Verbesserung der Lastmodellierung in Stromsystemen mit ZIP-E Lasten

Stromnetze werden mit neuen Geräten, die sich verbinden, immer komplexer, besonders mit elektronischen Geräten wie Rechenzentren, E-Auto-Ladegeräten und Batteriespeichersystemen. Dieser Trend bedeutet, dass wir bessere Möglichkeiten brauchen, um zu studieren und zu verstehen, wie diese Netze funktionieren, insbesondere wie sich diese neuen elektronischen Lasten verhalten. Historisch gesehen haben die meisten Studien zu Stromsystemen diese Lasten nicht ausreichend berücksichtigt.

Um die Analyse zu verbessern, stellen wir ein neues Modell vor, das ZIP-E-Lasten heisst. Das ist eine Kombination aus einem traditionellen ZIP-Lastmodell, das verschiedene Arten von Lasten darstellt, und einem neuen dynamischen Lastmodell, das das Verhalten elektronischer Geräte erfasst. Diese Arbeit nutzt einen bekannten Testfall, um zu sehen, wie diese Modelle in der realen Welt abschneiden.

#Der Bedarf an besseren Lastmodellen

In der Vergangenheit konzentrierten sich Studien zu Stromsystemen hauptsächlich auf Generatoren und Übertragungsleitungen, wodurch eine Lücke in der Darstellung von Lasten entstand. Lasten unterscheiden sich von Generatoren, da ihr Stromverbrauch von verschiedenen Faktoren wie Wetter, Tageszeit und menschlichen Gewohnheiten beeinflusst wird. Das macht es schwierig, ein Modell für alle zu finden.

In der Branche werden oft Modelle verwendet, die Lasten als konstanten Strom oder konstanten Widerstand behandeln. Da jedoch neue Lastarten, insbesondere Leistungselektronik, mit dem Netz verbunden werden, sind diese älteren Modelle nicht ausreichend. Eine Umfrage aus 2013 zeigte, dass es keinen universellen Standard für Lastmodelle gibt und deren Verwendung je nach Region stark variiert.

Trotz der Fortschritte in der Zahl der elektronischen Geräte, die mit Stromnetzen verbunden sind, haben sich die Praktiken in der Industrie über die Jahre nicht wesentlich verändert. Die meisten verlassen sich immer noch auf statische Modelle, die die Dynamik dieser neuen Lasten nicht genau wiedergeben.

Im Jahr 2022 veröffentlichte die IEEE Richtlinien für Lastmodellierung und erkannte die begrenzte Auswahl an weithin anerkannten Modellen an. Diese Richtlinien hoben hervor, dass die meisten dynamischen Lasten vereinfacht in Motorenmodellen dargestellt werden. Diese erfassen jedoch nicht die einzigartigen Verhaltensweisen von elektronischen Lasten, die unterschiedliche Steuersysteme und Dynamiken haben.

#Die Herausforderung dynamischer Lasten

Dynamische Lasten, wie Motoren, haben komplexe Verhaltensweisen, die in statischen Modellen nicht erfasst werden. Statische Modelle nehmen eine konstante Beziehung zwischen Spannung und Stromverbrauch an, was bei den schnellen Veränderungen, die bei elektronischen Lasten auftreten, nicht zutrifft. Zum Beispiel verhalten sich diese Lasten während schneller Ereignisse anders, aufgrund von Energiespeicherelementen, die einen Teil der Schwankungen absorbieren können.

Ein wichtiger Aspekt ist zu erkennen, dass, während Leistungselektronik oft als konstante Leistungsbelastungen modelliert wird, dies nur im stationären Zustand zutrifft. Unter transienten Bedingungen – wenn das Netz plötzliche Änderungen erfährt – versagt diese Annahme. Lasten konsumieren nicht ständig die gleiche Menge Energie während kurzer Ereignisse; sie passen ihren Strom basierend auf den aktuellen Bedingungen an.

Wir sind der Meinung, dass elektrische Lasten mit dynamischen Merkmalen modelliert werden sollten, um besser zu verstehen, wie sie während schneller Änderungen mit Stromsystemen interagieren. Die herkömmlichen Methoden zur Modellierung dieser Lasten müssen sich weiterentwickeln, um ihr tatsächliches Verhalten besser widerzuspiegeln.

#Einführung von ZIP-E-Lasten

Um diese Herausforderungen anzugehen, schlagen wir ZIP-E-Lasten vor. Dieses Modell bietet eine Mischung aus den traditionellen ZIP-Lasten, die konstante Impedanz-, konstante Strom- und konstante Leistungsmerkmale umfassen, mit einem zusätzlich dynamischen Element, das moderne Leistungselektronik effektiv darstellt.

Die ZIP-E-Last besteht aus einer statischen ZIP-Last, kombiniert mit einem dynamischen Lastmodell, das als elektronisches Gerät dargestellt wird, das Energie verbraucht. Ziel dieses Modells ist es, genau zu erfassen, wie sich diese Geräte verhalten, insbesondere unter wechselnden Betriebsbedingungen.

Derzeit konzentrieren wir uns auf elektrische Lasten, ohne Motoren, um den Einfluss traditioneller P-Lasten gegenüber E-Lasten zu isolieren. Die meisten modernen Motoren sind mit variablen Frequenzantrieben verbunden, die bereits ähnliche Dynamiken haben, die wir im ZIP-E-Modell einbeziehen möchten.

Unser Ansatz zielt darauf ab, die Flexibilität von ZIP-Lasten mit den dynamischen Eigenschaften elektronischer Geräte zu vereinen, um ein vollständigeres Bild des Verhaltens von Lasten in Stromsystemen zu erhalten.

#Methodologie

In unserer Studie analysieren wir die Auswirkungen verschiedener Lastmodelle auf Stromsysteme anhand eines spezifischen Testfalls, bekannt als das IEEE WSCC 9-Bus-System. Dieses System bietet verschiedene Arten von Stromquellen und Lasten, die eine gründliche Untersuchung der betreffenden Lastmodelle ermöglichen.

Wir führen eine Analyse kleiner Signale und transiente Analysen durch. Die Analyse kleiner Signale betrachtet, wie das System auf geringfügige Störungen reagiert, während die transiente Analyse das Verhalten des Systems während grösserer Ereignisse wie plötzlicher Ausfälle oder Änderungen im Verbrauch untersucht.

Um zu sehen, wie diese Lastmodelle in verschiedenen Szenarien funktionieren, führen wir Simulationen mit unterschiedlichen Lastzusammensetzungen durch und passen die Verhältnisse von ZIP- und ZIP-E-Lasten an. Unser Ziel ist es zu beobachten, wie diese unterschiedlichen Modelle die Stabilität beeinflussen, wenn das System unter verschiedenen Belastungsbedingungen steht.

#Ergebnisse der kleinen Signalanalyse

Die Analyse kleiner Signale ergab einige interessante Erkenntnisse. Zu Beginn waren die Verhaltensweisen von ZIP-E- und ZIP-Lasten bei niedrigen Leistungswerten recht ähnlich. Als die Leistungswerte jedoch anstiegen, begannen sich die Unterschiede zu zeigen.

Als die Leistungsaufnahme anstieg, zeigte sich bei ZIP-Lasten eine Tendenz, das System schneller zu destabilisieren als bei ZIP-E-Lasten. Diese Instabilität wurde dadurch hervorgehoben, dass sich Eigenwerte zur rechten Seite der komplexen Ebene bewegten, was auf ein höheres Instabilitätsrisiko hinweist. Im Gegensatz dazu hielten ZIP-E-Lasten eine stabilere Position, was darauf hindeutet, dass sie einen weniger destabilisierten Einfluss auf das System haben.

In Szenarien, in denen das Netzwerk leicht belastet war, waren die Auswirkungen der Wahl des Lastmodells minimal. jedoch, je näher das System an seinen Stabilitätsgrenzen war, desto entscheidender wurde der Unterschied zwischen ZIP- und ZIP-E-Lasten. In einigen Fällen führten ZIP-Lasten zu Instabilität, während ZIP-E-Lasten die Stabilität selbst unter ähnlichen Bedingungen bewahrten.

Dieser Trend deutet darauf hin, wie wichtig es ist, das richtige Lastmodell zu wählen, insbesondere in Systemen, die sich nahe ihrer Stabilitätsgrenzen bewegen. Das traditionelle ZIP-Modell könnte das Risiko von Instabilität überschätzen, während ZIP-E-Lasten eine zuverlässigere Darstellung des Verhaltens bieten.

#Ergebnisse der transienten Analyse

Die transiente Analyse unterstützte viele Ergebnisse der kleinen Signalanalyse. Nach überraschenden Ereignissen wie Leitungsabbrüchen divergierten die Reaktionen von ZIP- und ZIP-E-Lasten deutlich.

ZIP-Lasten neigten dazu, grössere Spitzen als Reaktion auf Störungen zu erzeugen, was auf einen instabileren Erholungsprozess hinweist. Auf der anderen Seite zeigten ZIP-E-Lasten weniger dramatische Oszillationen, was auf ein höheres Mass an Dämpfung und Stabilität während Übergänge hinweist.

Das Verhalten hochleistungsfähiger ZIP-Lasten war besonders besorgniserregend und führte zu grösseren Überschwingern und ausgeprägteren Oszillationen. Im Gegensatz dazu schien die Einbeziehung der E-Komponente in den ZIP-E-Lasten diese Probleme zu entschärfen, was zu gleichmässigeren Erholungsphasen führte.

Die langanhaltenden Oszillationen, die in ZIP-E-Fällen beobachtet wurden, verschwanden im Allgemeinen schnell während stabiler Bedingungen. Hoch-E-Lasten zeigten jedoch einige oszillatorische Verhaltensweisen, was darauf hinweist, dass rein leistungsbasierte Lasten nicht immer stabile Ergebnisse liefern.

Diese Erkenntnisse bestätigen die Idee, dass es nicht immer der beste Ansatz ist, elektronische Lasten einfach als konstante Leistung zu behandeln. Die Dynamik, die durch ZIP-E-Lasten bereitgestellt wird, kann zu genaueren Schlussfolgerungen führen, insbesondere unter Bedingungen, die der Instabilität näher kommen.

#Netzverhalten unter verschiedenen Lastmodellen

Bei der Analyse des Netzverhaltens mit verschiedenen Lastmodellen stellten wir ein konsistentes Thema fest: Die Wahl des Modells hat einen erheblichen Einfluss auf die Systemleistung, insbesondere in Bezug auf die Stabilität.

In Netzwerken mit ZIP-Lasten trat Instabilität viel früher auf als bei ZIP-E-Lasten. Dies ist besonders unter hohen Belastungsbedingungen offensichtlich, wo ZIP-Lasten destabiliserende Auswirkungen erfuhren, die ZIP-E-Lasten vermieden.

Die rechnerischen Anforderungen variierten ebenfalls zwischen den Modellen. Überraschenderweise hatten Systeme, die ZIP-E-Lasten verwendeten, schnellere Berechnungszeiten, obwohl sie mehr dynamische Zustände hatten. Das deutet darauf hin, dass herkömmliche ZIP-Lasten intensiver auf Computerressourcen sein könnten als erwartet.

Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass die Verwendung von ZIP-E-Lasten ein nuancierteres Verständnis dafür vermittelt, wie Stromsysteme in Kombination mit elektronischen Lasten funktionieren.

#Fazit und Empfehlungen

Zusammenfassend betont unsere Forschung die entscheidende Bedeutung der Lastmodellierung in Stromsystemen, insbesondere da neue elektronische Lasten immer häufiger werden. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung von ZIP-E-Lasten eine genauere Darstellung des Verhaltens dieser Geräte ermöglicht, was zu zuverlässigeren Analysen führt.

Einige wichtige Empfehlungen ergeben sich aus unserer Arbeit:

1. Wenn ein System gut weg von Stabilitätsgrenzen operiert, können einfachere Modelle wie konstante Impedanz ausreichend sein.

2. Im Gegensatz dazu könnte die Nutzung von ZIP-Lasten in Systemen, die nahe an Stabilitätsgrenzen arbeiten, zu Überbewertungen der Instabilität führen. In solchen Fällen sollten ZIP-E-Lastenmodelle verwendet werden.

3. Bei der Variation von Leitungsmodellen sollten dynamische Modelle bevorzugt werden, um stabilere Ergebnisse sowohl in der kleinen Signal- als auch in der transienten Analyse zu erzielen.

Unsere laufende Arbeit zielt darauf ab, verschiedene Konfigurationen von Generatoren zu erkunden und wie sie die Stabilität unter verschiedenen Bedingungen beeinflussen. Angesichts der wachsenden Komplexität von Stromsystemen durch elektronische Geräte ist es entscheidend, dass unsere Modellierungsansätze mit diesen Veränderungen Schritt halten, um zuverlässige Betriebsabläufe sicherzustellen.