Vergleich und Bewertung von Regelungsstrategien für netzbildende Windkraftanlagen

Unterstützt durch politische Maßnahmen zur Förderung der Nutzung erneuerbarer Energien und die Notwendigkeit, Energiesysteme zu dekarbonisieren, übernimmt die Windenergie einen zunehmend größeren Anteil an der gesamten Stromerzeugung in modernen Stromnetzen. In der Vergangenheit, als noch relativ wenige Turbinen im Einsatz waren, konnten sich Netzbetreiber auf ein großes konventionelles Kraftwerk mit einem Synchrongenerator verlassen, um Schwungmasse für die Momentanreserve zu liefern, die Stabilität aufrechtzuerhalten und Referenzpunkte für Spannung und Frequenz für netzdienliche Windkraftanlagen zu schaffen. Da sich das Gleichgewicht jedoch verschiebt und mehr Windenergie ans Netz geht, steigt die Nachfrage der Netzbetreiber nach netzbildenden Windturbinen (Grid-forming wind turbines, GFM-WTs) – insbesondere Windturbinen vom Typ IV mit permanenterregten Synchrongeneratoren (PMSGs) und Vollumrichtern – können das Netz aktiv stabilisieren, indem sie Spannungs- und Frequenzunterstützung bereitstellen.

Die Integration von GFM-WTs in das Netz ist aus regelungstechnischer Sicht mit mehreren Herausforderungen verbunden. Beispielsweise bedarf es fortschrittlicherer Steuerungen zur Berücksichtigung von Torsionsschwingungen und anderen elektromechanischen Dynamiken von GFM-WTs, die die Lebensdauer der Turbinen erheblich verkürzen und Leistungsschwankungen hervorrufen können, welche potenziell die Netzstabilität gefährden. Diese Herausforderungen haben die Bedeutung der Erforschung und Entwicklung von netzbildenden Steuerungsalgorithmen unterstrichen, die in der Lage sind, die Netzstabilität zu verbessern und über Stromrichter eine virtuelle Schwungmasse bereitzustellen, während gleichzeitig die mechanische Belastung minimiert wird.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Aalborg und DNV haben wir vor Kurzem eine Reihe von Studien abgeschlossen, die sich auf die Stabilitätsanalyse und die Auswirkungen verschiedener Steuerungsstrategien auf die elektromechanische Dynamik von GFM-WTs des Typs IV konzentrierten. Simulink^® und Simscape™ spielte in diesen Studien eine Schlüsselrolle, da es uns ermöglichte, Steuerungs-, Mechanik- und Leistungselektronikelemente von GFM-WTs in einer einheitlichen Umgebung zu modellieren und zu simulieren (Abbildung 1). Die Studien und die ihnen zugrunde liegenden Simulationen umfassten mehrere Disziplinen sowie unterschiedliche Branchenperspektiven, darunter die der Übertragungsnetzbetreiber, die ein vitales Interesse an der Netzstabilität haben, und die der Hersteller von Windkraftanlagen, die der Stabilität Priorität einräumen und gleichzeitig die mechanische Belastung reduzieren müssen, um die Wartungskosten zu minimieren.

GFM-WT-Steuerungsgrundlagen

In GFM-WTs des Typs IV werden Back-to-Back-Umrichter verwendet, um den Leistungsfluss zwischen dem Generator der Turbine und dem Netz zu steuern. Der maschinenseitige Konverter (MSC) wandelt den von der Turbine erzeugten Wechselstrom mit variabler Frequenz in Gleichstrom um und ermöglicht so die Steuerung des Drehmoments und der Drehzahl des Generators. Der netzseitige Konverter (GSC) wandelt den Gleichstrom wieder in eine stabile Wechselstromfrequenz um, die den Netzanforderungen entspricht.

Diese Back-to-Back-Konverterkonfiguration trägt zwar dazu bei, die Generator- und Netzdynamik zu entkoppeln, es besteht jedoch weiterhin die Möglichkeit, dass Schwankungen auf der mechanischen Seite aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Steuerungssystem die Netzseite beeinflussen (und umgekehrt). Beispielsweise können mechanische Schwingungen oder Torsionsvibrationen im Rotor Schwankungen der Generatordrehzahl verursachen, die sich in Schwankungen der elektrischen Leistung niederschlagen, die der GSC bewältigen muss. Ebenso können plötzliche Änderungen der Netzspannung oder -frequenz dazu führen, dass das Steuersystem die Drehmomentbefehle an den Generator ändert, was sich indirekt auf die Rotordynamik auswirkt. Steueralgorithmen müssen sorgfältig entwickelt und abgestimmt werden, um nachteilige Auswirkungen wie eine negative Dämpfung, die Schwingungen verstärkt, zu vermeiden.

Aus steuerungstechnischer Sicht ist die Regelung der Zwischenkreisspannung zwischen den Umrichtern der Schlüssel zur Minimierung problematischer Wechselwirkungen zwischen der Netz- und der Maschinenseite. GFM-WT-Steuerstrategien können in zwei große Kategorien eingeteilt werden: GFM-GWT und GFM-MWT (Abbildung 1). Bei GFM-GWT-Regelungsstrategien regelt der GSC die Zwischenkreisspannung, während bei GFM-MWT der MSC die Zwischenkreisspannung regelt. Bei den Studien, die wir mit Simulink und Simscape durchgeführt haben, lag der Schwerpunkt auf dem Vergleich von GFM-GWT- und GFM-MWT-Strategien im Hinblick auf die Torsionsdynamik sowie auf der Auswirkung verschiedener Regelungsstrategien für die GFM-MWT-Gleichstrom-Zwischenkreisspannung auf Torsionsschwingungen.

Modellierung und Simulation einer GFM-WT und ihrer Regler

Bevor wir verschiedene Steuerungsansätze per Simulation analysieren konnten, benötigten wir zunächst ein physikalisches Modell einer GFM-WT und ihrer Schnittstelle zum Netz, einschließlich aller Hauptkomponenten, die in Abbildung 2 dargestellt sind: Antriebsstrang, PMSG, MSC und GSC. Mit Simulink und Simscape war die visuelle Konstruktion dieses Modells ganz einfach, indem einfach die erforderlichen Elemente zum Modell hinzugefügt und miteinander verbunden wurden. Gleichzeitig hatten wir die Möglichkeit, das Modell an die spezifischen Parameter einer Offshore-Windkraftanlage anzupassen. Darüber hinaus können wir die Genauigkeit einzelner Komponenten nach Bedarf anpassen. Beispielsweise könnten wir in den frühen Phasen der Studie ein einfaches Modell des Gitters verwenden und in späteren Phasen nach Bedarf ein komplexeres Modell integrieren, um differenziertere Effekte zu berücksichtigen.

Nachdem wir das physikalische Modell des GFM-WT erstellt hatten, richteten wir unsere Aufmerksamkeit auf die Steuerung. Wir haben Simulink verwendet, um verschiedene in Forschungsarbeiten beschriebene netzbildende Steuerungsalgorithmen zu modellieren. Wir haben mit der GFM-MWT-Steuerung begonnen, bei der die Netzseite die Wirk- und Blindleistung verwaltet und die Maschinenseite die Gleichstrom-Zwischenkreisspannungsregelung übernimmt. Anschließend wechselten wir zur GFM-GWT-Steuerung, bei der die Netzseite die Zwischenkreisspannung und Blindleistung verwaltet, während die Maschinenseite das Maximum Power Point Tracking (MPPT) durchführt (Abbildung 2). Bei der Arbeit an der Steuerungsimplementierung haben wir die Control System Toolbox™ verwendet, um die Verstärkungsabstimmung zu vereinfachen und zu optimieren. Beispielsweise erforderte der PI-Regler zur Steuerung des Pitchwinkels einer Windturbine einen erheblichen Feinabstimmungsaufwand, der manuell sehr zeit- und arbeitsaufwendig gewesen wäre.

Nachdem wir verschiedene Controller implementiert und optimiert hatten, führten wir zahlreiche Simulationen durch, um jede Strategie und ihre Auswirkungen auf die elektromechanische Dynamik, die mechanische Belastung und die Netzstabilität zu bewerten. Die Simulationen brachten mehrere wertvolle Erkenntnisse. Auf der Netzseite haben wir beispielsweise festgestellt, dass eine bestimmte Art der Gleichstrom-Zwischenkreisspannungsregelung für GFM-MWT, die keine Rückkopplungsschleife vom GSC und der Turbine aufweist, bestimmte nachteilige Dämpfungseffekte minimiert. Darüber hinaus haben wir eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, indem wir über 10.000 Simulationen mit unterschiedlichen Parameterwerten unter GFM-MWT- und GFM-GWT-Steuerung ausgeführt, die Ergebnisse gesammelt und ein vorwärtsgerichtetes Neuronalnetzwerk (FNN) trainiert haben, um besser zu verstehen, wie mechanische und elektrische Parameter das Dämpfungsverhältnis der Torsionsmodi von GFM-WTs beeinflussen. Hersteller von Windkraftanlagen können durch das Verständnis der Auswirkung von Parametern auf das Dämpfungsverhältnis bessere Konstruktionsentscheidungen treffen, insbesondere bei der Auswahl von Steuerungsstrategien für den Umrichter und deren Feinabstimmung zur Verbesserung der Torsionsstabilität. Netzbetreiber können diese Erkenntnisse nutzen, um robustere Integrationsstrategien für GFM-Anwendungen zu entwickeln und so die Kleinsignalstabilität und Netzzuverlässigkeit zu verbessern.

Die Bedeutung der Zusammenarbeit

Die Zusammenarbeit zwischen DNV und der Universität Aalborg war für den Erfolg dieses Projekts von entscheidender Bedeutung. Die Beiträge und Anleitungen von DNV halfen dabei, eine praktische Perspektive beizubehalten und den Fokus auf die Themen zu richten, die für die Turbinenhersteller die größten Sorgen bereiten. Um nur ein Beispiel zu nennen: Wir hatten Zugriff auf echte netzbildende Steuerungshardware einer echten Turbine, was bei einem rein akademischen Forschungsprojekt selten der Fall wäre.

Die enge Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft bei diesem Projekt hat auch Einfluss auf die weitere Fortführung des Projekts. Der Bedarf an netzbildender Technologie ist in der gesamten Branche bereits erkennbar und wächst. Als Teil seiner laufenden Bemühungen, diesem Bedarf gerecht zu werden, hat DNV ein neues R& D-Projekt basierend auf den Modellen, Simulationen und Ergebnissen, die im Rahmen dieser Zusammenarbeit entstanden sind. Die Simulationsumgebung fördert die multidisziplinäre Zusammenarbeit, indem sie Leistungselektroniker, Elektroingenieure und Maschinenbau-/Lastingenieure auf einer einheitlichen Plattform zusammenbringt. Durch diese Integration wird der Bedarf an umständlichen Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Tools reduziert, wodurch Barrieren bei der Zusammenarbeit abgebaut und frühe Designiterationen ermöglicht werden. Dadurch können die Teams die Konstruktion von Windkraftanlagen ganzheitlich optimieren, bevor sie mit detaillierten Studien fortfahren.