Modeling and simulation of power system dynamics for studying the impacts of increasing wind power in a weak grid system

Abstract

Die Sorge um die Umwelt und die Bemühungen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, führen dazu, dass erneuerbare Energieressourcen bei der Stromerzeugung in den Vordergrund rücken. Die Windenergie hat in den letzten Jahrzehnten weltweit einen rasanten Ausbau erfahren, was zu Herausforderungen im Systembetrieb in Bezug auf Frequenz- und Spannungsstabilität führt. Die Untersuchung und Bewertung der Auswirkungen großer Windkraftanlagen auf die Dynamik des Stromnetzes ist ein wesentlicher Schritt zur Verbesserung des frequenz- und spannungsstabilen Betriebs. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der Windenergie zu untersuchen und Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Netzen mit verschiedenen Netztopologien vorzuschlagen. Der doppelt gespeiste Asynchrongenerator (DFIG) ist der am weitesten verbreitete Windturbinentyp, da er mit variabler Windgeschwindigkeit betrieben werden kann, über einen Teillastumrichter verfügt und in der Lage ist, den Generator bei anormalen Bedingungen synchron mit dem Netz zu halten. Daher wird in dieser Arbeit ein detailliertes Modell von DFIG-basierten Windturbinengeneratoren verwendet, um den Einfluss eines steigenden Windenergieanteils in einem großen Netzsystem zu veranschaulichen. Die netzdynamischen Modelle umfassen Synchrongeneratoren, automatische Spannungsregler, Turbinenregelungssysteme, DFIG-basierte Windturbinengeneratoren, verschiedene Steuerelemente, Übertragungssysteme und Transformatoren. Die mathematischen, dynamischen Modelle werden mit Hilfe numerischer Integrationstechniken gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Tool zur dynamischen Simulation von Stromsystemen in MATLAB/Simulink entwickelt. In dieser Arbeit werden vier Testnetze, einschließlich einer Fallstudie für das äthiopische Stromnetz, verwendet, um die dynamischen Reaktionen in verschiedenen Netztopologien zu simulieren. Die verschiedenen Simulationsszenarien und Netztopologien bestätigen, dass eine Erhöhung des Windenergieanteils die transiente Stabilität des Systems verschlechtert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Windkraftanteils zu einer Verringerung der dynamischen Spannungsstabilitätsreserven, einer Erhöhung der Frequenzänderungsrate und einer Verringerung der Wirkleistungsübertragungsfähigkeit führen. Darüber hinaus wird beobachtet, dass sich die DFIGs als Reaktion auf Netzspannungseinbrüche bei schweren Fehlerereignissen selbst vom Netz trennen, um die rotorseitigen Back-to-Back-Umrichter vor Rotorüberströmen zu schützen. Die dynamischen Auswirkungen von DFIG-basierten Windgeneratoren werden bewertet und es werden Regelungsstrategien vorgeschlagen, die die Windgeneratoren nicht nur unterstützen, am Netz zu bleiben, sondern auch die Systemstabilität bei Netzstörungen zu verbessern. Es wird eine neue Regelungsstrategie vorgeschlagen, um die Fähigkeit von DFIG-Windgeneratoren zum Niederspannungs-Ride-Through zu verbessern. Die vorgeschlagene Regelungsstrategie umfasst die gemeinsame Anwendung eines STATCOM und einer Rotor-Überdrehzahl-Strategie. Der STATCOM wird hauptsächlich eingesetzt, um den Stator-Spannungseinbruch zu reduzieren und die Rotor-Überdrehzahl-Strategie wird verwendet, um die Rotorüberströme bei Stator-Spannungseinbrüchen zu reduzieren, was zu einer geringeren Ausgangsleistung führt. Die Überdrehzahlregelung wird eingesetzt, um den Wirkleistungssollwert so anzupassen, dass er proportional zum Spannungseinbruch an der Klemme ist. Auf diese Weise wird die Turbine veranlasst, die Rotordrehzahl bis zur maximal zulässigen Grenze zu erhöhen, sodass die Ausgangsleistung so lange reduziert bleibt, bis der Spannungseinbruch am Stator durch den schnell reagierenden STATCOM wieder ausgeglichen wird. Der zweite Beitrag dieser Doktorarbeit befasst sich mit Lösungen für die Verbesserung der Netzfrequenzstabilität bei höherem Durchdringungsgrad von Windenergie. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, mit dem die Betreiber von Windkraftanlagen ihre Windenergieerzeugung so planen können, dass sie den Prozess der Wiederherstellung der Netzfrequenz unterstützen. Das vorgeschlagene Frequenzregelungsmodul auf Anlagenebene überwacht den Beitrag der verschiedenen Betriebseinheiten in einem großen Windpark auf der Grundlage ihrer jeweiligen Windgeschwindigkeit und der Netzfrequenzabweichung. Die dynamischen Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Spannungsund Frequenzregelungsstrategien effizient sind, um den Spannungsabfall in Echtzeit zu regulieren und die Steuerbarkeit von Spannung und Frequenz bei einem höheren Durchdringungsgrad der Windenergie zu verbessern.