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Themenblock F: Aktive Beeinflussung von
Oberschwingungen durch UmrichterverhaltenOberschwingungs- und Impedanz-Charakteristik von Umrichtern
bei unterschiedlichen Regelstrategien
Workshop NetzharmonieBerlin, 12.09.2018
Stefan Reichert
Florian Ackermann
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg
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• Motivation „Netzharmonie – Aktive OS-Beeinflussung“
• Synchrongenerator-basiertes Netz und Leistungselektronik-basiertes Netz
• Verhalten von Wechselrichtern
• Wechselrichter-Regler
• Simulation & Messung
– Frequenzbereich: WR-Quellen-Impedanz
– Zeitbereich: OS-Kompensation, nicht-lineare Last
• Zusammenfassung
Inhalt
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Transformation des Energiesystems
Übergang von Synchrongenerator-basiert zu Leistungselektronik-basiert
Vergangenheit Heute Zukunft
Momentaner Anteil EE an der Stromerzeugung (DE)
0 % < 60 % 100 %
Netzregelung Netzstabilisierung
ZentralZentral
DezentralDezentral
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Synchrongenerator vs.
Leistungselektronik
TertiärRegel.
16 min 100 s 10 s 1 s 100 ms 10 ms 1 ms 100 µs 10 µs 1 µs1 mHz 10 mHz 100 mHz 1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz
Syn
chro
nge
ner
ato
rba
sier
end
es N
etz
Leis
tun
gsel
ektr
on
ikb
asie
ren
des
Net
t
Generator
Speicher
Sekundär Regel.
Primär Regel.
Momentan-reserve
RL-Quellen-Impedanz
LeitungsimpedanzRLC
Netzrück-wirkungen
HarmonischeFlicker
Filter /Taktung
Einstrahlung/ Windgeschw.
MPP-Tracker PLL
Droop U-Regl.Energie-management
50 Hz
Generator
Netz
Last
I-Regl. Passives Filter LCL
EMV / Schalt-flanken
EMV / Schalt-flanken
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Netz-speisendGrid-feeding
Netz-stützend
Grid-supporting
Netz-bildend
Grid-forming
Netz-erhaltend
Grid-sustaining
Anwendung Verbundnetz Verbundnetz InselnetzVerbundnetz oder Inselnetz
Quellentyp (Grundschw.)
Ideale Stromquelle
Ideale Stromquelle
Ideale Spgs.-Quelle
Nicht-ideale Spgs.-Quelle
Ausgangs-Impedanz
Z→∞ Z→∞ Z→ 0Endlich, ungleich Null
Reglertyp PQ RegelungPQ-Regelung, Q(U), P(f), LVRT
Konstante Frequenz/Spannung
Statik-Regelung
Ausgangs-Frequenz
Netz-synchonisiert
Netz-synchonisiert
Feste Frequenz
Frequenz-Statik
Elektrisches Ersatzschalt-bild
Verhalten von WechselrichternRegelstrategien - Grundschwingungsverhalten
U
Z
U
I I
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◼ Analogie zum Synchrongenerator
◼ Spannungsquellenverhalten
◼ Induktive Quellenimpedanz
◼ Implementierung
◼ Regelung der LCL-Filter-
Spannung uC
◼ Virtuelle Impedanz
◼ Statik-Regelung zur
Netzsynchronisation und
kommunikationslosen Aufteilung
der Wirk- und Blindleistung
Netzerhaltender Wechselrichter
Diagramm einer ohmsch-induktiven Impedanz
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◼ Wechselrichter Hardware
◼ 3-Level-MNPC
◼ 20 kHz Taktfrequenz
◼ Netzspeisend
◼ Strom-Sollwert aus PQ-Sollwert
und syncron. Phasenwinkel (PLL)
◼ Hauptdrosselstrom-Regelung iLM
◼ Netzerhaltend
◼ Spannungs-Sollwert aus Statik-Regelung
(droop control)
◼ Filterspannungs-Regelung uc
◼ Virtueller Spannungsabfall uvirt
Wechselrichter-Regelung
Inverter
3-Level-MNPC LCL-Filter
uC
iLM
dBr
Pact Qact
fref wturef
data aquisition (P,Q)
droop
control
f(P), U(Q)
generate
voltage
referenceU0
iLM
virtual
impedance
dBr
uvirt
uref*
iG
voltage
state
control
Pref
Qref
Grid
uG
DC source
RNLNLGLM
CF
iG
uBr
uC
uC
AC Grid / Load
Iact,ref
wt
iref
current
state
control
Pref
Qref
uC
iLM
dBr
Ireact,ref
Phase locked
loop (PLL)
UC
sincos
Reference generation Inner control loop
State-Space Control
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◼ Zustandsraumdarstellung des
kompletten Wechselrichters
(HW+SW)
◼ LCL-Filter
◼ Wechselrichterbrücke (MNPC)
◼ Wechselrichter-Regelung
◼ Übertragungsfunktion G(jw) von uG
nach iG entspricht der Admittanz Y
der Wechselrichter-
Quellenimpedanz
WechselrichterverhaltenQuellenimpedanz
𝑌𝐼𝑛𝑣 =1
𝑍𝐼𝑛𝑣
= 𝐺 𝑗𝜔 =𝑖𝐺(𝑗𝜔)
𝑢𝐺(𝑗𝜔) S =
1
Ω
uGuCuBr
ZInv
LM
CF
LG RN LN
u0
iGiBr
ሶ𝑥 = 𝐴 ∙ 𝑥 + 𝐵 ∙ 𝑢𝑦 = 𝐶 ∙ 𝑥 + 𝐷 ∙ 𝑢
𝑥 = 𝑢𝐵𝑟 𝑖𝐿𝑀 𝑢𝐶 𝑔𝐼1 𝑔𝐼2𝑇
𝑢 = 𝑢𝐶𝑟𝑒𝑓 𝑖𝐺 𝑇
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A. Netzspeisend
◼ Strom-Regler
◼ Hauptdrosselstrom iLM
◼ Zustandsregler mit SOGI
B. Netzbildend
◼ Spannungs-Regler
◼ Filterspannung uC
◼ Zustandsregler mit SOGI
C. Netzerhaltend
◼ Spgs.-Regler mit virt. Impedanz
◼ Filterspannung uC
◼ Zustandsregler mit SOGI und ohmsch-
induktiver Impedanz
WechselrichterverhaltenVerschiedene Regelstrategien
uG
iG
u0
RN LN
ZInv
LG
Ctrl. uC
CF
iLM
uGuC
iG
u0
RN LN
ZInv
LG
Ctrl.U
uGuC
iG
u0
RN LN
ZInv
RV LV
Ctrl.IU
A.
B.
C. LG
I
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Wechselrichter-Quellenimpedanz Simulation
ZINV ~ LC (Filter Imp.)ZINV ~ RL (virt. Imp.)
f1 < 50 Hz 50 Hz < f2 < 1 kHz f3 > 1 kHz
PLL oder Droop
I-Regl. oder U-Regl.1.-20. Harmonische
LCL-Filter
Ctrl.U
Ctrl.I
Ctrl.IU
RV LV
B. Netzbildend
Spannungsregelung
C. Netzerhaltend
Spannungsregelung mit
virtueller Impedanz
A. Netzspeisend
Stromregelung
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◼ Universelle Hardware-Plattform für den
Test von Regelalgorithmen
◼ Linear-Verstärker mit hoher Regel-
Bandbreite als Netzsimulator
(Grundfrequenz) und zur Anregung mit
harmonischen Spannungsquellen
◼ Ausgangsimpedanz vernachlässigbar
gering
◼ Strom- und Spannungsmessung
(100 kHz Abtastrate)
Wechselrichter-QuellenimpedanzMessaufbau
WechselrichterMNPC-Topologie,Einphasig,7,36 kVA
NetzsimulatorLinearregler mit hoher Bandbreite,Ideale Spannungsquelle,ProgrammierbareKurvenform,Einphasig
uG
Fundamental & Harmonic
50 Hz + n*25 Hz
[75 Hz … 9 kHz]
iG
UDC const.
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◼ Gemessene und simulierte Quellen-
Impedanz netzerhaltender
Wechselrichter
◼ Virtuelle Impedanz
LV = 1.5 mH und RV = 0,5 Ω
◼ Gute Korrelation bei Frequenzen bis zu 2
kHz
◼ Differenzen aufgrund von X-&Y-
Kondensatoren des EMV-Filters (> 2 kHz)
Wechselrichter-QuellenimpedanzMessung vs. Simulation
Sim. ≠ Meas.Sim. = Meas.Netzerhaltend (Simulation)
Netzerhaltend (Messung)
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◼ Gemessene und simulierte
Ausgangsimpedanz von
netzerhaltendem und
netzspeisendem
Wechselrichter
Wechselrichter-QuellenimpedanzMessung vs. Simulation
Netzspeisend (Simulation)
Netzerhaltend (Simulation)
Netzerhaltend (Messung)
Netzspeisend (Messung)
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◼ Messaufbau zur Messung des
Oberschwingungs-verhaltens
von Wechselrichtern
◼ OS-Spannung an künstlicher
Netzimpedanz erzeugt durch
nicht-lineare Last
◼ Analyse des WR-Verhaltens
Messung der OberschwingungenMessaufbau
UG
IInv
UDC const.
R = 1 Ω
UVP
IGridILoad
WechselrichterMNPC-Topologie,einphasig,7,36 kVA
NetzsimulatorLinearverstärker mit hoher Bandbreite,Ideale Spannungsquelle,Programmierbare Kurvenform,einphasig
Nicht-lineare LastProgrammierbare nicht-lineare Last,einphasig,4 kVA, 3-15. Harm.
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Simulation: Statik & Spgs.-RegelungNicht-lineare Last
Oben: ILoad, IInv, IGrid Unten: UVP, UCF, UGrid
Wechselrichter: RV=0,6 , LV=1,5 mH, =20 ms, kp = 1,5x10-4 Hz/W (1 Hz / Pn), Pref = 4000 W
Nicht-lineare Last: 10 ARMS Netzimpedanz: R = 0,5 , L = 50 µH
THD: ILoad = 125%, IInv = 12%, IGrid = 44%
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◼ Wechselrichter:
P = 3 kW; RV = 0,05 Ω; LV = 1,5 mH
◼ Nicht-lineare Last:
Crest-Factor = 3; ILoad = 6,9 ARMS
◼ Netz:
AC-Simulator, R = 1 Ω
◼ Oszi: Ströme und Spannung
◼ Gelb: UVP Netzspannung
◼ Cyan: IINV WR-Strom
◼ Magenta: IGrid Netz-Strom
◼ Grün: ILoad Laststrom
Messung: OberschwingungenOszilloskop
UG
IInv
UDC const.
R = 1 Ω
UVP
IGridILoad
Seite 17
Messung: OberschwingungenZeigerdiagramm
UG
IInv
UDC const.
R = 1 Ω
UVP
IGridILoad
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0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
0 2 4 6 8 10 12 14
Cu
rre
nt
/A
Harmonic Order0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
1.000,000
0 2 4 6 8 10 12 14
Vo
ltag
e /
V
Harmonic Order
ILoad = 0 ARMS
UVP_HD = 0,12%
IINV_THD = 1,69%
IGrid_THD = 1,68%
ILoad_THD = - %
ILoad = 3,23 ARMS
UVP_HD = 0,87%
IINV_THD = 7,3%
IGrid_THD = 13,77%
ILoad_THD = 76,48%
ILoad = 6,9 ARMS
UVP_HD = 1,86%
IINV_THD = 16,15%
IGrid_THD = 34,14%
ILoad_THD = 76,6%
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
1.000,000
0 2 4 6 8 10 12 14
Vo
ltag
e /
V
Harmonic Order0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
0 2 4 6 8 10 12 14
Cu
rre
nt
/A
Harmonic Order
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
0 2 4 6 8 10 12 14
Cu
rre
nt
/A
Harmonic Order
Messung: OberschwingungenTHD
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
1.000,000
0 2 4 6 8 10 12 14
Vo
ltag
e /
V
Harmonic Order
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• Wechselrichter-Verhalten kann in vier Typen und Anwendungen unterteilt werden:– Netzbildend: Inselnetz
– Netzspeisend: Verbundnetz
– Netzstützend: Verbundnetz [Q(U), P(f), LVRT-Fähigkeit]
– Netzerhaltend:Inselnetz und Verbundnetz → WR-dominiertes Netz
• Ein netzerhaltender Wechselrichter mit AC-Spannungsregelung und virtueller ohmsch-induktiver Impedanz wurde entwickelt und erfolgreich im Netz-parallelen und Insel-Betrieb getestet
• Aufgrund der AC-Spannungsregelung ergibt sich ein kompensierendes Verhalten für Oberschwingungen. Dies konnte messtechnisch im Frequenzbereich (Impedanz-Messung) und Zeitbereich (OS-Messung) nachgewiesen werden
Zusammenfassung I
Seite 20
• Empfehlungen „Einspeiserichtlinien“
– Paradigmenwechsel:
Positive Bewertung von Wechselrichterverhalten, welches der
Verbesserung der Spannungsqualität dient
– Messtechnische Charakterisierung der Wechselrichter-
Quellenimpedanz unter Laborbedingungen
– Erstellung und Verifikation eines dynamischen,
frequenzabhängigen Quellenimpedanz-Modells der EZE
(Simulation und Messung)
Zusammenfassung II
Seite 21
Vielen Dank für Ihr Interesse!
Stefan Reichert
Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heidenhofstr. 279110 FreiburgGermany
Fon: +49 (0) 761 4588 5476
E-Mail: [email protected]: www.ise.fraunhofer.de
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