Nutzung fortschrittlicher Netzunterstützungsfunktionen von Wechselrichter-basierten Ressourcen 

von: Deepak Ramasubramanian, Electric Power Research Institute (EPRI)

Das Stromnetz befindet sich an der Schwelle zum Übergang, da immer mehr umrichterbasierte Ressourcen (IBR) in der Warteschlange für die Zusammenschaltung stehen. Diese Ressourcen haben eine Leistungscharakteristik, die sich deutlich von den herkömmlichen Synchronmaschinen unterscheidet, die bisher das Stromnetz mit Strom versorgt haben. Mit der zunehmenden Verbreitung von IBRs im Stromnetz ergeben sich neue, bisher nicht gekannte Herausforderungen. Um diese Herausforderungen zu meistern, müssen wir die volle Leistungsfähigkeit der IBRs ausschöpfen.

Ein IBR hat im Gegensatz zu Synchronmaschinen keine natürlichen Eigenschaften. Vielmehr wird seine gesamte Leistung durch Zeilen von Computercode bestimmt. Daher basiert das Verhalten oder die Charakteristik eines IBR auf den Leistungsanforderungen, die in der Verbundregion vorhanden sind. Daher ist es für die Netzplaner wichtig, die Leistungserwartungen für diese Ressourcen klar zu definieren und gleichzeitig das Risiko einer Überregulierung zu vermeiden.

Bis vor kurzem wurde von einem IBR nicht erwartet, dass er dem Stromnetz viele Dienste oder Fähigkeiten zur Verfügung stellt, da man davon ausging, dass die Synchronmaschinenflotte diese Fähigkeiten und Dienste bereitstellen würde. Mit der zunehmenden Ausmusterung der Synchronmaschinenflotte entsteht jedoch die Notwendigkeit, die Dienste und Fähigkeiten der IBRs zu nutzen. Ein solches Paradigma rückt die beiden unterschiedlichen Ziele der IBR-Steuerung in den Vordergrund. Auf der einen Seite steht ein altes Steuerungsziel, das als "grid following" (GFL) bezeichnet werden kann. Hier arbeitet ein IBR in einem Modus mit konstanter Leistungseinspeisung. In dieser Betriebsart liefert der IBR keine Blindleistungsunterstützung an das Netz und bietet auch keine Form der frequenzabhängigen Variation der Ausgangsleistung. Vergleicht man diesen Betriebsmodus von einem dynamischen Zeitbereichsparadigma mit einem stationären Leistungsflussparadigma, so würde ein solcher Betriebsmodus als PQ-Bus in einer Leistungsflusslösung modelliert werden, wobei die Q-Grenzwerte auf 0 gesetzt werden. Eine ähnliche Situation kann auch in einem dynamischen Szenario entstehen, in dem bei einer Netzstörung alle Wechselrichter weiterhin die vor der Störung vorhandene Wirkleistung einspeisen und keine Blindleistung, was zu einer instabilen Situation führen kann.

Am anderen Ende der Skala steht ein Regelungsziel, das als Netzformung (GFM) bezeichnet werden kann. Dieses Regelungsziel wird seit vielen Jahren in Insel- und Inselnetzen angewandt und stellt im Wesentlichen eine IBR dar, die einer idealen Spannungsquelle so nahe wie möglich kommt. Wenn wir ein dynamisches Paradigma wieder auf ein stationäres Leistungsfluss-Paradigma abbilden, dann würde ein solcher Betriebsmodus in einer Leistungsflusslösung als Slack Bus modelliert werden. Wir wissen auch, dass es nicht möglich ist, eine konvergente Leistungsflusslösung mit zahlreichen unabhängigen Slack-Bussen zu erhalten. Eine ähnliche Situation kann auch in einem dynamischen Szenario entstehen, in dem bei einer Netzstörung alle Wechselrichter als ideale Spannungsquelle arbeiten und dies zu einer instabilen Lösung führen könnte.

Zwischen diesen beiden Enden der Kontrollziele liegt ein Kontinuum der Kontrolle, das durch IBRs erreicht werden kann und für den stabilen und zuverlässigen Betrieb des zukünftigen Stromnetzes wichtig ist. Das Konzept der fortgeschrittenen Netzunterstützungsfähigkeiten ergibt sich aus diesem Kontinuum. Es ist anzumerken, dass, wenn man sich auf den Begriff der fortgeschrittenen Netzunterstützungsfähigkeiten konzentriert, Begriffe wie Netzverfolgung oder Netzbildung getrost ignoriert oder bestenfalls dem Verkaufs- und Marketingpersonal überlassen werden können.

Der sichere und zuverlässige Betrieb des Stromnetzes hängt von der Existenz einer ausreichenden Spannungs- und Frequenzregelung ab. Aus Sicht des stationären Leistungsflusses bedeutet dies, dass genügend PV-Busse und verteilte Slack-Busse vorhanden sein müssen. Aus dynamischer Sicht ist die Geschwindigkeit der Frequenz- und Spannungsregelung wichtig, um eine stabile Reaktion auf eine Netzstörung zu gewährleisten. In einem IBR gibt es normalerweise zwei Ebenen der Regelungshierarchie. Die langsamere Ebene der Regelungshierarchie fungiert als Anlagenregelung, die für die Koordinierung der Leistungen der einzelnen Wechselrichter oder Turbinen innerhalb einer IBR-Anlage sorgt. Diese langsamere Steuerungsebene kann, wenn sie mit der Fähigkeit ausgestattet ist, Spannungs- und Frequenzreaktionen zu liefern, eine erste Verbesserung der fortgeschrittenen Netzunterstützungsfähigkeiten bewirken. Die schnellere Ebene der Steuerungshierarchie befindet sich auf der Wechselrichter- oder Turbinenebene innerhalb einer IBR-Anlage. Diese schnellere Steuerungsebene kann, wenn sie auch die Fähigkeit zur Spannungs- und Frequenzreaktion bietet, die erweiterten Netzunterstützungsfähigkeiten, die von IBRs bereitgestellt werden können, drastisch erhöhen.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Ziele mit einer Vielzahl von Kontrollmethoden oder -mechanismen erreicht werden können. Daher sollte die Nutzung fortgeschrittener Netzunterstützungsfähigkeiten aus der Perspektive der Leistungsanforderungen und nicht aus der Perspektive der Steuerungsarchitektur betrachtet werden. Die Aktivierung von Fähigkeiten in bestehenden IBRs kann auch die Nutzung fortgeschrittener Netzunterstützungsfähigkeiten unterstützen . Heute arbeiten viele IBRs mit einer übergeordneten Anlagensteuerung, die Funktionen für Spannungs- und Frequenzgang liefert, während die Wechselrichter- oder Turbinensteuerung in der Regel darauf abzielt, den Leistungsbefehlen der Anlagensteuerung zu folgen. Die Verlagerung einiger dieser Steuerungsziele auf die Wechselrichterebene, entweder durch die bestehende Steuerungsarchitektur oder durch neue Formen der Steuerungsarchitektur, kann unterstützen Nutzung fortschrittlicher Netzunterstützungsfunktionen unterstützen .

Jüngste Arbeiten der Services Task Force der Energy Systems Integration Group (ESIG) unterstreichen die Vorteile der Verwendung von Steuerungszielen auf Wechselrichterebene, um fortschrittliche Netzunterstützungsfunktionen zu nutzen. Die von der Task Force durchgeführten Bewertungen zeigen die Auswirkungen der beiden IBR-Steuerungsziele auf und verdeutlichen gleichzeitig die Art des Steuerungskontinuums.

Darüber hinaus zeigen die Auswertungen auch, wie wichtig eine angemessene Parametrisierung der Modelle ist, wenn der IBR-Betrieb in verschiedenen Simulationsdomänen verglichen wird. Die obige Abbildung zeigt, wie viele verschiedene Aspekte der Nutzung fortschrittlicher Netzunterstützungsfähigkeiten von IBRs in mehreren Simulationsdomänen bewertet werden können, wenn die notwendigen Vorkehrungen getroffen werden, um Modellinteroperabilität und Parametrisierung zu erreichen. Eine kürzlich von IEEE CIGRE durchge führte Studie zu diesem Thema könnte die Interoperabilität zwischen den Simulationsdomänen auf effizientere Weise herstellen.

IBRs können so gesteuert werden, dass sie jede gewünschte Form von dynamischem Verhalten bieten, vom Betrieb mit konstanter Leistung bis hin zum Einsatz als erste Ressource bei einer Schwarzstart-Energiesequenz. Ihre Auswirkungen auf das Netz beruhen jedoch auf der Definition der erwarteten Leistung, der Fähigkeit und der späteren Nutzung dieser Fähigkeit. Da immer mehr solcher Ressourcen an das Stromnetz angeschlossen werden, ist die Nutzung dieser umfangreichen verfügbaren Kapazitäten von entscheidender Bedeutung, um einen zuverlässigen und widerstandsfähigen Betrieb des Stromversorgungssystems zu gewährleisten. Lassen wir uns nicht von der Terminologie und den Begriffen aus den Büchern erdrücken, sondern nutzen wir die Gelegenheit, die unzähligen Möglichkeiten zur Netzunterstützung zu erkennen, die es gibt und die genutzt werden können, um aus dem Chaos eine Ordnung zu schaffen.