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

Prinzip der Impedanzspektroskopie
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Prinzip der Impedanzspektroskopie. Der Prüfling, dargestellt als Thévenin-Äquivalent wird zusätzlich zur 50Hz-Komponente mit einer hochfrequenten Spannung angeregt.
Beispielhafter Verlauf der Thévenin-Impedanz
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Beispielhafter Verlauf der Thévenin-Impedanz eines Solarwechselrichters.

Mit dem Verfahren der differentiellen Impedanzspektroskopie kann die wirksam frequenzabhängige Impedanz sowie die internen harmonischen Spannungsquellen eines Wechselrichters ermittelt werden. Dafür wird der Prüfling (Wechselrichter) im laufenden Betrieb mit einer zusätzlichen Kleinsignalspannung mit variabler Frequenz angeregt. Der resultierende Strom wird als Anregungsantwort gemessen und anschließend in den Frequenzbereich transformiert. Für jede angeregte Frequenz kann ein sog. Thévenin-Äquivalent (Spannungsquelle mit Innenimpedanz) berechnet werden. Die Impedanz kann dabei Abhängigkeiten vom Arbeitspunkt, der Taktfrequenz und den Regelparametern aufweisen. Mit dem ermittelten Impedanzverlauf eines Wechselrichters kann das Verhalten an einem individuellen Netzanschlusspunkt ermittelt werden, somit mögliche Resonanzen und unzulässig hohe Oberschwingungsströme identifiziert werden. Die Impedanz lässt darüber hinaus Rückschlüsse auf das Dämpfungsverhalten hochfrequenter Signale zu. Zudem fordern Netzbetreiber zunehmend die Spezifikation des Impedanzverlaufs für den Anschluss von netzgekoppelten Anlagen. Die internen harmonischen Spannungsquellen sind unabhängig vom Netzanschlusspunkt. Sie können als Maß für die Oberschwingungsemissionen herangezogen werden.

Wir bieten die Durchführung von Impedanzspektroskopien für Stromrichter mit einer Leistung von bis zu 1 MVA und Nennspannungen bis zu 1100 V an. Für diesen Zweck steht uns ein hochdynamischer AC-Verstärker mit einem Frequenzbereich von bis zu 20 kHz zur Verfügung.

Vermessung von Oberschwingungsemissionen

Oberschwingungsemission und Grenzwerte eines Wechselrichters
© Fraunhofer ISE
Oberschwingungsemission und Grenzwerte eines Wechselrichters.
Hochdynamische Stromsensoren
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Hochdynamische Stromsensoren für die Vermessungen von Oberschwingungsemissionen von Wechselrichtern bis in den Megawattbereich.

In aktuellen Netzanschlussrichtlinien werden Grenzwerte für die Emission von Oberschwingungsströmen definiert. In unserem Multi-Megawatt Lab steht hochgenaue Messtechnick für die Vermessung der Oberschwingungsemission von Stromrichtern bis zu einer Leistung von mehreren Megawatt zur Verfügung.

Darüber hinaus untersuchen wir die Ausbreitung von Oberschwingungen im Netz, über die Netzebenen hinweg. Im Labor verfügen wir über hochdynamische Messtechnik für Nieder-, Mittel- und Hochspannungsebene und können zeitsynchronisierte Messungen über die Netzebenen hinweg durchführen. Auch die Analyse der Wechselwirkung mehrerer Erzeuger kann im Labor oder in der Feldmessung untersucht werden. Für diese Analyse steht ein Messsystem mit bis zu 96 Messkanälen zur Verfügung, welches auch im Feld eine synchronisierte Messung an mehreren Orten ermöglicht.

Neben der Analyse der Auswirkungen von Oberschwingungen auf die Netzspannungsqualität optimieren wir die Hard- und Software von Stromrichtern, um niedrige Oberschwingungsemissionen zu erzielen sowie Resonanzen zu minimieren. Es werden innovative Regelverfahren entwickelt, um die Oberschwingungsverzerrung der Netzspannung zu reduzieren. Aktive Filter oder auch spannungseinprägende Regelverfahren kommen zum Einsatz, die gezielt Oberschwingungsströme für nichtlineare Lasten im Netz zur Verfügung zu stellen und somit die Spannungsqualität verbessern.

Fault-Ride-Through (FRT)

Stationäre FRT-Anlage für Prüflinge bis 10 MVA
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Stationäre FRT-Anlage für Prüflinge bis 4 MVA.

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.

Wirkungsgradvermessung

Große Klimakammer, ausgelegt für Zentralwechselrichter der Multi-Megawattklasse.

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.

Trouble-Shooting in PV-Kraftwerken

Mobile Prüfgeräte bei Messungen im Feld.
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Mobile Prüfgeräte bei Messungen im Feld.

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.

Hochaufgelöste Breitbandmessungen von Strömen und Spannungen in der Mittelspannung bis zu 20 MVA Leistung

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Mittelspannungsanschlussklemme im Multi-Megawatt-Labor.

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 kVAC Widerstandslast
  • High-precision Power Analyzer bis zu 36 kV / 5 kA
  • Galv. getrennte Kleinsignalmessungen auf hohem Potential

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

Akkreditiertes Labor

TestLab Power Electronics

Erstellt auf Kundenwunsch akkreditierte Prüfberichte für die zugelassenen Verfahren, beispielsweise als Grundlage für eine Zertifizierung. 

Forschungsprojekt

VerbundnetzStabil

Das Projekt »Verbundnetz Stabil« befasst sich mit der Aufrechterhaltung eines stabilen Verbundsystemverhaltens bei hoher Durchdringung mit Umrichtern.

Forschungsprojekt

Star-StroP

Stabile regenerative Stromversorgung optimiert für den Parallelbetrieb von Wechselrichtern.

Daten und Fakten

Energy Charts

Interaktive Grafiken zu Stromproduktion und Börsenstrompreisen.

Forschungsprojekt

OVRTuere

Over Voltage Ride Through – Zeitweilige Überspannungen und abgeleitete Regeln für einen effizienten und sicheren Netzbetrieb