RMS vs. EMT-Simulation für IBRs erklärt für Power System Ingenieur:innen

Ein Spannungseinbruch im Bruchteil einer Sekunde kann eine Solaranlage ihr Ertragsziel für den Monat kosten, doch die Vorhersage dieses Einbruchs beginnt mit der Wahl des richtigen Simulationsansatzes.

Die Echtzeit-Validierung von umrichterbasierten Ressourcen (IBRs) hängt von der genauen Darstellung der elektrischen Dynamik und der eingebetteten Steuerlogik ab. Zwei Techniken dominieren die Diskussion: die RMS-Phasorsimulation und die elektromagnetisch-transiente Simulation (EMT). Jede Methode eignet sich hervorragend für bestimmte Zeitskalen, Studientypen und hardware(HIL)-Workflows. Die Anpassung der Methode an die jeweilige Herausforderung beschleunigt die Studien, hält die Kapitalbudgets unter Kontrolle und eröffnet Netzbetreibern und OEMs gleichermaßen wichtige betriebliche Erkenntnisse.

"Der Hauptunterschied zwischen der RMS- und der EMT-Simulation ist die Zeitauflösung, die die physikalischen Details bestimmt, die beide darstellen können.

Die Hauptunterschiede zwischen RMS und EMT-Simulation verstehen

Der Hauptunterschied zwischen der RMS- und der EMT-Simulation besteht in der Zeitauflösung, die die physikalischen Details bestimmt, die beide darstellen können. Bei der RMS-Simulation werden die elektrischen Wellenformen über einen ganzen Zyklus gemittelt, wodurch Sie einen schnellen, systemweiten Einblick in den stationären Spannungs-, Strom- und Leistungsfluss erhalten. Bei der EMT-Simulation wird die tatsächliche Wellenform in Intervallen von Mikro- bis Millisekunden aufgelöst, so dass Oberschwingungen unter dem Zyklus, Umrichterschaltvorgänge und detaillierte Schutzinteraktionen sichtbar werden. Da EMT nicht von einem sinusförmigen Gleichgewicht ausgeht, erfasst es asymmetrische Fehler, das Verhalten von Umrichtern mit Phasenregelkreisen und hochfrequente Resonanzen, die durch RMS-Phasoren geglättet werden. Bei der Entscheidung zwischen RM- und EMT-Simulation sollten Sie nicht nur das Ziel der Studie berücksichtigen, sondern auch die von den behördlichen Richtlinien geforderte Wiedergabetreue, die Einschränkungen der Cybersicherheit beim Steuercode und die in Ihrem Testlabor verfügbare hardware .

Wie die EMT-Simulation zur Lösung der instationären Stabilität bei Tests beiträgt

Die EMT-Simulation (Electromagnetic Transients) arbeitet auf einer Zeitskala, die erforderlich ist, um das Verhalten von Umrichtern, Hochfrequenzschaltungen und Netzdynamik zu erfassen, die sich in Millisekunden oder weniger abspielen. Diese Auflösung macht sie unverzichtbar für Ingenieur:innen , die mit der Validierung von netzbildenden Wechselrichtern, leistungselektronischen Reglern und anderen umrichterdominierten Systemen betraut sind.

Erfassung von Unterzyklus-Harmonischen

Das Umschalten von Wechselrichtern erzeugt nicht-ganzzahlige Oberschwingungen hoher Ordnung, die Filter belasten, Transformatoren verzerren oder Schutzeinrichtungen auslösen können. Diese Effekte treten in der Regel innerhalb eines einzigen elektrischen Zyklus auf und werden häufig von RMS-basierten Tools nicht erkannt. Die EMT-Simulation verfolgt die Ausbreitung dieser Oberschwingungen vom Umrichter durch Transformatoren, Kabel und Relais und ermöglicht es den Teams, die Filterabstimmung und die Fehlererkennungslogik zu testen, bevor die Anlage unter Spannung gesetzt wird.

Schutz von Umrichtern bei Fehlern

Die Firmware zum Schutz von Umrichtern reagiert oft innerhalb von zwei Millisekunden oder weniger auf Fehler in einer Leitung gegen Erde. Die EMT-Simulation repliziert die genaue Sequenz des Verhaltens der Steuerschicht - Strombegrenzung, Gate-Blockierung und Schutzabschaltung - unter präzisen Spannungs- und Strombedingungen. Ingenieur:innen verifizieren, dass IGBT- und SiC-Module innerhalb der thermischen und stromtechnischen Grenzen bleiben, während die Einhaltung des Grid-Codes unter Fehlerbelastung gewährleistet ist.

Validierung komplexer Steuerungslogik

OEMs liefern oft Steuercode in proprietären Formaten, einschließlich kompiliertem C, FPGA-Bitstreams oder verschlüsselten Bibliotheken. Mit den EMT-Echtzeitsimulationsplattformen können diese Blöcke ohne Offenlegung des Quellcodes getestet werden. Ingenieur:innen beobachten, wie die Firmware auf unterschiedliche Point-on-Wave-Bedingungen, Anti-Inslanding-Trigger und Impedanzverschiebungen reagiert, und stellen sicher, dass die Algorithmen korrekt mit der Schutz- und Synchronisationslogik auf Systemebene koordiniert werden.

Wann ist die RMS-Simulation für stationäre IBR-Szenarien geeignet?

RMS-basierte Phasor-Tools sind nach wie vor von strategischem Wert. Ihre grobe Auflösung ermöglicht schnelle, großvolumige Szenario-Sweeps, bei denen keine transienten Details erforderlich sind. Für die langfristige Planung und ein umfassendes Verbindungsscreening ist RMS nach wie vor der effizienteste Ansatz.

Langfristige Spannungsprofile

Die Simulation von saisonalen oder stündlichen Schwankungen der Netzspannung erfordert Volumen, nicht Präzision. RMS-Tools können Tausende von Betriebspunkten in wenigen Minuten auswerten. Ingenieur:innen bestimmen die optimale Platzierung von Kondensatoren, untersuchen Lastverschiebungsstrategien und prüfen die Auswirkungen von Solarschwankungen, ohne das Rauschen von Unterzyklen zu verfolgen.

Planungsstudien auf der Ebene der Versorgungsunternehmen

Netzplaner verwenden die RMS-Simulation für die Analyse von Netzverbindungen, da sie sich direkt in bestehende Datenbanken und Regulierungstoolchains integrieren lässt. Das Format vereinfacht die Einrichtung von Studien und identifiziert schnell thermische Überlastungen, Spannungsabfälle und Transformator-Stufen-Konflikte in Notfallszenarien.

Kostenbewusste iterative Studien

Wenn Ingenieur:innen mehrere Entwurfsoptionen innerhalb kurzer gesetzlicher Fristen testen müssen, verringern die RMS-Tools die Belastung der Ressourcen. Abzweigeinstellungen, Erdungstopologie und Kondensatorpositionen können schnell angepasst und erneut getestet werden, ohne die hardware oder die Simulation Ingenieur:innen zu beeinträchtigen.

EMT vs. RMS Anwendbarkeit

Praktische Anwendungsfälle für EMT-Simulatoren im modernen Grid-Design

Da die IBR-Integration immer größer und die Netzdynamik immer empfindlicher wird, können herkömmliche RMS-Modelle kritische Verhaltensweisen übersehen, die die Systemstabilität gefährden. EMT-Simulatoren sind heute unverzichtbare Werkzeuge, um die Geschwindigkeit, Komplexität und Nichtlinearität moderner Leistungselektronik nachzubilden. Ingenieur:innen nutzen diese Simulatoren nicht nur zur Validierung von Umrichterdesigns, sondern auch zur Untersuchung spezifischer Betriebsszenarien, bei denen Steuerungsentscheidungen innerhalb von Mikrosekunden getroffen werden.

• Fehlerinduzierte verzögerte Spannungswiederkehr (FIDVR): Untersuchen Sie, wie das Abwürgen des Motors einer Klimaanlage mit dem Herunterfahren großer Solar-PV-Anlagen bei Unterspannungsereignissen zusammenhängt.
• Inbetriebnahme von netzgekoppelten Wechselrichtern: Test von synthetischen Trägheitsalgorithmen und Droop-Einstellungen bei hohem Anteil an erneuerbaren Energien.
• Batterie-Energie-Speicher Black-Start: Validierung, dass ein BESS sich in einen toten Bus einschalten, Spannung aufbauen und Synchronmaschinen ohne Fehlauslösungen akzeptieren kann.
• Punkt-zu-Welle-Schaltung von STATCOMs: Bewertung des Einschaltstromstoßes und des DC-Offsets durch Modellierung von Unterbrechervorschaltwiderständen im Mikrosekundenbereich mit einem EMT-Simulator.
• Hochgeschwindigkeits-DC-Fehlertrennung in HVDC-Verbindungen: Überprüfung der Koordination von Metalloxidvaristoren und der Zeitsteuerung von Hybridschaltern bei Pol-Erde-Fehlern in mehrpoligen Gleichstromnetzen.

Jeder dieser Anwendungsfälle verdeutlicht, wo RMS-Phasormodelle versagen und EMT-Simulatoren einsatzkritisch werden. Ganz gleich, ob Sie ein Batteriesystem mit einer Schwarzstartfähigkeit ausstatten oder die Schaltlogik eines STATCOM validieren wollen, die EMT-Simulation bietet die Geschwindigkeit und die Details, die erforderlich sind, um späte Umgestaltungen und kostspielige Fehler im Feld zu vermeiden.

Die wichtigsten Leistungsabwägungen bei der RMS- und EMT-Simulation für IBRs

Die Entscheidung zwischen RMS und EMT ist nicht nur eine Frage der Genauigkeit, sondern auch eine Frage des Umfangs, der Laufzeit und des technischen Workflows. Das Verständnis der damit verbundenen Kompromisse hilft den Simulationsteams, ihre Ressourcen effizient zuzuweisen und gleichzeitig die Anforderungen an die Zusammenschaltung und die Einhaltung von Vorschriften zu erfüllen. Von der Genauigkeit des Solvers bis hin zur Projektdurchlaufzeit bringt jede Methode Stärken und Einschränkungen mit sich, die in verschiedenen Phasen des Validierungszyklus von Bedeutung sind.

• Zeitschritt vs. Netzwerkgröße: EMT geht in Mikrosekunden vor, verkleinert jedoch die zulässige Systemgröße; RMS geht in Millisekunden vor und skaliert auf Tausende von Bussen.
• Hardware : EMT benötigt häufig FPGA-Beschleunigung; RMS läuft auf herkömmlichen CPUs, was die Investitionskosten senkt.
• Granularität des Datensatzes: EMT-Wellenformen erzeugen Terabytes an Daten, die sorgfältig archiviert werden müssen; RMS liefert übersichtliche Datensätze, die sich für langfristige Trendanalysen eignen.
• Ingenieur:innen Produktivität: RMS unterstützt das automatische Screening von Eventualitäten; EMT erfordert eine praktische Abstimmung von Dämpfung, Schrittweite und Solver-Parametern.
• Einhaltung der Zielvorgaben: EMT ist unerlässlich für die Netzkodex-Klauseln zu Flicker, Hochfrequenzschwingungen und Kurzschlussstrom; RMS erfüllt die Regeln für die Kapazitätsplanung.

Das Abwägen dieser Kompromisse stellt sicher, dass die Simulationsbemühungen mit den Budgetbeschränkungen, den Projektzeitplänen und den technischen Spezifikationen in Einklang gebracht werden. Wenn RMS- und EMT-Simulationen strategisch eingesetzt werden, erhalten Ingenieur:innen die Flexibilität, das zu validieren, was am wichtigsten ist, ohne die Teamkapazität oder das hardware zu überfordern.

Auswahl der richtigen Software für Projekte auf Systemebene

Die Auswahl dersoftware beginnt mit der Definition der kleinsten Zeitkonstanten, die für Ihre Studie wichtig sind. Wenn der Umrichterschutz innerhalb von 50 µs wirkt, stellen Sie sicher, dass der Solver Schritte unter 10 µs auf der von Ihnen bereits verwendeten hardware unterstützt. Achten Sie auf software , die FMI/FMU-Objekte austauscht, damit in Modelica oder Simulink geschriebene Steuerungen auf Anlagenebene mit C-basierter Gerätefirmware zusammenarbeiten können. Die Bibliothek sollte Freileitungen, kabelfrequenzabhängige Parameter und integrierte Phasor-Domain-Solver für die Co-Simulation umfassen. Bestätigen Sie schließlich Funktionen wie Hash-Modellverteilung und verschlüsselte Code-Injektionspfade, um das geistige Eigentum der OEMs geheim zu halten.

"Mit OPAL-RT können Sie das Verhalten von Umrichtern mit einer Auflösung im Mikrosekundenbereich auf derselben offenen Plattform untersuchen, die Sie bereits für die stationäre Analyse nutzen, ohne zusätzliche hardware einsetzen zu müssen.

Wie OPAL-RT die RMS und EMT Simulation für die IBR Validierung unterstützt

Die OPAL-RT-Plattformen mit offener Architektur ermöglichen das Laden von RMS-Phasormodellen und EMT-Modellen auf Mikrosekundenebene auf derselben hardware und das Umschalten zwischen beiden ohne Umverdrahtung eines einzigen Steckers. Über die Blackbox-Schnittstelle wird verschlüsselter OEM-Steuerungscode direkt in den Simulator eingespeist, so dass sich die Wandler genau so verhalten, wie sie im Feld eingesetzt werden, während das geistige Eigentum geschützt bleibt. Durch die integrierte FPGA-Beschleunigung werden Sub-10-µs-Schritte für Hochfrequenz-Schaltstudien erreicht, während Multicore-CPUs große RMS-Lastfluss-Sweeps während nächtlicher Batch-Läufe durchführen. Mit OPAL-RT können Sie das Verhalten von Umrichtern mit einer Auflösung im Mikrosekundenbereich auf derselben offenen Plattform untersuchen, auf die Sie bereits bei stationären Analysen vertrauen, ohne zusätzliche hardware einsetzen zu müssen. Diese Konsistenz verkürzt die Projektlaufzeiten, senkt die Validierungskosten und gibt Ingenieur:innen die Gewissheit, dass die Anforderungen für den Netzanschluss bereits bei der ersten Einreichung erfüllt werden.

Ingenieur:innen und Innovator:innen:innen setzen auf Echtzeitsimulation, um die Entwicklung zu beschleunigen, Risiken zu reduzieren und die Grenzen des Machbaren zu erweitern. Bei OPAL-RT vereinen wir jahrzehntelange Erfahrung und eine Leidenschaft für Innovationen, um die offensten, Skalierbar und leistungsfähigsten Simulationslösungen der Branche anzubieten. Von Tests bis hin zu KI-fähigen Cloud-Simulationen - unsere Plattformen unterstützen Sie beim Entwerfen, Testen und Validieren mit Vertrauen.