A Grid-Forming Control Concept from Power System Perspective

Beschreibung

Die weltweit zunehmende Anzahl von Umrichtern in elektrischen Netzen, erfordert eine Übernahme von Systemdienstleistungen durch diese , die traditionell von Synchronmaschinen erbracht werden. Während die meisten Umrichter netzfolgend arbeiten, erfordert die Vision eines zu 100 % auf erneuerbaren Energien (EE) basierenden Systems die Fähigkeit die Netzspannung und somit die Netzfrequenz ausschließlich mit Umrichtern zu bilden. Dies hat zur Entwicklung verschiedener netzbildender Regelungskonzepte geführt, die die Dynamik und Flexibilität Leistungselektronischer Komponenten mit den stabilisierenden Eigenschaften von Synchronmaschinen vereinen. Die Herausforderung bleibt jedoch, robuste netzbildende Regelungen zu entwickeln und die Interoperabilität unterschiedlicher Anlagen auch unter kritischen Netzbedingungen sicherzustellen. Diese Arbeit stellt in drei Entwicklungsphasen ein neues netzbildendes Regelungskonzept vor, das den Anforderungen des Stromnetzes gerecht wird. Phase 1 führt das „Phase Restoring Principle“ (PRP) ein, das eine Winkeltransformation nutzt, um eine nominale Netzfrequenz zu erzeugen, ohne auf eine überlagerte Regelung angewiesen zu sein. Dadurch verhält sich das System wie ein physikalisches Netzäquivalent mit hoher Trägheit, vergleichbar mit einer idealen Spannungsquelle. Außerdem wird eine schwingungsfreie Reglerantwort erreicht. Aufbauend auf PRP wird in Phase 2 eine optimierte Wirkleistungsregelung implementiert, um den Verbundbetrieb mit anderen Erzeugungsanlagen zu ermöglichen. In Phase 3 wird eine Strombegrenzung auf Basis innovativer Regelungsansätze wie Anti-Windup-Methoden entwickelt, wobei die netzbildenden Eigenschaften erhalten bleiben und auch bei schwerwiegenden Fehlern ein sehr gutes Regelverhalten gewährleistet wird. Die Validierung erfolgt analytisch, durch numerische Simulationen von elektromagnetischen und elektromechanischen Transienten im Zeitbereich, sowie experimentell an einem Power-Hardware-inthe-Loop Prüfstand. Die Ergebnisse bestätigen die globale Stabilität und Zuverlässigkeit der Regelung in verschiedenen Netzkonfigurationen. Das entwickelte Konzept ist ausgereift und für den großflächigen Praxiseinsatz geeignet.