Grid-Forming Enhanced STATCOMs for Wind Power Plant Stability: Design, Modeling, and Control

Technische Zusammenfassung: Netzbildende verbesserte STATCOMs zur Stabilisierung von Windkraftanlagen

Problemstellung
Die zunehmende Integration von wechselrichterbasierten Ressourcen (IBRs), insbesondere Windenergie, in moderne Stromnetze hat erhebliche Herausforderungen hinsichtlich der Spannungs- und Frequenzstabilität mit sich gebracht, insbesondere in schwachen Netzen, die durch eine geringe Kurzschlussfestigkeit und reduzierte Systemträgheit gekennzeichnet sind. Traditionell wurden Synchronkondensatoren (Syncons) eingesetzt, um Trägheit, Spannungsregelung und Kurzschlussstromunterstützung bereitzustellen. Ihre mechanische Natur begrenzt jedoch ihre Reaktionsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit unter dynamischen Netzbedingungen. Darüber hinaus kann der Einsatz von Serienkompensation zur Verbesserung der Leistungsübertragung in langen Übertragungsleitungen neue Resonanzprobleme einführen, einschließlich subsynchroner Resonanz (SSR) und transienter Überspannungen (TOV), die bestehende Lösungen nicht effektiv zu mildern vermögen.

Methodik
Die Studie verwendet einen dualen Ansatz, der ein neuartiges lineares Modellierungsframework mit detaillierten elektromagnetischen Transienten-Simulationen (EMT) kombiniert:

1. Leistungs-Admittanz-basierte lineare Modellierung: Anstatt sich auf die konventionelle Impedanzanalyse im dq-Referenzrahmen zu verlassen, nutzt die Arbeit einen auf der Leistungsreaktionsmatrix basierenden Modellierungsansatz. Diese Methode charakterisiert das Konvertersystem, indem sie Variationen der Netzspannung und -frequenz direkt mit Änderungen der Wirk- und Blindleistung in Beziehung setzt. Das Framework ist inhärent referenzrahmenunabhängig, was die Aggregation mehrerer Konvertersysteme und die intuitive Bewertung netzbildender (Grid-Forming, GFM) Eigenschaften wie synthetische Trägheit und Dämpfung ermöglicht.

   • Die Windfarm wird als Spannungsquelle modelliert, die über eine physikalische Reaktanz mit einem unendlichen Bus verbunden ist.
   • Die Analyse berücksichtigt nicht-ideale Anfangsbedingungen, um Frequenzverschiebungen der Resonanz präzise zu erfassen.
   • Linearisierte Admittanzmatrizen werden abgeleitet, um das Kleinsignal-Dynamikverhalten zu analysieren.

2. Vergleichende Systemkonfiguration: Die Studie vergleicht zwei Shunt-Kompensationsalternativen, die mit einer Windfarm mit Serienkompensation verbunden sind:

   • Synchronkondensator (Syncon): Modelliert mit einem automatischen Spannungsregler (AVR) und inhärenter mechanischer Trägheit.
   • Verbesserter STATCOM (E-STATCOM): Implementiert über einen GFM-Konverter mittels einer auf der Schwingungsgleichung basierenden Leistungsregelschleife und einer Open-Loop-virtuellen Admittanzregelung (VAC). Der E-STATCOM ist so konzipiert, dass er die Eigenschaften eines Standard-Syncons emuliert (Angleichung der Trägkeitskonstanten und Reaktanz), um einen fairen Vergleich zu gewährleisten.

3. Validierung: Die theoretischen Erkenntnisse aus den linearen Modellen werden durch Simulation-in-the-Loop (SIL) unter Verwendung detaillierter PSCAD/EMT-Modelle validiert. Diese Simulationen enthalten realistische Transformatoren-, Konverter-, Synchronmaschine- und Windfarmmodelle, die verschiedenen transienten Szenarien wie Dreiphasenfehlern, einphasigen Fehlern und Phasenwinkel-Sprüngen ausgesetzt werden.

Zentrale Beiträge und Ergebnisse

• Überlegene Dämpfung der subsynchronen Resonanz (SSR): Die lineare Analyse und die EMT-Simulationen zeigen, dass Syncons zwar eine gewisse Dämpfung bieten, diese jedoch nicht ausreicht, um SSR vollständig zu unterdrücken. Im Gegensatz dazu dämpft der GFM-basierte E-STATCOM die SSR signifikant (beobachtet bei ca. 10 Hz in linearen Modellen und 23 Hz in EMT-Simulationen) und unterdrückt effektiv neue Schwingungsmodi, die durch die Serienkompensation eingeführt wurden (z. B. Moden um 30 Hz und 80 Hz).
• Umgang mit DC-Komponenten und transienten Überspannungen:
  • DC-Komponenten: Syncons neigen dazu, DC-Komponenten, die aus Phasenwinkelverschiebungen resultieren, eher zu attenuieren als zu dämpfen, und können diese möglicherweise sogar injizieren. Der E-STATCOM dämpft die DC-Komponente zwar nicht primär durch seine Regelschleife allein, vermeidet jedoch eine weitere Attenuation und ermöglicht bei Kombination mit Systemdesign-Überlegungen eine effektive Unterdrückung.
  • Transiente Überspannungen (TOV): Nach einem Dreiphasenfehler wies der Windfarm-Bus eine TOV von bis zu 2 p.u. auf. Der E-STATCOM unterdrückte diese TOV und die damit verbundene SSR innerhalb eines einzigen Zyklus, während die Reaktion des Syncon langsamer und weniger effektiv war.
• Fehlerstrom- und Überstromfähigkeit:
  • Syncons speisen Fehlerströme injizieren, die durch ihre Subtransienten-Reaktanz ohne Einschränkung bestimmt werden.
  • Standard-E-STATCOMs sind durch die Ventilkapazität begrenzt. Die Studie zeigt jedoch, dass ein E-STATCOM, der mit spezifischen Überstromfähigkeiten konzipiert wurde (z. B. temporäre Überlast oder spezialisierte Halbleiter), Fehlerstromlevel liefern kann, die mit denen von Syncons vergleichbar sind.
  • Entscheidend ist, dass der E-STATCOM während der Wiederherstellung nach dem Fehler die volle Stromunterstützung aufrechterhält – eine Fähigkeit, die Syncons fehlt.
• Dynamisches Ansprechverhalten: Der E-STATCOM demonstriert ein schnelleres dynamisches Ansprechverhalten (typischerweise innerhalb von 50 µs) aufgrund seiner Open-Loop-virtuellen Impedanze emulation, was es ihm ermöglicht, zur Netzstabilität beizutragen, indem er Trägheit, Induktivität und Dämpfung effektiver nachbildet als mechanische Maschinen.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass verbesserte STATCOMs mit netzbildenden Fähigkeiten eine robustere und flexiblere Lösung als Synchronkondensatoren zur Stabilisierung erneuerbare-energien-dominierten Netze darstellen, insbesondere bei langen Übertragungsleitungen und Serienkompensation.

Wesentliche Behauptungen sind:

• Design-Benchmark: Die Studie zielt darauf ab, ein Benchmark-Kriterium für das E-STATCOM-Design bereitzustellen. Dieses Framework ermöglicht es Stakeholdern, wie Übertragungsnetzbetreibern (TSOs), die Eignung von E-STATCOMs für spezifische Netzbedingungen zu bewerten, ohne die Notwendigkeit erschöpfender EMT-Simulationen.
• Skalierbarkeit und Flexibilität: Im Gegensatz zu Syncons, die durch mechanische Trägheit begrenzt sind, bieten E-STATCOMs eine regelbare Steuerung, virtuelle Impedanzemulation und skalierbare Fehlerstromunterstützung.
• Umfassende Stabilität: Der E-STATCOM adresst ein breiteres Spektrum an Stabilitätsproblemen, einschließlich SSR, DC-Oszillationen, transienter Überspannungen und neuer durch Serienkompensation induzierter Moden, und gewährleistet so einen stabilen Betrieb über einen weiten Frequenzbereich.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass obwohl Syncons eine traditionelle Lösung waren, die spezifischen dynamischen Vorteile von GFM-basierten E-STATCOMs sie zur überlegenen Wahl für die sich wandelnde Landschaft hochgradig erneuerbarer Energiesysteme machen.