Impedyme Netz-Emulator: Ihre Lösung für Oberschwingungsprüfungen und Netzqualität

Inhaltsverzeichnis

1 Impedyme Netz-Emulator: Ihre Lösung für Oberschwingungsprüfungen und Netzqualität
1.1 Einführung
1.1 Welche Probleme verursachen Oberschwingungen?
1.2 Verständnis von Oberschwingungen: Warum ein Oberschwingungstest wichtig ist
1.2.1 IEEE Std 519-2014 – Oberschwingungskontrolle in Stromsystemen
1.2.2 Highlights des Standards von 2014
1.2.3 Wie der Impedyme Netz-Emulator hilft
1.3
1.4 Impedyme GridSim Studio App: Netzverhalten und Oberschwingungsemulation
1.4.1 Zusammenfassung: Beitrag von GridSim Studio zur Oberschwingungsemulation
1.4.2 Wichtige Anwendungsfälle
1.4.3 Warum Impedyme wählen?
1.4.4 Fazit
1.4.5 Data Center Powershelf Testing with Grid Emulator and DC Load
1.4.6 De-Risking Hyperscale Data Center Interconnections Through Simulation-First Grid Stability Planning
1.4.7 Grid Simulator
1.4.8 Megawatt-Scale Testing Grid Forming with PHIL: Advanced Power Hardware-in-the-Loop Validation

Einführung

Mit der zunehmenden Integration nichtlinearer Verbraucher wie EV-Ladegeräte, Frequenzumrichter (VFDs), USV-Systeme und LED-Beleuchtung in Stromnetze werden Oberschwingungsverzerrungen zu einem wachsenden Problem für Ingenieure, Energieversorger und Gerätehersteller. Diese Verzerrungen verschlechtern nicht nur die Netzqualität, sondern reduzieren auch die Systemkapazität, senken die Effizienz und können zu Verstößen gegen die Norm IEEE 519-2014 führen. Ein präziser Oberschwingungstest ist entscheidend, um diese Probleme frühzeitig zu erkennen und die Einhaltung von Normen sicherzustellen.

Die Impedyme Netz-Emulator, Teil der regenerativen CHP-Serie, ist eine leistungsstarke FPGA-basierte Plattform zur Durchführung von gezielte Tests unter realistischen Bedingungen. Er stellt ein programmierbares, regeneratives Netz bereit, das Oberschwingungen einspeisen, verschiedene Netzimpedanzszenarien simulieren und normbasierte Prüfungen für Komponenten von Energiesystemen durchführen kann.

Welche Probleme verursachen Oberschwingungen?

Laut dem Whitepaper Harmonic Solutions Explainedvon Eaton können Oberschwingungen zu folgenden Problemen führen:

Überhitzung von Motoren, Transformatoren und Kabeln
Vorzeitiger Ausfall von Kondensatoren oder Sicherungen
Unerwünschtes Auslösen von Schutzschaltern
Zusätzliche Verluste in Transformatoren und Kabeln
Spannungseinbrüche (Notching), Verzerrungen der Signalform und Flackern von LED-Beleuchtung
Instabilität von USV-Anlagen und Generatoren

Verständnis von Oberschwingungen: Warum ein Oberschwingungstest wichtig ist

Oberschwingungen sind hochfrequente Verzerrungen von Strom und Spannung, die durch nichtlineare Lasten wie Frequenzumrichter, Gleichrichter, Schaltnetzteile und LED-Beleuchtung entstehen. Ein Oberschwingungstest hilft, diese Verzerrungen frühzeitig zu erkennen und Probleme wie Stromerwärmung, Spannungsstörungen und Fehlfunktionen angeschlossener Geräte zu vermeiden.

Typische Symptome von Oberschwingungen

Geräteausfälle und Fehlfunktionen

Überhitzung von Motoren, Transformatoren und Kabeln
Hörbares Brummen oder Summen bei Transformatoren und rotierenden Maschinen
Vibrationen in Motoren durch verzerrte Magnetfelder
Unregelmäßiges Verhalten von SPS, Computern oder LED-Beleuchtung
Unerwünschtes Auslösen von Schutzschaltern
Spannungseinbrüche und Anomalien in der Signalform
Zeitfehler in digitalen Steuerungssystemen

Wirtschaftliche Verluste und Effizienzeinbußen

Erhöhte I²R-Verluste in Leitern und Transformatoren
Leistungsreduzierung von Transformatoren und Generatoren
Überdimensionierung von Kabeln, Transformatoren und USV-Anlagen
Reduzierter Wirkungsgrad von Motoren
Strafgebühren von Energieversorgern bei übermäßigen Oberschwingungen, die in gezielte Tests

Herausforderungen bei der Blindleistungskompensation

Ausfall von Kondensatoren durch Resonanz mit Oberschwingungen
Auslösen von Schutzschaltern in Kondensatorbänken
Resonanzen zwischen Kondensatoren und Systeminduktivitäten

Fehlinterpretation von Oberschwingungen

Fehlalarme durch neue Messgeräte mit THD-Anzeige
Zu konservative Auslegung der IEEE-519-Richtlinien
Unnötige Lösungen durch „Angstmarketing“ in der Branche

IEEE Std 519-2014 – Oberschwingungskontrolle in Stromsystemen

Der IEEE-Standard 519-2014 gibt Richtlinien für den Umgang mit Oberschwingungen in elektrischen Energiesystemen vor. Im Gegensatz zur früheren Version von 1992, die deutlich detaillierter war, verfolgt die Aktualisierung von 2014 einen praxisorientierten Ansatz mit klar definierten Grenzwerten für Oberschwingungsverzerrungen. Ziel ist es, eine gute Netzqualität sicherzustellen und zu verhindern, dass die Anlagen eines Nutzers andere Teilnehmer im selben Versorgungsnetz negativ beeinflussen.

Highlights des Standards von 2014:

Das Dokument wurde auf 17 Seiten reduziert und legt den Schwerpunkt auf praktische Grenzwerte statt auf theoretische Grundlagen.
Oberschwingungsgrenzwerte werden am Point of Common Coupling (PCC)festgelegt – also am Netzanschlusspunkt des Nutzers – und nicht für jede einzelne Last.
Es wird berücksichtigt, dass Oberschwingungen zeitlich variieren, daher sind kurzfristige Abweichungen von den Grenzwerten zulässig.
Der Fokus liegt auf der Spannungsverzerrung. Grenzwerte für Stromverzerrungen sind enthalten, dienen jedoch hauptsächlich dazu, die Spannungsverzerrung zu begrenzen.

Spannungs-THD-Grenzen am PCC

Voltage Level	Max THD (%)
≤ 1 kV	8.0
1 kV – 69 kV	5.0
69 kV – 161 kV	2.5
> 161 kV	1.5

Strom-TDD-Grenzen (basierend auf dem Verhältnis ISC/IL)

ISC/IL Ratio	Max TDD (%)
< 20	5.0
20 – 50	8.0
50 – 100	12.0
100 – 1000	15.0
> 1000	20.0

Wie der Impedyme Netz-Emulator hilft

Oberschwingungseinspeisung und -analyse

Durch seinen FPGA-basierten Echtzeitkern kann der Impedyme Netz-Emulator gezielte Oberschwingungsprofile einspeisen, VFD-Wellenformen simulieren und die Systemrobustheit unter verschiedenen Verzerrungsszenarien testen.

IEEE-519-Konformitätsprüfung

Validierung der Oberschwingungspegel am PCC durch gezielte Tests
Vermeidung von Überdimensionierung durch Fokussierung auf notwendige Gegenmaßnahmen

Netzimpedanzmodellierung

Simulation starker oder schwacher Netze während Oberschwingungstest .
Analyse von Oberschwingungsausbreitung und Resonanzen

Validierung von Gegenmaßnahmen

Testen von Filtern, Netzdrosseln, AFE-Antrieben und USV-Systemen hinsichtlich ihres Verhaltens bei Oberschwingungen. Vergleich verschiedener Lösungen vor dem Einsatz in realen Anwendungen.

Impedyme GridSim Studio App: Netzverhalten und Oberschwingungsemulation

Hochpräzise Netzimpedanzmodellierung

GridSim Studio ermöglicht die Echtzeitsimulation von Netzimpedanzen, sodass Ingenieure das Verhalten von starken, schwachen oder dynamisch veränderlichen Stromnetzen mit FPGA-Genauigkeit nachbilden können. Dazu gehört auch die Simulation komplexer Wechselwirkungen zwischen Quellen, Lasten und Netzinfrastruktur – entscheidend für realistische Tests in Hardware-in-the-Loop (HIL) und Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) Oberschwingungstest .

Fähigkeiten zur Oberschwingungseinspeisung

GridSim Studio kann spannungsseitige Wellenformen mit Oberschwingungsanteilen erzeugen, indem gezielt einzelne Harmonische (z. B. 3., 5., 7. Ordnung) Oberschwingungstest eingespeist werden, um:

Verzerrte Spannungsverläufe zu simulieren
Die Konformität von Geräten unter Oberschwingungsbelastung zu prüfen
Filterleistung und Systemstabilität zu validieren
Diese Funktionen sind entscheidend für die Validierung von Wechselrichtern und netzgekoppelten Systemen unter realistischen Bedingungen.

Mikronetz- und PHIL-Anwendungen

Bei der Emulation von Mikronetzen bildet GridSim Studio Übergänge zwischen Inselbetrieb und Netzparallelbetrieb realitätsnah nach. Es modelliert präzise die Auswirkungen von Oberschwingungserzeugern in dynamischen Umgebungen. Anwendungsbereiche umfassen:
Tests von Mikronetz-Controllern
Integration erneuerbarer Energien und Speichersysteme
Fehlersimulationen und Untersuchungen von Oberschwingungsresonanzen

FPGA-basierte, Simulink-integrierte Tests

GridSim Studio läuft auf FPGA-Hardware und ermöglicht Simulationsschritte im Nanosekundenbereich. Mit optischen Kommunikationsschnittstellen und Echtzeit-Simulink-Unterstützung können Ingenieure:
Wellenformeigenschaften präzise steuern
Oberschwingungen gemäß Testprofilen einspeisen
Wiederverwendbare Modelle für Netzvalidierung und Normprüfung erstellen

Vorteile für Oberschwingungstestszenarien

Die Plattform unterstützt umfassende Oberschwingungstests:
Bewertung von AFE-Umrichtern, USV-Systemen sowie passiven und aktiven Filtern
Analyse von Resonanzbedingungen und Wechselwirkungen mit der Netzimpedanz
Validierung der Einhaltung von IEEE 519-2014

Zusammenfassung: Beitrag von GridSim Studio zur Oberschwingungsemulation

Funktion	Nutzen für Oberschwingungstests
Echtzeit-Impulsmodellierung der Netzimpedanz	Simulation realistischer Netzumgebungen (stark/schwach)
FPGA-basierte Wellenformsteuerung	Präzises Einspeisen und Manipulieren von Oberschwingungskomponenten
Simulink-Integration	Interaktive Anpassung von Testfällen und Netzdynamiken
Mikronetz-Validierung	Untersuchung der Auswirkungen von Oberschwingungen in netzen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
PHIL-Fähigkeit	Sichere Validierung von Hardware gegenüber verzerrten Netzspannungen

Wichtige Anwendungsfälle

Konformitätsprüfung von EV-Ladegeräten unter verzerrten Netzbedingungen
Tests industrieller Motorantriebe
Verifikation von USV-Designs
EMV-Tests in der Luft- und Raumfahrt
Analyse der Netzqualität und Oberschwingungstest für Rechenzentren

Warum Impedyme wählen?

Regenerative, bidirektionale Plattform
Echtzeit-Erzeugung und -Erfassung von Wellenformen
MATLABIntegration mit MATLAB, Simulink und MotorSim Studio
Modellierung von Netzimpedanz und Oberschwingungen

Fazit

Der Impedyme Netz-Emulator und GridSim Studio bieten Ingenieuren, Forschern und Herstellern die Präzision, Flexibilität und Realitätsnähe, die erforderlich sind, um die Netzqualität in zunehmend komplexen elektrischen Systemen zu bewerten und zu verbessern. Durch die Kombination von FPGA-basierter Steuerung, regenerativem Betrieb und umfassender Netzmodellierung liefert diese Plattform zuverlässige Ergebnisse bei gleichzeitig reduzierten Entwicklungszeiten und -kosten. Ob für Konformitätsprüfungen, Leistungsoptimierung oder Innovationen bei der Integration erneuerbarer Energien – sie stellt eine vollständige, zukunftssichere Lösung für alle Oberschwingungstest Szenarien dar.