Zur Einordnung, Analyse und Verbesserung der harmonischen Stabilität in elektrischen Energiesystemen

Abstract

Die steigende Anzahl der leistungselektronischen Betriebsmittel für Erzeugung und Übertragung der elektrischen Energie führt zu einem Strukturwandel innerhalb der Energieversorgungsnetze. Als Folge dieses Wandels sind Veränderungen der Charakteristik und Aufkommen von neuen Effekten im Betrieb der elektrischen Energiesysteme zu verzeichnen. Dazu gehört auch der Effekt der harmonischen Stabilität, bei dem nicht-grundfrequente Oszillationen in Strömen und Spannungen der netzseitigen Konverter zu einem gestörten Netzbetrieb führen. Die Behandlung der harmonischen Stabilität in elektrischen Energiesystemen ist das Hauptthema dieser Dissertation. Die Definition der harmonischen Stabilität und ihre Einteilung in die Klassifizierung der Stabilitätsarten stellt die Grundlage für die weitere Behandlung des Effekts dar. Dafür wird sein physikalischer Vorgang in einem einfachen Beispielsystem beschrieben und analysiert. Aus der Sicht der Systemtheorie handelt es sich im instabilen Fall um eine periodische Energieoszillation zwischen einem Konverter und Energiespeichern des Netzes. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird die Klassifizierung der Stabilitätsarten des Elektroenergiesystems erweitert. Für die Feststellung und Analyse der harmonischen Stabilität werden drei verschiedene Methoden verwendet: die Zeitbereichssimulation, die Eigenwertanalyse und das impedanzbasierte Kriterium. Deren Theorien, Anwendungen und Einsatzzwecke für die Berechnung der harmonischen Stabilität werden miteinander verglichen und diskutiert. Weiterhin wird auch die Verbesserung der harmonischen Stabilität untersucht. Dazu werden zunächst stabilisierende Maßnahmen aus der Literatur beschrieben, angewendet und bewertet. Zudem wird über die Möglichkeit der präventiven Vorbeugung der harmonischen Instabilität in elektrischen Energiesystemen diskutiert. Die entstandenen Aussagen und Ergebnisse werden an zwei Beispielnetzen, einem MS-Netz und einem HöS-Netz, untersucht. Daran wird auch der Einfluss der Netzbetriebsmittel und deren frequenzabhängige Modellierung auf die harmonische Stabilität analysiert.

The increasing number of power electronic equipment for the generation and transmission of electrical energy leads to a structural change within the energy utility grids. As a result of this change, alterations in the characteristics and emergence of new effects in the operation of the electrical power systems can be observed. This includes the effect of harmonic stability, where non-fundamental frequency oscillations in currents and voltages of the grid-side converters lead to a disturbed grid operation. The handling of harmonic stability in electrical power systems is the main topic of this dissertation. The definition of harmonic stability and its classification into stability categories is the basis for further handling of the effect. For this purpose, its physical process is described and analysed in a simple system. From the point of view of system theory, the unstable case is a periodic energy oscillation between a converter and further grid components. Based on these findings, the classification of the categories of power system stability is extended. Three different methods are used to determine and analyse harmonic stability: time-domain simulation, eigenvalue analysis and impedance-based criterion. Their theories, applications and purposes for the calculation of harmonic stability are compared and discussed. Furthermore, the improvement of harmonic stability is also examined. For this purpose, stabilising measures from the literature are first described, applied and evaluated. In addition, the possibility of preventive measures for harmonic instability in electrical power systems is discussed. The formulated statements and obtained results are examined on two benchmark grids, a MV and a EHV grid. The influence of the network components and their frequency-dependent modelling on the harmonic stability is also analysed.