Bewertung von Schalthandlungen Assessment of Switching Operation

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1 Bewertung von chalthandlungen Assessment of witching Operation Klosse, Rainer; antjer, Fritz; Gerdes, Gerhard J.: DEWI ummary With the new revision No. 10 [1] of the German guideline for power quality measurements at wind turbines the grid dependent current spie factor iψ is introduced in addition to the maximum current spice factor imax. The grid dependent current spie factor evaluates the voltage change and the Flicer behaviour during switching operations in dependence on the grid impedance angles. With this iψ - factors given in a table for grid impedance angles ψ from 0 to 90 in steps of 5, a more accurate evaluation of the grid distribution during switching operations is possible. The grid dependent current spie factor iψ is defined for time intervals of T = 92 s and for flicer limits of A st = 0,2. For other limitations the iψ - factor is inflexible. In the following it is shown, how the iψ factor is calculated, how it is measured and how it is used at a single wind turbine or at a wind farm. 1. Einleitung Das eletrische chaltverhalten von Generatorsystemen ist häufig ein begrenzendes Kriterium für den Anschluß von Windenergieanlagen (WEA) an das eletrische Netz. Bisher wurde das chaltverhalten einer WEA durch den maximalen chaltstromfator imax, auch - Fator genannt, beschrieben. Mit Hilfe dieses maximalen chaltstromfators läßt sich eine maximale pannungsänderung am Vernüpfungspunt der WEA mit dem Netz für die chalthandlungen berechnen, die aber bei real vorommenden Netzimpedanzen so gut wie nie erreicht wird. In der Regel sind die tatsächlich auftretenden pannungsänderungen während chalthandlungen wesentlich leiner als der durch imax errechnete Wert. In Abb. 1 ist im Moment des höchsten tromes nicht der größte pannungseinbruch gemessenen worden. 4 1,02 trom / Nennstrom current / rated current trom / Current pannung / Voltage 1 0,98 0,96 pannung / Nennspannung voltage / rated voltage Um bei einer Entscheidung über den Netzanschluß von WEA möglichst realistische Werte zu verwenden, wurde bereits in der Rev. 9 der Richtlinie zur Bewertung der eletrischen Eigenschaften einer WEA... [1], vom neben dem imax Fator ein netzabhängiger chaltstromfator iψ einge- 50 Abb. 1: Fig. 1: Zeit / time [s] trom und pannung gemessen während eines Einschaltvorganges, wobei im Moment der höchsten pannungsänderung noch nicht der höchste trom fließt. Current and voltage measured at a cut-in operation, where at the point of maximal voltage drop there is not the maximal current spie. 0,94

2 führt. Jedoch gab es bei den Energieversorgungsunternehmen (EVU) Bedenen gegen die Berechnungsmethode, was mittlerweile gelärt wurde. Der chaltstromfator iψ nach Rev. 10 der Richtlinie [1] vom bewertet jetzt nicht nur die pannungsänderung während einer chalthandlung, sondern auch das Flicerverhalten. Der iψ Fator ist leicht anzuwenden, was aber zu Einschränungen führt. 2. Ursachen von tromspitzen Bei diret netzgeoppelten Asynchrongeneratoren entstehen tromspitzen während chalthandlungen zum einen durch die Aufmagnetisierung des Generators. Zum anderen entstehen aber auch tromspitzen, wenn der Generator nicht exat mit der ynchrondrehzahl zugeschaltet wird. In einem solchen Fall muß der Generator die Rotordrehzahl entgegen der Massenträgheit des Rotors innerhalb einer urzen Zeit an die Frequenz des eletrischen Netzes anpassen. Hohe tromspitzen entstehen, wenn ynchrongeneratoren (G) oder vormagnetisierte Asynchrongeneratoren (AG) nicht phasenrichtig geoppelt werden. Durch Verwendung von Thyristorstellern oder Anlaufvorwiderständen wird bei WEA erreicht, daß der maximale Einschaltstrom auf etwa 1- bis 2-fachen Nennstrom begrenzt wird. 3. Meßprozedur Um chaltfatoren einer WEA bestimmen zu önnen, wird der trom an den Anschlußlemmen, also an der Übergabestelle der WEA zum öffentlichen Verteilungsnetz, nach dem Ersatzschaltbild in Abb. 2 gemessen. Dieses geschieht in Analogie zur Flicerbewertung wie sie in den letzten beiden DEWI- Magazinen [2], [3] vorgestellt wurde. Dabei wird die Netzimpedanz durch Betrag und Phasenlage beschrieben Gleichung (1-3). 2 2 Z = R + jx L (1) Z = R + X L (2) ψ = arctan X RL (3) Netzimpedanzen am V Grid impedance at PCC Windenergieanlage WEA Wind turbine WT Vernüpfungspunt V Point of common coupling PCC R X L Abb. 2: Fig. 2: onstanter Netzspannungspunt Anschlußlemmen der WEA constant line voltage WT terminal Beispielhaftes Versorgungsnetz mit angeschlossener WEA Example of an electrical grid with connected wind turbine Die zu messenden chalthandlungen sind in der Länderrichtlinie [1] festgelegt Einschalten bei Einschaltwindgeschwindigeit Einschalten bei Nennwindgeschwindigeit chaltvorgänge beim Umschalten zwischen den Generatorstufen chaltvorgänge in der Kompensationsanlage ervice- Abschaltung bei Nennleistung Not- Abschaltung bei Nennleistung 51

3 4. Ermittlung des maximalen chaltstromfators imax Der imax Fator ist definiert als das Verhältnis des maximalen 1-Perioden Effetivwertes des tromes bezogen auf den Nennstrom der WEA während aller gemessenen chalthandlungen nach Gleichung (4). i max I = I max nenn Bei der Überprüfung der benötigten Kurzschlußleistung des Netzanschlusses wird von einer maximal zulässigen relativen pannungsänderung von 2% ausgegangen, [4] Gleichung (5). ng 2% : chaltstromfator (5) ng : Nennscheinleistung des Generators : Kurzschlußleistung des Netzes (4) Für ann der maximale chaltstromfator i max eingesetzt werden: = i max Ist die Kurzschlußleistung des Netzes am Anschlußpunt größer als die durch Gleichung (5) berechnete Kurzschlußleistung, bleiben die pannungsänderungen während der chalthandlung unter 2%. Diese Berechnungsmethode stellt aber nur eine Abschätzung der pannungsänderung während chalthandlungen dar. Die tatsächlich auftretenden maximalen pannungsänderungen sind niedriger aufgrund des Phasenwinels zwischen trom und pannung und des Netzimpedanzwinels. Dieses berücsichtigt der iψ - Fator. 5. Ermittlung des netzabhängigen chaltstromfators iy trom/nennstrom current / rated current [%] Der netzabhängige chaltstromfator bewertet sowohl die durch eine 150 chalthandlung hervorgehende pannungsänderung als auch deren 100 Flicerwirung. Der im Auszug aus dem Prüfbericht angegebene iψ - 50 Fator ist das Maximum dieser beiden Kriterien. 0 Zeit / time t[s] Abb. 3: Relativer tromverlauf einer chalthandlung Fig. 3: Relative current time series of a switching operation 52

4 pannungsänderung Zur Ermittlung des netzabhängigen chaltstromfators in Bezug auf die pannungsänderung, hier als iψu bezeichnet, wird von dem Modell in Abb. 2 ausgegangen. Der gemessene trom der WEA wird durch das Netzwer geschict. Die pannung am Vernüpfungspunt berechnet sich mit Hilfe von Gleichung (6). U = ( R + jx ) I + U (6) V L N Aus dem tromverlauf einer chalthandlung, wie er beispielhaft in Abb. 3 gezeigt ist, lassen sich pannungsänderungen am Vernüpfungspunt für verschiedene Netzimpedanzen berechnen, wie in Abb. 4 dargestellt. Aus diesen Zeitreihen wird die maximale pannungsänderung U als Differenz zwischen maximaler pannung U max und der pannung vor der chalthandlung U begin wie in dem Beispiel bei dem Netzimpedanzwinel von ψ = 0, oder minimaler pannung U min und der pannung vor der chalthandlung U begin bestimmt, wie das für die Netzimpedanzwinel von ψ = 30, ψ = 60 und ψ = 90 der Fall ist. Die maximale pannungsänderung ermittelt sich aus allen positiven und negativen pannungsänderungen als absoluter Maximalwert nach Gleichung (7). Für die relative pannungsänderung u wird die maximale pannungsänderung U nach Gleichung (7) auf die pannung vor der chalthandlung U begin bezogen. max(( U Ubegin) oder ( Ubegin U )) u = U max min (7) begin pannung/pannungsbeginn voltage/voltage before switching [%] psi=0 psi=30 psi=60 psi=90 Zeit / time t[s] Abb. 4: Relativer pannungsverlauf einer chalthandlung für verschiedene Netzimpedanzwinel Fig. 4: Relative voltage time series of a switching operation for different grid impedance angles ψ, calculated from switching operation depicted in Fig. 2 Der iψu - Fator berechnet sich dann aus der relativen pannungsänderung nach Gleichung (8) u iψ u = ng (8) Diese Berechnungen werden für alle Netzimpedanzen von 0 bis 90 vorgenommen. omit erhält man iψu - Fatoren für jeden dieser Netzimpedanzwinel. Für das Beispiel aus Abb. 3 wurden die pannungsverläufe in Abb. 4 für onstante Kurzschlußleistung berechnet, wobei die Winel ψ = 0 und ψ = 90 theoretische Werte darstellen. Für den Zeitpunt des maximalen tromes t = 3,5s ist nicht bei allen Netzimpedanzen die maximale pannungsänderung vorhanden. 53

5 netzabhängiger chaltstromfator grid dependent spie fator i psi u In Abb. 5 sind für unterschiedliche chalthandlungstypen einer beispielhaften WEA die netzabhängigen spannungsbezogenen chaltstromfatoren errechnet. Für unterschiedliche Netzimpedanzwinel sind in diesem Beispiel die Einschaltungen teilweise bei Nenn- oder Einschaltwindgeschwindigeit für den maximalen iψu Fator verantwortlich. Flicerbewertung Der neu eingeführte flicerbezogene chaltstromfator iψf bewertet eine chalthandlung nach dem Flicerriterium. Um eine einfache Handhabung zu erreichen, wurde ein Vergleichsverfahren gewählt, in dem der gemessene Flicerpegel mit einem Grenzoder Bezugspegel ins Verhältnis gesetzt wird. In der Richtlinie [1] wurde ein rechtecförmiger pannungssprung mit der Amplitude der relativen pannungsänderung von 2%, der innerhalb eines Zeitintervalls von T = 92 s einmal auftritt, als Grenzwert angenommen. Dieser prung ergibt einen Flicerwert von A st ref = 0,2 bzw. P st ref = 0,5848. Zur Ermittlung des flicerbezogenen chaltstromfators iψf wird der omplex gemessene trom der WEA in das Netzmodell nach Abb. 2 gegeben und der Flierwert am Vernüpfungspunt berechnet. Entsprechend der vorgegebenen Bezugswerte muß dieser Flicerwert für ein Zeitintervall der chalthandlung von T = 92 s berechnet werden. Der iψf - Fator berechnet sich dann nach Gleichung (9). Pst iψ F = 2% (9) P st ref ng Einsch. bei Nennwind / cut-in at rated wind Einsch. bei Einschaltwind / cut-in at cut in wind Aussch. bei Nennwind / cut-off at rated wind Notaus / emergency cut-off Impedanzwinel / impedance angle psi [ ] Abb. 5: pannungsbezogene chaltstromfatoren für unterschiedliche chalthandlungen Fig. 5: Voltage related spie factor for different ind of switching operations, of one wind turbine, calculated for different switching operations. The maximum spie fators in the range from 0 to 25 and from 80 to 90 of the grid impedance angle originate from cut-in at rated power. In the range from 30 to 75 the cut-in at cut-in wind speed gives the relevant spie fators. 54

6 flicerbezogener chaltstromfator flicer related current spie factor ipsif Netzimpedanzwinel / grid impedance angle psi [ ] Abb.6: Flicerbezogener chaltstromfator an unterschiedlichen Netzimpedanzwinel mit onstanter Netzurzschlußleistung. Fig. 6: Flicer related spie factor at different grid impedance angles with constant short circuit power. The current spie factor is calculated by feeding measured, complex data of a wind turbine current into a model according to Fig. 1. From the resulting flicer P st - value at point of common coupling the spie factor is calculated by equation (9). Um genau wie bei imax und iψu die Gleichung (5) verwenden zu önnen, mußte die Konstante 2% hinzugefügt werden, die sich bei der späteren Anwendung automatisch ürzt. In Abb. 6 ist ein Beispiel für flicerbezogenen chaltstromfator gegeben. In diesem Beispiel führten hohe Blindleistungsspitzen während der chalthandlung zu hohen Flicerwerten, wodurch der iψf - Fator im Bereich von ψ = 90 die höchsten Werte aufweist. Auch bei dem iψf Fator önnen unterschiedliche chalthandlungen für das Maximum bei unterschiedlichen Impedanzwineln verantwortlich sein. Das Maximum von iψu und iψf der netzabhängigen chaltstromfatoren wird als iψ - Fator im Auszug aus dem Prüfbericht für die Netzimpedanzwinel von 0 bis 90 in 5 chritten in einer Tabelle angegeben. Wenn die Kurzschlußleistung und die Netzimpedanzwinel am Vernüpfungspunt beannt sind, ann somit die maximale Beeinträchtigung durch pannungsänderung oder Flicer während chalthandlung nach Gleichung (5) berechnet werden. Bei Planungen ann auch die benötigte Kurzschlußleistung bei vorgegebener pannungsänderung ermittelt werden. 6. chalthandlungen in Windpars Bei Auslegung von Windpars wird zunächst davon ausgegangen, daß im ungünstigsten Fall alle WEA gleichzeitig oder urz nacheinander ans Netz schalten önnen. Dies gilt auch beim Einschalten während Nennwindgeschwindigeit, was bei vielen WEA die größten törungen verursacht. Auftreten ann dieser Einschaltvorgang bei Nennwindgeschwindigeit nach einer turmabschaltung oder einem Netzabwurf aufgrund einer Leitungsstörung. In diesen Fällen erweitert sich Gleichung (5) für eine Anzahl von n Anlagen zu Gleichung (10), ng n 2% (10) oder für unterschiedliche Typen z. B. n A Anlagen vom Typ A und n B Anlagen vom Typ B zu Gleichung (11) 55

7 n + n 2% ng A A A ng B B B (11) Für den Fator sind dann, wie bei einer Einzelanlage, die imax - oder besser die iψ - Fatoren für die zu untersuchenden Netzimpedanzwinel einzusetzen. Allerdings tritt das gleichzeitige Einschalten aller WEA eines Windpars, wenn überhaupt, nur sehr selten auf oder ann durch einfache Maßnahmen in der teuerung ausgeschlossen werden. omit muß bei der Ermittlung der benötigten Kurzschlußleistung nicht davon ausgegangen werden, daß alle WEA gleichzeitig eingeschaltet werden. Vielmehr müssen nur die Anlagen berücsichtigt werden, die innerhalb des Zeitintervalles von T = 92 s gleichzeitig einschalten. 7. chwachstellen des flicerbezogenen chaltstromfators Wie bereits in den vorherigen Kapiteln erwähnt, ist der neu eingeführte flicerbezogene chaltstromfator iψf zwar einfach zu handhaben, hat allerdings einige Festlegungen, die eine optimale Abschätzung der Flicerstörung an einem Netznotenpunt ausschließen. Der iψf - Fator bezieht sich auf einen Grenzwert von A st ref = 0,2 bzw P st ref = 0,5848 und ist für einen Zeitintervall von T = 92s definiert. Legt ein Energieversorger für sich einen davon abweichenden Grenzwert P st speziell fest, ann er den iψf speziell nach Gleichung (12) berechnen. iyf speziell Pst ref = iyf (12) P st speziell Gleichung (12) ann nicht angewendet werden, wenn nur die Werte aus dem Auszug aus dem Prüfbericht zur Verfügung stehen, da dort lediglich der iψ Fator, also das Maximum von iψf und iψu angegeben wird. Die Festlegung auf ein Zeitintervall von T = 92 s für die Bewertung einer chalthandlung ist der Praxis im Regelfall nicht angepaßt, da der flicerrelevante Bereich einer chalthandlung gewöhnlich wenige eunden beträgt. In der verbleibenden Zeit werden die törungen aus dem Normalbetrieb der WEA vor oder nach der chalthandlung dem Flicerwert überlagert. Durch die Festlegung des Zeitintervalls T = 92s muß eine Ver- 56

8 riegelung, wie im vorigen Kapitel beschrieben, darauf abgestimmt werden. Für andere Zeitintervalle sind die iψ - Fatoren nicht definiert, so daß die Unsicherheit einer törabschätzung erheblich steigt. Auf IEC- Ebene wird ebenfalls an einer Richtlinie für Vorschriften bezüglich Netzverträglicheit von WEA gearbeitet. Hierbei sollen ebenfalls die chaltvorgänge bezüglich Flicer bewertet werden. Der bisherige Entwurf sieht hierbei ein Verfahren vor [5,6], bei dem zum einen der Grenzwert frei wählbar ist, zum anderen ann auch die Häufigeit der chalthandlung berücsichtigt werden, sowohl bei Einzelanlagen als auch bei Windpars. 8. Zusammenfassung Der maximale chaltstromfator imax wurde in der neu überarbeiteten Richtlinie [1] um den netzabhängigen chaltstromfator iψ ergänzt. Dieser Fator berücsichtigt, daß die pannungsänderung, die durch eine chalthandlung hervorgerufen wird, in starem Maße von dem Netzimpedanzwinel am Vernüpfungspunt abhängig ist. Daneben wird auch die Flicerwirung der chalthandlung mit berücsichtigt. Die Maxima aus spannungs- und flicerbezogenen chaltstromfatoren für alle gemessenen chalthandlungen werden in den Auszug aus dem Prüfbericht in tabellarischer Form über dem Netzimpedanzwinel angegeben. omit ann nun die tatsächliche pannungsbeeinträchtigung durch chalthandlung von WEA an beliebigen Vernüpfungspunten wesentlich exater berechnet werden. Der auf Wunsch von Energieversorgungsunternehmen eingeführte flicerbezogene chaltstromfator stellt eine zusätzliche Bewertung der chalthandlung dar. Er ist zwar einfach zu handhaben, ist aber auf Grund von fest vorgegebenen Grenzwerten unflexibel und wird sich wahrscheinlich dadurch in internationalen IEC Richtlinien nicht durchsetzen önnen. 9. Literaturverzeichnis [1] Richtlinie zur Bewertung der eletrischen Eigenschaften einer WEA, Rev. 10, , Hrsg.:Deutsches Windenergieinstitut GmbH, Wilhelmshaven; WINDTET Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH, Kaiser-Wilhelm-Koog; WINDconsult GmbH, ievershagen [2] R. Klosse, F. antjer, G. Gerdes. Flicererzeugung durch Windenergieanlagen. DEWI-Magazin Nr. 10, Februar 1997, eite [3] R. Klosse, F. antjer, G. Gerdes. Flicerbewertung bei Windenergieanlagen. DEWI-Magazin Nr. 11, August 1997, eite [4] Technische Richtlinie: Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen mit dem Mittelspannungsnetz des Eletrizitätsversorgungsunternehmens (EVU). 1. Auflage Vereinigung Deutscher Eletrizitätswere -VDEW- e.v.; VWEW- Verlag, Franfurt am Main [5] CEI/IEC : Electromagnetic compatibility (EMC), Part 3: Limits- ection 7: Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems- Basic EMC publication; International Electrotechnical Commission; 3, rue de Varembé; 1211 Geneva 20; witzerland [6] Grundsätze für die Beurteilung von Netzrücwirungen. 3. überarbeitete Ausgabe 1992; Vereinigung Deutscher Eletrizitätswere -VDEW- e.v.; VWEW- Verlag, Franfurt am Main 57