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2022
Journal Article
Title
Test von netzbildenden Wechselrichtern und rückspeisefähiger Ladeinfrastruktur
Title Supplement
Kommunikations- und Hardwaretests für stabile Stromnetze mittels Hardware-in-the-Loop Prüfungen
Other Title
Testing of grid-forming converters and bidirectional charging infrastructure. Communication and hardware tests for stable power grids using hardware-in-the-loop tests
Abstract
Die heutige Regelung von Energiesystemen basiert auf verschiedenen kleineren Einheiten, wie z. B. PV-, Speicher- oder Windenergieanlagen. Im folgenden Beitrag werden Testumgebungen für netzbildende Umrichter und Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge vorgestellt. Herkömmliche Wechselrichter können die netzregelnden Eigenschaften der Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken nicht vollständig ersetzen. Um die Netzstabilität in einem zukünftigen, auf Leistungselektronik basierenden Stromnetz zu gewährleisten, werden netzbildende Umrichterregelungskonzepte benötigt. Für deren Prüfung und Bewertung sind neue Prüfverfahren erforderlich, die eine Analyse der Wechselwirkung zwischen Wechselrichtern und dem Verbundnetz ermöglichen. Dies gilt insbesondere für den Millisekunden- und Sekundenbereich, da das Verhalten von Wechselrichtern in diesem Zeitbereich im Gegensatz zum elektromechanisch bestimmten Verhalten von Synchronmaschinen durch die Steuerungssoftware bestimmt wird. Auf der Testplattform im Multi-Megawatt-Labor können die Eigenschaften verschiedener Regelstrategien und die Reaktion auf unterschiedliche Netzstörungen im Megawatt-Maßstab untersucht werden.
Wir haben herausgefunden und nachgewiesen, dass ein Wechselrichter mindestens die folgenden vier Eigenschaften erfüllen muss, um als netzbildend zu gelten: Spannungsquellenverhalten, Trägheitsverhalten, Beitrag zur Netzqualität, netzfreundliches Überlastverhalten. Auf der mittelfristigen Zeitskala (Minuten bis Tage) gewinnen flexible Lasten und Speichersysteme für das Netzüberlastungsmanagement und den Ausgleich von Erzeugung und Last an Bedeutung. Diese Anwendungen erfordern zuverlässige Kommunikationswege zwischen SCADA-Systemen und den flexiblen Verbrauchern, z. B. für intelligentes Laden. Es wird eine Testumgebung für das Testen von Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorgestellt, die einen digitalen Zwilling eines Elektrofahrzeugs inkl. dessen Regelung enthält, der Tests der Protokollkonformität ermöglicht. Diese Arbeit zeigt die Nachteile von alleinigen Konformitätstests auf und unterstreicht, wie wichtig es ist, die Kombination aus Lademanagement und Ladestation zu testen, um einen zuverlässigen Betrieb der Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge zu gewährleisten.
Wir haben herausgefunden und nachgewiesen, dass ein Wechselrichter mindestens die folgenden vier Eigenschaften erfüllen muss, um als netzbildend zu gelten: Spannungsquellenverhalten, Trägheitsverhalten, Beitrag zur Netzqualität, netzfreundliches Überlastverhalten. Auf der mittelfristigen Zeitskala (Minuten bis Tage) gewinnen flexible Lasten und Speichersysteme für das Netzüberlastungsmanagement und den Ausgleich von Erzeugung und Last an Bedeutung. Diese Anwendungen erfordern zuverlässige Kommunikationswege zwischen SCADA-Systemen und den flexiblen Verbrauchern, z. B. für intelligentes Laden. Es wird eine Testumgebung für das Testen von Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorgestellt, die einen digitalen Zwilling eines Elektrofahrzeugs inkl. dessen Regelung enthält, der Tests der Protokollkonformität ermöglicht. Diese Arbeit zeigt die Nachteile von alleinigen Konformitätstests auf und unterstreicht, wie wichtig es ist, die Kombination aus Lademanagement und Ladestation zu testen, um einen zuverlässigen Betrieb der Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge zu gewährleisten.
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Today’s energy system control is based on various smaller units, such as the PV, storage, or wind energy plants. The following paper presents testbeds for grid forming converters and electric vehicle charging infrastructure. Traditional inverters cannot completely replace the grid-controlling properties of the synchronous generators in conventional power plants. In order to guarantee grid stability in a future power electronics-based power grid, grid-forming converter control concepts are required. For their testing and evaluation, new test procedures are required that allow the analysis of the interaction between inverters and the integrated grid. This applies in particular to the millisecond and second range, since the characteristics of inverters in this time range are defined by the control software, in contrast to the electromechanically determined behavior of synchronous machines. On the test platform in the Multi-Megawatt Lab, the properties of different control strategies and the reaction on different grid disturbances can be investigated on a megawatt scale. We have found and demonstrated that an inverter must meet at least the following four characteristics to be considered grid-forming: Voltage source behavior, inertial response, contribution to power quality, grid-friendly overload behavior. In the medium-term time scale (minutes up to days) flexible loads and storage systems are gaining importance for grid congestion management and the balancing generation and load. These applications require reliable communication paths between SCADA systems and the flexible appliance, e. g. for smart charging. A testbed for testing electric vehicle supply equipment is presented which features a basic digital twin of an electric vehicle and control framework, allowing for tests of a protocol conformity and interoperable implementation of control standards. This work shows the drawbacks of sole conformity tests and emphasizes the importance of testing the combination of charging management and charging station to ensure a reliable operation of electric vehicle supply equipment.
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