Elektrische Energietechnik · Netzanschlussstudien · Blindleistungsfähigkeit
Der Blindleistungsstapel
Schicht für Schicht: die Blindleistung, die ein modellierter 300-MW-Offshore-Windpark an seinem Netzanschlusspunkt bereitstellen kann – und wo sie nicht ausreicht.
Überblick
Wir haben einen AC-angebundenen Offshore-Windpark mit 300 MW modelliert, von den Umrichtern der Windenergieanlagen über das 66-kV-Parknetz und das Offshore-Umspannwerk bis zu einem 60 km langen Exportkabel, und 107.291 stationäre Lastflussberechnungen durchgeführt (104.111 davon konvergiert), um die Blindleistung abzubilden, die er an seinem Netzanschlusspunkt an Land bereitstellen kann. Jede Schicht des Stapels steht für eine Spannung am Netzanschlusspunkt, von 0,875 bis 1,100 pu. Jeder gelöste Punkt wird gegen jede Grenze im Modell geprüft: die Strom-, Klemmenspannungs- und Zwischenkreisgrenzen der Umrichter, die Bemessungswerte des Kabels und der Offshore-Transformatoren sowie die höchste Spannung für Betriebsmittel der 66-kV- und der 220-kV-Ebene.
Wir haben den Stapel gegen ein Beispielprofil geprüft, das wir innerhalb der Hüllkurve des EU-Netzkodex für Stromerzeuger gezeichnet haben (Verordnung (EU) 2016/631, Art. 21(3)(b)–(c), Abbildung 8 mit den Bereichen aus Tabelle 9, Pmax = 300 MW, Bemessungswerte der Anlagen). Wir verlangen auf jeder Leistungsstufe dasselbe Band – eine Wahl, die die Verordnung dem Netzbetreiber überlässt. Mit einer fest zugeschalteten 65-Mvar-Drosselspule an Land reicht der Stapel in zwei Bereichen nicht aus:
- Bei Blindleistungsabgabe und voller Wirkleistung fehlt bei jeder Spannung Blindleistung: 20–45 Mvar, begrenzt durch die Zwischenkreisgrenze der Umrichter. Bei 1,100 pu wächst die Lücke auf 57,6 Mvar; als letzte Grenze erreicht dort die 220-kV-Offshore-Sammelschiene 245 kV.
- Bei Blindleistungsaufnahme und 0,875–0,900 pu fehlen bei Wirkleistung null bis zu 44,4 Mvar; dort erreichen die Umrichterklemmen 0,90 pu, während die Stufenschalter am Endanschlag stehen.
Es sind die beiden Ecken, die die Verordnung selbst als kostspielig bezeichnet: Blindleistungsabgabe bei hoher Spannung, Blindleistungsaufnahme bei niedriger Spannung.
Die Lücke bei der Abgabe geht größtenteils auf unsere eigene Drosselspule zurück. Ohne sie erfüllt der Park die Abgabeseite überall; bei 1,100 pu nimmt die feste Drosselspule 79 Mvar auf. Betriebsmittel an der Sammelschiene des Netzanschlusspunkts ändern innerhalb des Netzes nichts, weil diese Spannung in jeder Schicht fest vorgegeben ist; die Kompensation wird deshalb als exakter letzter Schritt bemessen. Zusätzlich zur festen Drosselspule schließt ein STATCOM mit ±52,4 Mvar beide Bereiche. Eine 125-Mvar-Drosselspule, die bei Abgabe ab- und bei Aufnahme zugeschaltet wird, schließt sie ganz ohne STATCOM.
Die Anordnung ist repräsentativ, kein reales Projekt. Der Netzanschlusspunkt liegt an Land, wie bei einem Park, der sein Exportsystem selbst errichtet. Wo er liegt, hängt vom Land ab, und danach richtet sich der anzuwendende Artikel: Bei einem Netzanschlusspunkt an Land behandelt die Verordnung den Park als Onshore-Stromerzeugungsanlage (Art. 23(1)). Außerdem erlaubt die Verordnung dem Netzbetreiber, vom Eigentümer des Kabels zusätzliche Blindleistung zum Ausgleich des Exportkabels zu verlangen (Art. 21(3)(a)); unsere Profile tun das nicht. Ob Stufenschalterstellungen auf die Blindleistungsfähigkeit angerechnet werden dürfen, hängt vom Netzbetreiber ab; deshalb ist der Stapel für beide Fälle berechnet.
Was wir entwickelt haben
- Der Park. Modell eines Offshore-Windparks mit 300 MW:
- 20 Vollumrichter-Windenergieanlagen mit je 15 MW an vier 66-kV-Strängen;
- zwei 180-MVA-Offshore-Transformatoren mit Laststufenschaltern;
- eine 80-Mvar-Offshore-Drosselspule;
- ein 60 km langes 220-kV-Exportkabel in 12 Abschnitten.
Die Kabeldaten werden aus der Kabelgeometrie berechnet.
- Der Umrichter. Jeder Anlagenumrichter hat drei Grenzen: Strom, AC-Klemmenspannung (0,90–1,10 pu) und eine Zwischenkreisgrenze für seine innere Spannung, die die übererregte Blindleistungsabgabe bei steigender Klemmenspannung begrenzt.
- Die Parameterstudie. Sie variiert die Spannung am Netzanschlusspunkt, die Wirkleistung, 17 Stufenstellungen und den Blindleistungssollwert der Anlagen. Ein Bisektionsverfahren bestimmt jeden Rand der Blindleistungsfähigkeit auf 0,01 Mvar je Anlage genau, und zu jedem Rand wird die Grenze festgehalten, die ihn setzt.
- Die Profilprüfung. Sie prüft den Stapel gegen drei Beispielprofile, die wir innerhalb der Hüllkurve aus Abbildung 8 gezeichnet haben, mit den Bereichen aus Tabelle 9. Sie bemisst die Drosselspule an Land, fest oder geschaltet, und den STATCOM, die die Lücken schließen.
- Ein interaktiver Stapel. Sie können:
- durch die Spannungsschichten fahren;
- die Stufenschalter freigeben oder festsetzen;
- die Drosselspule zwischen fest und geschaltet umstellen;
- das Profil wechseln;
- die STATCOM-Bemessung verändern.
Tech-Stack
Python, pandapower (Newton-Raphson-Lastfluss), NumPy; three.js für den Stapel; ein Headless-Browser für die Filmbilder.
Zahlen
| Kennzahl | Wie wir sie ermittelt haben |
|---|---|
| 107.291 Lastflussberechnungen, 104.111 konvergiert | Die Parameterstudie für den Netzanschlusspunkt an Land: 19 Spannungen × 11 Leistungsstufen × 17 Stufenstellungen × 13 oder 25 Blindleistungssollwerte, dazu die Bisektionsschritte an jedem Rand. Die 3.180 nicht konvergierten Berechnungen gelten als außerhalb der Grenzen. Kein Rand wurde durch einen nicht konvergierten Punkt bestimmt. |
| 211 s | Gesamtlaufzeit dieser Parameterstudie mit 5 Prozessen auf einem Laptop mit M1 Pro (etwa 10 ms pro Lastflussberechnung und Prozess). |
| 169 Mvar | Ladeleistung des 60 km langen Exportkabels bei 220 kV, von Hand gerechnet: U²·ω·C·l mit C = 184,9 nF/km aus der Kabelgeometrie. Einseitig gespeist und am fernen Ende offen, erzeugt das Kabel 170,1 Mvar, sowohl in der exakten Lösung mit verteilten Leitungsbelägen als auch in unserem Modell mit 12 Abschnitten. |
| 57,6 Mvar Defizit (Abgabe) | Das größte übererregte Defizit: 1,100 pu, volle Wirkleistung, mit fest zugeschalteter 65-Mvar-Drosselspule an Land. Als letzte Grenze erreicht die 220-kV-Offshore-Sammelschiene 245 kV. Stufenschalter frei, Beispielprofil A. |
| 44,4 Mvar Defizit (Aufnahme) | Das größte untererregte Defizit: 0,875 pu, Wirkleistung null. Die Umrichterklemmen liegen bei 0,90 pu, die Stufenschalter am Endanschlag. Übrige Bedingungen wie oben. |
| ±52,4 Mvar | STATCOM-Bemessungsleistung bei 1,0 pu, die jedes Defizit gegenüber Profil A schließt, bei freien Stufenschaltern und fest zugeschalteter 65-Mvar-Drosselspule. Sie ergibt sich aus dem größten Defizit geteilt durch die zugehörige Spannung, weil ein strombegrenzter STATCOM seine Bemessungsleistung mal der Spannung liefert (wir nehmen Bemessungsstrom bis 1,10 pu an). |
| 125 Mvar, geschaltet | Eine über Leistungsschalter geschaltete Drosselspule an Land (bei Abgabe aus, bei Aufnahme ein), die jedes Defizit gegenüber den Profilen A, B und C schließt, mit freien Stufenschaltern und ohne STATCOM. Es ist die kleinste Größe in 5-Mvar-Schritten, die das schafft. |
| 177,4 Mvar | Die STATCOM-Bemessungsleistung bei in Mittelstellung festgesetzten Stufenschaltern (feste Drosselspule). Selbst damit bleiben drei Betriebspunkte offen: Bei 0,875–0,900 pu können die Umrichter die volle Wirkleistung gar nicht liefern. |
| 11,1 und 33,3 Mvar | STATCOM-Bemessungsleistungen für die Beispielprofile B (entlastete Ecken) und C (Band ±0,33), mit fester Drosselspule und freien Stufenschaltern. |
| 54,7 Mvar | Dieselbe Prüfung mit dem Netzanschlusspunkt stattdessen an der 220-kV-Offshore-Sammelschiene, wie bei einem Offshore-Hub im Besitz des Netzbetreibers. Dort liegen das Exportkabel und beide Drosselspulen außerhalb des Parks, und der STATCOM stünde offshore (106.039 weitere Lastflussberechnungen). Es gelten Art. 25(5) und Tabelle 11; für Kontinentaleuropa hat Tabelle 11 dieselben Grenzen wie Tabelle 9. |
| 7,0 MW | Verluste von den Anlagenklemmen bis zum Netzanschlusspunkt bei voller Wirkleistung, 1,000 pu, Anlagen ohne Blindleistung, Stufenschalter in Mittelstellung (293,0 MW geliefert). |
| 0,0000002 Mvar | Größte Abweichung der Blindleistung am Netzanschlusspunkt zwischen der Lastfluss-Engine und unserem eigenen Newton-Raphson-Löser, geschrieben nach denselben dokumentierten Daten, an 60 zufälligen Betriebspunkten. Das prüft den Code, nicht die Physik. |
Alle Zahlen sind stationäre Ergebnisse aus unserem Modell eines repräsentativen Parks. Sie sind keine Konformitätsbewertung.
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