von: Hao Chang Elektrotechnik und Luigi Vanfretti, Computer- und Systemtechnik - Rensselaer Polytechnic Institute Troy, NY
Dieser Artikel fasst die Ergebnisse eines Projekts zusammen, das wir - das Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) - in Zusammenarbeit mit Smarter Grid Solutions durchgeführt haben, um die Funktionalitäten intelligenter Wechselrichter zu testen, und das von der New York State Energy and Research Development Authority (NYSERDA) unterstützt wird. Im Rahmen des Projekts wurde eine Power Hardware(PHIL) Versuchsanlage für Smart Inverter Tests eingerichtet, mit dem Ziel, die Übereinstimmung mit dem IEEE 1547.1- 2020 Standard für die Zusammenschaltung von Verteilte Energieressourcen (DER) mit elektrischen Energiesysteme (EPS) zu überprüfen. Dieser Aufbau wurde erfolgreich genutzt, um die Funktionalität des SMA-Wechselrichters unter verschiedenen Betriebsbedingungen und Regelungsmodi zu testen. Die sechs Experimente, die in der Originalarbeit dokumentiert sind, umfassen die Tests des Wechselrichters in den Regelungsmodi: konstanter Leistungsfaktor, konstante Blindleistung, Spannung-Var, Spannung-Watt, Spannungsdurchlauf und Wiedereinschaltung. In diesem Artikel wird nur auf das Experiment "Konstanter Leistungsfaktor" eingegangen.
VERSUCHSANLAGE DES PHIL-LABORS
OPAL-RT OP1400 Leistungsverstärker
Der Leistungsverstärker OP1400, der in Abbildung 1 mit 4 gekennzeichnet ist, ist ein wesentlicher Bestandteil der Versuchsplattform, da er das Stromnetz emuliert, an das der Wechselrichter angeschlossen ist. Zur Steuerung und Überwachung des Verstärkers wurde eine Benutzeroberfläche (UI) implementiert; siehe Abb. 2. Die Benutzeroberfläche dient als Bedienfeld für den Leistungsverstärker OP1400 und wird mit einem Echtzeitsimulator ausgeführt. Diese Schnittstelle ist für den erfolgreichen Betrieb der Versuchsplattform während der Tests von entscheidender Bedeutung, da sie es dem Benutzer ermöglicht, Parameter einzustellen und das Verhalten des Systems in Echtzeit zu beobachten. In Abbildung 2 sind die verschiedenen Kontroll- und Überwachungsfunktionen, die zur Durchführung der Tests verwendet werden, in roten Quadraten dargestellt und nummeriert:
- Automatische Einstellung des RMS-Spannungssollwerts
- Einstellung des Spannungssollwerts
- Spannungsschwankungsbegrenzer
- Anzeige des Spannungssollwerts
- RMS Spannung und Strom für jede Phase (Überwachung)
In den folgenden Experimenten wird der 3-Phasen-Effektivwert-Spannungssollwert zur Steuerung der Eingangsspannung des Wechselrichters verwendet, um Ride-Through-Tests mit hoher/niedriger Spannung durchzuführen. Die automatische Einstellung des Effektivspannungs-Sollwerts wird verwendet, um die Eingangsspannung des Wechselrichters automatisch zu ändern, um die charakteristischen Graphen des Volt-Watt- und Volt-Var-Regelungsmodus zu erhalten. Der Slew-Rate-Limiter wird eingesetzt, um die Auswirkungen des Spartransformator-Einschaltstroms zu begrenzen. Dies war notwendig, da bei der Kopplung der Versuchsplattform beobachtet wurde, dass bei Experimenten, bei denen die Spannung zu schnell geändert wurde, die Schutzvorrichtungen des Leistungsverstärkers aufgrund des Einschaltstroms des Spartransformators ausgelöst wurden. Der Sättigungsbegrenzer vermeidet Eingabefehler des Benutzers, die die Spannungsgrenzen des Verstärkers und des Wechselrichters überschreiten. Die Sättigungsspannung liegt bei 160 Vrms L-N. Daher kann die Spannung auf der Hochspannungsseite des Spartransformators 692 VLL erreichen, was für alle Tests im Rahmen der Versuchsanlage ausreichend ist.
DC-Stromversorgung
Die in Abb. 1 mit der Nummer 2 gekennzeichnete Gleichstromversorgung wird zur Emulation einer unter verschiedenen Bedingungen arbeitenden Photovoltaikzelle (PV) verwendet. Die software Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) berechnet automatisch die Spannungs- und Stromprofile der Solarzellen auf der Grundlage benutzerdefinierter Parameter. Da für die Experimente keine Änderungen auf der Gleichstromseite erforderlich sind und die maximale Wirkleistung des Wechselrichters auf 3 kW eingestellt ist. In der Zwischenzeit wird das Profil in Feld 1 an die DC-Stromversorgung gesendet, um einen Höchstwert von 7,2 kW zu erreichen, der es der DC-Stromversorgung ermöglicht, entsprechend der Charakteristik des emulierten PV-Panels zu arbeiten. Dieses Leistungsprofil wird in allen Experimenten verwendet.
SMA-Wechselrichter
Der SMA Wechselrichter ist das EUT (Equipment under Test) für alle durchgeführten und nachfolgend dokumentierten Tests. Die Konfiguration des Wechselrichters erfolgt über die in Abbildung 3 gezeigte Benutzeroberfläche des integrierten Servers. Auf dem Hauptbildschirm der Benutzeroberfläche (d. h. auf der Startseite des Webservers) werden die aktuelle Ausgangsleistung und der Gerätestatus angezeigt. Auf der Registerkarte "Geräteparameter" werden die Konfiguration und die Einstellungen des Wechselrichters angezeigt und können geändert werden. In den folgenden Experimenten werden die detaillierten Einstellungen alle über diese Registerkarte angezeigt und konfiguriert.
Experiment - Modus mit konstantem Leistungsfaktor
Für die Integration von Erneuerbare Energien ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie ein Wechselrichter bei konstantem Leistungsfaktor mit dem Netz interagiert, da dies die Stabilität und Effizienz des Netzes beeinflusst. Im folgenden Test wird der Modus mit konstantem Leistungsfaktor (pf) des Wechselrichters mit einem nacheilenden Leistungsfaktor von 0,95 getestet. Von der Benutzeroberfläche aus wird der Leistungsfaktor auf einen konstanten Wert von 0,95 eingestellt. Die Messdaten wurden aufgezeichnet, nachdem der Wechselrichter die Anpassung der Ausgangsleistung abgeschlossen hatte (d. h. wenn er einen "stabilen Zustand" erreicht hatte). Anhand dieser Aufzeichnungen wird überprüft, ob der Wechselrichter die gewünschte Wirk- und Blindleistung abgibt und beibehält.
Abbildung 4 zeigt, dass der Wechselrichter 3 kW erzeugt und der Leistungsfaktor wie erwartet 0,95 beträgt. Da der SMA-Wechselrichter in der Lage ist, 150 kW zu erzeugen, liegt der Fehler von 30,67 W innerhalb der Toleranz. Das Oszilloskop wird zur Überprüfung des Verzögerungswinkels verwendet. Aus der Messung geht hervor, dass die Verzögerung 827 Mikrosekunden beträgt. In Bezug auf den Winkel entspricht dies Φ = 17,8º. Der gewünschte Winkel ist Φ = 18,2º. Der gemessene Verzögerungswinkel liegt nahe am gewünschten Winkel. Da die Wellenformen leicht verzerrt sind, kann der Winkelfehler auf Probleme mit der Instrumentierung zurückgeführt werden. Der Fehler ist jedoch gering und liegt innerhalb der Toleranz. Das Experiment wird für einen übererregten (führenden) Leistungsfaktor von 0,95 wiederholt, und die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt, mit ähnlichen Ergebnissen wie im vorherigen Test.
Tabelle 1 - 0,95 Führender konstanter Leistungsfaktor Testergebnisse
