Die Kenngröße Kurzschlussleistung in hybriden AC/DC-Energieversorgungssystemen

Diese Arbeit liefert einen umfassenden Überblick über die Anwendungen der Kenngröße Kurzschlussleistung zur Nachbildung und Bewertung von elektrischen Energieversorgungssystemen und untersucht deren Anwendbarkeit für hybride AC/DC-Systeme. Dies kann von Verwendern der Kurzschlussleistung in Forschung und Entwicklung sowie bei der Weiterentwicklung von Netzanschlussbedingungen genutzt werden, um die Verwendung zu prüfen und ggf. zu anderen Untersuchungsmethoden überzugehen. Die wesentlichen identifizierten Anwendungsgebiete für Kurzschlussleistung sind die Nachbildung des Strom-Spannungs-Verhaltens von Energieversorgungssystemen für Netzstudien, die Bewertung von Spannungstrichtern bei Kurzschlüssen, der transienten Stabilität beim Anschluss von Synchronmaschinen an das Übertragungsnetz und des Kleinsignal-Spannungsverhaltens im Betriebspunkt. Die Eignung für diese Anwendungen in hybriden AC/DC-Energieversorgungsnetzen wird diskutiert und nachfolgend mit dynamischen Simulationen eines aggregierten Netzmodells überprüft. Das Netzmodell stellt den Anschluss eines konventionellen Kraftwerks an ein Energieversorgungssystem dar. Das System wird mit unterschiedlichen Anteilen konventioneller und umrichterbasierter Erzeugungsanlagen modelliert. Deren Bemessungsleistungen werden in einem breiten Bereich variiert, um niedrige, realistische und hohe Kurzschlussleistungen zu erzielen. Mit der dynamischen Simulation des Systems wird ermittelt, welche Aussagekraft die Kurzschlussleistung über das Systemverhalten bei Kurzschlüssen und Blindlastsprüngen aufweist. Kernergebnis der Arbeit ist ein Überblick über die Anwendungsgebiete, für welche die Kurzschlussleistung auch in hybriden AC/DC-Energieversorgungsnetzen Anwendung findet. Dies umfasst die Modellierung des Kurzschlussstroms sowie eine grobe Abschätzung der transienten Stabilität. Diese ist positiv mit der Kurzschlussleistung korreliert, ein direkter Rückschluss auf die Systemstabilität ist jedoch nicht möglich. Für die Modellierung des Trägheits- bzw. Winkelverhaltens hybrider AC/DC-Energie-versorgungssysteme, die Ausprägung von Spannungstrichtern sowie die Bewertung des Kleinsignal-Spannungsverhaltens ist die Kurzschlussleistung jedoch nicht geeignet. Die Problematik der Nachbildung der Trägheit von Umrichtern wird erläutert. Für die Nachbildung des Kleinsignal-Spannungsverhaltens sowie die Berechnung von Spannungstrichtern werden Berechnungsvorschriften entwickelt.

This thesis presents a comprehensive overview of the applications of short-circuit power for the substitution and assessment of electrical power systems and investigates the applicability to hybrid AC/DC systems. The results can be used to reflect the use of short-circuit power and possibly move on towards alternative modelling approaches in fields such as research and development as well as in the further development of grid connection codes as well as operation codes. The key areas in which short-circuit power is used are the replication of the current-voltage-behaviour of electrical power systems for grid studies and the assessment of voltage dip propagation during short-circuits, transient stability assessment as well as small-signal voltage deviations. The applicability to these issues in hybrid AC/DC power systems is discussed and afterwards checked using dynamic simulations of an aggregated grid model. The employed models represents the connection of a conventional power plant to a power system. The system is modelled with different configurations of conventional and converter-based generation plants. Their rated powers are varied in a wide range of values in order to represent systems with low, realistic as well as high short-circuit powers. Dynamic simulations of the system allow to evaluate how significantly short-circuit power determines the system's behaviour during and following short-circuits and reactive power steps. The thesis' key findings include the areas of application for which short-circuit power is applicable in hybrid AC/DC power systems. This includes the modelling of the dynamic short-circuit currents as well as a rough assessment of a system's transient stability. Short-circuit power is positively correlated with transient stability, but not sufficient to quantify it. However, short-circuit power is not suitable for modelling the inertia / angle behaviour of hybrid AC/DC power systems, the propagation of voltage dips or small-signal voltage disturbances. The thesis explains the challenge of modelling converter inertia and develops equations for the description of the small-signal behaviour as well as voltage dips.