Umfassender Leitfaden zum Netzschutz und zur Echtzeit-EMT-Simulation

Wichtigste Erkenntnisse

• EMT-Analysen sind die Standardprüfung in allen Fällen, in denen Umrichtersteuerungen, Schutzmaßnahmen oder schwache Netzbedingungen den Ausgang bestimmen, während Phasor-Tools für die systemweite Überprüfung vorbehalten bleiben.
• Der Zeitschritt ergibt sich aus dem schnellsten Ereignis, das Sie verarbeiten müssen, und diese Entscheidung bestimmt auch, welche Teile eines Modells auf der CPU verbleiben und welche auf das FPGA verlagert werden.
• Software Bei der Auswahl sollte ein Modell bevorzugt werden, das ohne Neutraining vom Offline-Training auf Echtzeit- hardware Tests übertragen werden kann.

Die EMT-Simulation zeigt Ihnen, wie sich ein Netz in den ersten Millisekunden nach einer Störung verhält – genau in diesem Zeitraum entscheidet sich heute über Erfolg oder Misserfolg von Netzen mit hohem Wechselrichteranteil.

Früher gaben Synchronmaschinen das Tempo einer Störung vor, und Phasor-Tools konnten dieses Tempo für Planungszwecke gut genug erfassen. US-amerikanische Entwickler gehen davon aus, dass Solarenergie mehr als die Hälfte der für 2025 geplanten Erzeugungskapazität von 64 GW liefern wird, wobei Batteriespeicher einen Großteil des Rests übernehmen werden. Diese Anlagen sind über Leistungselektronik angeschlossen, deren Steuerungen schneller reagieren, als es ein Phasor-Modell abbilden kann.

Sie sollten EMT-Simulationen als Standardprüfung für jede Verbindung betrachten, bei der Umrichtersteuerungen, Schutzmaßnahmen oder schwache Netzbedingungen das Ergebnis beeinflussen. Phasor-Simulationen haben nach wie vor ihren Platz bei der systemweiten Überprüfung. Entscheidend ist, zu wissen, ab wann sie nicht mehr zuverlässig sind, und dann einen Zeitschritt, einen Solver und einen Echtzeit-Simulationspfad zu wählen, die dem schnellsten Ereignis entsprechen, das Sie untersuchen müssen.

Was die EMT-Simulation auf der Ebene der Wellenformen löst

Die EMT-Simulation – kurz für „Electromagnetic Transient Simulation“ (Simulation elektromagnetischer Transienten) – berechnet die momentanen Spannungen und Ströme jeder Phase in einem Netz in Schritten von Mikrosekunden. Dabei bleiben die Differentialgleichungen von Leitungen, Transformatoren, Maschinen und Umrichtern erhalten, sodass Sie die tatsächlichen Wellenformen sehen, einschließlich Oberschwingungen, Unsymmetrien, Schaltvorgänge und der schnellen Regelreaktionen, die diese prägen.

Stellen Sie sich eine Kondensatorbank vor, die an einer 230-kV-Sammelschiene unter Spannung steht. Die Spannung springt nicht einfach auf einen neuen Wert. Sie schwingt mit mehreren hundert Hertz, überschreitet den Nennspitzenwert und klingt über einige Zyklen hinweg ab. Ein EMT-Modell bildet diese Schwingung Punkt für Punkt nach, sodass Sie die Spitzenspannung an nahegelegenen Geräten aus der Kurve ablesen können.

Dieses Detail hat seinen Preis. Jede Komponente erfordert physikalische Parameter wie Leitungsgeometrie, Sättigungskurven von Transformatoren und Steuerungscode für Wechselrichter, und der Solver durchläuft pro Zyklus Hunderte von Schritten. Man tauscht Rechenzeit gegen ein Ergebnis ein, das auf der Zeitskala gültig ist, auf der Schutz- und Wechselrichtersteuerungen reagieren.

Inwiefern sich die EMT-Simulation von der Phasorsimulation bei Netzstudien unterscheidet

Der Hauptunterschied zwischen der EMT-Simulation und der Phasor-Simulation besteht darin, welche Annahmen jeweils hinsichtlich der Wellenform getroffen werden. Phasor-Tools stellen Spannungen und Ströme als Beträge und Winkel bei der Grundfrequenz und in Millisekundenschritten dar. EMT-Tools gehen von keiner solchen Annahme aus und berechnen jeden einzelnen Zeitpunkt, wodurch Ereignisse im Subzyklusbereich erfasst werden, die bei Phasor-Modellen durch Mittelung ausgeblendet werden.

Betrachten wir eine Solaranlage hinter einer langen Radialleitung. Eine Phasor-Analyse zeigt, dass die Anlage eine nahegelegene Störung übersteht, da das Modell lediglich den Spannungsabfall in positiver Sequenz erfasst. Die EMT-Analyse derselben Störung zeigt hingegen, dass der Phasenregelkreis während des Phasensprungs seine Referenz verliert und der Wechselrichter aufgrund einer Subzyklus-Überspannung auslöst. Nur eines dieser Ergebnisse beschreibt das tatsächliche Verhalten der Anlage.

Wenn für eine Transientenstudie detaillierte Angaben zur EMT benötigt werden

EMT-Untersuchungen sind erforderlich, wenn das Ergebnis von Ereignissen abhängt, die schneller als ein Zyklus ablaufen, oder von den internen Steuerungen eines Umrichters. Dies umfasst die meisten Wechselrichteranschlüsse in Schwachstellenbereichen, alle Untersuchungen zu Schalt- oder Blitzbelastungen sowie alle Fälle, in denen der Schutz auf die Wellenform selbst einwirkt.

Die deutlichste Warnung stammte kommt aus Texas. Ein einzelner Fehler in der Nähe von Odessa im Juni 2022 führte zum Ausfall von 1.711 MW Solarstrom aus Anlagen, die eigentlich am Netz hätten bleiben sollen. Die Ermittler berichteten, dass Modelle für positive Sequenzfälle die Durchhaltefähigkeit vor Inbetriebnahme nicht bestätigen konnten und dass bei der gängigen Modellierung Schutzmaßnahmen wie Wechselstrom-Überstrom- und Gleichstrom-Sammelschienen-Schutz außer Acht gelassen wurden.

Es gibt mehrere Kriterien, die ohne große Diskussion dazu führen sollten, dass eine Studie in die EMT-Kategorie eingestuft wird.

• Das Kurzschlussverhältnis am Anschlusspunkt ist gering
• Serienkompensierte Leitungen oder HGÜ-Verbindungen liegen elektrisch nahe beieinander
• Mehrere Umrichteranlagen teilen sich ein Umspannwerk
• Es sind netzbildende Steuerungen oder Schwarzstartbetrieb vorgeschrieben
• Der Schutz basiert auf Subzyklus- oder Wanderwellenelementen

Das bedeutet keineswegs, auf die Arbeit mit Phasoren zu verzichten. Überprüfen Sie damit das gesamte System und untersuchen Sie anschließend den Bereich, der diese Prüfungen in EMT nicht besteht, wobei der Rest des Netzes auf ein äquivalentes Modell reduziert wird.

Welchen Zeitschritt benötigt eine EMT-Simulation, um genaue Ergebnisse zu erzielen?

Für eine EMT-Simulation ist ein Zeitschritt erforderlich, der mindestens 10- bis 20-mal kürzer ist als die Periode des schnellsten Phänomens, das Sie auflösen möchten. Herkömmliche Netztransienten werden üblicherweise mit etwa 50 Mikrosekunden durchgeführt. Umrichter mit einer Schaltfrequenz im Kilohertz-Bereich benötigen einige Mikrosekunden oder weniger, und Schritte im Submikrosekundenbereich kommen zum Einsatz, sobald die Schaltfrequenz den Bereich von mehreren zehn Kilohertz erreicht.

Die Berechnung lässt sich anhand Ihres eigenen Modells schnell überprüfen. Ein Schritt von 50 Mikrosekunden ergibt 333 Messpunkte über einen 60-Hz-Zyklus, was für eine Fehleranalyse völlig ausreicht. Wendet man diesen Schritt auf einen Umrichter an, der mit 5 kHz schaltet, erhält man 4 Messpunkte pro 200-Mikrosekunden-Schaltperiode – viel zu wenige, um die Schaltflanken zu lokalisieren. Auch die Leitungslänge spielt eine Rolle, da eine Wanderwelle in 50 Mikrosekunden etwa 15 km zurücklegt und eine kürzere Freileitung nicht mit ihrer Ausbreitungsverzögerung modelliert werden kann.

Kleiner ist nicht automatisch besser. Eine Halbierung des Schritts verdoppelt die Rechenlast, und bei Echtzeitanwendungen muss jeder Schritt rechtzeitig abgeschlossen sein. Wählen Sie den größten Schritt, mit dem sich das für Sie relevante Ereignis auflösen lässt, und überprüfen Sie dies anschließend mit einem Durchlauf bei halbem Schritt. Wenn die beiden Ablaufverläufe übereinstimmen, haben Sie den richtigen Wert gefunden.

„Wenn die beiden Kurven übereinstimmen, hast du deine Zahl gefunden.“

Wo CPU-Löser bei schnellschaltenden Wandlern an ihre Grenzen stoßen

CPU-Löser bewältigen EMT-Modelle im Gittermaßstab gut bei Zeitschritten von einigen Dutzend Mikrosekunden; sie sind jedoch nicht mehr praktikabel, wenn die Schaltfrequenz des Umrichters Zeitschritte von nahe oder unter einer Mikrosekunde in Echtzeit erfordert. An diesem Punkt wird der Schaltteil des Modells auf ein FPGA verlagert, während das umgebende Netzwerk auf der CPU verbleibt.

Eine Studie zu Windkraftanlagen verdeutlicht diese Aufteilung. Das Übertragungsnetz, das Kollektorsystem und die Maschinenmodelle werden in „ HYPERSIM “ als EMT-Löser ausgeführt und auf parallele CPU-Kerne verteilt. Ein Schritt von 50 Mikrosekunden reicht für alle Prozesse auf dieser Seite aus.

Detaillierte Umrichtermodelle verändern das Bild. Bei einem in Simulink erstellten Modell nutzt OPAL-RT „ ARTEMiS “ für die CPU-seitige elektrische Berechnung, wodurch geschaltete Schaltungen bei einem festen Schritt stabil bleiben. Sobald die Schaltfrequenz den Bereich überschreitet, den ein CPU-Schritt bewältigen kann, wechselt der Umrichter zu eHS, einem FPGA-basierten Solver, und die beiden Seiten tauschen bei jedem CPU-Schritt Signale aus.

Die Grenze zwischen beiden Bereichen muss sorgfältig festgelegt werden. Wählen Sie einen Punkt mit natürlicher Entkopplung, beispielsweise einen Transformator oder ein langes Kabel, damit die Verzögerung von einem Schritt das Ergebnis nicht verfälscht.

So vergleichen Sie EMT-Simulations software en für Ihr Studium

Die EMT-Simulations- software en lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Offline-Tools, die so schnell laufen, wie es das Modell zulässt, und Echtzeit-Tools, die einen festen Zeitschritt einhalten. Vergleichen Sie die Optionen hinsichtlich der Tiefe der Umrichter-Modellbibliothek, der Fähigkeit, herstellerspezifischen Steuerungscode zu verarbeiten, der Parallelverarbeitungsleistung in großen Netzwerken sowie des Übergangs von der Desktop-Studie zur hardware Tests .

Ein Übertragungsplaner, der eine Netzkopplungsstudie erstellt, und ein Test Ingenieur:innen , der eine Anlagensteuerung validiert, gewichten diese Kriterien unterschiedlich. Für den Planer steht im Vordergrund, Hunderte von Fehlerfällen durchzuspielen und Black-Box-Wechselrichtermodelle der Hersteller zu importieren. Der Ingenieur:innen benötigt einen EMT-Simulator, der über analoge und digitale I/O den Regelkreis mit einer physikalischen Steuerung schließt, sodass dasselbe Netzmodell in Echtzeit laufen muss. Fragen Sie jeden Anbieter, wie viel von einem Modell diesen Wechsel übersteht, denn beim Neuaufbau eines validierten Netzwerks in einem zweiten Tool schleichen sich Fehler ein.

Transientenanalysen schaffen Vertrauen, wenn das Modell mit dem Netz übereinstimmt

Die Zuverlässigkeit einer Transientenstudie hängt davon ab, inwieweit die Modellierungsdetails mit den im Netz vorhandenen Anlagen übereinstimmen. Netze, die auf Umrichtern basieren, reagieren im Mikrosekunden- und Millisekundenbereich; daher muss die Studie auf dieser Ebene ansetzen, wo immer Steuerungs- und Schutzsysteme das Ergebnis bestimmen.

Das ist kein Argument dafür, alles in EMT zu berechnen. Es ist ein Argument dafür, bewusst vorzugehen. Führen Sie eine umfassende Vorabprüfung mit Phasor-Tools durch, markieren Sie die Bereiche, in denen deren Annahmen nicht mehr zutreffen, und widmen Sie diesen Bereichen Ihre Zeit für die detaillierte Modellierung. Wählen Sie den Zeitschritt anhand der physikalischen Gegebenheiten aus und überprüfen Sie ihn einmal.

Teams, die auf diese Weise arbeiten, entdecken Probleme bereits am Schreibtisch und nicht erst bei der Inbetriebnahme. Das gleiche Muster beobachten wir bei OPAL-RT, wenn ein Studienmodell in einen Echtzeitsimulator übertragen wird und dort zum ersten Mal auf den tatsächlichen Regler trifft. Die Überraschungen fallen geringer aus, wenn bei der Offline-Arbeit die Grenzen ehrlich eingeräumt wurden. Gute Transientenstudien beseitigen zwar keine Unsicherheiten, zeigen aber genau auf, wo diese liegen.

„Gute Transientenuntersuchungen beseitigen zwar keine Unsicherheiten, aber sie zeigen einem genau, wo diese liegen.“