Beherrschung der Rasterbildung im Vergleich zur Rasterverfolgung in Echtzeit Tests

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Netzbildungssteuerung sollte als Wellenformautorität getestet werden, wobei der Schwerpunkt auf dem Verhalten der Spannungsquelle, den Strombegrenzungen und der Stabilität bei schwachem Netz liegen sollte.
• Die Netzverfolgungsregelung funktioniert bei starken Netzen gut, doch Störungen und geringe Kurzschlussfestigkeit machen ihre Abhängigkeit von einer externen Referenz deutlich.
• Eine Echtzeit-Simulation im geschlossenen Regelkreis verschafft Ihnen einen optimalen Überblick über zeitliche Abläufe und Schnittstelleneffekte, bevor durch die Inbetriebnahme kostspielige Annahmen festgeschrieben werden.

Netzbildende und netzfolgende Wechselrichter erfordern unterschiedliche Prüfpläne, da sie das Netz auf völlig unterschiedliche Weise steuern.

Die Zubauten bei erneuerbaren Energien erreichten fast 510 GW im Jahr 2023, was das Verhalten von Wechselrichtern von einem Nischenthema zu einer Frage der Netzstabilität machte. Da die Netze zunehmend mit Solar-, Speicher- und leistungselektronischen Schnittstellen ausgestattet werden, kann man Netzbildung und Netznachführung nicht als austauschbare Regelungsmodi behandeln. Ein Regelungsmodus erzeugt die lokale Spannungs- und Frequenzreferenz. Der andere misst diese Referenz und speist entsprechend Strom ein. Diese Unterscheidung sollte bestimmen, wie Sie die Steuerung von Wechselrichtern testen, abstimmen und freigeben.

„Ein netzgebundener Wechselrichter fungiert als geregelte Spannungsquelle, die den lokalen Spannungswinkel, die Spannungsamplitude und die Frequenz für das umgebende Netz festlegt.“

Durch die Rasterbildung wird der lokale Rasterbezug festgelegt

Ein netzbildender Wechselrichter fungiert als geregelte Spannungsquelle, die den lokalen Spannungswinkel, die Spannungsamplitude und die Frequenz für das umgebende Netz festlegt. Er wartet nicht darauf, dass ein starkes Netz die Wellenform bestimmt. Er dient als Regelanker im Schwachnetzbetrieb, bei Inselbetrieb und beim Schwarzstart.

Ein Batteriesystem, das eine stromlose Zuleitung mit Strom versorgt, ist das anschaulichste Beispiel. Der Wechselrichter baut die Spannung auf, stellt die Nennfrequenz ein und gleicht die anfängliche Diskrepanz zwischen Erzeugung und Last aus. Wenn ein Motor anläuft oder ein Zuleitungsschalter schließt, passt der Regler seine Leistung an, um die Wellenform stabil zu halten, anstatt einem Zielwert des Phasenregelkreises nachzulaufen.

Diese Betriebsart verändert die Anforderungen an die Validierung. Das Verhalten der Spannungsquelle rückt interne Spannungsregelkreise, virtuelle Impedanz, Strombegrenzungslogik und das Management der Energiereserven in den kritischen Pfad. Sind diese Komponenten schlecht abgestimmt, kann der Wechselrichter in einer statischen Untersuchung zwar stabil erscheinen, dennoch aber den Synchronlauf verlieren, sobald Lastsprünge, Sättigung oder Messverzögerungen auftreten.

Die Netznachführung hängt von einer externen Spannungsquelle ab

Der Hauptunterschied zwischen netzfolgender und netzbildender Regelung besteht darin, dass ein netzfolgender Wechselrichter eine vorhandene Wellenform misst und seine Stromeinspeisung daran anpasst. Er ist auf eine externe Spannungsquelle angewiesen, in der Regel über einen Phasenregelkreis. Wenn diese Referenz schwächer wird oder verzerrt ist, verschlechtert sich zunächst die Leistung, und anschließend kann auch die Stabilität beeinträchtigt werden.

Eine große Solaranlage, die an ein robustes Übertragungsnetz angeschlossen ist, passt gut zu diesem Modell. Jeder Wechselrichter passt sich der Netzspannung an, regelt den Wirk- und Blindstrom und überlässt die Frequenzeinstellung dem Gesamtnetz. Diese Struktur ist effizient, wenn die Kurzschlussfestigkeit hoch ist und nicht davon ausgegangen wird, dass die Anlage nach einer Unterbrechung den Betrieb wieder aufnehmen muss.

Dieser Zielkonflikt tritt auf, wenn man denselben Regler auf eine entfernte Zuleitung oder ein mit Umrichtern überladenes microgrid umstellt. Phasenregelkreise können bei Phasensprüngen, Spannungseinbrüchen oder bei niedrigen Kurzschlussverhältnissen ins Schwanken geraten. Die Stromregelung spielt zwar nach wie vor eine Rolle, doch schnell stellt sich eine schwierigere Frage: Wer sorgt für eine stabile Wellenform, wenn die Referenz selbst zu schwanken beginnt?

Die Frequenzregelung erfolgt über das Regelgesetz des Wechselrichters

Die Frequenzregelung in einem netzbildenden Wechselrichter basiert auf einem Regelgesetz, das das Leistungsungleichgewicht mit einer Frequenzantwort verknüpft. Der Regler verschiebt gezielt die Frequenz oder den Phasenwinkel, wenn sich Last und Erzeugung voneinander entfernen. Bei der Droop-Regelung erfolgt dies über eine einfache Steigung, während bei Methoden mit virtuellen Maschinen Trägheitsverhalten und Dämpfungsterme hinzukommen.

Ein Lastsprung von 200 kW an einem netzgetrennten Batterie-Wechselrichter veranschaulicht diesen Mechanismus deutlich. Die Wirkleistung steigt sofort an, die Frequenz sinkt entsprechend der Droop-Einstellung, und der Regler pendelt sich an einem neuen Betriebspunkt ein, während die Quelle die zusätzliche Last aufnimmt. Sie sehen hier keine Messfunktion. Sie sehen, wie der Wechselrichter das Systemgleichgewicht aufrechterhält.

Die entscheidenden Abstimmungsmaßnahmen betreffen die Flankensteilheit, die Bandbreite und die Rückstellgrenzen. Aggressive Einstellungen halten die Frequenz zwar straff, können jedoch zu Schwingungen im Zusammenspiel mit anderen Quellen oder aufgrund von Netzresonanzen führen. Sanftere Einstellungen verbessern die Dämpfung, lassen jedoch größere Frequenzschwankungen zu, was zu Ausfällen von Motoren, Schutzvorrichtungen oder benachbarten Steuerungen führen kann, wenn das Gesamtsystem nicht als Ganzes abgestimmt wurde.

Die Fehlerreaktion zeigt den größten Unterschied in der Regelung

Die Reaktion auf Störungen unterscheidet diese Regelungsmodi deutlicher als jeder stationäre Test. Ein netzfolgender Wechselrichter erkennt in der Regel den Spannungsabfall, folgt weiterhin der gestörten Wellenform und speist Strom im Rahmen seiner Begrenzungsstrategie ein. Ein netzbildender Wechselrichter versucht, eine nutzbare Spannungsreferenz aufrechtzuerhalten und dabei gleichzeitig die Halbleitergrenzen zu beachten, was in den ersten Millisekunden zu einem unterschiedlichen Verhalten führt.

Betrachten wir einen dreiphasigen Spannungseinbruch in einer schwachen Zuleitung. Die netzfolgende Einheit priorisiert häufig den vorgegebenen Blindstrom und bleibt auf den Phasenwinkel der defekten Phase fixiert, bis die Schutz- oder Durchfahrlogik den Zustand wechselt. Die netzbildende Einheit kann die lokale Sammelschienenspannung aufrechterhalten und benachbarte Lasten versorgen, muss jedoch sauber in den Strombegrenzungsmodus übergehen, da sie sonst die Wellenform verzerrt, die sie zu stützen versucht.

Aus diesem Grund dürfen Tests nicht bei den Durchlaufsignalen für „Bestanden“ oder „Nicht bestanden“ enden. Es müssen die Sequenzkomponenten, die Winkelrückführung, das Eingreifen des Strombegrenzers sowie die Geschwindigkeit, mit der der Regler nach Behebung des Fehlers wieder einen stabilen Betriebspunkt erreicht, überwacht werden. Ingenieur:innen benötigen diese Details, da Relaiseinstellungen, die für synchrone Quellen geeignet sind, das Verhalten des Umrichters falsch interpretieren können.

Schwache Netze stoßen viel früher an ihre Stabilitätsgrenzen

Schwache Netze lassen Kontrollgrenzen frühzeitig erkennen, da sich bei derselben Störung sowohl der Spannungswinkel als auch die Spannungsamplitude und der Fehlerpegel stärker verändern. Ein Regler, der bei einem stabilen Netz ruhig zu funktionieren scheint, kann bei sinkendem Kurzschlussverhältnis ins Schwingen geraten, einen Überstrom auslösen oder Phasenfehler erkennen. Aus diesem Grund Tests mit schwachen Netzen eher zu Beginn der Validierung als gegen Ende Tests .

Anteil erneuerbarer Energien 86 % der weltweiten Stromkapazität im Jahr 2023. Diese Verlagerung bedeutet, dass mehr Einspeisepunkte, Anlagen und Hybridstandorte mit einem höheren Anteil an Umrichtersteuerungen betrieben werden, die das lokale Stromverhalten beeinflussen. Ein über eine Fernleitung verbundener Wind- und Speicherknotenpunkt ist ein typischer Fall, bei dem die Kurzschlussunterstützung gering ist und Wechselwirkungen zwischen den Reglern schnell sichtbar werden.

Das Kurzschlussverhältnis ist zwar nützlich, reicht aber allein nicht aus. Netzresonanz, der Winkel der Netzimpedanz und die Bandbreiten benachbarter Regler können ebenso entscheidend sein. Bessere Ergebnisse erzielen Sie mit Parameterdurchläufen, bei denen mehrere Variablen der Netzstärke gleichzeitig verändert werden, da viele instabile Fälle in Kombinationen auftreten, die durch einen einzelnen Wert für das Kurzschlussverhältnis verdeckt werden.

Echtzeitsimulationen decken Steuerungsprobleme auf, die bei Offline-Untersuchungen übersehen werden

Echtzeitsimulationen erfassen zeitliche Abläufe, Sättigungseffekte und Schnittstelleneffekte, die bei Offline-Modellen geglättet werden. Sie können den Regelalgorithmus an einem Live-Netzwerkmodell ausführen, Störungen zu genau festgelegten Zeitpunkten erzwingen und so schon vor Beginn der Arbeiten vor Ort sehen, wie sich das Regelobjekt verhalten würde. Dadurch werden Regelungsfehler sichtbar, solange ihre Behebung noch kostengünstig ist.

Ein auf OPAL-RT basierender hardwarePrüfstand ermöglicht es Ihnen, den tatsächlichen Regler, I/O, die Schutzfunktionen und den Kommunikationsstack an ein simuliertes instabiles Netz anzuschließen. Jitter, Sensorskalierung, Impulsverzögerungen und Übergänge des Strombegrenzers werden alle in der Schleife berücksichtigt. Ein Regler, der in software mit festem Schrittzeitplan einwandfrei funktionierte, software Schwingungen zeigen, sobald ADC-Timing und Netzwerklatenz in den Test einbezogen werden.

Dieser Unterschied macht sich vor allem in der Nähe der Regelgrenzen bemerkbar. Fehlerbehebung, Betriebsartenwechsel und Änderungen der Leistungsregelung schlagen oft fehl, weil mehrere kleine Implementierungsdetails gleichzeitig zusammenkommen. Offline-Analysen sind zwar nach wie vor wichtig für die Entwicklungsgeschwindigkeit, geben jedoch nicht das vollständige Bild der Regelkreis-Timings wieder, das Sie vor der Inbetriebnahme benötigen.

Tests an netzbildenden Wechselrichtern Tests den Regelkreis schließen

Tests netzgebundene Wechselrichter Tests das Netz, den Regler und die physikalischen Schnittstellen in einem geschlossenen Regelkreis umfassen. Überprüfungen im offenen Regelkreis bestätigen zwar Gleichungen und die grundlegende Logik, belegen jedoch kein stabiles Verhalten bei Störungen. Wenn Sie verlässliche Ergebnisse wünschen, muss der Wechselrichter auf das Netzmodell reagieren, während das Netzmodell seinerseits zurückreagiert.

Eine solide Testsequenz beginnt mit einer kleinen Auswahl an Testfällen, die die Kontrollstruktur aufzeigen, bevor man Zeit in umfangreiche Szenario-Matrizen investiert. Das Ziel besteht darin, jene Teile des Controllers zu belasten, die die Systemhoheit tragen. Fünf Prüfungen decken in der Regel die größten Probleme frühzeitig auf.

• Beginnen Sie mit der Stromzufuhr bei ausgeschaltetem Bus und der Startabfolge.
• Prüfung des Lastschrittverhaltens über mehrere Betriebspunkte hinweg.
• Erzwinge symmetrische und asymmetrische Fehler durch Strombegrenzung.
• Überprüfen Sie die Umschaltung zwischen dem netzbildenden und dem netzfolgenden Modus.
• Berücksichtigen Sie sowohl instabile Netzbedingungen als auch Kommunikationsverzögerungen.

Jeder Test sollte mehr als nur die Wirkleistung und die Effektivspannung erfassen. Der Phasenwinkel der Wellenform, der Status der Momentanstrombegrenzung, die Modusflags des Reglers und die Schutzzeitgeber geben Aufschluss darüber, warum ein Durchlauf stabil verlief oder fehlschlug. Sie suchen nach Ursache und Ablauf, denn dadurch wird aus einem fehlgeschlagenen Test eine behobene Störung statt eines Rätsels im Labor.

„Echtzeitsimulationen erfassen zeitliche Abläufe, Sättigungseffekte und Schnittstelleneffekte, die bei Offline-Modellen geglättet werden.“

Die Projektvorgaben sollten bei der Auswahl des Steuerungsmodus als Richtschnur dienen

Die Wahl des Regelmodus sollte sich nach den projektbezogenen Rahmenbedingungen richten, da die richtige Entscheidung von der Netzfestigkeit, den Fehlerlasten, den Anforderungen an den Schwarzstart und der Anzahl der zu koordinierenden Erzeuger abhängt. Bei einer starken Übertragungsverbindung mit einfachem Stromexport ist die Netzfolge vorzuziehen. Bei einem Inselnetz oder einer schwachen Verbindung, die eine Spannungsunterstützung benötigt, ist die Netzbildung vorzuziehen.

Eine gemischte Anlage liegt oft irgendwo dazwischen. Ein Batterie-Wechselrichter kann netzbildende Aufgaben zur Einspeisung und lokalen Stabilität übernehmen, während Solar-Wechselrichter dem Netz folgen, um die Steuerung einfacher und die Nennleistungen niedriger zu halten. Diese Aufteilung funktioniert nur, wenn man die Zuständigkeiten klar definiert, die Übergaben testet und die Schutzmaßnahmen an das tatsächliche Fehlerverhalten der Anlage anpasst.

Die Teams, die dies richtig angehen, betrachten die Wahl der Steuerung als technische Herausforderung. Sie reduzieren sie nicht auf ein Etikett oder ein Kontrollkästchen in einem Raster. OPAL-RT eignet sich für diese Arbeitsphase, da es Ihnen ermöglicht, das Verhalten der Steuerung unter Belastung zu beurteilen, bevor sich Annahmen auf der Anlage zu Problemen in der Praxis verfestigen.