Netzgekoppelte Wechselrichter für die Integration dezentraler Energiequellen und Echtzeit-Tests
Diese Seite zeigt, wie Impedymes Combined Hardware and Power Hardware-in-the-Loop (CHP)-Plattform netzgekoppelte Wechselrichter emuliert, um sie unter realitätsnahen Netzszenarien zu testen. Diese Wechselrichter sind entscheidend für die Integration dezentraler Energiequellen – wie Solar- oder Windenergie – in das Stromnetz, wobei gleichzeitig Netzqualität, Stabilität und Effizienz gewährleistet werden.
In dieser Darstellung erläutern wir die Rolle dieser Wechselrichter in modernen Energiesystemen und ihre Funktion bei der Einbindung dezentraler Energiequellen in das Netz. Um realistische Testbedingungen sicherzustellen, wird ein Netzemulator eingesetzt, der reale Netzverhalten nachbildet und eine detaillierte Analyse der Wechselrichterleistung ermöglicht. Darüber hinaus werden die entwickelten Modelle in Echtzeit emuliert und mit voller Leistungsstufe unter Verwendung von Impedymes CHP getestet.
Fig 1. Grid-Tie Inverter
In modernen Energiesystemen ist die Integration erneuerbarer Energiequellen und Speichersysteme von zentraler Bedeutung. Dreiphasige netzgekoppelte Wechselrichter mit Batteriespeicher bieten eine robuste Lösung zur Verbesserung der Netzstabilität, zur Maximierung der Nutzung erneuerbarer Energien und zur Sicherstellung einer zuverlässigen Stromversorgung.
Dreiphasige Wechselrichterregelung und Integration von Batteriespeichern
Das netzgekoppelte Wechselrichtersystem von Impedyme nutzt dreiphasige Leistungselektronik, um dezentrale Energiequellen mit dem Netz zu verbinden.
Diese Wechselrichter wandeln Gleichstrom (DC) aus Solarmodulen oder Batterien in netzkonformen Wechselstrom (AC) um und gewährleisten Synchronisation, Spannungsstabilität sowie eine effiziente Leistungsübertragung.
Durch die Umwandlung des von erneuerbaren Quellen erzeugten Gleichstroms in mit dem Netz kompatiblen Wechselstrom ermöglichen diese Wechselrichter die Integration erneuerbarer Energien in bestehende Infrastrukturen.
Über die reine Netzeinspeisung hinaus erweitert die Integration von Batteriespeichersystemen die Funktionalität dreiphasiger Wechselrichter erheblich. Batterien dienen als Energiespeicher, in denen überschüssige Energie aus Spitzenproduktionszeiten gespeichert wird. Diese gespeicherte Energie kann bei hoher Nachfrage oder geringer Erzeugung erneuerbarer Energie wieder abgegeben werden, wodurch Leistungsschwankungen ausgeglichen und die Netzstabilität verbessert werden.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt dreiphasiger netzgekoppelter Wechselrichter ist ihre Fähigkeit zur Blindleistungsregelung. Durch die aktive Steuerung des Blindleistungsflusses tragen sie zur Spannungsregelung, Leistungsfaktorkorrektur und allgemeinen Netzstabilität bei. Diese Funktion ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Netzzuverlässigkeit und optimalen Systemleistung.
Darüber hinaus können dreiphasige netzgekoppelte Wechselrichter mit Batteriespeicher zusätzliche netzstützende Funktionen bereitstellen, darunter Frequenzregelung, Spannungsstützung und Schwarzstartfähigkeit. Fortschrittliche Regelalgorithmen ermöglichen eine aktive Beteiligung an der Netzstabilisierung und unterstützen den Übergang zu einer intelligenteren und widerstandsfähigeren Energieinfrastruktur. Zusammenfassend spielen diese Wechselrichter durch ihre Fähigkeit zur Integration erneuerbarer Energiequellen, zur Speicherung überschüssiger Energie und zur Bereitstellung netzstützender Funktionen eine zentrale Rolle in modernen Stromversorgungssystemen.
Ein typisches Schaltbild eines dreiphasigen netzgekoppelten Wechselrichters ist in Abbildung 2 dargestellt.
Fig 2. Circuit Diagram of 3-Phase Grid-Tie Inverter System
Im Folgenden wird gezeigt, wie das Gesamtsystem – bestehend aus Batterie, Wechselrichter und Netz – in Simulink modelliert wird [1]. Simulink [1].
Fig 3. Simulink Implementation of Grid-Tie Inverter
Implementierung des Simulink-Modells
Modellierung des Batteriepakets
Das Simulink-Modell der Batterie ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Das Modell nutzt den Batteriestrom zur Schätzung des Ladezustands (State of Charge, SoC) und berechnet dynamisch die Leerlaufspannung in Abhängigkeit vom SoC. Dieser Coulomb-Zählansatz zeichnet sich durch seine Einfachheit aus und basiert hauptsächlich auf der Entladung des Batteriepakets.
$$
I_{\text{Battery}} = \frac{P_0}{V_{\text{DC,Battery}}}
$$
$$
\text{SoC}(t) = \text{SoC}_0 - \int I_{\text{Battery}}(t) \, dt
$$
Fig 4. Simulink Battery 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.
Modellierung des Wechselrichters
Der Betrieb eines Wechselrichters basiert auf grundlegenden Gleichungen, die sein Verhalten und seine Leistungsfähigkeit bestimmen.
In einem dreiphasigen System ist das Verhältnis zwischen Leiterspannung und Phasenspannung wesentlich. Es gilt: \( V_{\text{Phase}} = \frac{V_{\text{Line}}}{\sqrt{3}} \)
Dies bedeutet, dass die Phasenspannung dem Leiterspannungswert geteilt durch √3 entspricht und eine gleichmäßige Leistungsverteilung über die drei Phasen gewährleistet.
In einem symmetrischen dreiphasigen System entsprechen die Phasenströme den Leiterströmen: \( I_{\text{Phase}} = I_{\text{Line}} \).
Die Wirkleistung eines dreiphasigen netzgekoppelten Wechselrichters, bezeichnet mit P, ist ein zentraler Parameter zur Bewertung der Energieumwandlungseffizienz und wird wie folgt berechnet:
\( P = \sqrt{3} V_{\text{Phase}} I_{\text{Phase}} \cos\theta \)
Diese Gleichung berücksichtigt Phasenspannung, Phasenstrom und Leistungsfaktor cos θ. Die Wirkleistung stellt die tatsächlich an das Netz übertragene Leistung dar und versorgt elektrische Verbraucher.
Die Blindleistung Q ist entscheidend für Spannungsstabilität und Systemzuverlässigkeit und wird berechnet als:
\( Q = \sqrt{3} V_{\text{Phase}} I_{\text{Phase}} \sin\theta \)
Diese Gleichung beschreibt die Blindleistungsabgabe des Wechselrichters unter Berücksichtigung des Phasenwinkels θzwischen Spannung und Strom. Der Blindleistungsfluss unterstützt die Spannungsregelung und Blindleistungskompensation und ist für die Netzstabilität unerlässlich.
Zentral für diese Regelstruktur ist die P- und Q-Regelungsmethode, bei der die Ausgangsspannungen des Wechselrichters angepasst werden, um vorgegebene Sollwerte für Wirk- und Blindleistung zu verfolgen. Durch kontinuierliche Überwachung der Abweichung zwischen Ist- und Sollwerten wird eine korrekte Energieeinspeisung ins Netz sichergestellt.
Parallel dazu dient die Phasenregelungsschleife (Phase-Locked Loop, PLL) mit ABC-zu-DQ-Transformation als wesentliches Element zur Synchronisation mit der Netzspannung. Durch die präzise Erfassung von Phase und Frequenz der Netzspannung und deren Transformation in das DQ-Koordinatensystem wird eine entkoppelte Regelung von Wirk- und Blindleistung ermöglicht. Diese Transformation vereinfacht die Regelstruktur und erlaubt eine unabhängige Steuerung beider Leistungsanteile.
Zusätzlich unterstützt das Entkopplungssystem eine präzise Koordination zwischen Strom- und Spannungsreferenzen zur Erzeugung von Pulsweitenmodulationssignalen (PWM). Diese Signale steuern die Schaltvorgänge der Wechselrichterkomponenten und ermöglichen eine exakte Regelung der Ausgangsspannungen sowie eine nahtlose Netzintegration.
Insgesamt ermöglicht die Kombination aus P- und Q-Regelung, PLL mit ABC-zu-DQ-Transformation und Entkopplungssystem eine hochpräzise Steuerung dreiphasiger netzgekoppelter Wechselrichter. Diese komplexe Regelarchitektur gewährleistet einen effizienten Betrieb, eine zuverlässige Netzintegration und bildet die Grundlage für die breite Nutzung erneuerbarer Energien sowie eine nachhaltige Energiezukunft.
Fig 5. Simulink Inverter Model
Netzmodellierung
Real-time grid simulation is essential to test inverter performance under dynamic voltage and frequency conditions. Using Simulink’s 3-Phase Programmable Voltage Source and series impedance models, we emulate grid behaviors such as faults, frequency deviations, and voltage sags in a controlled test environment. Mithilfe der Simulink-Blöcke „3-Phase Programmable Voltage Source“ sowie Serienimpedanzmodellen werden Netzverhalten wie Fehlerfälle, Frequenzabweichungen und Spannungseinbrüche in einer kontrollierten Testumgebung emuliert.
Im Zentrum der Netzmodellierung steht der Block „3-Phase Programmable Voltage Source“, eine Simulink-Komponente, mit der die Eigenschaften der Netzspannungsquelle definiert werden können. Durch die Parametrierung von Spannungsamplitude, Frequenz und Phasenwinkel lassen sich unterschiedliche Netzbedingungen abbilden – vom Nennbetrieb bis hin zu Fehlerzuständen.
Die Integration des „3-Phase Programmable Voltage Source“-Blocks zusammen mit Serienimpedanzblöcken in Simulink bietet eine leistungsfähige Plattform zur Simulation und Analyse des Netzverhaltens. Durch Simulationen mit diesen Modellkomponenten können vielfältige Netzszenarien untersucht und die Systemleistung unter unterschiedlichen Bedingungen bewertet werden.
Fig 6. Simulink Grid Model
Nachdem nun alle Modelle erstellt wurden, erfolgt vor Beginn der Tests eine Einführung in die CHP-Technologie von Impedyme.
CHP-Technologie für die Prüfung netzgekoppelter Wechselrichter
Fig 7. Impedyme’s CHP Cabinet
CHP integriert nahtlos Hardware-in-the-Loop (HIL) und power hardware-in-the-loop (PHIL) und bietet dadurch höchste Genauigkeit und Effizienz in der Entwicklung elektrischer Antriebssysteme. Mit CHP können reale Szenarien präzise simuliert und netzgekoppelte Wechselrichtersysteme unter dynamischen Bedingungen getestet werden. Von Batteriesystemen bis zu Wechselrichtern ermöglicht CHP Herstellern die Leistungsoptimierung, Zuverlässigkeitssteigerung und Verkürzung der Markteinführungszeit. Das modulare Design gewährleistet Anpassungsfähigkeit an sich wandelnde Testanforderungen, während die intuitive Simulink-Schnittstelle den Prüfprozess vereinfacht.
Die CHP-Plattform eignet sich insbesondere zur Validierung netzgekoppelter Wechselrichter in komplexen Hochleistungs-Testumgebungen, einschließlich Netzstützfunktionen, Spannungsregelung und Integration erneuerbarer Energien.
Zu den Merkmalen von Impedymes CHP gehören:
Die Emulationslösungen bilden MATLAB-Simulink -Modelle für Hochleistungstests bis in den Multi-Megawatt-Bereich bei Bandbreiten bis zu 20 kHz nach. Über optische Verbindungen werden die Modelle auf die Cabinets übertragen und unmittelbar 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 mit Zeitschritten im Nanosekundenbereich. Aufgrund der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit bieten FPGAs gegenüber CPUs eine deutlich verbesserte Performance in der Echtzeit-Emulation. 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 im System rezirkuliert wird, muss lediglich die Verlustleistung aus dem Netz eingespeist werden. Dadurch reduzieren sich die Leistungsanforderungen des Labors bei Tests großer Leistungssysteme erheblich. Während der Echtzeit-Emulation sorgt ein integriertes Thermomanagement mit kombinierter Flüssigkeits- und Luftkühlung für eine effiziente Wärmeabfuhr, ohne dass zusätzliche Kühleinheiten erforderlich sind.
Auf dieser Grundlage wird das entwickelte Antriebsmodell mithilfe von Impedymes CHP in Echtzeit emuliert.
Fig 8. Grid-Tie Inverter Emulation: Impedyme’s CHP Connection Diagram
Nach der Entwicklung der netzgekoppelten Wechselrichtermodelle wird nun die Systemverschaltung für den Testprozess beschrieben. Der oberste Einschub (Drawer 1) ist dem Batteriemodell zugeordnet. Der zweite Einschub ist für den dreiphasigen Wechselrichter vorgesehen. Der dritte Einschub ist dem Netzmodell gewidmet. Die beiden untersten Einschübe enthalten Active-Front-End-Konverter, die die DC-Kopplung für die Emulation bereitstellen.
Die Leistungsanschlüsse befinden sich auf der Rückseite der Cabinets. Die DC-Versorgung aus dem Active-Front-End-Einschub wird dem Batterie-Einschub zugeführt. Die Batteriespannung speist anschließend den Eingang des dreiphasigen Wechselrichters. Der zweite Einschub emuliert den Wechselrichterbetrieb und wandelt die DC-Spannung der Batterie in dreiphasigen AC-Strom um, der an das darunterliegende Netzmodell weitergeleitet wird. Abschließend wird die DC-Kopplung vom Netzmodell zurück zum Active-Front-End-Einschub geführt, um einen zirkulierenden Leistungsfluss zu realisieren. Nach Abschluss der Verschaltung ist das System betriebsbereit für die Tests.
Emulationsparameter und Versuchsergebnisse
Die Systemparameter für das Experiment lauten wie folgt:
| Parameter | Value | Unit |
|---|---|---|
| \( V_{\text{Base}} \) | 207.9 | V |
| \( \text{Frequency} \) \ | 60 | Hz |
| \( \text{Phase Shift} \) \ | 0 | deg |
| \( P_{\text{Base}} \) | 150 | Nm |
| Parameter | Value | Unit |
|---|---|---|
| \( P_{\text{ref}} \) | 15 | kW |
| \( Q_{\text{ref}} \) | 0 | kW |
| \( L_{\text{filter}} \) | 10 | mH |
| \( R_{\text{filter}} \) | 5 | µΩ |
| Parameter | Value | Unit |
|---|---|---|
| \( \text{Capacity} \) | 200 | Ah |
| \( \text{Initial Voltage} \) | 700 | V |
| \( \text{Initial SoC} \) | 95% | - |
| \( \text{Initial SoH} \) | 85% | - |
Fig 9. Transient Response of the Emulation
Fig 10. Emulation Response for Step Power Change
Falls die Wechselrichter-Hardware bereits verfügbar ist, kann auch externe Hardware an Impedymes CHP angeschlossen werden, um die Dynamik des Systems zu testen.
Fig 11. Grid-Tie Inverter testing using Impedyme’s CHP
Die Rolle von Netzemulatoren bei der Prüfung von Wechselrichtern
Im anspruchsvollen Validierungs- und Prüfprozess netzgekoppelter Wechselrichtersysteme spielen Netzemulatoren eine unverzichtbare Rolle. Diese fortschrittlichen Systeme simulieren reale Bedingungen elektrischer Netze – einschließlich stationärer Zustände, transienter Ereignisse, Spannungseinbrüche, Frequenzschwankungen und sogar Fehlerfälle – in einer sicheren und kontrollierten Laborumgebung. Durch die Integration von Netzemulatoren in Impedymes Combined Hardware and Power Hardware-in-the-Loop (CHP)-Testumgebung können Ingenieure das Verhalten von Wechselrichtern unter vielfältigen und anspruchsvollen Betriebsbedingungen analysieren. Dies ermöglicht hochpräzise Tests der Regelalgorithmen, der Echtzeitsynchronisation sowie der Netzqualitätsleistung, ohne die Risiken und Unwägbarkeiten von Tests am realen Netz in Kauf nehmen zu müssen. Darüber hinaus unterstützen Netzemulatoren eine dynamische Rekonfiguration. Dadurch können schwache Netzbedingungen, Inselnetzerkennung sowie Wiederzuschaltprotokolle simuliert werden – alles wesentliche Anforderungen zur Einhaltung moderner Netzanschlussregeln und Interoperabilitätsstandards. Diese umfassende Testabdeckung unterstützt Hersteller und Entwickler dabei, sicherzustellen, dass ihre netzgekoppelten Wechselrichter nicht nur effizient, sondern auch robust, sicher und einsatzbereit für den Betrieb in verschiedensten Anwendungen erneuerbarer Energien sind.
Referenzen
[1] A. Bakeer, M. A. Ismeil und M. Orabi, „A Powerful Finite Control Set-Model Predictive Control Algorithm for Quasi Z-Source Inverter,“ in IEEE Transactions on Industrial Informatics, Bd. 12, Nr. 4, S. 1371–1379, Aug. 2016, doi: 10.1109/TII.2016.2569527.