Simulation of variable-speed doubly-fed induction machines for hydro-power plants

Abstract

Die Durchdringung mit dezentralisierter Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen mit z.B. Windkraftanlagen, Solaranlagen oder Wasserkraftwerken steigt fortwährend an. Dadurch ergibt sich ein immer größer werdender Einfluss auf die Übertragungsnetze, insbesondere die Stabilität betreffend. Deshalb werden in Zukunft vermehrt neue Anforderungen für die Netzanbindung mittels sogenannter Grid-Codes eingeführt, welche diese Kraftwerke verpflichten, einen aktiven Beitrag zur Netzstabilität zu leisten. Diese Richtlinien richten sich vor allem an neue drehzahlvariable Technologien, wie umrichtergespeiste Synchronmaschinen oder doppelt-gespeiste Asynchronmaschinen, welche genauso wie klassische elektrisch erregte Synchronmaschinen in der Lage sind, dem Netz Blind- und Wirkleistung unabhängig voneinander bereitzustellen. In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein Simulationsmodell einer doppelt-gespeisten Asynchronmaschine mit Spannungszwischenkreisumrichter und den dazugehörigen Schutzeinrichtungen Crowbar und Chopper-Widerstand erstellt. Dieses Modell soll das Verhalten des Gesamtsystems bei Netzfehlern zu untersuchen und Möglichkeiten zur Einhaltung der Anforderungen der zukünftigen Grid-Codes aufzeigen. Für die Simulation wird dazu die Simulationssoftware SIMSEN verwendet.<br />Die ersten zwei Kapitel geben einen Überblick über die zukünftigen europäischen Grid-Codes und über aktuelle drehzahlvariable doppelt-gespeiste Asynchronmaschinen. Die drei darauffolgenden Kapitel beschreiben die Modellierung des Systems und die Auslegung der Regler der Netz- und Rotorseite des Spannungszwischenkreisumrichters.<br />Anschließend werden verschiedene Simulationen durchgeführt, die auf den Anforderungen der zukünftigen Grid-Codes basieren.

The penetration of decentralized renewable energy resources such as wind, solar or hydro power is increasing rapidly. Therefore, such power plants more and more influence the overall of transmission systems behaviour and stability. For this reason, new grid codes will be introduced in the future, which require these plants to provide an active contribution to the grid stability. These new requirements are aimed mainly at recent variable speed technologies, like inverter-fed synchronous machines and doubly-fed induction machines. Both arrangements, as conventional electrical excited synchronous machines, are able to deliver reactive and active power to the grid independently from each other.<br />In this thesis, a simulation model of variable speed doubly-fed induction machines with a voltage source inverter and corresponding protection systems such as crowbar and chopper resistor is presented.<br />This model which is implemented in the simulation software SIMSEN, is developed to examine the system behaviour during grid faults and whether it can fulfil the requirements defined by future grid codes.<br />The first two chapters give an overview of the future European grid codes and current arrangements of doubly-fed induction machines. The following three chapters describe the system modelling, the controller design for grid and machine/rotor side of the voltage source inverter.<br />Subsequently, the next chapter provides various simulation cases based on the requirements of new grid codes.