Tests von Leistungselektronik im Multi-Megawattbereich

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
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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-Trough (FRT)

Stationäre FRT-Anlage für Prüflinge bis 4 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.

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

 

Akkreditiertes Labor

TestLab Power Electronics

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