Ein Beitrag zur Stabilitätsbetrachtung in Umrichter-dominierten Verteilernetzen

Leistungselektronische Komponenten, wie beispielsweise Umrichter, dienen als Schnittstelle zwischen Versorgungsnetz und Einspeisung bzw. Last. Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien gewinnen diese immer mehr an Bedeutung. Der Einfluss des Umrichters auf die Stabilität und die Betriebsführung des zukünftigen Verteilernetzes, welcher vor allem durch deren Regelstruktur und deren Regler Parameter bestimmt wird, nimmt dementsprechend stark zu. Um den weiteren Erfolg des Netzbetriebs gewährleisten zu können, ist eine gründliche Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den parallel geschalteten Stromrichtern, in Bezug auf von Umrichtern dominierte Verteilernetze, erforderlich. Dabei besteht die Herausforderung darin, dass die numerische Komplexität der Simulation aufgrund der wachsenden Anzahl von Wechselrichtern stark wächst. Dies wird zusätzlich durch eine Nachbildung des überlagerten und untergeordneten Netzwerks verstärkt. Die Dimensionen des Netzes und die große Anzahl von Umrichtern bilden das Dilemma in der Simulation eines von Umrichtern dominierten Verteilernetzes. Bezüglich dessen, widmet sich die vorliegende Arbeit zuerst der Nachbildung eines von Umrichtern dominierten Verteilernetzes und stellt eine neuartige Netzreduktionstechnik vor, die die Netzdynamik bei der Untersuchung der Kleinsignalstabilität, in Form von Übertragungsfunktion durch eine gesteuerte Spannungs- bzw. Stromquelle, in den unter- und überlagerten Netzen übertragen kann. An Hand dieses neuen Simulationsmodells werden die Untersuchungen durchgeführt. Die Wechselwirkung von Umrichtern, sowie anderen Netzelementen wie z.B. Leitern, Verbrauchern und Transformatoren, wie auch unterschiedliche Netztopologien hinsichtlich ihrer Systemstabilität, werden analysiert. Die Untersuchung teilt sich in sogenannte intra- bzw. internet-Bezirke auf. Als Ergebnis dieser Arbeit ist festzuhalten, dass die Systemstabilität im Kleinsignalbereich, mit wachsender Anzahl und Einflussnahme der Umrichter, sinkt. Weiterhin werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Stabilisierungsmaßnahmen, zur Betriebsführung eines Wechselrichterverteilnetzes, entwickelt. Die Maßnahme, „Stabilizer“, bietet sich für die Stabilisierung einer Anpassung der Regelstruktur des Umrichters, durch eine spannungsabhängige Zusatzsignalaufprägung zur Verbesserung der Systemeigenschaften bei Anregungen und Störungen, an. Die zweite Maßnahme dient dazu, die Parameter der kaskadierten Regler zu optimieren. Es wird ein dynamisches Konzept zur globalen Optimierung vorgeschlagen und durch Simulation validiert.

Power electronic components, such as converters, serve as an interface between the power grid and the energy unit. With the expansion of renewable energy, these are becoming increasingly important. The influence of the inverter on the stability and operation of the future distribution grid will increase accordingly, which is mainly determined by their control structure and their controller parameters. In order to ensure the continued success of grid operation, a thorough investigation of the interaction between the parallel-connected converters in terms of inverter-dominated distribution grid is necessary. The challenge is that the numerical complexity of the simulation grows rapidly due to the growing number of inverters. And this is additionally reinforced by model of the superordinate and subordinate grid, in order to recreate their influence. The dimension of the network and the large number of inverters form the dilemma in the simulation of a converter-dominated distribution network, which cannot be modeled using the standard simulation method at present. Considering these factors, the present work is first devoted to the simulation of an inverter-dominated distribution network, which presents a novel network reduction technique, which can transmit the network dynamics in the study of small signal stability in the form of transfer function by a controlled voltage or current source into the subordinate and superordinate grid. With the help this simulation model, the analysis is carried out, on the interaction of converters as well as to other grid elements like e.g. loads and transformers. The research is divided into so-called intra- or inter- district interactions. As a result of the research, it should be noted that the system stability in the small signal range decreases with an increasing number of inverters. Furthermore, two stabilization measures for the operation of an inverter distribution grid are being developed within the scope of this thesis. The "Stabilizer" measure offers for stabilization an adaptation of the control structure of the converter by a voltage-dependent additional signal impulse to improve the system properties for excitations and disturbances. The second measure is to optimize the parameters of the cascaded controller. A dynamic concept for global optimization is proposed.

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