HGÜ. eine «Firewall» gegen Störungen in Hochspannungsnetzen. Lennart Carlsson

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1 eine «Firewall» gegen Störungen in Hochspannungsnetzen Lennart Carlsson Die Zusammenschaltung von Stromnetzen ist eine gute Sache, denn sie bietet nicht nur wirtschaftliche Vorteile durch gemeinsame Nutzung von Ressourcen, sondern ermöglicht auch den Handel mit Elektrizität. Der Nachteil ist jedoch, dass sich Störungen leicht von einem Netzbereich zum anderen ausbreiten können. Wie die großflächigen Stromausfälle der letzten Jahre gezeigt haben, können relativ kleine Störungen große Auswirkungen auf weite Gebiete haben. Kommt es zur Überlastung und Abschaltung einer Verbindung, erhöht sich die Last auf benachbarten Leitungen, die dann ebenfalls abgeschaltet werden. Die Folge ist ein sich über große Flächen lawinenartig ausbreitender Stromausfall, der der Industrie enorme Produktionseinbußen beschert. Die Lösung ist eine Art «Firewall», die den Austausch von Energie ermöglicht, aber die Ausbreitung von Störungen verhindert. Dies kann mit Hilfe von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsverbindungen (HGÜ-Verbindungen) erreicht werden. Eine HGÜ-Verbindung bietet die Möglichkeit, die Energieübertragung zuverlässig zu regeln, ohne dass es zur Überlastung oder Ausbreitung von Fehlerströmen kommt. 42 ABB Technik 3/2005

2 Die schweren Stromausfälle in vielen Teilen der Welt zeigen, wie verwundbar die großen Stromnetze sind. Trotz steigender Nachfrage und zunehmender Stromerzeugung wurde in den letzten 20 bis 30 Jahren in Europa und Nordamerika nur wenig in den Ausbau der Stromnetze investiert. Die Hauptgründe hierfür liegen zum einen in der ablehnenden Haltung der Öffentlichkeit gegenüber neuen Übertragungsleitungen und zum anderen in Unklarheiten über die Verteilung der Erträge aus den neuen Verbindungen auf die Eigner und Investoren auf dem gerade erst liberalisierten Markt. Die Kupplung von Netzen bietet dem Verbraucher die Möglichkeit, Strom von dort zu beziehen, wo er am günstigsten produziert werden kann. Gleichzeitig können mitlaufende und andere Reserven innerhalb des Netzes gemeinsam genutzt werden. Andererseits können sich aber auch Störungen über die Kuppelleitungen von einem Netz zum anderen ausbreiten. Je komplexer die Vermaschung der Netze, desto schwerer ist ein solches System zu kontrollieren. So können Ausfälle, die zunächst harmlos erscheinen, zu großflächigen Kettenreaktionen führen. Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) kann hier zu einer geregelten Energieübertragung beitragen, sichert die Netzstabilität und hilft, Störungen einzudämmen. Seit 1999 setzt sich der Stromnetzexperte George C. Loehr für die Aufspaltung der zwei riesigen nordamerikanischen Stromnetze in viele kleinere Netze ein. Diese Mini-Netze könnten durch HGÜ- Leitungen statt wie bisher durch Drehstrom-Kuppelleitungen verbunden werden. «Mit Drehstrom wirkt sich das, was an einer Stelle passiert, im gesamten Netz aus. Eine größere Störung in Ontario ist selbst noch in Oklahoma, Florida und Maine zu spüren. Mit Gleichstrom passiert dies nicht es isoliert die kleinen Netze voneinander und ermöglicht dennoch den Energieaustausch», so Loehr 1). Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften können HGÜ-Verbindungen nicht überlastet werden und wirken wie eine «Firewall», die die Störung eindämmt. HVDC und HVDC Light Bei der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (engl. High-Voltage DC Transmission, HVDC) 1, 2 wird elektrische Energie aus einem Drehstromnetz entnommen und in einer Umrichterstation in Gleichstrom umgewandelt. Dieser wird über ein Kabel oder eine Überlandleitung an den Zielort übertragen, wo er in einer weiteren Umrichterstation wieder in Wechselstrom umgewandelt und in das dortige Drehstromnetz eingespeist wird. Da die Umwandlung vollständig geregelt abläuft, wird die übertragene Leistung nicht wie bei Wechselstrom durch Impedanzen oder Phasenwinkelunterschiede bestimmt. Bei der klassischen HGÜ (gelegentlich auch als «HVDC Classic» bezeichnet), die bereits seit 50 Jahren auf dem Markt ist [1], erfolgt die Umwandlung zwischen Gleichund Wechselstrom mit Hilfe von Thyristorventilen. Die typische Nennleistung einer HGÜ-Verbindung liegt bei über 100 MW, häufig im Bereich von MW. Bei einem HGÜ-System wird der Leistungsfluss schnell und präzise sowohl in der Höhe als auch in der Richtung durch Leitsysteme geregelt. Dies ermöglicht eine flexible Laststeuerung und erhöht die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der angeschlossenen Drehstromnetze. In einem HVDC Light -System erfolgt die AC/DC-Umwandlung nicht mit Thyristoren, sondern mit Hilfe von IGBT- Ventilen, die sich durch zusätzliche Funktionen und eine größere Flexibilität auszeichnen. Diese völlig neue Übertragungstechnik wurde von ABB in den 90er Jahren entwickelt. Sie eignet sich besonders für kleinere Übertragungsanwendungen (derzeit bis zu 550 MW) und dehnt den wirtschaftlich rentablen Leistungsbereich der HGÜ bis auf wenige Megawatt nach unten aus. HVDC Light 3, [2] arbeitet immer mit Erdoder Seekabeln und wird deshalb gelegentlich auch als «unsichtbare Energieübertragung» bezeichnet. HGÜ-Anwendungen Die klassische HGÜ wird häufig dort zur Kopplung von Stromnetzen eingesetzt, wo keine herkömmlichen Drehstromver- bindungen verwendet werden können, z.b. an Schnittstellen zwischen Systemen verschiedener Frequenz (z.b. 50 und 60 Hz) oder wo eine unabhängige Frequenzregelung der einzelnen Netze vorhanden ist. Solche Verbindungen werden manchmal in Form einer Kurzkupplung (Back-to-Back-System) realisiert, bei der sich die Gleichrichter- und Wechselrichterstationen am selben Standort befinden. Viele lange HGÜ-Verbindungen (> 600 km) dienen dazu, Energieerzeugungsanlagen wie große Wasser- und Wärmekraftwerke mit den optimalen Netzeinspeisepunkten zu verbinden. Die meisten HGÜ-Kabelverbindungen verlaufen unter Wasser (> 50 km) und verbinden asynchrone Stromnetze miteinander. HVDC Light -Anlagen sind mittlerweile mit bis zu 350 MW in kommerziellem Betrieb, und Anlagen mit bis zu 550 MW sind derzeit lieferbar. Die Verbindung zwischen den Umrichterstationen basiert auf speziellen ölfreien, extrudierten Kabeln (Erd- und/oder Seekabel) mit derzeit realisierten Längen von bis zu 180 km [3]. HVDC Light kann auch als Back-to-Back-System implementiert werden. Leistungsregelung Bei einer klassischen thyristorbasierten HGÜ lässt sich die Leistung von der Minimallast (normalerweise zwischen 5 und 10% der Nominalleistung) bis zur Nennlast variieren. Unterhalb der Minimallast kann die Übertragungsverbindung in den Stand-by-Betrieb geschaltet werden. Änderungen durch das Bedienpersonal werden mit einer vordefinierten Anstiegsrate umgesetzt. Änderungen der Leistungsrichtung können im Standby-Betrieb vorgegeben und in Bruchteilen von Sekunden umgesetzt werden. Bei HVDC Light gibt es keine erforderliche Minimalleistung. Hier kann die Leistung unterbrechungsfrei und ohne die Zuschaltung von Filtern und Parallelkondensatoren von +100% bis 100% geregelt werden. Verhalten bei Störungen im Drehstromnetz Kommt es in dem Drehstromnetz, das mit dem Gleichrichter verbunden ist, zu 1 Klassisches HGÜ-Schema zur Verbindung zweier Stromnetze 2 HVDC Light -Schema zur Verbindung zweier Stromnetze Lastfluss Blindleistungsfluss Blindleistungsfluss Lastfluss Netz 1 Netz 2 Netz 1 Netz 2 ABB Technik 3/

3 einer vorübergehenden Störung, kann dies zu einem Leistungsverlust in der HGÜ-Verbindung führen. Selbst bei einphasigen Fehlern in der Nähe kann die Verbindung noch bis zu 30% der vor der Störung vorhandenen Leistung übertragen. Sobald die Störung behoben ist, wird die vorherige Leistung wiederhergestellt. Kommt es zu einer vorübergehenden Störung in dem Drehstromnetz, das mit dem Wechselrichter verbunden ist, kann dies bei der klassischen HGÜ zu einem Kommutierungsfehler und damit zur Unterbrechung des Leistungsflusses führen. Die Leistungsübertragung wird wiederhergestellt, sobald die Störung behoben ist. Eine entfernte Störung, die sich nur geringfügig auf die Spannung der Umrichterstation auswirkt (weniger als 10%) führt normalerweise zu keinem Kommutierungsfehler. Ein kondensatorkommutierter HGÜ-Stromrichter (Capacitor-Commutated Converter, CCC) [4] ist in der Lage, einem doppelt so großen Spannungsabfall standzuhalten, ohne dass die Gefahr eines Kommutierungsfehlers besteht. HVDC Light ist sogar noch fehlertoleranter. Da der Stromrichter die Blindleistung regeln kann und die Filter klein sind, hat der Verlust der Wirkleistung keinerlei Auswirkungen auf die Wechselspannung. Ein weiterer Vorteil der klassischen HGÜ und von HVDC Light ist, dass sie nicht zum Fehlerstrom beitragen. Die Auswirkungen auf die störungsfreie Seite der Gleichstromübertragung sind geringer, und der Fehlerstrom auf der Störungsseite ist niedriger als bei einer Drehstromverbindung. Zwar kommt es im störungsfreien Netz zu einer Unterbrechung des Leistungsflusses in der Gleichstromübertragung, aber nicht zu einem Fehlerstrom. Hilfe bei Störfällen Die sich lawinenartig ausbreitenden großflächigen Stromausfälle in jüngster Zeit wurden alle durch relativ kleine lokale Vorfälle oder eine Kombination solcher Vorfälle ausgelöst, die in den meisten Fällen zu einem Spannungszusammenbruch geführt haben. Der Hauptgrund für die Ausbreitung einer solchen Störung ist häufig die Überlastung der Netzkuppelleitungen. Dies führt zu ihrer Abschaltung, wodurch wiederum andere Leitungen überlastet werden und so weiter. Eine HGÜ-Verbindung kann leicht so konzipiert werden, dass im Falle einer Störung automatisch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Solche Maßnahmen laufen meist sanft und kontinuierlich ab im Gegensatz zum harten Schalten von Drehstromverbindungen. Normale Leistungsregelung Die wichtigste Eigenschaft von HGÜ- Verbindungen ist, dass sie nie überlastet werden können. Die übertragene Leistung wird von der Regelung bestimmt und nicht durch die Phasenwinkelunterschiede zwischen den Netzanschlusspunkten. Zwar gibt es Umstände, unter denen die Energieübertragung über eine Gleichstromverbindung zum Erliegen kommen kann z. B. Leistungsmangel auf der einspeisenden Seite, ein schwerer Spannungszusammenbruch in einem der 3 4 HVDC Light -Umrichterstation Netze oder eine plötzliche Störung in der Gleichstromübertragung selbst doch bei den meisten Störungen im Drehstromsystem bleibt der Leistungsfluss von der Gleichstromverbindung erhalten. Leistungsregelung im Notfall Wenn zwei asynchrone Netze über eine HGÜ-Verbindung miteinander verbunden sind und es aufgrund eines plötzlichen Kraftwerksausfalls in einem der Netze zu einer ungewöhnlichen Frequenz und/oder Spannung kommt, kann die Jede dieser sechs skandinavischen HGÜ-Verbindungen mit einer Gesamtleistung von MW verfügt über eine Leistungsregelung für den Notfall. NORWAY Skagerrak Oslo Konti-Skan DENMARK SWEDEN Copenhagen Fenno-Skan Baltic Cable Kontek Stockholm FINLAND SwePol POLAND Helsinki Tallinn Kaliningrad Riga LITHUANIA 44 ABB Technik 3/2005

4 Verbindung so eingerichtet werden, dass sie ihren Leistungsfluss automatisch anpasst, um das betroffene Netz zu unterstützen. Dabei wird der Leistungsfluss begrenzt, um die Integrität des einspeisenden Netzes nicht zu gefährden. Wird eine HGÜ-Verbindung innerhalb eines Drehstromnetzes so betrieben, dass die Drehstromleitungen parallel zur Gleichstromverbindung verlaufen, kann die Leistung in diesen Leitungen überwacht und die Leistung der Gleichstromverbindung automatisch angepasst werden, um die Drehstromleitungen vor einem Überlasten zu schützen. 5 Die Pacific Intertie-Verbindung zwischen dem Nordwesten und Südwesten der USA HVDC line Malin The Dalles Round Mtn. Tracy-Telsa San Francisco Sylmar Los Angeles HVAC line Oregon HVDC line John Day Nevada California Lugo Spannungsregelung In einem gestörten Netz kommt es häufig zu Spannungsabsenkungen oder -pendelungen. In vielen Fällen können diese Schwankungen mit Hilfe einer klassischen HGÜ-Station durch Zuschalten von Kondensatoren und/oder Modulation des Blindleistungsverbrauchs der Station durch Anpassung des Steuerwinkels reduziert werden. HVDC Light - Stromrichter sind sogar noch besser in der Lage, durch sehr schnelle Regelungsvorgänge innerhalb eines weiten Bereichs Blindleistung zu erzeugen oder zu verbrauchen. Anwendungsbeispiele Es gibt viele Beispiele dafür, dass Gleichstromverbindungen dazu beigetragen haben, Stromausfälle zu verhindern oder die Folgen schwerer Störungen zu begrenzen. Im Folgenden sollen drei Fälle aus Europa und den USA betrachtet werden. Nach diesen Vorfällen wurde die Nennleistung aller drei HGÜ-Verbindungen erhöht. Am 10. April 1979 war das ELSAM- Netz im Westen Dänemarks zusammen mit Teilen des deutschen Netzes isoliert. Die Last in dem so entstandenen Inselnetz betrug MW, während lediglich MW erzeugt wurden. Innerhalb von drei Sekunden fiel die Frequenz auf 48,1 Hz ab. Ein Teil der Last wurde durch Unterfrequenzschutz abgeschaltet. Die HGÜ-Verbindungen Skagerrak aus Norwegen (500 MW) und Konti-Skan aus Schweden (250 MW) blieben in Betrieb 4. Innerhalb von drei Sekunden wurde die Leistung der Skagerrak-Verbindung automatisch von 50 auf 320 MW und die Leistung der Konti-Skan-Verbindung von 0 auf 125 MW erhöht. So konnte nach kurzer Zeit die Normalfrequenz wiederhergestellt und ein Stromausfall verhindert werden. Bei einem weiteren Vorfall fiel die Frequenz des skandinavischen Netzes nach Abschaltung zweier schwedischer Kernkraftwerke mit je MW auf 48,5 Hz. Wieder verhinderten die beiden HGÜ-Verbindungen Schlimmeres. Zu diesem Zeitpunkt übertrug die Skagerrak-Verbindung ihre volle Nennleistung (500 MW) von Norwegen nach Dänemark. Als die Frequenz abfiel, wurde der Leistungsfluss umgekehrt und 500 MW in das norwegische bzw. schwedische Netz eingespeist, was einem Nettobeitrag von MW entsprach. Die Pacific Intertie HGÜ-Verbindung verläuft im Westen der USA zwischen Oregon und Los Angeles parallel zu mehreren 500-kV-Drehstromleitungen 5. Am 22. Dezember 1982 fielen aufgrund von Stürmen zwei Drehstromleitungen nördlich der Tesla-Unterstation aus. Dadurch wurden andere Drehstromleitungen überlastet, was schließlich zur Teilung des WSCC- Systems 2) in vier größere Inselnetze führte. Eine Last von über MW wurde abgeschaltet, und 5,2 Millionen Kunden hatten keinen Strom. Die Pacific Intertie HGÜ-Verbindung war der einzige Übertragungsweg nach Südkalifornien, der während dieses Vorfalls intakt blieb. Sie begrenzte das Ausmaß der Systemausfälle und leistete wertvolle Unterstützung für die Regionen Südkalifornien und Südnevada. Weitere Unterschiede zwischen HVDC Classic und HVDC Light Abhängigkeit von der Kurzschlussleistung des angeschlossenen Drehstromnetzes Die klassische thyristorbasierte HGÜ ist abhängig von der korrekten Funktion des Drehstromsystems, da der AC/DC- Die MW-HGÜ-Station Sandy Pond bei Boston überträgt Strom aus Wasserkraft von Hydro Quebec. Die 330-MW-HVDC Light -Station in Shoreham für die «Cross Sound Cable»-Verbindung zwischen Connecticut und Long Island, USA ABB Technik 3/

5 6 Blindleistung als Funktion der Wirkleistung bei herkömmlicher HGÜ und HGÜ mit CCC a) Herkömmlich Q b) CCC Q Filter Umrichter Unsymmetrie 0,5 0,13 0,13 Stromrichter ein Minimum an Kurzschlussleistung 3) (S SC ) aus dem angeschlossenen Drehstromnetz benötigt. Bei der klassischen HGÜ kann keine Leistung in ein Netz eingespeist werden, in dem keine oder nur eine sehr entfernte Stromerzeugung stattfindet. Ein übliches Maß hierfür ist das so genannte Kurzschlussverhältnis (Short Circuit Ratio, SCR) zwischen der Kurzschlussleistung (S SC ) und der Nennleistung (P DC ) der HGÜ-Verbindung: SCR= S SC P DC Für eine korrekte Funktion sollte dieses Verhältnis mindestens 2,5 3,0 betragen, wobei diese Schwelle durch besondere Maßnahmen noch weiter gesenkt werden kann. Ein sehr wirksames Mittel hierzu ist der von ABB entwickelte so genannte CCC (Capacitor-Commutated Converter) [4], mit dem das SCR auf 1,0 oder weniger gesenkt werden kann. HVDC Light benötigt keine Kurzschlussleistung, da der Wechselrichter ohne die Hilfe externer Generatoren auskommt. So kann auch ein «totes» Netz gespeist werden. P P 7 Q (pu) Blindleistung Ein großer Vorteil der HGÜ ist, dass keine Blindleistung übertragen wird. Der klassische HGÜ-Stromrichter verbraucht Blindleistung. Daher ist es üblich, die Umrichterstation mit einer Blindleistungsquelle auszustatten, meist in Form von Oberwellenfiltern und Parallelkondensatoren. Diese werden je nach übertragener Leistung und den Anforderungen des Drehstromnetzes schrittweise über Leistungsschalter zugeschaltet 6a. Der CCC HGÜ-Stromrichter verbraucht weniger Blindleistung, da er über einen Reihenkondensator verfügt 6b. Durch Modulation ihres Blindleistungsverbrauchs (durch Anpassung des Steuerwinkels) und Zuschaltung von Filtern und Parallelkondensatoren kann eine klassische thyristorbasierte HGÜ-Station zur Stabilisierung der Wechselspannung beitragen. Ein HVDC Light -Stromrichter ist in der Lage, durch Steuerung der IGBT-Ventile innerhalb eines weiten Bereichs Blindleistung zu erzeugen oder zu verbrauchen, ohne dass Filter oder Kondensatorbänke zugeschaltet werden müssen. Damit ist HVDC Light noch besser geeignet, um zur Stabilisierung der Wechselspannung beizutragen 7. Fazit Planer und Eigentümer von Stromnetzen und Übertragungsleitungen sollten bei der Planung von Investitionen in alternde Übertragungssysteme die HGÜ in Betracht ziehen. Die HGÜ eignet sich nicht nur für sehr lange Leitungen und Seekabel, sondern bietet durch ihre Fähigkeit Betriebsbereich eines HVDC Light -Stromrichters Lennart Carlsson ABB Power Technologies AB Power Systems Ludvika, Schweden lennart.k.carlsson@se.abb.com Fußnoten U=1.1 pu U=1 pu U=0.9 pu P desired P (pu) zur Leistungsflussregelung noch weitere Vorteile. Durch die größenmäßige Begrenzung von synchronen Drehstromnetzen und Verbindung der einzelnen Netze mit Hilfe der HGÜ lassen sich die wirtschaftlichen Vorteile eines Verbundnetzes mit den «Firewall»-Eigenschaften der HGÜ zum Schutz gegen die Ausbreitung von Störungen kombinieren. Darüber hinaus werden stark beanspruchte Wechselstromkorridore entlastet, was zusätzlich zur Systemsicherheit beiträgt. «Durch Segmentierung mit Hilfe der HGÜ kann die Zuverlässigkeit von Stromnetzen erhöht und die Übertragungskapazität durch Eindämmung möglicher Störungen gesteigert werden. Um die Vorteile der Segmentierung erkennen zu können, muss jedoch über den Tellerrand hinausgeschaut werden», so Harrison K. Clark [5]. Weitere Informationen über HVDC und HVDC Light finden Sie im Internet unter 1) In einem Interview nach dem Stromausfall im Nordosten der USA und in Kanada am 14. August ) Western System Coordinating Council: Ein Leitungssystem, das den Westen der USA, Kanada und Mexiko verbindet. 3) Die Kurzschlussleistung ist das Produkt aus dem hypothetischen Kurzschlussstrom und der Nennspannung. Sie steigt mit der Erzeugungsleistung und sinkt mit der Impedanz zwischen Generator und Kurzschluss. Literaturhinweise [1] Asplund G., Carlsson L., Tollerz O., «50 Jahre HGÜ», Teil I & II, ABB Technik 4/2003. [2] Asplund G., Eriksson K., Svensson, K., «Transmission based on Voltage Source Converter» CIGRE SC14- Kolloquium in Südafrika, [3] Wyckmans, M., «HVDC Light, the new technology» Distribution 2003, Adelaide, Australien, [4] Jonsson T., Björklund, P-E: «Capacitor Commutated Converters for HVDC», IEEE Power Tech-Konferenz, Stockholm, [5] Clark, Harrison K., «It's Time to Challenge Conventional Wisdom», Transmission & Distribution, Okt [6] Loehr, George C., «Is it Time to Cut the Ties that Bind?», Transmission & Distribution World, März ABB Technik 3/2005