Bewältigung nichtlinearer Lasten und Harmonische Minderung in netzunabhängigen Stromwandlungssystemen

Einführung

Die sich ständig weiterentwickelnde Energiebranche setzt zunehmend auf netzunabhängige Energieumwandlungssysteme (PCS), um eine zuverlässige und nachhaltige Energieversorgung sicherzustellen, insbesondere in abgelegenen Gebieten oder dort, wo die Netzstabilität problematisch ist. Energieumwandlungssysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Übergangs zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb, der Aufrechterhaltung der Energiequalität und der Gewährleistung eines nahtlosen Betriebs der angeschlossenen Lasten. In diesem Artikel beleuchten wir die wesentlichen Funktionen von PCS, die Feinheiten der Umschaltsteuerung zwischen Netz- und Inselbetrieb sowie die Strategien zur Handhabung nichtlinearer Lasten und zur Harmonischenminderung.

Umschaltsteuerung zwischen Netz- und Inselbetrieb

Die Umschaltsteuerung steht im Mittelpunkt der PCS-Funktionalität und lässt sich in zwei Hauptmodi unterteilen: aktiv und passiv.

Aktive Umschaltung im Inselbetrieb

Die aktive Umschaltung im Inselbetrieb ist eine wichtige Funktion, die einen nahtlosen Übergang vom Netzbetrieb zum Inselbetrieb ermöglicht. Im Falle eines Netzausfalls ist das Energiespeichersystem innerhalb des PCS darauf ausgelegt, diesen schnell zu erkennen und in den Inselbetrieb zu wechseln. Die Übergangszeit muss minimiert werden, um Unterbrechungen der Stromversorgung und Auswirkungen auf die angeschlossenen Lasten zu reduzieren. Die aktive Umschaltung im Inselbetrieb verwendet eine Kombination aus Frequenz- und Amplitudenerkennung, um Netzfehler schnell zu beurteilen und zu erkennen. Dies gewährleistet einen reibungslosen und störungsfreien Umschaltvorgang, wie in Abbildung 1 dargestellt, die die Wellenform der aktiven Umschaltung zeigt.

Passive Umschaltung im Inselbetrieb

Im Gegensatz dazu beinhaltet die passive Umschaltung im Inselbetrieb eine Steuerungsstrategie, die auf eine vordefinierte Bedingung wartet, um den Übergang auszulösen. Das PCS überwacht die Spannung am Netzanschlusspunkt (Vm), und wenn die Spannung an N aufeinanderfolgenden Abtastpunkten über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, wird dies als Hinweis auf eine Netztrennung oder einen Netzausfall gewertet. Das PCS wechselt dann automatisch in den Inselbetriebsmodus und sendet ein Signal zum Trennen des Hauptnetzschalters, womit der passive Inselbetriebsprozess abgeschlossen ist. Abbildung 2 zeigt das Wellenformdiagramm dieses passiven Umschaltmodus.

Synchronisierte Netzanschluss-Umschaltsteuerung

Beim Wiederanschluss an das Versorgungsnetz aus dem Inselbetrieb ist Synchronisation entscheidend, um schädliche Überspannungen zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten. Es werden zwei Formen der Netzanschluss-Umschaltsteuerung eingesetzt: passive und automatische Synchronisation.

Passive Synchronisation

Die passive Synchronisation nutzt ein Schutzgerät, das den Netzanschluss ermöglicht. Der Energiespeicherwandler wechselt vom Spannungs-/Frequenz-(V/f)-Steuermodus in einen Konstantleistungsmodus. Vor dem Netzanschluss wird eine Phasenregelkreis-Nachführung eingesetzt, um die Ausgangsspannung des Wandlers in Amplitude, Frequenz und Phase an die Netzspannung anzupassen. Ein Synchronisationsschutzgerät unterstützt den Netzanschluss, indem es dem PCS die erforderlichen Spannungs- und Frequenzdaten liefert. Nach Erfüllung der Schließbedingungen wechselt das PCS nach Abschluss der Synchronisation in einen Bereitschaftszustand, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Automatische Synchronisation

Die automatische Synchronisation benötigt kein separates Synchronisationsschutzgerät. Stattdessen bestimmt das PCS den Synchronisationspunkt eigenständig. Nach Erhalt eines Synchronisationsbefehls beginnt das PCS mit der Phasenverfolgung auf der Netzseite und gibt einen Netzanschluss-Schließbefehl aus, um die automatische Synchronisation abzuschließen, wie im Steuerungsprozess in Abbildung 4 dargestellt.

Nichtlineare Lasten und Harmonische Beseitigung im Inselbetrieb

Wenn PCS-Systeme auf nichtlineare Lasten treffen, die in Mikronetzen häufig vorkommen, entstehen erhebliche Herausforderungen. Nichtlineare Lasten können zu starken Verzerrungen der Spannungswellenform führen, wie in Abbildung 5 gezeigt. Zur Minderung dieser Verzerrungen und zur Aufrechterhaltung der Energiequalität werden Harmonische Unterdrückungsmethoden eingesetzt. Abbildung 5 vergleicht die Ausgangsspannungswellenform eines PCS mit nichtlinearer Last im Inselbetrieb mit und ohne Harmonische Unterdrückung.

Last im Inselbetrieb

Die Leistung des PCS unter variierenden Lasten ist entscheidend. Abbildung 7 zeigt die Lastwellenform eines Schaltreaktors, wenn das System im Inselbetrieb und unter Last ist, und unterstreicht die Bedeutung einer effektiven Lastübergangssteuerung.

Black-Start-Steuerung im Inselbetrieb

Die Fähigkeit zum Black Start – dem Neustart des PCS nach einem vollständigen Stromausfall – ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Resilienz. Abbildung 10 zeigt die Lastabwurfstrategie, die für einen erfolgreichen Black Start erforderlich ist, und präsentiert die Gleichspannungs-Ausgangsspannungswellenform zusammen mit der PCS-Ausgangsspannung für eine Kombination aus Motor- und Widerstandslast.

Parallelbetrieb mehrerer Maschinen

Die Fähigkeit, mehrere PCS-Einheiten parallel zu betreiben, ist für Skalierbarkeit und Redundanz unerlässlich. Abbildung 11 zeigt die Wellenform von drei PCS-Einheiten (zwei mit 50 kW und eine mit 100 kW), die parallel mit einer 36 kW einstellbaren RLC-Last betrieben werden. Die Leistungsverteilung auf die Einheiten wird dargestellt, und die Abbildung zeigt, wie die PCS die Leistungsaufteilung anpassen können, wenn eine Einheit getrennt und anschließend wieder angeschlossen wird. Dies gewährleistet einen stabilen Betrieb im Mikronetz.

Abbildung 12 veranschaulicht die Robustheit des parallelen PCS-Betriebs weiter, diesmal mit einer ohmschen Last und dem Anlauf einer Motorlast. Der minimale Einschaltstrom und die geringe Spannungsschwankung in der Abbildung unterstreichen die Fähigkeit des PCS, dynamische Lasten reibungslos zu bewältigen.

Fazit

Netzunabhängige Energieumwandlungssysteme sind das Herzstück moderner Mikronetze und entlegener Energieversorgungslösungen. Der nahtlose Wechsel zwischen Netz- und Inselbetrieb, die effektive Handhabung nichtlinearer Lasten und die Harmonische Minderung sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Energiequalität und die Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Durch innovative Steuerungsstrategien und fortschrittliche Synchronisationstechniken entwickelt sich die PCS-Technologie stetig weiter und bietet robuste Lösungen für die komplexen Energieanforderungen der heutigen Welt. Die hier vorgestellten Experimente und Wellenformanalysen zeigen die Raffinesse und Leistungsfähigkeit der aktuellen PCS-Technologie, um diese Herausforderungen direkt anzugehen und den Weg für eine widerstandsfähigere und nachhaltigere Energiezukunft zu ebnen.