Schaltschrank der Umrichteremulation

Zur Untersuchung neuartiger Regelverfahren umrichterbasierter Erzeugungsanlagen ist eine flexible Versuchsanlage notwendig, die ausreichende Freiheiten in der Implementierung von Regelverfahren ermöglicht. Da im ersten Schritt der Fokus auf die Regelung der Netzseite des Umrichters gelegt wird, kann das Verhalten der Modulation sowie der Leistungshalbleiter eines dreiphasigen Umrichters durch drei lineare Spannungsverstärker nachgebildet werden. Die Spannungsverstärker fungieren hierbei als gesteuerte ideale Spannungsquellen. Zwischen Spannungsverstärker und dem Inselnetz der Netznachbildung befindet sich der Schaltschrank der Umrichteremulation. Darin sind neben der Regelungshardware der einstellbare Netzfilter, Spannungsund Strommessungen sowie Schütze und Leistungsschalter verbaut.

Auch in diesem Versuchsstand findet als zentrale Plattform ein Embedded-PC mit zahlreichen Ethercat Klemmen Verwendung. Ein CX2030 ermöglicht die Ausführung auch komplexer Programme mit geringer Zykluszeit (Bild 2). Zur dreiphasigen Messung von Spannungen und Strömen mittels Hall-Effekt-Stromsensoren an mehreren Messpunkten kommen sechs zweikanalige Analog-Eingangsklemmen EL3702 zum Einsatz. Die Spannungssollwerte werden durch Analog-Ausgangsklemmen EL4732 ausgegeben und dem Spannungsverstärker als Spannungspegel übermittelt.

Vergleichbar zur Netznachbildung werden auf dem CX2030 in Matlab/Simulink entwickelte und validierte Regelverfahren in Echtzeit ausgeführt. Wesentlicher Unterschied ist die geringe Zykluszeit der Regelung von lediglich 50 µs. In Kombination mit den Ethercat-Klemmen und dem Spannungsverstärker wird eine Totzeit des gesamten Regelkreises von nur 150 µs erreicht. Der Versuchsstand wird ebenfalls durch eine mit Twincat HMI erstellte Benutzeroberfläche bedient und überwacht. Wesentlich ist hier die schnelle Überwachung von Grenzwerten, die bei einer Überschreitung zu einer sicheren Abschaltung führt.

Versuchsumgebung für neuartige Regelverfahren

Mit der Umrichteremulation in Kombination mit der Netznachbildung steht nun eine Versuchsumgebung zur Verfügung, in der das Verhalten neuartiger netzbildender Regelverfahren in einer Inselnetzumgebung einfach untersucht werden kann. Es wurden bereits Untersuchungen mit dem Regelverfahren „Synchronverter“, welcher das Verhalten eines Synchrongenerators mit einem Umrichter nachbildet, durchgeführt und veröffentlicht. Es wurde experimentell gezeigt, dass umrichterbasierte Erzeugungsanlagen mit einer entsprechenden Regelung eine Momentanreserve bereitstellen und somit das Netz stützen können. Im Gegensatz zu Echtzeitemulatoren ließ sich hier zudem belegen, dass eine netzbildende Regelung auf einer im industriellen Umfeld etablierten Regelungsplattform implementierbar ist [3, 4].

In der Zukunft wird die Entwicklung netzbildender Regelverfahren mit dem Ziel fortgeführt, diese in umrichterbasierten Betriebsmitteln wie Windenergieanlagen zu verwenden. Da die Untersuchung mit der Umrichteremulation erfolgreich war, wird aktuell ein Versuchsstand aufgebaut, der den Antriebsstrang einer Windenergieanlage bestehend aus Generator und Vollumrichter in herunterskalierter Leistung darstellt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf den Einsatz von in Windenergieanlagen verwendeten Komponenten gelegt, wie Regelungshardware und Leistungshalbleiter. Es soll untersucht werden, wie die Implementierung einer netzbildenden Regelung in einer Windenergieanlage möglich ist.

Literatur

1. Karlsruher Institut für Technologie: www.ieh.kit.edu
2. Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Verl.
3. Schulze, W. et al.: Emulation of grid-forming inverters using real-time PC and 4-quadrant voltage amplifier. Forschung im Ingenieurwesen 85 (2021) S. 425 - 430
4. Schulze, W. et al.: Frequency influenceable grid emulation for the analysis of grid-forming inverters using a generator set. In: 55th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Turin, Italien (2020)