Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystem (HVDC) mit Spannungsquellenumrichtern (VSCs) für effiziente Energieübertragung über große Entfernungen

Systemübersicht

Was ist ein VSC-HVDC-System?

Ein HVDC-System auf Basis eines Spannungsquellenumrichters (VSC) wandelt AC-Leistung in DC-Leistung und umgekehrt, wobei selbstgeführte leistungselektronische Schalter (IGBTs, SiC-MOSFETs) eingesetzt werden. Dies ermöglicht bidirektionalen Leistungsfluss, Spannungsregelung und erhöhte Stabilität in modernen Stromnetzen.

Zweck der Simulation

Die Simulation hat folgende Ziele:

• Bewertung der Effizienz der AC-DC-AC-Leistungswandlung.
• Validierung der Netzintegration und des dynamischen Verhaltens bei Störungen
• Optimierung von Regelstrategien für Spannungs- und Frequenzregelung.

Hauptmerkmale

Unabhängige Steuerung von Wirk- und Blindleistung

VSC-HVDC ermöglicht eine entkoppelte Regelung von Wirk- und Blindleistung und verbessert dadurch Spannungsregelung sowie Netzunterstützung. HIL/PHIL-Vorteil: Echtzeit-Tests von Regelalgorithmen unter verschiedenen Netzbedingungen erhöhen die Systemzuverlässigkeit.

Schwarzstartfähigkeit

Im Gegensatz zu konventionellen LCC-HVDC-Systemen können VSC-basierte Systeme ein Netz ohne externe Energiequelle wieder in Betrieb nehmen. HIL/PHIL-Vorteil: Tests gewährleisten korrekte Startsequenzen unter unterschiedlichen Blackout-Szenarien.

Grid-Forming- und Grid-Following-Betrieb

VSC-HVDC-Systeme können entweder einer bestehenden Netzspannung folgen oder eine stabile Netzreferenz für schwache Netze erzeugen. HIL/PHIL-Vorteil: Simulationen validieren den reibungslosen Betrieb in beiden Modi und erhöhen die Netzresilienz.

Anschluss an schwache Netze

VSC-HVDC kann schwache oder isolierte Netze ohne zusätzliche Infrastruktur anbinden.

Kompaktes und modulares Design

 VSC-HVDC-Stationen sind kompakter und modularer aufgebaut als LCC-HVDC-Stationen, wodurch Platzbedarf und Installationszeit reduziert werden.

Umweltvorteile

Der Bedarf an Freileitungen wird reduziert, wodurch visuelle und ökologische Auswirkungen minimiert werden.

Simulationsziele

Diese Simulation hilft bei der Bewertung von:

• Effizienz der Energieübertragung über große Entfernungen
• Reaktion auf Netzfehler wie Spannungseinbrüche und Frequenzabweichungen
• Leistung bei Integration erneuerbarer Energien. ➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Ermöglicht die Echtzeitvalidierung von Betriebsszenarien vor der physischen Implementierung.

Technische Beschreibung

Systemkonfiguration

• Eingang: AC-Netzversorgung (Wind-, Solar-, Wasserkraft- oder konventionelle Kraftwerke)
• Leistungswandlungsstufen: AC-DC-Wandlung am Einspeisepunkt, DC-Übertragung und DC-AC-Wandlung am Empfangspunkt
• Ausgang: Geregelte AC-Spannung für Netz- oder Industrielasten
• Steuerungssystem: Vektorregelung mit Phase-Locked Loops (PLLs) und prädiktiven Regelalgorithmen

Regelungsmethodik

• Direkte Drehmomentregelung (DTC) oder Vektorregelung (VC): Gewährleistet eine präzise Steuerung des Leistungsflusses
• DC-Spannungsregelung: Stabilisiert die DC-Zwischenkreisspannung bei Laständerungen
• Fault Ride-Through (FRT)-Fähigkeit: Erhöht die Robustheit bei Netzstörungen HIL/PHIL-Vorteil: Regelalgorithmen können in einer Echtzeit-Simulationsumgebung feinabgestimmt werden, um optimale Netzinteraktion sicherzustellen.

Advantages of VSC-HVDC Transmission

• Long-Distance Power Transfer: Enables efficient delivery of power with minimal losses.
• Asynchronous Grid Interconnection: Supports flexible grid interconnections without frequency synchronization issues.
• Lower Harmonic Distortion: Advanced switching techniques ensure high power quality. ➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Full validation of these advantages across the entire development cycle ensures high system performance.

Anwendungen

• Renewable Energy Integration

Offshore-Windparks: VSC-HVDC is widely used to transmit power from offshore wind farms to onshore grids. It provides efficient power transfer over long distances and helps stabilize the grid by providing reactive power support.

Solar Power Plants: Large-scale solar farms in remote locations use VSC-HVDC to transmit power to urban centers with minimal losses.

• Interconnecting Power Grids

Cross-Border Power Exchange: VSC-HVDC systems are used to interconnect power grids between countries or regions, enabling efficient power sharing and enhancing grid stability.

Asynchronous Grid Interconnection: VSC-HVDC can connect grids operating at different frequencies (e.g., 50 Hz and 60 Hz) or with different voltage levels, facilitating power exchange without synchronization issues.

•  Urban Power Supply

Megacity Power Injection: VSC-HVDC is used to supply power to densely populated urban areas where space for overhead transmission lines is limited. Underground or submarine HVDC cables can deliver power efficiently.

Grid Congestion Relief: VSC-HVDC helps alleviate congestion in overloaded AC transmission lines by providing an alternative power transfer path.

HIL/PHIL-Vorteil: Accelerates the development of tailored solutions for each application scenario.

• Island and Remote Area Electrification

Power Supply to Islands: VSC-HVDC systems are used to supply power to islands that are far from the mainland grid, ensuring reliable and efficient power transfer.

Remote Mining Operations: Mining sites in remote locations use VSC-HVDC to receive power from distant generation sources, reducing reliance on diesel generators.

• Grid Stability and Power Quality Improvement

Reactive Power Support: VSC-HVDC systems can provide dynamic reactive power support to stabilize the grid during voltage fluctuations or faults.

Black Start Capability: VSC-HVDC can help restart power systems after a blackout by supplying power to critical loads and generators.

• Submarine Power Transmission

Undersea Cable Networks: VSC-HVDC is ideal for long-distance submarine power transmission due to its ability to handle capacitive loads and provide stable power transfer.

Cross-Sea Interconnections: Examples include the NordLink project between Norway and Germany and the BritNed project between the UK and the Netherlands.

Vorteile der Simulation

Mit dieser Simulation können Anwender:

• Optimierung HVDC transmission system design.
• Test grid interaction strategies for stability enhancement.
• Bewertung converter losses and efficiency. ➡️ HIL/PHIL-Vorteil: Simulation insights are directly applicable to hardware prototyping and validation.