Automatisierter Test der Wechselrichter-Abschaltzeit bei Inselbildung

Stellen Sie sich eine ruhige Nachbarschaft vor, in der das tägliche Leben vor sich hin plätschert. Die Stromleitungen transportieren die Elektrizität und verbinden jedes Haus mit dem Netz. Dann tritt im Netz plötzlich eine Störung auf, die das als Inselbildung bekannte Phänomen auslöst. 

Das Viertel ist isoliert und vom allgemeinen Stromnetz abgeschnitten. Das Licht und die elektrischen Geräte flackern aufgrund von Spannungsschwankungen. Wartungsarbeiter, die ein ruhendes Stromnetz erwarten und sich den vom Ausfall betroffenen Leitungen nähern, begeben sich dabei in eine Gefahrenzone, in der sich eine Inselenergiequelle hartnäckig behauptet.

Die Abschaltzeit bei Inselbildung bezieht sich auf die Zeitspanne, die eine verteilte Energieressource (Distributed Energy Resource, DER), wie z. B. eine Solaranlage mit Wechselrichter, benötigt, um sich vom Stromnetz zu trennen, nachdem sie eine Inselbildung festgestellt hat. 

Je kürzer diese Abschaltzeit ist, desto besser. Die Inselbildung bei Wechselrichtern kann sich sowohl auf die Sicherheit als auch auf den Betrieb und die Ausrüstung auswirken:

• Sicherheitsaspekte

• Sicherheit der Arbeitskräfte: Arbeiter können erwarten, dass der Strom abgeschaltet ist, wenn sie Wartungs- oder Reparaturarbeiten am Stromnetz durchführen. Die Inselbildung durch einen Wechselrichter kann ein Sicherheitsrisiko darstellen.

• Störspannungen: Die Inselbildung kann zu Spannungsungleichgewichten führen, die die Stabilität und die Sicherheit der an das Netz angeschlossenen elektrischen Geräte beeinträchtigen.

• Operative Herausforderungen

• Netzstabilität: Die Inselbildung kann die allgemeine Stabilität des Stromnetzes beeinträchtigen. Wenn ein inselbildendes System weiterhin Strom liefert, kann dies zu Stabilitätsproblemen führen.

• Frequenzdiskrepanzen: Ein inselbildendes System kann eine andere Frequenz als das Netz aufweisen, was beim Versuch, die Verbindung wiederherzustellen, zu Synchronisationsproblemen führt.

• Beschädigung der Ausrüstung

• Geräteschäden: Der plötzliche Rückfluss von Energie (Rückspeisung) aus einem inselbildenden System in ein Netz kann einen Stromstoß verursachen, der empfindliche elektronische Geräte, die an das Netz angeschlossen sind, beschädigen kann.

Verteilte Energieressourcen, einschließlich Wechselrichter, sind mit Anti-Islanding-Schutzfunktionen ausgestattet, um eine schnelle Abschaltung zu gewährleisten. Die Abschaltzeit wird durch die vom Wechselrichter verwendeten Erkennungsmethoden, die Reaktionszeit der Schutzrelais und die Gesamtkonstruktion des DER-Systems beeinflusst. 

Diverse Organisationen und Regulierungsgremien haben Normen für den Inselbetrieb von DER und Wechselrichtern festgelegt, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes sicherzustellen. Die Erfüllung der relevanten Normen und Vorschriften durch Wechselrichter ist von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, Sicherheits- und Betriebsbedenken im Zusammenhang mit Inselbildungseffekten auszuräumen.

CPRI – Testlabor für netzgekoppelte Wechselrichter

Das Central Power Research Institute (CPRI) ist die treibende Kraft der indischen Elektroindustrie. Es wurde 1960 von der indischen Regierung gegründet und widmet sich der angewandten Forschung im Bereich der elektrischen Energietechnik. 

Das Institut unterstützt die Elektroindustrie bei der Produktentwicklung und Qualitätssicherung und wirkt als unabhängige Instanz für die Prüfung und Zertifizierung von Energieanlagen. Dem Leitungsgremium des CPRI gehören herausragende Fachleute aus Industrie und Versorgungsunternehmen und renommierten Hochschul- und Forschungseinrichtungen sowie Regierungsvertreter an.

Das Institut kann alle obligatorischen Prüfungen durchführen, die Hersteller von Wechselrichtern im Rahmen der Produktregistrierung beim indischen Normungsinstitut (Bureau of Indian Standards, BIS) absolvieren müssen. Durch die Inbetriebnahme einer 500-kW-Prüfanlage ist das Prüflabor für netzgekoppelte Wechselrichter des CPRI in Bengaluru zu Indiens größter Prüfstelle seiner Art geworden. Zu den wichtigsten Aktivitäten des Labors zählen Prüfungen der Einhaltung der folgenden Normen:

• Photovoltaische Systeme - Stromrichter - Verfahren zu Messung des Wirkungsgrades (IS/IEC 61683:1999 (R 2015)), 

• Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in photovoltaischen Energiesystemen (IS 16221-1:2016 / IEC 62109-1:2010, Teil 1: Allgemeine Anforderungen),

• Sicherheit von Wechselrichtern zur Anwendung in photovoltaischen Energiesystemen (IS 16221-2:2015 / IEC 62109-2:2011, Teil 2: Besondere Anforderungen an Wechselrichter) und

• Prüfverfahren für Maßnahmen zur Verhinderung der Inselbildung für Versorgungsunternehmen in Wechselwirkung mit Photovoltaik-Wechselrichtern (IS 16169:2014/IEC 62116:2008).

Die hochentwickelte Testeinrichtung, die Flexibilität und Fachkompetenz kombiniert, kann sogar kundenspezifische Prüfanforderungen der Industrie erfüllen.

Gemäß der Verordnung „Solar Photovoltaics Systems, Devices, and Components Goods (Requirements for Compulsory Registration) Order“ des indischen Ministeriums für neue und erneuerbare Energien (MNRE) von  2017 und dem MNRE-Amtsblatt vom 29. Juli 2022 müssen Hersteller ihre Photovoltaik-Wechselrichter im einem obligatorischen Registrierungssystem (Compulsary Registration System, CRS) eintragen lassen. Die Qualitätskontrollverordnung verlangt die Prüfung von PV-Wechselrichtern durch ein vom BIS anerkanntes Labor.

Die Verordnung gilt für netzunabhängige, netzgekoppelte und hybride Solarwechselrichter mit einer Leistung von bis zu 150 KW, einer maximalen PV-Spannung von 1000/1100 VDC und einer Nennwechselspannung von 415 VAC.

Für die Registrierung im CRS verlangt die Verordnung von den Herstellern, dass sie netzgekoppelte Wechselrichter gemäß den Normen IS 16221 und IS 16169 und netzunabhängige Wechselrichter gemäß IS 16221 testen. Den entsprechenden Richtlinien zufolge müssen die Hersteller eine Erklärung zu ihrer Produktreihe vorlegen, wenn sie Muster einer bestimmten Reihe zur Prüfung einreichen.

Instrumentierung der Lösung

The specific test procedure for islanding testing involves creating a controlled environment to simulate grid Das spezifische Prüfverfahren für Inselbildungstests umfasst die Schaffung einer kontrollierten Umgebung für die Simulation eines Netzausfalls und die Ermittlung der Schnelligkeit, mit der der Wechselrichter den Inselbildungszustand erkennt und sich vom Netz trennt.

Zu diesem Zweck hat die Prüfstelle einen mehrkanaligen Leistungsanalysator mit hoher Abtastrate vom Typ SIRIUS HS von Dewesoft erworben, auf dem Kanäle beliebiger Art für Temperatur usw. eingerichtet werden können. 

• 10 Kanäle für Hochspannung (AC/DC)

• 10 Kanäle für Strom (AC/DC)

• 4 Kanäle für Temperatur

Die High-Speed-Verstärker der Reihe SIRIUS HS von Dewesoft sind für Leistungsanalyseanwendungen geeignet und ermöglichen eine synchrone Effizienzanalyse des gesamten Energieflusses, also der Wechselstrom- und der Gleichstromleistung. Sie eignen sich für die Aufzeichnung schneller Transienten und für Anwendungen, die eine hohe Abtastrate erfordern.

CPRI wählte für diese Messaufgabe das Datenerfassungssystem der SIRIUS-HS-Reihe, da es eine hohe Bandbreite mit einer aliasing-freien Signalerfassung kombiniert und eine Abtastrate von bis zu 1 Ms/s erreicht. Die Datenerfassungsgeräte von Dewesoft sind vollständig modular, was bedeutet, dass das Institut mehrere Geräte gleichzeitig einsetzen kann, um verschiedene Parameter mit vollständig synchronisierten Kanälen zu messen.

Das SIRIUS-Datenerfassungssystem verfügt über einen Anti-Aliasing-Filter, der in der im Feld programmierbaren Gatteranordnung (Field Programmable Gate Array, FPGA) mit einem Filter mit unendlicher Impulsantwort (Infinite Impulse Response, IIR) kombiniert werden kann. Diese Filterlösungen sind standardmäßig vorhanden und können je nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden. 

Einerseits erlaubt der Niederspannungsverstärker (SIRIUS HS-LV) in Kombination mit der 16-Bit-A/D-Wandler-Technologie dabei Niederspannungsmessungen auch in hohen Messbereichen (z. B. µV-Auflösung in einem Bereich von ±10 V). Diese Spannungspegel können im DewesoftX-Setup eingestellt werden.

Andererseits erlaubt der Hochspannungsverstärker (SIRIUS HS-HV) die direkte Messung von Spannungen bis zu 1600 VDC. Hier kann die Netzspannung direkt mit den integrierten Verstärkern ohne zusätzliche Spannungswandler gemessen werden.

Verwendete Instrumente

Hardware

• Dewesoft SIRIUS R2 HUB- Messdatenerfassungssystem

• SIRIUSir-HS-8xHV

• SIRIUSir-HS-8xLV

• SIRIUSir-HS-Custom-2xHV-6xLV

• SIRIUSir-PWR-MCTS2

• Dewesoft SIRIUSi-HD-PWR-MCTS2

• Dewesoft DSI-TH-K - Sensoranschluss

• LEM LF 2010-S - LEM Stromsensor-2000A

• Ametek ETS1000Y15D - DC Netzteil

• Ametek 5702499-01 - RLC Last

• Scientific PSD 3210 - DC Quelle

Software

• DewesoftX Professional

• Dewesoft-OPT-POWER

Testverfahren

Um die spezifizierten Last- und EUT-Ausgangsbedingungen (Equipment Under Test, EUT) zu erreichen, testen wir die Wechselrichter gemäß den Standards IS 16169:2014 und IEC 62116:2008, die ein Prüfverfahren für Maßnahmen zur Verhinderung der Inselbildung für Versorgungsunternehmen in Wechselwirkung mit Photovoltaik-Wechselrichtern definieren.

Diese Prüfung stellt sicher, dass der Wechselrichter die Sicherheit priorisiert, indem er während eines Stromausfalls die Rückspeisung ins Netz unterbricht. Diese Unterbrechung verhindert potenzielle Gefahren für Versorgungsarbeiter und Einsatzkräfte, die an vermeintlich stromlosen Leitungen arbeiten.

Beim Test wird die Fähigkeit des Wechselrichters überprüft, im Falle eines Stromausfalls innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens die Situation zu erkennen und sich vom Netz zu trennen (Anti-Islanding-Schutz).

Kurz zusammengefasst umfasst das Prüfverfahren drei Schritte: 

1. Simulation der Netzverbindung und Gewährleistung des normalen Wechselrichterbetriebs

2. Simulation eines Netzausfalls (Abschaltung)

3. Überwachung des Ausgangsstroms des Wechselrichters

In der Praxis sieht das Verfahren folgendermaßen aus:

1. EUT-Ausgangsleistung bestimmen.

2. DC-Eingangsquelle einstellen.

3. S1 geschlossen, S2 geöffnet

4. EUT einschalten, EUT-Ausgangsleistung messen.

5. Wirkleistung, Blindleistung, Frequenz und Netzleistung (Wirk- und Blindleistung) messen.

6. Wirkleistung = Blindleistung für Versorgungsunternehmen

7. EUT ausschalten und S1 öffnen.

8. RLC-Last so einstellen, dass Qf = 1 ± 0,05 ist.

9. Induktive Reaktanz = Wirkleistung des EUT

10. Der Induktor ist das erste Element.

11. Kondensator so einstellen, dass QC + QL = -QEUT ist.

12. Den Widerstand so anschließen, dass die von der RLC-Schaltung aufgenommene Leistung = PEUT ist.

13. RLC-Last gemäß Punkt 4 anschließen und S2 schließen.

14. S1 schließen und den EUT einschalten.

15. RLC so einstellen, dass I AC durch S1 = 0 A  ± 1 % ist.

16. S1 öffnen, um den Test zu starten.

17. Die Nachlaufzeit tR wird aufgezeichnet.

18. Für Prüfbedingung A die Wirklast und eine einzige Blindkomponente von ca. 1 % im Bereich zwischen 95 % bis 105 % einstellen.

19. Im Fall, dass die Nachlaufzeit zunimmt, die Blindkomponente pro Testdurchlauf um 1 % erhöhen, bis sich die Nachlaufzeit reduziert.

20. Die Lastbedingungen von Test C können erreicht werden, indem man zur Begrenzung der Ausgangsleistung anstelle der Stromversorgungsbegrenzung die Wechselrichtersteuerung verwendet.

Um den Test zu bestehen, muss der Wechselrichter sich innerhalb von zwei Sekunden nach dem Stromausfall im Netz (Abschaltung) vom Netz trennen und die Rückspeisung einstellen.

• Bestanden - Der Ausgangsstrom des Wechselrichters sinkt innerhalb von zwei Sekunden nach dem simulierten Netzausfall auf Null.

• Nicht bestanden - Der Ausgangsstrom des Wechselrichters erreicht den Wert Null nicht innerhalb von zwei Sekunden, was bei einem tatsächlichen Stromausfall ein potenzielles Sicherheitsrisiko bedeutet.

Messungen

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Messwerte des netzgekoppelten 125-kW-String-Wechselrichters, dessen Anti-Islanding-Schutzfunktion in verschiedenen Leistungsflussszenarien gemäß der Norm IS 16169/IEC 62116 getestet wurde.

Geprüfte Bedingungen und Nachlaufzeit

A. PEUT: EUT-Ausgangsleistung

B. PAC: Wirkleistungsfluss an S1 in Abb. 1. Ein positiver Wert bedeutet einen Leistungsfluss vom EUT zum Netzbetreiber. Der Nennwert für die Prüfbedingung ist 0 %.

C. QAC: Blindleistungsfluss an S1 in Abb. 1. Ein positiver Wert bedeutet einen Leistungsfluss vom EUT zum Netzbetreiber. Der Nennwert für die Prüfbedingung ist 0 %.

D. BL: Gleichgewichtszustand, IB: Ungleichgewichtszustand

Wellenformen

Für alle Wellenformen in den Abb. 7–12 verwenden wir den folgenden Farbcode:

• Die cyan Wellenformen bezeichnen Spannungen in Volt (hoher Wert) und Strom (niedriger Wert) von L1. 

• Die dunkelblauen Wellenformen bezeichnen Spannungen in Volt (hoher Wert) und Strom (niedriger Wert) von L2. 

• Die gelben Wellenformen bezeichnen Spannungen in Volt (hoher Wert) und Strom (niedriger Wert) von L3.

CPRI verwendet die sehr intuitive und benutzerfreundliche Datenerfassungssoftware DewesoftX, die in Kombination mit dem Leistungsanalysemodul eine genaue und einfache Durchführung von Netzmessungen dieser Art erlaubt. 

Das Leistungsanalysemodul zählt zu den komplexesten Mathematikmodulen in DewesoftX. Mit verschiedenen vorinstallierten Verdrahtungskonfigurationen ermöglicht die Software Messungen von Gleich- und Wechselstromnetzen, die mit unterschiedlichen und sogar variablen Frequenzquellen arbeiten. Alle Messungen erfolgen synchron.

Bei den vorinstallierten Verdrahtungsschemata, die im DewesoftX-Leistungsanalysemodul zur Verfügung stehen, handelt es sich im Einzelnen um:

• Gleichstrom

• einphasig

• 3-phasig Stern

• 3-phasig Dreieck

• 3-phasig Aron 

• 3-phasig V

• 3-phasig 2-Wattmeter-Methode

Das TEDS-Konzept (elektronisches Sensordatenblatt) eliminiert Konfigurationsprobleme, indem jeder Sensor mit einem kleinen Chip ausgestattet wird, der Informationen über den Sensor und die zugehörigen Verstärkereinstellungen enthält.

Die TEDS-Formate werden im IEEE-1451-Standard definiert. Viele Sensorhersteller haben diesen Standard in ihre Sensoren implementiert. Wenn man einen mit einem TEDS-Chip ausgestatteten Sensor erwirbt, braucht man ihn einfach nur anzuschließen – alle erforderlichen Einstellungen werden ohne weiteres Zutun direkt übernommen.

Ursprünglich war die TEDS-Funktion für piezoelektrische Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Drucksensoren gedacht. Heute steht sie für alle gängigen analogen Sensoren und Aktoren wie MEMS (mikroelektromechanische Systeme), Beschleunigungssensoren, Kraftmessdosen, Sensoren mit Spannungsausgang und mehr zur Verfügung.

Der Bediener braucht keine Einrichtungs- und Konfigurationsschritte mehr durchzuführen. Alle relevanten Informationen – Gerätetyp, Hersteller, Modellnummer, Seriennummer, Kalibrierungsdatum, Empfindlichkeit, Referenzfrequenz und Verstärkereinstellung – sind bereits auf dem TEDS-Chip gespeichert, der zudem auch eine Tabelle oder einen Algorithmus mit den Kalibrierkoeffizienten und dem Frequenzgang des Aufnehmers enthält.

Eine einfache Möglichkeit, die Abschaltzeit zu messen, besteht darin, die beiden Cursor L1 und L2 zu setzen. Die Differenz zwischen den Cursor ergibt die Abschaltzeit Δt.

Von den drei Phasen der Abschaltzeiten der Leitungsströme wird die längste – bezogen auf die Zeit vom Abschalten der Netzspannung bis zum Erreichen der Nullstromsituation – als Abschaltzeit für die Messung herangezogen (Anzeige des Auslösesignals in magenta).

Die manuelle Platzierung der Cursor führt häufig zu menschlichen Fehlern, da das Ereignis nur Millisekunden dauert. Solche Fehler beeinflussen die allgemeine Performance des Wechselrichters, der die Prüfung und Zertifizierung dadurch möglicherweise nicht besteht. 

Ein EUT erfüllt die Anforderungen für den Anti-Islanding-Schutz, wenn die aufgezeichnete Nachlaufzeit in jedem Fall unter 2 Sekunden beträgt oder die örtlichen Vorschriften erfüllt.

Anmerkungen:

1. Die maximale EUT-Ausgangsleistung muss unter Nutzung der maximal zulässigen Eingangsleistung erreicht werden. Die tatsächliche Ausgangsleistung kann die Bemessungs-Nennausgangsleistung überschreiten.

2. Alternativ der minimal zulässige EUT-Ausgangspegel, wenn 33 % überschritten werden

3. Auf Grundlage des Bemessungs-Eingangsbetriebsbereichs des EUT. Beispiel: 90 % des Bereichs = X + 0,75 * (Y-X), wenn der Bereich zwischen X und Y Volt liegt. Y darf 0,8 * die maximale Systemspannung des EUT, d. h. die maximal zulässige Array-Leerlaufspannung, nicht überschreiten. In keinem Fall darf der EUT außerhalb seines zulässigen Eingangsspannungsbereichs betrieben werden.

Das Dewesoft C++-Skript ist Dewesofts Tool für die Erstellung benutzerdefinierter Mathematikmodule. Als Kompromiss zwischen der Einfachheit der Formel und der Leistungsfähigkeit eines Plugins ermöglicht das Skript das Erstellen komplexer Dewesoft-Mathematikmodule. Mithilfe des C++-Skripts automatisierten wir den kompletten Test als Teil des Dewesoft-Mathematikmoduls, das Signalverarbeitungs- und Analysetools umfasst. 

Jetzt muss der Bediener nur noch die Eingangssignale, wie Strom, Trigger und Statistikkanäle von Current RMS, in die Inselbildungs-Testanordnung einspeisen. Bei der Durchführung des Tests wird die Abschaltzeit sofort angezeigt, wenn der Strom Null erreicht.

Fazit

Im Falle eines Netzausfalls verhindert das rechtzeitige Trennen der Wechselrichter vom Netz die Bildung ungewollter isolierter Strominseln. Eine schnelle Abschaltung verringert das Risiko elektrischer Gefahren für das Wartungspersonal und schützt vor möglichen Schäden am Wechselrichter oder den angeschlossenen Geräten. Das Verständnis und die Optimierung der Abschaltzeit von Wechselrichtern im Falle einer Inselbildung tragen zu einem sichereren, zuverlässigeren und regelkonformen Betrieb innerhalb des allgemeinen Stromnetzes bei.

Die Einsparung von Zeit ist auch in einer Messumgebung entscheidend. Einfach ausgedrückt: Zeit ist Geld. CPRI ist mit der Hard- und Software von Dewesoft sehr zufrieden. Die Dewesoft-Lösung spart Zeit bei der Messung der Abschaltzeit und erhöht zudem die Sicherheit. Die Ergebnisse sind sogar noch genauer, wenn die Messungen ohne manuelle Eingriffe erfolgen.