Voraussetzungen des Überstromzeitschutzes in wechselrichterbasierten gewollten Inselnetzen unter Berücksichtigung von Strombegrenzung und transienter Stabilität

Wippenbeck, Tilman; Schnettler, Armin (Thesis advisor); Hanson, Jutta (Thesis advisor)

Aachen (2017) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xii,306 Seiten) : Diagramme

Kurzfassung

Der gewollte Inselnetzbetrieb von elektrischen Verteilungsnetzen der öffentlichen Versorgung bietet u.a. Potentiale zur Notstromversorgung in zukünftigen Energiesystemen. Ein mit Unsicherheiten behafteter Kostenfaktor ist dabei die Gewährleistung eines hinreichend leistungsfähigen und zuverlässigen Inselnetzschutzsystems. In Gebäudeinstallationen finden sich heutzutage überwiegend kostengünstige Überstromschutzeinrichtungen. Deren zuverlässige Anregbarkeit wird bislang angenommen ohne die dafür notwendigen Voraussetzungen in Inselnetzen mit verteilten wechselrichtergekoppelten Energiewandlungsanlagen zu prüfen. Somit ist nicht bekannt, ob neben einer geeigneten Dimensionierung dieser weitere kritische Einflüsse und Voraussetzungen bestehen. Mittels Zeitbereichssimulationen eines durch zwei netzbildende Wechselrichter gespeisten Niederspannungsinselnetzes werden potentielle Einflussfaktoren untersucht. Betrachtet werden drei- und einpolige Fehler in Haupt- und Endstromkreisen. Variiert werden mittels einer Sensitivitätsanalyse insgesamt 32 Faktoren aus den Bereichen Netzstrukturparameter, Wechselrichter-Dimensionierung, Nullsystemfähigkeit, Struktur und Parametrierung von LCL-Filter, Regelung, Mechanismen zur Strombegrenzung sowie Anti-Windup. Erstmals erfolgt eine Betrachtung in verschiedenen Graden diversitärer Struktur- und Parameterausprägungen über eine signifikante Bandbreite der Aufpunkte je Faktor. Als notwendige Voraussetzung wird eine regelbasierte Parametrierung des Modells und der Regelkreise realisiert. Geeignete Varianten von Mechanismen zur verzerrungsarmen Stromreferenzbegrenzung für nicht und erstmals auch für nullsystemfähige Wechselrichter werden mittels eines entworfenen Präqualifikationsverfahrens selektiert. Eine Anregezuverlässigkeit von Überstromschutzeinrichtungen für einpolige Endstromkreise mit Auslösezeiten kleiner 400 ms kann erreicht werden, sofern eine erfolgreiche Fehlerdurchfahrt netzbildender Wechselrichter mit hinreichend großer Bemessungsstromsumme gewährleistet ist. Diese beträgt in Abhängigkeit der Strombegrenzungsmechanismen, der Art der Schutzeinrichtung und der strukturellen Diversität zwischen dem 0,92 und 1,18-fachen Auslösestrom der Schutzeinrichtung.Bei Fehlern in Hauptstromkreisen stellt aufgrund längerer notwendiger Klärungszeiten ein Verlust der transienten Stabilität während des Fehlers (Desynchronisation) einen kritischen Einfluss dar. Die dann graduelle oder zyklische Minderung der resultierenden Gesamtkurzschlussströme verhindert eine zuverlässige Anregung. Für dreipolige Fehler ist die zeitliche Entwicklung der Ströme mittels weniger Faktoren abschätzbar. Für einpolige Fehler wird eine Zunahme desynchronisierender Fälle mit steigendem Grad der strukturellen Diversität ohne Möglichkeit einer Quantifizierung beobachtet. Anregezuverlässigkeit ist somit erst durch Konzepte zur zuverlässigen Vermeidung von Desynchronisation erzielbar. In jedem Fall ist eine Fehlerdurchfahrt hinreichend vieler Wechselrichter erforderlich.Eine Fehlerdurchfahrt der Wechselrichter erfordert, dass diese Leiterspannungen zwischen Null und 1,08*sqrt(3) p.u. und Außenleiterspannungen bis zu 1,175 p.u. bedienen bzw. tolerieren können. Eine Teillastfähigkeit sowie Leistungsaufnahmefähigkeit der Energiewandlungsanlagen ist erforderlich. Im Falle einer Desynchronisation sind zyklische Überlastungen in einzelnen Phasen der Wechselrichter oder in Summe möglich.

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-066084
  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-06608