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 und Leistungen zum Thema »Charakterisierung von Nieder- und Mittelspannungsstromrichtern« umfassen:

Impedanzspektroskopie

Prinzip der Impedanzspektroskopie
© Fraunhofer ISE
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 4 MVA
© Fraunhofer ISE
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.

High-resolution measurements of medium voltage systems up to 20 MVA

Our 20 kV laboratory network is fed from the 110 kV network via our own 40 MVA transformer and thus allows tests and measurements of systems, converters, and components without affecting third parties. Our focus is therefore on customer-specific tests and investigations of system components up to 36 kV. In our large-scale medium-voltage test field with direct connection to our own 20 kV grid, we can measure any kind of medium-voltage components. Converters, transformers, etc. up to the size of a 40-foot container can be tested here. Our strength here is customer-specific measurements.

Our equipment includes:

  • Direct MV connection to 20 kV / 20 MVA
  • 3-36 kV / 2.5 MVA laboratory transformer
  • 3-12 kV / 150 kVA three-phase variable transformer
  • 15 kV (16.7 Hz) / 200 kVA railroad transformer
  • 1 MVA highly dynamic grid simulator
  • 7-40 kV / 600 kW DC source
  • 1 MW / 20 kV AC resistive load
  • High-precision power analyzer up to 36 kV / 5 kA
  • Galv. isolated small signal measurements on high potential

If you want to perform a special measurement and you lack the equipment or simply the connection power, please contact us.

 

Übersetzung folgt.

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. 

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

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Star-StroP

Stabile regenerative Stromversorgung optimiert für den Parallelbetrieb von Wechselrichtern.

Daten und Fakten

Energy Charts

Interaktive Grafiken zu Stromproduktion und Börsenstrompreisen.

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