenz bildet.Der Idealfall: Die Spannungsquelle
Der Idealfall wäre es, wenn bei einem weichen Netz ein Kurzschluss passiert, und auf der anderen Seite niemand etwas merkt. Ein Umrichter muss aulo einen Strom liefern, der diesem einfachen Versuch entspricht. Dazu kann ein einfaches Ersatzschaltbild aus zwei Spannungsquellen und einer Drossel dienen.
- stabilisiertes Netz: Die Spannung, die durch den Umrichter stabilisiert werden soll
- Stromrichter: in diesem einfachen Fall eine konstante Spannungsquelle mit Impedanz Null
- Netz: die Netzspannung, mit einen dreiphasigen 50% Spannungseinbruch
- Netzinduktivität: die Impedanz des Netzes, hier 2x Nennleistung des Netzes
Wer die Simulationen nachvollziehen möchte kann dies unter dem Link 3AC3AC tun. Hier kann nach erfolgter Simulation noch manuell in die Ergebnisse gezoomt werden.
Hier sieht man sehr gut die Sprungantwort des Stromes (mittlere Grafik). Der Blindstrom (untere Grafik) hat als stationären Mittelwert 1[pu]. Zusätzlich ist ein abklingender Gleichanteil auf dem Strom zu sehen. Dieser Gleichanteil klingt mit der Zeitkonstante(150ms) der Netzinduktivität ab.
Leider kann der Versuch als gescheitert betrachtet werden, da der transiente Gleichanteil zu Sättigungseffekten in den Trafos führt. Bei einem NEtzeinbruch "stur" mit einer Spannungsquelle zu arbeiten geht also nicht.
Bleibt das Ärgernis mit dem transienten Gleichanteil. Als einziger Freiheitsgrad in dieser Steuerung bleibt hier nur den Phasenwinkel/Sollfrequenz des Umrichters zu variieren.
Als Variante habe ich hier den Wirkstrom als Zusatzphasenlage [-0.4*Blocks.AC3_Stromrichter.dq_pu.a] auf die Umrichterspannung aufgeschaltet.
Hiermit kann gleich eine Dämpfung des Stromes erreicht werden. Ein Aufschalten des Wirkstromes (D-Achse) auf den Winkel des Stromrichters hat also dämpfende Wirkung. Der Winkel selber kann auch als Spannung in Q-Richtung gesehen werden.
Eine zweite Variante ist den Blindstrom auf den Winkel aufzuschalten [0.4*Blocks.AC3_Stromrichter.dq_pu.b]. Hier zeigt sich die volle Wirkung der Dämpfung.
Die Dämpfung sollte also idealerweise ohne Achsenverkopplung erfolgen.
Da der Blindstrom einen statischen Zusatzwinkel während des Spannungseinbruches verursacht, bekommt auch der Wirkstrom einen statischen Anteil. Eine sehr gute Dämpfung wird auch erreicht, wenn der Wirkstrom als Zusatzsollwert auf die Umrichterspannung (p_vpos_pu) aufgeschlagen wird.
Die hier beobachteten Dämpfungen sind rein objetiv betrachtet reine ohmsche Spannungsabfälle.
Die reale Referenz: die Synchronmaschine
Die reale Referenz ist hier eindeutig die Synchronmaschine. Allerdings muss auch eine Synchronmaschine zum Netzstellen etwas spezieller gebaut werden. Insbesondere die Streuungen im Ständer und im Dämpfer sollten sehr klein sein. Der Erregerumrichter braucht "ordentlich" Stellreserve.
- stabilisiertes Netz: Die Spannung, die stabilisiert werden soll
- Stromrichter: in diesem einfachen Fall eine Synchronmaschine mir realitätsnahen Parametern
- Netz: die Netzspannung, mit einen dreiphasigen 50% Spannungseinbruch
- Netzinduktivität: die Impedanz des Netzes, hier 2x Nennleistung des Netzes
Eine erste Simulation zeigt hier ein sehr identisches Verhalten zu der Simulation mit der Spannungsquelle.
Die Schwingneigung des Systems ist nicht zu übersehen.
Um die Schwingungen zu bedämpfen, kann / sollte man den Ständerwiderstand erhöhen. Der Originalwert ist 0.005[pu]. Der Ständerwiderstand wird auf 0.2[pu] erhöht. Damit wird ein Verhalten analog dem Verhalten der Spannungsquelle mit Aufschaltung des Blindstromes auf den Winkel erreicht.
Damit bleibt als starke Anforderung an die Umrichterregelung einer Dämpfung in direkter Achse.