Hybride AC-DC- microgrid -Emulation mit Power- hardware-in-the-Loop

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Stabilität eines hybriden AC-DC- microgrid s wird am Verbindungswandler und nicht an einem der beiden Busse geregelt; daher benötigt die Schnittstelle eigene Abnahmekriterien und eigene Stabilitätsreserven.
• HIL auf Signalebene überprüft die Steuerlogik, das Timing und die Kommunikation, während die Verluste, die Sättigung und die Impedanzwechselwirkungen, die die Grenze destabilisieren, erst dann auftreten, wenn tatsächliche Leistung diese Grenze überschreitet.
• Bei den Einstellungen zur Leistungsflussregelung wird die Reaktionsgeschwindigkeit gegen die Stabilitätsreserve abgewogen; daher sollten sie nicht auf die Nennbedingungen, sondern auf die schwächsten Netzbedingungen abgestimmt werden, die am Standort jemals auftreten können.

Ein hybrider AC-DC- microgrid n erzielt seine Stabilitätsreserve am Verbindungswandler, und ein Signaltest auf dem Prüfstand wird Ihnen niemals Aufschluss darüber geben, wie groß diese Reserve tatsächlich ist.

Probleme treten auf, wenn der die Sammelschienen verbindende Umrichter die Gleichstrom-Sammelschienenspannung aufrechterhält, während die Wechselstromseite einen Fehler durchläuft, da die Regelkreise in dem Moment aufhören, unabhängig zu sein, in dem der Strom die Grenze überschreitet. Jede Sammelschiene verhält sich einwandfrei, wenn sie für sich allein modelliert wird. Vier Störungen im Western Interconnection im Jahr 2024 führten zu einem Ausfall von 3.210 MW umrichterbasierter Leistung an 104 Standorten, und diese Verluste stammte resultierten eher aus der Reaktion der Umrichter als aus den Fehlern selbst. Das ist dieselbe Kopplung, die sich auch in einem Hybrid microgrid, in kleinerem Maßstab zeigt.

Bei „Power hardware-in-the-loop“ befindet sich der physikalische Wandler auf der einen Seite dieser Grenze, während der Rest des „ microgrid “ in der Simulation verbleibt. So erhalten Sie die Kopplung, die der „ hardware “ im Feld erleben würde, und zwar auf dem Leistungsniveau, das er tatsächlich übertragen wird. Der Großteil der Fehler, die an einer AC-DC-Schnittstelle auftreten, bleibt für einen Prüfstand, der nur Signale mit niedrigem Pegel austauscht, unsichtbar.

Was macht in der Praxis ein hybrides AC-DC- microgrid aus?

Ein hybrider AC-DC- microgrid us betreibt einen Wechselstrom- und einen Gleichstrombus als ein einziges gesteuertes System, das durch einen bidirektionalen Verbindungswandler miteinander verbunden ist, der den Leistungsfluss zwischen den beiden Bussen regelt. Rotierende Maschinen, Netzanschlüsse und herkömmliche Verbraucher sind auf der Wechselstromseite angeschlossen. Photovoltaik-Stränge, Batterien und elektronische Verbraucher sind auf der Gleichstromseite angeschlossen.

Durch die Aufteilung der Quellen nach ihrer ursprünglichen Form entfallen Umwandlungsschritte. Eine Dachanlage, die einen 750-V-Gleichstrombus speist, an dem auch die Batterie und der Elektrolyseur angeschlossen sind, umgeht zwei Umwandlungsschritte, die bei einer reinen Wechselstromkonstruktion erforderlich sind – was mehrere Prozentpunkte an Rundlaufwirkungsgrad einbringt. Diese Einsparung geht jedoch mit einem Regelungsproblem einher, das bei einer reinen Wechselstromkonstruktion nie aufgetreten wäre.

Wechselstromfrequenz und -spannung folgen den Droop- oder Netzbildungseinstellungen, die Gleichstrom-Sammelschienenspannung folgt anderen Einstellungen, und der Verbindungsumrichter ist das einzige Element, das beide Werte erfasst. Wenn Sie die beiden Hälften in getrennten Teams entwickeln, erhalten Sie ein System, das zwar alle Teilsystemtests besteht, aber dennoch beim ersten Lastschritt über die Grenze hinweg in Schwingungen gerät.

Warum der Verbundumrichter das Verhalten des gesamten Systems bestimmt

Der Kopplungsumrichter legt den Sollwert für den Leistungsaustausch, die Fließrichtung und den Regelungsanteil der einzelnen Knoten fest. Er verhält sich gegenüber einem Knoten als Stromquelle und gegenüber dem anderen als Spannungsquelle, sodass seine Regelbandbreite der effektiven Kopplungssteifigkeit zwischen beiden Hälften entspricht.

Gleichstromgekoppelte Anlagen sind mittlerweile die Regel und nicht mehr die Ausnahme. 47 % der in den Netzanschlusswartelisten der Vereinigten Staaten beantragten Solarkapazität sind mit Batteriespeichern gekoppelt, wodurch Erzeugung, Speicherung und deren gemeinsame Gleichstromverbindung hinter einem Umrichter zusammengefasst werden, bevor der Strom die Wechselstromanschlussstelle erreicht.

Wenn Sie nur diesen Wandler abstimmen, wählen Sie eine Bandbreite, die bei einer idealen Quelle gut aussieht. Setzen Sie ihn jedoch zwischen ein starres Wechselstromnetz und eine Gleichstromschiene, an die Konstantleistungswandler angeschlossen sind, dann treibt dieselbe Abstimmung den Gleichspannungskreis in einen Grenzzyklus. Die Bandbreite hat nur dann eine Bedeutung, wenn man sie im Zusammenhang mit dem betrachtet, was sich auf beiden Seiten der Schnittstelle befindet.

Wo HIL auf Signalebene an der Leistungsschnittstelle endet

Beim HIL-Austausch auf Signalebene werden skalierte Spannungen und Ströme mit einem Regler ausgetauscht, wodurch die Regelungslogik, das Timing und die Kommunikation überprüft werden. Es kann jedoch nicht nachgebildet werden, was geschieht, wenn Strom durch reale magnetische Bauteile fließt, da im Regelkreis keine Leistung vorhanden ist, um die Verluste, die Sättigung und die Impedanzwechselwirkungen zu erzeugen, die das Verhalten an der Schnittstelle bestimmen.

Ein Regler, der alle Fälle mit Signalpegel-Ride-Through besteht, löst auf einem mit Strom versorgten Prüfstand dennoch aus, wenn sich der Zwischenkreiskondensator schneller entlädt, als vom Modell vorhergesagt. Dies sind die Effekte, die dabei unberücksichtigt bleiben.

• Eincoupeln von Schaltharmonischen in die Gleichstrom-Bus-Spannungsmessung und Destabilisierung des äußeren Regelkreises
• Halbleiter- und magnetische Verluste, die die ausgetauschte Leistung vom vorgegebenen Sollwert abweichen lassen
• Sättigung und Einschwingvorgang im Schnittstellentransformator bei unsymmetrischen Wechselstromfehlern
• Impedanzwechselwirkung, die die Dämpfung des Gleichspannungskreises unter Last verändert
• Thermische Leistungsreduzierung, die begrenzt, wie lange der Umrichter seinen Fehlerstromanteil aufrechterhält

Keiner dieser Fehler tritt als Modellierungsfehler auf, den man durch Überprüfung erkennen könnte. Sie zeigen sich vielmehr darin, dass sich ein Prüfstand am Dienstag auf eine bestimmte Weise verhält und nach vier Betriebsstunden ganz anders. Teams, die die Phase der Leistungsoptimierung überspringen, werden bei der Inbetriebnahme damit konfrontiert, wenn eine Änderung an der Steuerung nicht durch eine Neukompilierung, sondern durch Besuche vor Ort behoben werden muss.

„Es kann nicht nachbilden, was passiert, wenn Strom durch echte magnetische Materialien fließt, da in der Schleife keine Leistung vorhanden ist, um die Wechselwirkungen zwischen Verlusten, Sättigung und Impedanz anzuregen, die das Verhalten an der Grenzfläche bestimmen.“

Wie der Power- hardware -in-the-Loop-Test die Schnittstelle prüft

Beim „Power- hardware -in-the-Loop“-Verfahren wird der physikalische Verbindungsumrichter zwischen ein simuliertes Wechselstromnetz und einen simulierten Gleichstrombus geschaltet, wobei ein Vierquadrantenverstärker jede simulierte Seite mit voller Spannung und vollem Strom ansteuert. Der Simulator erfasst den tatsächlichen Strom des Umrichters und gibt die resultierende Busspannung innerhalb von Mikrosekunden zurück.

Eine 200-kW-Campus-Schnittstelle kann getestet werden, noch bevor der Standort überhaupt existiert. Die Wechselstromzuleitung, der Dieselgenerator und der Netzschalter laufen im Simulator parallel zum Gleichstrombus und zur Photovoltaikanlage, und der zu testende Umrichter erkennt beide so, als wären sie bereits installiert. Lastsprünge, unsymmetrische Fehler und Inselbetrieb-Übergänge werden bei voller Leistung durchgeführt, ohne dass Anlagen vor Ort einem Risiko ausgesetzt sind.

Der Schnittstellenalgorithmus ist ebenfalls Teil des Tests. Die Kopplung nach der Ideal-Transformator-Methode lässt sich schnell konfigurieren und ebenso schnell destabilisieren, da die Verzögerung des Verstärkers innerhalb des geschlossenen Regelkreises liegt und die Sicherheitsmarge vom Impedanzverhältnis über diesen Regelkreis abhängt. Die Aufrechterhaltung dieser Sicherheitsmarge an einem Wechselstromknoten und einem Gleichstromknoten im selben Durchlauf unterscheidet einen brauchbaren Prüfstand von einem teuren Oszillator. Aus diesem Grund parallelisiert der OPAL-RT OP1430 PHIL Prime-Prüfstand die Verstärkerausgänge über Wechselstrom- und Gleichstromknoten hinweg, sodass beide Grenzen Strom führen, während die Steuerungen geprüft werden.

Optionen zur Leistungsflusssteuerung, die die Stabilität der Schnittstelle beeinflussen

Drei Regelungsfamilien dominieren den Verbundumrichter. Die feste Leistungsübertragung sorgt für einen vorgegebenen Austausch, die Gleichstrom-Bus-Signalisierung reagiert auf Spannungsabweichungen, und die normierte Droop-Regelung verteilt die Regelung auf beide Busse, indem sie die Wechselstromfrequenz und die Gleichspannung auf eine Skala abbildet. Bei jeder dieser Regelungsarten wird die Ansprechgeschwindigkeit gegen die Stabilitätsreserve abgewogen.

Die meisten Teams streben eine normalisierte Droop-Regelung an, da beide Busse ohne Kommunikationsverbindung auf eine Störung reagieren. Der Kompromiss zeigt sich unter schwachen Wechselstrombedingungen, bei denen eine Droop-Verstärkung, die die Last bei voller Netzstärke sauber verteilt, zu anhaltenden Frequenzschwankungen führt, sobald das Kurzschlussverhältnis sinkt.

Wählen Sie den Ansatz, der auf die ungünstigsten Betriebsbedingungen der Anlage ausgerichtet ist, und nicht auf die Nennbedingungen. Ein Prüfstand, der ausschließlich mit voller Kurzschlussleistung betrieben wird, liefert einen Droop-Gain-Wert, der bereits am ersten bewölkten Nachmittag versagt, wenn das Aggregat abgeschaltet ist.

Stabilitätsstörungen, die nur bei tatsächlichem Leistungsaustausch auftreten

Ein echter Leistungsaustausch führt zu Fehlermodi, die von keinem Offline-Modell erkannt werden. Konstante Lasten am Gleichstrombus weisen eine negative inkrementelle Impedanz auf; die Ausgangsimpedanz des Verbindungsumrichters steht mit dieser in Wechselwirkung, und das Paar schwingt mit einer Frequenz, die keines der beiden Teilsysteme für sich allein aufweist. Dies lässt sich erst erkennen, wenn tatsächlich Strom fließt.

Ein 400-V-Gleichstrom-Sammelschienen-System, das Lastnahe-Umrichter speist, ist der bekannte Fall. Jeder nachgeschaltete Umrichter regelt seinen Ausgang sehr genau, sodass er bei einem Spannungsabfall der Sammelschiene mehr Strom zieht, was die Sammelschiene weiter absinken lässt. Kommt noch eine langsame äußere Spannungsregelungsschleife am Verbindungsumrichter hinzu, entsteht im Gleichstromteil eine Niederfrequenzschwingung, die genau dort auftritt, wo sich die Wechselstrom-Droop-Charakteristik befindet.

Die subsynchrone Wechselwirkung gehört zur selben Kategorie. Bei schwachen Netzbedingungen gelangen der Phasenregelkreis und der Stromregler in einen Bereich, in dem sie sich gegenseitig verstärken, und die Schwingung überträgt sich über die Schnittstelle auf den Gleichstrombus. Beides wird übersehen, da der Test, der dies nachweisen würde, eine Leistung erfordert, über die der Signalpegel-Prüfstand nicht verfügt.

„Beide werden übersehen, weil der Test, der sie nachweist, eine Leistung erfordert, über die der Signalpegel-Prüfstand nicht verfügt.“

Was Ihr Team im Laufe der Zeit durch eine konsequente Schnittstellen Tests n gewinnt

Hybride AC-DC-Mikronetze versagen weder an ihren Erzeugungsquellen noch an ihren Lasten. Sie versagen an der Grenze zwischen den Sammelschienen, im Inneren des Umrichters, der zwei Sätze von Regelungsvorschriften gleichzeitig erfüllen muss. Der Nachweis dieser Grenze im Leistungsbereich vor der Inbetriebnahme entscheidet darüber, ob ein Projekt reibungslos anläuft oder ob im ersten Jahr ständig Schwankungen bekämpft werden müssen.

Jede Stunde, die damit verbracht wird, den Interlinking-Umrichter unter realistischen Impedanzbedingungen zu testen, spart Tage an Fehlerbehebung vor Ort. Teams, die dies richtig umsetzen, betrachten die Schnittstelle als eigenständiges Teilsystem mit eigenen Abnahmekriterien. Sie führen vor der Auslieferung des Umrichters Tests für den Fall eines schwachen Netzes, den Fall einer Last mit konstanter Leistung sowie den Fall einer Störungsüberbrückung bei voller Leistung durch.

Genau dafür gibt es einen Power-Level-Prüfstand, und genau deshalb konstruiert OPAL-RT seine PHIL-Systeme so, dass AC- und DC-Knoten in einem einzigen Durchlauf statt in separaten Testläufen mit Spannung versorgt werden. Das Verhalten eines Hybrid- microgrids hängt vom Austausch zwischen seinen Sammelschienen ab. Wenn dieser Austausch auf dem Prüfstand richtig funktioniert, kann der Rest des Designs ganz normal ausfallen.