OffWiPP Offshore Windparks als Kraftwerke; Teilvorhabenbeschreibung Siemens Energy: Netzbildende MMC-Regelung und Erhöhung der Verfügbarkeit von Offshore Windparks

Abstract

Im Verbundvorhaben OffWiPP („Offshore-Windparks als Kraftwerke“) wurden Betriebsführungs- und Regelungskonzepte untersucht, mit denen über HGÜ (HVDC) angebundene Offshore-Windparks zukünftig netzbildende und netzstützende Systemdienstleistungen bereitstellen können. Im Fokus standen Anforderungen aus relevanten Grid Codes und Leitlinien (u. a. VDE/FNN, EU HVDC Network Code, GC0137) für das Kurzzeitverhalten, insbesondere die inhärente Reaktion auf Phasensprünge und Spannungsamplitudensprünge, die Bereitstellung von Momentanreserve bei Frequenzgradienten sowie Robustheit in schwachen Netzen.

Auf Basis industrieller Regelungsstrukturen modularer Multilevel-Umrichter (MMC) wurden zwei stufenweise weiterentwickelte Konzepte erarbeitet und in transienten Simulationsmodellen (PSCAD sowie Matlab/Simulink) untersucht: (1) „Limited Grid Forming“, bei dem die onshoreseitige HGÜ-Station netzbildend arbeitet, während die Offshore-Station im U/f-Modus verbleibt und der Windpark grid-following betrieben wird; und (2) „Full Grid Forming“, bei dem zusätzlich die offshoreseitige HGÜ-Station und die Windenergieanlagen netzbildend betrieben werden. Die Ergebnisse zeigen, dass durch geeignete netzbildende Regelungsstrukturen eine unmittelbare Wirkleistungs- bzw. Blindleistungsreaktion auf Spannungswinkel- und Spannungsamplitudensprünge erreicht werden kann und dass Momentanreserve über die in Konverterkomponenten gespeicherte Energie bereitgestellt werden kann. Zudem wurde die Stabilität bei sprunghaften Änderungen der Netzimpedanz bis hin zu sehr schwachen Netzbedingungen demonstriert. Die Rolle des DC-Choppers wurde neben Fault-Ride-Through auch im Kontext schneller Leistungsanpassungen (z. B. bei Überfrequenzereignissen) bewertet. Die im Projekt entwickelten Ansätze bilden eine Grundlage für die schrittweise Einführung netzbildender Funktionalitäten in zukünftigen Offshore-HGÜ-Anbindungen und unterstützen die Übertragungsnetzbetreiber bei der Definition und Validierung entsprechender Anforderungen.

In the joint research project OffWiPP, operational management and control concepts were investigated that will enable offshore wind farms connected via HVDC to provide grid-forming and grid-supporting ancillary services in the future. The focus was on requirements from relevant grid codes and guidelines (including VDE/FNN, EU HVDC Network Code, GC0137) for short-term behavior—particularly the inherent response to phase jumps and voltage amplitude steps, the provision of inertia-like response during frequency gradients, and robustness in weak grids.

Based on industrial control structures of modular multilevel converters (MMC), two progressively developed concepts were designed and studied in transient simulation models (PSCAD and Matlab/Simulink):

“Limited Grid Forming”, in which the onshore HVDC station operates in grid-forming mode while the offshore station remains in U/f mode and the wind farm is operated in grid-following mode; and “Full Grid Forming”, in which the offshore HVDC station and the wind turbines also operate in grid-forming mode.

The results show that suitable grid-forming control structures enable an immediate active and reactive power response to voltage angle and amplitude steps, and that inertia-like response can be provided using the energy stored in converter components. In addition, stability was demonstrated even under abrupt changes in grid impedance, including very weak grid conditions. The role of the DC chopper was assessed not only for fault-ride-through but also in the context of fast power adjustments (e.g., during over-frequency events).

The approaches developed in the project form a foundation for the gradual introduction of grid-forming functionalities in future offshore HVDC connections and support transmission system operators in defining and validating corresponding requirements.