Vorlage WMAN 2002 - user.tu

INFORMATIK 2011 - Informatik schafft Communities
41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik , 4.-7.10.2011, Berlin
www.informatik2011.de
Modellbasierte Regelungsalgorithmen für das Energienetz
der Zukunft
Matthias Kahl, Thomas Leibfried
Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik
Karlsruhe Institut für Technologie
Engesserstr. 11
76131 Karlsruhe
[email protected]
[email protected]
Abstract: Im vorliegenden Paper wird ein Verfahren für modellbasierte
Regelalgorithmen vorgestellt. Mittels eines Modells der Generatoren und dem
Energienetz ist es möglich Regelalgorithmen zu entwerfen, die das bestehende
System auch im Störfall stabilisieren können. Simulativ wird der Regler in einem
Inselnetz erprobt.
1 Einleitung
Das bestehende Energienetz in Europa und den USA hat eine Vielzahl von Monitoring
Einrichtungen in der Übertragungsnetzebene (380kV bis 110kV), jedoch werden für die
Regeleinrichtungen nur lokale Messwerte verwendet. Die Regelalgorithmen für die
Kraftwerksregelung basieren folglich nicht auf der Kenntnis des Netzzustands, sondern
lediglich auf Spannungs- und Frequenzmessungen am Kraftwerk.
Das bestehende System ist darauf ausgelegt, dass eine geringe Anzahl von Kraftwerken
die benötigte Energie produziert, dadurch findet im Regelfall der Energiefluss von der
Hochspannungsebene zur Mittel- und Niederspannungsebene statt. Das System bleibt
genügend einfach und eine gute Planbarkeit wird erreicht. Mit regenerativen
Energieerzeugern werden Kraftwerke in das System integriert, die in allen Netzebenen
verteilt sind und dessen Menge an produzierter Energie in Abhängigkeit von äußeren
Gegebenheiten steht. Daraus folgt, dass mit der steigenden Anzahl von regenerativen
Anlagen auch ein systemischer Wechsel, was Planung und Regelung betrifft,
einhergehen muss.
Mit dem Ausbau fluktuierender Energieerzeuger steigt auch der Bedarf an
Energietransport, um regenerativ erzeugte Energie zu den Lastzentren zu bringen.
Folglich steigt das Transportvolumen von Offshore-Anlagen zum Landesinneren, wie
auch der Transport über die Landesgrenzen hinweg.
erschienen im Tagungsband der INFORMATIK 2011
Lecture Notes in Informatics, Band P192
ISBN 978-3-88579-286-4
weitere Artikel online:
http://informatik2011.de/519.html
INFORMATIK 2011 - Informatik schafft Communities
41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik , 4.-7.10.2011, Berlin
www.informatik2011.de
Das Ergebnis von dezentralen Anlagen und größeren Netzen sind immer komplexer
werdende Systeme, die im besonderen Maße im Störfall nicht mehr mit konventionellen
Mitteln handhabbar sind. Es müssen aktiv Mess- und Kommunikationseinrichtungen zur
Sicherstellung des Energienetzes benutzt werden.
Die Erweiterung des UCTE-Netzes hat gezeigt, dass die Eigendämpfung des so
entstehenden Verbundnetzes immer kleiner wird und damit die Neigung zu einem
aufschwingenden Verhaltenen größer, was einen Ausfall von großen Netzabschnitten zur
Folge hat.
Um die aufgezeigten Probleme zu umgehen, wird ein modellbasiertes Regelungskonzept
vorgestellt, das sich der Systemtheorie bedient, wodurch sich der Problematik über ein
analytisches Vorgehen genähert wird.
Es wird ein Differenzialgleichungssystem aufgestellt, dass die Dynamik und die
Verkopplung des Gesamtsystems widerspiegelt. Durch den verstärkten Einsatz von
Mess- und Kommunikationstechnik ist es möglich immer den genauen Zustand des
Netzes zu kennen und darüber hinaus auch im Störfall das System wieder in einen
sicheren Zustand überführen zu können. Unter Verwendung eines Modells wird ein
Regelungsalgorithmus entworfen, der das Systemverhalten gezielt über die Stellgrößen
beeinflusst. Die Kraftwerke werden als Stellgrößen aufgefasst, wodurch das
Betriebsverhalten kontrolliert wird, als Messgrößen dienen Spannungswerte des Netzes.
Der Beitrag gliedert sich bei der Synthese von Power System Stabilizer [1] an. Hier wird
versucht über zusätzliche Regeleinheiten Pendelschwingungen von Generatoren, zu
vermeiden. Neu ist jedoch die ganzheitliche Regelung mit Berücksichtigung der
Netzdynamiken.
Im Folgenden soll zunächst in Kapitel 2 die Aufstellung des Gesamtmodells, dass
strukturell aus den Einzelkomponenten Erzeugereinheit und Energienetz besteht,
skizziert werden. Das in Kapitel 3 vorgestellte Regelungsverfahren verwendet das
Modell explizit, um die gewünschten Sollwerte einzustellen und im Störfall das System
zu stabilisieren. In Kapitel 4 wird die Modellprädiktive Regelung mit einem
konventionell geregelten Generator simulativ verglichen.
2 Modellierung
2.1 Modellierung eines Synchrongenerators
Das verwendete Generatormodell basiert auf dem in [2] entwickelten nichtlinearen
Modell 5-ter Ordnung. Das dynamische Modell hat UT als Eingang, was die
Klemmspannung bezeichnet, die den Anschlusspunkt zum Netz bildet. Als weiteren
Eingang ist die Erregerspannung ufd der Maschine vorhanden, die als Regelgröße dient.
Der Ausgang IT sind die Klemmströme, die in Abhängigkeit der Eingänge und der
Anfangswerte berechnet werden.
erschienen im Tagungsband der INFORMATIK 2011
Lecture Notes in Informatics, Band P192
ISBN 978-3-88579-286-4
weitere Artikel online:
http://informatik2011.de/519.html
INFORMATIK 2011 - Informatik schafft Communities
41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik , 4.-7.10.2011, Berlin
www.informatik2011.de
Das nichtlineare Zustandsraum Modell hat die Zustände
und gibt die Flüsse der Maschine an.
Wird es um w linearisiert, erhält man folgendes lineares Zustandsraummodell, das mit
dem Netzmodell verknüpft werden kann.
2.2 Modellierung eines Energieübertragungsnetzes
Das lineare Netzmodell wird über eine in den Bildbereich transformierte
Admittanzmatrix gebildet. In der herkömmlichen Form ist die Admittanzmatrix nur bei
Netzfrequenz gültig. Das bedeutet, dass die Frequenz abhängigen Elemente wL, wC, nur
bei w = 2π 50 berechnet werden. Um jedoch auch die Netzdynamiken zu
berücksichtigen, werden die Elemente inklusive Laplacevariable (s = jw) gebildet [3].
So entsteht die von s abhängige Admittanzmatrix,
welche über eine Invertierung den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung
widerspiegelt und die Impedanzmatrix darstellt. UN bezeichnet die Netzknoten, an denen
keine Erzeugereinheiten angeschlossen sind. Die Impedanzmatrix lässt sich in die
Zustandsraumform bringen, die im Folgenden verwendet wird.
erschienen im Tagungsband der INFORMATIK 2011
Lecture Notes in Informatics, Band P192
ISBN 978-3-88579-286-4
weitere Artikel online:
http://informatik2011.de/519.html
INFORMATIK 2011 - Informatik schafft Communities
41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik , 4.-7.10.2011, Berlin
www.informatik2011.de
2.3 Aufstellung des Gesamtmodells
Zur Erstellung des Gesamtmodells wird die Ausgangsgleichung des Generators in die
Zustands- wie auch Ausgangsgleichung des Netzes eingesetzt. Nach einigen
Umformungen erhält man das lineare Zustandsraummodell des Gesamtsystems.
Mit dem vorgestellten Modell ist es möglich, Mehrgrößenregler zu entwerfen, die die
Verkopplung zwischen den Generatoren über das Netz explizit berücksichtigen. Das
Modell wurde anhand von kommerzieller Netzberechnungssoftware validiert.
3 Regelung
Das nichtlineare Modell zweier Synchrongeneratoren verknüpft über ein
Mittelspannungsnetz wird im Folgenden über eine Modellprädiktive Regelung
kontrolliert. Als Messwerte dienen alle Knotenspannungen des Netzes, welche als
Eingangswerte für den Beobachter zur Ermittlung der Zustandsgrößen dienen. Mit den
geschätzten Zustandsgrößen ist der MPC-Regler in der Lage das nichtlineare System so
zu beeinflussen, dass die vorgegebenen Sollgrößen Uref eingestellt werden.
U1
Generator 1
I1
Netz
I2
Generator 2
U
U2
Ufd
MPC-Regler
xest
Beobachter
(Kalman-Filter)
Uref
erschienen im Tagungsband der INFORMATIK 2011
Lecture Notes in Informatics, Band P192
ISBN 978-3-88579-286-4
weitere Artikel online:
http://informatik2011.de/519.html
INFORMATIK 2011 - Informatik schafft Communities
41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik , 4.-7.10.2011, Berlin
www.informatik2011.de
3.1 Modellprädiktive Reglung
Die Modellprädiktive Reglung (MPC) [4] berechnet in jedem Zeitschritt die optimalen
Steuergrößen über das quadratische Gütemaß
Über den Prädiktionshorizont Hp wird mittels des vorgestellten Modells berechnet,
welchen Wert die Ausgangsgrößen ohne Stelleingriff annehmen. Parallel dazu wird auch
berechnet, wie sich Stellgrößeneingriffe in dem System auswirken. Dies wird über den
Zeitraum Hu getan, welche aus Gründen der Rechenzeit kleiner gewählt wird als H p.
In dem Gütemaß sind z(k) die mit dem Modell vorhergesagten Ausgangsgrößen und r(k)
der Verlauf der Sollgrößen. Ferner ist u(k) die in der Berechnung verwendete
Stellgrößenstrategie. Über beide Terme wird eine quadratische Kostenfunktion definiert,
welche der zu berechnende Regler minimiert.
4 Simulationsergebnisse
Zur Validierung des entwickelten Regelalgorithmus wurde ein Inselnetz mit zwei
Generatoren und fünf Leitungen aufgebaut. Um die dynamische Performance zu
überprüfen, ist es notwendig, dem System eine große Zustandsänderung zu unterziehen.
Infolgedessen wurden die beiden in der Praxis relevantesten Szenarien ein 3-phasiger
Kurzschluss und eine große Laständerung simuliert. Bei der Simulation wurden die in
der Praxis auftretenden Stellgrößenbeschränkungen der Generatoren berücksichtigt.
Als erstes Szenario wurde eine schlagartige Laständerung von 2 MW / 1 MVar auf 8
MW / 4 MVar erprobt [5].
Abbildung 1: Konventionelles Regelsystem
erschienen im Tagungsband der INFORMATIK 2011
Lecture Notes in Informatics, Band P192
ISBN 978-3-88579-286-4
Modellprädiktiver Regler
weitere Artikel online:
http://informatik2011.de/519.html
INFORMATIK 2011 - Informatik schafft Communities
41. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik , 4.-7.10.2011, Berlin
www.informatik2011.de
Vergleicht man in Abbildung 1 die Spannungen des konventionell geregelten Systems
mit dem MPC geregelten wird ersichtlich, dass der Spannungsverlauf des konventionell
geregelten Systems um einiges länger oszilliert als das MPC geregelte System.
Als zweites Szenario wird in Abbildung 2 nach 5s ein Kurzschluss von 200 ms simuliert.
Da die konventionelle Regelung keine Kenntnis über das Gesamtsystem hat, sondern nur
die lokale Klemmspannung regelt, kommt es zu einem gegenseitigen Aufschaukeln der
Generatoren. Das MPC geregelte System kann mit dem Modell und den Messwerten
aller Klemmspannungen den Kurzschluss beherrschen. Das Modell berücksichtigt die
Verkopplung der Generatoren über das Netz und ist damit in der Lage, sich einstellende
Resonanzeffekte vorherzusagen und zu vermeiden.
Abbildung 2: Konventionelles Regelsystem
Modellprädiktiver Regler
Literaturverzeichnis
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Ramos, R.A.; Alberto, L.F.C.; Bretas, N.G.: A New Methodology for the Coordinated
Design of Robust Decentralized Power System Damping Controllers. IEEE Transactions
on Power Systems, Vol 19, pp. 444 – 454, Feb. 2004
Krause, Paul C.: Analysis of electric machinery and drive systems. IEEE Press,
Piscataway, NJ, 2002.
Hirsch, Guido: Semianalytische Simulation von systemimmanenten elektromechanischen Pendelschwingungen in Verbundnetzen, Dissertation, Universität der
Bundeswehr Hamburg, 2003
Maciejowski, Jan M.: Predictive control: with constraints. Prentice Hall, Harlow, 1. Publ.
Merkert, Lennart: Modellprädiktive Reglung eines Energieübertragungsnetzes.
Diplomarbeit, Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik, KIT
erschienen im Tagungsband der INFORMATIK 2011
Lecture Notes in Informatics, Band P192
ISBN 978-3-88579-286-4
weitere Artikel online:
http://informatik2011.de/519.html