Adaptive skalenübergreifende Modellierung transienter Effekte zur effizienten Simulation von großflächigen AC/DC Stromnetzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Systeme der elektrischen Energieversorgung umfassen sehr weitreichende Skalen, die im Ingenieurwesen einzigartig sind. In Bezug auf die unterschiedlichen Zeitskalen haben sich zwei verschiedene Arten von Analysemethoden herausgebildet. Auf Phasoren basierende Methoden betrachten die sinusförmigen Wechselspannungen und -ströme durch ihre Hüllkurven. Für die Verfolgung der Einhüllenden sind weniger Abtastpunkte erforderlich als für die Verfolgung der natürlich vorkommenden sinusförmigen Schwingungen mit der Trägerfrequenz fc. Daher werden Phasoren zur Untersuchung von Phänomenen wie elektromechanischen Transienten bevorzugt verwendet, bei denen Hüllkurven eine hinreichende Informationsdichte bieten. Für die detaillierte Verfolgung natürlicher sinusförmiger Schwingungen sind dagegen Programme vom Typ EMT (elektromagnetische Transienten) geeignet. Für ganzheitliche Betrachtungen ist es wünschenswert, die Möglichkeit zu haben, verschiedene Transienten zu analysieren, ohne zwischen verschiedenen Tools wechseln zu müssen. Der Schlüssel zu einer solchen Lösung einer Multiskalensimulation ist die Einführung der Verschiebefrequenz. Bei der Methode der frequenzadaptiven Simulation von Transienten (FAST) stellt die Verschiebungsfrequenz fs die Referenz dar, auf die sich alle anderen Frequenzanteile beziehen. Um die Frequenzverschiebung bei der Multiskalensimulation von Drehstromsystemen zu ermöglichen, werden im Allgemeinen alle Wechselgrößen durch analytische Signale modelliert. Der Imaginärteil eines analytischen Signals ist durch die Hilbert-Transformation mit dem Realteil verknüpft. Da sich die Spektren analytischer Signale nur auf positive Frequenzen erstrecken, ist eine Verschiebung des analytischen Signals nach links um die Verschiebungsfrequenz möglich und sinnvoll. Je nach der beobachteten Situation sind örtliche und zeitliche Änderungen der Verschiebungsfrequenz möglich. Ein Hauptziel dieses Projekts war es, die Fähigkeiten von FAST auf die Modellierung nichtlinearer Anlagen wie z.B. leistungselektronischer Schaltungen zu erweitern. Ein zweites Ziel betraf die Co-Simulation von elektrischen und Regelsystemen. Ein drittes Ziel schließlich befasste sich mit der Validierung von FAST für AC-DC-Stromnetze. Im Hinblick auf das erste Ziel wurde der Schwerpunkt auf den spannungsgesteuerten Umrichter (VSC) als Schlüsselelement der Leistungsumwandlung bei der Verbindung von Gleichstromquellen mit dem Wechselstromnetz gelegt. Das Multiskalen-VSC-Modell unterstützt einen nahtlosen Übergang zwischen Schaltfunktionen und Mittelwertsignalen während einer Simulation. Während die Schaltfunktionen für die Verfolgung natürlicher Wechselgrößen von Interesse sind, unterstützen die Durchschnittswerte Hüllkurvenverfolgung. Um die Verwendung analytischer Signale zur Darstellung von Spannungen und Strömen im Umrichter zu ermöglichen, wurden komplexe Darstellungen der Steuersignale eingeführt. Das VSC-Modell wurde in ein neuartiges Modell einer Windenergieanlage (WEA) integriert, bei dem die Stromerzeugung durch einen doppelt gespeisten Induktionsgenerator (DFIG) unterstützt wird. Es wurde eine vollständige Multiskalenmodellierung der WEA erreicht. Für diesen Beitrag wurde den beteiligten Forschern der prestigeträchtige IEEE PES (Power and Energy Society) Prize Paper Award 2023 verliehen. Im Hinblick auf das zweite Ziel wurden standardisierte Schnittstellen entwickelt, um ein multiskaliges elektrisches Energiesystem mit den zugehörigen Regelsystemmodellen zu verbinden. Die Schnittstellen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, die Stabilität des Simulationsprozesses zu unterstützen, indem sie die auftretenden Zeitschrittverzögerungen bei der Kopplung kompensieren. Im Hinblick auf das dritte Ziel der Validierung wurden neben den WEA auch AC-DC-Systeme realistischer Größe mit mehr als 10000 Knoten betrachtet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Multi-Scale Modeling and Simulation of DFIG-Based Wind Energy Conversion System. IEEE Transactions on Energy Conversion, 35(1), 560-572.
Xia, Yue; Chen, Ying; Song, Yankan & Strunz, Kai
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Bridging Scales With the Shift Frequency: Frequency-adaptive simulation of multiscale transients in power systems. IEEE Electrification Magazine, 11(4), 29-37.
Strunz, Kai; Chen, Ying & Xia, Yue
