Headroom-basierte adaptive Droop-Regelung zur Regelung der DC-Spannung und der Wirkleistung in MTDC-Netzen mit integrierter erneuerbarer Energie

Die Lichter am Laufen halten in einer erneuerbaren Zukunft

Da immer mehr Strom aus weit entfernten Windparks und Solarflächen stammt, setzen Energieunternehmen zunehmend auf Hochspannungs-Gleichstrom(HVDC)-„Autobahnen“, um diese Energie effizient zu transportieren. Wenn jedoch Wolken über einem Solarpark ziehen oder ein Fehler eine Umrichterstation trifft, können plötzliche Leistungsumschwünge diese Gleichstromnetze destabilisieren und schlimmstenfalls Stromausfälle auslösen. Dieses Papier stellt eine intelligentere Methode vor, mit der HVDC-Umrichterstationen automatisch die Last teilen und Spannungen stabil halten können, selbst wenn das Netz durch größere Störungen getroffen wird.

Warum DC-Leitungen sorgfältige Steuerung brauchen

Die heutige Fernübertragung nutzt häufig HVDC-Verbindungen, die aus spannungsgeführten Umrichtern (VSCs) aufgebaut sind. Wenn mehrere solcher Verbindungen zusammengeführt werden, entsteht ein Multi-Terminal-DC-(MTDC-)Netz, das Strom von mehreren erneuerbaren Erzeugungsstandorten sammeln und mehrere AC-Netze gleichzeitig speisen kann. Dieses Konzept verspricht Flexibilität und Effizienz, bringt aber auch eine Regelungsherausforderung mit sich: Jeder Umrichter muss Moment für Moment entscheiden, wie viel Leistung er einspeisen oder aufnehmen soll, damit die gemeinsame DC-Spannung in sicheren Grenzen bleibt. Die traditionelle „Droop-Regelung“ lässt jede Station ihre Leistung anhand der gemessenen DC-Spannung anpassen, wodurch schnelle Kommunikation zwischen den Stationen überflüssig wird. Bei größeren Störungen – etwa einem plötzlichen Ausfall eines Windparks oder eines Umrichters – kann diese einfache Regel jedoch dazu führen, dass einige Umrichter über ihre Nennkapazität hinaus belastet werden und gefährliche DC-Spannungsschwankungen auftreten.

Beschränkungen bestehender intelligenter Regelungen

Forscher haben weiterentwickelte Regelstrategien vorgeschlagen, von hierarchischen Steuerungen über modellprädiktive Verfahren bis hin zur sogenannten variablen Droop-Regelung (VDC). Viele dieser Methoden gehen weiterhin von festen Nennkapazitäten der Umrichter aus: Sie legen im Voraus fest, wie viel jede Station zur Netzbalancierung beitragen soll. Neuere Ansätze versuchen dies durch Einbeziehung des „Headrooms“ – also der ungenutzten Kapazität eines Umrichters – zu verbessern, konzentrieren sich aber oft nur auf eine Seite des Systems (beispielsweise die Gleichrichtereite, die Leistung aus erneuerbaren Quellen sammelt) oder verlassen sich auf Kommunikationsnetze, die bei Störungen ausfallen können. Infolgedessen kann bei großen Störungen die Leistungsaufteilung ungleichmäßig sein und die DC-Spannungen können weiterhin über- oder unterschwingen und sichere Grenzen überschreiten.

Ein neuer Ansatz: Headroom an beiden Enden nutzen

Die Autoren schlagen eine headroom-basierte adaptive Droop-Regelung (HR-ADC) vor, die die verbleibende Kapazität jedes Umrichters als entscheidenden Eingangsparameter für seine Reaktion auf DC-Spannungsänderungen behandelt. Vereinfacht gesagt prüfen jeder Gleichrichter (der Leistung in das DC-Netz einspeist) und jeder Wechselrichter (der Leistung entnimmt) kontinuierlich, wie weit sie von ihren eigenen Grenzen entfernt sind. Dieser „Headroom“-Wert wird dann verwendet, um den Droop-Koeffizienten anzupassen – den Faktor, der eine Spannungsabweichung in eine Änderung der Leistungsabgabe umsetzt. Umrichter mit größerer Reservekapazität übernehmen automatisch mehr von der Ausgleichsaufgabe, während solche, die sich ihren Grenzen nähern, ihre Leistung reduzieren. Diese Anpassung erfolgt lokal an jeder Station und nutzt nur deren eigene Messungen, sodass die Methode nicht auf schnelle Kommunikationsverbindungen oder eine zentrale „Master“-Station angewiesen ist.

Test des Konzepts in einem virtuellen Stromnetz

Um das Verhalten der neuen Regelung zu prüfen, entwickelte das Team ein detailliertes Computermodell eines vierterminaligen MTDC-Netzes, das mit ±400 Kilovolt betrieben wird. Zwei Terminals repräsentieren erneuerbare Quellen: einen Windpark und eine große Solaranlage. Die anderen beiden sind an konventionelle AC-Netze angeschlossen. Die Forscher verglichen die vorgeschlagene HR-ADC mit einer standardmäßigen variablen Droop-Regelung anhand einer Reihe anspruchsvoller Tests: plötzliche Ausfälle einzelner Umrichter und Fehler an den Anschlusspunkten der Wind-, Solar- und Netzseitenterminals. In fast allen Szenarien brachte das konventionelle Schema einige Umrichter an oder über ihre Nennleistung, was zu DC-Spannungen über sicheren Schwellenwerten führte – teils bis zu 500 Kilovolt oder mehr. Im Gegensatz dazu wechselte HR-ADC automatisch den Betriebsmodus und verteilte die Leistung entsprechend dem verfügbaren Headroom, hielt die DC-Spannung näher an der Zielspanne und vermied starke Überlastungen.

Was stabile DC-Spannung für den Alltag bedeutet

Die Studie zeigt, dass HR-ADC, indem es den Headroom jedes Umrichters respektiert und ihnen autonome Reaktionen erlaubt, DC-Netze, die erneuerbare Energie transportieren, robuster gegen Fehler und plötzliche Leistungsänderungen machen kann. Für Nicht-Experten lautet die Kernbotschaft: Diese Regelungsmethode hilft, Spannungsstöße und Geräteüberlastungen zu verhindern, die sich zu großflächigen Stromausfällen aufschaukeln können. Zwar hängt der Ansatz weiterhin von einigermaßen genauen Schätzungen der verbleibenden Kapazität jeder Station ab und optimiert noch nicht Ziele wie die Minimierung von Verlusten, bietet jedoch bereits eine praktikable Möglichkeit, künftige Offshore-Wind-Hubs und Solarkorridore zuverlässiger zu machen. Kurz gesagt: Eine intelligentere Lastverteilung entlang unserer DC-„Autobahnen“ könnte ein energieintensives System mit hohem Anteil erneuerbarer Energien sauberer und zuverlässiger machen.

Zitation: Jiang, ZH., Raza, A., Ye, YD. et al. Headroom based adaptive droop control for regulating DC voltage and active power in MTDC grid with integrated renewable energy. Sci Rep 16, 7703 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38678-2

Schlüsselwörter: HVDC, Multi-Terminal-DC-Netz, Integration erneuerbarer Energien, Umrichterregelung, Netzstabilität