MMC-Prüfstand: HVDC-Anlage im Labormaßstab (mit mehreren Anschlüssen) zur Modernisierung des europäischen Stromnetzes

Das Unternehmen

Das Institut für Hochspannungstechnik und -netze, Digitalisierung und Stromwirtschaft an der RWTH Aachen ist ein führendes Forschungsinstitut für Elektrotechnik. Die RWTH Aachen war an der Initiative PROMOTioN (PROgress on Meshed HVDC Offshore Transmission Networks) beteiligt – einem großen EU-Projekt mit 33 Partnern aus 11 Ländern, dessen Ziel die Entwicklung kosteneffizienter, zuverlässiger vermaschter HVDC-Offshore-Netze ist, um Gigawatt an Windenergie aus der Nord- und Ostsee abzutransportieren.

Die Herausforderungen

• Stromübertragung aus Offshore-Windparks: Die Anbindung von Offshore-Windparks mit einer Leistung von mehreren Gigawatt über HVDC-Systeme mit mehreren Anschlüssen stellt die Wechselstrom-Übertragungsnetze auf dem Festland vor komplexe Herausforderungen hinsichtlich Steuerung und Schutz.
• Engpässe beim Hochspannungs- Tests : Ein physikalischer „ Tests “ von Hochspannungs-HVDC-Umrichtern im Vollmaßstab ist aufgrund extremer Sicherheitsrisiken, hoher Kosten und fehlender Anbindung an die Netzinfrastruktur praktisch unmöglich.
• Komplexe Umrichtersteuerung: Modulare Mehrpegel-Umrichter (MMCs) zeichnen sich durch neuartige Topologien aus, die vor dem vollständigen Einsatz eine ausgefeilte Validierung der Steuerung auf Low-Level- und High-Level-Ebene erfordern.
• Unsicherheit hinsichtlich der Systemwechselwirkungen: Netzbetreibern und Planern fehlt es an praktischer Erfahrung mit den Wechselwirkungen zwischen MMC-HVDC-Verbindungen, Offshore-Windparks und den umliegenden Wechselstromnetzen.

Die OPAL-RT Lösung

OPAL-RT hat eine umfassende Niederspannungs-Prüfstandskonfiguration für Mehranschluss-Gleichstrom-MMCs geliefert und integriert:

• HYPERSIM Echtzeit-Simulation von Wechselstromnetzen und Windparks: Ein OP5707-HIL-Simulator, der HYPERSIM emuliert das umgebende Wechselstromnetz und die Dynamik des Offshore-Windparks.
• Modulare MMC-Prüfstände: Es wurden acht MMC-Prüfstände im Labormaßstab installiert . Jeder Prüfstand besteht aus einem OP4510 (Kintex-7-FPGA + Intel-Xeon-CPU) zur Steuerung der Low- und High-Level-Wandler sowie aus sechs OP1210-Submodulboxen (bis zu 11 Stufen, 400 V, 6 kW).
• Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL): Integrierte lineare Vierquadranten-Leistungsverstärker mit 21 kVA (Puissance Plus) zur Echtzeit-Kopplung der physikalischen MMC-Wandler im Labor mit der simulierten Wechselstrommilieu.
• Gleichstrom-Verbindungsemulation: Mithilfe der PI-Abschnitte des OP8600 (32 Stufen) wurden bipolare Gleichstrom-Übertragungsleitungen mit einer Länge von bis zu 800 km (bzw. monopolare Leitungen mit einer Länge von bis zu 1.600 km) emuliert.

Die Ergebnisse

• Schnelle Inbetriebnahme: Die Inbetriebnahme des komplexen HVDC-Demonstrationsprojekts mit mehreren Terminals erfolgte im Juli 2019 erfolgreich, nur acht Monate nach der Werksabnahme Tests s (FAT) in Montreal.
• Validierung der Netzunterstützung in Wechselstromnetzen: Erfolgreiche Analyse fortschrittlicher MMC-Regelungsstrategien zur Bereitstellung von Zusatzdiensten und Frequenzunterstützung für Wechselstromnetze.
• Forschung zu Oberschwingungen und Fehlern: Ermöglichte eine eingehende Untersuchung ( Tests ) der harmonischen Resonanz in Offshore-Windparks, der Black-Start-Fähigkeiten von Diodengleichrichtern sowie von Strategien zur Bewältigung von Gleichstromfehlern.
• Risikominimierter Technologietransfer: Im Rahmen des PHIL-Projekts ( Tests ) wurden validierte Lösungen mit geringem Leistungsbedarf in kleinerem Maßstab entwickelt, die direkt auf geschäftliche Hochspannungs-HVDC-Offshore-Netze übertragen und dort angewendet werden können.

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