Analyse des Parallelbetriebs mehrerer Energieumwandlungssysteme in einer Microgrid-Umgebung

Einführung

Die rasante Entwicklung von Mikronetzen als lokale Stromquellen, insbesondere im Kontext der neuen Energiebranche, hat die Entwicklung ausgefeilter Power Conversion Systems (PCS) erforderlich gemacht. Diese Systeme sind grundlegend, um die Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit der Stromversorgung innerhalb von Mikronetzumgebungen zu gewährleisten. Das PCS ist verantwortlich für die entscheidende Funktion, elektrische Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln und den Austausch von Energie zwischen dem Mikronetz und dem Hauptstromnetz zu steuern. Dieser Artikel befasst sich mit der experimentellen Analyse der PCS-Funktionalität, mit Schwerpunkt auf der Steuerung des Umschaltens zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb, der Synchronisation mit dem Netz sowie der Handhabung nichtlinearer Lasten und Oberschwingungen. Auch der Parallelbetrieb mehrerer PCS-Einheiten und deren gemeinsames Verhalten unter verschiedenen Betriebsszenarien in einer Mikronetzumgebung werden untersucht.

Steuerung des Umschaltens zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb

Die Fähigkeit, zwischen Netzbetrieb (Netzanschluss) und Inselbetrieb (isolierter Betrieb) umzuschalten, ist eine wesentliche Funktion von Power Conversion Systems. Diese Fähigkeit stellt sicher, dass das Mikronetz bei Bedarf unabhängig arbeiten kann, beispielsweise bei einem Ausfall des Hauptnetzes, und ansonsten für den Normalbetrieb mit dem Hauptnetz synchron bleibt.

Aktives Umschalten in den Inselbetrieb

Das aktive Umschalten in den Inselbetrieb beinhaltet einen nahtlosen Übergang vom Anschluss an das Hauptnetz zum unabhängigen Betrieb. Dieser Prozess erfordert, dass das PCS einen Netzausfall schnell erkennt und ohne wesentliche Unterbrechung der Last in den Inselbetrieb wechselt. Eine schnelle und genaue Erkennung von Netzstörungen wird durch eine Kombination aus Frequenz- und Amplitudenerkennungsmethoden erreicht. Für einen erfolgreichen Übergang muss die Umschaltzeit minimal sein, um die Auswirkungen auf die Stromqualität zu reduzieren und Unterbrechungen der angeschlossenen Lasten zu vermeiden. Der Übergangsprozess ist in Abbildung 1 dargestellt, die die Wellenformen der Phasenspannung und des Stroms während des aktiven Umschaltvorgangs zeigt.

Passives Umschalten in den Inselbetrieb

Im Gegensatz zum aktiven Umschalten wird das passive Umschalten in den Inselbetrieb durch die Erkennung anhaltender Spannungsschwankungen am Netzanschlusspunkt eingeleitet. Wenn die Spannung für mehrere aufeinanderfolgende Abtastpunkte über oder unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt oder steigt, deutet dies auf eine Trennung vom oder einen Ausfall des Hauptnetzes hin. Das PCS wechselt dann automatisch in den Inselbetrieb und sendet ein Signal zur Isolierung des Hauptnetzschalters, wodurch der passive Inselbetrieb realisiert wird. Abbildung 2 zeigt ein Wellenformdiagramm, das den Übergang vom Netzbetrieb in den passiven Inselbetrieb darstellt.

Synchrones Umschalten im Netzbetrieb

Der Rückwechsel in den Netzbetrieb aus dem Inselbetrieb erfordert eine präzise Synchronisation, um sicherzustellen, dass Spannung, Frequenz und Phase des Mikronetzes mit denen des Hauptnetzes übereinstimmen. Dies ist notwendig, um große Stromstöße zu vermeiden, die das PCS und andere angeschlossene Geräte beschädigen könnten. Es gibt zwei Hauptmethoden zur Synchronisation:

Passive Synchronisation: Diese Methode verwendet Schutzvorrichtungen, um den Netzanschluss zu ermöglichen. Das PCS wechselt während des Umschaltens von einem Spannungs-/Frequenzregelungsmodus in einen Konstantleistungsregelungsmodus. Eine Phasenregelung mittels Phasenregelkreis wird eingesetzt, um die Ausgangsspannung des PCS vor der Wiederverbindung mit der Netzspannung abzugleichen. Die Synchronisation mit einer Schutzvorrichtung ist in Abbildung 3 dargestellt, die die Wellenform des Umschaltens vom Inselbetrieb in den Netzbetrieb zeigt.

Automatische Synchronisation: Diese Methode ist unabhängig von einer externen Synchronisationsschutzvorrichtung. Stattdessen bestimmt das PCS autonom den Synchronisationspunkt durch Überwachung der Netzseitenspannung. Nach Erhalt eines Synchronisationsbefehls vom Steuerungssystem initiiert das PCS die Phasenverfolgung. Sobald die Synchronisation erreicht ist, gibt das PCS den Befehl zum Schließen des Netzanschlussschalters, womit der automatische Synchronisationsprozess abgeschlossen wird. Abbildung 4 zeigt den Ablauf der automatischen Synchronisationssteuerung.

Inselbetrieb mit nichtlinearen Lasten und Oberschwingungsunterdrückung

Im Inselbetrieb muss das PCS häufig große nichtlineare Lasten bewältigen, die zu erheblichen Spannungsverzerrungen führen können. Der V/f-Regelungsmodus wird häufig verwendet, wenn das PCS als primäre Energiequelle für das Mikronetz dient. Ohne geeignete Steuerungsmaßnahmen kann dies jedoch zu verzerrten Ausgangsspannungen und -strömen führen, insbesondere wenn auf Gleichrichter basierende elektrische Geräte ohne Oberschwingungskontrolle eingesetzt werden. Die Abbildungen 4 und 5 vergleichen die Ausgangsspannungswellenformen eines PCS mit nichtlinearer Last ohne bzw. mit Oberschwingungsunterdrückung.

Umschalten von Lasten im Inselbetrieb und Black-Start-Steuerung

Das PCS muss auch die dynamischen Lasten bewältigen, die beim Umschalten induktiver Elemente wie Reaktoren auftreten. Die Wellenform der Last während dieser Übergänge ist in Abbildung 7 dargestellt. Darüber hinaus spielt das PCS eine entscheidende Rolle bei Black-Start-Bedingungen, bei denen das Mikronetz ohne Unterstützung des Hauptnetzes neu gestartet werden muss. Abbildung 10 veranschaulicht den Lastabwurfprozess, der für einen erfolgreichen Black Start erforderlich ist, und zeigt die Wellenformen der Gleichspannung am Ausgang und der Ausgangsspannung des PCS.

Parallelbetrieb mehrerer Maschinen

Die Koordination mehrerer PCS-Einheiten im Parallelbetrieb ist entscheidend für die Stabilität und Zuverlässigkeit des Mikronetzes. Abbildung 11 zeigt den Parallelbetrieb von zwei 50-kW-PCS-Einheiten und einer 100-kW-PCS-Einheit unter wechselnden Lastbedingungen. Die Abbildung verdeutlicht, wie die Leistungsaufteilung und Spannungsstabilisierung gehandhabt werden, wenn ein PCS getrennt und anschließend wieder angeschlossen wird. Weiterhin demonstriert Abbildung 12 die Stabilität des Parallelsystems bei Einführung von ohmschen und Motorlasten und hebt die minimalen Auswirkungen auf Strom- und Spannungsschwankungen hervor.

Fazit

Der Parallelbetrieb mehrerer Power Conversion Systems innerhalb einer Mikronetzumgebung stellt verschiedene Herausforderungen dar, die umfassende Steuerungsstrategien für den Netz- und Inselbetrieb erfordern. Reibungslose und effiziente Übergänge zwischen diesen Betriebsarten sind entscheidend, um die Integrität der Stromversorgung zu erhalten und Unterbrechungen zu minimieren. Die effektive Handhabung nichtlinearer Lasten, die Oberschwingungsunterdrückung und die Synchronisation der PCS-Einheiten sind zentrale Aufgaben, die fortschrittliche Technologien und Steuerungsalgorithmen erfordern. Die in diesem Artikel diskutierte experimentelle Analyse dieser Systeme liefert wertvolle Einblicke in die Komplexität des Mikronetzmanagements und die entscheidende Rolle der PCS im sich wandelnden Umfeld der neuen Energiebranche.