Bild 01: Bedienung und Überwachung der Netznachbildung per Twincat HMI (Quelle: IEH/KIT)
In vielen Übertragungsnetzen steigt der Anteil an regenerativ erzeugter elektrischer Energie an. Im Gegensatz zu konventionellen synchrongeneratorbasierten Kraftwerken speisen Windenergie- und Photovoltaikanlagen ihre Energie über einen Umrichter in das Netz ein. Bei konventioneller netzfolgender Umrichterregelung treten allerdings ab einem gewissen Anteil an umrichterbasierten Betriebsmitteln Stabilitätsprobleme auf. Damit die Einbindung von regenerativen Erzeugungsanlagen hierdurch nicht gedrosselt werden muss, sind neuartige Regelverfahren notwendig. Diese sogenannten netzbildenden Regelverfahren haben das Ziel, das netzdienliche Verhalten wie es von synchrongeneratorbasierten Kraftwerken seit über 100 Jahren bekannt ist mit Umrichtern bereitzustellen. Somit können zum Beispiel auch Windenergieanlagen Momentanreserve bereitstellen.
Realistische Netznachbildung
Die Untersuchung des Umrichterverhaltens bei einer sich stark verändernden Netzfrequenz ist im europäischen Verbundnetz nicht möglich. Am IEH wurde daher eine Netznachbildung für das realistische Verhalten großer Kraftwerke und damit auch für dasjenige großer Übertragungsnetze aufgebaut. Diese Netznachbildung besteht aus einem Synchrongenerator mit Erregermaschine, welcher anstatt durch eine Turbine durch ein drehzahlvariables Antriebssystem, bestehend aus Antriebsumrichter und Asynchronmaschine, angetrieben wird. Um ein dem Turbosatz eines Kraftwerks vergleichbares Trägheitsmoment zu erreichen, befindet sich zusätzlich ein Schwungrad auf der Welle. Mit dem Zuschalten von Verbrauchern können Frequenzeinbrüche erzeugt werden, wie sie während Störfällen in großen Übertragungsnetzen auftreten. Durch die physikalische Bereitstellung der Momentanreserve erlaubt die Netznachbildung im Gegensatz zu leistungselektronischen Netznachbildungen eine instantane Rückwirkung der im Inselnetz angeschlossenen Betriebsmittel auf die Netzfrequenz.
Als zentrale Automatisierungs- und Regelungshardware dient ein Embedded-PC CX5140 von Beckhoff. Zur Messung mechanischer und elektrischer Größen werden verschiedene Ethercat-Klemmen verwendet. Für die schnelle Drehzahlmessung sind in beiden Maschinen Encoder verbaut, die durch Sincos-Encoder-Interfaces EL5021 ausgewertet werden. Drehmomente können mittels zweier Drehmomentmesswellen und einer analogen Spannungsmessklemme ELM300x erfasst werden. Spannungen, Ströme und Leistungen werden dreiphasig durch Netzmonitoring- Oversampling-Klemmen EL3783 in Kombination mit Stromwandlern erfasst. Der Embedded-PC CX5140 kommuniziert mit dem Antriebsumrichter per Ethercat. Die Erregung der Erregermaschine des Synchrongenerators wird durch eine Pulsweitenstromklemme EL2535-0005 sichergestellt. Als weitere Aktoren werden Leistungsschütze durch Relaisklemmen EL2634 angesteuert.
Die Regelung wurde in Matlab/Simulink mittels Modelbased Design ausgelegt und nach Kompilierung per Twincat 3 Target for Simulink auf dem Embedded-PC in Echtzeit ausgeführt. Zur Bedienung des Versuchsstands wurde mit Twincat HMI eine komfortable Bedienoberfläche implementiert (Bild 1). Hier können im laufenden Betrieb Regelparameter, Sollwerte sowie Grenzwerte verändert werden. Zudem lassen sich Messungen und der Anlagenzustand grafisch darstellen. Messwerte werden mit Twincat Scope View visualisiert und aufgezeichnet.