Fault Ride Through of wind turbines with FACTS

Mit zunehmender Integration dezentraler Windenergieanlagen (WEA) in das Energieversorgungsnetz sollen diese netzstabilisierende Funktionen übernehmen. Dazu gehört unter anderem das unterbrechungsfreie Durchfahren von Netzfehlern, besser bekannt unter dem englischen Begriff Fault Ride Through (FRT). In dieser Arbeit wird die FRT Fähigkeit moderner, stromrichtergespeister WEA als Einzelsystem, sowie in Kombination mit Flexible AC Transmission Systems (FACTS) untersucht. Nach einer Einleitung in Kapitel 1 werden in Kapitel 2 die technischen Anforderungen aus relevanten, deutschen Richtlinien zur Netzintegration von WEA aufgeführt. In Kapitel 3 werden die Grundlagen zu leistungselektronischen Systemen für WEA gelegt. Dabei werden die Topologie und die Funktion der beiden meistverwendeten Generatorsysteme in WEA, das mit doppeltgespeister Asynchronmaschine und das mit permanenterregter Synchronmaschine, sowie von Spannungseinbruchgeneratoren und FACTS gegeben. In Kapitel 4 wird der FRT von WEA mit doppeltgespeistem Asynchrongenerator behandelt. Die dynamische Modellierung der Rotorspannung zeigt, dass bei Netzfehlern verschiedene Spannungskomponenten im Rotor induziert werden. Für eine unterbrechungsfreie Rotorstromregelung muss die maximale Ausgangsspannung des rotorseitigen Umrichters an die erhöhte Rotorspannung angepasst sein. Die untersuchten Methoden zum FRT umfassen die Verwendung eines Rotorwiderstandes (Crowbar), sowie eine modifizierte Regelungsstruktur für symmetrische und unsymmetrische Netzspannungen. Die dabei eingesetzten resonanten Regler erweitern die FRT Fähigkeit des Systems. Die Regelung des Generators unter unsymmetrischer Netzspannung wird gesondert behandelt. Die konventionelle Regelung wird dabei durch resonante Regler und eine Leistungsberechnung unter Berücksichtigung der negativen Sequenz erweitert. Dies führt wahlweise zur Glättung des Drehmomentes oder der Statorleistung. In Kapitel 5 wird der FRT einer WEA mit Vollleistungsumrichter und permanenterregter Synchronmaschine untersucht. Zur Dissipation der überschüssigen Leistung im Zwischenkreis bei Netzfehler werden der Einsatz eines Brems-Choppers im Zwischenkreis und eine kinetische Energiespeicherung untersucht. Für das netzseitige Betriebsverhalten unter unsymmetrischen Netzspannungsbedingungen wird eine angepasste Regelungsstruktur des Netzpulsstromrichters aufgezeigt und verschiedene Regelziele zur Verringerung der Spannungsoberschwingungen im Zwischenkreis oder zur Leistungsglättung verglichen. In Kapitel 6 wird der Einsatz von FACTS-Umrichtern an WEA untersucht, um diesen einen unterbrechungsfreien Betrieb bei Fehlern der Netzspannung zu ermöglichen. Die umrichterbasierten FACTS-Varianten Dynamic Voltage Restorer und StatCom werden als geeignete Lösung zur Kompensation von Netzfehlern ausgewählt. Die Untersuchungen zur Kompensation von Netzfehlern durch einen Dynamic Voltage Restorer oder einen Static Compensator an einer WEA mit doppeltgespeister Asynchronmaschine demonstrieren, dass die Überauslegung des rotorseitigen Umrichters der WEA dann nicht notwendig ist. Außerdem wird der Einsatz eines StatCom Umrichters an WEA mit Asynchrongeneratoren, die drehzahlfest ohne Umrichter am Netz betrieben werden, untersucht. Der StatCom wird so geregelt, dass die Spannungsstabilität erhöht und Drehmomentpulsationen verringert werden.The increasing, decentralized integration of wind turbines into the electrical grid demands for the provision of grid stabilizing functions by the wind turbines, in order to maintain a stable and reliable operation of the grid. The fault ride through (FRT) capability of wind turbines contributes to the voltage stability, because the voltage can be stabilised by feeding a reactive current during the grid fault and the loss of generating power after the grid fault is avoided. In this thesis the FRT capability of modern wind turbines as a single system and in combi- nation with Flexible AC Transmission Systems (FACTS) is investigated. After a short introduction in chapter 1, giving the motivation for this work, the technical requirements for wind turbines given in german grid codes and technical standards are sum- marized in chapter 2. In chapter 3 the basics of power electronic systems for wind turbines are presented. The to- pology and function of the variable speed wind turbines using either a doubly-fed induction generator or a permanent magnet synchronous generator are explained as well as basics con- cerning a voltage sag generator and Flexible AC Transmission Systems. Chapter 4 deals with the FRT capability of a doubly-fed induction generator based wind tur- bine. The dynamic modelling of the rotor voltage clarifies the amplitude and frequency of additionally induced rotor voltages during grid faults. The maximum output voltage of the rotor side converter must be adapted to these conditions to maintain the controllability of rotor currents. The investigated FRT methods for symmetrical and unsymmetrical grid faults cover the application of a rotor crowbar and a modified rotor current control structure to enhance the FRT capability. A special section focusses on the control during unsymmetrical grid voltage conditions. Using resonant controllers and a power calculation, considering the negative sequence voltage, torque or stator power oscillations can be compensated. In chapter 5 the FRT of a wind turbine based on a permanent magnet synchronous generator is investigated. To dissipate the excess energy in the DC link during grid voltage faults, a DC chopper and a kinetic energy storage method are proposed. A modified control structure of the grid side converter allows the compensation of DC voltage oscillations or power oscilla- tions during unbalanced grid voltage conditions. The application of Flexible AC Transmission Systems (FACTS) to compensate grid faults in combination with a wind farm is investigated in chapter 6. The converter based FACTS devices Dynamic Voltage Restorer and StatCom are chosen due to their dynamic capabili- ties. The investigations on a Dynamic Voltage Restorer and a StatCom at a wind farm using doubly-fed induction generators show that both FACTS devices are capable of grid fault compensation. In a third section of the chapter the combination of a StatCom with a fixed speed based wind farm using induction generators directly coupled to the grid is investigated with focus on unsymmetrical grid faults. The StatCom is controlled to improve the volta- ge stability, by compensating the positve sequence voltage, and to reduce generator torque oscillations, by compensating the negative sequence grid voltage