Elektrische Energieversorgungsnetze emulieren HGE15 Ein programmierbares Labornetz (GRID) für Entwicklung und Test

Transkript

1 Elektrische Energieversorgungsnetze emulieren HGE15 Ein programmierbares Labornetz (GRID) für Entwicklung und Test Kurt Reitberger Andreas Schmelter 1

2 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 2

3 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 3

4 Veränderungen innerhalb der Energieversorgung Identifizierte und relevante Systeme in Smart GRIDs 4

5 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 5

6 HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren Netz Emulation zur Produktentwicklung und prüfung Netzgekoppelte Systeme müssen unter verschiedensten Betriebssituationen störungsfrei arbeiten Zustandsgrößen Spannung und Frequenz am Netzanschlusspunkt sind nicht einstellbar Netzzustände, wie beispielsweise unsymmetrische oder polydirektionale Leistungsflüsse müssen handelbar sein Phänomene im Netz und zukünftige Systemanforderungen sind bezogen auf die Produktqualität eine zu meisternde Herausforderung Lösung: Frei programmierbare Netzemulation mit HGE15 6

7 HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren Emulator für elektrische Energieversorgungsnetze Netzbildender Betrieb Netz Rückspeisung Polydirektional 100 kw DC Quelle 80 kva Inverter System (5x SGISK2510a) Bis 400/690 V 50 bis 70 Hz Hochdynamische Remotesteuerung möglich Inverter DC Quelle 7

8 HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren HGE15 Ein programmierbares Labornetz zu Entwicklungs und Testzwecken Hochdynamisch, flexibel und automatisierbar nach dem Industriestandard IEC Einbindung von Standardaktuatoren und sensoren dank EtherCAT Echtzeitnetzwerk Bis auf Firmware Ebene programmierbar für hochspezielle Anforderungen (ETIP) Abbildbarkeit von Netzzuständen hochdynamisch automatisierbar In komplexe Systemprozesse integrierbar 8

9 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 9

10 Identifizierte und relevante Systeme in Smart GRIDs 10

11 Grundlegende Wechselrichterfunktionen [1] 11

12 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 12

13 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 13

14 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 14

15 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 15

16 Vorteile einer modellbasierten Entwicklung Simulation des gewünschten Systems Frühe Erkennung von software mäßigen Entwicklungsfehlern Schnelleres erreichen einer hohen Produktqualität Systemoptimierung schon während der Prototypenphase Automatische Code Generierung (VHDL) 16

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18 ETIP Blocksets für FPGA basierte Invertersysteme Abgebildete Grundfunktionen Basierend auf Altera DSP Builder Blocksets MATLAB/Simulink Referenzmodel 18

19 Entwicklung benötigter Reglerstrukturen unter MATLAB/Simulink 19

20 Einsatz des Altera DSP Builder Automatische Code Generierung ist Zertifiziert Kein Unterschied zu Hand coded Source bezogen auf die Funktion und die FPGA Resourcen Import von VHDL in eine Simulationsmodell möglich 20

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22 Grundlegende Reglerfunktionen für symmetrische ein oder dreiphasige Wechselrichtersysteme 22

23 ETIP Basic Blöcke U V W Input Input Digits Clarke Transformation Alpha Beta U 2 V 3 W 2 Transformation matrix Digits Alpha Alpha Output Output Beta Beta t [s] 23

24 ETIP Basic Blöcke 500 Input Input Ualpha - ref Ubeta - ref Space Vector Modulator for a 3 Leg 3Wire Inverter Digits Digits Output Output du dv dw du dv dw 3 Leg 3 Wire Inverter t [s] 24

25 ETIP Basic Blöcke Space Vector Modulator for a 3 Leg 3Wire Inverter 3 Leg 3 Wire Inverter Space Vectors for 3 Leg 3 Wire Inverter 25

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27 Grundlegende Reglerfunktionen für unsymmetrische dreiphasige Wechselrichtersysteme 27

28 ETIP Advanced Blöcke Space Vector Modulator for a 3 Leg 4 Wire Inverter + S 1 S 3 S 5 V DC /2 V DC /2 M S 4 S 6 S 2 U L f V in_u V W V in_v V in_w U` V` W` C f - N 3 Leg 4 Wire Inverter Space Vectors for 3 Leg 4 Wire Inverter 28

29 ETIP Advanced Blöcke 1000 U_u, U_v, U_w Uu, Uv, Uw Digits f - act f_act Digits sin_wt, - cos cos_wt - Decoupled Double Synchronous Reference Frame Phased Locked Loop Digits t [s] 29

30 ETIP Advanced Blöcke 500 Input Input Ualpha - ref Ubeta - ref Space Vector Modulator for a 3 Leg 4 Wire Inverter Digits 0 + S 1 S 3 S V DC /2 V DC /2 M S 4 S 6 S 2 U L f V in_u V W V in_v V in_w U` V` W` C f Digits Output Output - N 200 du dv dw du dv dw t [s] 3 Leg 4 Wire Inverter Space Vectors for 3 Leg 4 Wire Inverter 30

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32 ETIP Power Quality Blöcke nach DIN EN Standards Voltage and Current Measurement (DIN EN ) FFT Analysis (DIN EN and DIN EN ) Flicker (DIN EN and DIN EN ) Power and cos( ) Calculation (DIN and DIN ) Asymmetry (DIN EN ) 32

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34 ETIP Grid Code Blöcke (Beta) [2] 34

35 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 35

36 Entwicklung benötigter Reglerstrukturen unter MATLAB/Simulink Control Functions based on Altera DSP Builder 36

37 DSP Builder: Signal Compiler (Konfiguration und Code Generierung) Stratix Arria Cyclone FPGA Type Message Window 37

38 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 38

39 Hardware Design mittels Altera Quartus II Vollständig konfiguriertes Projekt in Verbindung mit dem SGISK2510a vorhanden 39

40 Hardware Design anhand vorgefertigtem VHDL Source Beispiel: PWM Core 40

41 Effiziente Entwicklung dank ETIP Design Flow 41

42 Programmieren des FPGA mittels USB Blaster 42

43 Von der Simulation... zum realen Betrieb Simulation U [V] Spannungen Spannungen Ströme Ströme I [A] t [s] Spannungen Realität Ströme Smart Grid Inverter Starter Kit 43

44 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE 15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 44

45 Das Smart GRID Inverter Starter Kit Smart GRID Inverter Starter Kit SGISK2510a Bidirektionaler Wechselrichter mit Nullleiter für unsymmetrische Netzbelastungen EtherCAT Echtzeit Kommunikation und Ethernet Unterstüzung Frei programmierbares FPGA Board Power Quality Messhardware vorhanden 19 Adapterkit mit HARTING Han Komponenten zur schnellen hardware mäßigen Integration Rated Power Rated AC Current Rated AC Voltage Rated DC Voltage 25 kva (Dauerbetrieb: 22,5 kva) 36 A per phase 400 V 750 V EtherCAT is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany. 45

46 Das Smart GRID Inverter Starter Kit Serie SGISK2510a Zwei Level Inverter Zwischekreis mit Mittelpunkt 3Leg4Wire Topologie 46

47 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE 15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 47

48 Automatisierung, EtherCAT und Co. Integration in Standard Automatisierungssystemen EtherCAT is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany. 48

49 Automatisierung, EtherCAT und Co. Standard Automatisierungssystem nach IEC programmierbar EtherCAT is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany. 49

50 Automatisierung, EtherCAT und Co. Standard Automatisierungssystem nach IEC programmierbar EtherCAT is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany. 50

51 Automatisierung, EtherCAT und Co. Mittels Standard Automatisierungssystem flexible visualisieren und bedienen EtherCAT is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany. 51

52 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung, EtherCAT und Co. HGE15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 52

53 HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren Emulator für elektrische Energieversorgungsnetze Netzbildender Betrieb Netzrückspeisung Polydirektional 100 kw DC Quelle 80 kva Inverter System (5 x SGISK2510a) Bis 400/690 V 50 bis 70 Hz Hochdynamische Remotesteuerung möglich Inverter DC Quelle 53

54 HGE15 Realisierte Applikation Automatisierungssystem nach IEC programmiert und per EtherCAT vernetzt EtherCAT is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany. 54

55 HGE15 Realisierte Applikation Screenshots vom Power Analysator 55

56 Agenda Veränderungen innerhalb der Energieversorgung HGE15 Energieversorgungsnetze emulieren ETIP Die Entwicklungsbeschleunigung Das Smart GRID Inverter Starter Kit Automatisierung nach IEC , EtherCAT und Co. HGE15 Realisierte Applikation Zusammenfassung 56

57 Zusammenfassung Die Energiewende Eine Herausforderung muss gelöst werden Es besteht Bedarf an intelligenten leistungselektronischen Systemen für verschiedenste Bereiche Entwicklung derartiger Systeme from scratch sehr aufwendig HGE15 Schnelle und direkte Umsetzung durch die Verwendung von ETIP FPGA Firmware frei programmierbar Flexible Integration in Automatisierungsumgebungen mittels EtherCAT Individuelle Visualisierung in Echtzeit mit TwinCAT Kundenspezifische Anforderungen realisierbar 57

58 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und das Interesse am HGE15 GRID Emulator Sie finden uns auf der PCIM 2015 in Halle: 6 Stand:

59 Vertrieb und Support: Am Wiesengrund Pürgen / Germany Tel.: Fax: info@heidenpower.com ENTWICKLUNG ETIP EnTeSys GmbH Ulricherstr Soest / Germany ETIP ist eine eingetragene und lizenzierte Marke der EnTeSys GmbH. 59

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61 Literaturverzeichnis [1] Fachhochschule Südwestfalen, Abt. Soest, Fachbereich Elektr. Energietechnik, Fachgebiet Elektr. Energieversorgung, Soest 2013 [2] Verband der Netzbetreiber, Transmission Code VDN, Berlin 2007 [3] Bildnachweis: Bilder/Skizzen sind teilweise von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (Energieversorgung und Energiewirtschaft) / Soest. ETIP ist eine eingetragene und lizenzierte Marke der EnTeSys GmbH. 61