Dynamische Untersuchungen eines netzgekoppelten Photovoltaik-Wechselrichters unter Fehlerbedingungen

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1 Dynamische Unterschngen eines netzgekoppelten Photovoltaik-Wechselrichters nter Fehlerbedingngen Tobias Nemann Abstract Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit dem dynamischen Verhalten von netzgekoppelten Photovoltaik- Wechselrichtern. Hierbei wird besonderer Foks af das Verhalten des Wechselrichters bei verschiedenen Krzschlssarten im überlagerten Energieversorgngsnetz gelegt. Drch die bestehenden Netzanschlssregeln sind Erzegngseinheiten as dem Bereich der Erneerbaren Energien genaso wie konventionelle Einheiten daz verpflichtet, während Krzschlüssen zm einen sich nicht vom Netz z trennen nd zm anderen mit einer Spannngsregelng netzstützend z wirken. Dieses geforderte Verhalten wird in dem Beitrag mit Hilfe von Simlationsergebnissen veranschalicht nd erklärt. Index Photovoltaik, Wechselrichter, Regelng, Falt Ride Throgh, Spannngsregelng I I. EINLEITUNG M Bereich der elektrischen Energieversorgng wird in Detschland znehmend af Erneerbare Energien gesetzt. Die zentralen Technologien sind hierbei die Windenergie, die Stromerzegng as Biomasse, die Wasserkraft nd die Photovoltaik (PV). Der Bereich der Photovoltaik machte im Jahr 2 einen Anteil von ngefähr 2 % der gesamten erzegten elektrischen Energie in Detschland as. Die installierte Leistng aller PV-Erzegngseinheiten betrg am Ender des Jahres 2 etwa 7 GWp. Gefördert wird die PV wie ach die anderen Erneerbaren Energien drch gesetzlich festgelegte Einspeisevergütngen. Drch die hohe Förderng der PV kam es in den letzten Jahren z einem regelrechten Boom, was zr Folge hatte, dass die Förderngen drch festgesetzte Einspeisevergütngen staatlicherseits redziert wrden. Da die Einspeisng as PV-Erzegngseinheiten stark von der solaren Einstrahlng abhängt, ist ein kontinierlicher Grndlastbetreib dieser Art der Erzegngseinheit nicht möglich. Der Anteil as PV an der gesamten Energieerzegng ist demnach in den Sommermonaten besonders relevant. Kleine PV-Anlagen werden in der Niederspannng angeschlossen. Größere Einheiten hingegen T. Nemann arbeitet im Institt Elektrische Anlagen nd Netze an Universität Disbrg-Essen. Seine adresse latet: werden in der Mittelspannng nd zm Teil in Hochspannngsebene mit dem elektrischen Netz verbnden. Große Kapazitäten an installierter PV-Leistng nd die entsprechende Beeinflssng des Leistngsflsses im Mittelnd Hochspannngsnetz führen daz, dass Anforderngen an Erzegngseinheiten bezüglich deren elektrischen Verhaltens formliert wrden. Neben den Anforderngen für den stationären Betrieb einer Erzegngseinheit, af die in dieser Veröffentlichng nicht weiter eingegangen wird, bestehen Anforderngen bezüglich des dynamischen Verhaltens während Netzfehlern. Es ist gefordert, dass eine Erzegngseinheit für eine definierte Zeit während eines Spannngseinbrch mit dem elektrischen Netz verbnden bleiben mss nd sich nicht trennen darf. Hintergrnd ist hierbei, dass der Verlst einer großen Anzahl an Erzegngseinheiten während Krzschlüssen z Stabilitätsproblemen im elektrischen Versorgngsnetz führen kann, da das Gleichgewicht zwischen Erzegng nd Verbrach dann nicht mehr gegeben ist. Dieses geforderte Verhalten des Drchfahrens von Netzfehlern wird ach als Falt Ride Throgh (FRT) bezeichnet. Neben dieser Eigenschaft mss die Erzegngseinheit zsätzlich während einer dynamischen Spannngsänderng einen definierten Blindstrom ins Netz einspeisen. Handelt es sich m einen Spannngseinbrch (Low Voltage Ride Throgh, LVRT), so mss die Einheit kapazitiven Blindstrom einspeisen nd so spannngsanhebend wirken. Während einer Spannngsüberhöhng (High Voltage Ride Throgh HVRT) mss die Einheit indktiven Blindstrom anregeln nd demnach spannngssenkend fngieren. Die Überprüfng dieser geforderten, elektrischen Eigenschaften erfolgt drch ein Zertifizierngsverfahren. Hierbei überprüfen akkreditierte Zertifizierngs- nd Prüfinstittionen die jeweilige Erzegngseinheit. Afsetzend af dem Zertifikat einer einzelnen Erzegngseinheit kann ein Anlagenzertifikat erstellt werden (Windpark, große PV- Anlagen). Grndlage hierbei ist die BDEW- Mittelspannngsrichtlinie. Weitere relevante Netzanschlssregeln sind der Transmission Code nd die Systemdienstleistngsverordnng. Umgesetzt werden diese Netzanschlssregeln nd insbesondere die BDEW- Mittelspannngsrichtlinie drch die Technischen Richtlinien der Fördergesellschaft Wind (FGW). Zr Erlangng eines

2 2 Zertifikates nach BDEW Mittelspannngsrichtlinie mss der Hersteller zm einen die elektrischen Eigenschaften der Erzegngseinheit im Labor nachgewiesen haben. Zm anderen mss er aber ach das Verhalten der Einheit mit einer Compter-basierten Simlation validiert haben. Hintergrnd ist herbei, dass Netzbetreiber den Anschlss von Erzegngseinheiten nd Erzegngsanlagen prüfen. Hierz sind exakte Compter-basierte Simlationen notwendig. II. DYNAMISCHE ANFORDERUNGEN AN PV-WECHSELRICHTER Netzgekoppelte PV-Wechselrichter müssen die in den folgenden drei Abbildngen beschriebenen dynamischen, elektrischen Eigenschaften zr Zertifizierng nach der BDEW Mittelspannngsrichtlinie erbringen. Abbildng zeigt den Spannngstrichter, der im Falle eines Fehlers im Netz ohne Abschaltng der Erzegngseinheit drchfahren werden mss. stationäre Endwert, der sich as Abbildng 2 ergibt, ist mit einem Toleranzband von - nd +2 % versehen. Das erstmalige Erreichen dieses Toleranzbandes soll nach einer maximalen Anschwingzeit von 3 ms erreicht sein. Das stationäre Verbleiben innerhalb des Toleranzbandes soll nach einer maximalen Einschwingzeit von 6 ms gewährleistet sein. Sprngantwort Blindstrom Anschwingzeit 3 ms Einschwingzeit 6 ms Stationärer Endwert 2% -% Zeit Abb. 3. Anforderngen an die Sprngantwort des Blindstroms Abb.. Anforderngen zm Drchfahren von Netzfehlern Abbildng 2 zeigt das Prinzip der Spannngsregelng. Asgehend von der dynamischen Spannngsänderng im Fehlerfalle ergibt sich as der entsprechenden Kennlinie ein einzstellender Blindstrom. Der Verstärkngsfaktor wird voreingestellt mit dem Faktor 2 gewählt, kann aber je nach Anforderngen nd Netztopologie abweichen. defalt Kapazitiver Blindstrom bei Spannngseinbrch k Geforderte Blindstromabweichng I B [p..] Totband I B k U 2 p.. k p k Indktiver Blindstrom bei Spannngserhöhnng Rot = SDL Bla = Transmission Code [p..] Spannngseinbrchoder erhöhnng U Für den Nachweis des dynamischen Verhaltens von Erzegngseinheiten im Rahmen des BDEW Zertifizierngsverfahren ist ein möglicher Testafba in Abbildng 4 veranschalicht. Da Krzschlssnterschngen nicht am realen Mittelspannngsnetz drchgeführt werden können, ntzt man bei diesem Afba die Längsreaktanz X. Mit dieser Längsdrossel schwächt man bewsst die Krzschlssleistng des Netzes, m so einen sicheren Betrieb des Netzes gewährleisten z können. Im stationären Betrieb ist Schalter S geschlossen. Öffnet man diesen nd legt somit X zwischen Netz nd Erzegngseinheit, erhöht man die Impedanz des Netzes nd redziert somit Krzschlssleistng. Nachdem X eingelegt ist nd sich der Prüfafba in einem eingeschwngenen Zstand befindet, wird über den Schalter S2 der definierte Krzschlss erzegt. Über das Teilerverhältnis des indktiven Spannngsteilers kann die entsprechende Spannngseinbrchtiefe realisiert werden. Die nterschiedlichen Fehlerdaern können drch gezielte Ansteerngen des Schalters S2 gewährleistet werden. Aßerdem können drch selektives Schalten der einzelnen Phasen mit S2 ach nsymmetrische Fehler erzegt werden nd das Verhalten der Erzegngseinheit hierbei analysiert werden. Diese besteht as einer DC-Qelle, die die reale PV- Zelle emliert nd dem eigentlichen Prüfling, dem PV- Wechselrichter. Abb. 2. Prinzip der Spannngsreglng - Abbildng 3 verdetlicht die dynamischen Anforderngen bezüglich des Anregelns des Blindstromes im Fehlerfalle. Der

3 3 Abb. 4. Testafba für den Nachweis der dynamischen Eigenschaften von PV-Wechselrichtern III. REGELUNG PV-WECHSELRICHTER Ein dreiphasiger PV-Wechselrichter besteht üblicherweise as einer IGBT-basierten Sechsplsbrücke, die in Abbildng 5 veranschalicht ist. Jedes IGBT-Modl wird über den Controller der Erzegngseinheit einzeln mit plsweitenmodlierten Signalen angesteert. Afgaben des PV-Wechselrichters sind das MPP-Tracking nd die entkoppelte Regelng von Wirk- nd Blindleistng. Beschrieben wird im Folgenden eine klassische netzspannngsorientierte Stromregelng mit überlagertem Zwischenkreisspannngsregler. LSC,q _ ref g,q LSC,q LSC,d ' L i (5) wobei gilt: ' LSC,d KP (ilsc,d _ ref i LSC,d ) Ts nd ' LSC,q KP (ilsc,q _ ref i LSC,q ) Ts Für die Wirk- nd Blindleistng am Wechselrichter gelten die nachfolgenden Gleichngen: (6) (7) LSC g,d LSC,d g,q LSC,q p i i (8) LSC g,q LSC,d g,d LSC,q q i i (9) Abb. 5. Prinzipielle Anordnng eines dreiphasigen PV-Wechselrichters As dem Maschenmlaf von der Netzspannng über den Spannngsabfall über der Netzindktivität bis zr Spannng des Wechselrichters folgt die Gleichng (). g,l ilsc,l LSC,L d,l2 L ilsc,l2 LSC,L2 dt g,l3 i LSC,L3 LSC,L3 Nach der Transformation in ein mit dem Netzspannngswinkel g mitrotierendes Koordinatensystem erhält man die folgenden Gleichngen (2) nd (3). di g LSC,d g,d LSC,q LSC,d L L i (2) dt () g g,q Da die mitrotierende Qerkomponente der Netzspannng im symmetrischen Fall nll ist, folgt daras, dass die Längskomponente nd die Qerkomponente i g LSC,q i g LSC,d des Wechselrichters proportional z Wirk- nd Blindleistng sind. Für die Leistngsbilanz zwischen Gleichnd Wechselspannngsseite des Wechselrichters gilt: LSC DC DC lsc,d lsc,d p i i () Somit wird ersichtlich, dass die Zwischenkreisspannng drch die Längskomponente i g lsc _ d des netzseitigen Umrichterstroms einstellbar ist. Den Referenzwert für den Längsstrom liefert folgende Gleichng: g ilsc,d _ ref KP (DC _ ref DC ) Ts () Somit ergibt sich folgendes Zeigerdiagramm für die Spannngen nd Ströme am Wechselrichter. di g LSC,q g,q LSC,d LSC,q L L i (3) dt Die Referenzspannng des Wechselrichters ergeben sich nach Umstellng von (2) nd (3) z LSC,d _ ref g,d LSC,d LSC,q ' L i (4)

4 4 j i g LSC, q i g LSC, d j q g i LSC j LSC Abb. 6. Zeigerdiagramm PV-Wechselrichter g g g, j Li LSC g, IV. SIMULATIONSERGEBNISSE d g Netzfehlern, wie einem einpoligen Erdkrzschlss oder einem zweipoligen Krzschlss mit oder ohne Erdberührng, gefordert, dass einer reiner Mitsystemblindstrom nach Kennlinie einzspeisen ist. Hierfür ist eine Trennng zwischen Mit- nd Gegensystem erforderlich. Bei dem Beispiel handelt es sich m einen zweipoligen Krzschlss mit einem Spannngseinbrch af % Restspannng in der kleinsten Leiter-Leiter Spannng. Ohne Berücksichtigng der aftretenden Gegenssytemspannng in der Regelng des Wechselrichters würde ein erheblicher Gegensystemstrom fließen, der hinsichtlich der dynamischen Anforderngen nicht akzeptabel ist. Bei geeigneter Verwendng der Gegensystemspannng in der Regelng, ist es möglich einen reinen Mitsystemstrom in das Netz z speisen. Somit kann gewährleistet werden, den geforderten Mitsystemblindstrom nach Kennlinie ach bei nsymmetrischen Fehlern z liefern. Der folgende Abschnitt zeigt beispielhaft drei Simlationsergebnisse vom Verhalten eines netzgekoppelten PV-Wechselrichters bei Spannngseinbrüchen. Die Nennleistng dieser Erzegngseinheit beträgt kw. Das Verhältnis zwischen Krzschlssleistng des Netzes nach Einlegen der Längsdrossel nd Nennleistng des Wechselrichters beträgt 5:. Für die folgenden Simlationsergebnisse wrden der Reglerkern mit realistischen Abtastzeiten nd die IGBTs mit entsprechender Ansteerng drch die PWM-Signale nachgebildet. Hierdrch ist eine exakte Validierng von Messergebnisse möglich. Die Daer der jeweiligen Fehler beträgt in allen drei Beispielen 5 ms. In Beispiel eins (Abbildng 7) wird das Verhalten des Wechselrichters bei Nennleistng nd einem Leistngsfaktor von eins hinsichtlich eines symmetrischen Spannngseinbrchs af 5% Restspannng nterscht. Die verbleibende Restspannng von 5% repräsentiert einen Fehler, der im überlagerten Energieversorgngsnetz an einer entfernten Stelle aftritt. Die Erzegngseinheit redziert den Wirkstrom nach Erkennng des Fehlers z nll nd speist einen reinen Blindstrom nach Spannngsregelngskennlinie in das Netz. Bei einem Einbrch af 5% Restspannng nd einem Verstärkngsfaktor von 2 ergibt dies einen Blindstrom von etwa p... Beispiel zwei (Abbildng 8) zeigt das Verhalten des Wechselrichters bei gleichen stationären Bedingngen nd einem symmetrischen Spannngseinbrchs af % Restspannng. Der Spannngseinbrch af % bedetet das der Krzschlss in nmittelbarer Nähe der Erzegngseinheit aftritt. Die Erzegngseinheit selber redziert ernet den Wirkstrom nach Erkennng des Fehlers z nll nd speist nach Kennlinie Blindstrom. Da der maximal einzprägende Blindstrom p.. ist, speist die Erzegngseinheit den maximal verfügbaren Blindstrom. In Beispiel drei (Abbildng 9) wird nn das Verhalten des Wechselrichters bei einem nsymmetrischen Fehler gezeigt. So ist in Netzanschlssrichtlinien ach bei nsymmetrischen

5 5 Spannng / V Netzspannng (Leiter-Leiter) -75,,2,3,4,5 Spannng / V Netzspannng (Leiter-Leiter) ,,2,3,4,5 4 Ströme 4 Ströme Strom / A 2-2 Strom / A ,,2,3,4,5-4,,2,3,4,5 Wirk- nd Blindleistng / kw,kvar Leistng des Umrichter Wirkleistng Blindleistng -5,,2,3,4,5 Wirk- nd Blindleistng / kw,kvar Leistng des Umrichter 5 Wirkleistng 5 Blindleistng ,,2,3,4,5.5 Mitsystemspannng in mitrotierenden Koordinaten.5 Mitsystemspannng in mitrotierenden Koordinaten Spannng / p...5 Ug,d Mit Ug,q Mit Spannng / p...5 Ug,d Mit Ug,q Mit -.5,,2,3,4, Mitsystemstrom in mitrotierenden Koordinaten Ilsc,d Mit Ilsc,q Mit -.5,,2,3,4,5 Zeit / s -.5,,2,3,4, Mitsystemstrom in mitrotierenden Koordinaten Ilsc,d Mit Ilsc,q Mit -.5,,2,3,4,5 Zeit / s Abb. 7. Momentanwerte Spannng nd Strom, Wirk- nd Blindleistng, Mitsystemspannng nd strom in mitrotierenden Koordinaten bei einem symmetrischen Spannngseinbrch af 5 % verbleibende Restspannng Abb. 8. Momentanwerte Spannng nd Strom, Wirk- nd Blindleistng, Mitsystemspannng nd strom in mitrotierenden Koordinaten bei einem symmetrischen Spannngseinbrch af % verbleibende Restspannng

6 6 V. SCHLUSSFOLGERUNG Spannng / V Strom / A Spannng / p Netzspannng (Leiter-Leiter) -75,,2,3,4, Ströme -4,,2,3,4,5 Mit- nd Gegensystemspannng in mitrotierenden Koordinaten ,,2,3,4, Mitsystemstrom in mitrotierenden Koordinaten -.5,,2,3,4, Ug,d Mit Ug,d Gegen Ilsc,d Mit Ilsc,q Mit Gegensystemstrom in mitrotierenden Koordinaten Ilsc,d Geg Ilsc,q Geg -.5,,2,3,4,5 Zeit / s Die Anforderngen der BDEW Mittelspannngsrichtlinie müssen ach von PV-Wechselrichtern, die an die Mittelspannng angeschlossen werden wollen, erfüllt werden. Hierfür ist eine geeignete Prüfng nd Zertifizierng drchzführen. Ein Bestandteil dieser Zertifizierng ist die Überprüfng der dynamischen Eigenschaften von PV- Wechselrichtern. Hinsichtlich des dynamischen Verhaltens bei Netzfehlern müssen die Anforderngen bezüglich des Drchfahrens von Netzfehlern sowie die Spannngsregelng nachgewiesen werden. Neben Messngen ist der Wechselrichterhersteller verpflichtet, die Messergebnisse mit einem Compter-basierten Modell z validieren. Der vorliegende Beitrag veranschalicht Simlationsergebnisse eines PV-Wechselrichters. Hierbei wrde der Wechselrichter realistisch, mit geringen Abtastzeiten modelliert. Drch eine geeignete nd intelligente Regelng des Wechselrichters ist es möglich, die Anforderngen der BDEW Mittelspannngsrichtlinie z erfüllen. Speziell bezüglich der Anregelzeit des geforderten Blindstroms im Fehlerfalle ist eine hohe Dynamik drch entsprechende Regelngsalgorithmen möglich. Neben symmetrischen Fehlern, wo eine reine Mitsystembetrachtng asreicht, ist es drch eine entsprechende Regelng möglich, nsymmetrische Fehler im Sinne der Anforderngen z drchfahren. Hierbei mss die im nsymmetrischen Fehlerfalle aftretende Gegensystemspannng berücksichtigt werden. LITERATURHINWEISE [] Bndesministerim für Umwelt, Natrschtz nd Reaktorsicherheit, Erneerbare Energien 2, Stand, 4. März 2 [2] Verband der Netzbetreiber, Transmission Code 27, Netz- nd Systemregeln der detschen Übertragngsnetzbetreiber [3] Bndesverband der Energie- nd Wasserwirtschaft, Technische Richtlinie, Erzegngsanlagen am Mittelspannngsnetz [4] Bndesgesetzblatt Jahrgang 29, Verordnng z Systemdienstleistngen drch Windenergieanlagen (Systemdienstleistngsverordnng SDLWindV) Tobias Nemann (977) erlangte den akademischen Grad des Diplom- Ingeniers im Bereich der Elektro- nd Informationstechnik der Universität Disbrg-Essen im Jahre 29. Sein Schwerpnkt lag hierbei im Bereich der elektrischen Energietechnik. Seit 2 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Elektrische Anlagen nd Netze an der Universität Disbrg-Essen. Sein Schwerpnkt liegt in der Netzintegration von Erneerbaren Energien, insbesondere der Windenergie nd der Photovoltaik. Hierbei stehen die Modellierng nd die Regelng dieser Erzegngseinheiten im Foks. Er ist Mitglied von IEEE nd vom VDE Abb. 9. Momentanwerte Spannng nd Strom, Mit- nd Gegensystemspannng in mitrotierenden Koordinaten, Mit- nd Gegensystemstrom in mitrotierenden Koordinaten bei einem nsymmetrischen Spannngseinbrch (zweipoliger Krzschlss)

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