DE102017215821A1

DE102017215821A1 - Verfahren und system für einen systemwiederaufbau eines onshore-netzes

Info

Publication number: DE102017215821A1
Application number: DE102017215821.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Becker; Akim Naranovich; Tobias Hennig; Alev Akbulut; Denis Mende; David Sebastian Stock
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein System für einen Systemwiederaufbau eines Onshore-Netzes (9) mittels mindestens einer Offshore Windenergieanlage (2), deren Offshore-Netz (3) über eine Offshore-Konverterstation (5), eine Hochspannungsgleichstromverbindung (6) und eine Onshore-Konverterstation (7) mit einem spannungsgeführten Stromrichter das Onshore-Netz speist, vorgeschlagen. Die Onshore-Konverterstation arbeitet im netzbildenden Betrieb, bei dem Laständerungen direkt die Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung beeinflussen. Die durch eine Laständerung im Onshore-Netz hervorgerufene geänderte Gleichspannung wird über die Hochspannungsgleichstromverbindung als Eingangsgröße an die Offshore-Konverterstation (5) für eine Regelung der von der mindestens einen Windenergieanlage erzeugten Wirkleistung abhängig von der Laständerung des Onshore-Netzes geliefert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System für einen Wiederaufbau eines Onshore-Netzes, bei dem ein Offshore-Windpark über eine Offshore-Konverterstation und eine Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) mit einer Onshore-Konverterstation und einem Onshore-Netz verbunden ist.
Beim Ausfall von nennenswerten Bereichen des europäischen Verbundnetzes oder des vollständigen Netzes (Black-Out-Fall) erfolgt der Netzwiederaufbau entweder durch Spannungs- und Leistungsvorgaben eines benachbarten und betriebsfähigen Teilnetzes oder, falls dies nicht möglich ist, unter Verwendung von sich im Eigenbedarf bzw. Restlast gefangenen Erzeugungsanlagen oder mit Hilfe von schwarzstartfähigen Kraftwerken, so genannten Schwarzstarteinheiten. Ein Großteil der Schwarzstarteinheiten wird durch Pumpspeicherkraftwerke realisiert, die sich überwiegend in den küstenfernen Gegenden von Deutschland befinden. Kraftwerke, die nach dem Fangen im Eigenbedarf oder nach einem Schwarzstart eine Netzinsel versorgen, werden in isochroner Drehzahlregelung betrieben. Dabei werden die Kraftwerke derart geregelt, dass sich am Generator unabhängig von der Belastung im stationären Fall die Solldrehzahl und damit die Sollfrequenz in der Netzinsel einstellen.
Um für einen Systemwiederaufbau im Black-Out-Fall neue Möglichkeiten, insbesondere in den norddeutschen Küstenregionen zu schaffen, wären inselbetriebs- bzw. schwarzstartfähige Offshore-Windparks hilfreich.
Aus der EP 1 993 184 A1 ist ein Verfahren zum Starten eines Windparks, der mit einem externen Netz, z.B. einem Onshore-Netz, kombinierbar ist, im Wesentlichen ohne jegliche von dem externen Netz gelieferte Energie für den Start bekannt. Der Windpark umfasst mehrere Windenergieanlagen und mindestens eine lokale Spannungsquelle, z.B. einen Diesel-Motor mit Generator, der, gesteuert von einer Steuereinheit, die dem Windpark zugeordnet ist, mit mindestens einer Windenergieanlage verbunden werden kann. Für einen Schwarzstart wird der Windpark von dem Onshore-Netz getrennt und eine zu startende Windenergieanlage oder eine Gruppe derselben wird von den verbleibenden Windenergieanlagen des Windparks isoliert. Die eine zu startende Windenergieanlage wird, wieder gesteuert durch die Steuereinheit, mit der lokalen Spannungsquelle verbunden und wird unter Verwendung der von der lokalen Spannungsquelle gelieferten Leistung gestartet. Anschließend kann die gestartete Windenergieanlage die verbleibenden Windenergieanlagen starten, wobei die Steuereinheit die Verbindung zu der lokalen Spannungsquelle trennt und die gestartete Windanlage mit den anderen Windenergieanlagen verbindet. Wenn alle Windenergieanlagen gestartet sind, kann das Onshore-Netz über eine Gleichrichtereinheit, die mit dem Windparknetz verbunden ist, eine Hochspannungsgleichstromübertragung (HVDC) und eine Invertereinheit zugeschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System für einen Schwarzstart eines Onshore-Netzes zu schaffen, bei denen ein Windpark mit mindestens einer Windenergieanlage als Schwarzstarteinheit für das Onshore-Netz verwendet werden kann, ohne dass eine separate Regelung mit langen Kommunikationsleitungen und damit entsprechenden Installationsaufwand sowie erhöhter Ausfallgefahr benötigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs und durch die Merkmale des auf ein System gerichteten Vorrichtungsanspruchs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Bei dem Verfahren für einen Systemwiederaufbau bzw. Schwarzstart eines Onshore-Netzes gemäß der Erfindung mittels mindestens einer Offshore-Windenergieanlage speist das Offshore-Netz der Windenergieanlage über eine Offshore-Konverterstation, eine Hochspannungsgleichstromverbindung und eine Onshore-Konverterstation, die einen spannungsgeführten Stromrichter umfasst, das Onshore-Netz. Dabei arbeitet die Onshore-Konverterstation im netzbildenden Betrieb, bei dem Wechselspannungen auf vorgegebene Nenn- bzw. Sollwerte durch die Onshore-Konverterstation mit dem spannungsgeführten Stromrichter gesteuert werden und bei dem Laständerungen direkt die Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung beeinflussen. Die durch eine Laständerung im Onshore-Netz hervorgerufene Änderung der Gleichspannung über die Hochspannungsgleichstromverbindung wird als Eingangsgröße an die Offshore-Konverterstation für eine Regelung der von der mindestens einen Windenergieanlage erzeugten Wirkleistung abhängig von der Laständerung des Onshore-Netzes geliefert und dort genutzt, wodurch keine Kommunikationsverbindung notwendig wird.
Dadurch, dass die durch eine Laständerung im Onshore-Netz hervorgerufene Änderung der Gleichspannung der Onshore-Konverterstation über die Hochspannungsgleichstromverbindung (VSC-HVDC; Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current) als Eingangsgröße an die Offshore-Konverterstation geliefert wird, ist es möglich, dass die durch die Windenergieanlagen erzeugte elektrische Leistung der Lastanforderung im Onshore-Netz folgen kann, um die elektrische Leistungsbilanz auszugleichen. Es wird somit eine neue Möglichkeit einer Schwarzstarteinheit für ein Onshore-Netz zur Verfügung gestellt, wodurch sich die Optionen beim Systemwiederaufbau nach einem Black-Out erhöhen und eine Wiederversorgung regional naheliegender Verbraucher deutlich verkürzt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sieht das Verfahren vor, dass auch die Offshore-Konverterstation im netzbildenden Betrieb arbeitet, und dass, abhängig von der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung, die Frequenz des Offshore-Netzes und damit die von der mindestens einen Windenergieanlage gelieferte Wirkleistung abhängig von dieser Frequenz eingestellt wird. Mit dieser Möglichkeit kann die an der Hochspannungleichstromverbindung liegende Gleichspannung einen direkten Einfluss auf die Frequenz des Offshore-Netzes nehmen und damit verbunden die Leistungsbereitstellung der Windenergieanlage, um die Leistungsbilanz sicherzustellen.
Eine weitere Möglichkeit zum Liefern der notwendigen Wirkleistung liegt darin, dass die mindestens eine Windenergieanlage im netzbildenden Betrieb arbeitet, d.h. bei mehreren Windenergieanlagen, dass eine Gruppe von Windenergieanlagen oder alle im netzbildenden Betrieb arbeiten und Wirkleistung an das Offshore-Netz liefern, und dass die Offshore-Konverterstation, abhängig von der Höhe der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung, dem Offshore-Netz Wirkleistung entnimmt.
In vorteilhafter Weise werden die Laständerungen im Onshore-Netz durch die Kapazitäten der Hochspannungsgleichstromverbindung zumindest teilweise gedämpft, wodurch eine Belastungsänderung auf der Wechselspannungsseite, z.B. durch Zu- oder Abschalten von Lasten, auch durch die Kapazitäten auf der Gleichstromleitung ausgeglichen wird und eine Regelung gleichmäßiger gestaltet werden kann. Grundsätzlich werden im Onshore-Netz die Wechselspannung auf einen Sollwert, z.B. Nennspannung, und die Netzfrequenz auf einen konstanten Wert, z.B. 50 Hz, eingestellt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Onshore-Netz die Wechselspannung auf einen Sollwert, z.B. Nennspannung, und die Netzfrequenz auf einen Wert in Abhängigkeit von der Belastung der Onshore-Konverterstation eingestellt.
In vorteilhafter Weise wird im Offshore-Netz die Wechselspannung auf einen Sollwert und die Frequenz in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung geregelt. Auf diese Weise kann die Erzeugung der Wirkleistung der Windenergieanlage schnell der Lastanforderung des Onshore-Netzes folgen.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Wirkleistung der mindestens einen Windenergieanlage mittels eines ihr zugeordneten Proportionalreglers abhängig von der Frequenz des Offshore-Netzes geregelt. Dies ist eine einfache und kostengünstige Regelung. Gegebenenfalls kann jedoch eine Regelabweichung nicht ausgeglichen werden. Daher wird in vorteilhafter Weise eine Integralregelung der Proportionalregelung der mindestens einen Windenergieanlage überlagert, die die Regelabweichung ausgleicht. Diese Integralregelung hat den Vorteil, dass sie den Regelungen allen oder einem Teil der vorhandenen Windenergieanlagen überlagert werden kann und dass eine genaue Regelung auf einen vorgegebenen Arbeitspunkt der jeweiligen Windenergieanlage möglich ist.
Das erfindungsgemäße System für einen Wiederaufbau eines Onshore-Netzes nach der Erfindung umfasst mindestens eine Offshore-Windenergieanlage, eine Offshore-Konverterstation, eine Hochspannungsgleichstromleitung und eine Onshore-Konverterstation mit einem spannungsgeführten Stromrichter, die mit dem Onshore-Netz verbunden ist, wobei die Onshore-Konverterstation ausgebildet ist, im netzbildenden Betrieb zu arbeiten, und wobei die mindestens eine Windenergieanlage und die Offshore-Konverterstation, die über die Hochspannungsgleichstromleitung mit der Onshore-Konverterstation verbunden ist, eine Schwarzstarteinheit bilden, wobei die Onshore-Konverterstation, die Offshore-Konverterstation und die mindestens eine Windenergieanlage Regeleinrichtungen aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass die von der mindestens einen Windenergieanlage erzeugte Wirkleistung entsprechend der Laständerung des Onshore-Netzes geregelt wird.
Das erfindungsgemäße System gestattet die Umsetzung des Verfahrens für einen Schwarzstart und liefert ähnliche Vorteile wie bei dem Verfahren angegeben, d. h. es wird ein System zur Verfügung gestellt, das keine Verwendung von Kommunikationsleitungen zur Leistungsregelung benötigt, wodurch die Robustheit erhöht wird und eine äußerst dynamische Leistungsanpassung ermöglicht wird, da im System keine Signallaufzeiten bzw. Totzeiten auftreten.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Offshore-Konverterstation ebenso wie die Onshore-Konverterstation einen spannungsgeführten Stromrichter (VSC) aufweist, wodurch sie ebenfalls als Netzbildner arbeiten kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Offshore-Konverterstation mit einem im Netzparallelbetrieb arbeitenden Stromrichter ausgebildet, wobei dann die Windenergieanlage im netzbildenden Betrieb arbeitet.
Die Regeleinrichtung der Onshore-Konverterstation ist ausgebildet, die Wechselspannung des Onshore-Netzes auf einen Sollwert (z. B. eine Nennspannung) zu regeln und eine konstante Frequenz vorzugeben, wobei die Regeleinrichtung weiter ausgebildet ist, abhängig von einer durch eine Laständerung hervorgerufenen Änderung der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromleitung die Wechselspannung auf den Sollwert zu regeln. Auf diese Weise arbeitet die Onshore-Konverterstation im netzbildenden Betrieb, bei der die Wechselspannung auch bei Laständerungen auf dem Sollwert gehalten wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Regeleinrichtung der Offshore-Konverterstation ausgebildet, die Wechselspannung des Offshore-Netzes auf einen Sollwert einzustellen und die Frequenz des Offshore-Netzes in Abhängigkeit der Gleichspannung auf einen bestimmten Wert einzustellen, der durch eine vorgegebene Abhängigkeit der Gleichspannung zu der Frequenz des Offshore-Netzes vorgegeben ist. Somit wird in Abhängigkeit von der Gleichspannung die Frequenz im Offshore-Netz eingestellt, die wiederum ein Maß für die durch die Windenergieanlagen einzuspeisende Wirkleistung ist. Dazu weist die Windenergieanlage bzw. weisen die Windenergieanlagen jeweils einen Proportionalregler auf, die ausgebildet sind, die Wirkleistung entsprechend der Frequenz im Offshore-Netz einzustellen. Dabei ist vorteilhafterweise, aber nicht zwingend notwendig, einigen oder allen Windenergieanlagen ein integrierender Regler überlagert, der ausgebildet ist, Regelabweichungen der Proportionalregler der Windenergieanlagen auszugleichen. Aufgrund der verschiedenen Regeleinrichtungen kann eine Laständerung im Onshore-Netz schnell ausgeglichen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Offshore-Netz von einer oder mehrerer Windenergieanlagen aufgebaut, und die Offshore- Konverterstation schaltet sich auf dieses Netz auf und arbeitet im Netzparallelbetrieb. In diesem Fall bestimmt sie die dem Offshore-Netz entnommene Wirkleistung. Die Regeleinrichtung der Offshore-Konverterstation ist in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, die dem Offshore-Netz entnommene Wirkleistung in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf einen bestimmten Wert einzustellen, die durch eine Abhängigkeit der Gleichspannung zu der zu entnehmenden Leistung vorgegeben ist. Letztendlich entspricht diese Leistung wiederum der Last der Onshore-Konverterstation bzw. des schwarz gestarteten Onshore-Netzes.
Die Erfindung wird anhand von Offshore-Windenergieanlagen bzw. Offshore-Windparks erläutert und beschrieben. Sie ist jedoch auch mit Windenergieanlagen und Windparks ausführbar, die auf dem Festland vorgesehen sind. Die Begriffe „Offshore“ und „Onshore“ in Zusammenhang mit den Konverterstationen dienen somit lediglich als Unterscheidung zwischen der an das Wechselstromnetz der mindestens einen Windenergieanlage angebundenen Konverterstation und der an ein Verbund- oder Inselnetz angeschlossenen Konverterstation. Die Offshore-Windparks eignen sich jedoch besser für das Bereitstellen von Anfahrleistung für größere Kraftwerke als die Windparks auf dem Festland, da sie aufgrund des besseren und gleichmäßigeren Windangebots Vorteile bei der Verfügbarkeit gegenüber den kleineren Windenergieanlagen und Windparks auf dem Festland haben.
In einer weiteren Ausführungsform kann das System auch mit einer Hochspannungsgleichstromverbindung ausgestattet sein. In einer solchen Ausführungsform mit einer so genannten Back-to-Back-Konverterstation können die Regelungen der einzelnen Systemkomponenten entsprechend der vorangegangenen Ausführungsformen realisiert sein. Die genannten Vorteile der spannungsbildenden Konverterstationen und einer entsprechenden Schwarzstartfähigkeit bleiben auch in einer solchen Ausführungsform erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems für einen Schwarzstart eines Onshore-Netzes,
2(a) eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Onshore-Konverterstation verwendeten Regelvorrichtung,
2(b) eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Onshore-Konverterstation verwendeten Regelvorrichtung,
3(a) eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der in der Offshore-Konverterstation verwendeten Regelvorrichtung,
3(b) eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der in der Offshore-Konverterstation verwendeten Regelvorrichtung,
4(a) ein Diagramm der Abhängigkeit der Frequenz im Offshore-Netz von der Gleichspannung der Hochspannungsgleichstromübertragung,
4(b) ein Diagramm der Wirkleistung der Windenergieeinlagen in Abhängigkeit von der Offshore-Netzfrequenz,
4(c) ein Diagramm der Abhängigkeit der Wirkleistung der Offshore-Konverterstation von der Gleichspannung der Hochspannungsgleichstromübertragung und
5 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer in einer Windenergieanlage verwendeten Regelvorrichtung und einer für alle Windenergieanlagen verwendeten überlagerten Regelvorrichtung.

Das in 1 dargestellte System 1 für einen Schwarzstart eines Onshore-Netzes umfasst im Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Windenergieanlagen 2, die einen Windpark bzw. eine Windanlage 3 bilden. Der Windpark wird im Ausführungsbeispiel und auch in den Ansprüchen als Offshore-Windpark bezeichnet, d.h., die Windenergieanlagen 2 sind in einem Meer installiert, allerdings sollen auch Windparks umfasst sein, deren Windenergieanlagen auf dem Land angeordnet sind.
Gemäß 1 wird die von den Windenergieanlagen an das Offshore-Netz, das hier nicht näher dargestellt ist, gelieferte Wechselspannung über einen Transformator 4 an eine Offshore-Konverterstation 5 geliefert, die einen spannungsgeführten Stromrichter (VSC - Voltage Source Converter) und eine später beschriebene Regelvorrichtung umfasst. Die Offshore-Konverterstation 5, die die Wechselspannung des Offshore-Netzes in Gleichspannung umwandelt, ist an eine Hochspannungsgleichstromleitung 6 angeschlossen, über die Gleichstrom an eine Onshore-Konverterstation 7 geleitet wird. Die Onshore-Konverterstation 7 weist im Ausführungsbeispiel ebenfalls einen spannungsgeführten Stromrichter und eine später beschriebene Regelvorrichtung auf und wandelt die Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromleitung 6 in Wechselspannung um, die über einen Transformator 8 an ein Onshore-Netz 9 geliefert wird.
Das in 1 dargestellte System bietet die Möglichkeit der Verwendung des Punkt-zu-Punkt-Hochspannungsgleichstrom-Übertragungssystem mit selbstgeführten Stromrichtern (VSC-HVDC), das den Offshore-Windpark mit dem Onshore-Netz verbindet, als Schwarzstartmöglichkeit, um einen Netzwiederaufbau für ein Verbundnetz nach einem Ausfall zumindest in größeren Bereichen des Verbundnetzes (Black-Out-Fall) durchzuführen. Damit ein Offshore-Windpark mit Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) als Schwarzstarteinheit für das Onshore-Netz verwendet werden kann, müssen folgende Eigenschaften zwingend erfüllt sein:

- Die Onshore-Konverterstation 7 muss im netzbildenden Betrieb arbeiten.
- Die durch die Windenergieanlagen 2 erzeugte elektrische Leistung muss der Lastanforderung im Onshore-Netz 9 folgen, um die elektrische Leistungsbilanz auszugleichen.

Dieser Leistungsbilanzausgleich wird mittels der in der Onshore-Konverterstation 7, der Offshore-Konverstation 5 und in den Windenergieanlagen vorgesehenen Regelvorrichtungen realisiert.
Die Onshore-Konverterstation 7 ist mit ihrer Regelvorrichtung in 2(a) genauer dargestellt. Der hier schematisch dargestellte und in der Onshore-Konverterstation 7 enthaltene spannungsgeführte Stromrichter 10 ist mit seiner Gleichstromseite an die Hochspannungsgleichstromleitung 6 angeschlossen, an der eine Gleichspannung U_DC anliegt. Auf der Wechselspannungsseite des Stromrichters 10 bzw. der Onshore-Konverterstation 7 wird in normalem Zustand eine konstante Nennspannung U_AC mit einer konstanten Frequenz f_in geliefert. Die Regelvorrichtung 11 umfasst einen PI-Regler 12, dem eine Regelabweichung zwischen der tatsächlichen Wechselspannung U_AC , die durch einen entsprechenden Sensor in der Konverterstation 7 gemessen wird, und der vorgegebenen Referenzspannung U_ACref , in der Regel Nennspannung, zugeführt wird. Über einen Multiplikationsknoten, dem der Ausgangswert des PI-Reglers 12 und die Gleichspannung U_DC zugeführt wird, und über den Faktor K₁ wird ein Modulationsindex P_M,in vorgegeben. Der Modulationsindex beeinflusst die Schaltfolge der Stromrichterbrücke innerhalb der Konverterstation und stellt somit ein Verhältnis von Wechsel- zu Gleichspannung her. Auf dieses Verhältnis wirkt noch ein von der Modulationsart abhängiger Faktor. Um diesen Faktor zu berücksichtigen, ist in der in 2(a) dargestellten Regelstrecke der Faktor K₁ implementiert. Der Faktor K₁ bestimmt in Kombination mit dem gewählten Modulationsindex die Wechselspannung im Verhältnis zu der Gleichspannung, die ebenfalls mittels eines Sensors in der Konverterstation 7 gemessen wird.
In einer weiteren Ausführung ist die Onshore-Konverterstation 7 mit ihrer Regelvorrichtung in 2(b) genauer dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich zu der nach 2(a) darin, dass die Frequenz f_in nicht konstant vorgegeben wird. Auf der Wechselspannungsseite des Stromrichters 10 bzw. der Onshore-Konverterstation 7 wird in normalem Zustand eine konstante Nennspannung U_AC mit einer von der Belastung des Onshore-Netzes abhängigen Frequenz f_in geliefert. Dies wird in der 2(b) durch das Kästchen 20 mit der Bezeichnung f = f(_Pac) angedeutet.
Eine Belastungsänderung auf der Wechselstromseite der Onshore-Konverterstation 7 aufgrund von Zu- oder Abschalten von Lasten im Onshore-Netz 9 wird zunächst durch die elektrische Kapazität der Hochspannungsgleichstromleitung 6 sowie Filterkondensatoren, die als Energiespeicher dienen, ausgeglichen, wodurch sich die Gleichspannung ändert. Diese Spannungsänderung dient als Eingangsgröße für die Reaktion der Offshore-Konverterstation 5. Die Frequenz der Wechselspannung wird durch den Wert f_in fest vorgegeben. Der PI-Regler 12 regelt die Wechselspannung somit bei Schwankungen der Gleichspannung wieder auf den Sollwert U_AC,ref , z. B. auf den Nennwert.
In 3(a) ist ein erstes Beispiel der Regelvorrichtung der Offshore-Konverterstation 5 schematisch dargestellt. Die Offshore-Konverterstation 5 arbeitet hier im netzbildenden Betrieb und stellt die Frequenz in Abhängigkeit von der Gleichspannung U_DC über eine vorgegebene Größe f_in ein.Die Regelvorrichtung 13 der Onshore-Konverterstation 5 weist zwei Regelkreise 14, 15 auf, wobei der Regelkreis 14 als PI-Regelkreis ausgebildet ist und dem Regelkreis der Onshore-Konverterstation 7 entspricht. Der Regelkreis 15 ist ein P-Regelkreis, der die Frequenz in Abhängigkeit der Gleichspannung auf einen bestimmten Wert einstellt. Der Konverter bekommt den Wert f_in als Eingangsgröße und stellt entsprechend die Frequenz f_WF im Offshore-Netz ein. Als Eingangsgröße zu dem P-Regler 16 dient die Differenz zwischen der tatsächlichen gemessenen Gleichspannung U_DC und einer Referenzgleichspannung U_DC,ref , wobei letztere durch das Diagramm in 4(a) vorgegeben ist, die die Frequenz f_WF des Offshore-Netzes in Hz abhängig von der Gleichspannung U_DC angegeben als Per-Unit Einheit. Der Ausgang des P-Reglers 16 und eine Referenzfrequenz f_WF,ref des Offshore-Netzes bestimmen dann die eigentliche Frequenz des Offshore-Netzes. Diese Frequenz dient somit als Indikator für die durch die Windenergieanlagen einzuspeisende Wirkleistung. Durch diesen Regelkreis wird die Kennlinie gem. 4(a) realisiert: die Verstärkung des P-Reglers bestimmt die Steigung der Gerade, und die Werte f_WF,ref und U_DC,ref bestimmen einen Punkt, durch den die Gerade verläuft. Durch die Regelschleife 14 wird die Wechselspannung des Offshore-Netzes, wie bei der Onshore-Konverterstation 7, unabhängig von der Gleichspannung auf den Nennwert geregelt.
In 3(b) ist für eine weitere Ausführung die Regelvorrichtung der Offshore-Konverterstation 5 schematisch dargestellt. Die Offshore-Konverterstation 5 arbeitet hier im Netzparallelbetrieb und stellt die dem Offshore-Netz entnommene Wirkleistung P_AC in Abhängigkeit von der Gleichspannung U_DC über eine vorgegebene Regelgröße P_in ein. Dies wird durch das Kästchen 21 P = f(_Udc) angedeutet. Beispielhaft ist dieser Zusammenhang in 4(c) dargestellt, die die Wirkleistung der Offshore- Konverterstation 5 abhängig von der Gleichspannung U_DC zeigt, wobei die Einheit p.u. ist (Per-Unit).
In 4(b) ist die Abhängigkeit der Wirkleistung P (in Prozenten der Nennleistung) von der Frequenz f_WF des Offshore-Netzes dargestellt, wobei hier verschiedene parallele Geraden dargestellt sind, die verschiedene Regelkonzepte ausdrücken. Die dickere Gerade stellt die gewählte Regelung der Wirkleistung abhängig von der Frequenz f_WF dar, wobei hier der Wert P_set die Wirkleistung bei der gewünschten Frequenz von 50 Hz (f_WF,ref) ist. Dieser Wert von 50 Hz entspricht gemäß 4(a) einem bestimmten Wert der Gleichspannung U_DC , d. h. die Frequenz wird in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf diesen bestimmten Wert 50 Hz eingestellt. Durch die netzbildende Onshore-Konverterstation ist gegeben, dass eine Erhöhung der Wirkleistungsanforderung in dem Onshore-Netz zu einer Verringerung der Gleichspannung führt, wodurch nach 4(a) die Frequenz in dem Offshore-Netz abnimmt und die Wirkleistung auf der Geraden nach 4(b) ansteigt. Dadurch ist zu erkennen, dass die Wirkleistungserzeugung der Windenergieanlagen der Lastanforderung des Onshore-Netzes folgt.
In 5 ist eine Regelvorrichtung jeweils der Windenergieanlagen dargestellt, wobei hier zwei Möglichkeiten aufgeführt sind, nämlich eine Regelung 17, die durch den mit durchgezogenen Linien dargestellten Kasten betrifft und in jeder Windenergieanlage enthalten ist, und eine außerhalb des Kastens liegende Integral-Regelschleife 18, die für einen Teil oder die Gesamtheit der Windenergieanlagen vorgesehen ist, und die in der Offshore-Konverterstation 5 integriert sein kann.
Die Windenergieanlagen arbeiten in einem gedrosselten Leistungsmodus, wie in 4(b) zu sehen ist, um in der Lage zu sein, die Wirkleistung zu erhöhen, wenn dies gefordert wird. Hinsichtlich der Regelung der Wirkleistung könnte nur die Regelschleife 17 wirksam sein, wobei die Schalter 19 dann in der A-Stellung (d. h. geöffnet) sind, oder die Regelschleife 18 kann überlagert sein, wobei dann die Schalter 19 in der B-Stellung (d. h. geschlossen) sind. Hinsichtlich der Regelschleife 17, die eine proportionale Regelung darstellt, wird die Referenzfrequenz f_WF,ref , beispielsweise 50 Hz entsprechend 4 (b), mit der gemessenen Ist-Frequenz f_WF verglichen. Der Faktor K gibt den Proportionalitätsfaktor, d. h. die Steigung bezüglich der Regelung vor. Um die für einen reinen Proportionalregler typische bleibende Regelabweichung auszuregeln, kann den Windenergieanlagen ein Leistungsoffset P_set vorgegeben werden. Dieser wird durch die Integral-Regelschleife 18, wozu die Schalter 19 auf Stellung B geschaltet sein müssen, und/oder durch einen von extern über eine Datenleitung vorzugebenen Wert P_demand berechnet. Der Kasten 1/Ti gibt die Zeitkonstante vor und P_INI den Anfangswert.
Mit dieser überlagerten Regelung entsprechend Regelkreis 18, die für eine Gruppe oder alle Windenergieanlagen gilt, was durch den mit WEG 2-n bezeichneten Pfeil zu erkennen ist, kann abhängig von der Leistungsanforderung P_demand der Leistungswert P_set so eingestellt werden, dass die Frequenz sich wieder auf die Referenzfrequenz f_WF,ref einregelt. Wird der Integral-Regler 18 aktiviert (Schalterstellung B), so wird die Regelabweichung zu Null ausgeregelt, d. h. die Frequenz im Offshore-Netz f_WF wird wieder auf den Sollwert f_WF,ref geregelt, ohne dass von extern ein Sollwert P_demand vorgegeben werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1993184 A1 [0004]

Claims

Verfahren für einen Systemwiederaufbau eines Onshore-Netzes (9) mittels mindestens einer Offshore Windenergieanlage (2), deren Offshore-Netz (3) über eine Offshore-Konverterstation (5), eine Hochspannungsgleichstromverbindung (6) und eine Onshore-Konverterstation (7) mit einem spannungsgeführten Stromrichter das Onshore-Netz speist, wobei die Onshore-Konverterstation im netzbildenden Betrieb arbeitet, bei dem Laständerungen direkt die Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung beeinflussen und wobei die durch eine Laständerung im Onshore-Netz hervorgerufene geänderte Gleichspannung über die Hochspannungsgleichstromverbindung als Eingangsgröße an die Offshore-Konverterstation (5) für eine Regelung der von der mindestens einen Windenergieanlage erzeugten Wirkleistung abhängig von der Laständerung des Onshore-Netzes geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Offshore-Konverterstation im netzbildenden Betrieb arbeitet und dass abhängig von der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung die Frequenz des Offshore-Netzes und damit die von der mindestens einen Windenergieanlage gelieferte Wirkleistung abhängig von dieser Frequenz eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Windenergieanlage im netzbildenden Betrieb arbeitet und Wirkleistung an das Offshore-Netz liefert und dass die Offshore-Konverterstation abhängig von der Höhe der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung dem Offshore-Netz Wirkleistung entnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laständerungen im Onshore-Netz durch die Kapazitäten der Hochspannungsgleichstromverbindung zumindest teilweise gedämpft werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Onshore-Netz die Wechselspannung auf einen Sollwert und die Netzfrequenz auf einen konstanten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Onshore-Netz die Wechselspannung auf einen Sollwert und die Netzfrequenz auf einen Wert in Abhängigkeit von der Belastung der Onshore-Konverterstation eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Offshore-Netz die Wechselspannung auf einen Sollwert und die Frequenz in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromverbindung geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkleistung der mindestens einen Windenergieanlage mittels eines ihr zugeordneten Proportionalreglers abhängig von der Frequenz des Offshore-Netzes geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine bleibende Regelabweichung der Proportionalregelung der mindestens einen Windenergieanlage mittels einer überlagerten Integralregelung ausgeglichen wird.
System für einen Wiederaufbau eines Onshore-Netzes (9), umfassend mindestens eine Offshore Windenergieanlage(2), eine Offshore-Konverterstation (5), eine Hochspannungsgleichstromleitung (6) und eine Onshore-Konverterstation (7) mit einem spannungsgeführten Stromrichter, die mit dem Onshore-Netz (9) verbunden ist, wobei die Onshore-Konverterstation (7) ausgebildet ist, im netzbildenden Betrieb zu arbeiten und wobei die mindestens eine Windenergieanlage (2) und die Offshore-Konverterstation (5), die über die Hochspannungsgleichstromleitung (6) mit der Onshore-Konverterstation (7) verbunden ist, eine Schwarzstarteinheit bilden, wobei die Onshore-Konverterstation (7), die Offshore-Konverterstation (5) und die mindestens eine Windenergieanlage (6) Regeleinrichtungen (11, 13, 21, 17, 18) aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass die von der mindestens einen Windenergieanlage erzeugte Wirkleistung abhängig von der Laständerung des Onshore-Netzes geregelt wird.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Offshore-Konverterstation (5) einen spannungsgeführten Stromrichter aufweist und als Netzbildner ausgebildet ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Offshore-Konverterstation (5) mit einem im Netzparallelbetrieb arbeitenden Stromrichter ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) der Onshore-Konverterstation (7) ausgebildet ist, die Wechselspannung des Onshore-Netzes (9) auf einen Sollwert zu regeln und eine konstante Frequenz vorzugeben, wobei die Regeleinrichtung (11) weiter ausgebildet ist, abhängig von einer durch eine Laständerung hervorgerufenen Änderung der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromleitung die Wechselspannung auf den Sollwert zu regeln.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (13) der Offshore-Konverterstation (5) ausgebildet ist, die Wechselspannung des Offshore-Netzes auf einen Sollwert einzustellen und die Frequenz des Offshore-Netzes in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf einen bestimmten Wert einzustellen, der durch eine vorgegebene Abhängigkeit der Gleichspannung zu der Frequenz des Offshore-Netzes vorgegeben ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (17) der mindestens einen Windenergieanlage (2) einen Proportionalregler aufweist und ausgebildet ist, die Wirkleistung entsprechend der Frequenz im Offshore-Netz einzustellen.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeleinrichtung(17) der mindestens einen Windenergieanlage ein integrierender Regler (18) überlagert ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Windenergieanlagen umfasst ist, die einen Windpark (3) bilden, wobei jede Windenergieanlage (2) eine einen Proportionalregler umfassende Regeleinrichtung (17) aufweist und einigen oder allen Regeleinrichtungen (17) der Windenergieanlagen (2) ein integrierender Regler (18) überlagert ist.
System nach Anspruch 10 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter der Offshore-Konverterstation (5) ausgebildet ist, die aus dem Offshore-Netz entnommene Wirkleistung in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf der Hochspannungsgleichstromleitung (6) einzuregeln.