Erneuerbare Energien Simulation für Studien zur Netzintegration

Wichtigste Erkenntnisse

• Der Umfang der Studie bestimmt den Simulationsbereich, daher sollte diese Entscheidung bereits zu Beginn des Projekts getroffen werden und nicht erst, nachdem die ersten Anlagenmodelle erstellt wurden.
• Simulationen im Phasorbereich decken die großräumige Stabilität effizient ab, während EMT das Regel- und Schutzverhalten der Umrichter bei Schwachnetzausfällen untersucht.
• Die Modellqualität ist wichtiger als die Auflösung des Lösers, denn erst verifizierte Parameter und validierte Anlagenmodelle machen eine Studie fundiert.

Die Wahl eines falschen Simulationsbereichs ist der schnellste Weg, um bei einer Studie zur Integration erneuerbarer Energien Monate an Zeit zu verlieren.

Solarkraftwerke, Windparks und Batteriesysteme werden alle über Leistungselektronik gesteuert, und die Fragen, die Ingenieur:innen dazu stellt, lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Einige betreffen die Frage, wie sich das Gesamtsystem im Sekundentakt nach einem Fehler stabilisiert. Andere beziehen sich auf die ersten Millisekunden, in denen die Steuerung der Umrichter und die Schutzlogik über den Ausgang entscheiden. Entwickler in den Vereinigten Staaten planen, im Jahr 2026 neue Kapazitäten von 86 GW zu schaffen, wobei Solarenergie 51 % und Speichersysteme 28 % dieser Gesamtkapazität ausmachen sollen; daher steigt die Zahl der Studien, die sich mit dieser Entscheidung befassen, stetig an.

Die Antwort lautet nicht, dass die Simulation elektromagnetischer Transienten der Simulation im Phasorbereich überlegen ist. Jede löst eine Problemklasse, an die die andere nicht herankommt. Eine EMT-Studie eines kompletten Netzanschlusses beansprucht wochenlange Rechenzeit und liefert Ergebnisse, für deren Auswertung niemand Zeit hat. Eine Phasor-Studie einer Solaranlage mit schwachem Netz zeigt eine saubere Spannungswiederherstellung, die am tatsächlichen Standort nicht reproduzierbar ist. Der Umfang der Studie bestimmt die Wahl des Tools, und diese Entscheidung muss bereits zu Beginn getroffen werden.

Was die „ Erneuerbare Energien “-Simulation in Studien zur Netzintegration tatsächlich abdeckt

Erneuerbare Energien Die Simulation bildet anhand eines numerischen Modells der Anlage, ihrer Umrichter und des umgebenden Netzes nach, wie Solar-, Wind- und Speicheranlagen auf Netzbedingungen reagieren. In Studien zur Netzintegration werden diese Modelle verwendet, um nachzuweisen, dass eine Anlage nach ihrem Anschluss die Spannung aufrechterhält, Störungen übersteht und stabil bleibt.

Ein Netzanschlusspaket umfasst Lastfluss, Kurzschlussbeitrag, transiente Stabilität und – in schwächeren Netzen – eine vollständige EMT-Bewertung der Regelinteraktion. Eine 200-MW-Solaranlage, die an eine lange Radialleitung angeschlossen wird, erfüllt zwar alle stationären Prüfkriterien, scheitert jedoch an der EMT-Prüfung, da ihr Wechselrichter-Stromregler gegen die Netzimpedanz schwingt.

Der Untersuchungsumfang unterscheidet diese beiden Arten von Untersuchungen. Bei der Stabilitätsanalyse wird untersucht, ob das System über einen weiten Bereich hinweg intakt bleibt, sodass jede Anlage zu einer kontrollierten Quelle mit vereinfachter Dynamik wird. Bei der EMT-Analyse werden Schaltvorgänge, Regelkreise und Schutzmaßnahmen für einen Umrichter bei einem einzelnen Fehler betrachtet. Beide Antworten sind im Rahmen ihrer jeweiligen Annahmen korrekt.

Wie Werkzeuge im Phasorbereich Fragen zur Systemstabilität beantworten

Die Simulation im Phasorbereich, auch als RMS-Simulation bezeichnet, geht von einer festen Grundfrequenz aus und erfasst lediglich die Amplitude und den Phasenwinkel von Spannungen und Strömen. Durch diese Annahme werden Schaltdetails ausgeblendet, sodass ein Solver Zehntausende von Buspunkten durch eine 20 Sekunden lange Systemantwort berechnen kann.

Planer, die eine regionale Zuverlässigkeitsbewertung für 60.000 Busse durchführen, werden über Nacht Hunderte von Ausfallszenarien testen. In jedem Fall werden der Rotorwinkelabstand, das Frequenz-Nadir nach dem Ausfall einer großen Einheit und die Spannungswiederherstellung an den Lastzentren überprüft. Würden vollständige EMT-Modelle aller Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien einbezogen, würde sich die Laufzeit von Stunden auf Wochen verlängern.

Diese Einschränkung tritt auf, wenn die für Sie relevanten physikalischen Vorgänge oberhalb der Grundfrequenz stattfinden. Phasormodelle können sub-synchrone Regelinteraktionen, harmonische Resonanz oder das strombegrenzende Verhalten eines Wechselrichters bei einem unsymmetrischen Fehler nicht abbilden. Außerdem gehen sie von einer stabilen Frequenzreferenz aus, was mit der Stilllegung synchroner Maschinen nicht mehr zutrifft.

Wenn Modelle für elektromagnetische Transienten die einzig plausible Option sind

Die EMT-Simulation löst die Differentialgleichungen des Netzwerks im Zeitbereich mit Schritten von etwa 10 bis 50 Mikrosekunden und bildet so das Schalten, Oberschwingungen, unsymmetrische Fehler sowie die internen Regelkreise eines Umrichters ab. Jede Frage dazu, wie ein Wechselrichter innerhalb des ersten Zyklus reagiert, erfordert diese Auflösung.

Anschlüsse an schwache Netze verdeutlichen dies. Wenn das Kurzschlussverhältnis am Anschlusspunkt auf 3 oder darunter sinkt, beginnen die Phasenregelkreise und Spannungsregler der Wechselrichter mit der Netzimpedanz zu interagieren, und eine Anlage kann mit Frequenzen schwingen, die weit von 60 Hz entfernt sind. Die für die Netzsicherheit zuständigen Regulierungsbehörden haben seit 2016 zehn großflächige Netzstörungen auf unerwartete Leistungsabfälle bei Wechselrichter-basierten Anlagen zurückgeführt, die sich auf insgesamt fast 15.000 MW beliefen, davon etwa 10.000 MW zwischen 2020 und 2024. Nahezu alle diese Ereignisse stammte lassen sich auf Reaktionen der Umrichterregelung und -schutzsysteme zurückführen, die in einem Phasorenmodell nie berücksichtigt wurden.

Dieser Vorfall hat die Anforderungen an die Sorgfaltspflicht verändert. Energieversorger in den Netzverbünden ERCOT und CAISO sowie in mehreren kanadischen Provinzen verlangen nun herstellerspezifische EMT-Modelle als Voraussetzung für den Netzanschluss. Sie werden Ihre Lösungen auf der Basis des Black-Box-Steuerungscodes des Anbieters entwickeln und das dahinterstehende Netzwerkäquivalent verteidigen müssen.

„Nahezu alle diese Ereignisse stammte sind auf die Reaktionen der Umrichtersteuerung und der Schutzsysteme zurückzuführen, die in einem Phasorenmodell nie berücksichtigt wurden.“

Anpassung des Solvers an den Umfang Ihrer Studie

Der Untersuchungsumfang legt den Anwendungsbereich fest. Fragen zur netzweiten Stabilität, zur Angemessenheit der Reserven oder zur Spannung nach einem Störfall über Hunderte von Knoten gehören in den Phasor-Bereich. Fragen zum Zusammenspiel der Umrichtersteuerung, zur Schutzkoordination oder zum Oberschwingungsverhalten an einem bestimmten Netzanschlusspunkt gehören in den EMT-Bereich.

Die Kosten fallen anders aus, als die Teams erwarten. Ein Phasor-Fall, der in 90 Sekunden abgeschlossen ist, verleitet dazu, Szenarien hinzuzufügen, bis der Grenznutzen von Szenario 400 nahe Null liegt. Ein EMT-Fall, der 40 Minuten dauert, zwingt dazu, zu entscheiden, welche Fehler zuerst berücksichtigt werden müssen. „ HYPERSIM “ deckt den detaillierten EMT-Teil dieser Aufteilung ab, bei dem Anlagemodelle den Steuerungscode der Hersteller enthalten, während ePHASORSIM großräumige Fälle abdeckt, bei denen Tausende von Busse wichtiger sind als Details im Mikrosekundenbereich.

Häufige Modellierungsfehler, die die Ergebnisse zur Integration erneuerbarer Energien ungültig machen

Die meisten fehlgeschlagenen Integrationsstudien scheitern eher an der Modellqualität als an der Wahl des Solvers. Generische Bibliotheksmodelle mit Standardparametern, Netzwerkemplakate, die die Kurzschlussfestigkeit überbewerten, und Steuerungseinstellungen, die nicht mit der in Betrieb genommenen Anlage übereinstimmen, liefern allesamt Ergebnisse, die als zuverlässig gelten, denen jedoch Feldmessungen widersprechen.

Fünf Probleme sind für den Großteil der Nachbesserungen verantwortlich, die wir bei Studien zur Integration erneuerbarer Energien beobachten.

• Generische Konvertermodelle ersetzen die Hersteller-Firmware, sodass die „Ride-Through“-Logik niemals mit den installierten Geräten übereinstimmt.
• Netzwerkäquivalente werden zu stark reduziert, wodurch die Kurzschlussfestigkeit überhöht und die Wechselwirkung mit dem schwachen Netz verschleiert wird.
• Die Steuerungseinstellungen stammen aus dem Konstruktionspaket und nicht aus dem Inbetriebnahmeprotokoll, sodass das Modell die beabsichtigte Auslegung widerspiegelt.
• Die EMT-Zeitschritte werden gelockert, um die Laufzeiten zu verkürzen und die schnellen Dynamikschwankungen zu glätten, die Anlass zur Sorge gegeben hatten.
• Die Validierung endet bei einem symmetrischen Dreiphasenfehler, sodass asymmetrische Fehler und flache Spannungseinbrüche ungetestet bleiben.

Diese Fehler haben eine gemeinsame Ursache. Die Modellgenauigkeit wird als Eigenschaft des „ software “ betrachtet und nicht als Eigenschaft der Daten, mit denen er gefüttert wird. Ein EMT-Löser im Mikrosekundenbereich, der ein generisches Wechselrichtermodell mit den Werkseinstellungen ausführt, sagt weniger über Ihre Anlage aus als eine sorgfältige Phasor-Studie, die auf verifizierten Parametern basiert. Fragen Sie zunächst, anhand welcher Kriterien ein Modell validiert wurde, bevor Sie fragen, wie schnell es rechnet.

Wie hybride Arbeitsabläufe beide Bereiche in einem Projekt miteinander verbinden

In fundierten Integrationsstudien werden beide Bereiche nacheinander genutzt. Bei den Berechnungen im Phasorbereich wird das gesamte System überprüft, um die relevanten Netzfälle, Stromkreise und Anlagen zu ermitteln, und bei den EMT-Berechnungen werden diese Fälle anschließend anhand eines aus den Ergebnissen der Überprüfung erstellten Netzäquivalents eingehend untersucht.

Ein 400-MW -Repowering-Projekt für Windkraftanlagen veranschaulicht diesen Ansatz: Die Planer untersuchen alle Einzel- und Doppelstörfälle im Phasorenbereich, stellen fest, dass drei Fehler auf einer nahegelegenen 230-kV-Leitung zu einer minimalen Spannungswiederherstellung führen, und geben nur diese drei Fälle in die EMT-Simulation ein, wobei das vom Hersteller bereitgestellte Modell der Turbinensteuerung verwendet wird.

Diese Abfolge schützt Ihren Zeitplan. Teams, die mit EMT beginnen, weil dies in der Verbundanfrage erwähnt wird, verbringen sechs Wochen damit, irrelevante Ausfallfälle zu modellieren. Teams, die bei der Phasor-Phase Halt machen, geben Fälle frei, die ihre Anlagen nicht überstehen können. Einige Plattformen simulieren mittlerweile beide Bereiche gemeinsam in einem Durchlauf, wobei ein EMT-Subsystem mit einem Phasor-Modell des gesamten Netzes verbunden ist.

Entwicklung eines Simulationsansatzes, der einer Überprüfung der Netzverbundfähigkeit standhält

Die Glaubwürdigkeit einer Studie beruht eher auf der Argumentation, die Sie darlegen können, als auf der Auflösung, mit der Sie die Simulation durchgeführt haben. Gutachter möchten wissen, warum Sie einen bestimmten Bereich ausgewählt haben, welche Annahmen Ihrem Netzwerkäquivalent zugrunde lagen und wie das Anlagenmodell validiert wurde. Teams, die diese drei Punkte dokumentieren, durchlaufen das Begutachtungsverfahren schneller als Teams, die alles in EMT durchgeführt haben.

Ingenieur:innen Wer dies gut macht, betrachtet die Wahl des Anwendungsbereichs als eine Entscheidung zur Festlegung des Untersuchungsumfangs, die bereits zu Beginn getroffen wird, wobei die Untersuchungsfragen festgehalten werden, bevor überhaupt eine Modelldatei geöffnet wird. Man unterhält eine validierte Modellbibliothek, damit nicht bei jedem Projekt dieselbe Turbine oder derselbe Wechselrichter neu erstellt werden muss. Man führt die Phasor-Analyse erneut durch, wenn sich die Anlagenkonfiguration zu einem späten Zeitpunkt ändert, da ein überarbeiteter Blindleistungssollwert dazu führt, dass andere Fälle relevant werden. Nichts davon ist besonders glamourös, aber alles summiert sich.

OPAL-RT hat seine Plattformen auf derselben Aufteilung aufgebaut, weshalb detaillierte Konverterberechnungen und großräumige Analysen in unterschiedlichen Tools statt in einem einzigen Kompromisslöser durchgeführt werden. Wählen Sie den Bereich, den Ihre Fragestellung tatsächlich erfordert, begründen Sie die dahinterstehenden Annahmen, und die Studie wird auch noch lange nach der Unterzeichnung des Verbundvertrags Bestand haben.

„Die Glaubwürdigkeit einer Studie hängt eher von der Argumentation ab, die man darlegen kann, als von der Auflösung, mit der man gearbeitet hat.“