Regelung von Offshore-Windparks mit Dioden-Gleichrichter-HGÜ in einem synthetischen Referenzsystem
Offshore-Windparks mit HGÜ-Anbindung stellen zukünftig einen signifikanten Anteil am regenerativen Energiemix der Bundesrepublik Deutschland dar. Der Einsatz von Dioden-Gleichrichtern anstelle aktuell verwendeter Modular-Multilevel-Converter (MMC) bietet einen vielversprechenden Lösungsansatz zur Verkleinerung der Offshore-Inverter Plattform und damit verbundener Senkung der Projektkosten.
Da die DC-Spannung der HGÜ durch den Onshore-seitigen MMC konstant gehalten wird, definiert der leitende Dioden-Gleichrichter lediglich die Amplitude der AC-Spannung des Offshore-Netzes. Konventionelle Stromregelverfahren von Windenergieanlagen können dabei nicht angewendet werden, da sie sich stets auf die Phasenlage der Netzspannung synchronisieren und Dioden-Gleichrichter dem Spannungssystem des Offshore-Netzes weder Frequenz noch Phasenlage vorgeben. Die Windenergieanlagen müssen somit Blindleistung und Frequenz im Offshore-AC-Netz selbst regeln und gleichzeitig die im Wind verfügbare Leistung in die Dioden-Gleichrichter-HGÜ einspeisen.
Die Arbeit beschreibt ein Regelungsverfahren für Windenergieanlagen, das die konventionelle Synchronisation auf die lokale Netzspannung durch die Vorgabe eines externen Synchronisationssignals ersetzt. Alle netzseitigen Umrichter des Offshore-Inselnetzes werden somit stromgeregelt in einem gemeinsamen synthetischen Referenzsystem betrieben, dem sogenannten FixReF-System. Daraus resultiert eine dem Synchronisationssignal entsprechende feste Netzfrequenz, was einem Stabilitätsvorteil gegenüber anderen Verfahren mit variabler Frequenz in Inselnetzen mit dominierendem Anteil an Leistungselektronik entspricht. Die Lage der lokal gemessenen Ströme und Spannungen im FixReF-System wird von Windenergieanlagen genutzt, um die Blindleistung zur Kompensation des Offshore-Netzes untereinander intelligent aufzuteilen.
Die Arbeit erklärt die Implementierung der FixRef-Regelung, sowohl in netzseitigen Umrichtern von Windenergieanlagen mit Vollumrichtern, als auch in maschinenseitigen Umrichtern doppeltgespeister Asynchronmaschinen (DFIG). Elektromechanische Windparksimulationen im Zeitbereich zeigen den Betrieb FixReF-geregelter Windenergieanlagen an einer Dioden-Gleichrichter-HGÜ und erläutern die verschiedenen Möglichkeiten der Blindleistungsverteilung bei der Anwendung des Verfahrens. Zudem werden Simulationsergebnisse eines optimierten Verhaltens der Anlagen bei Offshore-Netzfehlern und einer Strategie zur Eigenbedarfsversorgung bei Windstille auf Basis der FixReF-Regelung präsentiert. Die Untersuchung eines Notbetriebs bietet zusätzlich einen Lösungsansatz für den Verlust des Synchronisationssignals einzelner Windenergieanlagen im Park.
Abschließend erfolgt eine Implementierung und Validierung des FixReF-Verfahrens auf einem Laborprüfstand, der Modellumrichter von Windenergieanlagen über ein 25 V Labornetz mit einer Dioden-Gleichrichter-HGÜ verbindet.