Modellierung von erneuerbaren Energiesystemen in Stromnetzen

Wichtigste Erkenntnisse

• Beginnen Sie mit einer einzigen überprüfbaren Netzfrage, die am Verbindungspunkt gemessen wird, mit klaren Kriterien für das Bestehen oder Nichtbestehen, die die Modellgrenzen festlegen.
• Wählen Sie EMT oder RMS basierend auf dem Netzphänomen und der Zeitskala aus und passen Sie dann die Wechselrichtersteuerungen, Begrenzer und Netzstärke an diesen Zweck an.
• Überprüfen Sie jede Studie anhand der Arbeitspunkt-, Ereigniszeitpunkt- und Impedanzannahmen, damit die Diagramme zu vertretbaren technischen Nachweisen werden.

Eine genaue Simulation erneuerbarer Energien hängt davon ab, dass die Details Ihres Modells mit dem zu prüfenden Netzverhalten übereinstimmen.

Erneuerbare Anlagen interagieren mit Netzwerken sowohl über Steuerungen, Begrenzungen und Schutzlogik als auch über Megawatt und Megavar. Die Kapazitäten für erneuerbare Energien werden bis 2023 um 507 GW erweitert, was die Bedeutung von Studien erhöht, die wiederholbar und vertretbar sein müssen. Behandeln Sie die Modellierung als einen begrenzten technischen Test und nicht als eine schematische Zeichnungsübung.

Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn Sie jede Simulation als einen Vertrag zwischen Eingaben, Annahmen und Ausgaben betrachten. In diesem Vertrag sollte festgelegt sein, welches Netzereignis für Sie von Bedeutung ist, was Sie ignorieren dürfen und wie „korrekt“ aussieht. Sobald dies schriftlich festgehalten ist, sind Entscheidungen wie EMT versus RMS, Wechselrichterdetails und Netzäquivalente keine Diskussionspunkte mehr, sondern nachvollziehbare technische Entscheidungen. Teams, die dies gut umsetzen, verbringen weniger Zeit mit der Wiederholung von Studien und mehr Zeit mit der Umsetzung der Ergebnisse.

„Eine schlechte Netzintegrationsmodellierung scheitert in der Regel aus einem Grund: Die Fragestellung der Studie ist vage, sodass das Modell mit einem falschen physikalischen Niveau erstellt wird.“

Definieren Sie die Frage zum erneuerbaren System und zum Stromnetz, die Sie beantworten müssen.

Ein nützliches Modell beginnt mit einer einzigen überprüfbaren Frage und einer klaren Definition der Verbindungspunkte. Sie sollten das Ereignis, die Metrik, die Schwelle für Bestehen/Nichtbestehen und das erforderliche Konfidenzniveau angeben. Außerdem sollten Sie definieren, was erfasst werden muss, z. B. Unwucht, Oberschwingungen oder Schutzauslösungen. Alles, was nicht mit dieser Frage in Zusammenhang steht, wird zu optionalen Details.

Notieren Sie sich den Modellierungsumfang, bevor Sie ein Tool öffnen, da der Umfang die Mindestgenauigkeit Ihres Modells festlegt. Netzstudien befassen sich oft mit Themen wie Fehlerüberbrückung, Flicker, Spannungsunterstützung und Schutzkoordination, aber ein einziges Modell kann selten alle diese Aspekte gleichzeitig gut abdecken. Sie müssen auch Grenzen festlegen, damit das Modell der Anlage für erneuerbare Energien und das Netzmodell auf derselben elektrischen Referenz basieren, mit konsistenten Basiswerten, Vorzeichenkonventionen und Messpunkten. Ein guter Umfang legt auch fest, was Sie als feststehend behandeln, wie z. B. Stufenschalterstellungen oder Kondensatorzustände, und was Sie in verschiedenen Szenarien variieren werden.

• Der Punkt der Verbindungsstelle und die an dieser Sammelschiene gemessenen Größen
• Der Netzereignistyp und sein Zeitpunkt, einschließlich Löschen und Wiedereinschalten
• Die Anlagenreaktionskennzahl wie Spannungswiederherstellungszeit oder Strombegrenzungsverhalten
• Die mit einer Netzordnungsklausel oder einer internen Anforderung verbundenen Abnahmekriterien
• Die Modellausschlüsse, die Sie nicht zur Interpretation der Ergebnisse heranziehen werden

Sobald der Umfang festgelegt ist, können Sie bewusste Kompromisse eingehen. Wenn es um die Spannungswiederherstellung geht, sind die Strombegrenzung des Wechselrichters und die Netzimpedanz wichtiger als der Energieertrag. Wenn es um die thermische Belastung der Zuleitung geht, sind die Details des stationären Leistungsflusses wichtiger als die Schaltübergänge. Sie versuchen nicht, alles zu modellieren, sondern nur den kleinsten Satz physikalischer Größen, der dennoch die richtige Antwort liefert.

Wählen Sie zwischen EMT- oder RMS-Simulation basierend auf Netzphänomenen.

Der Hauptunterschied zwischen EMT- und RMS-Simulation besteht in der Zeitskala und darin, welche elektrischen Details erhalten bleiben. EMT behält momentane Wellenformen bei und erfasst somit Schaltvorgänge, Unsymmetrien, schnelle Steuerungen und Schutzinteraktionen. RMS behält das langsamere Phasorverhalten bei und erfasst somit Spannung, Frequenz und Steuerungsreaktionen ohne Wellenformdetails. Ihre Wahl sollte sich nach dem Phänomen richten, nicht nach der Anlagengröße.

RMS ist der richtige Ausgangspunkt für viele Fragen der Netzplanung, da es schneller läuft und große Netzwerke unterstützt. EMT wird notwendig, wenn die Studie schnelle Wechselrichterregelkreise, schwache Netzankopplung, Strombegrenzung des Umrichters bei Störungen oder Wechselwirkungen umfasst, die von der Wellenform abhängen. Hybride Arbeitsabläufe können ebenfalls funktionieren, aber sie sind nur dann hilfreich, wenn die Übergabe zwischen den Modellen konsistent ist und Sie die Akzeptanzkriterien an die ursprüngliche Fragestellung der Studie gebunden halten. Anwender von SPS SOFTWARE betrachten diesen Schritt oft als Modellierungsgate, da er verhindert, dass EMT-Modelle für Probleme überdimensioniert werden, die RMS sauber beantworten kann.

Legen Sie frühzeitig numerische Erwartungen fest, damit die Simulation stabil und interpretierbar bleibt. EMT-Modelle benötigen einen Zeitabschnitt, der klein genug ist, um die schnellsten von Ihnen einbezogenen Dynamiken aufzulösen, und das bedeutet in der Regel, dass Ihre Wechselrichter- und Netzwerkinformationen mit diesem Abschnitt übereinstimmen müssen. RMS-Studien erfordern eine sorgfältige Auswahl der Regelungszeitkonstanten und Messfilter, damit die Anlage nicht schneller reagiert, als das Modell darstellen kann. Es hat sich bewährt, die Methode mit einer kurzen Erklärung zu dem Ereignis und der Metrik zu begründen und diese Erklärung dann jedem Ergebnis beizufügen, das Sie weitergeben.

Modell-Wechselrichter steuert, begrenzt und schützt Funktionen präzise

Erneuerbare Energien interagieren mit Stromnetzen eher über Regelkreise und Begrenzer als über statische P- und Q-Sollwerte. Sie sollten die Regelungsstruktur modellieren, die tatsächlich die Strominjektion während Störungen steuert, einschließlich Messfiltern, Phasenverfolgung und Stromreferenzen. Sie sollten auch Begrenzer, Ratenbegrenzungen und Prioritätslogik einbeziehen, da diese bestimmen, was der Wechselrichter unter Belastung liefern kann. Das Weglassen dieser Details macht die Fehler- und Wiederherstellungsergebnisse unzuverlässig.

Beginnen Sie damit, den für Ihre Untersuchung relevanten Betriebsmodus des Wechselrichters zu ermitteln. Netzfolgesteuerungen basieren auf Phasenverfolgung und Stromregelung, sodass schwache Netze und Fehler zu Phasenverriegelungsverhalten und Stromsättigung führen können. Netzbildende Steuerungen legen Spannungs- und Frequenzreferenzen fest, sodass sie eine sorgfältige Behandlung der virtuellen Impedanz und Leistungssteuerung erfordern, um nichtphysikalische Schwingungen zu vermeiden. In beiden Fällen ist das Verhalten des Begrenzers wichtiger als die Kleinsignalabstimmung, wenn Sie die Durchfahrfähigkeit bewerten, da Begrenzer entscheiden, wann die Steuerungsregelung aufhört, linear zu sein.

Die Schutzmodellierung erfordert ebenfalls Disziplin, da Schutzblöcke häufig die Auslösungslogik enthalten, die das Ergebnis erzeugt, das Sie bewerten möchten. Berücksichtigen Sie Unterspannungs- und Überspannungsfunktionen, Frequenzschutz und jede Fehlerüberbrückungsblockierungslogik, die die Strominjektionsbefehle ändert. Verwenden Sie Parameter aus der Dokumentation oder aus Testberichten und überprüfen Sie diese anhand der Anlagennennwerte und der Netzcodeanforderungen, die am Anschlusspunkt gelten. Wenn Sie einen Parameter nicht begründen können, kennzeichnen Sie ihn als Annahme und testen Sie die Sensitivität in diesem Bereich, anstatt ihn im Modell zu verbergen.

Stellen Sie das Netzwerk mit Zuleitungen, Transformatoren und schwachen Netzwerkeffekten dar.

Die Netzintegrationsmodellierung schlägt fehl, wenn das von der Anlage für erneuerbare Energien wahrgenommene Netz so stark vereinfacht wird, dass es zu falschen Strömen und Spannungen führt. Sie sollten die Impedanz und Stärke am Netzanschlusspunkt sowie die Transformator- und Zuleitungselemente darstellen, die die Fehlerpegel und die Spannungswiederherstellung beeinflussen. Sie sollten auch Erdungs- und Unsymmetrieeigenschaften beibehalten, wenn Ihre Akzeptanzkriterien davon abhängen. Die Netzgenauigkeit sollte dem Störungsweg folgen, nicht der geografischen Karte.

Ein schwaches Netzverhalten tritt auf, wenn die Thevenin-Impedanz im Vergleich zur Anlagenleistung groß ist, sodass kleine Stromänderungen große Spannungsschwankungen verursachen. Dies wirkt sich auf die Phasenverfolgung, die Spannungsregelung und die Schutzschwellen aus, sodass die Kurzschlussfestigkeit und das X-über-R-Verhältnis keine optionalen Details sind. Im Jahr 2023 wurden 13,4 % des weltweiten Stroms aus Wind- und Sonnenenergie erzeugt, und dieser höhere Anteil an Wechselrichtern macht Annahmen zur Netzstärke in den Studienergebnissen deutlicher sichtbar. Transformatorstufen, Leckagen, Sättigungsannahmen und Leitungsaufladung beeinflussen ebenfalls das Wiederherstellungsverhalten, insbesondere wenn die Blindleistungsregelung aktiv ist.

Netzwerkäquivalente können angemessen sein, jedoch nur, wenn Sie die für die Reaktion der Anlage wichtigen Merkmale beibehalten. Eine statische Thevenin-Quelle kann für einige Fehlerüberprüfungen ausreichend sein, während andere Studien einen expliziten vorgelagerten Schutz, Lastmodelle oder Generatordynamik erfordern. Halten Sie die Basiswerte konsistent, überprüfen Sie die Umrechnungen pro Einheit und vergewissern Sie sich, dass der Leistungsfluss und das Spannungsprofil vor der Störung Ihren Vorgaben entsprechen. Wenn das Netzwerkmodell korrekt ist, wird das ungewöhnliche Verhalten des Wechselrichters oft verständlich und nicht mehr rätselhaft.

 „Gutes Modellierungsurteil zeigt sich, wenn man erklären kann, warum ein Ergebnis richtig ist, und nicht nur eine glatt aussehende Grafik vorlegt.“

Legen Sie Studienszenarien für Fehler, Schaltvorgänge und Netzcode-Tests fest.

Untersuchungsszenarien sollten als kontrollierte Tests aufgebaut sein, die die für Sie relevanten Netzphänomene isolieren. Sie sollten die Störungswellenform, die Freigabesequenz und den Betriebspunkt vor der Störung definieren und dann nur die Fälle ausführen, die zur Erfüllung Ihrer Akzeptanzkriterien erforderlich sind. Fehler-, Schalt- und Netzcode-Tests sind wertvoll, da sie die Begrenzer und die Schutzlogik des Wechselrichters zum Einsatz zwingen. Klare Szenariodefinitionen machen die Ergebnisse außerdem über Tools und Teams hinweg wiederholbar.

Eine konkrete Konfiguration sorgt für Disziplin. Eine 100-MW-Solaranlage, die über einen 115-kV-Transformator an eine lange Radialleitung mit geringer Kurzschlussfestigkeit angeschlossen ist, kann mit einer dreiphasigen Störung am Netzanschlusspunkt getestet werden, die nach einer bestimmten Zeit behoben wird, woraufhin nach einer Totzeit eine automatische Wiedereinschaltung erfolgt. Die wichtigsten Ergebnisse wären die Wiederherstellung der Klemmenspannung, das Verhalten der Blindstrominjektion während des Fehlers und alle Übergänge des Regelungsmodus während der Wiedereinschaltung. Diese einzelne Sequenz zeigt Ihnen, ob das Modell die Strombegrenzung, die Phasenverfolgungsstabilität und die Schutzblockierung korrekt erfasst.

Grid-Code-Stil-Tests sollten als messbare Anforderungen formuliert werden, nicht als vage Erwartungen. Verknüpfen Sie jeden Fall mit einer Pass/Fail-Metrik, wie z. B. Spannungswiederherstellung innerhalb eines Zeitfensters, Blindstromreaktion im Vergleich zur Spannungsabweichung oder Frequenzunterstützung innerhalb eines Droop-Bands. Halten Sie die Ausgangsbedingungen konsistent, da kleine Unterschiede in der Blindleistung, der Stufenschaltung oder dem Reglerzustand die Reaktion stärker verändern können als die Störung selbst. Wenn Sie viele Szenarien benötigen, gruppieren Sie diese nach den physikalischen Eigenschaften, die sie betonen, damit Sie Fehler auf Modellierungsentscheidungen zurückführen können, anstatt zu raten.

Validieren Sie Ergebnisse und vermeiden Sie häufige Fehler bei der Modellierung der Integration erneuerbarer Energien.

Die Validierung ist der Schritt, der die Simulationsergebnisse in technische Nachweise umwandelt. Sie sollten überprüfen, ob der stationäre Leistungsfluss, die Fehlerpegel und die Regelungsgrenzen mit den Anlagennennwerten und den Netzannahmen übereinstimmen. Außerdem sollten Sie überprüfen, ob Ereignisse genau zum vorgesehenen Zeitpunkt auftreten und ob die Messungen an den richtigen Sammelschienen vorgenommen werden. Ohne diese Überprüfungen liefert selbst ein ausgeklügeltes EMT-Modell zwar vertrauenswürdig aussehende, aber falsche Ergebnisse.

Die meisten Fehler sind auf einige wenige vermeidbare Muster zurückzuführen. Anfangsbedingungen, die nicht mit dem beabsichtigten Betriebspunkt übereinstimmen, verzerren das Verhalten des Reglers und die Auslöseschwellen. Zu stark vereinfachte Begrenzer können zu einer nicht physikalischen Strominjektion führen, die bei Fehlern hilfreich erscheint, aber in der Hardware nicht auftreten kann. Fehler bei der Netzwerkimpedanz, insbesondere bei der Behandlung von Basiswerten und Transformatorimpedanzen, verschieben häufig die Kurzschlussstärke so stark, dass aus einem bestandenen Test ein nicht bestandener wird. Sensitivitätsprüfungen sollten sich auf die zuvor markierten Annahmen konzentrieren, da diese das Ergebnis am ehesten beeinflussen.

Gutes Modellierungsurteil zeigt sich, wenn Sie erklären können, warum ein Ergebnis korrekt ist, und nicht nur eine glatt aussehende Grafik präsentieren. Halten Sie die Modellparameter transparent, binden Sie die Akzeptanzkriterien an die Fragestellung der Studie und sorgen Sie für konsistente Szenariodefinitionen, dann lassen sich die Ergebnisse in Überprüfungen leichter verteidigen. SPS SOFTWARE eignet sich gut, wenn Sie physikalisch basierte, editierbare Modelle benötigen, die Sie Zeile für Zeile überprüfen können, denn Transparenz zwingt zu Validierungsgewohnheiten, die Studien ehrlich halten. Diese Disziplin ist wichtiger als jede einzelne Tool-Einstellung, da langfristiges Vertrauen aus wiederholbaren Modellierungspraktiken resultiert und nicht aus perfekt aussehenden Wellenformen.