Coordinated Optimization of Grid-Forming Control in LCC-MMC Hybrid DC Transmission Systems Considering Virtual Power Angle Evolution Mechanism

Stellen Sie sich das Stromnetz als einen riesigen, unsichtbaren Ozean aus Energie vor, der ständig brodelt, um unsere Lichter, Telefone und Städte mit Strom zu versorgen. In diesem Ozean gibt es zwei Hauptarten von „Booten“, die helfen, das Wasser ruhig zu halten und in die richtige Richtung zu bewegen. Einige Boote, sogenannte „Grid-Following“-Boote (netzfolgend), sind wie fleißige Ruderer, die einfach einem Leuchtturm (einem Signal aus dem Hauptnetz) zusehen und perfekt im Einklang mit ihm rudern. Sie sind großartig, wenn der Ozean ruhig ist, aber wenn ein Sturm aufzieht und der Leuchtturm flackert, können sie die Orientierung verlieren oder in Panik geraten. Andere Boote, sogenannte „Grid-Forming“-Boote (netzbildend), sind wie die Kapitäne der Flotte. Sie folgen nicht nur dem Licht; sie erzeugen ihren eigenen Rhythmus und ihre eigene Spannung und wirken wie ein virtueller Motor, der hilft, den gesamten Ozean zu stabilisieren, selbst wenn der Sturm tobt. Dies ist entscheidend, da wir mehr Wind- und Solarkraft – die etwas unvorhersehbar sind – in unseren Energiemix integrieren. Diese „Grid-Forming“-Kapitäne haben jedoch ein schwieriges Geheimnis: Wenn der Sturm zu heftig wird, bekommen sie manchmal Angst und schalten in einen „Stromquellen-Modus“ um, bei dem sie aufhören zu steuern und stattdessen einfach nur so hart wie möglich drücken, was das Schiff tatsächlich zum Kentern bringen kann.

Dieses Paper befasst sich genau mit diesem beängstigenden Moment für eine spezifische Art von Hochspannungsleitung, die eine Einspeisestation mit einer Empfangsstation verbindet. Die Forscher, die mit einem Modell eines ±800-kV-Systems arbeiteten, entdeckten, dass die „Grid-Forming“-Konverter, wenn ein Fehler (wie ein Kurzschluss) am Ende der Leitung auftritt, in eine gefährliche Schleife geraten können, in der sie die Kontrolle über den Winkel verlieren, der sie mit dem Netz synchron hält. Sie nennen diesen Winkel den „virtuellen Leistungswinkel“, den man sich wie die Position des Lenkrads relativ zum Wind vorstellen kann. Wenn dieser Winkel zu weit ausschlägt, dreht das Boot durch. Die Autoren verwendeten Computersimulationen (speziell auf einer Plattform namens PSCAL/EMTDC), um zu beweisen, dass sie durch das Beobachten der „Überschussleistung“ (die zusätzliche Energie, die sich aufstaut, weil der Sturm den Ausgang blockiert hat) dem Kapitän dynamisch sagen können, dass er gerade genug abbremsen soll, um das Lenkrad unter Kontrolle zu halten. Darüber hinaus haben sie, falls der Sturm so schlimm wird, dass langsamer werden nicht ausreicht, einen „sanften Wechsel“ entworfen, der es dem Kapitän ermöglicht, das Steuer sofort an einen „Grid-Following“-Ruderer zu übergeben, ohne das Schiff zu erschüttern, um sicherzustellen, dass das Boot die schlimmsten Stürme übersteht.

Die Geschichte des virtuellen Lenkrads

In der Welt der Hochspannungsübertragung versuchen Ingenieure ständig, gewaltige Mengen an Elektrizität von dort, wo sie erzeugt wird (wie etwa bei riesigen Windparks), dorthin zu bewegen, wo sie benötigt wird (wie in großen Städten). Eine beliebte Methode hierfür ist ein „Hybridsystem“: ein LCC (Line-Commutated Converter) am Anfang und ein MMC (Modular Multilevel Converter) am Ende. Betrachten Sie den LCC als einen robusten, altmodischen Lastwagen, der günstig und zäh ist, und den MMC als ein elegantes, flexibles Sportauto, das auch mit schwierigen Straßen zurechtkommt.

Das Problem entsteht am Zielort. Manchmal ist das lokale Stromnetz „schwach“, was bedeutet, dass es nicht viel Trägheit (wie ein schweres Schwungrad) besitzt, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Um dies zu beheben, setzen Ingenieure die „Grid-Forming“ (GFM)-Regelung auf dem Sportauto ein. Anstatt nur dem Rhythmus des Netzes zu folgen, agiert die GFM-Regelung wie ein virtueller Synchrongenerator, der seine eigene Spannung und Frequenz erzeugt, um das Netz stabil zu halten. Es ist wie ein Kapitän, der das Schiff steuern kann, selbst wenn der Kompass defekt ist.

Aber hier liegt die Tücke: Wenn ein massiver Fehler im Netz auftritt (wie ein Drehstrom-Kurzschluss), wird der GFM-Kapitän überfordert. Das System versucht, den Strom zu begrenzen, um die Ausrüstung zu schützen, und tut dabei Folgendes: Der Konverter wechselt vom Modus der Spannungsquelle (einem stetigen Kapitän) zum Modus der Stromquelle (einem hektischen Drücker). In diesem Zustand beginnt der „virtuelle Leistungswinkel“ – der Winkel zwischen der internen Spannung des Konverters und der Netzspannung – wild zu schwanken. Wenn er zu weit ausschlägt, über den sogenannten „Critical Clearing Angle“ (CCA) hinaus, verliert das System die Synchronisation und stürzt ab. Es ist wie ein Pendel, das so hoch schwingt, dass es die Decke berührt und dort hängen bleibt.

Der Zwei-Teile-Rettungsplan

Die Autoren dieses Papers schlugen eine zweiteilige Strategie vor, um das Schiff zu retten, wenn der Sturm zuschlägt.

1. Die „Überschussleistung“-Bremse
Der erste Teil ihres Plans ist eine intelligente Art, vor dem Crash langsamer zu werden. Sie erkannten, dass bei einem Fehler die Einspeiseseite weiterhin Leistung drückt, die Empfangsseite die Leistung aber nicht abführen kann. Dies erzeugt „Überschussleistung“, die die Gleichspannung (DC-Spannung) ansteigen lässt. Die Autoren nutzten diesen Anstieg als Warnsignal.

Anstatt einfach nur die Bremsen voll einzutreten oder die Leistungseinstellung fest zu halten (was so ist, als würde man mit fest eingestelltem Tempomat fahren), entwickelten sie eine Strategie zur „dynamischen Leistungsreduktion“. Sie berechneten die exakte Menge der unbalancierten Leistung und nutzten diese, um den Leistungssollwert des GFM-Reglers sofort zu senken.

• Wie es funktioniert: Durch das Senken des Leistungssollwerts verkleinern sie effektiv die „Beschleunigungsfläche“ (die Kraft, die das Lenkrad wegdrückt) und vergrößern die „Verzögerungsfläche“ (den Raum zum Anhalten). Dies macht den Critical Clearing Angle größer und gibt dem System mehr Zeit zur Erholung, bevor es aus der Bahn gerät.
• Das Ergebnis: In ihren Simulationen, als sie einen Fehler testeten, der nach 5,7 Sekunden behoben wurde, scheiterte ein Schema mit fester Leistungsreduktion daran, das System zu stabilisieren. Mit ihrer dynamischen Strategie hingegen konnte das System reibungslos regenerieren. Der virtuelle Leistungswinkel schwankte nicht so wild, und die Gleichspannung sowie die Wirkleistung kehrten viel schneller zum Normalzustand zurück (in etwa 8 Sekunden statt sich endlos hinzuziehen).

2. Der „Sanfte Wechsel“ zu einem Backup-Ruderer
Aber was, wenn der Sturm so heftig ist, dass langsamer werden allein nicht ausreicht? Was, wenn der virtuelle Leistungswinkel bereits über den Punkt des nicht mehr Umkehrbaren hinausgeschlagen ist?
Die zweite Strategie der Autoren ist ein „Smooth Switching“-Mechanismus (sanfter Wechsel). Wenn der Winkel zu gefährlich wird, wechselt das System den Konverter sofort vom „Grid-Forming“-Modus in den „Grid-Following“ (GFL)-Modus.

• Die Herausforderung: Normalerweise ist ein Moduswechsel so, als würde man das Lenkrad einem anderen Fahrer während der Fahrt bei 100 km/h aus der Hand reißen. Das verursacht einen Ruck, der das Auto zum Absturz bringen kann.
• Die Lösung: Sie entwarfen ein „Feedforward-Kompensationssystem“. Dies wirkt wie ein Co-Pilot, der den Hauptfahrer beobachtet und exakt vorberechnet, was der Ersatzfahrer tun muss. Bevor der Wechsel stattfindet, verfolgt das Backup-System (der GFL-Regler) bereits den Ausgang des Hauptsystems. Wenn der Wechsel erfolgt, bleiben die Stromreferenzen der inneren Regelschleife (die eigentlichen Befehle an die Motoren) kontinuierlich. Es gibt keinen Ruck, keinen Peak und keinen Kontrollverlust.
• Das Ergebnis: In Simulationen eines schweren Fehlers (Spannungsabfall auf 0,1 p.u.) erholte sich das System mit dem sanften Wechsel in etwa 7,5 Sekunden. Ohne den Wechsel kämpfte das System mit der Erholung, und die Stromreferenzen benötigten viel länger, um sich einzupendeln.

Was die Simulationen zeigten

Die Forscher testeten diese Ideen an einem detaillierten Computermodell eines ±800-kV, 4.000-MW-Hybrid-DC-Übertragungssystems. Sie simulierten Drehstrom-Kurzschlussfehler am AC-Bus der Hochseite des Konverters.

• Die Gefahrenzone: Sie bestätigten, dass das System instabil wird, wenn der Fehler zu lange anhält und der virtuelle Leistungswinkel den Critical Clearing Angle überschreitet. Speziell als die Fehlerbehebungszeit auf 5,9 Sekunden verlängert wurde, versagte das Schema der festen Leistungsreduktion vollständig, was dazu führte, dass der virtuelle Leistungswinkel immer weiter anstieg und das System die Stabilität verlor. Im Gegensatz dazu hielt die dynamische Strategie das System stabil.
• Der dynamische Vorteil: Beim Vergleich ihrer dynamischen Leistungsreduktion mit einer festen Leistungsreduktion beim 5,9-Sekunden-Fehlertest zeigte die dynamische Methode deutlich geringere Störungen. Die Wirkleistung sank auf 380 MW, begann aber nach 8,5 Sekunden wieder zu steigen, während das feste Schema sah, wie die Gleichspannung auf 690 kV anstieg und die Leistung heftig oszillierte, ohne sich zu erholen.
• Der Vorteil des Wechsels: Als sie den sanften Wechsel bei einem schweren Fehler (0,1 p.u. Spannung) testeten, erholte sich das System mit dem Wechsel etwa eine Sekunde schneller als das System ohne ihn. Entscheidend war, dass es verhinderte, dass der Konverter in den gefährlichen Stromquellen-Modus „eingesperrt“ wurde.

Das Fazit

Dieses Paper behauptet nicht, alle Probleme der Stromnetze gelöst zu haben, bietet aber eine sehr spezifische und kluge Lösung für eine bekannte Schwäche von Grid-Forming-Konvertern. Indem sie den „virtuellen Leistungswinkel“ wie ein Lenkrad behandeln, das sorgfältig verwaltet werden muss, zeigten die Autoren:

1. Dynamisches Bremsen basierend auf Überschussleistung ist besser als statisches Bremsen. Es bietet dem System eine größere Sicherheitsreserve.
2. Ein sanfter Wechsel in den Grid-Following-Modus ist ein praktikabler Notausgang, falls der Sturm zu groß wird – vorausgesetzt, man reißt nicht ruckartig am Lenkrad.

Die Autoren legen nahe, dass dieser Ansatz das Beste aus beiden Welten kombiniert: die Stabilität eines Grid-Forming-Kapitäns bei ruhigem Wetter und die Zuverlässigkeit eines Grid-Following-Rowers bei einem Hurrikan. Obwohl diese Ergebnisse auf Simulationen basieren und noch nicht an einer realen Hochspannungsleitung getestet wurden, bieten sie eine starke theoretische und modellbasierte Grundlage, um zukünftige Hochspannungs-Gleichstrom-Systeme sicherer und widerstandsfähiger gegen die unvermeidlichen Stürme des Stromnetzes zu machen.