Technische Realisierbarkeit einer Hybridschaltung aus netz- und selbstgeführten HGÜ zur Netzanbindung von Offshore-Windparks
Final Report Abstract
Im Rahmen der DFG-Sachbeihilfe „Kombinierte HGÜ mit selbst- und netzgeführten Stromrichtern zur Netzanbindung von Offshore-Windparks“ wurde eine Kombinationsschaltung der beiden im Antragstitel benannten HGÜ-Stromrichtertopologien untersucht (HGÜ: Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung). Die grundsätzliche Motivation zur Durchführung des Forschungsvorhabens lag darin, die jeweiligen individuellen Systemvorteile wie die gute Regelbarkeit der selbstgeführten HGÜ und die Effizienz sowie die hohe Übertragungskapazität der netzgeführten HGÜ durch die Entwicklung einer kombinierten HGÜ-Struktur zusammenzufassen. Die Untersuchung des Systemverhaltens der kombinierten HGÜ wurde am Beispiel der Offshore-Windpark-Netzanbindung durchgeführt. Dort ist zur Versorgung des Windparks während der Installation, bei Flauten sowie bei niedrigen Windstärken, wenn die Übertragungsleistung unterhalb der Mindestleistung der netzgeführten HGÜ liegt, nur die selbstgeführte HGÜ im Eingriff. Bei mittleren und hohen Windstärken überträgt die netzgeführte HGÜ die Wirkleistung, während die selbstgeführten Konverter zur Blind- und Oberschwingungskompensation beitragen. Der für das Forschungsvorhaben gewählte Ansatz zur Realisierung der kombinierten HGÜ-Struktur war dabei die Parallelschaltung von jeweils einem selbst- und einem netzgeführten Stromrichter, sowohl am festlandseitigen, als auch am windparkseitigen Ende eines DC-Seekabels. Zu unterscheiden sind hierbei der „Parallelbetrieb“, bei dem die beiden Konverter im fehlerfreien Normalbetrieb über die gesamte Betriebsdauer hinweg wechsel- und gleichspannungsseitig verbunden sind, und der „abschnittsweise Alleinbetrieb“, bei dem selbst- und netzgeführte Stromrichter im Wechsel mit der DC-Leitung verbunden sind. Beim Übergang des Leistungsflusses vom selbst- auf das netzgeführte System befindet sich die kombinierte HGÜ jedoch auch beim „abschnittsweisen Alleinbetrieb“ übergangsweise im Parallelbetrieb. Der Alleinbetrieb von netzund selbstgeführter HGÜ wurde bereits in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Aufsätzen betrachtet und ist bereits Stand der Technik. Im Projekt wurde daher der Parallelbetrieb von netzund selbstgeführten Stromrichtern als die wesentliche wissenschaftliche Herausforderung eingehend untersucht. Für den Parallelbetrieb erfolgte eine detaillierte Ausarbeitung des Betriebsund Regelkonzeptes, anschließend erfolgte die umfassende Simulation des HGÜ Systems im Normalbetrieb und für den Fehlerfall. Auch in praktischen Experimenten an einer im Labor aufgebauten kombinierten Niederspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke (NGÜ) konnte der Parallelbetrieb erfolgreich durchgeführt werden. Die Durchführung der Simulationen und der praktischen Experimente hat gezeigt dass der Parallelbetrieb unter Vereinigung der Effizienz der netzgeführten HGÜ mit der guten Regelbarkeit der selbstgeführten HGÜ grundsätzlich möglich ist. Für die praktische Realisierbarkeit eines solchen HGÜ-Systems spielt jedoch auch das Systemverhalten bei Netzfehlern eine wichtige Rolle. Bei der Untersuchung von Netzfehlern im Parallelbetrieb hat sich gezeigt, dass sich in manchen Fällen die Nachteile einer Stromrichtertopologie nicht durch die jeweils andere eliminiert werden können. Insbesondere die Beherrschung von Spannungseinbrüchen oder Netzkurzschlüssen am Netzanschlusspunkt erweist sich mit kombinierten HGÜ im Parallelbetrieb in bestimmten Fällen als anspruchsvoll. Für den künftigen Netzausbau, der zur großräumigen Netzintegration von erneuerbaren Energiequellen erfolgen muss, sind die im Projekt erlangten Erkenntnisse zum Parallelbetrieb von netz- und selbstgeführter HGÜ von grundsätzlicher Bedeutung. Während das Energieversorgungsnetz derzeit nahezu vollständig in Wechselstromtechnik ausgeführt ist, sollen neue Leitungen zu einem beträchtlichen Teil in Gleichstromtechnik errichtet werden. Es ist zu erwarten, dass künftig für einzelne Leitungstrassen auch sehr hohe Übertragungskapazitäten gefordert werden, für die aus Redundanzgründen die Parallelschaltung unabhängiger Konvertereinheiten sinnvoll ist. Für solche Systeme ist die kombinierte HGÜ eine interessante Alternative, für deren Prüfung und wirtschaftliche Bewertung die im Projekt erlangten Forschungsergebnisse sehr hilfreich sind.
Publications
- Hybrid HVDC System for Grid Connection of Offshore Wind Farms, ForWind Annual Report 2012
F. Fein, B. Orlik
- “Dual HVDC System with line- and self-commutated Converters for Grid Connection of Offshore Wind Farms”, ICRERA 2013, Madrid, Oktober 2013
F. Fein, B. Orlik
(See online at https://doi.org/10.1109/ICRERA.2013.6749766)
