Neue Anforderungen an AC-Quellen Rückspeisefähige Geräte testen

AC-Quellen dienen u.a. dazu, die Störfestigkeit von Wechselrichtern zu prüfen. Beim Test von solchen rückspeisefähigen Geräten liegt die Besonderheit nun darin, dass die AC-Quelle zusätzlich zu der Spannungsversorgung auch für die Rückspeisung der Spannung seitens des zu testenden Gerätes ausgelegt sein muss.

Mithilfe der Simulation unterschiedlicher Netzkonditionen können Entwickler Immunitätstests durchführen, die sicherstellen, dass ihre rückspeisefähigen Geräte in unterschiedlichen Ländern einsatzfähig sind und die üblichen Störungen beziehungsweise Schwankungen in den öffentlichen Stromnetzen überstehen. Darunter fallen zum Beispiel Verzerrungen, Einbrüche oder auch Unterbrechungen. Für solche Tests ersetzt eine AC-Quelle das jeweilige öffentliche Netz: in Nordamerika 120 V/60 Hz, in Europa 220 V beziehungsweise 230 V und 50 Hz, in Japan 100 V bei 50 Hz oder 60 Hz. Die jeweiligen Gerätetests sind in der Maschinenrichtlinie FGW TR3 (Low Voltage Ride Through, LVRT) beschrieben.
Zu den rückspeisefähigen Geräten zählen beispielsweise Wechselrichter bei Solar- und Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerke oder Elektroautos. Für den Test derartiger Systeme werden AC-Quellen benötigt, die Strom von dem zu testenden Gerät aufnehmen können, zum Beispiel die Serien »MX« (30 kVA bis 270 kVA) und »RS« (90 kVA bis 1 MVA) des Herstellers California Instruments (Vertrieb: CompuMess Elektronik). Eine regenerative AC-Quelle kann die vom Testobjekt kommende Energie mit einem Wirkungsgrad von über 85% wieder ins Stromnetz einspeisen, sodass diese nicht an einer Last in Wärme umgesetzt wird. Zudem entfallen dadurch die Kosten und der Aufwand für zusätzliche Kühlmaßnahmen.
Als Zubehör stehen separate Hardware-Netzimpedanzen (»OMNI3-37MX«, »OMNI3-75«) für die Bereiche bis 16 A und 75 A für Normtests zur Verfügung, die über die Steuersoftware angesteuert werden können. Per Software lässt sich auch eine frei definierbare Netzimpedanz programmieren.
Bei den Serien MX und RS werden die Anforderungen an die AC-Speisequelle beim Test von rückspeisefähigen Geräten mit Hilfe der Senke-Option erfüllt. Dabei lässt sich bei beiden Serien die Richtung des Stromflusses dynamisch ändern. Die Senke-Option verfügt zusätzlich zum regenerativen Betriebsmodus über weitere Funktionen. Der Anwender kann in der Steuersoftware bei »Regenerate Control« folgende Parameter definieren:

  • »Under Volt«: die geringste Spannung, auf welche die Quelle im Fall eines Überstromes geht; 
  • »Over Volt«: die höchste Spannung, auf welche die Quelle geht, wenn sie den Wechselrichter »offline« (vom Netz) bringen will; 
  • »dFREQ«: die Frequenzänderung der Quelle, um den Wechselrichter offline zu bringen; 
  • »Delay«: die Zeit, welche die Quelle zwischen dem Überstrom-Status und den oben beschriebenen Aktionen benötigt; 
  • »Curr«: der maximale Strom, den der Umrichter in die Stromquelle einspeisen darf. 

Die Strombegrenzung im regenerativen Modus definiert, wie viel Strom der Wechselrichter in die AC-Quelle und damit ins Netz zurückspeisen darf. Dieser Grenzwert unterscheidet sich von jenem im Stromliefermodus. So kann der Strom, den die MX-Quelle liefert, beispielsweise auf bis zu 40 A eingestellt werden, während der maximal zurückgespeiste Strom auf 10 A begrenzt wird.

Beispiel Wechselrichtertest

Den grundlegenden Aufbau für einen Wechselrichtertest zeigt Bild 1. Es werden hier nur die Einstellungen der AC-Quelle im regenerativen Betriebsmodus erläutert, nicht alle Aspekte. Außen vor bleiben beispielsweise die Emulation von solaren Irritations-Testmustern oder nichtlinearen Lasten sowie der Test der Umrichtereffizienz. Hierzu bietet CompuMess Elektronik ebenso Lösungen an.
Wie in Bild 1 dargestellt, ist der Solarwechselrichter mit einer Phase-zu-Phase-Konfiguration (240 V, 60 Hz) mit der AC-Quelle (z.B. Modell »MX45-3Pi«) inklusive Senke-Option verbunden. Dabei handelt es sich prinzipiell um einen »Delta No Neutral«-Modus (240 V), in US-amerikanischen Systemen manchmal auch als »Stinger«-Modus bezeichnet. Messergebnisse in diesem Betriebsmodus ähneln denen eines Einphasenbetriebs in Europa oder Asien (220/230 V, 50 Hz). Damit sind die ermittelten Daten allgemeingültig und erfordern keine zusätzlichen Darstellungen für die verschiedenen weltweit genutzten Stromversorgungssysteme. Der Leistungsfluss wird in den drei Zweigen gemessen. Wird der Umrichter nicht versorgt oder ist er nicht mit den 240 V der MX-Quelle synchronisiert, dann versorgt diese Quelle alleine die Last. Empfängt jedoch der Wechselrichter einen DC-Strom von einer DC-Quelle (z.B. von dem Photovoltaiksimulator »TerraSAS« oder von einem realen Solarpanel), ist er am Netz und liefert nach erfolgter Synchronisation Strom.
In unserem konkreten Beispiel wird ein 3-kW-Wechselrichter benutzt. Das getestete System hat folgende AC-Charakteristika (bei Betrieb im Stinger-Modus, 240 V/60 Hz): AC-Betriebsspannung von 211 V bis 264 V, Frequenzbereich 59,3 Hz bis 60,5 Hz, maximaler Strom 13 A (bei 240 V). Beträgt die AC-Last weniger als 3 kW, dann liefert das getestete System den überschüssigen Strom an die MX-Quelle, die diesen wiederum in das Netz einspeist.
Die MX45 liefert 1261,6 W, wobei 1260,9 W an die Last und nur 0,3 W in den Wechselrichter gehen. Denn dieser benötigt etwas Energie, während er auf 240 V/60 Hz synchronisiert. Die verbleibenden 0,4 W verbrauchen die Verdrahtung und der Strommesswiderstand (Shunt), der mit der Last in Serie geschaltet ist.

Wenn der Umrichter auf die 240 V/60 Hz synchronisiert, speist er etwa 0,8 A Strom ein, der um etwas mehr oder weniger als 90° nacheilt, woraus -23 W beziehungsweise +23 W Leistung resultieren (Bild 2). 
Nach der Synchronisierung ist der Wechselrichter »online« (am Netz) und erhöht allmählich seine Ausgangsleistung von 0 W auf 3045 W. Der gesamte Prozess dauert insgesamt etwa eine Minute, nachdem die DC-Versorgung eingeschaltet wurde, wobei der Anstieg von 0 W auf 3044 W nur etwa fünf Sekunden benötigt. Die Leistung, die an Last geliefert wird, bleibt wie gewünscht während des Übergangs konstant.

Bild 3 zeigt die Wellenformen nach erfolgtem Übergang. Der Stromfluss in der Quelle ist jetzt gegenüber der Spannung um 180° phasenversetzt, was bei einem negativen Leistungsfluss auch zu erwarten ist. Außerdem ist der Gesamtspannungspegel geringfügig er-höht, da der Umrichter seine Ausgangsspannung etwas über die Quellen-spannung erhöhen muss, um sowohl die Last als auch die Quelle beziehungsweise das Netz zu versorgen.
Falls der Wechselrichter das Stromlimit überschreitet, erhöht die MX-Quelle ihr Spannungsniveau auf den vom Anwender programmierten Überspannungsgrenzwert. Im Vergleich zum Normalbetrieb der AC-Quelle ist dies das genaue Gegenteil: Wird dort ein Überstrom erfasst, dann reduziert die Quelle ihre Spannung, um diesen Strom zu begrenzen. Wenn der Wechselrichter zu viel Strom in die Quelle liefert (mit der Gefahr der Überlastung), dann erhöht die Quelle allmählich ihre Spannung bis auf die obere Begrenzung. Besteht die Überstrombedingung für die im Delay-Parameter eingestellte Zeit, dann wird die MX/RS-Quelle ihre Frequenz entsprechend dem dFREQ-Parameter ändern. Prinzipiell wird das dazu führen, dass der Wechselrichter vom Netz geht (offline) - wenn nicht, dann wird die MX/RS-Quelle ihre Spannung nach dem definierten Delay-Parameter senken. Besteht der Überstromstatus weiter (d.h. der Wechselrichter ist nicht offline), dann wird die MX/RS-Quelle ihr Ausgangsrelais öffnen und sich dann abschalten. Falls der dFREQ-Parameter auf »Null« eingestellt ist, dann überspringt die MX/RS-Quelle den Frequenzschritt und geht sofort vom Überspannungswert auf die Unterspannungsbegrenzung.

Überlast- und Delta-Frequenz-Test

Auch die Steuersoftware der MX/RS-Quelle unterstützt die Senke-Option und ermöglicht dem Anwender die Einstellung der Parameter per PC. Damit kann er eine Reihe von Wechselrichtertests einfach durchführen. So kann der Anwender beispielsweise eine Transienten-Liste nutzen, um Informationen über das allgemeine Systemverhalten zu erhalten.

Die AC-Quelle ist so programmiert, dass sie in 5-V-Schritten von 240 V bis auf 195 V herunterregelt (Bild 4). Die »Schrittfolge« startet etwa zwanzig Sekunden nachdem sich der Umrichter synchronisiert hat und am Netz ist. Die horizontale Achse in Bild 6 gibt 500 Messfenster von 0,2 s wieder, wobei der gesamte Test etwa 100 s gedauert hat. Die Last wurde von 5 A auf 8 A (linke Achse) etwa 25 s nach Beginn der Datenerfassung erhöht. Innerhalb nur weniger Sekunden ist der Wechselrichter am Netz und liefert Strom. Mit reduzierter Quellspannung erhöht der Umrichter die Stromzufuhr auf fast 15 A. Wenn die Spannung unter die für diesen Wechselrichter definierten 211 V fällt, dann geht dieser offline und die AC-Quelle übernimmt den Laststrom. Nach dem letzten Schritt der Transienten-Liste kehrt die Spannung auf 240 V und der Laststrom auf seinen Nennwert von 8 A zurück.
Mit Hilfe der Transienten-Liste der MX/RS-Steuersoftware können noch andere Tests durchgeführt werden. Ein Beispiel ist der Delta-Frequenz-Test. Hierbei wird die MX-Quelle so programmiert, dass die Frequenz von den 50 Hz schrittweise immer mehr abweicht. Der Umrichter muss dabei bis zum letzten Schritt, wenn die Frequenz sich schließlich um 0,2 Hz ändert und so den oberen Grenzwert von 51,2 Hz überschreitet, online bleiben, aber bei 51,5 Hz abschalten. Diese Simulation lässt sich auch auf die unteren Grenzwerte erweitern.

Ein weiterer Test, der eine AC-Quelle mit regenerativem Betriebsmodus benötigt, ist der Anti-Island-Test nach IEC 62116, UL1741, VDE AR-N 4105 und VDE 0126-1-1 (Bild 5). Für diesen Test muss sich die AC-Quelle selbst vom Wechselrichter und der Last trennen, während die Last perfekt ausbalanciert ist, es also keinen Stromfluss in die Quelle gibt. Als regenerative AC-Quelle dient in diesem Fall wiederum die MX/RS-Serie, als DC-Quelle dient ein Photovoltaiksimulator der Serie »TerraSAS« und eine RLC-Präzisionslast »ACLT« des Herstellers Kenninet (Vertrieb: CompuMess Elektronik).
Im Normalbetrieb fährt die Quelle ihre Ausgangsspannung auf null herunter, bevor sie das Ausgangsrelais öffnen kann. Im regenerativen Betrieb aber kann das Ausgangsrelais geöffnet werden, während die Ausgangsspannung auf dem programmierten Wert ist. Damit wird ein Anti-Island-Test unterstützt. Bei diesem Test ist die Last so eingestellt, dass sie genau die Ausgangsleistung des Wechselrichters aufnimmt, Wechselrichter und Last also abgeglichen sind. In diesem Zustand wird das Ausgangsrelais der MX-Quelle geöffnet, und der Umrichter muss feststellen können, dass die Verbindung zum Netz unterbrochen ist (Inselstatus), zum Beispiel wenn der Schutzschalter im Haus aktiviert wurde.

Bild 6 verdeutlicht den Unterschied, wenn Wechselrichter und Last nicht abgeglichen sind. Links ist die Wechselrichteraktion mit einer nicht abgeglichenen Last zu sehen. Der Wechselrichter benötigt nur etwas mehr als einen halben Zyklus, um festzustellen, dass die Quelle (das Netz) nicht mehr präsent ist und um die Verbindung zu trennen. Rechts dagegen sind Wechselrichter und Last abgeglichen. Nachdem sich die Quelle über ihr Ausgangsrelais abgetrennt hat, erhöht der Wechselrichter in diesem Fall allmählich seine Spannung (über die letzten 8 bis 9 Zyklen). Erst nach etwa 150 ms merkt der Wechselrichter, dass er in einem »Inselstatus« ist und dann abschaltet. Ohne die Sink-Option würde die MX/RS-Stromquelle ihr Ausgangsrelais nicht öffnen, bevor die Spannung auf 0 V heruntergefahren ist - in diesem Fall ist daher kein »abgeglichener« Anti-Islanding-Test möglich.
Der Test zur Erkennung des Inselbetriebes ist auch als Schwingkreistest bekannt. Beim Schwingkreistest wird den einzelnen Phasen des netzparallelgeschalteten Generators eine genau definierte komplexe Last (gedämpfter Schwingkreis) parallelgeschaltet. Nach Trennen der so belasteten Phase vom Netz muss das Gerät innerhalb einer Zeit von 5 s diesen Betriebszustand erkennen. Die RLC-Präzisionslasten vom Typ ACLT wurden speziell für den Test von Wechselrichtern konzipiert. Sie erfüllen die Testanforderungen nach VDE 4105 für die Überprüfung des Wechselrichters auf Anti-Island-Tests, Überspannungsschutz, Überstromschutz, Wirkungsgrad sowie für die Überprüfung des Leistungsfaktors und der Oberschwingungen des Netzstroms. 
Um reale Verhältnisse für die Überprüfung heranzuziehen, wird eine typische Netzlast als Kombination einer ohmschen, induktiven und kapazitiven Last definiert. Diese RLC-Last soll der Ausgangsleistung des zu prüfenden Wechselrichters angepasst sein und sich bei der Nennfrequenz in Resonanz befinden.
Die ACLT besteht aus einer Widerstandslast sowie einer induktiven und einer kapazitiven Last, die sich über eine PC-Software programmieren lassen. Die Lasten können einzeln eingestellt und beliebig kombiniert werden, der minimale Amplitudenanstieg liegt bei 0,001 kVA. Die Serie ACLT bietet zehn Modelle mit denen Wechselrichter von 2 kW bis 1500 kW getestet werden können. Die Güte Q der RLC-Last sollte nach Norm 2,2 ±0,05% betragen. Die Testmethoden können über eine eigene Steuersoftware simuliert und nach den jeweiligen Normkriterien erfasst und gespeichert werden.

Über den Autor:
Reinhard Frosch ist Regional Sales Manager bei der CompuMess Elektronik.