Modellierung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Anlagen

Das Fraunhofer ISE besitzt langjährige Erfahrungen in der simulativen Untersuchung des Verhaltens von Wechselrichtern, Anlagen und Netzabschnitten. Dabei werden, neben der Simulation der Spannungs- und Frequenzstabilität im Normalbetrieb, auch Fehlerfälle im Netz betrachtet. Simulationen können quasi-stationär oder transient im RMS- und im Momentanwertbereich durchgeführt werden.

Wir erstellen Modelle nach der Technischen Richtlinie 4 (TR4) der FGW, die auch den neuen Anschlussrichtlinien VDE-AR-N 4110, 4120 und 4130 genügen. Die TR4 beschreibt die Anforderungen an die Modellierung und Validierung von Simulationsmodellen der elektrischen Eigenschaften von Erzeugungseinheiten und –anlagen.

 

Unsere FuE-Aktivitäten und Leistungen zum Thema »Modellierung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Anlagen« umfassen:

Neue netzstabilisierende Lösungen im Zusammenhang mit dem geplanten Aufbau neuer dezentraler Erzeuger

Modell für die Steuerung von Wirk- und Blindleistung
© Fraunhofer ISE
Am Fraunhofer ISE entwickeltes Modell für die Steuerung von Wirk- und Blindleistung zwischen der Windkraftanlage und dem Übertragungsnetz.

Beim vermehrten Ausbau erneuerbarer Energien und der damit verbundenen wachsenden Anzahl dezentraler Erzeugungseinheiten, steht zunehmend die Frage nach der Stabilität von Verbundnetzen im Fokus.

Dezentrale Erzeugungsanlagen (DEA) besitzen unterschiedliche Regelungssysteme verschiedener Hersteller und zeigen i.d.R. kein einheitliches Verhalten während und nach Netzfehlern. Am Fraunhofer ISE können wir mit vielfältigen Analysen und Modellierungen dabei unterstützen, die Auswirkungen des massiven Ausbaus von DEAs auf bestimmte Netzabschnitte zu bewerten. Als ein Beispiel ist eine Stabilitätsstudie zu nennen, die das Fraunhofer ISE für die Integration eines Windparks durchgeführt hat. Der Controller des Windpark-Modells wurde dabei am Fraunhofer ISE entwickelt, um den Austausch von Wirk- und Blindleistung zwischen der Windkraftanlage und dem Übertragungsnetz zu steuern.

Der gesamte Windpark muss ausreichend Robustheit aufweisen, sodass kurzzeitige Netzfehler die Versorgungssicherheit nicht gefährden. Die Tests gelten als bestanden, wenn die verschiedenen Simulationen störungsfrei durchlaufen werden, keine Schwingung auftritt und die Wirk- und Blindleistung nach Fehlerklärung wieder ihren Vorfehlerwert annehmen.

Darüber hinaus entwickeln wir Verfahren für die Modellierung und Simulation von Anlagen für die Kopplung Erneuerbarer Energien oder Speichern weiter. Dabei werden sowohl zukünftige Verhaltensweisen dieser Anlagen, wie etwa netzbildende Regelungsverfahren berücksichtigt, aber auch neue Simulationsverfahren wie „Software in the Loop“ (SiL) und „Hardware in the Loop“ (HiL) werden betrachtet. Ferner entwickeln wir neue Verfahren zur Simulation von Oberschwingung und deren Ausbreitung im Netz und erarbeiten neue Verfahren zur Stabilitätsanalyse, wie etwa die impedanzbasierte Stabilitätsbewertung. Hierbei kommt unseren Expertinnen und Experten ihr Detailwissen über den Aufbau und das Verhalten von leistungselektronischen Geräten zugute.

Erstellung von Parkreglermodellen

© Fraunhofer ISE
Testumgebung eines Parkreglers in DIgSILENT PowerFactory.

Der Controller eines Wind- oder PV-Parks wird zur Steuerung des Wirkleistungs- und Blindleistungsaustauschs zwischen der Anlage und dem öffentlichen Stromnetz am Netzanschlusspunkt verwendet. Basierend auf den aktuellen Spannungs- und Strommessungen am Anschlusspunkt sendet er daher Wirkleistungs- und Blindleistungssollwerte an die Anlagensteuerungssysteme.

Für den Netzanschluss dieser Parks müssen Reglerhersteller Simulationsmodelle erstellen, die das elektrische Verhalten ihrer Geräte emulieren. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir diese Modelle und unterstützen beim Durchlaufen des Zertifizierungsprozesses. Die Bewertung des Betriebs- und Regelverhaltens des Parkreglers basiert auf den folgenden Grundlagen:

  • VDE-AR-N 4110
  • VDE-AR-N 4120
  • VDE-AR-N 4130
  • Technische Richtlinien für Erzeugungseinheiten und –anlagen (Teil 8, Teil 3, und Teil 4)

Erstellung von Simulationsmodellen für Verbrennungskraftmaschinen (VKM)

© Fraunhofer ISE
Entwickeltes Modell eines Erregersystems von einem Synchrongenerator.

Gemäß nationalen und internationalen Netzanschlussbedingungen müssen Modelle für Blockheizkraftwerke, die an das Mittel-, Hoch- oder Höchstspannungsnetz angeschlossen werden, zur Zertifizierung einen mehrstufigen Prozess durchlaufen. In Deutschland werden im ersten Schritt Typprüfungen nach FGW TR3 durchgeführt, bei dem die elektrischen Eigenschaften eines BHKWs geprüft werden. Im zweiten Schritt folgt die Erstellung eines Modells, das das dynamische Verhalten nachbildet. Den dritten Schritt bildet die Modellvalidierung, bei der ein Vergleich des Modellverhaltens mit den Messdaten durchgeführt wird.

Hersteller von BHKWs können bei der Entwicklung eines solchen Modells beim Fraunhofer ISE Unterstützung finden. Dabei kommen uns unsere Simulationsexpertise, unsere langjährige Erfahrung mit den Anforderungen aus Netzanschlussrichtlinien sowie unsere tiefgreifenden Kenntnisse des Systems Generator-Netz zugute. Um den Zertifizierungsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen, führen wir mit unseren Modellen Plausibilitätstests sowie eine interne Vorvalidierung durch und können auch bei der Kommunikation mit der Zertifizierungsstelle unterstützen.

Erstellung von Simulationsmodellen für PV- und Speicherwechselrichter

Regelungsstruktur eines TR4-Modells für einen PV-Wechselrichter.
© Fraunhofer ISE
Regelungsstruktur eines TR4-Modells für einen PV-Wechselrichter.

Am Fraunhofer ISE verfügen wir über langjährige Erfahrung in der Erstellung, Plausibilisierung und Validierung von Modellen von PV-Wechselrichtern und Batterieumrichtern, wie sie z.B. für die Zertifizierung nach den FGW-Richtlinien benötigt werden. Durch unsere Modellierungsexpertise und unsere leistungselektronische Kompetenz können wir für unsere Kunden sehr schnell und kosteneffektiv entsprechende Modelle entwickeln und begleiten den kompletten Zertifizierungsprozess.

Das Ziel der Modellierung ist die Interaktion zwischen Wechselrichter und dem Stromnetz. Dabei sollen die vermessenen elektrischen Eigenschaften eines Wechselrichters in einem Simulationsmodell ausreichend genau abgebildet werden. Der Funktionstest gemäß TR4 schreibt einerseits die Analyse des dynamischen Verhaltens für Netzfehler (FRT) bei symmetrischen und asymmetrischen Fehlern vor. Ferner werden die Wirkleistungsregelung bei Änderung der Netzfrequenz, die Wirkleistungsbegrenzung, die Blindleistungsbereitstellung sowie das Verhalten des Netzschutzes simuliert und zusätzlichen Plausibilitätstests anhand des Modells geprüft.

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 »Tests von Leistungselektronik im Multi-Megawattbereich« 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
© Fraunhofer ISE
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-Trough (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.

Um dieses Verhalten zu untersuchen und nachweisen zu können, stehen im Multi-Megawatt Lab drei Prüfeinrichtungen zur Verfügung:

1.    Eine stationäre FRT-Anlage erlaubt die Vermessung von UVRTs und OVRTs bis zu einer Prüflingsleistung von 10 MVA

2.    Ein hochdynamischer Netzsimulator erlaubt die Vermessung von UVRTs und OVRTs sowie des LFSM-Verhaltes bis zu einer Prüflingsleistung von 1 MVA

3.    Ein mobiler FRT-Prüfcontainer erlaubt die Vermessung von Anlagen für UVRTs und OVRTs im Feld sowie im Labor bis zu einer Prüflingsleistung von 4,5 MVA

UVRT-Spannungseinbruch (quasi-Kurzschluss) an einem Blockheizkraftwerk mit „kippendem“ Generator
© Fraunhofer ISE
UVRT-Spannungseinbruch (quasi-Kurzschluss) an einem Blockheizkraftwerk mit „kippendem“ Generator.

Stationäre FRT-Anlage

Die Anlage besteht im Kern aus einem induktiven Spannungsteiler für die Erzeugung von Unterspannungsfehlern (UVRT) sowie einem Serienschwingkreis für die Erzeugung von Spannungsanhebungen (OVRT). Durch einige technische Erweiterungen im Vergleich zu herkömmlichen Prüfanlagen kann innerhalb von wenigen Sekunden zwischen den unterschiedlichen Einbruchstiefen bzw. Überhöhungen umgeschaltet werden, wodurch Messkampagnen flexibel gestaltet und deutlich beschleunigt werden konnten. Dies ist insbesondere bei entwicklungsbegleitenden Messungen von Vorteil, die die Wirkung verschiedener Regelungsparameter aufzeigen.

Netzsimulator

Vermessungen am Netzsimulator sind besonders flexibel, da für Änderungen der Testfälle softwareseitig erfolgen kann. Darüber hinaus können hier alle Parameter der Spannung (Amplitude, Frequenz und Phasenlage) variiert werden. Darüber hinaus können Oberschwingungen aufgeprägt werden sowie verschiedene Netzimpedanzen emuliert werden. 

Bei vermeintlich netzkonformen Geräten lässt sich eine Serie an Testszenarien im Batch-Verfahren automatisiert durchzuführen. Die Durchführungszeiten und Kosten derartiger Messungen reduzieren sich hierdurch erheblich. 

FRT Container

Mit dem mobilen Prüfcontainer bieten wir FRT-Tests im realen Umfeld an. Dies ermöglicht die Charakterisierung von Erzeugungseinheiten und Erzeugungsanlagen, die nicht ohne weiteres im Labor vermessen werden können, beispielsweise Windkraftanlagen oder Hybridkraftwerke.

Wirkungsgradvermessungen

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.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

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Stabiles Verbundsystemverhalten bei umrichterbasierter Erzeugung

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Aktives Blindleistungsmanagement mit dynamischen Blindleistungsquellen an der Schnittstelle Verteilungsnetz und Übertragungsnetz

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