Die Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) zur Einbindung regenerativer Erzeuger in elektrische Netze Dr.-Ing. Institut für Elektrische Energietechnik Vortrag an der TU München am 10.02.2011 Veranstalter: VDE-Bezirksverein Südbayern e.v.
Dissertation zum Thema: Hesse, Ralf: Virtuelle Synchronmaschine Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger 2007 Zugl.: Clausthal, Tech. Univ., Dissertation 2007 ISBN 978-3-89720-919-0
Ausfall der Elektroenergieversorgung an der Ostküste der USA am 14.08.03 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: www.space.com Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 3
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
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
Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 6
Sicherer Netzbetrieb durch Synchronmaschinen Frequenzgesteuerte Wirkleistungsabgabe Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 7
Sicherer Netzbetrieb durch Synchronmaschinen Spannungsgesteuerte Blindleistungsabgabe Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 8
Sicherer Netzbetrieb durch Synchronmaschinen Frequenzhaltung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 9
Umstrukturierung der Netze Übergang zum dezentralen Netz Notwendigkeit der Einbindung regenerativer Erzeuger Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 10
Energieeinspeisung durch Netzwechselrichter Bisherige Vorstellung: Ideales Netz Problem: Leistungsaufteilung beim Einsatz vieler Wechselrichter Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 11
Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 12
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
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
Virtuelle Synchronmaschine Grundidee Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 15
Virtuelle Synchronmaschine Komponenten Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 16
Virtuelle Synchronmaschine Maschinenmodell Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 17
Virtuelle Synchronmaschine Energetische Korrespondenz virtuelle Maschinengrößen - Zwischenkreis Anforderungen an das Speichersystem Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 18
Virtuelle Synchronmaschine Anforderungen an das Speichersystem Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 19
Virtuelle Synchronmaschine Wirk- und Blindleistungsfernabruf durch das Netz Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 20
Virtuelle Synchronmaschine Freie Parametrierbarkeit des Maschinenmodells Einstellbares dynamisches Verhalten Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 21
Virtuelle Synchronmaschine Erhöhung der Netzkurzschlußleistung durch transiente kapazitive Blindleistung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 22
Virtuelle Synchronmaschine Analogie zu den Vorgängen im konventionellen Kraftwerk Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 23
Virtuelle Synchronmaschine Konventionelle Wirkleistungsregelung Wirkleistungsregelung mit VISMA Konventionelle Blindleistungsregelung Blindleistungsregelung mit VISMA Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 24
Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 25
VISMA Drei-Level-Umrichter Ersatzschaltbild mit Dreipunktregler Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 26
VISMA Drei-Level-Umrichter Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 27
Kopplung der VISMA an einen inselnetzbildenden Wechselrichter Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 28
Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 29
Ausgangsspannung und Netzstrom der motorischen VISMA Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 30
Netzwirk- und Netzblindleistung der VISMA nach Beaufschlagen der virtuellen Welle mit einem Drehmoment Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 31
Verstellung der Wirkleistung der VISMA durch rampenförmige Veränderung des virtuellen Moments Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 32
Reaktion der VISMA auf Netzspannungseinbruch Ohne VISMA Mit VISMA Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 33
Netzwirk- und Blindleistung der VISMA nach sprungförmiger Erhöhung der virtuellen Erregerspannung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 34
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Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 36
Gesteuerte, manuelle Einprägung von Oberschwingungsströmen Gleichphasiger Strom der 3. Oberschwingung Gegenphasiger Strom der 3. Oberschwingung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 37
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
Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 39
Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 40
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
Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 42
Kompensation von Netzschwingungen am Beispiel des im Inselbetrieb stabilitätskritischen Netzes des Energieparks Clausthal Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 43
Kompensation von Netzschwingungen am Beispiel des im Inselbetrieb stabilitätskritischen Netzes des Energieparks Clausthal Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 44
Überblick Motivation Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine Messungen Ausblick Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 45
Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 46
Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 47
Mögliches Anwendungsgebiet: Photovoltaik Wandelung von Sonnenstrom (Gleichstrom aus dem PV-Modul) in Netzstrom (Wechsel- bzw. dreiphasiger Drehstrom) Dreiphasiger Solarwechselrichter 10-17 kw (Bildquelle: SMA) Zentralwechselrichter 100 kw (Bildquelle: LTi) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 48
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
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
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
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
Topologie des Prüfstandes Multi-VISMA-Netz im Energieforschungszentrum (EFZN) / Goslar Test der VISMA im Parallelbetrieb Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 53
Multi-VISMA-Prüfstand (EFZN) Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 54
Vielen Dank! Förderung Institut für Elektrische Energietechnik Virtuelle Synchronmaschine 55