Windkraftanlagen in Energieversorgungsnetzen - … · Das Simulationsprogramm Simplorer eignet sich für das Entwicklung und die Simulation elektronischer Schaltungen. Neben den elektrotechnischen

Zuverlässige Einspeisung regenerativer Energie Zuverlässige Einspeisung regenerativer Energie

1Prof. Dr.- Ing. Michael Igel

Hochschule für

Technik und Wirtschaftdes Saarlandes

University of Applied Sciences

Prof. Dr.- Ing. Stefan Winternheimer


Prof. Dr.- Ing. Michael Igel

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Prof. Dr.- Ing. Stefan Winternheimer19.06.2006

WindkraftanlagenWindkraftanlagenin Energieversorgungsnetzenin Energieversorgungsnetzen

Simulation der WechselrichterSimulation der WechselrichterAnalyse der NetzrückwirkungenAnalyse der Netzrückwirkungen

FuEFuE--Projekt Projekt ZERENZEREN



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Ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt der Hochschule für Technik und Hochschule für Technik und WirtschaftWirtschaft des Saarlandesdes Saarlandes (HTW) im Fachbereich ElektrotechnikFachbereich Elektrotechnik in Koopera-tion mit den Projektpartnern energis GmbHenergis GmbH und VSE AGVSE AG.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Michael IgelLabor für Elektrische EnergieversorgungLabor für Gebäudesystemtechnik

Prof. Dr.-Ing. Stefan WinternheimerLabor für LeistungselektronikLabor für Antriebstechnik

Wissen. Mitarbeiter: Dipl-Ing. (FH) Martin Scheib

Projektpartner: energis GmbH, SaarbrückenVSE AG, Saarbrücken



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EinleitungEinleitung

Im Rahmen des FuE-Projektes „Zuverlässige Einspeisung regenerativer Energie“ ZEREN stellt sich die Anforderung, einen typischen Wechselrichter von Windkraftanlagen mit Hilfe eines geeigneten Simulationsprogramms nachzubilden. Im Labor für Leistungselektronik und Antriebstechnik wird für derartige Anforderungen seit einigen Jahren das Simulationsprogramm Simplorer eingesetzt.

SimplorerSimplorer Das Simulationsprogramm Simplorer eignet sich für das Entwicklung und die

Simulation elektronischer Schaltungen. Neben den elektrotechnischen Basis-Komponenten R, L und C stehen elektronische Bauelemente in Bibliotheken zur Verfügung:� Transistoren, Thyristoren, Triacs, etc.

Spannungen und Ströme, deren Zeitverläufe mit Hilfe des Simulations-programms Simplorer berechnet werden, können mit Hilfe von signal-analytischen Verfahren z.B. einer FFT (Fast Fourier Transformation) weiter analysiert werden. Die berechneten Daten können in Textdateien exportiert werden und von weiteren Tools wie z.B. dem CAE-Tool ATPDesignerverwendet werden.



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EinleitungEinleitung

ATPDesigner und ATPATPDesigner und ATP Das CAE-Tool ATPDesigner ist eine grafische Benutzeroberfläche zum

Netzwerkberechnungsprogramm ATP (Alternative Transients Program). Mit ATPDesigner können 3-phasige Energieversorgungsnetze mit den benötigten Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren, Leitungen, Schalter, etc. nachge-bildet und die zeitlichen Verläufe von Strömen und Spannungen berechnet werden.

Kombination von ATPDesigner / ATP und SimplorerKombination von ATPDesigner / ATP und Simplorer Die Aktivitäten im Rahmen des FuE-Projektes ZEREN erfordern sowohl

� die Simulation elektronischer Schaltungen wie z.B. der Wechselrichter einer Windkraftanlage

als auch� die Simulation des 3-phasigen Energieversorgungsnetzes, in das die

Windkraftanlage Energie einspeist. Die Kombination beider Simulationsprogramme und die Entwicklung

geeigneter Dateninterface ermöglicht es, die Stärken beider Systeme zu kombinieren, um eine optimale simulationstechnische Basis im Sinne der Aufgabenstellung sicherzustellen.



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AnforderungenAnforderungen

Folgende Anforderungen wurden an die Nachbildung des Wechsel-richters mit Hilfe des Simulationsprogramms Simplorer gestellt.

� Dreiphasige Einspeisung der Windkraftanlage in das 20kV-Mittel-spannungsnetz.

� Steuerbarkeit der Wirk- und Blindleistung (Einstellung cos ϕϕϕϕ)� Analyse der Spannungen und Ströme am Netzeinspeiseknoten mit

einer Spektralanalyse (Fourier Transformation)

�Berechnung der Signalspektren der in das 20kV-Netz einge-speisten Leiterströme in Simplorer

� Definition eines universellen Dateninterfaces zu ATPDesigner

� Transfer der berechneten Signalspektren

� Synthese der Leiterströme mit Oberschwingungen in ATPDesigner

� Analyse der Oberschwingungen im 20kV-Netz im Normalbetrieb

� Analyse der Oberschwingungen im 20kV-Netz im Fehlerfall



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Netzsimulation mit Netzsimulation mit ATPDesigner

20kV-Netz mit Windpark Das Bild zeigt einen Ausschnitt aus dem 20kV-Netz, in das der

Windpark einspeist. Alle Netzebenen bis zur Niederspannung werden berücksichtigt.

nBU =600V

nAU =20kV

î = const.

110kV- Netz-einspeisung

Windpark

Ortsnetz -Transformator

20/0,4kV



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Windpark im EnergieversorgungsnetzWindpark im Energieversorgungsnetz

Das Bild zeigt einen Ausschnitt aus dem 20kV-Energieversorgungsnetz, das mit der grafischen Benutzeroberfläche ATPDesigner modelliert worden ist. Der aus mehreren Windkraftanlagen bestehende Windpark wurde hier nur aus Sicht seiner Wirkung auf das Energieversorgungsnetz nachgebildet.

Der Windpark wird durch eine 3-phasige netzfrequente Konstant-stromquelle nachgebildet, die über einen 0,6/20kV Trafo der Schaltgruppe Dyn11 in das Mittelspannungsnetz einspeist. Oberschwingungen werden hier nicht berücksichtigt.

Eine realistische Modellierung erfordert allerdings die Berück-sichtigung der von den Wechsel-richtern des Windparks verur-sachten Oberschwingungen.

nAU =20kV

Oberschwingungsfilter



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Elektrische Daten der BetriebsmittelElektrische Daten der Betriebsmittel

Elektrische Daten einer Windkraftanlage (WKA)

Somit errechnet sich der Nennstrom In:

nB

P = 1,2MW

U = 600V

n

1,2MWI = = 1160A

600V× 3



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Elektrische Daten der BetriebsmittelElektrische Daten der Betriebsmittel

Elektrische Daten des Einspeisetransformators (gemeinsamer Gruppentrafo für alle Windkraftanlagen)

: 11

6%

0, 6 / 20

15

130

k

rt

k

Schaltgruppe Dyn

u

ü kV

S MVA

P kW

=

=

=

=



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Berechnung der Streuinduktivität Berechnung der Streuinduktivität

Simulation der Wechselrichter mit Simplorer Für die Nachbildung des Wechselrichters mit Simplorer, ist es notwendig,

den Einspeisetransformator der WKA zu berücksichtigen. Seiner Wirkweise entsprechend ist es ausreichend, die Streuinduktivitäten L1 und L2 zu berück-sichtigen. Da die Hauptinduktivität Lh sehr groß gegenüber den Streuinduk-tivitäten L1 und L2 ist, kann Lh vernachlässigt werden. Die Berechnung der Streuinduktivitäten erfolgt durch den Kurzschlussstrom - Versuch ausgehend von der US-Wicklung (0,6kV) des WK-Einspeisetransformators.

3

kk

n

uX

I=

⋅

6%

600

1160

k

nB

n

h

u

U V

I A

L

=

=

=

→ ∞1 2 60

kXL L Hµ

ω+ = →



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Komponenten der WindkraftanlageKomponenten der Windkraftanlage

Dargestellt sind die elektrischen Komponenten einer WKA. Für die Nach-bildung in Simplorer wird der Zwischenkreis mit lastseitigem Stromrichter verwendet.

Generator Gleichrichter

Lastseitiger StromrichterZwischenkreis

iL1, iL2, iL3



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Prinzipschaltbild des WechselrichtersPrinzipschaltbild des Wechselrichters

Zwischenkreis

600nBU V=

Das Modell des Wechsel-richters besteht aus 3 Halbbrücken, die 120° phasenverschoben getaktet werden.

Durch das Schalten der Ventile TR1 - TR6 wird ein Strom in den 0,6/20kV - Transformator eingeprägt.

Die Ansteuerung der Ventile erfolgt mit der Pulsbreitenmodulation(PWM).

OberschwingungsfilterHalbbrücke



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Schaltbild des SimulationsmodelsSchaltbild des Simulationsmodels

S1

P

S2

L1

L2

60u

TR1

TR2

E1

U: 1100

L3

S3

TR4

S4

TR3

S5

TR5

S6

TR6

VA1 :

Phasenlage

SINUS4

t ET1

t ET2

t

ET3

SINUS5

SINUS6

A+

AM1

Amplitude := A

Phase := 120

Amplitude := A

Phase := 240

Amplitude := A

Phase: 0

VA1 :

Gegenspannung

60u

60u

SINUSA

A: 346

Io

UBeta := 0.5773*SINUS4+1.1547*SINUS5

UAlpha := SINUS4

Das hier gezeigte Schaltbild ist die Nachbildung

eines Wechselrichters in Simplorer, der in ein 600V

Netz einspeist. Der Transformator wurde durch die

berechneten Streureaktanz Xk = 60µµµµH ersetzt.

Das Energieversorgungsnetz wurde durch die drei

Spannungsquellen ET1 - ET3 nachgebildet.

iL1

iL2

iL3



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PWM Steuersignal & Leiterstrom iPWM Steuersignal & Leiterstrom iL1L1(t)(t)

Dargestellt ist der Leiterstrom iL1(t) von Leiter 1 des Wechselrichters. Es ist deutlich zu erkennen, dass die sinusförmige Grundschwingung durch Ober-schwingungen überlagert ist.

Verlauf des Leiterstroms iL1(t)

PWM Ansteuer-signal von TR1



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Zoom des Leiterstroms iZoom des Leiterstroms iL1L1(t)(t)

In diesem Bild sind das PWM-Ansteuersignal und der Aus-gangstrom iL1(t) vergrößert dar-gestellt.

Betrachtet man die Flanken des Steuersignals, so sind die Einschalt- bzw. Abschaltpunkte im Strom gut zu erkennen.

PWM-Steuersignal:

Variable Pulsbreite

Verlauf des Leiterstroms iL1(t)

mit Oberschwingungen



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Ausgangströme des Wechselrichters Ausgangströme des Wechselrichters

Das Bild zeigt den Leiterstrom iL1(t) am Ausgang des Wechselrichters. Die Amplitude wurde fest auf 1200Ap eingestellt. Der Wechselrichter speist als Konstantstromquelle diesen Strom über den 0,6/20kV – Ein-speisetransformator in das Energieversorgungsnetz ein.

I"L1" = f(T, ...

0

0

160.0m

160.0m

33.3m

33.3m

66.7m

66.7m

100.0m

100.0m

133.3m

133.3m

-1.278k -1.278k

1.278k

0 0

-1.000k -1.000k

-0.500k -0.500k

0.500k 0.500k

1.000k 1.000k



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Simplorer Simplorer & & ATP / ATPDesignerATP / ATPDesigner

FragenFragen� Wie hoch ist der Oberschwingungsanteil der Leiterströme ?

� Welche Auswirkungen der Oberschwingungen sind im Energieversor-gungsnetz zu erwarten und gibt es eine Möglichkeit diese mit ATPDesigner zu berechnen und zu analysieren ?

Im nächsten Schritt werden Möglichkeiten identifiziert, die mit Simplorerberechneten Ausgangsströme iL1(t), iL2(t) und iL3(t) mit ATPDesigner weiter zu verwenden, um die Netzrückwirkungen zu untersuchen.

ZieleZiele� Definition eines Dateninterfaces zwischen Simplorer und ATPDesigner

� Export der Leiterströme iL1(t), iL2(t) und iL3(t) aus Simplorer in eine Datei

� Import der Leiterströme iL1(t), iL2(t) und iL3(t) in ATPDesigner



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I"L1" = f...

0.037k

0.037k

5.856k

5.856k

1.250k

1.250k

2.500k

2.500k

3.750k

3.750k

5.000k

5.000k

0 0

1.250k

0.250k 0.250k

0.500k 0.500k

0.750k 0.750k

1.000k 1.000k

FFT Analyse des Ausgangsstromes iFFT Analyse des Ausgangsstromes iL1L1

Simplorer ermöglicht die Berechnung des Frequenzspektrums der Leiter-ströme, das als Diagramm oder als Tabelle ausgegeben werden kann. Dazu wird das Verfahren der FFT (Fast Fourier Transformation) verwendet.



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Die Vorteile beider Systeme nutzenDie Vorteile beider Systeme nutzen

Dateninterface Simplorer - ATPDesigner Die Verknüpfung der beiden Simulationsprogramme mittels eines eigens

entwickelten Dateninterface ermöglicht es, die in Simplorer berechneten Leiterströme in die Netzwerkberechnung von ATPDesigner zu portieren. Dazu wurde ein neues Betriebsmittel in ATPDesigner entwickelt:

� die Multi Multi FrequencyFrequency SourceSource

ATPDesignerSimplorer

MultiFrequency

Source



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Multi Multi Frequency Frequency SourceSource

Dateninterface Simplorer - ATPDesigner� Die Signaspektren der Leiterströme werden in Simplorer mit Hilfe

der FFT (Fast Fourier Transformation) berechnet.� Die Signalspektrum werden in eine Textdatei exportiert.

� ATPDesigner importiert das Spektrum aus der Textdatei.� Die Multi Frequency Source besteht aus parallel geschalteten, 3-

phasigen Spannungs- oder Stromquellen.� Je Frequenz wird eine Spannungs- oder Stromquelle verwendet.� Die Spannungs- bzw. Stromquellen sind symmetrisch d.h. um 120°

phasenverschoben.

�Die Multi Multi Frequency Frequency SourceSource bildet die Windkraftanlage nach� als 3-phasige, symmetrische Konstantstromquelle� mit Oberschwingungen entsprechend der verwendeten

Wechselrichter



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Multi Multi FrequencyFrequency SourceSource

Die Multi Frequency Source bildet oberschwingungsbehaftete Spannungs-oder Stromquellen nach. Entsprechend einem vorgegebenen Signalspektrum werden 3-phasige Spannungs- oder Stromquellen parallel geschaltet.

Import des Spektrums aus einer

Datei

Spektrum mit einzelnen

Frequenzen



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Simulation der NetzrückwirkungenSimulation der Netzrückwirkungen

Berechnung der Oberschwingungen im Berechnung der Oberschwingungen im NormalbetriebNormalbetrieb



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Windkraft im EnergieversorgungsnetzWindkraft im Energieversorgungsnetz

Das Bild zeigt das mit ATPDesigner nachgebildete 20kV-Energieversorgungsnetz. Die Einspeisung erfolgt durch das überlagerte 110kV-Netz. Die WK-Anlage speist über einen 0,6/20kV-Transformator in die 20kV-Netzebene ein. Das Niederspannungsnetz wird über einen 20/0,4kV-Transformator gespeist. Die WK-Anlage wird durch eine Multi-Frequency-Source als Stromquelle mit Oberschwingungen nachgebildet. Der zeitliche Verlauf der Leiterströme auf der 600V-Netzebene wurde durch die Simulation der Stromrichterschaltung mit Simplorer ermittelt. Grundlage der in ATPDesigner verwen-deten Stromquelle ist das Spektrum der berechneten Leiterströme.

Windpark

110kV-Netz-einspeisung

20kV-Netz 400V-Netz

Messort 6Messort 1

0,6/20kV-Trafo

20/0,4kV-Trafo Messort 7



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Leiterströme am Messort 6Leiterströme am Messort 6

Das Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Leiter-ströme, die von der Wind-kraft(WK)-Anlage über den 0,6/20kV-Transformator ein-gespeist werden.

Die durch die Wechselrichter verursachten, hochfrequen-ten Oberschwingungen sind deutlich zu erkennen.

TACS-API006 = iL1(t) TACS-API006 = iL2(t) TACS-API006 = iL3(t)

Die dargestellten Leiterströme wurden am Messort 6 gemessen (0,6kV-Netzebene der WK-Anlage). Im Folgenden wird untersucht, wie sich die durch die Wechselrichter der WK-Anlage verursachten Oberschwingungen im 20kV-Netz und im Niederspannungs-netz auswirken. Dazu werden an verschiedenen Messorten die Spannungen und Ströme berechnet und die Betragsspektren der Spannungen und Ströme ermittelt.



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Ströme und Spannungen am Messort 6Ströme und Spannungen am Messort 6

Die Diagramme zeigen die Leiterströme und Leiter-Erd-Spannungen, die am Messort 6(0,6kV-Netz der WK-Anlage) gemessen wurden. In den zeitlichen Verläufen sind die Oberschwingungen, die durch die Wechselrichter erzeugt werden, deutlich zu sehen.

Leiterströme

Leiter-Erd-Spannungen

TACS-API006 = iL1(t)

TACS-BPI006 = iL2(t)

TACS-CPI006 = iL3(t)

TACS-APV006 = uL1E(t)

TACS-BPV006 = uL2E(t)

TACS-CPV006 = uL3E(t)



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Spektrum Leiterströme am Messort 6Spektrum Leiterströme am Messort 6

Das Betragsspektrum des Leiterstroms iL1 für die 0,6kV-Netzebene zeigt folgende signifikante Frequenzen:

� 450 Hz iL1(0,6kV) : 1%

� 950 Hz iL1(0,6kV) : 0,7%

� 1850 Hz iL1(0,6kV) : 1,5%




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Das rechte Diagramm zeigt die Leiterströme, die am Messort 1 an der 20kV-Wicklung des Einspeise-transformators der WK-Anlage berechnet worden sind.

Das linke Diagramm zeigt die Leiter-ströme, die am Messort 6 (0,6kV-Netz-ebene der WK-Anlage) berechnet wurden.

Die Oberschwingungen sind deutlich im zeitlichen Verlauf der Leiterströme zu erkennen, obwohl die Einspeisung über die frequenzabhängige Reaktanz des Transformators erfolgt. Die Ursache liegt darin, dass die Stromrichter der WK-Anlage eine Konstantstromquelle und keine Spannungsquelle darstellen und daher die oberschwingungsbehafteten Leiterströme eingeprägt sind.









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Spektrum Leiterströme am Messort 1Spektrum Leiterströme am Messort 1

Das Betragsspektrum des Leiterstroms iL1 am Einspeisepunkt der WK-Anlage (Messort 1) in das 20kV-Netz zeigt gegenüber dem Betragspektrum des Leiterstroms der 0,6kV-Spannungsebene keine wesentlichen Änderungen:� 450 Hz iL1(0,6kV) : 1% iL1(20kV) : 0,9 %� 950 Hz iL1(0,6kV) : 0,7% iL1(20kV) : 0,6 %� 1850 Hz iL1(0,6kV) : 1,5% iL1(20kV) : 1,5 %

Die Verringerung der Amplituden der Oberschwingungen relativ zurGrundschwingung ist sehr gering, obwohl der 0,6/20kV-Transformator eine frequenzabhängige Reaktanz darstellt.




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LeiterLeiter--ErdErd--Spannungen am Messort 1Spannungen am Messort 1

Der Vergleich mit den Leiterströmen zeigt, dass das Verhältnis die Amplitu-den der Oberschwingungen zur Grund-schwingung in den Leiter-Erd-Spannungen kleiner d.h. günstiger ist als bei den Leiterströmen.

Das Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Leiter-Erd-Spannungen am Messort 1 (20kV-Wicklung des WK-Ein-speisetransformators).












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Spektrum Spannungen am Messort 1Spektrum Spannungen am Messort 1

Das Betragsspektrum der Leiter-Erd-Spannung uL1E am Einspeisepunkt der WK-Anlage (Messort 1) in das 20kV-Netz zeigt gegenüber dem Betragspektrum des Leiterstroms iL1 :

� 450 Hz iL1 : 0,9% uL1E : 0,12%

� 950 Hz iL1 : 0,6% uL1E : 0,14%

� 1850 Hz iL1 : 1,5% uL1E : 0,7%

Durch die frequenzabhängige Reaktanz des WK-Einspeisetransformators werden die Amplituden der hochfrequenten Oberschwingungen in den Spannungen verringert.




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LeiterLeiter--ErdErd--Spannungen Messort 1 und 6Spannungen Messort 1 und 6

Die beiden Diagramme zeigen den direkten Vergleich der Leiter-Erd-Spannungen am Messort 6 (0,6kV-Netzebene der WK-Anlage) und Messort 1 (Einspeiseknoten der WK-Anlage im 20kV-Netz). Die Amplituden der Oberschwingungen relativ zur Amplitude der netzfrequenten Grundschwingung sind im 20kV-Netz deutlich geringer als im 600V-Netz. Ursache ist hier wiederum die Wirkungsweise der Wechselrichter der WK-Anlage als Konstantstromquellen.

Messort 1 (20kV)




Messort 6 (0,6kV)






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Das Diagramm zeigt die am Messort 7 im Niederspannungsnetz gemessenen Leiter-ströme. Die Oberschwingungen im zeitlichen Verlauf der Leiterströme sind gegenüber denen am Messort 1 (20kV-Netz) gemessenen Leiterströmen deutlich geringer. Die Spektralanalyse ergab folgende Werte:

� 450 Hz iL1(20kV) : 0,9% iL1(0,4kV) : 0,08 %

� 950 Hz iL1(20kV) : 0,6% iL1(0,4kV) : 0,05 %

� 1850 Hz iL1(20kV) : 1,5% iL1(0,4kV) : 0,11 %

Das linke Diagramm zeigt die Leiter-ströme, die am Messort 1 (20kV-Netz-ebene) gemessen wurden.





TACS-BPI007= iL2(t)

TACS-CPI007= iL3(t)



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Spannungen am Messort 7Spannungen am Messort 7

Das Diagramm zeigt den zeit-lichen Verlauf der Leiter-Erd-Spannungen am Messort 7 (0,4kV-Netz).




Das Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Leiter-Erd-Spannungen am Messort 1 (20kV-Wicklung des WK-Ein-speisetransformators).




uL1E 20kV uL1E 0,4kV

450 Hz 0,12% 0,08 %

950 Hz 0,14% 0,07 %

1850 Hz 0,7% 0,2 %



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Ergebnis der FrequenzanalyseErgebnis der Frequenzanalyse

Signal 450Hz 950Hz 1850Hz

Messort 1 / 20kV uLE1 0,12% 0,14% 0,7%

Messort 7 / 0,4kV uLE1 0,08% 0,07% 0,2%

Messort 6 / 0,6kV iL1 1% 0,7% 1,5%

Messort 1 / 20kV iL1 0,9% 0,6% 1,5%

Messort 7 / 0,4kV iL1 0,08% 0,05% 0,11%

Die Tabelle zeigt den Betrag der in den Strömen und Spannungen gemesse-nen Oberschwingungen.



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Kurzschluss im 20kVKurzschluss im 20kV--NetzNetz

Simulation dynamischer NetzvorgängeSimulation dynamischer Netzvorgänge



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3pE 3pE -- Kurzschluss im 20kVKurzschluss im 20kV--NetzNetz

Mit Hilfe von ATPDesigner wurden die Ströme und Spannungen berechnet, die sich bei einem 3-poligen Kurzschluss auf Freileitung von der 110kV-Schaltanlage zum Einspeiseknoten der Windkraft-Anlage ergeben. Der Fehlerort wurde mit 50% ange-nommen (siehe Markierung im Netzdiagramm).

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Leiterströme (Messort 1) gemessen im fehlerfreien, stationären Netzzu-stand

Das Diagramm zeigt ebenfalls die Leiterströme am Messort 1, die vor und während des 3-poligen Kurzschluss berechnet wurden. Der Kurzschlusseintritt erfolgte zum Zeit-punkt 40ms. Wie zu erwarten war, bleibt die Amplitude des Leiterstroms auch nach Kurzschlusseintritt konstant. Dies entspricht dem realen Verhalten von Windkraft-Anlagen, die im Kurzschlussfall eine durch die Stromrichter nach oben begrenzten Kurzschlussstrom ins Energieversorgungsnetz einspeisen.






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Spannungen am Messort 1Spannungen am Messort 1

Das Diagramm zeigt die Leiter-Erd-Spannungen am Messort 1 (Einspeiseknoten der WK-Anlage im 20kV-Netz). Nach Kurzschlusseintritt (40ms) ist ein transienter Aus-gleichsvorgang zu erkennen, der durch die Kapazitäten der Freileitungen des 20kV-Netzes verursacht wird.






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Das Diagramm zeigt die Leiterströme am Messort 8 unmittelbar am Abgang der 20kV-Freileitung in der 110kV-Schaltanlage. Wie zu erwarten war, sind im zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstroms keine Oberschwingungen zu erkennen.

Die von der Windkraft-Anlage erzeugten Oberschwingungen sind in den Leiterströmen nach Kurzschlusseintritt vorhanden, allerdings sind die Oberschwingungen gegenüber der Grundschwingung des Kurzschlussstroms vernachlässigbar. Auch hier wird das reale Verhalten von Windkraft-Anlagen korrekt nachgebildet, da die von den Wechselrichtern der Windkraftanlage erzeugten Oberschwingungen unabhängig vom Netzzustand konstant bleiben.






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Der 3-polige Kurzschluss verursacht am Messort 2 (20kV-Wicklung des 20/0,4kV-Ortsnetztransformators) sowohl in den Spannungen als auch den Strömen einen ausgeprägten Gleichanteil, der nur sehr langsam abklingt. Der Gleichanteil wird nicht ins Niederspannungsnetz übertragen, da der Ortsnetztransformator diesen Signalanteil nicht überträgt.






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Ströme und Spannungen am Messort 7Ströme und Spannungen am Messort 7

Die im Niederspannungsnetz am Messort 7 messbaren Ströme und Spannungen zeigen, dass im Falle des 3-poligen Kurzschluss die Spannungen und Ströme im Niederspannungsnetz ebenfalls zusammenbrechen. Die Einspeisung der Windkraft-Anlage in das 20kV-Netz hat auf die Versorgung im Niederspannungsnetz keinen Einfluss.

Leiterströme










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Erdschluss im 20kVErdschluss im 20kV--NetzNetz

Simulation dynamischer NetzvorgängeSimulation dynamischer Netzvorgänge



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Erdschluss im 20kVErdschluss im 20kV--NetzNetz

In dem obigen Beispiel wird am gleichen Fehlerort ein Erdschluss angenommen, der z.B. durch einen Blitzeinschlag während eines Gewitters verursacht werden kann. Der 110/20kV-Einspeisetransformator ist mit einer Erdschlusslöschspule versehen. Der Sternpunkt der 20kV-Wicklung des WK-Einspeisetransformators wird isoliert betrieben.

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Spannungen und Ströme Messort 1Spannungen und Ströme Messort 1

Die beiden Diagramme zeigen die Leiter-Erd-Spannungen und Leiterströme am Messort 1 (20kV-Wicklung des WK-Einspeisetransformators). In den Leiter-Erd-Spannungen sind die Auswirkungen des am Fehlerort brennenden Lichtbogens zur erkennen (rechteckförmige Lichtbogenspannung). Die durch die Wechselrichter verursachten Oberschwingungen sind auch hier deutlich zu erkennen.







Leiterströme




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Die beiden Diagramme zeigen die Leiter-Erd-Spannungen und Leiterströme am Messort 8 (20kV-Wicklung des 110/20kV-Einspeisetransformators). Die rechteckförmige Licht-bogenspannung am Fehlerort überlagert sich dem sinusförmigen Längsspannungs-abfall auf der Leitung zum Einspeiseknoten der WK-Anlage. Der zeitliche Verlauf der Leiter-Erd-Spannung ist daher fast dreieckförmig. Die Oberschwingungen der WK-Anlage sind in den fehlerfreien Leiter-Erd-Spannungen deutlich zu erkennen.







Leiterströme




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Die beiden Diagramme zeigen die Leiter-Erd-Spannungen und Leiterströme am Messort 2 (20kV-Wicklung des Ortsnetztransformators). Die Oberschwingungen in den Leiter-strömen am Messort 2 sind wesentlich geringer als am Messort 1, da die zwischen beiden Messorten liegende Freileitung dämpfend wirkt. Die Freileitung wurde unter Berücksichtigung der Leiter-Leiter- und Leiter-Erd-Kapazitäten nachgebildet. Die Auswirkungen der Spannungsunsymmetrie auf die Leiterströme sind deutlich zu erkennen.







Leiterströme




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Die beiden Diagramme zeigen die Leiter-Erd-Spannungen und Leiterströme am Messort 7 (Hausanschluss im 0,4kV-Niederspannungsnetz). Die Oberschwingungen in den Leiter-Erd-Spannungen sind nicht zu erkennen, in den Leiterströmen sind diese eher gering ausgeprägt. Die Auswirkungen der Spannungsunsymmetrie im 20kV-Netz, die durch den Erdschluss verursacht werden, auf die Leiterströme und die Leiter-Erd-Spannungen im Niederspannungsnetz sind deutlich zu erkennen.







Leiterströme




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Zusammenfassung und ErgebnisseZusammenfassung und Ergebnisse

Die Kombination der Simulationssysteme Simplorer (Stromrichter und Leistungs-elektronik) und ATPDesigner (Energieversorgungsnetze) können die von einer Wind-kraftanlage in das Energieversorgungsnetz eingespeisten Leiterströme berechnet werden. Dabei werden durch Simplorer die durch die Wechselrichter verursachten Oberschwingungen in der Simulation des Energieversorgungsnetzes korrekt berück-sichtigt.

� Die Nachbildung der Windkraftanlage im Energieversorgungsnetz erfolgt als 3-phasige Konstantstromquelle, die nicht nur die netzfrequente Grundschwingung sondern alle durch die eingesetzte Wechselrichtertechnologie verursachten höherfrequenten Signalanteile berücksichtigt.

� Zur Nachbildung wird in ATPDesigner das Element Multi-Frequency-Sourceverwendet. Hier können zusätzlich zur netzfrequenten Grundschwingung z.Zt. bis zu 200 höherfrequente Signalanteile berücksichtigt werden.

� Die Nachbildung der Windkraft-Anlage als Multi-Frequency-Source ermöglicht es, die Auswirkungen der harmonischen wie auch der nicht-harmonischen Ober-schwingungen im Energieversorgungsnetz zu analysieren.

� Netzrückwirkungen der Windkraftanlage können auf allen Netzebenen bis zum Hausanschluss berechnet und analysiert werden. ATPDesigner bietet hier vielfältige Möglichkeiten wie z.B. die Berechnung der Betragsspektren.

� Grundsätzlich können auch andere Betriebsmittel, die mit Wechselrichter-technologien elektrische Energie in ein Energieversorgungsnetz einspeisen wie z.B. Photovoltaik-Anlagen berücksichtigt werden.



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Zusammenfassung und ErgebnisseZusammenfassung und Ergebnisse

Untersuchung dynamischer Netzvorgänge

Neben der Analyse stationärer Netzzustände ist es möglich, auch dynamische Netzvorgänge zu berechnen und zu untersuchen. Die technischen Eigenschaften der in das Energieversorgungsnetz einspeisenden Windkraftanlage werden dabei korrekt berücksichtigt.

� Die Eigenschaften von Windkraftanlagen im Fehlerfall werden korrekt berücksichtigt.

� Begrenzung des Teilkurzschlussstroms der Windkraftanlage

� Netzrückwirkungen durch die Wechselrichtertechnologie

� Auswirkungen auf Ströme und Spannungen können auf allen Netzebenen berechnet und mit Spektralanalysen analysiert werden.

� Ein- oder mehrphasige Photovoltaik-Anlagen können auf allen Netz-ebenen berücksichtigt werden.



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AusblickAusblick

� Die Kombination von Simplorer und ATPDesigner ermöglicht die Unter-suchung stationärer und vor allem dynamischer Netzvorgänge.

� Netzrückwirkungen, die durch Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen ver-ursacht werden, können für stationäre und dynamische Netzvorgängeberechnet und analysiert werden.

� Die Verwendung des Simulationssystems Simplorer ermöglicht die Nach-bildung und Simulation aller interessierender Wechselrichtertechnolo-gien.

� Durch den Einsatz der grafischen Benutzeroberfläche ATPDesigner ist die Simulation beliebiger Energieversorgungsnetze möglich.

Simplorer und ATPDesigner bieten enorme Freiheiten und eine große Flexibilität.� Individuelle Energieversorgungsnetze und Wechselrichtertechnologien� Analyse bestehender Anlagen und Netze als Status Quo-Analyse� Berechnung und Analyse zukünftiger Szenarien als Planungsgrundlage

Optimierung des derzeitigen und zukünftigen Optimierung des derzeitigen und zukünftigen NetzbetriebsNetzbetriebs



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Links und ELinks und E--Mail AdressenMail Adressen

Prof. Dr.-Ing. Michael Igel

� [email protected]

� www.htw-saarland.de/members/michael.igel

Prof. Dr.-Ing. Stefan Winternheimer

� [email protected]

ATPDesigner

� http://people.freenet.de/atpdesigner

ATP (Alternative Transients Program)

� www.eeug.org

� www.emtp.org

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Windkraftanlagen in Energieversorgungsnetzen - … · Das Simulationsprogramm Simplorer eignet sich für das Entwicklung und die Simulation elektronischer Schaltungen. Neben den elektrotechnischen