Analyse von Verfahren zur Detektion ungewollter elektrischer Inselnetze

Abstract

Dezentrale erneuerbare Energien stellen das heutige Energieversorgungsnetz in vielen Bereichen der Energietechnik vor immer größere Herausforderungen. Einerseits ist der Ausbau zum Erreichen der Klimaziele gefordert, andererseits muss speziell in Bezug auf die Versorgungssicherheit zwischen dem Ausbau und der Stabilität des Versorgungsnetzes abgewogen werden. In dieser Diplomarbeit wird das Erkennen ungewollter elektrischer Inselnetze betrachtet. Durch den Ausbau dezentraler Energien wird es immer wahrscheinlicher, dass in einem abgeschlossenen Netzgebiet die dort verbrauchte Leistung ungefähr gleich der lokal erzeugten Leistung ist. Tritt zusätzlich ein annäherndes Gleichgewicht der Wirk- und Blindleistung auf, so iet über den Leistungsschalter zum bzw. vom übergeordneten Versorgungsnetz quasi kein Strom. Durch das öffnen des Leistungsschalters und das Versagen der Schutzeinrichtungen kann sich ein stabiles Inselnetz ausbilden. Aufgrund dessen ist es notwendig, dass die Schutzgeräte ein ungewolltes Inselnetz so schnell als möglich erkennen und diesen Zustand beenden, bevor es zu Schäden an Personen oder elektrischen Betriebsmitteln kommen kann. Weitere Probleme können im Bereich der Schutztechnik sowie durch sicherheitsrelevante Einschränkungen bei Wartungsarbeiten am Energieversorgungsnetz auftreten. Zur Detektion wird das grundlegende Verhalten von Wechselrichtern am Verteilernetz verwendet und auf dessen Grenzen der Schutztechniken, welche u.a. direkt in den Wechselrichtern vorhanden sind, eingegangen. Desweiteren werden die von den Netzbetreibern vorgeschriebenen Regelstrategien zur Sicherstellung der Stabilität des Versorgungsnetzes erläutert, um einen überblick über die verschiedenen Möglichkeiten zu geben. Im nächsten Schritt werden sowohl aktive als auch passive Methoden zur Erkennung ungewollter elektrischer Inselnetze angeführt und deren Vor- und Nachteile aufgezeigt. Anhand der Standardschutzmethoden des Spannungs- und Frequenzschutzes werden die Grenzen des Detektionsbereichs in Form der sogenannten " Nicht detektierbaren Zone " gezeigt. Dafür wird ein entsprechendes Simulationsmodell in MATLABR /SIMULINK erstellt und das beschriebene Verhalten überprüft. Standarddetektionsmethoden bei reiner Wirkleistungseinspeisung durch den Umrichter sollen mit Hilfe numerischer Simulation evaluiert und der Ein uss unterschiedlicher Regelstrategien auf die Detektion ungewollter Inselnetze ausgearbeitet werden. Die ausgewählten Regelstrategien beziehen sich auf die Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz sowie die direkte Blindleistungseinspeisung zum Stützen der Netzspannung. Abschließend werden die Veränderungen in der Form und Größe der " Nicht detektierbaren Zone " beschrieben.

Todays power grids are getting more and more challengend with the increasing amount of distributed power generation. Especially small and renewable energy sources are increasing rapidly and may lead to stablity issues in the electric power supply. On the one hand, the expansion is necessary to reach the climate goals from the European Union, while on the other hand, a balance between the expansion and the stability of the supply grid has to be made, especially with regard to security of supply. In this thesis the recognition of unintended islanding of grid-connected photovoltaic systems is considered. As a result of the expansion of decentralized energies, it is becoming more and more likely that, in a closed grid area, the power consumed is approximately equal to the power generated. If a near balance of the generated and used active and reactive power occurs within a certain period of time, then almost no current ows through the circuit breaker to the higher utility grid. By opening the circuit breaker and the failure of the protective devices, a stable island can be formed. Because of this, it is necessary that the protective devices detect an unintended island as quickly as possible and terminate this condition before damage to persons or electrical equipment can appear. Another problems in the protection technology as well as safety-relevant restrictions during maintenance work on the utility grid can occur. The fundamental behavior of inverters at the distribution grid is used for islanding detection and its limits of the protection techniques, which are included in the inverters, are discussed. Furthermore, the feedback control strategies required by the network operator to guarantee the stability of the supply grid are speci ed to give an overview of the dierent options. Moreover, both active and passive methods for the detection of unintended islanding are listed and their advantages and disadvantages are described. Using the standard protection methods of the voltage and frequency protection, the limits of the detection range are shown. Inside this range, given by the current standard, is no detection possible and therefore called " non-detection zone ". For this purpose, a corresponding simulation model is created in MATLABR / SIMULINK and the described behavior is validationed. Standard detection methods for absolute power supply by the inverter should be evaluated by means of numerical simulation. Afterwards, the in uence of dierent feedback control strategies should be elaborated. The selected feedback control strategies are based on the real power reduction at over frequency as well as the direct reactive power supply to support the mains voltage. Finally, the changes in the shape and size of the " non-detection zone " will be described.