Dynamische Wechselwirkung von Windparks mit dem Übertragungsnetz

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1 Dynamische Wechselwirkung von Windparks mit dem Übertragungsnetz Prof. Dr.-Ing. habil I. Erlich Universität Duisburg-Essen Fachgebiet Elektrische Anlagen und Netze Dr.-Ing. W. Winter E.ON Netz GmbH Dr.-Ing. U. Bachmann Vattenfall Europe Transmission GmbH Vattenfall Europe Transmission GmbH

2 Installierte Windleistung in Deutschland Mai 2003 Hamburg E.ON Dortmund Düsseldorf Berlin Vattenfall Europe E.ON Netz: VET: RWE Net: ENBW: 5823 MW 4761 MW 2271 MW 200 MW RWE Bayreuth Karlsruhe EnBW Munich 2

3 Problemkreise Netzdynamik Kurzschluss Transiente Stabilität Frequenzstabilität Leistungsbilanz Spannungsregelung/ Blindleistungsbereitstellung Netzerweiterung/ Netzverstärkung [s] µs ms s min Stunde Tag Jahr 3

4 Regelung von WEA DFIM 4

5 Spannungsprofil bei Kurzschluss 5

6 Verhalten der WEA bei Kurzschluss Bisher U < 80% unverzügliche Trennung vom Netz Zukünftig Verbleib am Netz Forcierte Lieferung von Blindleistung während und nach dem Kurzschluss Schnelle Rückkehr zur vollen Wirkleistungseinspeisung 6

7 Riding Through Fault Capability U[pu] 1,0 0,9 Sofortige Bereitstellung der Wirkleistung nach Fehlerklärung 0,8 0,7 0,6 0,5 0,45 0,4 Schnelle Bereitstellung der Wirkleistung nach Fehlerklärung Restspannungsbetrieb 0,3 0,2 0,15 0,1 Kein Trennen der WEA vom Netz oberhalb der roten Linie 0,7 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 t [sec] 7

8 Back-Up Voltage Operation U/U n Obere Begrenzung des Spannungsbandes Normalbetrieb konst. cos ϕ Umschalten auf Spannungsstützung 10% Spannungsband Untere Begrenzung des Spannungsbandes 0,5 P Kap. Blindleistungserzeugung -1,0 I b /I n I b /I n -Diagramm zur Spannungsstützung 8

9 Fault-Ride-Through-Control Quelle : Zürich 9

10 Fault-Ride-Through-Control 8 4 i_l in p.u. ohne CBR mit CBR a) b) phase fault of 150 ms 3-phase fault of 150 ms 10

11 Fault-Ride-Through-Control IDS FRT-Control Systemverhalten nach Spannungseinbruch Systemverhalten während Resynchronisation und Spannungswiederkehr Quelle : Zürich 11

12 Vergleich Synchrongenerator-WEA 1.1 pu Synchronous Generator Voltage 1.1 pu WT with E.on voltage support Voltage pu Active Power pu t/s 8 Active Power pu Reactive Power t/s pu Reactive Power t/s t/s 8 12

13 Problem Kurzschlusserfassung p.u Kurzschluss und FRT 2 - Kurzschluss aufgehoben 3 - FRT aufgehoben, Resynchronisation Klemmenspannung netzseitiger Strom t/s

14 SM 5x220MVA SM 5x220 MVA SM 3x220 MVA SM 4x220 MVA 50 km 250 MVA 100 km 100 km 100 km 100 km 100 km SM 2x220 MVA 150 kv Kabel 3 Windparks mit 80x3MW und 80x5MW Einzelanlagen mit ausführlicher Regelung, detaillierte Netztopologie SM 5x259 MVA SM 5x259 MVA SM 6x259 MVA 100 m 2x247 MVA SM 50 km 50 km 1x630 MVA 100 km 4x630 MVA 100 km 2x630 MVA 6x247 MVA SM 290 km 50 km 20 km 50 km 20 km 80 km 2x250 MVA 90 km SM 70 km 20 km 20 km 50 km 6x247 MVA 80 km 70 km 80 km 1x300 MVA 30 km 70 km 20 km 1x250 MVA 1x800 MVA 1x630 MVA 1x630 MVA 40 km 40 km SM 40 km 4x247 MVA 4x247 MVA SM 40 km 40 km 50 km 30 km 30 km 40 km 50 km 40 km 290 km 4x247 MVA SM 5x247 MVA SM 40 km 60 km 40 km 40 km 50 km 9 1x250 MVA 50 km 40 km 50 km SM 4x259 MVA 40 km 380 kv 220 kv 110 kv km 1x250 MVA

15 Fehlererfassung 3p KS 5 Strom 400 kv kv Kabel x3MW WEA 40x5MW WEA 40x5MW WEA 15

16 Fehlererfassung p KS kv 150 kv Kabel KS KS x3MW WEA 40x5MW WEA 40x5MW WEA

17 Problem Transiente Stabilität 200 deg 150 Rotor angle unstable Einfluss der zunehmenden WEA-Einspeisung auf kritische Abschaltzeit von konventionellen Synchrongeneratoren stable 0? t/s 2 17

18 Problem Oszillatorische Stabilität 1.2 p.u Electrical Power t/s 10 Einfluss der zunehmenden WEA- Einspeisung auf -Frequenz -Dämpfung? 18

19 Problem Frequenzstabilität Hz Netzfrequenz Einfluss der zunehmenden WEA-Einspeisung auf -f min -t min t/s 30? 19

20 Effekte durch WEA Bisher Synchronmaschinen Zukünftig Synchronmaschinen WEA Synchronmaschinen und WEA haben unterschiedliche dynamische Charakteristiken Anteil von Synchronmaschinen nimmt ab => WEA müssen gewisse Aufgaben übernehmen 20

21 Fluktuierenden Windeinspeisung 164 kv 163 Spannungen im 150-kV-Netz WEA speisen konstante Blindleistung t/s

22 Fluktuierenden Windeinspeisung 164 kv 163 Spannungen im 150-kV-Netz WEA mit Klemmenspannungsregelung + Stromstatik t/s

23 Schlussfolgerungen Für einen erweiterten Einsatz von WEA sind dringend erforderlich: Begrenzung der WEA Ausfallleistung Netzkonformes dynamisches Verhalten - Spannungsstützung, Spannungsregelung - keine Verschlechterung der Dämpfung von elektromechanischen Oszillationen, evt. Beteiligung an der Pendeldämpfung (WEA-PSS) - Beitrag zur Stützung der transienten Stabilität - Keine Verschlechterung der Frequenzstabilität durch WEA, evt. Beitrag zur Frequenzstützung 23