Wie wird die Netzqualität eines intelligenten Stromnetzes gesteuert?

Durch die umfassende Integration neuer Energiequellen wie Solarenergie, Windenergie und Biomasseenergie in das Verteilnetz in Form von dezentraler Erzeugung, Mikronetzen und kleinen sowie mittleren Stromerzeugungsanlagen (einschließlich von Energiespeicheranlagen und Elektrofahrzeug-Ladestationen) stehen intelligente Netze unter neuen Herausforderungen und konfrontieren mit zahlreichen Problemen. Die Struktur zur Steuerung der Netzqualität innerhalb der Architektur intelligenter Netze besteht hauptsächlich aus dezentraler Stromerzeugung, Übertragungs- und Verteilnetzen, Stromverbrauchslasten, Netzqualitätskompensatoren usw.

Mit der umfassenden Integration neuer Energiequellen wie Solarenergie, Windenergie und Biomasseenergie in das Verteilungsnetz in Form von dezentraler Energieerzeugung, Mikronetzen und kleineren sowie mittleren Stromerzeugungsanlagen (einschließlich Energiespeicheranlagen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge) stehen intelligente Stromnetze unter den neuen Gegebenheiten zahlreichen neuen Herausforderungen gegenüber. Die Struktur zur Steuerung der Netzqualität innerhalb der Architektur des Smart Grid besteht hauptsächlich aus dezentraler Energieerzeugung, Übertragungs- und Verteilungsnetzen, Lasten auf der Verbraucherseite sowie Netzqualitätskompensatoren. Einerseits stellen leistungselektronische Umwandlungsgeräte als treibende Kraft für die Integration erneuerbarer Energien neue Anforderungen an die Netzqualität von Übertragungs- und Verteilungsnetzen, die dringend gelöst werden müssen. Andererseits werden die Vielfalt, Nichtlinearität und die Auswirkungen der Lasten auf der Verbraucherseite immer gravierender, wodurch die effiziente Nutzung elektrischer Energie immer dringlicher wird. Diese neuen Probleme stellen sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die Technologie zur Steuerung der Netzqualität dar. Als Herzstück des Smart Grids ist das Mikronetz ein nichtlineares komplexes System, das mehrere Energiequellen miteinander verbindet. Die dezentralen Energiequellen weisen dabei Eigenschaften wie Intermittenz, Komplexität, Vielfalt und Instabilität auf. Die neuen Probleme und Merkmale der Netzqualität werden zunehmend deutlicher. Daher ist eines der dringendsten zentralen Themen, das erforscht und gelöst werden muss, um einen sicheren und stabilen Betrieb des Verteilungsnetzes bei Anschluss von Mikronetzen sicherzustellen, das Problem der Netzqualität.
Klassifizierung von Stromqualitätskompensatoren
Die Technologie der Qualitätskompensation von elektrischer Energie lässt sich in aktive Steuerungstechnologie und passive Behandlungsstechnologie unterteilen. Für unterschiedliche Probleme der Stromqualität werden entsprechende Kompensationsgeräte klassifiziert und vorgestellt. Die passive Steuerungstechnologie unterdrückt oder behebt Probleme der Stromqualität wie Harmonische, Blindleistung und unsymmetrische Dreiphasenbelastung, indem zusätzliche Leistungselektronik-Kompensatoren parallel oder in Serie geschaltet werden. Zu den Kompensationsgeräten zählen hauptsächlich passive Leistungsfilters (PPF), aktive Leistungsfilters (APF), hybride aktive Leistungsfilters (HAPF), Blindleistungskompensatoren, dynamische Spannungsregler (DVR) und integrierte Stromqualitätsregler (UPQC) usw. Dabei entwickelt sich der auf modularen Multilevel-Convertern (MMC) basierende Stromqualitätskompensator aufgrund seiner niederohmigen, modularen Kaskadenstruktur immer mehr zu einem Forschungsschwerpunkt und zukünftigen Trend in der Mittel- und Hochspannungs-Stromqualitätsmanagement-Technologie. Die aktive Steuerungstechnologie umfasst elektrische Geräte oder dezentrale Energiequellen, die ihre Eingangs- oder Ausgangsimpedanz-Charakteristik verändern, um die Funktion des Stromqualitätsmanagements auszugleichen. Die aktive Steuerungstechnik zur Stromqualität erhöht nicht nur die Ausnutzung der elektrischen Leistung, sondern verbessert auch die Gesamtstromqualität des Systems, ohne dass zusätzliche Kompensatoren erforderlich wären.
2. Steuerungsverfahren für Stromqualitätskompensatoren
Derzeit verwenden Stromqualitätskompensatoren überwiegend Spannungsquellenwandler oder Stromquellenwandler. Zu den üblichen Stromregelverfahren für Kompensatoren zählen hauptsächlich: Hysterese-Regelung, stufenlose Regelung, modellprädikative Regelung, proportionale Integralregelung (PI), Proportional-Resonanz-Regelung (PR), Wiederholungsregelung und nichtlineare robuste Regelung. Außerdem lässt sich durch Verbesserung der konventionellen Stromregelung die Regelgüte des einzelnen Stromregelmodus steigern. Beispielsweise kann das Kombinieren herkömmlicher PI-Regelung mit vektorieller PI-Regelung den Prozess der Oberschwingungsdetektion vereinfachen. Die Oberschwingungs-Frequenzbereichskompensationsmethode verbessert im Vergleich zur traditionellen Breitbandkompensation die Detektionsgenauigkeit und Kompensationsgenauigkeit jeder einzelnen Oberschwingung und eignet sich besonders gut für verschiedene Hoch- und Niederspannungshybrid-aktive Leistungsfiltersysteme.
3. Analyse und Steuerung der Netzqualität großer dezentraler Stromerzeugungsanlagen
Mit steigender Durchdringungsrate großer dezentraler Stromerzeugungsanlagen wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen (auf Ebene von 10 kV bis 35 kV) sind die Wechselwirkungen und das Zusammenwirken von Oberschwingungen, die von dezentralen Stromerzeugungssystemen, die hauptsächlich aus mehreren Wechselrichtern bestehen, mit dem Übertragungs- und Verteilungsnetz erzeugt werden, zunehmend komplexer geworden. Die Oberschwingungen, die von dezentralen Stromerzeugungsanlagen abgegeben werden, weisen Eigenschaften hoher Frequenz und eines breiten Frequenzbereichs auf. Der Zusammenhang zwischen dem Resonanzverstärkungsfaktor, der Oberschwingungsordnung und der Übertragungsdistanz einer typischen dezentralen Stromerzeugungsanlage wird betrachtet. Während der Ausbreitung der Oberschwingungen im Übertragungsnetz werden diese durch Faktoren wie die verteilte Kapazität in den Übertragungsleitungen und die vorhandene Oberschwingungsspannung beeinflusst, was zu einer resonanten Verstärkung von Strom und Spannung führen kann. Es gibt zwei Lösungsansätze zur Bekämpfung des Serien- und Parallelresonanzproblems breitbandiger Oberschwingungen im Übertragungsnetz, nämlich: die Parameter des Übertragungsnetzes verändern und Resonanzen durch Parallelschaltreaktoren kompensieren; Hochspannungs-Hybrid-aktive Filtersysteme installieren, um den Gehalt an Oberschwingungsströmen, die ins Stromnetz eingespeist werden, zu reduzieren.