EMT-Simulation vs. Phasor-Simulation – und wann welche Methode bei Studien zu erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen sollte

Wichtigste Erkenntnisse

• Die EMT-Simulation ist die richtige Methode, wenn Wechselrichtersteuerungen, Relaiszeitabläufe oder das Verhalten bei Netzschwäche das Ergebnis bestimmen.
• Die Phasorsimulation ist nach wie vor der beste Ausgangspunkt für großräumige Planungsfälle, bei denen ein langsameres Systemverhalten eine Rolle spielt.
• Ein stufenweiser Arbeitsablauf ermöglicht Ihnen eine höhere Genauigkeit dort, wo das Risiko am größten ist, ohne dass jede Studie zu erneuerbaren Energien zu einem langwierigen EMT-Aufbau wird.

Wählen Sie die EMT-Simulation, wenn Wechselrichtersteuerungen, Schutzzeitabläufe oder Wechselwirkungen mit einem schwachen Netz das Ergebnis der Untersuchung entscheidend beeinflussen.

Erneuerbare Energien deckten im Jahr 2023 fast 30 % der weltweiten Stromerzeugung im Jahr 2023, sodass Netzstudien nun mit weitaus komplexeren Umrichterverhalten konfrontiert sind, als ältere Methoden angenommen haben. Phasor-Tools liefern nach wie vor gute Antworten auf viele Planungsfragen und sind für große Netze weiterhin der richtige erste Ansatz. Probleme treten auf, wenn gemittelte Modelle subzyklische Ereignisse, Regelreaktionen oder Relaisaktionen verbergen, die das Ergebnis bestimmen. Ein disziplinierter Untersuchungsablauf sieht vor, zunächst eine grobe Überprüfung mit Phasoren durchzuführen und anschließend eine kleinere Auswahl risikoreicher Fälle in eine elektromagnetische Transientensimulation zu überführen.

Die EMT-Simulation bildet Wellenformen ab, die in Phasormodellen gemittelt werden

Der Hauptunterschied zwischen der EMT-Simulation und der Phasorsimulation liegt in der Zeitauflösung. Bei der EMT-Simulation werden die Momentanspannungen und -ströme in sehr kleinen Zeitschritten berechnet, sodass Schaltvorgänge, Regelvorgänge und Störungen Zyklus für Zyklus erfasst werden. Bei der Phasorsimulation wird das System als aus symmetrischen sinusförmigen Größen bestehend betrachtet, die sich wesentlich langsamer ändern.

Eine Störung im Kollektorsystem in der Nähe einer Solaranlage verdeutlicht diese Lücke. Ein Phasorenmodell kann einen Spannungseinbruch und eine reibungslose Wiederherstellung anzeigen, was für die Gesamtplanung nützlich erscheint. Ein EMT-Modell zeigt bei demselben Ereignis zudem Phasensprünge, Strombegrenzung, PLL-Bewegungen und eine kurzzeitige Sättigung des Reglers. Diese Details entscheiden oft darüber, ob die Anlage die Störung übersteht, abschaltet oder sich mit einer Regelungsschwingung wieder erholt.

Sie sollten die EMT als Methode für Fragestellungen im Zusammenhang mit der Wellenform und dem zeitlichen Ablauf betrachten. Diese Detailgenauigkeit benötigen Sie nicht bei jeder Verbindungsanalyse, da die Untersuchung großer Netzwerke dadurch zu langsam würde. Sie benötigen sie jedoch, wenn das Ergebnis davon abhängt, was innerhalb weniger Millisekunden geschieht. Genau dafür ist die Simulation elektromagnetischer Transienten konzipiert.

Studien zu erneuerbaren Energien benötigen EMT, wenn die Steuerung der Wechselrichter die Ergebnisse beeinflusst

Bei Studien zu erneuerbaren Energien ist die EMT erforderlich, wenn Anlagensteuerungen, Umrichtergrenzen oder Netzunterstützungsfunktionen das Ergebnis innerhalb weniger Zyklen beeinflussen können. Dazu gehören die aktuelle Prioritätslogik, das PLL-Verhalten, die Gleichstromzwischenkreis-Wiederherstellung, die Koordinierung der Steuerung auf Anlagenebene und die netzbildende Reaktion. Phasormodelle glätten diese Vorgänge in der Regel zu einem Durchschnittsverhalten, wodurch die Auslöser für Instabilitäten oder Fehlauslösungen verdeckt werden können.

Ein gutes Beispiel hierfür ist ein Batteriewerk, das bei einem Fernfehler zur Spannungsunterstützung herangezogen wird. Der Umrichter kann an seine Strombegrenzungen stoßen, von der Blindleistungsunterstützung auf die Wirkleistungsrückgewinnung umschalten und dann innerhalb eines kurzen Zeitfensters wieder in den Normalbetrieb zurückkehren. Ein Phasorenmodell verdichtet diese Abfolge oft zu einer stabilen Reaktion, die auf dem Papier akzeptabel erscheint. EMT zeigt die kurze Übersteuerung und den Regelungswechsel, die bei einer schwachen Verbindung zu Schwingungen führen können.

Den größten Nutzen aus EMT ziehen Sie dann, wenn die Regelungen neu sind, aggressiv abgestimmt wurden oder strenge „Ride-Through“-Vorgaben erfüllen müssen. Sowohl netzfolgende als auch netzbildende Anlagen fallen unter diese Regel, auch wenn sich die Ausfallmodi unterscheiden. Bei netzfolgenden Regelungen treten unter schwachen Bedingungen häufig Schwierigkeiten bei der Winkelverfolgung auf. Bei netzbildenden Regelungen können Wechselwirkungen zwischen virtueller Impedanz, Strombegrenzung und der Überwachungslogik der Anlage zutage treten.

 „Man wählt den Grad der Genauigkeit, der den technischen Folgen eines Fehlers entspricht.“

Phasor-Studien eignen sich für Planungsfragen, bei denen das Netzverhalten langsamer abläuft

Phasor-Analysen eignen sich für die Planungsarbeit, wenn das Ergebnis von langsameren elektromechanischen Prozessen oder dem stationären Verhalten in einem ausgedehnten Netz abhängt. Spannungsverläufe, thermische Belastung, Übertragungskapazität und viele Fälle der transienten Stabilität fallen nach wie vor in diesen Bereich. Sie können zahlreiche Störfälle schnell durchgehen, Risiken einstufen und den Aufwand für elektromechanische Analysen (EMT) für die wenigen Fälle reservieren, in denen zeitliche Details von Bedeutung sind.

Ein Energieversorger, der ein neues Windkraftprojekt unter verschiedenen saisonalen Szenarien prüft, beginnt in der Regel aus gutem Grund mit Phasoren. Ingenieur:innen die Normal- und Ausfallsspannungen, die Netzströme und den Generatorauslastungsgrad über ein großes Gebiet hinweg überprüfen. Die Anzahl dieser Szenarien kann in die Hunderte gehen, und dabei sind einheitliche Annahmen wichtiger als Details im Mikrosekundenbereich. Phasor-Tools bewältigen diese Arbeitslast, ohne dass jede Untersuchung zu einer langwierigen Modellierungsaufgabe wird.

Sie sollten Phasor-Studien nicht als veraltet oder zweitrangig betrachten. Sie liefern Antworten auf die grundlegenden Fragen bei der Integration erneuerbarer Energien und sorgen dafür, dass ein Projekt vorankommt. Probleme entstehen erst, wenn Teams von einem Phasor-Modell erwarten, dass es Fragen zur Wellenform beantwortet. Diese Fehlanwendung kostet Zeit, da der Fall zunächst geklärt erscheint, bis bei Tests vor Ort oder bei der Inbetriebnahme Verhaltensweisen zutage treten, die in der Studie nie berücksichtigt wurden.

Schwache Netze legen Wechselwirkungen offen, die von Phasor-Tools oft übersehen werden

Schwache Netze legen Wechselrichter- und Netzwechselwirkungen offen, die eine detaillierte EMT-Analyse erfordern, da sich Kurzschlussleistung, Phasenverfolgung und Regelverstärkungen bereits auf sehr kurzen Zeitskalen gegenseitig beeinflussen können. Diese Bedingungen treten bei abgelegenen Wind- und Solaranbindungen, Inselnetzen und langen radialen Verbindungsleitungen auf. Ein Phasorenmodell zeigt oft eine akzeptable Spannungsunterstützung an, lässt dabei jedoch die Regelbewegung außer Acht, die zu einer schlechten Dämpfung führt.

Eine Solaranlage, die an einen Bus mit niedrigem Kurzschlussverhältnis angeschlossen ist, kann im Phasor-Fall stabil erscheinen und dennoch im EMT-Fall in Schwingungen geraten. Der Phasenregler des Umrichters kann während und nach einer Störung einem sich ändernden Spannungswinkel nachführen. Die Kabelkapazität und die Transformatorimpedanz erhöhen die Empfindlichkeit dieser Reaktion zusätzlich. Das Ergebnis ist eine Anlage, die zwar die Zielwerte im stationären Betrieb erfüllt, bei Störungen jedoch Schwierigkeiten hat.

Sie sollten außerdem auf asymmetrische Fehler, Regelungswechselwirkungen zwischen mehreren Anlagen und Resonanzprobleme bei langen Sammelschienensystemen achten. Diese Probleme lassen sich nicht einfach in einem einzigen gemittelten Äquivalent erfassen. Mit EMT können Sie die Details rund um den Netzanschlusspunkt im Blick behalten und sehen, wie mehrere Regelkreise gleichzeitig zusammenwirken. Das ist besonders wichtig, wenn das Netz bereits nahe an den Grenzen eines stabilen Umrichterbetriebs liegt.

Die Schutzkonfigurationen in der Nähe von Umrichtern erfordern eine Simulation elektromagnetischer Transienten

Bei Schutzuntersuchungen in der Nähe von Anlagen mit Stromrichtern ist eine Simulation elektromagnetischer Transienten erforderlich, wenn die Relaisauslösung von der Form des Fehlerstroms, dem Phasenfolgeanteil oder dem zeitlichen Ablauf innerhalb weniger Zyklen abhängt. Der Fehlerstrom bei Wechselrichtern ist begrenzt, geregelt und oft nur von kurzer Dauer. Phasorannahmen, die auf synchronen Quellen basieren, können die Reichweiten-, Ansprech- und Ausschaltmargen der Relais falsch darstellen.

Ein Distanzrelais in einer Leitung, die eine Solaranlage versorgt, kann das Problem veranschaulichen. Der Wechselrichter kann für einen kurzen Zeitraum einen Fehlerstrom beisteuern, seinen Ausgang abschalten und die Steuerungsprioritäten umschalten, bevor die Zeit des Relais abgelaufen ist. Bei einer Phasor-Darstellung kann diese Quelle stärker und länger anhaltend erscheinen, als sie tatsächlich ist. EMT zeigt den tatsächlichen Stromverlauf, den das Relais und die Leistungsschalterlogik erkennen.

Außerdem benötigen Sie EMT für die Logik der Umschaltvorgänge, Ausfallkonzepte für Leistungsschalter und Überprüfungen zur Verhinderung von Inselbildung im Bereich der der Leistungselektronik. Ingenieur:innen in solchen Fällen mehr als nur eine Schätzung des Spitzenstroms. Sie benötigen den Ablauf der Ereignisse mit ausreichender Genauigkeit, um Selektivität und Sicherheit beurteilen zu können. Aus diesem Grund sind EMT-Tools in der Schutztechnik mit hohem Umrichteranteil weit verbreitet.

Tests für Regler mit geschlossenem Regelkreis Tests eine hohe EMT-Genauigkeit

Tests von Reglern mit geschlossenem Regelkreis Tests eine hohe EMT-Genauigkeit Tests , wenn der zu testende Regler auf Störungen im Subzyklusbereich, Schalteffekte oder enge Schutzzeitabläufe reagiert. Bei Software Untersuchungen können Latenzzeiten, I/O und Implementierungsgrenzen verschleiert werden. Mit einem Echtzeit-EMT-Modell können Sie die tatsächliche Reglerlogik unter denselben elektrischen Belastungen testen, denen die Anlage ausgesetzt sein wird.

Teams, die eine Anlagensteuerung oder ein Überwachungssystem für Wechselrichter validieren, verbinden häufig hardware kompilierten Steuerungscode mit einem Echtzeit-EMT-Modell. OPAL-RT eignet sich für diesen Ausführungsweg, da das Modell mit Closed-Loop-Timing ausgeführt werden kann, wodurch Latenz, Clipping und logische Vorteil bei Störungen sichtbar werden. Eine Phasor-Konfiguration kann diese schnellen Abläufe nicht mit ausreichender Genauigkeit nachbilden. Das führt dazu, dass man Code freigibt, der in Studien einwandfrei aussah, sich aber unter realen Zeitbedingungen anders verhält.

Sie sollten diese Tests vorbehalten Tests die ein echtes Betriebsrisiko bergen. Dazu gehören die Ausfallsicherung, Netzunterstützungsmodi, die Umschaltlogik und die Koordination auf Anlagenebene. Der Vorteil liegt nicht in zusätzlichen Details um ihrer selbst willen. Der Vorteil ist die Gewissheit, dass sich Ihr implementierter Regler genau wie Ihr Modell verhält, wenn es auf Millisekunden ankommt.

Der Modellumfang legt Laufzeitgrenzen für praktische Untersuchungen fest

Der Modellumfang legt fest, welche Fragen EMT innerhalb eines sinnvollen Zeitrahmens beantworten kann. Detaillierte Schaltmodelle, unsymmetrische Netze und zahlreiche Regler lassen den Umfang eines Falles schnell ansteigen. Gute EMT-Untersuchungen sind selektiv, berücksichtigen nur die elektrischen Details, die für die Fragestellung relevant sind, und vereinfachen entfernte Teile des Netzes, die das lokale Ergebnis nicht beeinflussen.

Bei einer Windkraft-Netzanbindung müssen nicht alle Fernzuleitungen, Verteilungslasten und Anlagengeräte mit derselben Detailgenauigkeit dargestellt werden. Sie können den Netzanschlusspunkt, das nahegelegene Übertragungsnetz, die Anlagensteuerung und die Umrichteräquivalente beibehalten und entferntere Bereiche auf Thévenin-Äquivalente oder langsamere Modelle reduzieren. Diese Vorgehensweise bewahrt das für Sie relevante Verhalten und verkürzt die Lösungszeit erheblich. Außerdem ermöglicht sie Sensitivitätsanalysen, aus denen sich oft die besten Erkenntnisse der Studie gewinnen lassen.

• Halten Sie alle Einzelheiten zum Ort der Störung und zum Anschlusspunkt fest.
• Reduzieren Sie entfernte Netzwerkbereiche auf Äquivalente, sobald sie die lokale Reaktion nicht mehr beeinflussen.
• Modellieren Sie die tatsächlichen Steuerblöcke, die auslösen, in Sättigung gehen oder den Strom begrenzen können.
• Verwenden Sie Modelle mit Durchschnittswerten erst, nachdem Sie sich vergewissert haben, dass die Einzelheiten der Umschaltung keinen Einfluss auf das Ergebnis haben.
• Beschränken Sie die Ausgangskanäle auf die Signale, die für die Fragestellung relevant sind.

Eine schlechte Wahl des Untersuchungsumfangs lässt sich nicht allein durch mehr Rechenzeit beheben. Überdimensionierte EMT-Fälle lassen sich nur schwer überprüfen, nur schwer erneut durchführen und den Teams für Schutz, Planung und Steuerung nur schwer erklären. Ein kleineres Modell mit dem richtigen Detaillierungsgrad ist in der Regel das bessere technische Ergebnis. Diese Disziplin unterscheidet eine nützliche Studie von einer langsamen.

„Sie sollten EMT als Methode für Fragen betrachten, die sich auf die Form und den zeitlichen Verlauf von Wellenformen beziehen.“

Ein stufenweiser Arbeitsablauf sorgt dafür, dass sich die Rettungssanitäter auf das Wesentliche konzentrieren können

Ein stufenweiser Arbeitsablauf sorgt dafür, dass sich die EMT auf das Wesentliche konzentriert, da bei den meisten Studien zu erneuerbaren Energien zunächst ein umfassendes Screening und erst in zweiter Linie die Genauigkeit der Wellenformen im Vordergrund steht. Beginnen Sie mit Phasor-Fällen, um Betriebspunkte, Störfälle und schwache Knotenpunkte zu bewerten. Leiten Sie nur die instabilen, unklaren oder schutzrelevanten Fälle an die EMT weiter. Diese Vorgehensweise sichert den Zeitplan, gewährleistet die Genauigkeit und sorgt dafür, dass die detaillierte Modellierung auf eine bestimmte Fragestellung ausgerichtet bleibt.

Die Wartelisten für Netzanschlüsse in den USA umfassten mehr als 2.600 GW an Solar-, Wind- und Speicherenergie, sodass die Projektteams ein wiederholbares Screening benötigen, bevor sie stundenlang EMT-Fälle erstellen. Ein praktischer Ablauf beginnt mit einem Netz-Screening, gefolgt von einer Überprüfung der Steuerung auf Anlagenebene und anschließend einer EMT für die wenigen Fälle, bei denen noch Unsicherheiten bestehen. Danach Tests für Steuerungs- und Schutzfunktionen, die mit dem Zeitplan der Umsetzung übereinstimmen müssen. Diese Abfolge sorgt dafür, dass der Projekt-Aufwand am Risiko ausgerichtet bleibt, anstatt bei jeder offenen Frage eine EMT durchzuführen.

Die vernünftigste Vorgehensweise ist ganz einfach: Man nutzt Phasoren, um festzustellen, wo das Netz belastet wird, und EMT, um zu erklären, was dort tatsächlich geschieht. Auf diese Weise sorgen Teams auch dafür, dass die Validierungsarbeit realitätsnah bleibt, wenn sie von Studien zu Tests OPAL-RT übergehen. Man schlägt sich dabei nicht in einer Methodendebatte auf eine Seite. Man wählt vielmehr den Grad der Genauigkeit, der den technischen Folgen eines Fehlers angemessen ist.