Die Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) zur Einbindung regenerativer Erzeuger in elektrische Netze

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1 Die Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) zur Einbindung regenerativer Erzeuger in elektrische Netze Dr.-Ing. Institut für Elektrische Energietechnik Vortrag an der TU München am Veranstalter: VDE-Bezirksverein Südbayern e.v.

2 Dissertation zum Thema: Hesse, Ralf: Virtuelle Synchronmaschine Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger 2007 Zugl.: Clausthal, Tech. Univ., Dissertation 2007 ISBN

3 Ausfall der Elektroenergieversorgung an der Ostküste der USA am Zahl der betroffenen Einwohner: 50 Mio. Wirtschaftlicher Schaden: 6 Mrd. Dollar Dauer: lokal bis zu 5 Tagen Quelle: Westerhold, H., Sicherheitskritische Systeme Zahl der ausgefallenen Kraftwerke: 265 Fehlende elektrische Leistung: 61 GW Mitursache: Softwarefehler im State Estimator Quelle: Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 3

4 Systemwechsel in der Erzeugertechnologie und einhergehende Netzneustrukturierung Die Versorgung wird schlechter Dr. Lutz Cleemann über den europaweiten Blackout am 04. November 2006 "Nach allem, was bisher zu erfahren war, lag der Fehler im System." "Das Stromnetz kann Fehler zunehmend schlechter verkraften." Dr. Lutz Cleemann, Leiter der Risikoforschung des Versicherers Allianz im FOCUS-Interview vom November 2006 "Die Energieunternehmen haben in den vergangenen Jahren aus Kostengründen Reservekapazitäten abgebaut." "Mit durchschnittlich 15 Minuten Ausfallzeit pro Jahr lag Deutschland im europäischen Vergleich am Ende der Störungstabelle. Aber bis Ende 2005 ist die Ausfallzeit bereits um 50 % auf 23 Minuten gestiegen." Quelle: FOCUS 46/2006, S. 32 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 4

5 Bundesnetzagentur warnt vor schleppendem Netzausbau Es besteht ein erheblicher Investitionsbedarf Matthias Kurth, Leiter der Bundesnetzagentur warnt vor drastischen Folgen Der Ausbau des deutschen Stromnetzes muß forciert werden. Es besteht ein erheblicher Investitionsbedarf. Matthias Kurth, Präsident der Bundes- Netzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen Die zunehmende Windenergienutzung sowie der Anstieg der Stromtransite haben zu einer hohen Netzauslastung geführt. Die Beschleunigung der Genehmigungsverfahren und damit die Sicherstellung des Ausbaus eines effizienten Strommarkts ist eine der wesentlichen Aufgaben zur langfristigen Gewährleistung der Versorgungssicherheit, die auch politische Unterstützung erfordert. Quelle: SpiegelOnline 9. Januar 2008 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 5

6 Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 6

7 Sicherer Netzbetrieb durch Synchronmaschinen Frequenzgesteuerte Wirkleistungsabgabe Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 7

8 Sicherer Netzbetrieb durch Synchronmaschinen Spannungsgesteuerte Blindleistungsabgabe Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 8

9 Sicherer Netzbetrieb durch Synchronmaschinen Frequenzhaltung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 9

10 Umstrukturierung der Netze Übergang zum dezentralen Netz Notwendigkeit der Einbindung regenerativer Erzeuger Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 10

11 Energieeinspeisung durch Netzwechselrichter Bisherige Vorstellung: Ideales Netz Problem: Leistungsaufteilung beim Einsatz vieler Wechselrichter Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 11

12 Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 12

13 Synchrongeneratoren Arbeitspferde der elektrischen Energieerzeugung Im Verbundbetrieb bewährt seit über 100 Jahren Stabilisieren den Netzbetrieb Kraftwerk Schwarze Pumpe, Synchrongenerator 1000 MVA (Bildquelle: Wikipedia) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 13

14 Synchronmotoren Auch als Antriebe zur Wandelung elektrischer in mechanische Energie Bei direkter Netzanbindung drehen SM synchron mit Netzfrequenz und koppeln das mechanische mit dem elektrischem System Wassergekühlte Synchronmotoren (Bildquelle: Bosch, Oswald) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 14

15 Virtuelle Synchronmaschine Grundidee Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 15

16 Virtuelle Synchronmaschine Komponenten Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 16

17 Virtuelle Synchronmaschine Maschinenmodell Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 17

18 Virtuelle Synchronmaschine Energetische Korrespondenz virtuelle Maschinengrößen - Zwischenkreis Anforderungen an das Speichersystem Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 18

19 Virtuelle Synchronmaschine Anforderungen an das Speichersystem Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 19

20 Virtuelle Synchronmaschine Wirk- und Blindleistungsfernabruf durch das Netz Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 20

21 Virtuelle Synchronmaschine Freie Parametrierbarkeit des Maschinenmodells Einstellbares dynamisches Verhalten Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 21

22 Virtuelle Synchronmaschine Erhöhung der Netzkurzschlußleistung durch transiente kapazitive Blindleistung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 22

23 Virtuelle Synchronmaschine Analogie zu den Vorgängen im konventionellen Kraftwerk Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 23

24 Virtuelle Synchronmaschine Konventionelle Wirkleistungsregelung Wirkleistungsregelung mit VISMA Konventionelle Blindleistungsregelung Blindleistungsregelung mit VISMA Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 24

25 Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 25

26 VISMA Drei-Level-Umrichter Ersatzschaltbild mit Dreipunktregler Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 26

27 VISMA Drei-Level-Umrichter Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 27

28 Kopplung der VISMA an einen inselnetzbildenden Wechselrichter Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 28

29 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 29

30 Ausgangsspannung und Netzstrom der motorischen VISMA Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 30

31 Netzwirk- und Netzblindleistung der VISMA nach Beaufschlagen der virtuellen Welle mit einem Drehmoment Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 31

32 Verstellung der Wirkleistung der VISMA durch rampenförmige Veränderung des virtuellen Moments Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 32

33 Reaktion der VISMA auf Netzspannungseinbruch Ohne VISMA Mit VISMA Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 33

34 Netzwirk- und Blindleistung der VISMA nach sprungförmiger Erhöhung der virtuellen Erregerspannung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 34

35 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 35

36 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 36

37 Gesteuerte, manuelle Einprägung von Oberschwingungsströmen Gleichphasiger Strom der 3. Oberschwingung Gegenphasiger Strom der 3. Oberschwingung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 37

38 VISMA im Parallelbetrieb mit einem Inselnetzwechselrichter Zeitlicher Verlauf der Spannungen im Inselnetz bei unzureichender Filterung der Ausgangsspannung des raumzeiger- Modulierten Wechselrichters. Zeitlicher Verlauf der Spannungen nach Eingriff der VISMA. Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 38

39 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 39

40 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 40

41 Gesteuerte Einprägung unsymmetrischer Ströme ins Netz Einprägung eines zur 1. Phase der Netzspannung gleichphasigen Stromes Einprägung eines zur 1. Phase der Netzspannung gegenphasigen Stromes Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 41

42 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 42

43 Kompensation von Netzschwingungen am Beispiel des im Inselbetrieb stabilitätskritischen Netzes des Energieparks Clausthal Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 43

44 Kompensation von Netzschwingungen am Beispiel des im Inselbetrieb stabilitätskritischen Netzes des Energieparks Clausthal Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 44

45 Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 45

46 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 46

47 Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 47

48 Mögliches Anwendungsgebiet: Photovoltaik Wandelung von Sonnenstrom (Gleichstrom aus dem PV-Modul) in Netzstrom (Wechsel- bzw. dreiphasiger Drehstrom) Dreiphasiger Solarwechselrichter kw (Bildquelle: SMA) Zentralwechselrichter 100 kw (Bildquelle: LTi) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 48

49 Mögliches Anwendungsgebiet: Windenergie Wind-Rotor treibt Generator an Wechselrichter als elektronisches Getriebe Drehzahlvariabler Betrieb zur Ertragssteigerung Ringgenerator Enercon E-112 (Bildquelle: wind-energie.de) Umrichter einer Windkraftanlage (Bildquelle: VENSYS) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 49

50 Mögliches Anwendungsgebiet: Blockheizkraftwerke Umrichter als elektronisches Getriebe Verbesserter Teillastwirkungsgrad des Verbrennungsmotors 100-kW-BHKW mit Umrichterkopplung ans Netz (Bildquelle: Tecogen) drehzahlvariables 20-kW-BHKW (Bildquelle: Spilling) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 50

51 Mögliches Anwendungsgebiet: Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Flexible Drehstrom-Übertragungssysteme Verbessert die Steuerbarkeit des Leistungsflusses Erhöht die Übertragungskapazität von Netzen Leistungselektronik (Umrichter) MINICOMP (Bildquelle: ABB) SIPLINK (Bildquelle: Siemens) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 51

52 Mögliches Anwendungsgebiet: Batterieladegeräte Wechselstrom in Gleichstrom (und zurück) leistungselektronisches Ladegerät Stationär und Mobil 1,5 kw Antriebsleistung, 2,5 kwh, 400 W Ladegerät (Bildquelle: EVT-Scooter) Battery Energy Storage System (BESS) Fairbanks, Alaska, 40 MW (Bildquelle: ABB) Inselwechselrichter 3,3 kw, mit 2 kw PV und 3 kw Dieselaggregat (Bildquelle: SMA) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 52

53 Topologie des Prüfstandes Multi-VISMA-Netz im Energieforschungszentrum (EFZN) / Goslar Test der VISMA im Parallelbetrieb Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 53

54 Multi-VISMA-Prüfstand (EFZN) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 54

55 Vielen Dank! Förderung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 55