Untersuchung der Dynamik des Übergangs von netzgebundenen zu netzunabhängigen Stromwandlungssystemen

Einführung in Power Conversion Systems (PCS) und deren Bedeutung

Power Conversion Systems (PCS) sind integrale Bestandteile moderner Energiesysteme und übernehmen die wichtige Funktion, elektrische Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Diese Systeme sind entscheidend für die Integration erneuerbarer Energiequellen, das Management von Energiespeichern sowie die Sicherstellung einer konstanten Energiequalität und -versorgung. PCS sind so konzipiert, dass sie sowohl im netzgekoppelten als auch im netzunabhängigen Betrieb arbeiten können, wodurch die Energieversorgung auch bei Netzstörungen oder Ausfällen gewährleistet bleibt.

Die Fähigkeit der PCS, nahtlos zwischen netzgekoppeltem und netzunabhängigem Betrieb zu wechseln, ist nicht nur eine Annehmlichkeit, sondern eine entscheidende Voraussetzung für die Resilienz von Energiesystemen, insbesondere angesichts der zunehmenden Häufigkeit extremer Wetterereignisse und Cyberangriffe. Die an PCS-Funktionen durchgeführten Experimente liefern wertvolle Einblicke in die Dynamik dieser Übergänge und verdeutlichen die technologischen Fortschritte auf diesem Gebiet.

Steuerung des Wechsels zwischen netzgekoppeltem und netzunabhängigem Betrieb

Der Übergang zwischen netzgekoppeltem und netzunabhängigem Betrieb kann in zwei Typen unterteilt werden: aktives und passives Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb.

Aktives Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb

Das aktive Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb zeichnet sich durch einen nahtlosen Übergang vom netzgekoppelten in den netzunabhängigen Zustand aus. Dieser Prozess ist essenziell bei plötzlichen Netzausfällen. In solchen Fällen muss das Energiespeichersystem innerhalb des PCS den Ausfall schnell erkennen und in den netzunabhängigen Betriebsmodus wechseln. Die Übergangszeit muss kurz sein, um Unterbrechungen in der Stromversorgung zu minimieren.

Zur effektiven Steuerung dieses Übergangs wird eine Kombination aus Frequenz- und Amplitudenerkennungsmethoden eingesetzt. Diese Methoden ermöglichen eine umfassende Beurteilung und schnelle Erkennung von Netzfehlern, wodurch ein reibungsloser und störungsfreier Umschaltvorgang gewährleistet wird. Abbildung 1 zeigt das Wellenformdiagramm eines aktiven Übergangs vom netzgekoppelten in den netzunabhängigen Betrieb und stellt die kritischen Parameter wie Phasenspannung und Phasenstrom während des Umschaltens dar.

Passives Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb

Im Gegensatz dazu ist das passive Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb eine weitere Methode für den Übergang vom netzgekoppelten in den netzunabhängigen Modus, die eine passive Steuerungsstrategie verwendet. Hier überwacht das PCS die Spannung am Netzanschlusspunkt (Vm). Fällt oder steigt die Spannung an diesem Punkt über einen festgelegten Schwellenwert für eine vordefinierte Anzahl aufeinanderfolgender Abtastpunkte, deutet dies auf eine Trennung oder einen Ausfall des Hauptnetzes hin. Das PCS wechselt dann automatisch in den netzunabhängigen Steuerungsmodus und löst die Trennung des Hauptnetzschalters aus, um den passiven netzunabhängigen Betrieb zu realisieren. Abbildung 2 zeigt die Wellenform dieses Prozesses und veranschaulicht das Spannungsverhalten während des Übergangs.

Synchronisierte Steuerung beim Netzanschluss

Die Wiederanbindung an das Netz aus dem netzunabhängigen Zustand erfordert eine sorgfältige Synchronisation, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung des PCS in Amplitude, Frequenz und Phase mit der Netzspannung übereinstimmt. Dies ist entscheidend, um übermäßige Einschaltströme zu vermeiden, die die Sicherheit des Umrichters gefährden könnten. Es werden hauptsächlich zwei Methoden verwendet:

Die passive Synchronisation nutzt ein Schutzgerät für das Schließen der Netzverbindung. Der Energiespeicherumrichter wechselt während des Übergangs vom Spannungs-/Frequenz-(V/f)-Steuerungsmodus in einen Konstantleistungsmodus. Ein Synchronisationsschutzgerät unterstützt diesen Prozess, wobei das Schutzgerät in Echtzeit beurteilt, ob die Bedingungen für ein sofortiges Schließen erfüllt sind. Abbildung 3 zeigt das Wellenformdiagramm des Umschaltens vom netzunabhängigen in den netzgekoppelten Betrieb.

Die automatische Synchronisationssteuerung ermöglicht es dem PCS, den Synchronisationspunkt eigenständig zu bestimmen, ohne auf ein separates Synchronisationsschutzgerät angewiesen zu sein. Es verfolgt die Netzseitenspannung und startet nach Erhalt eines Synchronisationsbefehls die Phasenverfolgung. Nach Abschluss der Verfolgung wird ein Netzanschluss-Schaltbefehl ausgegeben und der entsprechende Leitungsschalter geschlossen, um die automatische Synchronisation zu erreichen. Abbildung 4 zeigt diesen Prozess der automatischen Synchronisationssteuerung.

Umgang mit nichtlinearen Lasten im netzunabhängigen Betrieb und Harmonische Unterdrückung

Im netzunabhängigen Betrieb kann das PCS auf nichtlineare Lasten treffen, die zu erheblichen Spannungsverzerrungen führen können. Diese Verzerrungen sind unerwünscht, da sie die Qualität der Stromversorgung beeinträchtigen und empfindliche Geräte beschädigen können. Zur Minderung dieser Effekte werden Harmonische Unterdrückungsmethoden eingesetzt, um eine saubere und stabile Ausgangsspannungswellenform auch unter nichtlinearen Lastbedingungen sicherzustellen. Die Abbildungen 5 und 7 zeigen die Wellenformverbesserungen durch Harmonische Unterdrückungstechniken sowie die Lastwellenform eines Schaltreaktors im netzunabhängigen Betrieb unter Last.

Black-Start-Steuerung im netzunabhängigen Betrieb

Im Falle eines vollständigen Systemausfalls oder „Blackouts“ muss das PCS in der Lage sein, einen Black Start durchzuführen. Dieser Prozess beinhaltet das schrittweise Wiederhochfahren von Teilen des Energiesystems ohne externe Stromversorgung. Abbildung 10 veranschaulicht die Lastabwurfstrategie, die während eines Black Starts angewendet wird, und zeigt die Gleichstrom-Ausgangsspannungswellenform sowie die PCS-Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Lasten.

Parallele Mehrmaschinenprüfung

Die Zuverlässigkeit und Effektivität von PCS werden auch in parallelen Mehrmaschinenkonfigurationen getestet. Abbildung 11 und Abbildung 12 zeigen die Leistung mehrerer PCS-Einheiten, die parallel unter verschiedenen Lastbedingungen betrieben werden. Diese Abbildungen demonstrieren die Leistungsbalance und den stabilen Betrieb der PCS-Einheiten bei der Einführung von Stoßlasten, wie dem Anlauf von Motoren, sowie die Leistungsangleichung zwischen den Einheiten, wenn eine Einheit abgeschaltet und anschließend wieder zugeschaltet wird.

In diesen Tests müssen die PCS-Einheiten zusammenarbeiten, um die Systemstabilität aufrechtzuerhalten und ihre Ausgangsleistung in Echtzeit an die dynamischen Laständerungen anzupassen. Die Wellenformen von Spannung und Strom an den verschiedenen Stationen (A, B und C) zeigen die Komplexität des Parallelbetriebs und die ausgefeilten Steuerungsmechanismen, die notwendig sind, um Überlastungen zu vermeiden und eine stabile Stromversorgung sicherzustellen.

Fazit

Der Übergang von netzgekoppeltem zu netzunabhängigem Betrieb bei Power Conversion Systems stellt ein zentrales Forschungs- und Entwicklungsfeld im Energiesektor dar. Die Fähigkeit, nahtlos zwischen diesen Zuständen zu wechseln, gewährleistet eine zuverlässige und effiziente Stromversorgung, unabhängig von der Netzstabilität. Die an PCS-Funktionen durchgeführten Experimente, einschließlich aktivem und passivem Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb, Synchronisationssteuerung, Harmonische Unterdrückung, Black Start im netzunabhängigen Betrieb und parallelem Mehrmaschinenbetrieb, demonstrieren die fortschrittlichen Fähigkeiten moderner PCS. Diese Systeme bilden eine robuste Grundlage für widerstandsfähige und flexible Stromnetze der Zukunft, die die zunehmende Integration erneuerbarer Energiequellen und die sich wandelnden Anforderungen der Energieverbraucher berücksichtigen.