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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

Seite 2

• 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

Seite 3

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

Seite 6

◼ 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

Seite 8

◼ 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

Seite 10

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

Seite 11

◼ 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.

Seite 12

◼ 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)

Seite 13

◼ Gemessene und simulierte

Ausgangsimpedanz von

netzerhaltendem und

netzspeisendem

Wechselrichter

Wechselrichter-QuellenimpedanzMessung vs. Simulation

Netzspeisend (Simulation)

Netzerhaltend (Simulation)

Netzerhaltend (Messung)

Netzspeisend (Messung)

Seite 14

◼ 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.

Seite 15

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

Seite 18

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

Seite 19

• 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: stefan.reichert@ise.fraunhofer.deInternet: www.ise.fraunhofer.de