Charakterisierung von Nieder- und Mittelspannungsstromrichtern

In unserem Multi-Megawatt Lab verfügen wir über eine einzigartige Ausstattung für den Test von leistungselektronischen Geräten und Systemen bis in den Multi-Megawattbereich. Mit einem exklusiven Anschluss an das 110-kV-Hochspannungsnetz und einem eigenen Mittelspannungsnetz, das ausschließlich für das Labor zur Verfügung steht, haben wir ideale Voraussetzungen für die Entwicklung und Verbesserung von Messverfahren sowie für die Erforschung neuer Methoden zur Charakterisierung von Leistungselektronik. 

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Charakterisierung von Nieder- und Mittelspannungsstromrichtern« umfassen:

• Impedanzspektroskopie
• Vermessung von Oberschwingungsemissionen
• Fault-Ride-through (FRT)
• Wirkungsgradvermessung
• Trouble-Shooting in PV-Kraftwerken
• Hochaufgelöste Breitbandmessungen von Strömen und Spannungen in der Mittelspannung bis zu 20 MVA Leistung

Ein wichtiger Aspekt bei der Netzintegration von konventionellen und erneuerbaren Erzeugern und Speichern ist das Verhalten während kurzzeitigen Netzstörungen, genannt Fault-Ride-Through (FRT).

Hierbei wird zwischen verschiedenen Fehlerarten unterschieden. Einerseits treten Unterspannungsfehler auf, sog. Under-Voltage-Ride-Through-Ereignisse (UVRT), die typischerweise bei Kurzschlüssen im Stromnetz auftreten. Anderseits kann es z. B. beim Ausfall großer Lasten oder Erzeugern, zu Spannungsanhebungen, sog. Over-Voltage-Ride-Through-Ereignissen (OVRT), kommen. In der Regel machen die verschiedenen internationale Einspeiserichtlinien Vorgaben, dass netzgekoppelte Stromrichteranlagen bei solchen Spannungsfehlern netzdienliches Verhalten aufweisen und hierfür spannungsstützenden Blindstrom bereitstellen.

Darüber hinaus führt ein Ungleichgewicht der Wirkleistung im Netz zu Frequenzveränderung. In diesen Fällen müssen Erzeuger sowie Speicher die eingespeiste Wirkleitung an die Frequenz anpassen. Anlagen, die mit einen sog. Limited-Frequency-Sensitiv-Mode (LFSM) ausgestattet sind, reduzieren ihre Ausgangsleistung bei Überfrequenz reduzieren bzw. steigern diese bei Unterfrequenz.

Für die Vermessung von Wirkungsgraden sowie dem Verhalten bei verschiedenen klimatischen Bedingungen und den damit verwandten Tests stehen folgende Einrichtungen zur Verfügung:

1.    Unidirektionale DC-Quellen für die Vermessung von Solarwechselrichtern bis mindestens 1             MW, insbesondere auch Umrichter mit multiplen MPP-Trackern

2.    Bidirektionale DC-Quelle für die Vermessung von Batterieumrichtern bis mindestens 1 MW

3.    Bidirektionale AC-Quelle bis 1 MW für erhöhte Genauigkeit der Wirkungsgradmessung im             Vergleich zum direkten Betrieb am Transformator

4.    In naher Zukunft steht zudem eine 10 MW DC-Quelle zur Verfügung

Durch eigene Softwaretools kann bei Wirkungsgradvermessungen ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden, wovon der Kunde durch schnellere Messzeiten und somit geringeren Kosten profitiert. Das TestLab Power Electronics ist für die Vermessung der Wirkungsgradnormen DIN EN 50530 und DIN EN 61683 akkreditiert.

Eng verwandt mit Wirkungsgradmessungen sind Untersuchungen zum Derating-Verhalten eines Umrichters. Durch unsere Klimakammer können solche Tests in Temperaturbereichen von -30°C bis + 90°C bei beinahe beliebiger Luftfeuchtigkeit durchgeführt werden. Die besonders große Ausführung der Klimakammer ermöglicht auch die Vermessung von großen Zentralwechselrichtern der Multi-Megawattklasse.

Umrichter zählen aufgrund ihrer Komplexität und den besonders herausfordernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen seit Jahren zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und können dadurch zusätzliche Kosten aufgrund von Wartung und Ausfallzeiten verursachen. Gelegentlich treten in Großanlagen auch Probleme auf, die nicht mit einer einzelnen, sondern nur im Zusammenspiel vieler Komponenten erklärt und gelöst werden können. Dies betrifft z.B. subsynchrone Schwingungen oder Systemresonanzen.

Wir verfügen über jahrelange Erfahrung mit der Problemlösung in PV-Großanlagen und bieten dazu ein mehrstufiges Verfahren an. Über eine schnelle Datenanalyse lassen sich Fehlerquellen unter Umständen bereits eingrenzen. Für eine Detailbetrachtung im Feld steht uns mobiles und hochauflösendes Messequipment für die Niederspannung bis 1500 V und für Ströme bis 5000 A zur Verfügung. Bei Bedarf kann auch ein mobiler Fault-Ride-Through-Prüfcontainer (FRT) für Leistungen bis zu 4,5 MVA eingesetzt werden. Ist ein regelungstechnischer Lösungsansatz notwendig, so können wir alle relevanten Komponenten der Großanlage und zugehörige Netzanschlusspunkte modellieren und passende Algorithmen entwickeln. Für Detailuntersuchungen einzelner Wechselrichter durch unsere erfahrenen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bietet unser Multi-Megawatt-Labor die passende Testumgebung. Darüber hinaus bieten wir auch Funktionstests von DC-Lichtbogendetektoren an.

Schnellanalyse für PV-Kraftwerke

Die Gründe für Ertragsverluste und Störungen in PV-Anlagen können komplex sein, z.B,

• Degradation von PV-Modulen und Wechselrichtern
• Fehlerhafte Planung oder Ausführung
• Fehlerhafte Geräte (z. B. Wechselrichter, Netzschutz, IKT)
• Netzrückwirkungen

Das Fraunhofer ISE spürt die Ursachen dieser Probleme auf und bietet geeignete Lösungen an. Als Einstieg bieten wir eine schlanke und unverbindliche Voranalyse an, die sich auf typische Probleme konzentriert.

Für eine Voranalyse benötigen wir folgende Daten:

• Anlageninformationen (Standort, Neigung, Azimut, ...)
• Messdaten aus der Überwachung (AC-Leistung, DC-Strom und Spannung...)

Unser digitaler Entscheidungsweg erlaubt es uns, die Daten ohne großen Aufwand auf typische Probleme zu überprüfen. In dieser Analyse werden typische Probleme mit Modulen, Wechselrichtern, Systemdesign, etc. berücksichtigt. Basierend auf den Ergebnissen dieser Voranalyse bieten wir schnelle Ratschläge zur Lösung des Problems an oder schlagen bei Bedarf eine weitere Analyse der Probleme durch unsere internen Experten vor.

Wir haben einen schlanken Problemlösungsprozess entwickelt, der es uns ermöglicht, das technische Problem in einem frühen Stadium einzugrenzen und Sie professionell zu beraten. Unser Wissen umfasst das gesamte PV-System, einschließlich der Zell- und Modultechnologie, der Kraftwerkskonstruktion, der Wechselrichtertechnologie und des Netzverhaltens.

WEBFORMULAR AUSFÜLLEN UND FEHLERBEHEBUNGSANALYSE ERHALTEN

Unser 20-kV-Labornetz wird über einen eigenen 40-MVA-Transformator aus dem 110-kV-Netz gespeist und erlaubt so Tests und Vermessungen von Systemen und Umrichtern ohne Beeinträchtigung Dritter.

Unser Schwerpunkt liegt daher auf kundenspezifischen Prüfungen und Untersuchungen von Anlagenkomponenten bis 36 kV. In unserem großflächigen Mittelspannungstestfeld mit direktem Anschluss an unser eigenes 20-kV-Netz können wir jegliche Komponenten für die Mittelspannung vermessen. Hier können Stromrichter, Transformatoren usw. bis zur Größe eines 40-Fuß-Containers getestet werden. Unsere Stärke sind dabei kundenspezifische Messungen.

Unsere Ausstattung umfasst:

• direkter MS-Anschluss mit 20 kV / 20 MVA
• 3-36 kV / 2,5 MVA Labortransformator
• 3-12 kV / 150 kVA dreiphasiger Stelltransformator
• 15 kV (16,7 Hz) / 200 kVA Bahntransformator
• 1 MVA hochdynamischer Netzsimulator
• 7-40 kV / 600 kW DC Quelle
• 1 MW / 20 kV_AC Widerstandslast
• High-precision Power Analyzer bis zu 36 kV / 5 kA
• Galv. getrennte Kleinsignalmessungen auf hohem Potential