Prüfung von Differentialschutz-Relais bei stark nicht-sinusförmigen Strömen und Spannungen

Abstract

Aufgrund einer Vielzahl an Vorteilen werden in Windkraftanlagen häufig sogenannte Vollumrichter eingesetzt. Diese wandeln elektrische Spannungen und Ströme möglichst effizient von einer Frequenz in eine andere um. Die Umrichter arbeiten dabei mit Taktfrequenzen im kHz Bereich, welche Auswirkungen auf die Oberschwingungsbelastung des Netzes haben. Weiters weisen die leistungselektronischen Anlagen ein anderes Verhalten bei Kurzschlüssen im Netz auf im Vergleich zu rotierenden Generatoren, die direkt ans Netz angeschlossen sind. Vollumrichter werden sowohl bei On- als auch bei Offshore Windkraftanlagen eingesetzt. Onshore speisen diese in Netze mit relativ hohen Kurzschlussscheinleistungen ein. Diese Netze stellen einen Verbund an Quellen dar, die in Offshore-Netzen zahlenmäßig viel geringer sind. Im Fehlerfall fällt dadurch bei einem Onshore-Netz der durch den Kurzschlussstrom der Windkraftanlagen erzeugte Spannungsfall an den jeweiligen Netzknoten geringer aus. Der Energiesektor hat sich im letzten Jahrzehnt zunehmend der Alternativstromerzeugung verschrieben. Der Anteil an Offshore-Windkraftanlagen steigt stetig, laut [1] birgt diese Technologie das nötige Potenzial die Energiewende in Deutschland zu erreichen. Die Thematik des Schutzes in solchen Netzten wird somit immer wichtiger. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob die Veränderung der Netzqualität und des Kurzschlussverhaltens einen Einfluss auf die Funktionalität eines Leitungsdifferentialschutzes (LDS) hat. Beim LDS werden an den Randpunkten eines definierten Schutzbereiches Ströme gemessen. Messfehler bzw. Wandlersättigung, die insbesondere bei hohen Ströme im Fehlerfall auftreten, haben eine Verzerrung und Verfälschung der Messgrößen zur Folge. Dies zieht u.a. eine Erhöhung des Oberschwingungsanteils nach sich. Um einer Überfunktion der Schutzeinrichtung vorzubeugen, werden die Schutzrelais stabilisiert. Eine gängige Herangehensweise ist es, bei auftretenden Verzerrungen die Stabilisierung höher zu gewichten. Treten die Oberschwingungen jedoch nicht auf Grund von Wandlersättigung, sondern wegen leistungselektronischer Komponenten auf, kann diese Erhöhung der Stabilisierung zu einer Unterfunktion des LDS führen. Da in der Praxis insbesondere in schwachen Netzen durchaus stark nichtsinusförmige Verläufe von Strömen und Spannungen vorkommen, wird das Windparkmodell dieser Arbeit so angepasst, dass die Simulationen ähnliche Verläufe ergeben. Eine anschließende Prüfung dieser simulierten Fehlerfälle an einem Schutzrelais, zeigen keine Auswirkung auf die Zuverlässigkeit der Schutzeinrichtung.

Due to a number of advantages, the full-scale converter is turning into a standard component of a modern wind turbine. It converts electricity from one frequency to another in the most efficient way. On the downside, the high frequency chopping effects the grid by increasing the harmonics of current and voltage. Furthermore, in comparison to the conventional rotating generators connected directly to the grid, the electronic devices appear to react differently in case of a short circuit. Full-scale converters are installed in both types of wind farms, on- and offshore. Onshore the converter usually feeds a grid with relatively high short circuit apparent power. These grids contain a much larger number of feeds, than offshore parks. Therefore, the voltage drop caused by the error current driven by the wind turbines appears to be less in case of a short circuit. The current situation in the energy sector demand an increase in alternative energy sources. The number of offshore farms is undergoing a steady rise, for [1] claims it being the future technology, which allows the energy transition happen in Germany. Therefore, the protection topic for such windfarms is becoming more and more important. This projects objective is to determine if the differential current protection is seeking a loss in functionality, due to the new grid situation and its characteristics. Differential current protection is located at the borders of the selected protection area, where passing electric currents are measured. During a short circuit, faulty and distorted currents are measured, as measurement errors and saturation of the measuring transformers take place. In this case, the currents harmonics increase. To prevent an over function of the protection system, the relays are stabilised. A usual approach is to increase stabilisation when distortion is detected. This leads to an under function of the protection system, if the distortion is not due to saturation of the measuring transformers, but electronic devices, such as full-scale converters. Since such current courses do appear in the practice, a wind park model is used to synthetically create currents similar to the real ones. Testing a real relay with such current profiles did not show any impact on the reliability of the protection system.