Zertifizierung von Wechselrichtern nach Normen und Netzanschlussrichtlinien

EPC Power ist ein innovatives, in Kalifornien ansässiges Energieumwandlungsunternehmen, das Wechselrichter im Leistungsbereich von 1–6 MW für den Versorgungssektor und 250–500 kW für Unternehmen und Einrichtungen anbietet. Aufgrund ihrer Skalierbarkeit sind die Systeme von EPC aber auch bereits in Anlagen mit Leistungen von über 100 MW zum Einsatz gekommen. Sie eignen sich für verschiedene Anwendungen wie:

• Microgrids (Inselnetze)

• unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

• Schwarzstarts (selbständiges Anfahren nach Stromausfällen, unabhängig von anderen Stromquellen)

Die Problematik

Die Leistungsumwandlungssysteme von EPC werden weltweit von verschiedenen Betreibern eingesetzt. Dazu werden sie unter extremsten Wetterbedingungen getestet. 

Einhergehend  mit der wachsenden Anzahl erneuerbarer Energiequellen, die immer häufiger in das Stromnetz eingebunden werden, nimmt die Bedeutung dieser als fluktuierende Energiequellen (Variable Energy Resources, VER) bezeichneten  Stromversorgungssysteme rasch zu. Sie werden oft mit zentralen Stromversorgungssystemen (Bulk Power Systems, BPS) verbunden. Fluktuierende Energiequellen gelten als verteilte Energieressourcen (Distributed Energy Resources, DER), da sie im Gegensatz zu den traditionellen Stromerzeugungsressourcen geografisch weit gestreut sind.

Weltweit gibt es eine schwindelerregende Anzahl von Normen für Wechselrichter und Leistungswandler. Da EPC Power ihre Solarwechselrichter international anbietet, müssen die Produkte sowohl nach nordamerikanischen Normen (UL 1741, IEEE 1547 und CSA 22.2) als auch nach australischen und europäischen Sicherheitsnormen und Netzanschlussrichtlinien (einschließlich IEC 62109 und VDE) sowie Qualitätsstandards (einschließlich ISO 9001:2015) zertifiziert sein. 

Für die Ingenieure von EPC Power ist es eine Herausforderung, alle diese Normen zu erfüllen. Sie benötigten ein neues Datenerfassungssystem (DAQ) für die Leistungsmessung, das in der Lage sein musste, eine breite Palette von Leistungstests abzuwickeln und komplexe Berechnungen auf der Grundlage der gemessenen Spannungen und Ströme durchzuführen. Bevor ich die Lösung vorstelle, möchte ich diese Herausforderungen genauer beschreiben.

Wir sind auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen

Für die meisten Menschen auf der Welt ist die Nutzung von Strom eine Selbstverständlichkeit. Wir wachen morgens auf, schalten das Licht ein, benutzen unsere elektrische Zahnbürste, den Rasierer oder den Haartrockner und machen uns dann in der Küche das Frühstück. Wir fragen uns selten, ob wir Strom zur Verfügung haben werden. Wir sind so sehr an eine zuverlässige Stromversorgung gewöhnt, dass es zum Beispiel eine erhebliche Störung darstellt, wenn ein Unwetter eine Stromleitung kappt. In solchen Fällen kommt es zu einem wilden Ansturm auf die Baumärkte, um Generatoren zu kaufen, die unsere Kühlschränke am Laufen halten.

Auf den Märkten für Stromerzeugung und -umwandlung gibt es keine Toleranz für unzuverlässige Produkte. Leistungsumwandlungssysteme müssen validiert werden, wobei der Prozess auch strenge Umwelttests unter extremen Wetterbedingungen umfasst. Menschen, die in Arizona leben, gehen davon aus, dass diese Systeme in der Wüstenhitze funktionieren, genauso wie die Menschen im Norden Minnesotas erwarten, dass sie auch bei -40 ° den Dienst nicht aufgeben. Sie müssen einfach funktionieren, egal unter welchen Bedingungen.

Unterschiedliche Stromnetze auf der ganzen Welt

1891 legten Ingenieure von Westinghouse in Pittsburgh (Pennsylvania, USA) als erste eine Netzfrequenz fest und entschieden sich für 60 Hz. General Electric und Westinghouse hatten zuvor eine Debatte über die optimale Netzfrequenz geführt, und keine Frequenz bot einen zwingenden Vorteil, man entschied sich aber für 60 Hz, da „die Wahrscheinlichkeit eines störenden Lichtflimmerns geringer schien“.

Später im selben Jahr beschloss das deutsche Unternehmen AEG (das aus einem von Edison in Deutschland gegründeten Unternehmen hervorgegangen war), die erste deutsche Stromerzeugungsanlage angeblich deshalb mit einer Grundfrequenz von 50 Hz zu bauen, weil die Zahl 50 im Gegensatz zur 60 einer Normzahlreihe angehöre, also „metrisch-freundlicher“ sei. Diese frühen Entscheidungen führten zu weltweit unterschiedlichen Netzeigenschaften, die in Abb. 1 veranschaulicht werden.

International Reisende bemerken sofort, dass sich die Stecker und Steckdosen auf verschiedenen Kontinenten unterscheiden. Heutzutage sind die meisten Wechselstromgeräte und AC/DC-Ladegeräte oder -Netzteile für Frequenzen von 50–60 Hz und Eingangsspannungen von 100–240 VAC geeignet, um weltweit einsetzbar zu sein. Wir können unsere Notebooks oder elektrischen Rasierapparate in jedes Land der Welt mitnehmen und mit einem einfachen und preiswerten Steckeradapter benutzen.

Eine Vielfalt an Normen und Standards

Die Vielfalt der in der Welt existierenden Normen stellt auch für die Stromwirtschaft eine Herausforderung dar. Diese Situation entstand durch die historischen Umstände bei der Einführung von Strom und seiner Regulierung durch verschiedene Gremien.

Heute gibt es verschiedene Spannungs-Frequenz-Kombinationen für die Grundversorgung im Netz und zudem Hunderte von verschiedenen Regulierungsgremien. Nahezu jedes Land oder jeder Länderverbund hat eine eigene Regulierungsbehörde, die die für den Verkauf eines Produkts im jeweiligen Land oder der jeweiligen Region geltenden Vorschriften festlegt. Und jede dieser Behörden kann dabei auf internationale, nationale oder regionale Normen zurückgreifen. 

Auf nationaler Ebene gibt es Hunderte, wenn nicht Tausende solcher Stellen. Für einen Hersteller ergeben sich dadurch Zehntausende mögliche Kombinationen von Konformitätsprüfungen für den Export, den internationalen und den interkontinentalen Vertrieb.

Ein Großteil der Zeit, die die Ingenieure mit der Forschung und Entwicklung von Energieumwandlungsprodukten verbringen, wird für die Überprüfung der Einhaltung von Normen und die Zusammenarbeit mit Normungsgremien für die weltweite Zulassung der Produkte aufgewendet.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der wichtigsten, für die Energiebranche relevanten internationalen Normungsorganisationen:

• American Society for Testing and Materials (ASTM International)

• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

• Internationale Beleuchtungskommission (CIE)

• International Electrotechnical Commission (IEC)

• Internationale Organisation für Normung (ISO)

• National Electrical Manufacturers Association (NEMA)

• SAE International (SAE)

• Underwriters Laboratories (UL)

Im Allgemeinen verfügen diese Organisationen über getrennte Verfahren zur Prüfung und Bewertung der Kriterien für die Erfüllung oder Nichterfüllung verschiedener kritischer Netzanforderungen. Viele dieser Anforderungen fallen in die folgenden Kategorien:

• Durchfahren von Abweichungen der Netzspannung (Voltage Ride Through, VRT)

• Durchfahren von Unterspannung (Low-Voltage Ride Through, LVRT)

• Durchfahren von Überspannung (High-Voltage Ride Through, HVRT)

• Durchfahren von Abweichungen der Netzfrequenz (Frequency Ride Through, FRT)

• Durchfahren von Unterfrequenzen

• Durchfahren von Überfrequenzen

• Schnelle Spannungsänderungen (Rapid Voltage Change, RVC)

• Flicker

• usw.

Schlüsselparameter für die Leistungsbewertung

Als Reaktion auf diese Umstände haben die Normungsorganisationen Kriterien zur Bewertung von Spannung (V), Strom (I), Wirkleistung (P), Blindleistung (Q), Scheinleistung (S), symmetrischen Komponenten (Mit-, Gegen- und Nullsystem) usw. in Bezug auf die zu prüfende Komponente bzw. das zu prüfende System definiert. Diesen Definitionen zufolge müssen fluktuierende Energiequellen (VER) in der Lage sein, einige oder alle der folgenden Anforderungen zu erfüllen:

• sich vom Netz trennen und getrennt bleiben, bis sie manuell wieder angeschlossen werden;

• sich vorübergehend vom Netz trennen, dann wieder verbinden und den Betrieb nach dem Ereignis fortsetzen:

• verbunden bleiben und sich nicht vom Netz trennen;

• verbunden bleiben und das Netz mit spannungsstabilisierender Blindleistung unterstützen.

Die Lösung

EPC Power setzt zwei SIRIUSi-XHS-4xHV-4xLV-Hochgeschwindigkeits-Leistungsanalysatoren von Dewesoft ein, um zwei dreiphasige Wechselstromsysteme und deren Gleichstromkomponenten synchron zu messen. Die SIRIUS-XHS-Plattform führt kontinuierliche oder getriggerte Aufzeichnungen mit einer Abtastrate von bis zu 15 MS/s durch. Die Prüfung von Wechselrichtern ist anspruchsvoll, und SIRIUS XHS ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Erfassung und Auswertung von sehr schnellen transienten Signalen.

Das Softwaremodul für elektrische Leistung in DewesoftX bietet Messtechnikern zahlreiche Optionen für die Echtzeitberechnung von Leistung und Netzqualitätskennwerten sowie die Neuberechnung von Kennwerten in einer Nachverarbeitungsumgebung. Die Kombination aus Transientenrekorder, Oszilloskop, Leistungsmessgerät und Netzqualitätsmessgerät bietet Anwendern ein Höchstmaß an Flexibilität.

Messverfahren und Messanordnung

EPC Power besitzt ein umfangreiches Testlabor, in dem die Produktperformance unter verschiedenen Bedingungen geprüft werden kann. Das Labor ist mit zahlreichen Geräten, darunter großen Labornetzteilen, Ladebänken usw., ausgestattet,  die es erlauben, das Durchfahren von Fehlerzuständen, wie Abweichungen der Netzspannung oder -frequenz, die in der Praxis auftreten können und von den Technikern im Rahmen der Prüfung bewertet werden müssen, realistisch zu simulieren.

Abb. 5 zeigt eine Messeinrichtung für ein dreiphasiges System. Hinter der Wand befinden sich die hochmodernen, firmeneigenen Testinstrumente, mit denen die Ingenieure die genannten Feldbedingungen simulieren können. Die Anordnung ermöglicht es EPC Power, die zu bewertenden Produkte schnell und effektiv auszutauschen.

Abb. 6 zeigt die beiden SIRIUS-XHS-Messgeräte auf dem Instrumentenwagen. Jedes verfügt über je vier Hochspannungs- und Niederspannungseingänge. Die beiden Geräte sind synchronisiert und per Ethernet mit dem Mess-PC verbunden. Diese Verbindung erlaubt es, den Computer weit entfernt von der Prüfstation zu platzieren.

Flexible, durch den Benutzer konfigurierbare Anzeigen

Das DewesoftX-Modul für elektrische Leistung bietet einen Übersichtsbildschirm, der an die besonderen Anforderungen des jeweiligen Tests angepasst werden kann. Mit grafischen Widgets wie digitalen Zählern, Rekordern, Oszilloskopen, Vektorskopen, Tabellen, FFTs, Harmonic FFTs und vielen anderen lässt sich das schnell und einfach bewerkstelligen.

Online- und Offline-Mathematik

Das Leistungsmodul verfügt über eine einfach zu bedienende Schnittstelle für Gleichstrom, ein-, zwei- oder dreiphasigen (Stern, Dreieck usw.) Wechselstrom und beliebige Kombinationen davon. Die Netzfrequenzen können spezifisch oder variabel sein, um jedem Stromnetz gerecht zu werden. Leistungsparameter können auf Grundlage einer genauen Anzahl von Zyklen gemäß IEC- und IEEE-Definition und zusätzlich auf 0,5-, 1-, 2- oder 4-Perioden-Basis berechnet werden. Darüber hinaus ermöglicht es das Modul, Überlappungen zu definieren, um ein gleichmäßigeres Ausgangssignal zu erhalten.

Durch Anklicken der entsprechenden Kontrollkästchen kann das Leistungsmodul auch veranlasst werden, Netzqualitätsmetriken und -parameter wie Phasenwinkel, P, Q, Impedanz und Zwischenharmonische einzeln auf der Oberschwingungsebene zu berechnen. 

Diese Funktion ermöglicht ein kritisches Verständnis von Inhalten abseits der grundlegenden Bewertung der Frequenz für jede einzelne Harmonische. Das DewesoftX-Leistungsmodul verfügt über vordefinierte Berechnungsoptionen für harmonische Verzerrungen, symmetrische Komponenten, schnelle Spannungsänderungen (RVC), Spannungs-Flicker und Flickeremission.

Das DewesoftX-Mathematikmodul erlaubt es Messtechnikern, jegliche mathematische Funktion zu definieren, die nicht bereits standardmäßig im Leistungsmodul enthalten ist. Solche Funktionen sind – wie in Abb. 7 zu sehen – sehr hilfreich, wenn es darum geht, Einheiten zu ändern, um Prozentsätze zu betrachten, Wirkungsgrade zu berechnen, das Timing von Wellenformmerkmalen zu messen usw. 

Das DewesoftX-Mathematikmodul arbeitet Hand in Hand mit dem Leistungsmodul, womit sich in Echtzeit und parallel zur laufenden Nachverarbeitung benutzerdefinierte Berechnungen durchführen lassen.

Sollwertsteuerung über CAN-Netzwerk

Ein bei dieser Art von Tests häufig auftretendes Problem ist die Steuerung der Sollwerte. In der Vergangenheit haben Ingenieure externe Programme geschrieben, um Befehle an Controller zu senden, die diese veranlassten, mehrere Sollwerte zu durchlaufen, um die entsprechenden Daten zu erfassen. Die SIRIUS-XHS-Module verfügen über einen integrierten CAN-Port (Controller Area Network), der es dem Benutzer ermöglicht, in DewesoftX ein Prüfskript zu definieren und dann Sollwerte an jedes Steuergerät zu senden, das zur CAN-Kommunikation befähigt ist.

In DewesoftX lässt sich der Mathematikkanal, der die Sollwerte anzeigt, leicht erstellen und zur Übertragung über das CAN-Netzwerk einfach zuweisen. DewesoftX exportiert direkt die DBC-Datei, die der Controller zum Dekodieren der Nachricht benötigt, und unterstützt so die nahtlose Integration der Datenerfassung und Steuerung des Prüfstands.

Zusammenfassung und Fazit

Während EPC Power neue Wege in der Leistungsumwandlungstechnologie beschreitet, werden die Leistungsanalysetools von Dewesoft kontinuierlich weiterentwickelt, um mit den neuesten Trends in der Prüf- und Messtechnik Schritt zu halten und diese zu unterstützen. Die einfach zu bedienende Softwareoberfläche und die fortschrittlichen Leistungsanalysetools von Dewesoft eignen sich perfekt für die Erfüllung der Prüfanforderungen, die von den verschiedenen Organisationen, Behörden und anderen Vorschriften vorgegeben werden. 

Spannungs- und Frequenz-Ride-Through-Tests sowie die Messung von schnellen Spannungsänderungen und Flicker sind nur einige der Möglichkeiten, die durch Tausende von sofort einsatzbereiten Berechnungsoptionen für Zertifizierungs- oder Forschungs- und Entwicklungszwecke geboten werden. Die Kombination der vordefinierten Berechnungsoptionen des Leistungsmoduls mit dem fortschrittlichen Dewesoft-Mathematikmodul macht DewesoftX zu einem unschätzbaren Werkzeug für alle Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Energiesektor. 

Schließlich wird durch das Ausführen von Sollwerten, Lastprofilen oder anderen Steuerungselementen aus der Dewesoft-Umgebung über CAN, MODBUS oder andere Protokolle der Prüfaufbau durch den Wegfall vieler nunmehr überflüssiger Prozesskomponenten erheblich vereinfacht.

Bei Dewesoft und EPC Power freuen wir uns auf eine bessere und leistungsfähigere Zukunft, während wir weiterhin zusammenarbeiten und neue Technologien für die Leistungsanalyse entwickeln.

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