Modellbasiertes Netzschutzverfahren zur Fehlererkennung und -ortung in stromrichtergespeisten Netzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Durchdringung der Netze mit Stromrichtern als Energiequelle und -senke nimmt unaufhaltsam zu. Dies beeinflusst alle Betriebsmittel und verändert das Verhalten des Netzes im Normalbetrieb und im Störungsfall, so auch das der Netzschutztechnik. Dies macht die Weiterentwicklung der Netzschutzalgorithmen notwendig. Das vorliegende Forschungsprojekt untersucht eine neuartige Netzschutzlösung mit modellbasierten Algorithmen ("model-based protection"). Grundlage sind die Netzmodelle des störungsfreien Betriebs sowie aller zu erkennenden Störungsszenarien im Zustandsraum, einschließlich unterschiedlicher Fehlerorte. Die grundsätzliche Idee besteht nun darin, Messwerte und Schätzwerte der vorhandenen Netzmodelle miteinander zu vergleichen. Der Schätzfehler quantifiziert die Passgüte der hinterlegten Netzmodelle und erlaubt so auf Basis des Netzmodells mit dem geringsten Schätzfehler Rückschlüsse auf den tatsächlich vorherrschenden Netzzustand und ermöglicht so die selektive Fehlerklärung. Es handelt sich hierbei um eine zentrale Schutzlösung im Zeitbereich. Dieser Ansatz ist damit vorteilhaft anwendbar in digitalen Schaltanlagen mit Prozessbus und kann daher auch als sogenannter "Hyper-Differentialschutz" bezeichnet werden. Die Signalverarbeitung im Zeitbereich macht den Algorithmus unabhängig vom Quellenverhalten sowie von der Stromrichterregelung und ist daher in Netzen mit hoher oder sogar vollständiger Durchdringung mit Stromrichtern besonders geeignet. Die modellbasierte Schutzlösung wurde zudem mit einer Methode zur Begrenzung der Kurzschlussströme von Stromrichtern im transienten und im stationären Betrieb ergänzt. Zur Begrenzung im transienten Zeitbereich wurden Aspekte der modellprädiktiven Regelung verwendet und eine geeignete Kostenfunktion definiert. Durch die Vorausberechnung des stationären Zustandes und der Überprüfung anvisierter Arbeitspunkte werden überdies Leiterströme im eingeschwungenen Zustand begrenzt. Diese neuartige Methode zur Strombegrenzung erhöht insbesondere die Resilienz von netzbildenden Stromrichtern gegenüber Netzfehlern. Die Zerstörung von Leistungshalbleiterbauelementen infolge der Überschreitung von thermischen Stromgrenzen werden so vermieden. Alle Regelungs- und Schutzalgorithmen wurden analytisch entwickelt und in zahlreichen Simulationsszenarien in der Softwareumgebung MATLAB/Simulink sowie in der Laborumgebung am Lehrstuhl für elektrische Energiesysteme der FAU in Erlangen erfolgreich getestet. Die modellbasierte Schutzlösung hat in stromrichtergespeisten Netzen und digitale Schaltanlagentechnik wesentliche Vorteile gegenüber konventioneller Netzschutz und besitzt daher hohes Anwendungspotential in zukünftigen de-karbonisierten Netzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hybrid Energy Storage System for MVDC-Grids. 2020 22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe). IEEE.
Mahr, Florian; Jaeger, Johann; Henninger, Stefan & Rubenbauer, Hubert
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Advanced Fault Ride Through Operation of Grid-Forming Voltage Source Converters Using a Model Predictive Controller. 2021 IEEE 12th Energy Conversion Congress & Exposition - Asia (ECCE-Asia), 2248-2255. IEEE.
Mahr, Florian & Jaeger, Johann
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Elektrische Energiesysteme. Springer Fachmedien Wiesbaden.
Mahr, Florian; Henninger, Stefan; Biller, Martin & Jäger, Johann
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“Erdschlusskompensation mittels Stromrichtern nach dem Prinzip der virtuellen Impedanz”. In: 7. ETG Fachtagung Sternpunktbehandlung in Netzen bis 110 kV (D-A-CH) STE 2022 (Presentation) (2022)
F. Mahr
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“Integrated Energy Management Concept for Residential Areas using Energy Packages”. In: NEIS Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems (2022)
F. Mahr & J. Jäger
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“Regelung von Nullsystemgrößen mittels Stromrichtern”. In: VDE ETG/FNN- Tutorial 2022 Schutz- und Leittechnik (Presentation) (2022)
F. Mahr & J. Jäger
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Ground Fault Current Control via Voltage Source Converters using Virtual Impedances in the Zero Sequence. 2023 25th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'23 ECCE Europe), P.1-P.7. IEEE.
Mahr, Florian & Jaeger, Johann
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Operating Principles of VSCs in the Zero Sequence and Options for Neutral Point Treatment. In: VDE ETG Journal 01/2023 (2023)
F. Mahr & J. Jäger
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“Modellbasierter Schutzalgorithmus für 100% stromrichterdominierte Netze”. In: VDE ETG/FNN-Tutorial 2024 Schutz- und Leittechnik (Presentation) (2024)
F. Mahr & J. Jäger
