DE102013207816A1 - Method and system for controlling voltage and frequency in a utility network - Google Patents
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Abstract
System und Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk mit einer zentralen Steuerung, die eine Phasenstabilitätsreserve und eine Spannungsstabilitätsreserve durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilte Regler des Versorgungsnetzwerkes maximiert.System and method for regulating voltage and frequency in a supply network with a central controller that maximizes a phase stability reserve and a voltage stability reserve by simultaneously setting an operating point of the supply network and controllers of the supply network distributed by controller parameters.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk, insbesondere einem Niederspannungsversorgungsnetzwerk, das eine Vielzahl von Knoten aufweist, die über Versorgungsleitungen miteinander verbunden sind. The invention relates to a method and a system for controlling voltage and frequency in a supply network, in particular a low-voltage supply network having a plurality of nodes which are interconnected via supply lines.
Versorgungsnetzwerke, insbesondere elektrische Stromversorgungsnetzwerke, dienen zur Verteilung elektrischer Energie an Verbraucher. Stromversorgungsnetzwerke bzw. Spannungsversorgungsnetzwerke verfügen über Generatoren, die elektrische Energie erzeugen. Diese Energie wird über Versorgungsleitungen transportiert und durch Verbraucher bzw. Lasten verbraucht. Ein Stromversorgungsnetzwerk bzw. Spannungsversorgungsnetzwerk kann mehrere Verteilnetzwerke aufweisen, die an einem Transportnetzwerk angeschlossen sind. Die Spannungen in einem Transportnetzwerk sind wesentlich höher als in einem Verteilnetzwerk, an dem die Verbraucher, beispielsweise Privathaushalte, angeschlossen sind. Während das Transportnetzwerk ein Hochspannungsnetzwerk bildet, über das elektrische Energie über weite Distanzen transportiert wird, ist das Verteilnetzwerk ein Mittel- oder Niederspannungsnetzwerk mit relativ niedrigen Spannungspegeln. Für die Stabilität eines Versorgungsnetzwerkes ist die schnelle Steuerung bzw. Regelung einer Spannungsamplitude U des Netzes und einer Frequenz f unverzichtbar. Das Versorgungsnetzwerk bildet in der Regel ein vermaschtes Netzwerk mit einer Vielzahl von Knoten, die über Versorgungsleitungen miteinander verbunden sind. Jede Versorgungsleitung weist einen bestimmten Widerstand R und eine gewisse Reaktanz bzw. Induktivität X auf. In Hochspannungsnetzwerken ist das Verhältnis zwischen der Reaktanz und der Impedanz einer Versorgungsleitung nahezu null. Es ist daher möglich, bei derartigen Hochspannungsnetzwerken, die Regelung der Spannungsamplitude U und der Netzfrequenz f zu entkoppeln, da die Spannungsamplitude hauptsächlich durch die Blindleistung Q und die Netzfrequenz hauptsächlich durch die Wirkleistung P beeinflusst wird. Daher ist es bei Hochspannungsnetzwerken möglich, verteilte Proportionalregler einzusetzen, die eine Wirkleistung P in Abhängigkeit von der lokal gemessenen Netzfrequenz f und eine Blindleistung Q in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Spannungsamplitude einstellen. Diese Entkopplung der Spannungs- und Frequenzregelung ist aufgrund der Tatsache möglich, dass das Verhältnis zwischen der Reaktanz und Impedanz bei der Versorgungsleitung des Hochspannungsnetzwerkes gering ist. Supply networks, in particular electrical power supply networks, serve to distribute electrical energy to consumers. Power supply networks or power supply networks have generators that generate electrical energy. This energy is transported via supply lines and consumed by consumers or loads. A power supply network may include multiple distribution networks connected to a transport network. The stresses in a transport network are much higher than in a distribution network to which consumers, such as households, are connected. While the transport network is a high voltage network that transports electrical energy over long distances, the distribution network is a medium or low voltage network with relatively low voltage levels. For the stability of a supply network, the rapid control or regulation of a voltage amplitude U of the network and a frequency f is indispensable. The utility network typically forms a meshed network with a plurality of nodes interconnected by utility lines. Each supply line has a certain resistance R and a certain reactance or inductance X. In high voltage networks, the ratio between the reactance and the impedance of a supply line is nearly zero. It is therefore possible to decouple the regulation of the voltage amplitude U and the line frequency f in such high-voltage networks, since the voltage amplitude is influenced mainly by the reactive power Q and the mains frequency mainly by the active power P. It is therefore possible in high-voltage networks to use distributed proportional controllers which set an active power P as a function of the locally measured network frequency f and a reactive power Q as a function of a locally measured voltage amplitude. This decoupling of the voltage and frequency control is possible due to the fact that the ratio between the reactance and impedance in the supply line of the high voltage network is low.
Bei den Mittel- und Niederspannungsnetzwerken ist jedoch das Verhältnis zwischen dem Widerstand R und der Reaktanz X einer Versorgungsleitung nicht vernachlässigbar und kann in vielen Fällen sogar größer eins sein. Daher hängt die Spannung und Frequenz sowohl von der Wirkleistung P als auch von der Blindleistung Q ab. Folglich hängen die resultierenden Spannungs- und Frequenzdynamiken voneinander ab, d.h. es handelt sich um ein sogenanntes MIMO(Multiple Input Multiple Output)-System. Daher ist für ein derartiges MIMO-System eine Entkopplung der Wirk- und Blindleistungsregelung P (f) und Q (u) zwar möglich, jedoch erfordert die Analyse und das Design derartiger Regler die Analyse eines vollständigen MIMO-Systems, d.h. sowohl der Spannungs- als auch Frequenzdynamiken. Daher können die herkömmlichen Techniken zum Design von Reglern, die bei Spannungsnetzwerken mit hoher oder mittlerer Spannung verwendet werden, nicht für Regler von Niederspannungsversorgungsnetzwerken eingesetzt werden. Herkömmliche Regler können aufgrund ihrer geringeren Stabilitätsreserve zudem zu einem instabilen Versorgungsnetzwerk führen, d.h. das mit derartigen Reglern ausgerüstete Versorgungsnetzwerk ist relativ empfindlich gegenüber Laständerungen bzw. Lastsprüngen. However, in the medium and low voltage networks, the ratio between the resistance R and the reactance X of a supply line is not negligible and may in many cases be greater than one. Therefore, the voltage and frequency depend on both the real power P and the reactive power Q. Consequently, the resulting voltage and frequency dynamics depend on each other, i. It is a so-called MIMO (Multiple Input Multiple Output) system. Therefore, for such a MIMO system it is possible to decouple the active and reactive power control P (f) and Q (u), but the analysis and design of such regulators requires the analysis of a complete MIMO system, i. both the voltage and frequency dynamics. Therefore, the conventional techniques for designing regulators used in high and medium voltage power networks can not be used for low voltage power network regulators. Conventional regulators can also result in an unstable supply network due to their lower stability reserve, i. the supply network equipped with such regulators is relatively sensitive to load changes or load jumps.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk zu schaffen, bei der das Versorgungsnetzwerk unempfindlich gegenüber Lastsprüngen ist und stets stabil bleibt. It is therefore an object of the present invention to provide a system and method for controlling voltage and frequency in a utility network where the utility network is insensitive to load transients and always stable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. This object is achieved by a system having the features specified in
Die Erfindung schafft demnach ein System zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk mit einer zentralen Steuerung, die eine Phasenstabilitätsreserve und eine Spannungsstabilitätsreserve durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilter Regler des Versorgungsnetzwerkes maximiert. The invention thus provides a system for controlling voltage and frequency in a supply network having a central controller which maximizes a phase stability reserve and a voltage stability margin by simultaneously setting an operating point of the supply network and regulator parameters of distributed regulators of the utility network.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems handelt es sich bei dem Versorgungsnetzwerk um ein vermaschtes Netzwerk mit einer Vielzahl von Knoten, die über Versorgungsleitungen miteinander verbunden sind. In one possible embodiment of the system according to the invention, the supply network is a meshed network with a multiplicity of nodes, which are connected to one another via supply lines.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist das Versorgungsnetzwerk ein Niederspannungsnetzwerk, bei dem das Verhältnis zwischen Widerstand R und Reaktanz X der Versorgungsleitungen deutlich größer als null ist. In one possible embodiment of the system according to the invention, the supply network is a low-voltage network in which the ratio between resistance R and reactance X of the supply lines is significantly greater than zero.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist das Niederspannungsversorgungsnetzwerk eine Spannung von weniger als 20 kVolt auf. In another possible embodiment of the system according to the invention, the low-voltage power supply network has a voltage of less than 20 kVolt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind die an den Knoten des Versorgungsnetzwerkes vorgesehenen Regler Droop-Regler. In another possible embodiment of the system according to the invention, the regulators provided at the nodes of the supply network are Droop controllers.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems erhalten die Regler, insbesondere Droop-Regler, Reglerparameter und einen für den jeweiligen Knoten eingestellten Betriebspunkt des Versorgungsnetzwerkes von der zentralen Steuerung des Versorgungsnetzwerkes über eine Kommunikationsverbindung. In one possible embodiment of the system according to the invention, the controllers, in particular Droop controllers, receive controller parameters and an operating point of the supply network set for the respective node from the central controller of the supply network via a communication connection.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems besteht die Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Steuerung und dem jeweiligen Regler des Knotens über ein Kommunikationsnetzwerk. In one possible embodiment of the system according to the invention, the communication link between the central controller and the respective controller of the node via a communication network.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems besteht die Kommunikationsverbindung zwischen der zentralen Steuerung und dem jeweiligen Regler über das Versorgungsnetzwerk selbst. In an alternative embodiment of the system according to the invention, the communication link between the central controller and the respective controller via the supply network itself.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems regelt der an einem Knoten des Versorgungsnetzwerkes vorgesehene Regler einen an dem Knoten befindlichen Generator lokal. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the controller provided at a node of the supply network locally controls a generator located at the node.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems regelt der an einem Knoten des Versorgungsnetzwerkes vorgesehene Regler den an dem Knoten befindlichen Generator lokal in Abhängigkeit von dem für den Knoten erhaltenen Betriebspunkt, den erhaltenen Reglerparametern sowie lokalen Messgrößen. In one possible embodiment of the system according to the invention, the controller provided at a node of the supply network locally regulates the generator located at the node as a function of the operating point obtained for the node, the controller parameters obtained and local measured variables.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems handelt es sich bei dem Generator um einen Wechselrichter einer Photovoltaikanlage. In one possible embodiment of the system according to the invention, the generator is an inverter of a photovoltaic system.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems handelt es sich bei dem Generator um einen Wechselrichter einer Batterie. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the generator is an inverter of a battery.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems stellt der Regler eines Knotens eine Wirkleistung pi und eine Blindleistung qi des Generators des Knotens in Abhängigkeit einer gemessenen lokalen Spannung ui und in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel θi bzw. einer lokalen Netzfrequenz
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems stellt der Regler eines Knotens einen Phasenwinkel θi des Knotens und eine lokale Spannung ui des Generators des Knotens in Abhängigkeit von einer gemessenen Wirkleistung pi und einer gemessenen Blindleistung qi wie folgt ein: wobei pi0, qi0, ui0, ω0 durch den Regler von der zentralen Steuerung erhaltene Werte des eingestellten Betriebspunktes des Knotens innerhalb des Versorgungsnetzwerkes hinsichtlich der Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Kreisfrequenz an den jeweiligen Knoten Ni und
Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. In a further possible embodiment of the system according to the invention, the controller of a node sets a phase angle θ i of the node and a local voltage u i of the generator of the node as a function of a measured active power p i and a measured reactive power q i as follows: where p i0 , q i0 , u i0 , ω 0 values obtained by the controller from the central controller of the set operating point of the node within the supply network with respect to the active power, reactive power, voltage and angular frequency at the respective nodes N i and
K i is a Droop matrix, in particular a non-diagonal Droop matrix.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird die nicht-diagonale Droop-Matrix durch eine Berechnungseinheit des Reglers des Knotens in Abhängigkeit von einer Kompensationsmatrix KM wie folgt berechnet: In another possible embodiment of the system according to the invention, the non-diagonal Droop matrix is calculated by a calculation unit of the controller of the node in dependence on a compensation matrix KM as follows:
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird die Kompensationsmatrix KM des Knotens in Abhängigkeit von einem Kompensationsrotationswinkel ϕi wie folgt berechnet: In another possible embodiment of the system according to the invention, the compensation matrix KM of the node is calculated as a function of a compensation rotation angle φ i as follows:
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird der Kompensationsrotationswinkel ϕi durch die Berechnungseinheit des Reglers in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel ϕij aller an dem jeweiligen Knoten des Versorgungsnetzwerkes angeschlossenen Versorgungsleitungen wie folgt berechnet:
- ϕijmax
- der maximale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten Ni angeschlossenen Versorgungsleitungen und
- ϕijmin
- der minimale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten Ni angeschlossenen Versorgungsleitungen ist.
- φ ijmax
- the maximum angle of rotation of the supply lines connected to the respective node N i and
- φ ijmin
- is the minimum angle of rotation of the supply lines connected to the respective node N i .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems wird der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung wie folgt berechnet: wobei xij die Reaktanz der jeweiligen Versorgungsleitung und rij der Widerstand der jeweiligen Versorgungsleitung ist. In one possible embodiment of the system according to the invention, the rotation angle φ ij of a supply line is calculated as follows: where x ij is the reactance of the respective supply line and r ij is the resistance of the respective supply line.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren mit den in Patentanspruch 15 angegebenen Merkmalen. The invention further provides a method having the features specified in claim 15.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur Regelung von Spannung und Frequenz in einem Versorgungsnetzwerk, wobei eine Phasenstabilitätsreserve und eine Spannungsstabilitätsreserve des Versorgungsnetzwerkes durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilter Regler des Versorgungsnetzwerkes maximiert wird. The invention thus provides a method for controlling voltage and frequency in a utility network, wherein a phase stability reserve and a voltage stability reserve of the utility network is maximized by simultaneously setting an operating point of the utility network and controller parameters of distributed controllers of the utility network.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In the following, possible embodiments of the method and system according to the invention will be explained in more detail with reference to the attached figures.
Es zeigen: Show it:
Wie man aus
Das Versorgungsnetzwerk VNW kann ein teilweise oder vollkommen vermaschtes Netzwerk sein, bei dem eine Vielzahl von Knoten über Versorgungsleitungen VL miteinander verbunden sind. Von jedem Knoten Ni, Nj können eine oder mehrere Versorgungsleitungen VL zu anderen benachbarten Knoten abgehen. Jede Versorgungsleitung bzw. Powerline weist eine konstante komplexe Impedanzauf, wobei ϕij der Rotationswinkel der Stromversorgungsleitung bzw. Powerline ist. Dabei gilt rij = rji > 0,
An den beiden Knoten Ni, Nj liegt jeweils eine komplexe Spannung ui, uj wie folgt an: wobei ui, uj, θi, θj:R → R zeitabhängige reelle Funktionen sind. At the two nodes N i , N j in each case a complex voltage u i , u j is as follows: where u i , u j , θ i , θ j : R → R are time-dependent real functions.
Die über die Versorgungsleitung übertragene Leistung kann in eine Wirkleistung pij und eine Blindleistung qij unterteilt werden: The power transmitted via the supply line can be divided into an active power p ij and a reactive power q ij :
Das gesamte Stromversorgungsnetzwerk kann N Knoten besitzen. Es besitzt daher einen Satz von Knoten N = {1, ..., N}. Der Satz Ni = |Ni| ist der Satz aller Knoten J ∊ N, die mit dem Knoten i verbunden sind. The entire power network can have N nodes. It therefore has a set of nodes N = {1, ..., N}. The sentence N i = | N i | is the set of all nodes J ∈ N connected to node i.
Aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes sind alle Wirkleistungen pi und alle Blindleistungen qi, die dem Stromversorgungsnetzwerk an einem Knoten i zugeführt werden gleich der Summe aller Wirk- und Blindleistungen, die den Knoten in Richtung eines seiner Nachbarknoten J ∊ Ni verlassen: On the basis of the Energy Conservation Act, all active powers p i and all reactive powers q i supplied to the power supply network at a node i are equal to the sum of all active and reactive powers that leave the node in the direction of one of its neighboring nodes J ε N i :
Dies kann auch wie folgt ausgedrückt werden: wobei gilt: This can also be expressed as follows: where:
Folglich kann das Versorgungsnetzwerk VNW wie folgt angegeben werden: Consequently, the utility network VNW can be specified as follows:
Wobeials Rotationsmatrix bezeichnet wird. Diese Gleichungen werden auch als gekoppelte Energiegleichungen bezeichnet. In which is called a rotation matrix. These equations are also called coupled energy equations.
Wechselrichter, die durch einen Droop-Regler gesteuert werden, können sowohl Generatoren, beispielsweise Photovoltaikinverter, als auch Lasten, beispielsweise Gleichrichter, darstellen. Bei den Reglern Ri kann es sich um Proportional- und/oder PID-Regler handeln. Inverters controlled by a droop regulator can represent both generators, such as photovoltaic inverters, and loads, such as rectifiers. The regulators R i can be proportional and / or PID controllers.
Die
Ki eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. The
K i is a Droop matrix, in particular a non-diagonal Droop matrix.
Bei der in
Ki die eine Droop-Matrix, insbesondere eine nicht-diagonale Droop-Matrix, ist. At the in
K i is a droop matrix, in particular a non-diagonal droop matrix.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems erhält jeder Regler Ri eine besondere Berechnungseinheit, welche die nicht-diagonale Droop-Matrix Ki in Abhängigkeit von einer Kompensationsmatrix KM berechnet: In one possible embodiment of the system according to the invention, each controller R i receives a special calculation unit which calculates the non-diagonal droop matrix K i as a function of a compensation matrix KM:
Die Berechnungseinheit berechnet die Kompensationsmatrix KM des Knotens in Abhängigkeit von einem Kompensationsrotationswinkel ϕi wie folgt: The calculation unit calculates the compensation matrix KM of the node as a function of a compensation rotation angle φ i as follows:
Der Kompensationsrotationswinkel ϕi wird durch die Berechnungseinheit des Reglers bei einer möglichen Ausführungsform in Abhängigkeit von den Rotationswinkeln ϕij aller an dem jeweiligen Knoten Ni des Versorgungsnetzwerkes VNW angeschlossenen Versorgungsleitungen VL wie folgt berechnet:
ϕijmin der minimale Rotationswinkel der an dem betreffenden Knoten angeschlossenen Versorgungsleitungen VL ist. The compensation rotation angle φ i is calculated by the calculation unit of the controller in one possible embodiment as a function of the rotation angles φ ij of all supply lines VL connected to the respective node N i of the supply network VNW as follows:
φ ijmin is the minimum angle of rotation of the supply lines VL connected to the node in question.
Der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung VL ist dabei in der Regel konstant und hängt von Eigenschaften der Versorgungsleitung ab. Der Rotationswinkel ϕij einer Versorgungsleitung, die an dem Knoten Ni, welcher die Vorrichtung Vi enthält, angeschlossen ist, beträgt: wobei xij die Impedanz der jeweiligen Versorgungsleitung VL und rij die Reaktanz der Versorgungsleitung VL ist. The rotation angle φ ij of a supply line VL is generally constant and depends on properties of the supply line. The rotation angle φ ij of a supply line connected to the node N i containing the device V i is: where x ij is the impedance of the respective supply line VL and r ij is the reactance of the supply line VL.
Der Widerstand und die Reaktanz der Versorgungsleitung VL sind in der Regel fest vorgegeben, sodass die Rotationswinkel ϕij der Versorgungsleitungen in einen lokalen Speicher abgelegt werden können, auf den der jeweilige Regler Ri der Vorrichtung Vi Zugriff hat. Bei einem Strom- bzw. Spannungsversorgungsnetzwerk mit nicht vernachlässigbarem Widerstand kann das erfindungsgemäße Verfahren und System zur Regelung von Spannung und Frequenz besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Der nicht vernachlässigbare Widerstand tritt insbesondere bei einem Mittel- und Niederspannungsversorgungsnetzwerk auf. Demgegenüber ist bei einem Hochspannungsversorgungsnetzwerk in der Regel das Verhältnis zwischen Widerstand und Reaktanz, d.h.vernachlässigbar und nahe null. The resistance and the reactance of the supply line VL are usually fixed, so that the rotation angle φ ij of the supply lines can be stored in a local memory on the the respective controller R i of the device V i has access. In a power supply network with non-negligible resistance, the method and system according to the invention for controlling voltage and frequency can be used particularly advantageously. The non-negligible resistance occurs especially in a medium and low voltage power supply network. In contrast, in a high voltage power supply network usually the ratio between resistance and reactance, ie negligible and close to zero.
Das dynamische Verhalten der Frequenz und Spannung des Stromversorgungsnetzwerkes VNW kann wie folgt berechnet werden: The dynamic behavior of the frequency and voltage of the power supply network VNW can be calculated as follows:
Die dabei verwendete Droop-Matrix Ki dient zur Kompensation für die Rotationsmatrixwelche durch die Reaktanzen der Versorgungsleitung VL hervorgerufen wird. Die Droop-Matrix Ki kann wie folgt berechnet werden: The droop matrix K i used here compensates for the rotation matrix which is caused by the reactances of the supply line VL. The droop matrix K i can be calculated as follows:
Bei einer möglichen Ausführungsform wird der Kompensationsrotationswinkel ϕi in Abhängigkeit von allen Rotationswinkeln ϕij aller an den jeweiligen Knoten angeschlossenen Versorgungsleitungen berechnet. Bei einer möglichen Implementierung hängt der Kompensationsrotationswinkel ϕi von einem maximalen Rotationswinkel ϕijmax und von einem minimalen Rotationswinkel ϕijmin ab. Bei einer möglichen Implementierung wird als Kompensationsrotationswinkel ϕi der Mittelwert zwischen dem maximalen Rotationswinkel und dem minimalen Rotationswinkel eingestellt bzw. berechnet. Dieser berechnete Kompensationsrotationswinkel bestimmt die Droop-Matrix Ki. In one possible embodiment, the compensation rotation angle φ i is calculated as a function of all rotation angles φ ij of all supply lines connected to the respective nodes. In one possible implementation, the compensation rotation angle φ i depends on a maximum rotation angle φ ijmax and a minimum rotation angle φ ijmin . In one possible implementation, the average value between the maximum rotation angle and the minimum rotation angle is set or calculated as the compensation rotation angle φ i . This calculated compensation rotation angle determines the droop matrix K i .
Falls das System bereits einen stabilen Zustand hat (u*, ϑ*, Ω), wobei θ* = 1Ωt + ϑ*, der durch die Lösung der stationären Zustandsgleichung bestimmt ist: zieht dieser stabile Zustand asymptotisch alle Anfangsbedingungen innerhalb eines rautenförmigen Gebietes: an, die um den stabilen Betriebspunkt OP (u*, ϑ*, Ω) liegen, wobei c+(t) und c–(t) wie folgt definiert werden können: mit
Die Phasenstabilitätsreserve PSR bezeichnet die maximal zulässige Abweichung der Phase eines Knotens des Versorgungsnetzwerkes VNW von der stationären Phasenlage in dem stationären Betriebspunkt OP zu jedem Zeitpunkt. Die Spannungsstabilitätsreserve SSR bezeichnet die maximal zulässige Abweichung der Spannung eines Knotens des Versorgungsnetzwerkes VNW von der Spannung in dem stationären Betriebspunkt OP zu jedem Zeitpunkt. Die Berechnung der Stabilitätsreserve, d.h. der Phasenstabilitätsreserve PSR und der Spannungsstabilitätsreserve SSR, wird vorzugsweise durch ein bestimmtes Ereignis in dem Versorgungsnetzwerk VNW angestoßen, beispielsweise durch einen auftretenden Lastsprung bzw. eine Laständerung. Das erfindungsgemäße Verfahren regelt dann die Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzwerkes, wobei die zentrale Steuerung CU des Versorgungsnetzwerkes die Phasenstabilitätsreserve PSR und gleichzeitig die Spannungsstabilitätsreserve SSR durch simultane Einstellung eines Betriebspunktes bzw. Operation-Punktes OP des Versorgungsnetzwerkes und von Reglerparametern verteilter Regler Ri des Versorgungsnetzwerkes VNW maximiert. The phase stability reserve PSR denotes the maximum permissible deviation of the phase of a node of the supply network VNW from the stationary phase position in the stationary operating point OP at any time. The voltage stability reserve SSR denotes the maximum permissible deviation of the voltage of a node of the supply network VNW from the voltage in the stationary operating point OP at any time. The calculation of the stability reserve, ie the phase stability reserve PSR and the voltage stability reserve SSR, is preferably triggered by a specific event in the supply network VNW, for example by an occurring load step or load change. The inventive method then regulates the voltage and frequency of the supply network, the central control CU of the supply network, the phase stability reserve PSR and simultaneously the voltage stability reserve SSR by simultaneously setting an operating point or operation point OP of the supply network and controller parameters of distributed controller R i of the supply network VNW maximized.
Das nicht vernachlässigbare von null abweichende Verhältnis zwischen Widerstand und Reaktanz in Mittel- und Niederspannungsnetzwerken führt zu einer Rotation zwischen Spannungs- und Frequenzdynamik. Für jede Versorgungsleitung bzw. Powerline entsteht eine Rotationsmatrix mit einem Rotationswinkel, der von dem Widerstand-zu-Reaktanz-Verhältnis abhängt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und System wird eine Kompensationsmatrix KM in dem Regler Ri eingesetzt, sodass das Produkt zwischen dieser Kompensationsmatrix KM und der Rotationsmatrix bei allen angeschlossenen Versorgungsleitungen VL nahezu eine Identitätsmatrix ergibt. Dies kann erreicht werden, indem man beispielsweise einen Winkel zwischen der inversen Rotationsmatrix und dem Durchschnitt aus dem größten und kleinsten Rotationswinkel aller angeschlossenen Versorgungsleitungen VL berechnet. Aufgrund dieser Kompensationsmatrix wird die Spannungs- und Frequenzdynamik weitgehend entkoppelt, abhängig von den Differenzen zwischen den R/X-Verhältnissen der verschiedenen Versorgungsleitungen VL. Das erfindungsgemäße Verfahren und System zur Regelung von Spannung und Frequenzen in dem Versorgungsnetzwerk VNW bietet ein besonders stabiles und robustes Versorgungsnetzwerk VNW, das unempfindlich gegenüber Laständerungen innerhalb des Netzwerkes ist. Bei einer möglichen Ausführungsform weisen alle Knoten Ni des Netzwerkes VNW einen entsprechenden Droop-Regler Ri auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen lediglich einige Knoten des Netzwerkes einen entsprechenden Regler auf. Das erfindungsgemäße Verfahren und System eignet sich insbesondere für Mittel- und Niederspannungsversorgungsnetzwerke. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße System bei Hochspannungsversorgungsnetzwerken einzusetzen, wobei hier der Stabilitätsgewinn geringer ausfällt. Die Topologie des Versorgungsnetzwerkes kann variieren. Das Versorgungsnetzwerk kann neben linearen Strukturen auch Ringstrukturen oder Baumstrukturen aufweisen. Die räumliche Ausdehnung des Versorgungsnetzwerkes VNW kann ebenfalls variieren. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Versorgungsnetzwerk VNW ein Inselnetz bzw. ein kleineres lokales Versorgungsnetzwerk. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Versorgungsnetzwerk ein weitumspannendes Versorgungsnetzwerk mit weit voneinander entfernten Knoten. The non-negligible non-zero ratio between resistance and reactance in medium and low voltage networks leads to a rotation between voltage and frequency dynamics. For each supply line or power line, a rotation matrix is created with a rotation angle that depends on the resistance-to-reactance ratio. With the method and system according to the invention, a compensation matrix KM is used in the controller R i , so that the product results in almost an identity matrix between this compensation matrix KM and the rotation matrix for all connected supply lines VL. This can be achieved, for example, by calculating an angle between the inverse rotation matrix and the average of the largest and smallest rotation angles of all connected supply lines VL. Due to this compensation matrix, the voltage and frequency dynamics are largely decoupled, depending on the differences between the R / X ratios of the different supply lines VL. The inventive method and system for controlling voltage and frequencies in the supply network VNW provides a particularly stable and robust supply network VNW, which is insensitive to load changes within the network. In one possible embodiment, all nodes N i of the network VNW have a corresponding droop regulator R i . In an alternative embodiment, only a few nodes of the network have a corresponding controller. The method and system according to the invention are particularly suitable for medium and low-voltage supply networks. It is also possible to use the system according to the invention in high-voltage power supply networks, in which case the stability gain is lower. The topology of the utility network may vary. The supply network can also have ring structures or tree structures in addition to linear structures. The spatial extent of the supply network VNW can also vary. In one possible embodiment, the supply network VNW is an island network or a smaller local supply network. In an alternative embodiment, the utility network is a wide-span utility network with nodes far apart.
Bei einer möglichen Ausführungsvariante wird die erreichte Stabilitätsreserve einem Nutzer, beispielsweise in einem Kontrollzentrum, über eine Nutzerschnittstelle angezeigt. Bei jedem relevanten Ereignis, beispielsweise einem Lastsprung, kann eine neue Stabilitätsreserve berechnet werden und dem Nutzer angezeigt werden. Bei einer möglichen Ausführungsvariante entspricht die erreichte Stabilitätsreserve SR der Fläche der in
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DE102015204804A1 (en) | 2015-03-17 | 2016-09-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for controlling voltage and frequency in a utility network |
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