Untersuchung der Funktion von Pendelsperren und Außertrittfallschutz bei hohem Anteil trägheitsloser Erzeugungsanlagen

Abstract

Die durch die Vereinbarung von klimapolitischen und energiestrategischen Zielen vorangetriebene Integration von erneuerbaren Energieträgern in die elektrische Energieproduktion führt zu einer immer höheren Durchdringung von wechselrichterbasierten Einspeisungen im Stromnetz. Diese besitzen keine rotierende Schwungmasse, weshalb sich das Verhalten dieser Anlagen in vielen Betriebsfällen (Hochfahren, Kurzschluss, etc.) stark von jenem der konventionellen Anlagen unterscheidet. Auf diese Änderung des Systemverhaltens sind alle Schutzund Steuerungssysteme abzustimmen, um so Schäden an Betriebsmittel, sowie Über- oder Unterfunktionen der Schutzmaßnahmen zu vermeiden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Auswirkungen dieser Änderung des Systemverhaltens auf die Funktion von Leistung-Pendelsperren (sog. Power Swing Blocking) in Distanzschutzgeräten untersucht. Diese Funktion im Schutzgerät verhindert eine Auslösung der Schutzmaßnahme während Leistungsschwankungen, welche im Zuge von Laststößen oder Schalthandlungen auftreten. Zur Analyse wird ein Modellnetz verwendet, in welchem ein Kurzschluss und eine daraufhin anschließende Änderung der Netztopologie durch Heraustrennen einer Leitung computergestützt simuliert wurden. Anhand der Ergebnisse der Simulation werden die Auswertung eines Distanzschutzgeräts mit Leistungs-Pendelsperre modelliert und analysiert. Dabei werden verschiedene Verhältnissituationen zwischen Generator mit Schwungmasse und trägheitsloser Erzeugung berücksichtigt, um Aussagen über die Beeinflussung in verschiedenen Durchdringungsraten treffen zu können. Außerdem wird das Verhalten der einzelnen Konfigurationen an der jeweils kritischen Fehlerklärungszeit ermittelt, um so weitere Aussagen über den Einfluss der trägheitslosen Einspeisung treffen zu können. Durch die Analyse wird eine starke Veränderung des vom Schutzgerät ermittelten Impedanzverlaufs über die Simulationsdauer zu beobachten sein. So kann ermittelt werden, dass durch die Verringerung der Schwungmasse im System die mit der Leistungspendelung einhergehende Impedanzpendelung schneller abläuft. Durch den gewählten Einspeisepunkt der trägheitslosen Einspeisung sind jedoch die Maxima und Minima der Impedanz-Pendelung durch die trägheitslose Einspeisung am Messpunkt des Schutzgeräts geringer. Insgesamt kann so die Aussage getroffen werden, dass die Impedanz-Änderungsrate während der Pendelung, welche für die Pendelsperre entscheidend ist, in den analysierten Fällen mit trägheitsloser Einspeisung geringer ist als im Ausgangsfall. Daher ist in den analysierten Fällen keine Beeinflussung der Funktion der Pendelsperre zu erwarten.

The integration of renewable energy sources into electrical energy production, which is driven by the setting of climate policy and energy strategy goals, leads to an increasing penetration of inverter-based feeders in the power grid. These have no rotating flywheel, which is why the behavior of these systems in many cases of operation (start-up, short circuit, etc.) differs greatly from conventional power plants. All protection and control systems must be adjusted to this change in system behavior to avoid damage to equipment as well as to prevent over- or under-functioning of the protective devices. In the context of this diploma thesis the effects of this change in systems behavior on the function of power swing blocking in distance protection devices is investigated. This function in the protection device prevents a triggering of the protective measure during power fluctuations which occur in system caused by load surges or switching operations. For this analysis a model network is used, in which a short circuit and a subsequent topology change by disconnecting the affected line is simulated. The results of this simulation are transformed into complex impedance by a modeled calculation of a distance protection device with a power swing blocking algorithm. In this way various ratios between generator with flywheel mass and inertia-free generation are taken into account in order to be able to investigate the influence in different penetration rates. In addition, the behavior of each configuration at the critical fault explanation time is determined in order to make further statements about the influence of the inertia-free feed-in. The analysis shows a strong change in the impedance curve determined by the protection device over the duration of the simulation. Thus, it can be determined that by reducing the flywheel in the system, the impedance swing associated with power swing proceed faster. However, due to the selected feed-in point of the inertia-free feed, it has also been observed that the maxima and minima of the impedance swing are lower at the measuring point of the protective device than in case with only conventional power plants. Overall, the statement can be made that the impedance change rate during oscillation, which is crucial for the power swing blocking, is lower in the analyzed cases with inertia-free feed than without. So based in this analysis there is no critical influence on the function of the power swing algortihm expected.