Schwarzstart-Konzept

1 Hintergrund

• Mit der Vertiefung von Forschung und Praxis auf dem Strommarkt erregt die Bedeutung der Systemhilfsdienste für die Systemsicherheit im Stromsystem zunehmend Aufmerksamkeit. Der schwerwiegendste Fehler, der beim Betrieb des Stromsystems auftreten kann, ist ein vollständiger Systemausfall. Sobald es zu einem totalen Stromausfall kommt, besteht die letzte Maßnahme zur Sicherheit des Stromsystems darin, das System schnellstmöglich wiederherzustellen, um die Verbraucher wieder mit Strom zu versorgen. Mehrere in den letzten Jahren weltweit aufgetretene Großstörungen erinnern uns daran, dass die Untersuchung der Frage der Wiederherstellung des Stromsystems nach Störungen, also des sogenannten Schwarzstart-Dienstes, eine wichtige theoretische und praktische Bedeutung besitzt.

• Unter Schwarzstart versteht man Folgendes: Nachdem das gesamte System aufgrund einer Störung ausgefallen ist und sich das System in einem vollständigen "Schwarzzustand" befindet (wobei der Weiterbetrieb eines isolierten Kleinstromnetzes nicht ausgeschlossen ist), wird ohne Zuhilfenahme anderer Netze ein Kraftwerksblock mit Schwarzstartfähigkeit in Betrieb genommen. Dieser startet anschließend Kraftwerksblöcke ohne Schwarzstartfähigkeit, wodurch der Umfang der Systemwiederherstellung schrittweise erweitert wird, bis letztendlich die Wiederherstellung des gesamten Systems erreicht ist.

2 Schwarzstartkonzept der gesamten Anlage

2.1 Ferngesteuertes Schwarzstart-Konzept

Bei einem Netzausfall der Anlage müssen die Batterien und die PCS den Betrieb der Anlagenlast übernehmen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Vor dem Schwarzstart werden die Schalter der einzelnen Trafostationen und des Haupttrafos geschlossen; die PCS führt einen Nullstart-Spannungsaufbau durch, um den Anlagentransformator und die weiteren Lasten hochzufahren. Da der Haupttrafo der Anlage und die weiteren Lasten eine relativ große Kapazität aufweisen und somit auch der Erregerstrom entsprechend groß ist, müssen die PCS einer oder mehrerer Sammelschienen der Anlage gleichzeitig den Nullstart-Spannungsaufbau durchführen. Der Ablauf ist in Abbildung 2 dargestellt.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, können nach Abschluss des Spannungsaufbaus durch die PCS die übrigen Lasten der Anlage entsprechend ihrer Wichtigkeit nacheinander zugeschaltet werden, bis der Schwarzstart der gesamten Anlage abgeschlossen ist.

Der Vorteil dieses Nullstart-Spannungsaufbaukonzepts liegt darin, dass der Erregerstrom des Transformators langsam ansteigt und somit die Belastung für Transformator und PCS geringer ausfällt; das Nullstart-Spannungsaufbaukonzept stellt jedoch hohe Anforderungen an das Kommunikationsnetzwerk der PCS. Die Synchronisationsabweichung der von den einzelnen PCS empfangenen Startbefehle sollte weniger als 3 ms betragen, um zu verhindern, dass eine zu große Phasenwinkeldifferenz während des Inselnetz-Spannungsaufbaus der einzelnen PCS zu einer Systeminstabilität führt.

2.2 Lokales Schwarzstart-Szenario

Unter Berücksichtigung der härtesten Betriebsbedingungen der Anlage, bei der die gesamte Anlage stromlos ist (USV ohne Strom, kein Dieselgenerator), ist das Kommunikationssystem ausgefallen und ein Fern-Schwarzstart ist nicht möglich. In diesem Fall muss der PCS nach dem Einschalten der Batterie lokal gestartet werden, und die übrigen PCS sowie die Lasten werden anschließend nacheinander zugeschaltet. Das Ablaufdiagramm für den lokalen Schwarzstart ist in Abbildung 3 dargestellt.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist aufgrund der fehlenden Kommunikation in der Anlage lediglich der lokale Start eines einzelnen PCS möglich; da die Lastaufnahmefähigkeit eines einzelnen PCS begrenzt ist, müssen vor dem Start der Hauptransformatorschalter sowie die Hochspannungsseite-Schalter der anderen Trafostationen geöffnet werden. Nachdem ein einzelner PCS die Spannung aufgebaut hat, können weitere PCS unter derselben Trafostation ein Netz bilden und parallel zugeschaltet werden, um die Lastaufnahmefähigkeit zu erhöhen. Sobald alle PCS an einer Sammelschiene erfolgreich ein Netz gebildet und gestartet haben, kann der Sammelschienenverbindungsschalter geschlossen und die PCS der anderen Hochspannungs-Sammelschienen gestartet werden. Nachdem die PCS der anderen Sammelschienen gestartet wurden, können der Hauptransformatorschalter geschlossen sowie die weiteren Lasten der Anlage zugeschaltet werden.

Die Vorteile der lokalen Schwarzstartmethode der gesamten Anlage bestehen darin, dass die Anforderungen an die Kommunikation gering sind und der Start sogar unter Bedingungen ohne Kommunikation möglich ist; der Nachteil besteht darin, dass der Transformator sowie die weiteren Lasten der Anlage leer zugeschaltet werden müssen, wodurch der Einschaltstromstoß relativ groß ist und eine erhebliche Belastung für den PCS und den Transformator darstellt. Dies kann durch den netzbildenden Wechselrichter unseres Unternehmens verbessert werden, um die Stoßfestigkeit des PCS zu erhöhen. Gleichzeitig ist im Vergleich zum Fern-Schwarzstart die Startgeschwindigkeit beim lokalen Schwarzstart relativ langsamer.

3 Zusammenfassung

Für das Black-Start-Problem der gesamten Anlage hat unser Unternehmen zwei Lösungsansätze vorgeschlagen: den ferngesteuerten Black-Start und den lokalen Black-Start. Der ferngesteuerte Black-Start eignet sich für Betriebszustände, in denen die USV sowie das Kommunikationssystem der Anlage noch mit Strom versorgt sind, und stellt hohe Anforderungen an die Konsistenz der Anlagenkommunikation. Die Startgeschwindigkeit beim ferngesteuerten Black-Start ist relativ hoch, und die Belastung für den Transformator und den PCS ist gering. Der lokale Black-Start ist für Anwendungsszenarien geeignet, in denen die gesamte Anlage vollständig „schwarz" (spannungslos) ist; die Startgeschwindigkeit ist langsamer und die Belastung für den Transformator und den PCS ist höher.