Under voltage ride through tests on nacelle test benches equipped with a power hardware in the loop setup

Frehn, Anica Renate; Monti, Antonello; Andresen, Björn

doi:HT021800945

Under voltage ride through tests on nacelle test benches equipped with a power hardware in the loop setup = Spannungseinbruchstests auf Gondelprüfständen unter Berücksichtigung eines Power-Hardware-in-the-Loop-Aufbaus

Frehn, Anica Renate^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeAnica Renate Frehn

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-948234-26-3

ReiheE.On Energy Research Center : ACS, Automation of Complex Power Systems ; 112

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Andresen, Björn (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-09-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-02183
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/952709/files/952709.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
nacelle test benche (frei) ; UVRT testing (frei) ; artifical grid (frei) ; grid emulator (frei) ; impedance control (frei) ; wind energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Windenergie ist die führende Energiequelle in Deutschland und daher von großer Bedeutung für einen sicheren und zuverlässigen Netzbetrieb. Um die Versorgungsstabilität zu gewährleisten, ist der Nachweis der Netzkonformität von Windenergieanlagen (WEA) erforderlich. Dieser beinhaltet die Messung der elektrischen Eigenschaften und die Erstellung und Validierung eines WEA-Modells. Die IEC 61400-21-1 definiert die Prüfanforderungen, die in Deutschland durch die FGW TR3 ergänzt werden, um die Einhaltung der Netzanschlussregeln nachzuweisen. Die Messung der elektrischen Eigenschaften wird derzeit an der installierten Anlage im Feld durchgeführt. Aufgrund der Abhängigkeit von den Wetter- und Netzbedingungen kann dieser Ansatz sehr zeit- und kostenaufwendig sein. Außerdem sind einzelne Messungen aufgrund der schwankenden äußeren Bedingungen nicht reproduzierbar. Gondelprüfstände bieten die Möglichkeit die elektrischen Eigenschaften unter Laborbedingungen zu messen und sind geeignet die Feldmessung oder Teile davon zu ersetzen. Netzemulatoren, die in der Regel auf Prüfständen installiert sind, stellen ein künstliches Netz als vollständig regelbare Spannungsquelle dar. Sie bieten eine Vielzahl neuer Einstellmöglichkeiten und definierter Eingangsparameter, die bei den bisherigen auf Spannungsteilern basierenden Prüfverfahren im Feld nicht zur Verfügung stehen. So bieten bereits die heute erhältlichen Netzemulatoren Prüfmöglichkeiten, die über die in den Normen definierten Anforderungen hinausgehen. Als weiterer Bestandteil der Zertifizierung ermöglichen Netzemulatoren die Validierung der WEA Modelle unter bekannten, vordefinierten Eingangsparametern. Dies erhöht die Genauigkeit der Modellvalidierung indem frühere Unsicherheiten, wie z. B. die Netzeigenschaften, die bei Feldmessungen nicht genau bekannt sind, eliminiert werden. Gleichzeitig haben Netzemulatoren einen erhöhten Modellierungsaufwand, da es sich um aktiv geregelte Systeme handelt. Detaillierte Analysen der erforderlichen Modelltiefe zeigen jedoch, dass es ausreichend ist die Impedanznachbildung in der Simulation einzubetten. Der wichtigste wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit ist die Beschreibung der notwendigen Erweiterung der technischen Richtlinien, um die erweiterten Einstellmöglichkeiten, die bereits heutige Netzemulatoren bieten, zu berücksichtigen. Ziel ist es die hohe Qualität der UVRT Vermessung und die Vergleichbarkeit einzelner Messungen zu erhalten. Die vorgeschlagenen Erweiterungen dieser Arbeit sind teilweise bereits in den aktuellen technischen Richtlinien wie der FGW TR3 Rev.26 und der IEC 61400-21-4 aufgenommen. Zudem zeigt diese Arbeit potentielle Ergänzungen der bisherigen Prüfverfahren sowie neue Testmöglichkeiten auf. Dies geschieht hauptsächlich durch experimentelle Untersuchgen am 4 MW-Prüfstand am Center for Wind Power Drives (CWD), ergänzt durch Simulationen. Mithilfe der Netzemulatoren sind neben einer frei einstellbaren Spannung und Frequenz auch die Netzparameter am Anschlusspunkt regelbar. Daher ist erstmals die Untersuchung des UVRT Verhaltens bei unterschiedlichen Netzcharakteristiken möglich. Die WEA verhält sich je nach eingestellten Netzparametern unterschiedlich, was nicht nur die Reproduzierbarkeit der Feldmessung auf dem Prüfstand beeinträchtigt. Vielmehr erschwert es die Vergleichbarkeit einzelner UVRT Vermessungen. Die Gegenüberstellung einer Prüfstandmessung und einer Feldmessung mit einer baugleichen Anlage beweist die Reproduzierbarkeit der Feldmessung auf dem Prüfstand bei identischen Netzparametern. Ergänzend zeigt eine weitere Versuchsreihe, dass bei stark abweichenden Impedanzen zwischen der nach dem Spannungsteilerprinziep arbeitenden Prüfmethode und dem Netzemulator die Übertragbarkeit der Ergebnisse nicht gewährleistet ist. Die Anlage zeigt ein unterschiedliches Verhalten, abhängig von der eingesetzten Prüfmethode. Zusätzlich zur Impedanzemulation ermöglichen Netzemulatoren einen steuerbaren Spannungsübergang während des Spannungseinbruchs. Um Rückschlüsse auf die einzustellenden Parameter für die Momentanspannungen zu gewährleisten, ist die bisherige Beschreibung des Spannungsprofils im UVRTFall auf Basis von Effektivwerten nicht eindeutig. Eine von der Autorin entwickelte und empfohlene Variante auf der Basis von dq0-Komponenten berücksichtigt die Variabilität während der Spannungstransienten und ermöglicht so eine klare Definition des zu erwartenden Spannungsprofils bei UVRT Tests. Dies stellt zudem die Vergleichbarkeit einzelner Tests sicher. Mit der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Energiequellen ändern sich auch die Anforderungen an diese Energiequellen selbst. So zeigen Versuche, dass es, im Gegensatz zu den derzeitigen Anforderungen in den Grid Codes, von Vorteil ist eine bevorzugte Wirkleistungseinspeisung im Fehlerfall zu fordern. Sie bietet eine größere Spannungsstützung in Netzen mit hohen ohmschen Lasten und gewährleistet eine stabile Frequenz in Netzen, die auf erneuerbaren Energiequellen basieren. Es ist daher ratsam, die Fähigkeit der Wirkleistungseinspeisung in Zukunft auch im Fehlerfall zu testen. Zu diesem Zweck bieten Netzemulatoren durch die einstellbare Impedanz am emulierten Netzanschlusspunkt eine einzigartige Testumgebung. Der einstellbare transiente Spannungsübergang ermöglicht zusätzlich Prüfungen mit unterschiedlichen Hüllkurven während des Fehlers. Dadurch kann die Reaktion der WEA auf nahe und ferne Fehler untersucht werden, um die korrekte Reaktion der WEA zur Stabilisierung des beeinträchtigten Energiesystems sicherzustellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen folglich, dass mit Netzemulatoren ausgestattete Prüfstände nicht nur frühere Feldmessungen reproduzieren. Vielmehr ergeben sich aufgrund der einstellbaren Eingangsparameter neue Prüfverfahren, die die Eigenschaften eines zunehmend auf erneuerbaren Energien basierenden Stromnetzes widerspiegeln.

Wind energy is the leading energy source in Germany and therefore significant for a safe and reliable grid operation. To ensure supply stability, proof of grid compliance of the Wind Power Plant (WPP) is required. This includes measuring the electrical characteristics and creating and validating a Wind Turbine Generator System (WT) model. IEC 61400-21-1 defines the testing requirements, supplemented in Germany by FGW TG3, to demonstrate compliance with grid connection rules. The measurement of the electrical characteristics is currently performed on the installed turbine in the field. Due to dependence on weather and grid conditions, this approach can be very time consuming and costly. In addition, individual measurements are not reproducible due to fluctuating external conditions. Nacelle test benches offer the possibility to measure the electrical characteristics under laboratory conditions and are suitable to replace the field measurement or parts of it. Grid emulators, usually installed on test benches, represent an artificial grid as a fully controllable voltage source. They offer a variety of new setting options and defined input parameters that are not available with the previous test methods based on voltage dividers in the field. Thus, even today’s commercially available grid emulators offer test possibilities that go beyond the requirements defined in the standards. As a further component of the certification, grid emulators enable the validation of the WT models under known, predefined input parameters. This increases the accuracy of the model validation by eliminating previous uncertainties, such as the grid condition, which are not precisely known during field measurements. At the same time, grid emulators have an increased modelling effort as they are an actively controlled system. However, detailed analyses of the required model depth indicate that it is sufficient to embed the impedance replication in the simulation. The main scientific contribution of this work is to define the necessary extensions of the technical guidelines to take into account the extended setting possibilities that are already provided by today’s grid emulators. The aim is to maintain the high quality of the UVRT tests and the comparability of the individual measurements. Some of the proposed extensions have already been included in current technical guidelines such as FGW TG3 Rev.26 and IEC 61400-21-4. In addition, this work identifies potential additions to the existing test procedures as well as new test possibilities. This is mainly done by experimental investigations at the 4 MW test bench at Center for Wind Power Drives (CWD), supplemented by individual simulations. In addition to a freely adjustable voltage and frequency, grid emulators enable the controllability of the grid parameters at the connection point. This allows for the first time the investigation of the UVRT behaviour at different grid conditions. The WT behaves differently depending on the set grid parameters, which not only affects the reproducibility of the field measurement on the test bench. Rather, it complicates the comparability of individual UVRT measurements. The comparison of a test bench measurement and a field measurement with an identical turbine proves the reproducibility of the field measurement on the test bench under the assumption of identical grid parameters. A further test series shows that the transferability of the results is not guaranteed in the case of strongly deviating impedance values between the test voltage divider based test method and the grid emulator. The WT behaves differently depending on the test method used. In addition to the impedance emulation, grid emulators allow a controllable voltage transition during the voltage dip. To ensure conclusions about the parameters to be set for the instantaneous voltages, the previous description of the voltage profile based on effective values is not unambiguous. A variant using dq0 components developed and recommended by the author accounts for the variability during the voltage transients and thus allows a clearer definition of the expected voltage profile. This further ensures the comparability of individual tests. As renewable energy sources become more significant, the requirements for these energy sources themselves are changing. As experiments demonstrate, a preferential active power injection can be beneficial in fault case, in contrast to the current requirements in the grid codes. It provides greater voltage support in grids with high resistive loads and ensures stable frequency in grids driven by renewable energy sources. It is therefore advisable to test the capability of active power injection in the future, even in the fault condition. To this purpose, grid emulators provide a unique test environment due to the impedance emulation. The adjustable transient voltage transition additionally allows tests with different envelopes during the fault occurrence. This allows the WT’s response to near and far faults to be investigated to ensure the correct response of the WT to stabilize the disturbed power system. The results of this work consequently demonstrate that test benches equipped with grid emulators not only reproduce previous field measurements. Rather, due to the adjustable input parameters, new test procedures arise that reflect the characteristics of a power grid increasingly based on renewable energies.

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