Neue Erkenntnisse zu subsynchronen Schwingungen in Stromsystemen

Subsynchronous Oszillationen (SSOs) sind eine Art von Störung, die in Stromsystemen auftreten kann, besonders wenn bestimmte Arten von elektrischen Umrichtern verwendet werden. Diese Umrichter spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Stromflusses und der Verwaltung von erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne. Das Verstehen und Handling dieser Oszillationen ist wichtig, um die Stabilität der Stromnetze aufrechtzuerhalten, besonders mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energielösungen.

#Arten von Umrichtern in Stromsystemen

In Stromsystemen werden verschiedene Arten von Umrichtern verwendet. Die zwei Haupttypen sind netzfolgende Umrichter (GFLCs) und netzbildende Umrichter (GFCs). GFLCs werden normalerweise genutzt, um erneuerbare Energiequellen an das Netz anzuschliessen und sind darauf ausgelegt, der Spannung und Frequenz des Netzes zu folgen. Im Gegensatz dazu sind GFCs darauf ausgelegt, eine stabile Netzverbindung zu schaffen, auch wenn sie mit erneuerbaren Energiequellen arbeiten, die in ihrer Leistung schwanken können.

#Hintergrund zu SSOs

SSOs wurden in verschiedenen Stromsystemen beobachtet, besonders bei GFLCs. Diese Oszillationen können durch verschiedene Faktoren entstehen, wie den Einsatz von Serienschaltungen, schwache Netzbedingungen oder Wechselwirkungen zwischen sauberen Energiequellen. Während viele Studien diese Oszillationen in Systemen mit GFLCs untersucht haben, gab es viel weniger Fokus auf SSOs, die mit GFCs verbunden sind. Jüngst haben Forscher begonnen zu untersuchen, wie diese neueren Umrichter ebenfalls zur Bildung von subsynchronen Oszillationen führen können.

#Eine neue Art von Oszillation

In dieser Forschung wurde eine neue Art von SSO in Systemen identifiziert, die zu 100% GFCs enthalten, die mit einer bestimmten Steuerungsmethode namens Droop-Control betrieben werden. Diese Methode hilft, die Leistungsausgabe zu steuern und gleichzeitig die Stabilität zu gewährleisten. Die neu gefundene Oszillation, die als "Cross-Area SSO" bezeichnet wird, tritt auf, wenn GFCs in verschiedenen Bereichen des Netzes aufeinander einwirken und Oszillationen verursachen. Dies unterscheidet sich von traditionellen Oszillationen, bei denen Umrichter in einem einzelnen Bereich sich gegenseitig beeinflussen.

#Was sind Cross-Area SSOs?

Cross-Area SSOs sind dadurch gekennzeichnet, dass Gruppen von GFCs aus verschiedenen Bereichen gegeneinander oszillieren. Das bedeutet, dass nicht nur eine Gruppe von Umrichtern in einem Bereich eine andere Gruppe in einem anderen Bereich beeinflusst, sondern dass Oszillationen zwischen Gruppen stattfinden, die sich über mehrere Bereiche erstrecken. Dieses Ergebnis fügt unserer Erkenntnis darüber, wie moderne erneuerbare Energiesysteme funktionieren und miteinander interagieren, eine neue Dimension hinzu.

#Der Einfluss von Verzögerungen

Ein wichtiger Faktor, der die Stabilität dieser Oszillationen beeinflusst, ist die Verzögerung im Feedback-Steuersystem der Droop-Control, die in GFCs verwendet wird. Der Feedback-Loop ist entscheidend, weil er hilft, die Ausgangsleistung basierend auf den Bedingungen im Netz anzupassen. Verzögerungen in diesem Steuermechanismus können zu Instabilität im oszillatorischen Verhalten der Umrichter führen.

In dieser Studie wurde festgestellt, dass bei moderaten Verzögerungen in den Steuerreaktionen – speziell etwa drei Millisekunden – die Stabilität dieser oszillatorischen Modi verbessert werden könnte. Das hebt die Bedeutung von präzisem Timing in elektronischen Steuerungen und der Verwaltung von Energie im Netz hervor.

#Die Bedeutung der Simulation

Um diese Oszillationen besser zu verstehen, setzten die Forscher mehrere Modellierungstechniken ein. Zwei Hauptansätze wurden hervorgehoben: Raum-Phasor-Kalkül (SPC) und quasi-stationäres Phasor-Kalkül (QPC). Diese Modelle helfen, das Verhalten des elektrischen Systems als Reaktion auf verschiedene Bedingungen und Steuerungseinstellungen zu analysieren.

Die SPC-Modelle waren hilfreich, um die Dynamik der Cross-Area SSOs effektiv zu erfassen, während die QPC-Modelle Schwierigkeiten hatten, diese Phänomene nachzubilden. Das zeigt, dass es fortschrittlicher Modellierungstechniken bedarf, um das oszillatorische Verhalten von Systemen mit GFCs vollständig zu verstehen.

#Fallstudien

Um diese Verhaltensweisen weiter zu untersuchen, wurden mehrere Fallstudien mit modifizierten TestSystemen durchgeführt, die verschiedene Niveaus der GFC-Durchdringung beinhalteten. Diese Studien untersuchten Systeme mit einer Kombination aus GFCs und traditionellen synchronen Generatoren (SGs). Die Analyse beinhaltete die Identifikation der spezifischen Bedingungen, unter denen SSOs auftauchten und wie sie vom Grad der GFC-Nutzung und von Feedbackverzögerungen beeinflusst wurden.

Insbesondere konzentrierten sich die Fallstudien auf Szenarien, in denen verschiedene Prozentanteile von GFCs traditionelle Generatoren ersetzten. Diese Fälle wurden untersucht, um zu sehen, wie sich die oszillatorischen Modi unter verschiedenen operationellen Mischungen verhielten, was wertvolle Einblicke in die dynamischen Interaktionen zwischen GFCs und dem Netz gab.

#Beobachtung von Intra-Area und Inter-Area-Oszillationen

Während die Cross-Area SSOs ein wichtiger Fokus waren, wurde in der Studie auch auf Intra-Area SSOs zurückgegriffen. Das sind Oszillationen, die zwischen Umrichtern im selben Bereich auftreten. In Fällen, in denen GFCs mit synchronen Generatoren im selben Bereich interagierten, unterschieden sich die Oszillationsmuster signifikant im Vergleich zu Fällen, in denen mehrere GFCs miteinander interagierten.

Zum Beispiel, wenn GFCs neben synchronen Generatoren arbeiteten, tendierten die Oszillationsmodi dazu, stabil zu bleiben. Wenn jedoch zwei GFCs im selben Gebiet operierten, konnten sie instabile Oszillationsmuster produzieren, abhängig von den spezifischen Bedingungen und Feedbackverzögerungen.

#Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse

Die Untersuchung der SSOs, die mit GFCs verbunden sind, hat mehrere wesentliche Punkte aufgezeigt:

1. Cross-Area SSOs stellen eine neue Kategorie von Oszillationen dar, die aus Interaktionen zwischen GFCs in verschiedenen Bereichen entstehen.
2. Verzögerungen im Feedback-Control spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der Stabilität dieser Oszillationen, wobei eine Verzögerung von etwa drei Millisekunden als vorteilhaft identifiziert wurde.
3. Verschiedene Modellierungstechniken bieten unterschiedliche Einsichten in das Verhalten von SSOs und heben die Bedeutung fortgeschrittener Strategien wie SPC hervor, um komplexe Interaktionen zu verstehen.

#Zukünftige Richtungen

Da die Integration erneuerbarer Energiequellen weiter zunimmt, ist das Management von subsynchronen Oszillationen entscheidend, um ein stabiles Stromnetz zu gewährleisten. Zukünftige Forschungen sollten darauf abzielen, die Dynamik der Cross-Area SSOs weiter zu untersuchen und die Modellierungstechniken zu verfeinern, um potenzielle Stabilitätsprobleme in Stromsystemen vorhersagen und mildern zu können.

Techniken sollten sich auch weiterentwickeln, um einen zuverlässigeren Betrieb von GFCs sicherzustellen, besonders in einem Netz, das zunehmend auf erneuerbare Quellen angewiesen ist. So können wir die saubere Energie besser nutzen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit von Stromsystemen in verschiedenen Regionen aufrechterhalten. Das Verständnis dieser Phänomene ist entscheidend für Energieerzeuger, Regulierungsbehörden und Ingenieure, die an der nächsten Generation von Stromsystemen arbeiten.