Die Feinheiten der netzunabhängigen Lastumschaltung und Black-Start-Steuerung

Einführung in wichtige Funktionsversuche von PCS

Power Conversion Systems (PCS) spielen eine entscheidende Rolle in der neuen Energiebranche, insbesondere in Szenarien, in denen die Integration erneuerbarer Energiequellen zunehmend verbreitet ist. Sie sind maßgeblich an der Steuerung des Übergangs zwischen Netzbetrieb und Inselbetrieb beteiligt und sorgen dafür, dass die Energieversorgung auch bei Netzstörungen konstant und zuverlässig bleibt. Dieser Artikel behandelt die Feinheiten der Umschaltsteuerung zwischen Netz- und Inselbetrieb, den Umgang mit nichtlinearen Lasten, die Harmonische Eliminierung und die Black-Start-Steuerung.

Umschaltsteuerung zwischen Netz- und Inselbetrieb

Aktive Umschaltung auf Inselbetrieb

Die aktive Umschaltung auf Inselbetrieb ist eine wichtige Funktion moderner PCS, die einen nahtlosen Übergang vom Netzbetrieb in den Inselbetrieb ermöglicht. Im Falle eines Netzausfalls muss das Energiespeichersystem innerhalb des PCS den Fehler schnell erkennen und auf Inselbetrieb umschalten. Die Umschaltzeit ist ein entscheidender Faktor, da sie kurz genug sein sollte, um Unterbrechungen der Stromversorgung und der Last im Stromsystem zu minimieren.

Um einen reibungslosen und störungsfreien Übergang zu gewährleisten, werden Kombinationen aus Frequenz- und Amplitudenerkennungsmethoden eingesetzt. Diese Methoden ermöglichen eine umfassende und schnelle Erkennung von Netzfehlern. Der Übergangsprozess wird häufig durch Wellenformen dargestellt, die die Phasenspannung und den Strom vor und nach der Umschaltung zeigen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Passive Umschaltung auf Inselbetrieb

Im Gegensatz dazu beinhaltet die passive Umschaltung auf Inselbetrieb eine Steuerungsstrategie, die einen nahtlosen Übergang ohne aktive Eingriffe ermöglicht. Das PCS überwacht im Netzbetrieb kontinuierlich die Spannung am Netzanschlusspunkt (Vm). Wenn die Spannung an diesem Punkt für N aufeinanderfolgende Abtastpunkte unter oder über einen vorgegebenen Schwellenwert fällt oder steigt, wird davon ausgegangen, dass entweder das Hauptnetz vom Mikronetz getrennt wurde oder ein Fehler aufgetreten ist. Nach der Erkennung schaltet das PCS automatisch in den Inselbetriebsmodus und betätigt den Öffnungskontakt, um den Hauptnetzschalter zu isolieren, wodurch die passive Umschaltung auf Inselbetrieb erreicht wird. Die Wellenform dieses Prozesses ist in Abbildung 2 dargestellt.

Synchronisierte Netzanschluss-Umschaltsteuerung

Passive Synchronisation

Die passive Synchronisation bei der Netzanschlussumschaltung verwendet ein Schutzgerät zur Steuerung der Verbindung. Der Energiespeicherwandler muss vom Inselbetrieb in den Netzbetrieb übergehen und dabei vom Spannungs-/Frequenzregelmodus in einen Konstantleistungsregelmodus wechseln. Vor der Wiederverbindung muss der Wandler seine Ausgangsspannung in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Phase mittels einer phasenregelnden Schleife (PLL) mit der Netzspannung synchronisieren. Wird keine Synchronisation erreicht, kann die große Spannungsdifferenz beim Wiederanschluss zu übermäßigen Einschaltströmen führen, die die Sicherheit des Wandlers gefährden. Dieser Umschaltprozess wird in Abbildung 3 gezeigt.

Automatische Synchronisation

Die automatische Synchronisationssteuerung beim Netzanschluss benötigt kein separates Synchronisationsschutzgerät. Stattdessen bestimmt das PCS den Synchronisationspunkt eigenständig. Sobald ein Synchronisationsbefehl vom Überwachungssystem empfangen wird, startet das PCS die Netzphasennachführung. Nach Erreichen der Phasenausrichtung wird der Netzanschluss-Schaltbefehl ausgegeben und der entsprechende Schalter geschlossen, womit die automatische Synchronisation mit dem Netz abgeschlossen ist, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Inselbetrieb mit nichtlinearer Last und Harmonische Eliminierung

Wenn das PCS im Inselbetrieb mit einer erheblichen nichtlinearen Last arbeitet und als Hauptstromquelle für ein Mikronetz dient, kann eine einfache V/f-Steuerung zu erheblichen Verzerrungen der Ausgangsspannung führen, wie in Abbildung 5 gezeigt. Ohne Steuerung der Gleichrichter-Elektrogeräte können die Ausgangsspannungs- und Stromwellenformen des PCS stark verzerrt sein, weshalb Harmonische Unterdrückungsmethoden eingesetzt werden müssen, um die Netzqualität zu erhalten, was in Abbildung 6 demonstriert wird.

Inselbetrieb mit Schaltlast

Schaltlasten wie Reaktoren können im Inselbetrieb Herausforderungen darstellen. Abbildung 7 zeigt die Lastwellenform eines Schaltreaktors unter Inselbetriebsbedingungen und verdeutlicht die Notwendigkeit einer sorgfältigen Lastverwaltung, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen.

Black-Start-Steuerung im Inselbetrieb

Die Black-Start-Steuerung ist ein Verfahren, das es einem Stromsystem ermöglicht, sich nach einem vollständigen oder teilweisen Abschalten ohne externe Stromnetzversorgung wieder zu erholen. Im Inselbetrieb spielt das PCS eine entscheidende Rolle bei Black-Start-Operationen. Abbildung 10 zeigt den Lastabwurfprozess, bei dem ein 7,5-kW-Motor und ein 20-kW-Widerstand getrennt werden, um die Wiederherstellung des Stromsystems zu erleichtern.

Paralleler Mehrmaschinen-Test

Die Prüfung des Parallelbetriebs mehrerer PCS-Einheiten ist wichtig, um deren kollektive Reaktion auf Laständerungen und ihre Fähigkeit zur effizienten Lastverteilung zu bewerten. Abbildung 11 zeigt ein Szenario, in dem zwei 50-kW-PCS-Einheiten und eine 100-kW-PCS-Einheit parallel mit einer 36-kW-einstellbaren RLC-Last betrieben werden. Die Leistungsaufteilung und die Betriebsbedingungen werden überwacht, um eine stabile Leistung bei Abschaltung und Wiedereinschaltung der Einheiten sicherzustellen.

Abbildung 11 zeigt die Strom- und Spannungswellenformen der Stationen A, B und C, während eine PCS-Einheit abgeschaltet und anschließend wieder in den Parallelbetrieb integriert wird, was die adaptive Lastenausgleichsfähigkeit des Systems hervorhebt.

Abbildung 12 zeigt eine Situation, in der drei PCS-Einheiten parallel mit einer ohmschen Last betrieben werden und eine Motorlast hinzukommt. Der Einschaltstrom ist minimal und die Spannungsschwankung gering, was demonstriert, dass die PCS-Einheiten bei Stoßlasten eine Leistungsgleichgewichtung und einen reibungslosen Betrieb erreichen können.

Fazit

Die Fähigkeit, nahtlos zwischen Netz- und Inselbetrieb zu wechseln, ist grundlegend für die Zuverlässigkeit und Effizienz moderner Stromsysteme, insbesondere solcher mit erneuerbaren Energiequellen. Die PCS-Technologie hat sich so weiterentwickelt, dass diese Übergänge mit minimalen Auswirkungen auf die Stromversorgung und Last bewältigt werden können. Black-Start-Fähigkeiten und die Handhabung nichtlinearer Lasten sind ebenfalls integrale Bestandteile der Stabilität im Inselbetrieb. Durch sorgfältige Konstruktion und Tests, wie parallele Mehrmaschinen-Tests, können PCS robuste Lösungen für die neue Energiebranche bieten und sicherstellen, dass die Stromversorgung stabil und zuverlässig bleibt, unabhängig von den Herausforderungen der sich ständig wandelnden Energielandschaft.