Solaremulation und Wechselrichterprüfung
Überblick
Solaranlagen erzeugen einen Gleichstromausgang mit nichtlinearen Kennlinien, die als Funktion von Temperatur und Einstrahlung variieren. Geräte, die direkt an Solaranlagen angeschlossen sind, wie z. B. Solarwechselrichter, berücksichtigen diese Variationen, um sowohl den Ausgang der Anlage zu charakterisieren als auch die umgewandelte Leistung zu maximieren. Die Ausgangskennlinien von Solaranlagen unterscheiden sich erheblich von denen einer Standard-DC-Stromversorgung, weshalb zusätzliche Steuerungen implementiert werden müssen, damit eine DC-Stromversorgung diese Prüfanforderungen erfüllen kann.
Kennlinien von Solaranlagen
Die Spannungs- und Stromkennlinien von Solaranlagen schwanken mit Temperatur und Einstrahlung der Module; grob definiert dadurch, dass die Einstrahlung den Ausgangsstrom und die Temperatur die Ausgangsspannung beeinflusst. An Solaranlagen angeschlossene Geräte, wie z. B. Solarwechselrichter, müssen die Leistungsabgabe der Solaranlage maximieren, indem sie den maximalen Arbeitspunkt ermitteln. Darüber hinaus müssen Geräte mit Maximum-Power-Point-Tracking den Arbeitspunkt auch an Schwankungen von Temperatur und Sonneneinstrahlung anpassen.
Warum Magna-Power Electronics
- Solaranlagenemulation oder Standard-Stromversorgung: Die Magna-Power Electronics Photovoltaic Power Profile Emulation Software ermöglicht es jeder Magna-Power Electronics Stromversorgung, die nichtlinearen Kennlinien einer Solaranlage zu emulieren und diese Kennlinien als Funktion der Zeit zu variieren. Jede Magna-Power Electronics Stromversorgung kann zwischen Standard-Stromversorgungsbetrieb mit CV- und CC-Modi und Solaremulationsbetrieb umgeschaltet werden. Dieser Dualbetrieb ermöglicht eine maximale Auslastung der Prüfgeräte für eine Vielzahl von Anwendungen.
- Präzise Programmierung und Messung: Die Programmier- und Messgenauigkeit von Magna-Power Electronics gehört zu den höchsten der Branche. Ingenieure können sich für die Kalibrierung auf Messungen direkt von der Stromversorgung verlassen, was weniger Instrumentierung und Komplikationen in Prüfumgebungen bedeutet.
- Oberschwingungsneutralisierung: Magna-Power Electronics hat die Technologie der Oberschwingungsneutralisierung vorangetrieben und ermöglicht die Prüfung von Zentralwechselrichtern im Multi-Megawatt-Bereich mit bis zu 48-Puls-Wellenformen, die von der Stromversorgung erzeugt werden.
- Option Hohe Anstiegsrate (+HS): Die Option Hohe Anstiegsrate, verfügbar für alle Magna-Power Electronics Produkte, bietet eine reduzierte Ausgangskapazität und den Einsatz von Folienkondensator-Technologie anstelle von Standard-Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Für die Prüfung von Solarwechselrichtern wird die Option Hohe Anstiegsrate dringend empfohlen, da die reduzierte Ausgangskapazität weniger Wechselwirkung mit den Welligkeitskomponenten des Wechselrichters bedeutet und der Stromversorgung gleichzeitig eine höhere Bandbreite verleiht.
Software zur Solaranlagenemulation
Die Magna-Power Electronics Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) Software erzeugt nichtlineare Spannungs-/Strom-Profile (V/I) basierend auf dem EN50530-Standard und ermöglicht die Variation dieser V/I-Kennlinien als Funktion von Temperatur und Sonneneinstrahlung. Diese Profile können sequenziell an die Stromversorgung gesendet werden, wodurch Variationen der Solarparameter die Ausgangskennlinien der Stromversorgung über benutzerdefinierte Intervalle verändern. Darüber hinaus ermöglicht eine Interpolationsfunktion die automatisierte Profilerstellung zwischen Kurven für nahtlose Übergänge von einer Temperatur- und Einstrahlungsbedingung zu einer anderen. Diese Funktionalität kann beispielsweise verwendet werden, um von bewölkten Winterbedingungen zu sonnigen Sommerbedingungen überzugehen. Alternativ kann ein Profil intern in der Stromversorgung gespeichert werden, zur Verwendung ohne Computerverbindung. Darüber hinaus ist ein Befehlsexport verfügbar, um die einfache Solarprofilgenerierung von PPPE aus einer automatisierten Umgebung wie LabVIEW oder Visual Studio zu nutzen.
Drei verschiedene Methoden stehen zur Profilerstellung zur Verfügung:
- Referenzparameter: Wenn eine Referenz-Solarzelle und die Anlagenkennlinien bekannt sind, können Profile mit den Parameterwerten der Solarzelle erstellt werden: Tref, Irref, Vmp, Imp, Voc, Isc, β und α. Ein Dropdown-Menü ermöglicht die Auswahl von Polysilizium (cSi) oder Dünnschichttechnologie, um die β- und α-Werte gemäß dem EN50530-Standard automatisch einzutragen. Nach dem Ausfüllen der Referenzwerte ist die Erstellung einer neuen Kurve so einfach wie die Angabe eines Temperatur- und Einstrahlungswerts für jede neue Kurve.
- 4-Parameter: Die einfachste Methode zur Profilerstellung – Profile können allein mit dem Maximum-Power-Point, der maximalen Spannung (Leerlauf) und dem maximalen Strom (Kurzschluss) erstellt werden: Vmp, Isc, Voc und Isc.
- Bis zu 50 manuelle Punkte: Eine manuelle Kurve kann mit der PPPE-Software verwendet werden, entweder durch manuelle Eingabe von Spannungs- und Strompunkten oder durch Import von Werten aus einer kommaseparierten Wertedatei (.csv). Es können maximal 50 Punkte eingegeben werden, wobei die Stromversorgung während des Betriebs eine stückweise lineare Approximation zwischen diesen Punkten durchführt, um eine hohe Auflösung zu gewährleisten.
Eine Live-Ausgangsanzeige bietet ein Vollbildfenster, das gleichzeitig Spannung, Strom und Leistungsausgang anzeigt und diese Parameter über die Zeit verfolgt. Dieses Fenster bietet einen klaren Überblick über die Fähigkeit der angeschlossenen Last, Änderungen von Temperatur und Einstrahlung über die Zeit zu verfolgen. Eine Datenaufzeichnungsfunktion ermöglicht das Speichern von Ausgangsspannung, Strom und Leistungswerten sowie der definierten Ausgangskennlinien über die Zeit.
Umfassendes und modulares Produktangebot
Magna-Power Electronics bietet die breiteste Palette an programmierbaren Standard-DC-Stromversorgungen mit Solaremulationsfähigkeit. Magna-Power Electronics Einbaugeräte werden ab 2 kW und Standgeräte bis 4.000 kW angeboten, mit Spannungen bis zu 4.000 Vdc (potentialfrei) und Strömen bis zu 24.000 Adc. Die gesamte Produktlinie verfügt über identische Steuerungen und identische Programmieroptionen. Die Geräte werden standardmäßig mit stufenloser Drehregelung am Bedienfeld, RS-232-Computerschnittstelle und isolierter 37-poliger analoger/digitaler externer Steuerung geliefert. Optionen wie LXI TCP/IP Ethernet (+LXI), IEEE 488.2 GPIB (+GPIB) und USB Edgeport (extern) (+USB) sind als zusätzliche Programmierschnittstellen verfügbar. Alle Programmierschnittstellen unterstützen den grundlegenden SCPI-Befehlssatz und sind mit der Photovoltaic Power Profile Emulation Software kompatibel. Darüber hinaus sind Remote Interface Software für die computergestützte Bedienfeld-Steuerung und IVI-Treiber enthalten, um die Fernprogrammierung zu erleichtern. Mit wachsenden Leistungsanforderungen kann auch der Solargenerator-Emulator mitwachsen. Mit den modularen Bausteinen der Magna-Power Electronics Stromversorgungen können jederzeit Geräte in Master/Slave-Parallel- oder Reihenschaltung hinzugefügt werden. Für maximale Flexibilität können die Geräte einzeln, in kleineren Master/Slave-Systemen oder alle zusammen in einem großen System verwendet werden, vorausgesetzt, alle Module sind gleiche Modelle.
Für die Prüfung von Zentralwechselrichtern werden MT Series Produkte in Modulgrößen von 100 kW, 150 kW und 250 kW angeboten. Die unabhängigen IGBT-basierten MT Series Geräte gehören zu den größten Standard-Schaltnetzteilen auf dem Markt und minimieren die Anzahl der Schaltkomponenten im Vergleich zu kleineren Modulgrößen. Die Skalierung in den Multi-Megawatt-Bereich wird mit dem UID47-Gerät erreicht, das Master/Slave-Steuerung bietet: Eine Stromversorgung übernimmt die Kontrolle über die übrigen Geräte für einen echten Systembetrieb.
Alle Magna-Power Electronics Stromversorgungen können für Master/Slave-Parallel- oder Reihenbetrieb mit anderen gleichwertig ausgelegten Stromversorgungen konfiguriert werden. Plug & Play Master/Slave-Betrieb wird durch das UID47-Gerät ermöglicht, das die Steuersignale zwischen den Stromversorgungen verbindet.
Für Burn-in-Anwendungen erfordern Zentralwechselrichter hohe Spannungen und hohe Ströme, aber oft nicht gleichzeitig. Daher ist es vorteilhaft, Stromversorgungen zu haben, die in verschiedenen Anordnungen von Reihen- und Parallelmodulen umkonfiguriert werden können, was darüber hinaus die kostengünstigste Lösung bietet. Betrachten Sie beispielsweise unterschiedliche Wechselrichter-Burn-in-Anforderungen für 2000 Vdc bei 500 Adc und 500 Vdc bei 2000 Adc. Anstatt eine Stromversorgung zu spezifizieren, die sowohl 2000 Vdc als auch 2000 Adc liefern kann, kann mit der modularen Konfiguration von Magna-Power Electronics eine wesentlich kleinere und kostengünstigere Lösung spezifiziert werden, indem die Stromversorgungen für die unterschiedlichen Prüfanforderungen von Reihen- auf Parallelbetrieb umgestellt werden.
Die Umkonfigurierung der Ausgangsstufe der Stromversorgung von Reihen- auf Parallelbetrieb erfolgt über einen externen Schütz oder einen kostengünstigen Umschalter. Die Umkonfigurierung sollte nicht bei eingeschalteten Ausgängen erfolgen; stattdessen sollte die Stromversorgung bei null Volt und Ampere stehen. Darüber hinaus müssen auch die UID47-Steuerleitungen geändert werden, da die Slave-Einheit(en) je nach Reihen- oder Parallelbetrieb unterschiedliche Signale empfangen. Die Anwendungsingenieure von Magna-Power Electronics stehen zur Unterstützung bei bewährten Verfahren für diesen Prozess zur Verfügung.
Option Hohe Anstiegsrate (+HS)
Die Option Hohe Anstiegsrate löst mehrere Einschränkungen, die dem Schaltnetzteildesign inhärent sind. Schnelle Spannungsübergänge erfordern, dass die interne Elektronik die Energie zum Laden und Entladen der Ausgangskondensatoren bereitstellt. Spitzenströme innerhalb der Stromversorgung bestimmen die Anstiegsrate; die Verwendung geringerer Kapazität ermöglicht Spannungsübergänge in kürzeren Zeiträumen. Zusätzlich verringert eine geringere Kapazität die Anforderungen an die Entladung bei Leerlaufbedingungen.
Die Standard-Ausgangsstufe der Magna-Power Electronics Stromversorgungen wurde entwickelt, um die niedrigstmögliche Ausgangs-Brummspannung innerhalb der Grenzen verfügbarer Komponenten, Baugröße und Kosten zu bieten. Ein Teil der Ausgangsstufe besteht aus einer Reihe von Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die die gewünschten elektrischen Eigenschaften für diese Funktion aufweisen. Diese Komponenten erfordern Entladewiderstände, um eventuell vorhandene Spannung abzubauen, wenn die Stromversorgung ohne Last und deaktiviert ist. Während das Vorhandensein dieser Komponenten und die daraus resultierende Leistung normalerweise branchenüblich akzeptiert werden, gibt es Anwendungen, bei denen eine niedrigere Ausgangskapazität und verlustärmere Entladewiderstände äußerst wünschenswert und eine höhere Brummspannung akzeptabel sind. Um diesen Bedarf zu erfüllen, ist eine Option mit hoher Anstiegsrate verfügbar, die eine Ausgangsstufe aus Folienkondensatoren mit niedriger Kapazität und Aluminium-Elektrolytkondensatoren aufweist.
Für Photovoltaik-Emulationsanwendungen ermöglichen eine höhere Bandbreite und niedrigere Ausgangskapazität eine verbesserte Leistung mit schnelleren Maximum-Power-Tracker-Algorithmen. Die Maximum-Power-Tracker-Schaltung variiert den Arbeitspunkt von Photovoltaikanlagen, um die maximale Leistungsabgabe zu ermitteln. Langsam reagierende Emulationsquellen können ein Problem darstellen, wenn die Geschwindigkeit des Algorithmus die der Quelle übersteigt. Darüber hinaus erzeugen bei niedrigerer Ausgangskapazität Änderungen des Arbeitspunkts und Transienten, die durch Kurzschließen des Solarwechselrichtereingangs verursacht werden, geringere unerwünschte Eingangsströme.
Option Hohe Ausgangsisolation (+ISO)
Beim Zusammenschalten von Geräten in Reihenschaltung ist es wichtig, die Ausgangsisolationswerte des Produkts zu beachten, die je nach Produktserie und Modell gemäß den Produktspezifikationen variieren. Die Isolation des Produkts sollte durch ein System von in Reihe geschalteten Stromversorgungen nicht überschritten werden. Die folgende Tabelle bietet eine Kurzübersicht über die verfügbaren Ausgangsisolationswerte:
| Standard Output Isolation for Models Rated 1000 Vdc and Below, No Option | Output Isolation for Model Rated 250-1000 Vdc With +ISO Option | Standard Output Isolation for Models Rated Above 1000 Vdc, No Option | |
|---|---|---|---|
| XR Series | 1000 Vdc | N/A | N/A |
| TS Series | 1000 Vdc | ±(2000 Vdc + Vo/2) | ±(2000 Vdc + Vo/2) |
| MS Series | 1000 Vdc | ±(2000 Vdc + Vo/2) | ±(2000 Vdc + Vo/2) |
| MT Series | 1000 Vdc | 4000 Vdc | 4000 Vdc |
Note: Vo is the product's output voltage rating
Die Standardisolation für Modelle der XR Series, TS Series und MS Series. Eine Option für hohe Isolation (+ISO) ist für TS Series und MS Series Produkte bis 1000 Vdc verfügbar und ermöglicht eine Ausgangsisolation von bis zu 2000 Vdc + Vo/2 vollständig potentialfrei, wobei Vo die Nennausgangsspannung des Produkts ist. MT Series Produkte ab 400 Vdc sind mit 4000 Vdc Ausgangsisolation verfügbar.
Energierückgewinnung bei Zentralwechselrichtern
Die Entwicklung und Produktion von Zentralwechselrichtern im Megawatt-Bereich stellen besondere Anforderungen an Prüfgeräte und Strominstallationen. Der AC-Ausgang des Wechselrichters kann in den Eingang der DC-Stromversorgung zurückgespeist werden, was eine Energierückgewinnung ermöglicht. Der Ausgang des Solarwechselrichters wird üblicherweise in den Eingang der DC-Stromversorgung zurückgeführt, sodass das Stromsystem nur für die Gesamtverluste ausgelegt werden muss – ein Bruchteil der gesamten Leistungsumwandlung. Bei dieser Art von Konfiguration spielen Oberschwingungen eine entscheidende Rolle für die Prüfleistung und Zuverlässigkeit.
Eingangs-Stromoberschwingungen sind ein Nebenprodukt nahezu aller Stromversorgungen. Leistung kann nur an die Last geliefert werden, wenn Frequenz und Phase von Spannung und Strom übereinstimmen. Bei einer Dreiphasen-Stromversorgung mit einem Dreiphasen-Eingangsgleichrichter hat der Eingangsstrom ein theoretisches Spektrum von 6n±1, wobei n eine ganzzahlige Zahl ab 1 ist; dies wird als 6-Puls-Wellenform bezeichnet. Das bedeutet, dass eine Stromversorgung mit einem Dreiphasen-Eingangsgleichrichter Eingangsströme beim 1-, 5-, 7-, 11-, 13-, 17-, 19-fachen ... der Grundfrequenz erzeugt. Die theoretische Amplitude nimmt als Kehrwert der Oberschwingungskomponente ab. Die 5. und 7. Oberschwingungskomponente haben Amplituden von 20 % bzw. 14 % der Grundschwingung.
Oberschwingungsströme in Stromversorgungssystemen können ungewöhnliche Pfade finden und Probleme verursachen, wenn die Amplitude signifikant ist und es Lasten gibt, die empfindlich auf Oberschwingungsfrequenzen reagieren. Beispielsweise haben Leuchten-Vorschaltgeräte in Reihe geschaltete Kondensatoren und Induktivitäten, die durch Oberschwingungsströme angeregt werden können. IEEE hat den Standard IEEE 519 eingeführt, der empfohlene Grenzwerte definiert. Die Umsetzung dieses Standards erfordert Kenntnisse über das Stromsystem und andere oberschwingungserzeugende Lasten. Leider kann der Standard dazu führen, dass dieselbe Stromversorgung in einer Anwendung möglicherweise die Grenzwerte überschreitet und in einer anderen nicht. Ebenso kann eine Stromversorgung oberschwingungsbedingte Probleme verursachen oder auch nicht, unabhängig davon, ob sie IEEE 519 erfüllt oder nicht. Die beste Lösung zur Minimierung des Risikos eines Oberschwingungsproblems ist die Beseitigung des Oberschwingungsstroms an der Quelle.
Magna-Power Electronics Oberschwingungsneutralisierer unterdrücken Oberschwingungsfamilien durch Erhöhung der Anzahl der Leistungsphasen. Sie können eingesetzt werden, wenn mehrere Stromversorgungen in Reihen- oder Parallelschaltung verwendet und gleichmäßig belastet werden. Oberschwingungsneutralisierer können 12-Puls-, 18-Puls-, 24-Puls- oder 48-Puls-Wellenformen erzeugen, die Oberschwingungsstromkomponenten in der Größenordnung von 12n±1, 18n±1, 24n±1 bzw. 48n±1 aufweisen. Abbildung 1 zeigt den theoretischen Unterschied zwischen 6-Puls- und 12-Puls-Wellenformen; 18-Puls-Wellenformen sind ähnlich, jedoch mit mehr Stufen. Abbildung 2 zeigt die resultierenden spektralen Unterschiede. HN Series Oberschwingungsneutralisierer sind mit einem entsprechend dimensionierten Leistungsschalter geschützt.
Alle 250 kW MT Series Produkte werden mit einem integrierten 12-Puls-Oberschwingungsneutralisierer geliefert, d. h. 250 kW Quellen erzeugen standardmäßig 12-Puls-AC-Wellenformen. Um höhere Leistungsstufen zu erreichen, werden mehrere 250 kW MT Series Geräte über das UID47-Gerät in Master/Slave-Parallel- und/oder Reihenschaltung zusammengeschlossen. Für Zentralwechselrichter im Multi-Megawatt-Bereich bietet Magna-Power Electronics einen 500 kW 24-Puls-Oberschwingungsneutralisierer, HN500, oder 48-Puls-Oberschwingungsneutralisierer, HN1000, um selbst die anspruchsvollsten Oberschwingungsanforderungen zu erfüllen. Wenn diese Option mit einem großen MT Series System geliefert wird, wird ein HN500-Gerät für jeweils zwei 250 kW Stromversorgungen oder ein HN1000 für jeweils vier 250 kW Stromversorgungen verwendet. Die eingehende AC-Leistung wird der Primärseite des HN500/HN1000 für einen einzigen Einspeisepunkt zugeführt. Die Verkabelung von der Sekundärseite des HN500/HN1000 zum AC-Eingang der Stromversorgung wird von Magna-Power Electronics bereitgestellt.
Zusammenfassung
Magna-Power Electronics bietet eine breite Palette an Lösungen für die Prüfanforderungen von Solarwechselrichtern. Die Photovoltaic Power Profile Emulation Software ermöglicht die Erzeugung nichtlinearer V/I-Kurven gemäß dem EN50530-Standard, Datenaufzeichnung sowie die sequenzielle Emulation von Kurven über eine Magna-Power Electronics Stromversorgung. Optionen wie die Hohe Anstiegsrate (+HS) und die Hohe Ausgangsisolation (+ISO) bieten Ausgangsverbesserungen für spezifische Prüfanforderungen von Solarwechselrichtern. Schließlich ermöglicht die innovative Oberschwingungsneutralisierungstechnologie von Magna-Power Electronics saubere AC-Wellenformen, selbst bei Verwendung von Schaltnetzteil-Technologie im Multi-Megawatt-Bereich.