Adaptiver Stabilisator zur optimalen Dämpfung von Wirkleistungspendelungen

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1 Adaptiver Stabilisator zur optimalen Dämpfung von Wirkleistungspendelungen Die Stromversorgungsnetze werden zunehmend bis an ihre Leistungsgrenzen ausgelastet. Um der damit verbundenen Gefahr von Instabilitäten in elektrischen Verteilnetzen entgegenzuwirken, verlangen die Elektrizitätsversorgungsunternehmen eine wirksamere Dämpfung der nach Netzstörungen auftretenden Wirkleistungspendelungen. Mit herkömmlichen Netzstabilisatoren wird eine optimale Stabilisierung nur in einem bestimmten Betriebspunkt gewährleistet; sie verschlechtert sich, sobald sich die Netzparameter ändern. ABB hat in Zusammenarbeit mit der University of Calgary, Kanada, einen adaptiven Wirkleistungsstabilisator ( /Adaptive Power System Stabilizer) entwickelt, der sich laufend an die sich ändernden Netz- und Betriebsbedingungen anpaßt und somit jederzeit eine optimale Dämpfung der Wirkleistungspendelungen sicherstellt. Mit Prüfungen auf Simulatoren und mit realen Maschinen konnten die Dämpfungseigenschaften des eindrucksvoll nachgewiesen werden. I m Zuge der Liberalisierung der europäischen Energiemärkte werden die elektrischen Netze vermehrt bis an ihre Leistungsgrenzen ausgelastet, so daß sich die Gefahr von Instabilitäten in den Verteilnetzen erhöht. Als Folge dieser Entwicklung stellen die Elektrizitätsversorgungsunternehmen höhere Anforderungen an die Spannungsregelung von Synchrongeneratoren. Hierzu gehört vor allem eine wirksamere Dämpfung der Wirkleistungspendelungen, die nach Störungen im Übertragungsnetz auftreten. Mit Stabilisiereinrichtungen, die in die elektronischen Erregereinrichtungen von Synchrongeneratoren integriert werden, kann zwar die Wirkleistungsstabilität verbessert werden, sie liefern aber nur in einem bestimmten Betriebspunkt optimale Ergebnisse. Die Ergebnisse verschlechtern sich, sobald sich die Netzparameter, d. h. die Betriebspunkte des Generators oder die Netzbedingungen, ändern. Um Änderungen der Netzparameter berücksichtigen zu können, muß sich die Stabilisierungseinrichtung entsprechend anpassen. Armin Eichmann Alessandro Kohler ABB Industrie AG PSS oder Beim Parallelbetrieb von Kraftwerken oder Gruppen von Kraftwerken ist die Frage des dynamischen Verhaltens und der Stabilität der Synchronmaschinen von grundsätzlicher Bedeutung. So versetzen beispielsweise Netzstörungen die von den Generatoren erzeugte Wirkleistung in Schwingungen, die möglichst schnell gedämpft werden müssen. Die Dämpfungseigenschaften hängen von verschiedenen Parametern wie den Kennwerten der Synchronmaschine, den Netzimpedanzen und dem Betriebspunkt des Generators ab. Es ist allgemein üblich, die Dämpfungseigenschaften mit Hilfe eines Stabilisators zu verbessern, der auf die Spannungsregelung der Erregermaschine des Generators wirkt. Ein herkömmlicher Wirkleistungsstabilisator (PSS) beruht auf der deterministischen Regelungstheorie, d. h. er arbeitet mit einem linearisierten Modell, um für einen bestimmten Betriebspunkt optimale Ergebnisse zu erhalten. Ein Blick auf die Wirkleistungspendelungen in einer realen Netzkonfiguration mit Generatoren macht jedoch deutlich, daß bei der Gestaltung des Modells auch wichtige nichtlineare Beziehungen berücksichtigt werden müssen. Ein herkömmlicher PSS kann diese Bedingung nicht erfüllen. Deshalb ist ein Netzstabilisator einer neuen Generation mit adaptiven Fähigkeiten notwendig, der folgende Merkmale aufweist: Fähigkeit, den Betriebspunkt des Generators und die Netzimpedanz zu erkennen einstellbare PSS-Parameter, damit die kontinuierlichen Veränderungen der Netzparameter berücksichtigt werden einstellbare Übertragungsfunktion für einen weiten Frequenzbereich (z. B. eine untersynchrone Pendelung der Ausgangsleistung, wenn zwei Maschinen parallel geschaltet sind) Dank ihrer Flexibilität und ihres einfachen Aufbaus zählen die in Mikroprozessortechnik ausgeführten selbsteinstellenden Regler mit zu den leistungsfähigsten adaptiven Regelgeräten; sie eignen sich ABB Technik 2/999 27

2 Der -Algorithmus läuft auf einem ausziehbaren Modul, das sich auf einfache Weise in ein vorhandenes Spannungsreglergestell einstecken läßt. Einstellungen und zusätzliche Verdrahtung erübrigen sich. Blockschaltbild des adaptiven Wirkleistungsstabilisators () 2 P Leistungsänderung Model Estimator Regulator out Noise besonders für die Netzstabilisierung in Verbindung mit Synchronmaschinen. Diese Erkenntnis hat ABB veranlaßt, gemeinsam mit der University of Calgary in Kanada einen adaptiven Wirkleistungsstabilisator () zu entwickeln, der alle oben erwähnten Fähigkeiten besitzt. Die ABB-Hardware, auf der die Programme laufen, wird u. a. zur Regelung der Generatorspannung in den Erregersystemen eingesetzt. Funktionsweise des Die Funktionsweise der adaptiven Wirkleistungsstabilisierung läßt sich anhand eines Systems erläutern, das durch stochastische Größen und nicht vorherseh- bare Störungen gekennzeichnet ist. Das Reglereingangssignal stellt normalerweise Beobachtungen bestimmter Systemgrößen dar. Aufgrund der stochastischen Störungen, beispielsweise unerwartete Laständerungen, Rauschen usw., sind solche Beobachtungen nicht repräsentativ. Darüber hinaus muß die Regelungsstrategie so gewählt werden, daß die momentane Netzdynamik sowie die Vergangenheitswerte von Eingangs- und Ausgangsgrößen mit berücksichtigt werden. Ein adaptiver Stabilisator, der diese Voraussetzungen erfüllen soll, muß mit drei Funktionsgruppen ausgestattet sein nämlich dem Systemmodell, der Schätzfunktion und dem Regler 2. Systemmodell Das Systemmodell ermittelt in Verbindung mit der Schätzfunktion und dem Regler die Systemparameter des realen Netzes. In einem komplexen, nichtlinearen System ist der Systemparametervektor unbekannt und zeitabhängig. Ein solches System kann mit Hilfe eines linearen Systems niedriger Ordnung mit zeitvariablen Parametern nachgebildet werden. Im allgemeinen ist ein System mindestens 9. Ordnung notwendig, um die Parameter eines realen Systems genau zu beschreiben. Es kann jedoch nachgewiesen werden, daß auch mit einem System 3. Ordnung eine hinreichend gute Näherung erzielbar ist. Diese Vereinfachung ist notwendig, weil die Berechnung eines 28 ABB Technik 2/999

3 System 9. Ordnung zuviel Rechenzeit in Anspruch nehmen würde. Schätzfunktion Die Schätzfunktion versucht laufend, Modellsystemparameter mit Kenngrößen zu suchen, die denen des realen Systems möglichst nahe kommen. Das Ausgangssignal des Modells wird mit dem Signal des realen Systems verglichen ( P), um den Fehler zu bewerten. Wird eine Abweichung festgestellt, werden die Modellparameter mit Hilfe eines speziellen Algorithmus angepaßt. Allerdings können die Systemparameter nur dann richtig erkannt werden, wenn sich die Wirkleistung kontinuierlich ändert. Um im stationären Betrieb des Generators eine kontinuierliche Änderung zu erreichen, wird dem Ausgang des Stabilisators ein schwaches stochastisches Signal (Rauschen) überlagert..0 pu pu.0 Verschiebung der Pole in die komplexe Z-Ebene Rot Pfeil Linien konstanter Dämpfung Höhere Dämpfung Regler Der Regler führt parallel zur kontinuierlichen Erkennung der Netzparameter Berechnungen durch, deren Ergebnis das Ausgangssignal des bildet. Der Regler, der laufend Werte erhält, die von 3 der Schätzfunktion gebildet werden, versucht nun, das für eine optimale Dämpfung notwendige Reglersignal zu erzeugen. Dies wird nach der bekannten Reglertheorie dadurch erreicht, daß die Pole des geschlossenen Regelkreises so nah wie möglich zum Nullpunkt in der Z-Achse verschoben werden 3. Anschließend wird das Ausgangssignal des zum Eingang (Mischpunkt) des automatischen Spannungsreglers geführt 4. Der benötigt als einziges Eingangssignal den Wert der Leistung, die zur Beschleunigung des Rotors notwendig ist. Dieser Wert ist die Differenz P zwischen der elektrischen Ausgangsleistung P el und der mechanischen Eingangsleistung P m. P wird als bezogener Wert bei Nenndrehzahl wie folgt ausgedrückt: = 2H dω = P el P m dt worin H die Trägheit der Maschine und ω die Winkelfrequenz des Rotors bezeichnet. Wechselwirkung zwischen dem adaptiven Wirkleistungsstabilisator () und dem automatischen Spannungsregler im Regelkreis des Erregersystems 4 I G Generatorstrom U Stabilisatorsignal U G Generatorspannung P Ausgangsleistung des Generators U C Stellsignal des automatischen U n Störsignal P a Antriebsleistung der Turbine Spannungsreglers U ref Sollwert für den automatischen P Beschleunigungsleistung U f Rotorfeldspannung Spannungsregler U ref _ AVR Exciter machine P a U f Synchronous generator U G, I G Measurement U G P Filter Model U Estimator White noise U n U c Regulator ABB Technik 2/999 29

4 P el ω st st 2 M To sto sto sto sto _ 2sTo(sTo) 2 Übertragungsfunktion zur Ermittlung der Beschleunigungsleistung P P el ω M s To T,T 2 Elektrische Ausgangsleistung Winkelfrequenz des Rotors Maschinenkonstante Laplace-Variable Zeitkonstante der Turbogruppe Zeitkonstanten der Meßfilter 5 Die elektrische Ausgangsleistung P el wird durch Messung der elektrischen Netzvariablen des Generators, z. B. der Spannungen und Ströme, ermittelt. Häufig ist es nicht möglich, die mechanische Eingangsleistung P m der Synchronmaschine direkt zu messen. Allerdings kann die mechanische Antriebsleistung aus der gemessenen Frequenz und dem mechanischen Modell der Massenträgheit von Turbine und Generator abgeleitet werden. 5 zeigt die Übertragungsfunktion zur Ermittlung der Beschleunigungsleistung, die als Eingangssignal für die adaptive Schlupfstabilisierung dient. Für die Berechnung des Ausgangssignals sind keine weiteren Netzwerte erforderlich, weil die Schätzfunktion und der Regler einen Algorithmus benutzen, um Wirkleistungspendelung nach einem Blindleistungssprung, (a) ohne und (b) mit. Ergebnisse der Prüfungen, die mit einem 45-MVA-Schenkelpolgenerator durchgeführt wurden. 6 signal -Ausgangssignal (50 mv/div) U control Reglerspannung (2 V/div) P Leistungsänderung (0, pu/div) t Zeit (500 ms/div) a signal signal U control b t 30 ABB Technik 2/999

5 das optimale Ausgangssignal für die bestmögliche Dämpfung der Oszillationen zu suchen. -Hardware Da der in großem Umfang Matrizenrechnungen benutzt, ist der im verwendete Algorithmus in MODULA-2 geschrieben. Die Software läuft derzeit auf dem Universalprozessor PM A324 des schnellen programmierbaren Reglers PSR. ABB setzt die PSR-Hardware beispielsweise in großem Umfang in der Regelelektronik des Spannungsreglers UNITROL P ein. Das Gerät kann einfach in einen freien Steckplatz des UNITROL P eingesetzt werden. Eine zusätzliche Verdrahtung erübrigt sich, weil die Datenübertragung ausschließlich über den internen parallelen Datenbus B448 erfolgt. -Software Man lädt den -Algorithmus in ein EPROM, das anstelle des Prozessors PM A324 in den dafür vorgesehenen Steckplatz eingesteckt wird. Der kann in die vorhandene Software des UNITROL P einfach durch Implementierung eines zusätzlichen FUPLA-Programmteils eingebunden werden. FUPLA ist ein Programmier-Tool, das zur Programmierung der Software im UNITROL P-System verwendet wird. Prüfung des Die Funktionalität des wurde mit einem 45-MVA-Schenkelpolgenerator im Kraftwerk Feistritz in Österreich sowie mit einer 00-MVA-Massivpolmaschine in Mainz, praktisch erprobt. Zusätzlich zu diesen praktischen Erprobungen wurden auf einem Generatorsimulator zahlreiche andere Prüfungen durchgeführt. Die einwandfreie Funktionsweise des konnte sowohl mit dem Generatormodell als auch mit den installierten Maschinen bestätigt werden. 6 zeigt die Pendelung der Wirkleistung nach einem Blindlei- stungssprung mit und ohne im Kraftwerk Feistritz. Vorteile des gegenüber herkömmlichen Stabilisatoren Anders als bei herkömmlichen Stabilisierungseinrichtungen ist es bei adaptiven Wirkleistungsstabilisatoren nicht notwendig, die Parametereinstellungen zu berechnen. Dies ist ein wichtiger Vorteil, denn da die Netzparameter unbekannt sind, erweisen sich die Berechnungen oftmals als schwierig und unzuverlässig. Die Einstellungen, die jedoch nur für die in einem bestimmten Zeitpunkt herrschenden Netzbedingungen gelten, werden deshalb oft empirisch ermittelt. Die von herkömmlichen Netzstabilisatoren berechneten Einstellungen sind nicht für alle Betriebsbedingungen optimal oder gültig. Bei adaptiven Wirkleistungsstabilisatoren passen sich die Netzparameter dagegen automatisch an die sich ändernden Netzbedingungen an, so daß sich solche Einstellungen erübrigen. Einsatzmöglichkeiten des Der eignet sich für alle Generatortypen und -größen. Damit sich die Möglichkeiten des voll nutzen lassen, sollte er vorzugsweise in Anwendungsfällen mit schwierigen und unvorhersehbaren Netzbedingungen eingesetzt werden. Der ist besonders für Netze mit folgenden Merkmalen geeignet: schwache Netze mit hohen Kurzschlußimpedanzen Netze, in denen starke Lastschwankungen auftreten Netze, die im Inselbetrieb arbeiten Netze mit langen Zuleitungen von den Kraftwerken zu den Verteilzentren Diese Netze sind durch sich laufend ändernde bzw. hohe Netzimpedanzen gekennzeichnet. Der adaptive Wirkleistungsstabilisator sorgt in jedem Fall für die erforderliche Stabilität. Literaturhinweise [] C. C. Hang, T. H. Lee, W. K. Ho: Adaptive control. Instrument Society of America, 993. [2] Y. S. Chow, S. J. Cheng, O. P. Malik, G. S. Hope: An adaptive power system stabiliser. IFAC Symposium, 986. Adresse der Autoren Armin Eichmann Alessandro Kohler ABB Industrie AG CH-5300 Turgi/Schweiz Telefax: armin.eichmann@chind.mail.abb.com alessandro.kohler@chind.mail.abb.com ABB Technik 2/999 3