Simulieren und Testen
PV-Wechselrichter prüfen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
PV-Wechselrichter prüfen
Ametek ist direkt in die Spezifikationsentwicklung involviert und kooperiert mit anderen Organisationen, welche die Standards und Konformitätsprozeduren entwickeln. In vielen Fällen kann der Anbieter daher bereits mit Testlösungen aufwarten, während die Normen noch im Entwurf vorliegen.
Da sich die Systeme auf Software stützen, lassen sie sich bei Änderungen an den Normen durch ein einfaches Update nachrüsten.
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Wenn man den Wechselrichter mit einer Reihe programmierbarer Geräte umgibt, die den Ausgang des PV-Arrays, die am Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Verbraucher und die Schnittstelle zum öffentlichen Stromnetz simulieren, erhält man eine ebenso umfassende wie energieeffiziente Lösung zum Testen des Wechselrichters.
Bild 2 zeigt ein Beispiel eines solchen Komplett-Testsystems. Der oben rechts in Bild 2 abgebildete »TerraSAS« von Ametek besteht aus programmierbaren Gleichstromquellen, einem Controller in Rack-Bauweise, einer Tastatur und einem LC-Display sowie Steuerungssoftware und grafischer Benutzeroberfläche. Das System enthält Relais zur Ausgangsisolation und Polaritätsumkehr sowie eine besondere PV-Simulationseinheit zur Steuerung der Stromversorgung.
Dank dieser Kombination aus Hard- und Software kann TerraSAS die meisten Prüfprotokolle oder Ereigniskombinationen simulieren, die auf eine PV-Installation einwirken können. Für variable Verbraucher in privaten Haushalten bietet Ametek einen programmierbaren Wechselstromverbraucher-Simulator (zu sehen oben in der Mitte in Bild 2) mit einem Leistungsbereich zwischen 3 kVA bis 24 kVA und den Betriebsarten Konstantstrom, Konstantspannung, Crest-Faktor, Leistungsfaktor und Kurzschluss.
Der Frequenzbereich reicht von 45 Hz bis 440 Hz. Die programmierbaren, bidirektionalen Stromquellen beziehungsweise -senken der »MX«-Serie (oben links in Bild 2) dienen zum Simulieren der Verbindung zwischen Wechselrichter und Netz.
Als Stromquellen arbeiten sie im geschalteten Betrieb. Im »Regenerative Mode« (Bild 3) kann die MX-Serie als Stromsenke (SNK) Leistung von beliebigen angeschlossenen Geräten aufnehmen und an das Stromnetz weiterleiten. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Rückleistung nur kurzzeitig oder semipermanent ansteht.
Ein programmierbarer Grenzstrom, der im SNK-Modus einen anderen Wert hat als im Betrieb als Stromquelle, lässt sich mithilfe eines Kontrolldisplays vom Anwender einfach festlegen. Abgesehen von der Begrenzung des Stroms, den der Wechselrichter in die Stromquelle einspeisen darf, kann der Anwender den Regenerate-Control-Modus wahlweise ein- oder ausschalten und die Werte weiterer Parameter einstellen.
Mit »UNDER VOLT« ist die niedrigste Spannung bezeichnet, auf die sich die Stromquelle standardmäßig einregelt, wenn eine zu hohe Stromstärke regis-triert wird. Analog dazu ist »OVER VOLT« die maximale Spannung, bei deren Überschreitung die Stromquelle den Wechselrichter vom Netz trennt. »dFREQ« bezeichnet die Frequenzänderung der Stromquelle, die eine Trennung des Wechselrichters vom Netz veranlasst. Der Parameter »DELAY« gibt die Verzögerung an, die zwischen dem Auftreten eines Überstroms und den einzelnen Schritten der weiteren spezifizierten Aktionen eingefügt wird.
In der Praxis
Die Programmierbarkeit der MX-Serie mit SNK-Option soll nun an einem Beispiel erläutert werden. Die Obergrenze des von der MX-Serie abgegebenen Stroms mit dem Regenerate-Control-Modus im OFF-Zustand lässt sich auf 40 A einstellen, während der größte an die MX-Serie zurückfließende Strom bei eingeschaltetem Regenerate-Control-Modus auf 10 A gesetzt werden kann.
Im regenerativen Modus funktioniert die Strombegrenzung genau umgekehrt wie im normalen Betrieb einer Stromquelle. Anstatt zur Begrenzung des Stroms die Spannung zu reduzieren, hebt die MX-Serie in einem solchen Fall die Spannung auf den vom Anwender programmierten »OVER VOLT«-Wert an. Bleibt eine Überstromsituation länger bestehen als die vom Anwender in »DELAY« programmierte Zeit, ändert die MX-Serie ihre Frequenz um den in »dFREQ« spezifizierten Wert, was in der Regel dazu führt, dass der Wechselrichter in den Offline-Modus wechselt.
Erfolgt dies nicht innerhalb der in DELAY angegebenen Zeit,senken die MX-Geräte ihre Spannung ab. Bleibt der Überstrom auch dann noch bestehen und trennt sich der Wechselrichter immer noch nicht vom Netz, öffnet das System sein Ausgangsrelais und schaltet ab. Wird als dFREQ-Wert 0 eingegeben, lässt die MX-Serie den Frequenzänderungsschritt aus und wechselt stattdessen direkt vom OVER-VOLT-Wert auf die UNDER-VOLT-Grenze.
Mit aktiviertem Regenerate-Modus unterstützt die MX-Serie den von der IEEE-Norm 1547 und anderen Standards (etwa UL 1741 und CA Rule 21) verlangten Anti-Islanding-Test im Balanced-Mode. Um die vom Wechselrichter erzeugte Energie und den Bedarf des Verbrauchers aufeinander abzustimmen, wird der Verbraucher hier so eingestellt, dass er exakt die Ausgangsleistung des Wechselrichters aufnimmt, sodass kein Strom nach außen fließt.
Im Regenerate-Modus kann das Ausgangsrelais der Geräte bei eingeschalteter SNK-Option geöffnet werden, während sich die Spannung auf dem programmierten Wert befindet. Ist die SNK-Option nicht aktiviert, ist vor dem Öffnen des Ausgangsrelais die Ausgangsspannung auf null zu programmieren.
Dank dieses Unterschieds lässt sich testen, ob der Wechselrichter erkennt, wenn die Verbindung zum öffentlichen Stromnetz unterbrochen ist. Diese Situation kann vorkommen, wenn der Sicherungsautomat im Haus auslöst oder wenn ein Stromausfall auftritt.
Die charakteristischen Unterschiede zwischen nicht angepasstem und angepasstem Zustand sind in Bild 4 zu sehen.
Im linken Bild ist der Wechselrichter nicht angepasst. Er registriert binnen einer Halbwelle, dass die Stromquelle (also das öffentliche Stromnetz) nicht mehr angeschlossen ist, und trennt sich ab. Im rechten Bild nimmt die Spannung des Wechselrichters nach dem Abtrennen der Stromquelle im Verlauf von acht bis neun Zyklen langsam zu.
Hier dauert es etwa 150 ms, bis der Wechselrichter den Inselbetrieb erkennt und abschaltet. Generell erlaubt es die SNK-Option, eine ganze Reihe von Tests für regenerative Stromerzeugungssysteme durchzuführen.
Abgesehen von den Bedienelementen an der Frontplatte unterstützt auch die PC-basierte grafische Benutzeroberfläche »MXGUI« die SNK-Option. Mithilfe der »Transient-List«-Funktion (Bild 5) lässt sich das Verhalten des gesamten Systems ermitteln.
In diesem Beispiel wurde die Stromquelle so programmiert, dass sie ihre Spannung in 5-V-Schritten von 240 V auf 195 V absenkt. Starten soll dieser Vorgang 20 Sekunden nachdem sich der Wechselrichter synchronisiert und dem Netz zugeschaltet hat.
Beim »Delta-Frequency«-Test wird die MX-Serie so programmiert, dass sie die normale Netzfrequenz (hier 60 Hz) um zunehmende positive und negative Beträge ändert und dabei bestimmte Zeit- und Spannungswerte einhält.
Generell zeichnet sich ab, dass Steuerungssoftware eine immer größere Bedeutung dabei gewinnt, die verschiedenen Hardware-Test-elemente zusammenzubringen und den Zeitaufwand des Anwenders zum Generieren der Testergebnisse zu reduzieren. Da für viele Prüfanwendungen bereits Software existiert, lässt sich die Software für die individuellen Anforderungen eines Anbieters relativ einfach entwickeln.
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