Analyse und Aufbau einer präzisen Frequenzmessung für die Realisierung von virtuellen Schwungmassen

Abstract

Der Anteil an regenerativer Energieerzeugung im elektrischen Energieversorgungsnetz wird künftig weiter zunehmen. Bei regenerativen Quellen wie Photovoltaik-System, Windkraftwerken, Brennstoffzellen etc.<br />erfolgt die eigentliche Einspeisung der elektrischen Energie stets über leistungselektronische Umrichter. Diese weisen aber im Gegensatz zu klassischen Synchrongeneratoren üblicherweise kein Schwungmasse- Verhalten auf. Dieses ist aber für die Stabilität des Versorgungsnetzes von großer Wichtigkeit, da alle Laststöße im Netz dynamisch zunächst von den rotierenden Massen (Schwungmassen) abgedeckt werden. Nimmt der Anteil leistungselektronischer Energieeinspeisung gegenüber rotierenden Generatoren signifikant zu, sind deshalb Probleme mit der Stabilität des Versorgungsnetzes zu erwarten.<br />Zur Verbesserung der Netzstabilität wird deshalb der Einsatz von "virtuellen Schwungmassen" überlegt. Diese können beispielsweise so realisiert werden, dass am Netz befindliche elektrische Lasten (typischerweise mit größerer Speicherzeit wie etwa Warmwassergeräte, Kühlschränke, Klimageräte usw.) elektronisch so gesteuert werden, dass bei plötzlichen Absinken der Netzfrequenz die von der Last bezogene Leistung kurzzeitig entsprechend reduziert wird. Dazu ist allerdings eine Frequenzmesseinrichtung notwendig, mit der die aktuelle Netzfrequenz schell, aber trotzdem mit hoher Auflösung bestimmt werden kann.<br />Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde daher ein System zur Messung der Netzfrequenz entwickelt und getestet, welches durch folgende Merkmale charakterisiert ist:<br />i. Hohe Dynamik (d.h., geringe Messzeit, damit über entsprechende Leistungssteuerung der Last das Verhalten einer Schwungmasse mit Reaktionszeiten von typ. <1s nachgebildet werden kann).<br />ii. Hohe Auflösung (typ. 1mHz, notwendig da das Versorgungsnetz bei Laststößen üblicherweise nur sehr geringe Abweichungen von der Nennfrequenz 50Hz aufweist). iii. Kostengünstige Realisierung (da das Gerät auf den Einsatz bei Massengütern abzielt, ist ein extrem geringer Herstellungspreis, aber auch ein geringer Eigenverbrauch und ein kompakter Aufbau essentiell). Das Gerät wurde unter Verwendung eines in C programmierten low-cost Mikrokontrollers realisiert. Die Auswertung der Frequenz-Messwerte erfolgt am PC, wobei zur Steuerung bzw. Kommunikation ein Visual-Basic-Softwaremodul erstellt wurde. Zusätzlich verfügt das Gerät über ein optionales LCD-Modul, mit welchem die aktuellen Netzfrequenzwerte zu Testzwecken auch ohne PC angezeigt werden können.<br />Die Arbeit beinhaltet (i) die Dokumentation aller hardwaretechnischen Dimensionierungen, (ii) numerische Simulationen zur Abklärung von nichtidealen Effekten (z.B. Empfindlichkeit auf Oberschwingungen der Netzspannung), (iii) die Beschreibung/Dokumentation der Software sowie der Hardware- Entwicklungsumgebung und (iv) eine Kostenaufstellung wie auch ein Ansatz für weitere Einsparungsmöglichkeiten.<br />

The share of renewable energy in the electric power grid will grow continuously in future. Renewable energy sources such as photovoltaic systems, wind power plants, fuel cells systems, etc., are characterized by the fact that these systems feed-in the energy into the grid via power electronic converters. These converters commonly do not show a rotating mass (inertia) behavior, is this is the case for traditional synchronous generators driven by turbines. This behavior, however, is of paramount importance to stabilize the supply grid, since all power fluctuations in the first time instant are covered by the rotating masses (inertia). If more and more power is supplied into the grid by power electronic converters, problems with the stability of the supply network can be expected.<br />To improve the stability of the grid, therefore, the application of "virtual rotating masses" is discussed. These can be realized for instance that loads connected to the mains (typically with greater storage time, such as water heaters, refrigerators, air conditioners, etc.) are controlled electronically in a way that they reduce their power demand accordingly in case the grid (line) frequency drops within a short time interval. Therefore, however measuring device is required which quickly can determine the actual line frequency with good resolution. Within this diploma thesis, therefore, a line-frequency measuring system was developed and tested, which is characterized by the following features:<br />i. Quick dynamic response (i.e., low measurement time, such that by appropriate power control of the load the characteristic of a rotating mass with reaction times of typically <1s can be emulated).<br />ii. High resolution (typically 1mHz, required because the line-frequency only very slightly deviates from its nominal value of 50Hz during power load transients in the grid).<br />iii. Low-cost implementation (because the device aims to be used in large-quantity commodities extremely low manufacturing cost, but also a low power consumption and a compact design are essential).<br />The device was implemented using a low-cost microcontroller programmed in highlevel language C. The evaluation of the frequency measurements is performed on a PC. For control and communication is a Visual Basic software module has been designed. In addition, the device has an optional LCD module displaying immediately the actual line-frequency for testing purposes with no PC required.<br />The work includes (i) the documentation of the full hardware design, (ii) numerical simulations for evaluation of non-ideal effects (such as sensitivity to harmonics of the mains voltage), (iii) the description/ documentation of the software and hardware development environment and (iv) a line-up of costs as well as an approach for further cost savings.