Microgrid-Simulation mit Netzemulator und Wechselrichterprüfung
Moderne Microgrids erfordern vor ihrer Inbetriebnahme eine umfassende Echtzeitvalidierung. Mit Impedymes Combined Hardware-in-the-Loop (CHP)-Plattform – ausgestattet mit Echtzeit-Netzemulatoren und Wechselrichter-Testmodulen – lassen sich komplexe Microgrid-Szenarien unter realitätsnahen elektrischen Bedingungen simulieren. Diese Seite erläutert, wie eine PHIL-basierte Microgrid-Simulation die Systemzuverlässigkeit erhöht, Regelstrategien optimiert und die nahtlose Integration erneuerbarer Energien, Energiespeicher und Schutzrelais gewährleistet.
In diesem Beitrag wird die Emulation eines netzgekoppelten Microgrid-Systems unter Verwendung von Impedymes Combined Hardware-in-the-Loop- und Power Hardware-in-the-Loop (CHP)-Technologie vorgestellt. Dabei wird aufgezeigt, wie CHP die Prüfung und Validierung von Microgrids transformiert und umfangreiche Möglichkeiten zur Nachbildung realer Netzszenarien bietet – bei gleichzeitig flexibler Anpassung der Emulationsparameter. Die Technologie ebnet den Weg für resiliente, nachhaltige und zuverlässige Energiesysteme der Zukunft.
Fig 1. Microgrids
Microgrids kombinieren unterschiedliche Energiequellen wie Solarmodule, Windturbinen, Batteriespeicher und Generatoren zur lokalen Stromerzeugung. Diese Quellen sind mit einem Steuerungssystem verbunden, das den Energiefluss entsprechend dem Bedarf und den verfügbaren Ressourcen regelt. Im Normalbetrieb kann ein Microgrid Energie aus erneuerbaren Quellen oder aus dem Hauptnetz beziehen, abhängig von Wetterbedingungen und Lastanforderungen. Bei Netzausfällen oder Notfällen kann sich das Microgrid vom Hauptnetz trennen und autonom weiterbetrieben werden, um kritische Verbraucher zuverlässig zu versorgen.
Die Vorteile von Microgrids sind vielfältig. Sie erhöhen die Energiezuverlässigkeit durch Bereitstellung von Notstrom bei Netzausfällen. Zudem verbessern sie die Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Wetterereignissen und Naturkatastrophen durch dezentrale Energieerzeugung und -verteilung. Darüber hinaus fördern Microgrids den Einsatz erneuerbarer Energien und reduzieren Treibhausgasemissionen. Sie ermöglichen Kosteneinsparungen durch optimierte Energienutzung, reduzierte Übertragungsverluste und Nutzung verteilter Energiequellen. Schließlich erweitern sie den Zugang zu Elektrizität in abgelegenen oder unterversorgten Regionen und tragen so zur Verbesserung der Lebensqualität bei.
Microgrids werden weltweit in unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt, darunter abgelegene Gemeinden ohne Netzanschluss, Militärstützpunkte und kritische Infrastrukturen mit hohen Anforderungen an Energiesicherheit, städtische Quartiere und Gewerbekomplexe mit Fokus auf Energieautarkie sowie Industrieanlagen und Campusgelände zur Optimierung des Energiemanagements und zur Reduzierung von Betriebskosten.
Microgrids stellen somit eine vielversprechende Lösung für die Herausforderungen der modernen Energielandschaft dar. Durch dezentrale Energieerzeugung, erhöhte Zuverlässigkeit und nachhaltige Ausrichtung bieten sie neue Perspektiven für eine eigenständige Energieversorgung von Gemeinschaften. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung wird ihre Bedeutung weiter zunehmen.
Warum Microgrid-Emulation?
Die Echtzeit-Simulation und -Emulation von Microgrids mittels Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) ermöglicht es Ingenieuren, komplexe Netzszenarien bereits vor der Inbetriebnahme realitätsnah abzubilden. Durch Tests von Komponenten wie Wechselrichtern, Batteriespeichersystemen (BESS) und Microgrid-Controllern unter praxisnahen Betriebsbedingungen können potenzielle Probleme frühzeitig erkannt, Regelstrategien optimiert und die Einhaltung von Netzanschlussrichtlinien sichergestellt werden.
Mit Impedymes PHIL-Plattform lassen sich unter anderem Ride-Through-Fähigkeiten von Wechselrichtern, Lastübergänge, Netzfehler sowie Schwarzstartfunktionen evaluieren. Die Emulation ermöglicht zudem skalierbare Innovation, indem erneuerbare Energiequellen, Schutzkonzepte und Multi-Mode-Regelungen (Inselbetrieb/Netzbetrieb) in einer risikofreien Laborumgebung getestet werden können.
Insgesamt trägt die Microgrid-Emulation zu verbesserter Interoperabilität, verkürzten Entwicklungszeiten und höherer Systemzuverlässigkeit bei – wesentliche Faktoren für den Übergang zu dezentralen und resilienten Energiesystemen.
Fig 2. Microgrids Structure
Nun wird dargestellt, wie ein Microgrid-System – bestehend aus einer Solar-PV-Anlage, einem Batteriespeichersystem (BESS), dem Netz und Lasten – in Simulink modelliert wird.
Fig 3. Simulink Model of the Microgrids
Implementierung des Simulink-Modells
Modell des Battery Energy Storage Systems (BESS)
Das Simulink-Modell der Batterie im BESS basiert auf dem Batteriestrom zur Bestimmung des Ladezustands (State of Charge, SoC). Gleichzeitig wird die Leerlaufspannung dynamisch als Funktion des SoC berechnet. Dieser Coulomb-Zählansatz ist aufgrund seiner Einfachheit verbreitet und hängt hauptsächlich vom Entladeverhalten des Batteriepakets ab.
Fig 4. Simulink BESS Model
Der Gesundheitszustand (State of Health, SoH) wird durch den Vergleich der gemessenen Batteriespannung mit der Nennspannung bestimmt. Der SoH gibt den aktuellen Zustand der Batterie in Prozent an, wobei Werte unter 100 % auf eine Degradation hinweisen. Diese Berechnung ermöglicht die Bewertung des Batteriezustands und die Abschätzung von Leistungsänderungen im Zeitverlauf. Im nächsten Abschnitt wird die Modellierung des Wechselrichters betrachtet.
Die BESS-Schaltung besteht aus einem Batteriepaket, das mit einem dreiphasigen 2-Level-Leistungswechselrichter verbunden ist. Dieser wandelt den Gleichstrom (DC) der Batterie in Wechselstrom (AC) um. Anschließend wird der AC-Strom über einen Transformator zum Netzverknüpfungspunkt (Point of Common Coupling, PCC) geführt. Dadurch kann die Batterie Energie speichern und je nach Bedarf an das Netz oder lokale Verbraucher abgeben.
Das Regelungssystem eines BESS nutzt verschiedene Techniken zur effektiven Betriebssteuerung. Eine zentrale Komponente ist die Droop-Regelung, welche die Ausgangsspannung oder -frequenz des Wechselrichters in Abhängigkeit von Last- oder Netzänderungen anpasst. Zusätzlich kommen Wirk- und Blindleistungsregelungen sowie Stromregler zum Einsatz, die Pulsweitenmodulationssignale (PWM) für den Wechselrichter erzeugen und so den Energiefluss präzise steuern.
Eine Resynchronisationseinheit spielt eine wesentliche Rolle bei der Koordination des Microgrid-Betriebs sowohl im Insel- als auch im Netzparallelbetrieb. Diese Einheit erzeugt Schaltsignale für Leistungsschalter, um das Microgrid mit dem Hauptnetz zu synchronisieren oder im Inselbetrieb zu isolieren – abhängig von Netzbedingungen oder betrieblichen Anforderungen.
Solar-PV-Modell
Die Photovoltaikanlage (PV) ist eine dezentrale Energiequelle, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Das Modell besteht aus Solarmodulen, die Gleichspannung (DC) erzeugen. Diese wird mithilfe eines DC-DC-Boost-Konverters auf ein höheres Spannungsniveau angehoben. Anschließend wandelt ein dreiphasiger 3-Level-Wechselrichter die erhöhte DC-Spannung in Wechselstrom (AC) um, sodass eine Netzeinspeisung möglich ist. Der erzeugte AC-Strom wird über einen Transformator zum Netzverknüpfungspunkt geführt und mit dem Hauptnetz verbunden.
Fig 5. Simulink Solar PV Model
Das Regelungssystem des PV-Modells ist entscheidend für eine optimale Leistungsabgabe. Es umfasst einen Leistungs-PI-Regler (Proportional-Integral) mit Anti-Windup-Funktion sowie einen Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Regler. Der PI-Regler passt die Leistungsabgabe an die Netzanforderungen an, während der MPPT-Regler kontinuierlich den optimalen Betriebspunkt verfolgt, um die maximale Energieausbeute der PV-Module sicherzustellen. Darüber hinaus enthält der Wechselrichter-Regelblock verschiedene Regelstrategien wie Phase-Locked Loop (PLL), Stromregelung und DC-Spannungsregelung zur präzisen Ansteuerung des Wechselrichters.
Netzmodell
Im Microgrid-Modell werden auch zentrale Netzkomponenten wie Transformatoren, Lasten, Generatoren und Übertragungsleitungen nachgebildet. Im Mittelpunkt steht der „3-Phase Voltage Source“-Block in Simulink, mit dem die Eigenschaften der Netzspannungsquelle definiert werden. Parameter wie Spannungsamplitude, Frequenz und Phasenwinkel können angepasst werden, um unterschiedliche Netzbedingungen – vom Normalbetrieb bis zu Fehlerfällen – zu simulieren.
Das Modell umfasst eine 600-V-Sammelschiene sowie einen Transformator zur Anbindung an ein 25-kV-Netz. Feeder- und Lastblöcke erhöhen die Realitätsnähe der Simulation. Zusätzlich ermöglichen Leistungsschalter die Umsetzung sowohl des Inselbetriebs als auch des Netzparallelbetriebs.
Durch die Integration von Serienimpedanzen am Netzverknüpfungspunkt (PCC) wird eine realitätsnahe Analyse des Netzverhaltens ermöglicht. Simulationen mit diesen Modellkomponenten liefern Erkenntnisse über unterschiedliche Netzszenarien und erlauben die Bewertung von Zuverlässigkeit, Resilienz und Effizienz des Microgrid-Systems. Dieser umfassende Modellierungsansatz unterstützt die Weiterentwicklung nachhaltiger Energielösungen.
Fig 6. Simulink Grid Model
Lastmodell
Das Lastmodell des Microgrids umfasst sowohl Wirk- als auch Blindleistungslasten und bildet damit den Energieverbrauch im System realitätsnah ab. Ein Lastleistungsschalter ermöglicht den Übergang zwischen Insel- und Netzparallelbetrieb. Dadurch kann das dynamische Verhalten des Microgrids unter verschiedenen Betriebsbedingungen präzise simuliert und analysiert werden.
Fig 7. Simulink Load Model
Simulationsergebnisse
Grid Parameters
| Parameters | Value | Unit |
|---|---|---|
| \( V_{\text{PCC}} \) | 600 | V |
| \( \text{Frequency} \) | 60 | Hz |
PV Parameters
| Parameters | Values | Unit |
|---|---|---|
| \( \text{Capacity} \) | 1200 | Ah |
| \( \text{Initial Voltage} \) | 920 | V |
| \( \text{Initial SoC} \) | 95% | - |
| \( \text{Initial SoH} \) | 85% | - |
BESS Parameters
| Parameters | Values | Unit |
|---|---|---|
| \( \text{Capacity} \) | 1200 | Ah |
| \( \text{Initial Voltage} \) | 920 | V |
| \( \text{Initial SoC} \) | 95% | - |
| \( \text{Initial SoH} \) | 85% | - |
Nach Abschluss der Simulation erfolgt die Einführung in die CHP-Technologie, um zu zeigen, wie das entwickelte System mithilfe von Impedymes Combined Hardware- und Power Hardware-in-the-Loop (CHP)-Produkten in Echtzeit emuliert werden kann.
Impedymes CHP-Technologie
Fig 8. Impedyme’s CHP Cabinet
CHP integriert nahtlos Hardware-in-the-Loop (HIL) und Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) und bietet damit höchste Genauigkeit und Effizienz bei der Entwicklung von Microgrids. Mit CHP können Ingenieure reale Szenarien präzise simulieren und Microgrid-Systeme unter dynamischen Bedingungen testen. Von Elektrofahrzeugen bis hin zu Netzemulationen unterstützt CHP Hersteller dabei, die Leistungsfähigkeit zu optimieren, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Das modulare Design gewährleistet Flexibilität bei sich ändernden Testanforderungen, während die intuitive Simulink-Schnittstelle den Prüfprozess vereinfacht.
Zu den Merkmalen von Impedymes CHP gehören:
Die Emulationslösungen von Impedyme bilden MATLAB-Simulink-Modelle für Hochleistungstests im Multi-Megawatt-Bereich bei Bandbreiten bis zu 20 kHz nach. Über optische Verbindungen werden die Modelle auf die Cabinets übertragen und direkt für Tests bereitgestellt. Jedes Cabinet verfügt über mehrere optische Links mit Datenraten von bis zu 12,5 Gbit/s.
Für Simulationen mit extrem kurzen Zeitschritten unterstützt das System FPGA-basierte Tests, die Zeitschritte im Nanosekundenbereich ermöglichen. Aufgrund der deutlich höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit eines FPGA im Vergleich zu einer CPU wird eine verbesserte Echtzeit-Performance erreicht. Für Hochgeschwindigkeitsemulationen können die einzelnen FPGAs innerhalb der Einschübe miteinander kommunizieren. Die Tests erfolgen direkt auf Basis von Simulink-Designs. Zudem stehen zahlreiche vorgefertigte Modelle zur Verfügung, die an spezifische Anforderungen angepasst werden können. Bei gleichzeitiger Emulation von Ein- und Ausgangsseite eines Leistungssystems kann ein zirkulierender Leistungsfluss realisiert werden. Da die Leistung intern rezirkuliert wird, muss lediglich die Verlustleistung aus dem Netz zugeführt werden. Dadurch lassen sich die Leistungsanforderungen des Labors bei Tests großer Leistungssysteme erheblich reduzieren. Während der Echtzeit-Emulation sorgt ein integriertes Thermomanagement mit kombinierter Flüssigkeits- und Luftkühlung für eine effiziente Wärmeabfuhr, ohne dass zusätzliche Kühleinrichtungen erforderlich sind. Somit stellt Impedymes CHP eine leistungsfähige Lösung zur Echtzeit-Emulation entwickelter Microgrid-Modelle dar.
Nachdem die CHP-Technologie vorgestellt wurde, wird nun erläutert, wie Microgrids in Echtzeit emuliert werden können.
Fig 9. Microgrid Emulation: CHP Cabinet Configuration