Solaremulation am National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Ich reiste mit einem Techniker von Magna-Power zur Inbetriebnahme eines massiven 1.500.000-Watt programmierbaren Netzteilsystems am National Renewable Energy Laboratory (NREL) des Department of Energy in Golden, Colorado. NREL ist die führende Einrichtung der Vereinigten Staaten für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbarer Energien. Das Energy Systems Integration Facility (ESIF) am NREL, in dem sich das 1,5 MW Magna-Power-System befindet, bietet eine Testplattform für eine saubere, erneuerbare und intelligente US-Energieinfrastruktur.

Das Magna-Power-System am NREL besteht aus sechs MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI-Netzteilen, die entweder für Master-Slave-Reihen- oder Parallelbetrieb mit Magna-Powers UID47-Verbindungsgerät konfiguriert werden können. Jedes MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI-Netzteilmodul ist dauerhaft für 0-1000 Vdc und 0-250 Adc ausgelegt. Mit der High Isolation Output (+ISO) Option hat jede Einheit eine DC-Ausgangsisolationsbewertung von ± 4000 Vdc, sodass die Module in Reihe bis zu 4000 Vdc konfiguriert werden können. Mit sechs Modulen können verschiedene Reihen- und Parallelkonfigurationen erreicht werden. Wie alle Produkte von Magna-Power kann dieses System als standardmäßiges Konstantstrom-, Konstantspannungs-Netzteil oder PV-Emulator verwendet werden. Als PV-Emulator wird dieses System zum Testen und Bewerten neuer Technologien und kommerzieller Produkte eingesetzt.

Ich hatte die Gelegenheit, mich mit Mariko Shirazi, einer Elektroingenieurin, die maßgeblich am Auswahlprozess des PV-Simulators beteiligt war, zusammenzusetzen, um mehr über die Aktivitäten des ESIF und die Anwendung der programmierbaren DC-Netzteile der MT-Serie von Magna-Power zu besprechen.

Interview mit Mariko Shirazi, Ph.D.

Was ist die Mission des National Renewable Energy Laboratory und insbesondere des Energy Systems Integration Facility (ESIF)?
Das übergeordnete Ziel dieser Einrichtung ist es, Energiesysteme einschließlich elektrischer, thermischer und kraftstoffbasierter Systeme zu testen und eine Plattform bereitzustellen, die all diese Systeme in einen einheitlichen Teststand integriert.

Wie werden programmierbare DC-Netzteile eingesetzt, um dieses Ziel zu erreichen?
Programmierbare DC-Netzteile werden als Photovoltaik-(PV)-Simulatoren eingesetzt. Einer der großen Vorteile des ESIF ist, dass wir die Möglichkeit haben, PV-Wechselrichter im kommerziellen und Versorgungsmaßstab (z. B. 100 kW, 1 MW usw.) hier zu testen. Wir verfügen über einen 1 MW AC-Netzsimulator, mit dem wir abnormale Spannungs- und Frequenzbedingungen auf den PV-Wechselrichter aufprägen können, um zu sehen, wie er reagiert – das ist keine übliche Fähigkeit einer öffentlichen Testeinrichtung. Daher sind Wechselrichterhersteller daran interessiert, ihre Wechselrichter zum Testen hierher zu bringen. In Verbindung mit dem AC-Netzsimulator benötigen wir auch DC-PV-Simulationsfähigkeit. Da wir keine 1 MW PV-Arrays zur Verfügung haben, brauchen wir die Möglichkeit, diesen Eingang zu erzeugen. Und auch wenn wir ein Array zur Verfügung hätten, sind PV-Simulatoren vorteilhaft, weil sie reproduzierbare Ergebnisse liefern und nicht von Umgebungsbedingungen abhängig sind.

Programmierbare DC-Netzteile, die bidirektional sind, können auch zur Simulation einer Batteriebank verwendet werden. Wenn wir einen großen USV-Wechselrichter oder einen anderen batteriegekoppelten Wechselrichter testen möchten, haben wir möglicherweise keine Batterie dieser Größe zur Hand, könnten den Wechselrichter aber dennoch mit einem Batteriesimulator testen.

Wann ging das PV-Simulatorsystem des NREL in Betrieb und begann mit dem Testen von Wechselrichtern?
Wir hatten eine Bereitschaftsüberprüfung im April 2013 und begannen im Mai 2013 mit dem Testen von Wechselrichtern. Von der PV-Simulationsseite her starteten wir mit 1 MW von Magna-Power.

Was waren einige der wichtigsten Auswahlfaktoren bei der Bewertung verschiedener Arten von Netzteilen und PV-Emulatoren in dieser Größenordnung?
Leistungs- und Spannungsbewertungen. Bandbreite. Kosten. Isolationsspannungsbewertung. Bidirektionalität. Modularität. Externe Analogeingänge und deren Art (Spannung/Strom vs. Einstrahlung/Temperatur, jede hat je nach Anwendung ihre eigenen Vorteile). Software-Komplexität. Anzahl der emulierten Punkte auf einer PV-Kurve. Interpolation zwischen aufeinanderfolgenden Kurven. Wie schnell der PV-Simulator Kurven aktualisieren konnte. Fähigkeit zur Simulation von Multi-Dioden/Multi-Hump-Kurven.

Was sind einige der wichtigsten Funktionen der Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) Software, die Ihre Tests vereinfacht haben?
Wir schätzen die Möglichkeit, ein Array entweder manuell einzugeben oder ein Array über den maximalen Leistungspunkt, die Leerlaufspannung und die Kurzschlussparameter einzugeben. Wir haben das bereitgestellte detaillierte Modell, bei dem man Temperatur und Einstrahlung eingibt, noch nicht verwendet, aber wir mögen definitiv die beiden anderen Modi.

Warum erforderte Ihre Anwendung die High Isolation (+ISO) Option?
Wir möchten bei ±2000 Vdc arbeiten, entweder potentialfrei oder geerdet, sodass es definitiv möglich ist, dass wir die Ausgangsisolation der Standardkonfiguration überschreiten könnten. Wir wollten unbedingt die höchste verfügbare Ausgangsisolationsspannung; dies war ebenfalls ein entscheidender Faktor.

Planen Sie, die analogen/digitalen I/O für Ihren eigenen Controller zu nutzen?
Ja, das haben wir bereits getan. Wir haben ein Echtzeit-Opal-RT-System mit unserem eigenen PV-Modell für die Simulation verwendet. Ich war ziemlich überrascht, wie gut es funktionierte, da wir nur einen 5 kW Wechselrichter mit diesem riesigen Netzteil betrieben haben.

Welche integrierten Funktionen im Magna-Power-System gewährleisteten die Sicherheit in dieser Anwendung?
Definitiv der Notaus-Eingang [Interlock] – entscheidend.

Das Magna-Power-System ist aus 250 kW Modulen aufgebaut. Nutzen Sie diese Modularität für die Neukonfiguration des Systems?
Modularität war entscheidend, denn wir möchten möglicherweise einen 1,5 MW Wechselrichter testen, drei verschiedene 500 kW Wechselrichter oder sechs 250 kW Wechselrichter. Sie können sich vorstellen, dass wir als Energy Systems Integration Facility einzelne Quellengeräte testen möchten, aber auch untersuchen wollen, welchen Einfluss mehrere Quellengeräte auf die Plattform haben.

Mariko Shirazi ist derzeit leitende REDB-Ingenieurin am Energy Systems Integration Facility (ESIF) des NREL. Der REDB (Research Electrical Distribution Bus) ist das Rückgrat der elektrischen Systemtest-Infrastruktur des ESIF. In ihrer Rolle als leitende REDB-Ingenieurin ist Mari verantwortlich für die fortlaufende Relevanz, Leistung und den sicheren Betrieb kritischer elektrischer Forschungsgeräte, die an den REDB angeschlossen sind. Auf der Forschungsseite konzentriert sich Mari auf Leistungselektronik und die Entwicklung von Mikronetz-Steuerungen. Mari erwarb einen B.S. in Maschinenbau an der University of Alaska, Fairbanks, sowie einen Master und Ph.D. in Elektrotechnik an der University of Colorado in Boulder.