SI/502415

Schlussbericht

Aufgrund der zunehmenden Integration leistungselektronikbasierter erneuerbarer Energiequellen wird die aktive Quantifizierung und Überwachung der verfügbaren Trägheit in modernen Stromnetzen immer wichtiger. Da neue Betriebsszenarien durch höhere Oberwellenverzerrungen und schnellere Dynamik gekennzeichnet sind, stellt die präzise Erfassung der Grundfrequenz und des ROCOF eine erhebliche Herausforderung dar. Daher müssen neue Messmethoden und -instrumente entwickelt und validiert werden, um Netzbetreibern zuverlässigere Messwerte zu liefern. Das Projekt QUINPORTION konzentrierte sich auf die Entwicklung und umfassende Charakterisierung eines neuartigen PMU-Prototyps, der nicht nur die Standardanforderungen erfüllt, sondern auch auf die Herausforderungen von Netzen mit geringer Trägheit zugeschnitten ist. Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts lag auf der Entwicklung, Implementierung und Evaluierung geeigneter Algorithmen zur dynamischen Quantifizierung der physikalischen und virtuellen Trägheit in Stromnetzen. Demnach wurde ein verbessertes PMU unter Verwendung des Industriecontrollers NI cRIO-9054 und des Taylor-Fourier-Mehrfrequenzmodells zur Schätzung von Phasor, Frequenz und ROCOF entwickelt. Die Genauigkeit der PMU-Messungen wurde in Hardware-in-the-Loop-Testumgebungen evaluiert. Hierbei wurde das Gerät mit einem Schutz-, Automatisierungs- und Steuerungssystem SEL-421 von Schweitzer Engineering Laboratories verglichen, das über eine integrierte PMU-Funktionalität gemäss IEEE C37.118 verfügt. Anhand verschiedener Validierungsmetriken wurde bestätigt, dass die gesamte Messkette (von den physikalischen Signalen bis zu den verarbeiteten Metriken) mit ausreichender Genauigkeit und geringer Latenz arbeitet, um für die Echtzeit-Stabilitätsüberwachung effektiv zu sein. Darüber hinaus wurde durch die Anwendung realistischer Netzdynamiken in einer kontrollierten Umgebung verifiziert, dass die Hardware Daten von ausreichender Qualität und Aktualität liefert. Die erzielten Ergebnisse stellen in diesem Sinne einen entscheidenden Schritt im Hinblick auf den technologischen Reifegrad dar, indem sie das Risiko der vorgeschlagenen Lösung effektiv minimieren und den Weg für Pilotimplementierungen mit TSO-Partnern ebnen. Die Ergebnisse der Trägheitsschätzung, die in Offline- und Echtzeitsimulationen erzielt wurden, demonstrierten die Effektivität und Genauigkeit ausgewählter, rekursiver Systemidentifikationsverfahren zur Trägheitsapproximation in Stromnetzen. Mithilfe von Umgebungsfrequenz- und Wirkleistungsmessungen sowie parametrischen Modellstrukturen wie ARMAX, ARX und OE wurde die Fähigkeit dieser Verfahren zur kontinuierlichen und dynamischen Trägheitsbestimmung in einer Echtzeitsimulationsplattform verifiziert. Die numerische Genauigkeit, Recheneffizienz und Robustheit dieser Alternativen wurden durch die Schätzung der Trägheitskonstante von Synchrongeneratoren sowie der virtuellen Beiträge einer wechselrichterbasierten Ressource mit Virtual Synchronous Machine-Regelung demonstriert. Dadurch wurden wertvolle Erkenntnisse über die praktischen Aspekte und das Potenzial der gewählten Methoden für reale Anwendungen in Stromnetzen gewonnen.