Emulazione solare presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Ho viaggiato con uno dei tecnici di Magna-Power per la messa in servizio di un enorme sistema di alimentazione programmabile da 1.500.000 watt presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia a Golden, Colorado. L'NREL è la principale struttura degli Stati Uniti per la ricerca e lo sviluppo delle energie rinnovabili. L'Energy Systems Integration Facility (ESIF) dell'NREL, dove si trova il sistema Magna-Power da 1,5 MW, fornisce un banco di prova per un'infrastruttura energetica statunitense pulita, rinnovabile e intelligente.

Il sistema Magna-Power presso l'NREL è composto da sei alimentatori MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI, che possono essere configurati per il funzionamento in serie o in parallelo master-slave con il dispositivo di interconnessione UID47 di Magna-Power. Ogni modulo di alimentazione MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI è in grado di erogare 0-1000 Vdc e 0-250 Adc, in modo continuo. Con l'opzione High Isolation Output (+ISO), ogni unità ha un livello di isolamento dell'uscita DC di ± 4000 Vdc, consentendo la configurazione dei moduli fino a 4000 Vdc in serie. Con sei moduli, è possibile ottenere una varietà di configurazioni in serie e in parallelo. Come tutti i prodotti Magna-Power, questo sistema può essere utilizzato come alimentatore standard a corrente costante, tensione costante o come emulatore PV. Come emulatore PV, questo sistema viene utilizzato per il test e la valutazione di nuove tecnologie e prodotti commerciali.

Ho avuto l'opportunità di parlare con Mariko Shirazi, Ingegnere Elettrico fondamentale nel processo di selezione del simulatore PV, per discutere ulteriormente delle attività dell'ESIF e dell'applicazione dell'alimentatore DC programmabile della Serie MT di Magna-Power.

Intervista con Mariko Shirazi, Ph.D.

Qual è la missione del National Renewable Energy Laboratory e, in particolare, dell'Energy Systems Integration Facility (ESIF)?
L'obiettivo generale di questa struttura è testare sistemi energetici, inclusi quelli elettrici, termici e a combustibile, e fornire una piattaforma che integri tutti questi sistemi in un banco di prova unificato.

Come vengono utilizzati gli alimentatori DC programmabili per raggiungere questo obiettivo?
Gli alimentatori DC programmabili vengono utilizzati come simulatori fotovoltaici (PV). Una delle grandi attrattive dell'ESIF è che abbiamo la capacità di testare inverter PV su scala commerciale e utility (ad esempio 100 kW, 1 MW, ecc.) qui. Disponiamo di un simulatore di rete AC da 1 MW che ci consente di imporre condizioni anomale di tensione e frequenza sull'inverter PV per osservare come risponde, una capacità non comune per una struttura di test pubblica. Di conseguenza, i produttori di inverter sono interessati a portare i loro inverter qui per i test. In combinazione con la connessione al simulatore di rete AC, abbiamo anche bisogno di una capacità di simulazione DC PV. Poiché non disponiamo di array PV da 1 MW, abbiamo bisogno della capacità di generare quell'input. Inoltre, anche se avessimo un array disponibile, i simulatori PV sono vantaggiosi perché possono produrre risultati ripetibili e non dipendono dalle condizioni ambientali.

Gli alimentatori DC programmabili bidirezionali possono anche essere utilizzati per simulare un banco di batterie. Se vogliamo testare un grande inverter UPS o un altro inverter collegato a batterie, potremmo non avere una batteria di quelle dimensioni disponibile ma potremmo comunque testare l'inverter con un simulatore di batterie.

Quando il sistema di simulazione PV dell'NREL è entrato in funzione e ha iniziato a testare gli inverter?
Abbiamo effettuato una verifica di prontezza nell'aprile 2013 e abbiamo iniziato a testare gli inverter nel maggio 2013. Dal lato della simulazione PV, abbiamo iniziato con 1 MW di Magna-Power.

Quali sono stati alcuni dei fattori chiave di selezione quando stavate valutando i vari tipi di alimentatori e emulatori PV a questa scala?
Potenza e tensione nominali. Larghezza di banda. Costo. Tensione di isolamento nominale. Bidirezionalità. Modularità. Ingressi analogici esterni e tipo (tensione/corrente vs. irraggiamento/temperatura, ciascuno con i propri vantaggi a seconda dell'applicazione). Sofisticazione del software. Numero di punti emulati su una curva PV. Interpolazione tra curve successive. Velocità di aggiornamento delle curve del simulatore PV. Capacità di simulare curve multi-diodo/multi-picco.

Quali sono alcune delle funzionalità chiave del software Photovoltaic Power Profile Emulation (PPPE) che hanno semplificato i vostri test?
Apprezziamo la possibilità di inserire manualmente un array o di inserire un array tramite il punto di massima potenza, la tensione a circuito aperto e i parametri di cortocircuito. Non abbiamo ancora utilizzato il modello dettagliato fornito, in cui si inseriscono temperatura e irraggiamento, ma apprezziamo decisamente le altre due modalità.

Cosa nella vostra applicazione ha richiesto l'opzione High Isolation (+ISO)?
Vogliamo operare a ±2000 Vdc, sia flottante che a terra, quindi c'è sicuramente la possibilità di superare l'isolamento dell'uscita della configurazione standard. Volevamo assolutamente la tensione di isolamento dell'uscita più alta disponibile; anche questo è stato un fattore decisivo.

Prevedete di sfruttare l'I/O analogico-digitale per un vostro controller?
Sì, lo abbiamo già fatto. Abbiamo utilizzato un sistema Opal-RT in tempo reale con il nostro modello PV per la simulazione. Sono rimasta piuttosto sorpresa che funzionasse così bene, dato che stavamo facendo funzionare solo un inverter da 5 kW con questo enorme alimentatore.

Quali funzionalità integrate nel sistema Magna-Power hanno garantito la sicurezza in questa applicazione?
Sicuramente l'ingresso di arresto di emergenza [Interlock] — fondamentale.

Il sistema Magna-Power è costruito utilizzando moduli da 250 kW. Sfruttate questa modularità per la riconfigurazione del sistema?
La modularità è stata fondamentale perché potremmo voler testare un inverter da 1,5 MW, tre diversi inverter da 500 kW, sei inverter da 250 kW. Potete immaginare che, essendo un Energy Systems Integration Facility, vogliamo testare apparecchiature a sorgente singola, ma anche qual è l'effetto di apparecchiature a sorgenti multiple sulla piattaforma.

Mariko Shirazi attualmente ricopre il ruolo di Lead REDB Engineer presso l'Energy Systems Integration Facility (ESIF) dell'NREL. Il REDB (Research Electrical Distribution Bus) è la colonna portante dell'infrastruttura di test dei sistemi elettrici dell'ESIF. Nel suo ruolo di Lead REDB Engineer, Mari è responsabile di garantire la continua rilevanza, le prestazioni e il funzionamento sicuro delle apparecchiature elettriche di ricerca critiche collegate al REDB. Sul fronte della ricerca, Mari si concentra sull'elettronica di potenza e sullo sviluppo dei controlli delle microreti. Mari ha conseguito una laurea in Ingegneria Meccanica presso l'University of Alaska, Fairbanks, e un Master e un Dottorato in Ingegneria Elettrica presso l'University of Colorado at Boulder.