Entwurf eines Schemas zur Optimierung der Stromqualität für Windparks

Entwurf eines Schemas zur Optimierung der Stromqualität für Windparks

I. Typische Stromqualitätsprobleme in Windparks

1. Spannungsschwankungen und Flicker

   • Plötzliche Änderungen der Windgeschwindigkeit → Leistungsschwankungen → Schwankungen der Busspannung (insbesondere in schwachen Netzen)

2. Harmonische und Zwischenharmonische

   • Die Schaltfrequenzen des Konverters (2-6 kHz) erzeugen charakteristische Harmonische (z. B. 5., 7., 11., 13.)

   • Turmschatteneffekt verursacht niederfrequente Zwischenharmonische (<100 Hz)

3. Spannungseinbruch/Spannungsanstieg

   • Netzfehler oder Start-/Stopp-Ereignisse großer Turbinen

4. Blindleistungsschwankungen

   • Schwankungen der aufgenommenen/abgegebenen Blindleistung aufgrund von Regelstrategien

II. Kernlösungsdesign

Lösung 1: Optimierung auf Turbinenebene

• Technische Maßnahmen

  • Vollumrichter (Permanentmagnet-Direktantrieb)

    • Prinzip : Entkoppelt Turbine und Netz über Back-to-Back-Umrichter und unterdrückt so durch Drehmomentwelligkeit verursachte Leistungsschwankungen

    • Oberschwingungsregelung : LCL-Filter + PWM-Optimierung (zB SVPWM)

  • Dynamische Blindleistungsunterstützung

    • Prinzip : Reserve von 10–15 % reaktiver Kapazität; Reaktionszeit <20 ms (besser als herkömmliches SVG)

Lösung 2: Minderung auf Kollektorleitungsebene

• Technische Maßnahmen

  • SVG (Statischer Var-Generator) bei Bus

    • Prinzip : Echtzeiterkennung von ΔQ am PCC, Einspeisung von Gegenblindleistung über IGBT-Wechselrichter (Reaktionszeit ≤ 5 ms)

    • Kapazitätsdesign : 20–30 % der gesamten Windkapazität (z. B. 20 Mvar SVG für einen 100-MW-Windpark)

  • APF (Aktiver Leistungsfilter)

    • Prinzip : Harmonische abtasten → Kompensationsströme erzeugen → Harmonische auslöschen (THD von 8% auf <3%) reduziert

    • Hauptziele : Charakteristische Harmonische (z. B. 6k±1 Ordnungen) und Zwischenharmonische

Lösung 3: Stationsebene-System

• Technische Maßnahmen

  • Hybrid-STATCOM + Energiespeicher

    • Prinzip :

      • STATCOM bietet schnelle reaktive Unterstützung (±1,5pu-Kapazität)

      • Li-Ionen-Speicher gleicht Leistungsschwankungen aus (Zeitkonstante: Sekunden-Minuten)

    • Fallstudie : 5 % Windkapazitätsspeicherung (z. B. 50 MW/25 MWh) reduziert Spannungsschwankungen um 40 %

  • Unterdrückung harmonischer Resonanzen

    • Prinzip : Automatisch abgestimmte C-Typ-Filterbänke vermeiden Resonanzpunkte (z. B. 11./13.)

    • Designkriterien :
      $Q=\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{R}\genfrac{}{}{0ex}{}{L}{C}$ (Q=30-50, um eine Überschärfe zu vermeiden)
      $F^{Res}=\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{2\pi \sqrt{LC}}$ (vermeiden Sie den Bereich 2,5–3,5 kHz)

Lösung 4: Netzanschlussschutz

• Technische Maßnahmen

  • DVR (Dynamischer Spannungswiederhersteller)

    • Prinzip : Serienmäßig eingespeiste Kompensationsspannung stabilisiert empfindliche Geräte (bewältigt Spannungseinbrüche ≤0,5 s)

    • Schlüsselparameter : 60 % Kompensationstiefe; Superkondensator-Energiequelle

  • Nullsystem-Oberwellen-Sperrtransformator

    • Prinzip : Zickzack-Wicklung bietet hohe Impedanz für die 3. Harmonische (unterdrückt Nullkomponenten)

III. Wichtige technische Grundsätze

1. Unterdrückung von Spannungsschwankungen
   $\Delta V\%\approx \genfrac{}{}{0ex}{}{\Delta Q\cdot X^{GRichD}}{V^{NOM}}\times 100\; \%$

   • SVG kompensiert ΔQ in Echtzeit, um die Auswirkungen der Netzreaktanz (X_grid) zu minimieren

2. Modell zur Harmonischenkompensation
   APF-Kompensationsstromerzeugung:
   ${ich}^C(T)=-{\sum }^{H=2}{ICH}^H\mathrm{Sünde}(2\pi hFT+{\varphi }^H)$

   • FFT zerlegt Oberwellen; IGBT gibt präzise phaseninvertierte Ströme aus

3. Interharmonische Minderung

   • Verbesserte PLL (DDSRF-PLL) für genaues Tracking der Grundfrequenz

   • Mittenfrequenz des Bandsperrfilters:
     $F^{ceNTer}=F^{BlADe}\times N^{BlADes}$ (Blattdurchgangsfrequenz)

IV. Umsetzungsfahrplan Spannungsschwankungen

V. Erwartete Leistung

VI. Innovative Technologien

1. Geräte mit großer Bandlücke : SiC-Wandler (Schaltfrequenz > 10 kHz) reduzieren die Filtergröße um 40 %

2. Digitales Zwillingssystem : SCADA-basiertes Vorhersagemodell passt die Entschädigung 15 Sekunden im Voraus an

3. Netzbildende Konverter : Simulation der Trägheit von Synchronmaschinen zur Gewährleistung der Stabilität schwacher Netze