Synchronisierung von Energiespeicherwandlern mit dem Netz: Methoden und Verfahren

Die Integration erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz hat die Entwicklung fortschrittlicher Energiespeichersysteme erforderlich gemacht, wobei Power Conversion Systems (PCS) eine zentrale Rolle spielen. Diese Systeme sind entscheidend, um eine stabile Stromversorgung aufrechtzuerhalten und einen nahtlosen Übergang zwischen netzgebundenem und netzunabhängigem Betrieb zu gewährleisten. Dieser Artikel behandelt die verschiedenen Methoden und Prozesse zur Synchronisation von Energiespeicherwandlern mit dem Netz.

 

Einführung in PCS und seine wichtige Funktionalität in Experimenten

 

PCS ist eine Technologie, die integraler Bestandteil der Funktionalität von Energiespeichersystemen ist. Sie dient als Brücke zwischen den Speicherelementen und dem Stromnetz. Die Hauptfunktionen eines PCS umfassen die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom (und umgekehrt), die Sicherstellung der Stromqualität sowie die Steuerung des Energieflusses zum und vom Netz. Fortgeschrittene PCS-Einheiten sind in der Lage, komplexe Experimente durchzuführen, um diese Funktionen zu testen und zu verbessern, wodurch die Zuverlässigkeit und Effizienz von Energiespeichersystemen insgesamt gesteigert wird.

 

Netzgebundene und netzunabhängige Umschaltsteuerung

 

Die Fähigkeit eines PCS, zwischen netzgebundenem und netzunabhängigem Betrieb umzuschalten, ist für die Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen unerlässlich. Hierfür werden zwei Steuerungsstrategien eingesetzt: aktiv und passiv.

 

Aktive netzunabhängige Umschaltung

 

Die aktive netzunabhängige Umschaltung erfolgt, wenn im Netz ein Fehler oder eine Instabilität erkannt wird. Das PCS muss dieses Problem schnell identifizieren und in den netzunabhängigen Betriebsmodus wechseln, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherzustellen. Der Umschaltvorgang muss zügig erfolgen, um die Auswirkungen auf die Last und die Kontinuität der Stromversorgung zu minimieren.

 

Der Prozess umfasst typischerweise die Erkennung von Anomalien in Frequenz und Amplitude der Netzspannung. Durch die Kombination beider Erkennungsmethoden kann ein PCS Netzfehler umfassend beurteilen und schnell erkennen. Dies ermöglicht einen reibungslosen Übergang ohne nennenswerte Auswirkungen auf Last oder Stromversorgung. Abbildung 1 zeigt das Wellenformdiagramm eines aktiven Moduswechsels von netzgebunden zu netzunabhängig und unterstreicht die Bedeutung der Aufrechterhaltung einer Phasenspannung und eines Phasenstroms, die den Anforderungen des netzunabhängigen Betriebs entsprechen.

 

Passive netzunabhängige Umschaltung

 

Im Gegensatz dazu wird die passive netzunabhängige Umschaltung eingeleitet, wenn die Spannung am Netzanschlusspunkt für eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Abtastpunkte über oder unter einen Schwellenwert fällt oder steigt. Dies weist darauf hin, dass das Hauptnetz entweder vom Mikrogrid getrennt ist oder ausgefallen ist. Das PCS wechselt dann automatisch in den netzunabhängigen Steuerungsmodus und löst die Trennung des Hauptnetzschalters aus. Dieser passive netzunabhängige Modus ist in Abbildung 2 dargestellt und zeigt den nahtlosen Übergang sowie die Bedeutung der Erkennung von Spannungsänderungen am Netzanschlusspunkt.

 

Synchronisierte netzgebundene Umschaltsteuerung

 

Die Wiederverbindung mit dem Netz, also die Netzsynchronisation, ist ebenso wichtig und kann durch passive oder automatische Steuerung erreicht werden.

 

Passive Synchronisations-Netzgebundene Steuerung

 

Die passive Synchronisation nutzt ein Schutzgerät zur Steuerung der Netzverbindung. Vor der Wiederverbindung mit dem Netz muss der Energiespeicherwandler seine Ausgangsspannung in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Phase mit der Netzspannung synchronisieren. Dies wird durch eine phasenregelnde Schleifenverfolgungssteuerung erreicht. Abbildung 3 zeigt den Prozess und betont die Rolle des Synchronisationsschutzgeräts sowie die Bedingungen für eine sichere Wiederverbindung mit dem Netz.

 

Automatische Synchronisations-Netzgebundene Steuerung

 

Die automatische Synchronisationssteuerung ermöglicht es dem PCS, den Synchronisationspunkt eigenständig zu bestimmen, ohne auf ein externes Synchronisationsschutzgerät angewiesen zu sein. Das PCS erkennt die netzseitige Spannung und beginnt nach Erhalt eines Synchronisationsbefehls vom Überwachungssystem mit der Verfolgung der Netzphase. Nach Abschluss der Phasenverfolgung wird der netzgebundene Schaltbefehl ausgegeben und der Schalter geschlossen, um die Synchronisation mit dem Netz zu erreichen. Dieser Prozess ist in Abbildung 4 dargestellt.

 

Netzunabhängige Handhabung nichtlinearer Lasten und Harmonische Eliminierung

 

Wenn ein Energiespeichersystem mit PCS netzunabhängig mit einer großen nichtlinearen Last betrieben wird, kann die Ausgangsspannung erheblich verzerrt werden. Dies ist besonders problematisch, wenn Gleichrichter-Elektrogeräte unkontrolliert sind. Methoden zur Harmonischen Unterdrückung müssen eingesetzt werden, um die Stromqualität zu gewährleisten und Schäden an empfindlichen Geräten zu verhindern. Die Abbildungen 4 und 5 vergleichen die Ausgangsspannungswellenformen mit und ohne Harmonische Unterdrückung und zeigen die Wirksamkeit dieser Methoden.

 

Netzunabhängige Umschaltlast

 

Die Fähigkeit, Umschaltlasten im netzunabhängigen Betrieb zu handhaben, ist ein weiterer wichtiger Aspekt eines PCS. Abbildung 7 zeigt die Lastwellenform eines Umschaltreaktors im netzunabhängigen Betrieb unter Last. Das PCS muss in der Lage sein, diese dynamischen Lastbedingungen zu bewältigen, ohne Instabilitäten in der Stromversorgung zu verursachen.

 

Netzunabhängige Black-Start-Steuerung

 

Ein Black Start ist der Prozess der Wiederinbetriebnahme eines Kraftwerks ohne externe Stromversorgung. PCS spielt in diesem Prozess, insbesondere in einem Mikronetz-Szenario, eine Schlüsselrolle. Abbildung 10 zeigt den Lastabwurfprozess und wie das PCS den Übergang steuert, wobei die grüne Wellenform die DC-Ausgangsspannung und die violette Wellenform die PCS-Ausgangsspannung darstellt.

 

Mehrmaschinen-Parallelschaltungstest

 

Die Fähigkeit mehrerer PCS-Einheiten, parallel zu arbeiten, ist entscheidend für Skalierbarkeit und Redundanz in Energiespeichersystemen. Abbildung 11 zeigt den Parallelbetrieb von zwei 50-kW-PCS-Einheiten und einer 100-kW-PCS, die alle mit einer einstellbaren RLC-Last betrieben werden. Die Abbildung demonstriert, wie die Einheiten die Last teilen und einen stabilen Betrieb aufrechterhalten, selbst wenn ein PCS abgeschaltet oder wieder eingeschaltet wird.

 

Abbildung 12 zeigt zudem die Leistung von drei PCS-Einheiten im Parallelbetrieb mit einer ohmschen Last und der anschließenden Einführung einer Motorlast. Die Auswirkungen auf Strom und Spannung werden minimiert, was darauf hinweist, dass die PCS-Einheiten die Leistungsausgleichung effektiv steuern und einen reibungslosen Betrieb unter variierenden Lasten gewährleisten.

 

Fazit

 

Die Synchronisation von Energiespeicherwandlern mit dem Netz umfasst eine Reihe von Methoden und Prozessen, die darauf ausgelegt sind, Stabilität, Effizienz und Zuverlässigkeit in Stromversorgungssystemen zu gewährleisten. Die PCS-Technologie steht im Zentrum dieser Vorgänge und bietet wichtige Steuerungsfunktionen, die nahtlose Übergänge zwischen netzgebundenem und netzunabhängigem Betrieb ermöglichen, nichtlineare Lasten handhaben und Black-Start-Operationen erleichtern. Mit dem wachsenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen wird die Rolle von PCS und die Weiterentwicklung der Synchronisationstechniken zunehmend wichtiger, um eine widerstandsfähige und nachhaltige Energieinfrastruktur sicherzustellen.