Wind- und Solarenergie Test von Wechselrichtern

Für die Prüfung von Solar- und Windkraft-Wechselrichtern oder auch Kfz-Elektroantrieben werden AC/DC-Stromquellen benötigt, die sowohl im Source- wie auch im regenerativen Modus betrieben werden können. Ein solcher Betrieb liegt vor, wenn die Quelle Strom von dem Gerät zurückspeist. Damit kann der für Produktionstests nötige Energiebedarf drastisch reduziert werden. Doch wie ist beim Test von Solar-Wechselrichtern messtechnisch vorzugehen?

Üblicherweise dient eine AC-Speisequelle dazu, ein elektrisches Produkt mit einem gesteuerten Strom zu versorgen. In dieser Betriebsart ersetzt die Quelle das öffentliche Netz (120 V/60 Hz in Nordamerika, 220 V/230 V und 50 Hz in Europa oder 100 V und 50/60 Hz in Japan). Der Vorteil einer AC-Quelle liegt in der genauen Steuerung der Spannung mit nur minimalen oder definierten Verzerrungen. Dagegen haben die öffentlichen Stromnetze in den Industrienationen typische Verzerrungen von 3 bis 5 Prozent, während die Spannungsschwankungen und -einbrüche bis 10 Prozent erreichen können.

Beim Produkttest wird die AC-Quelle manuell oder per Computer programmiert, um die gewünschten Spannungspegel, Verzerrungen, aber auch Einbrüche und Unterbrechungen zu liefern, denen ein Produkt im täglichen Betrieb am Netz ausgesetzt ist. Mit diesen Immunitätstests wird sichergestellt, dass die Produkte die üblichen Störungen bzw. Schwankungen in den öffentlichen Stromnetzen überstehen. AC-Quellen werden auch für die Erfassung von Emissionen genutzt – insbesondere, um potenzielle Störungen durch das Produkt zu erfassen. In diesem Fall benötigt man eine saubere Stromquelle, so dass der Störanteil des Produktes gemessen werden kann. In beiden Fällen zieht das getestete Produkt Strom, weshalb die AC-Quelle Strom zuführt und grundsätzlich nicht dafür ausgelegt sein muss, dass auch – wie bei regenerativen Systemen – wieder Strom zurückgespeist wird.

Regenerativer Betrieb einer AC-Speisequelle

Im regenerativen Modus muss die AC-Quelle in der Lage sein, Strom von dem Gerät aufzunehmen, mit dem es verbunden ist. Diese Stromrückspeisung kann ein kurzzeitiges Ereignis sein – beispielsweise von einem Motor oder wenn die reaktive Last abgeschaltet wird. Es kann aber auch ein semipermanenter Betrieb vorliegen, wie bei einem Solar- oder Wind-basierten Wechselrichter (Inverter), der Strom wieder in die Quelle zurückspeist. Die Rückspeisung kann kontinuierlich oder mit Unterbrechungen erfolgen oder nur während eines Teils des AC-Halbzyklus.

Wenn ein Solar-Wechselrichter genügend Leistung erzeugt, dann kann er Leistung über die ganze Zeit zurückspeisen. Wenn jedoch das Leistungsniveau nicht ausreichend ist, um die Lastanforderungen zu erfüllen, dann kann sich die Richtung der Stromzufuhr dynamisch ändern. Eine regenerative AC-Quelle, die eine rückwärtsgerichtete Stromzufuhr ermöglicht (von einem Wechselrichter), kann diese Energie in das Stromnetz einspeisen. Auf diese Weise wird die vom Wechselrichter gelieferte Energie nicht in einer Last „verheizt“, sondern zu über 85 Prozent ins Netz eingespeist. Zudem entfallen die Kosten für Kühlmaßnahmen.

In der Regel bieten nur AC-Schaltregler die Möglichkeit, Strom in das öffentliche Netz wieder einzuspeisen. Diese sogenannten linearen Stromquellen sind in der Regel Hochleistungs-Verstärker, die die zurückgeführte Energie in der Ausgangsstufe „verbrauchen“. Mit anderen Worten fungiert eine lineare Stromquelle wie eine Last, welche die zurückgeführte Leistung in thermische Energie umsetzt. Geschieht dies in einer Labor- oder Fertigungsumgebung, ist für die erzeugte Wärme eine entsprechende Kühlung erforderlich. Das bedeutet, dass die Verluste einer linearen Quelle etwa der doppelten Leistung entsprechen, die der Wechselrichter an die Stromquelle zurückführt.

Bei einer regenerativen AC-Speisequelle wird der Strom jedoch in das Netz eingespeist, und zwar mit nur minimalen Verlusten. Wenn also ein Solar-Wechselrichter mit der AC-Schaltung verbunden ist, versorgt er die Last und die Quelle, wobei die AC-Quelle überschüssige Leistung auf geregelte Weise in das Netz zurückspeist. Bei der bereits erwähnten MX-Serie lässt sich die Richtung des Stromflusses sogar dynamisch ändern.

Typisches Testbeispiel: Wechselrichter

Den grundlegenden Testaufbau für die Ermittlung der Daten und Graphen zeigt Bild 1. Da hier im Zusammenhang mit Solar-Wechselrichtertests lediglich die wichtigsten Kriterien für AC-Quellen untersucht werden sollen, sind auch nur die Parameter-Einstellungen für die SNK-Option (regenerativer Modus) im Detail dargestellt.

Auf alle Gesichtspunkte beim Test von Solar-Wechselrichtern wird also bewusst nicht eingegangen. So hat beispielsweise die SNK-Option der MX-Speisequelle nichts mit der Emulation von solaren Irritations-Testmustern oder nichtlinearen Lasten sowie dem Test der Wechselrichter-Effizienz zu tun (hierzu gibt es eine eigene Applikationsschrift der California-Instruments-Firmenzentrale Ametek).

Wie in Bild 2 dargestellt, ist der Solar-Wechselrichter mit einer Phase-zu-Phase-Konfiguration (240 V, 60 Hz) mit der AC-Quelle (MX45-3Pi) inklusive SNK-Option verbunden. Dabei handelt es sich prinzipiell um einen „Delta No Neutral"-Modus (240 V), der in US-Systemen manchmal auch als Stinger-Modus bezeichnet wird. Messergebnisse in diesem Betriebsmodus ähneln denen eines Single-Phasen-Betriebs in Europa oder Asien. Damit haben die ermittelten Daten Allgemeingültigkeit und erfordern keine zusätzlichen Darstellungen für die verschiedenen weltweit genutzten Stromversorgungssysteme. Der Leistungsfluss wird in den drei Schaltzweigen gemessen (siehe Bild 1).

Wird der Wechselrichter nicht versorgt oder ist er nicht mit den 240 V(AC) der MX-Quelle synchronisiert, dann wird von dieser nur die Last versorgt. Empfängt jedoch der Wechselrichter einen DC-Strom von der DC-Quelle (oder von einem Solar-Panel), ist er am Netz und liefert nach erfolgter Synchronisation Strom. In diesem Beispiel wird ein 3-kW-Wechselrichter benutzt. Wenn die HFC-II-Last weniger als 3 kW beträgt, dann liefert der Wechselrichter den überschüssigen Strom an die MX-Quelle, die diesen dann in das Netz einspeist (also in die von der MX emulierte Versorgungsspannung).

In der Bildschirmdarstellung von Bild 2 ist die Basiseinstellung des Testaufbaus gezeigt, gerade nachdem die DC-Versorgungsspannung des Wechselrichters eingeschaltet wurde. Die MX45 liefert 1.261,6 W, wobei 1.260,9 W an die Last und nur 0,3 W in den Wechselrichter gehen; er benötigt etwas Leistung, während er auf 240 V/60 Hz synchronisiert (das kann einige Minuten dauern). Die verbleibenden 0,4 W werden in der Verdrahtung und im Strom-Shunt umgesetzt, der mit der Last in Serie geschaltet ist.

Wie man am oberen Graphen erkennt, ist der Stromfluss (schwarze Linie) eine Kombination aus linearer und nichtlinearer Last, aber in Phase mit der Spannung (grün). Dieser obere Graph repräsentiert die Messung im linken Zweig, der von der MX-Quelle zum Verbindungspunkt in Bild 2 führt. Der mittlere Graph kombiniert die Messung im unteren Zweig hin zur Last (rote Linie) und den Strom im rechten Zweig – also den Strom zum und vom Wechselrichter (blaue Linie).

Der untere Graph in Bild 2 zeigt das Spannungsspektrum, kann aber auch auf die Darstellung des Stromspektrums (bis zu 5 kHz in diesem Fall) der Quelle, Last oder des Wechselrichters umgeschaltet werden. Wenn der Wechselrichter 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 bzw. +23 W Leistung resultieren. Beide Situationen sind in Bild 3 dargestellt.

Nach der Synchronisierung ist der Wechselrichter „online" und erhöht allmählich seine Ausgangsleistung von 0 auf 3.045 W. Der gesamte Prozess dauert insgesamt etwa eine Minute, nachdem die DC-Versorgung angeschaltet wurde, wobei der Anstieg von 0 auf 3.044 W nur etwa fünf Sekunden benötigt.

Bild 4 zeigt die Wellenformen nach dem Übergang, wenn der Wechselrichter online geht und die MX45-Quelle vom Status der Stromlieferung an die Last dazu übergeht, die überschüssige Leistung vom Wechselrichter aufzunehmen. 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 erhöht, da der Wechselrichter seine Ausgangsspannung etwas über die Quellenspannung erhöhen muss, um sowohl die Last als auch die Quelle bzw. das Netz zu versorgen.

Funktionsmerkmale der SNK-Option

Bis jetzt wurde gezeigt, wie die AC-Speisequelle einfach als regeneratives System arbeiten kann. Jedoch verfügt die SNK-Option der MX-Quellen über weitere Funktionen. So kann der Anwender entsprechend der Bildschirmoberfläche bei „Regenerate Control" folgende Parameter definieren:

  • Under Volt – die geringste Spannung, auf die die Quelle im Fall eines Überstromes geht
  • Over Volt – die höchste Spannung, auf die die Quelle geht, wenn sie den Wechselrichter offline bringen will
  • dFREQ – die Frequenzänderung der Quelle, um den Wechselrichter offline zu bringen
  • Delay – die Zeit, die die Quelle zwischen dem Überstrom-Status und den oben beschriebenen Aktionen benötigt
  • Curr – der maximale Strom, den der Wechselrichter in die Stromquelle einspeisen darf

Außerdem kann der Regenerations-Status (State) ein- und ausgeschaltet werden.

Der Strom-Grenzwert im regenerativen Modus definiert, wie viel Strom der Wechselrichter in die AC-Quelle und damit ins Netz zurückspeisen darf. Dieser Grenzwert unterscheidet sich von dem, wenn die Quelle Strom liefert. 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.