Netzwechselrichter

Entwicklung und Implementierung einer digitalen Regelung für Netzwechselrichter

Ein Netzwechselrichter (Grid-Tied Inverter) ist ein leistungselektronisches Gerät, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt, damit elektrischer Strom von einer externen Stromquelle (z. B. einer Solaranlage) in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Das Herzstück eines Netzwechselrichters ist ein digitaler Regler, der die Leistungselektronik reguliert, um die Leistungsumwandlung durchzuführen und die Leistungsabgabe zu ermöglichen.

Ingenieure entwickeln und implementieren beim Entwurf von Netzwechselrichtern eine digitale Regelung, um die Sicherheit und Effizienz der Leistungsumwandlung und Einspeisung zu gewährleisten. Einige der wichtigsten Entwurfsziele des digitalen Reglers:

  • Erzeugung einer stabilen AC-Leistungsabgabe, die die Netzregeln einhält (30:55) und die NERC-Richtlinien erfüllt
  • Maximierung der Leistungsabgabe unter verschiedenen Bedingungen
  • Aufrechterhalten der Verbindung zwischen Wechselrichter und Netz bei Netzstörungen
  • Schutz vor Inselbildung im Falle eines Netzausfalls

Simulink® und Simscape Electrical™ beschleunigen den Entwicklungsprozess von digitalen Reglern für Netzwechselrichter.

Der Entwicklungsprozess des Reglers kann in drei wesentliche Phasen unterteilt werden: Entwicklung und Optimierung der Regelung mit Simulation der elektrischen Systeme, Codegenerierung für Anlage und Regler sowie Tests der Regelungshardware mithilfe von HIL-Simulation (Hardware-in-the-Loop).

Diagramm eines dreiteiligen Prozesses mit Abbildung der Phasen für Regelungsentwicklung, Codegenerierung und Hardware-in-the-Loop-Tests.

Workflow für Entwicklung, Simulation und Tests von Reglern für Netzwechselrichter.

Entwicklung und Optimierung von Regelungen mit Simulation elektrischer Systeme

Mit Simulink und Simscape Electrical können Sie ein schematisches Modell für den Netzwechselrichter erstellen und die Leistungselektronik simulieren. Sie können den Regelungsalgorithmus des Wechselrichters entwickeln und optimieren, z. B. PID-Regler für die Regulierung von Ausgangsspannungen. Der MPPT-Algorithmus (Maximum Power Point Tracking) kann zur Maximierung der Leistungsabgabe des Wechselrichters unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden. Sie können einen FRT-Algorithmus (Fault Ride-Through) für den Regler entwickeln, um die Blindleistung bei Störungen des Niederspannungsnetzes zu unterstützen.

Die Strategie der digitalen Regelung des Netzwechselrichters kann anhand verschiedener Netzregeln getestet werden, z. B. IEEE® 1547-2018, um die vollständige Einhaltung der Netzregeln sicherzustellen. Simulink und Simscape Electrical bieten Funktionen für die Simulation und Optimierung von Energiesystemen. Das gesamte Energiesystem, bestehend aus Kraftwerk, Wechselrichter und Stromnetz, kann modelliert und simuliert werden, indem das Modell des Wechselrichters mit dem Modell der externen Stromquelle (z. B. einer Photovoltaikanlage) und einem Stromnetzmodell verbunden wird.

Ein schaltplanbasiertes Simulink-Modell mit Solaranlage, dreiphasigem Wechselrichter und Netz als verbundene Komponenten.

Schaltplanbasierte Modellierung einer Photovoltaikanlage (PV), eines Netzwechselrichters und eines Netzsystems mit gebräuchlicher Leistungselektronik-Topologie in Simulink und Simscape Electrical.

Die Simulationsergebnisse des Modells, z. B. die Ausgabemerkmale des Wechselrichters, können mithilfe von Simscape™-Protokollen mühelos visualisiert werden.

Ein Diagramm mit zwei sinusförmigen Teildiagrammen, die veranschaulichen, wie Phasenspannung und Phasenstrom sich im Laufe der Zeit ändern.

Simulationsausgaben von Phasenspannungen und Phasenströmen aus einem Modell eines dreiphasigen Solar-Wechselrichters.

Code für Anlage und Regler generieren

Nach der Modellierung und Simulation des Reglers können Sie mithilfe von Embedded Coder® fehlerfreien und optimierten C Code für den Regler generieren. Die Hardware-Supportpakete für Embedded Coder erleichtern Ihnen die Bereitstellung des Codes auf unterstützten Mikrocontrollern. Mit Simulink Coder™ und HDL Coder™ können Sie außerdem C und HDL-Code für die Anlage generieren. Anschließend kann der Code auf einer Speedgoat®-Echtzeit-Zielmaschine mit Multi-Core-CPU und FPGA bereitgestellt werden, auf der Simulink Real-Time™ ausgeführt wird.

Regelungshardware mithilfe von HIL-Simulation testen

Nachdem Sie den Code auf dem Mikrocontroller und der Speedgoat-Zielmaschine bereitgestellt haben, können Sie HIL-Tests (Hardware-in-the-Loop) für Leistungselektronik durchführen und die digitale Regelung für den Wechselrichter gründlich unter normalen und Störungsbedingungen testen.

Eine Gegenüberstellung mit dem Simulink-Modell, dem Schaltverhalten aus der Simulationsausgabe und dem Hardwaresystem zum Testen des Regelungsentwurfs für Leistungselektronik.

HIL-Tests (Hardware-in-the-Loop) mit Schaltdynamik von Leistungselektronik.

Mithilfe von HIL-Simulationen können Sie Produktionshardware durch ein Echtzeitsystem ersetzen. So senken Sie Ihre Testkosten und können potenzielle Schäden und Gefahren in Verbindung mit einem elektrischen Hochspannungssystem in der Produktion vermeiden. Mit HIL-Tests können Sie Tests von digitalen Regelungen für Netzwechselrichter einfach, schnell und sicher automatisieren, insbesondere unter Störungsbedingungen.


Beispiele und Erläuterungen

Videos:

Anwenderberichte:

Beispiele:


Software-Referenz

Siehe auch: Simulationssoftware, Modellierung und Simulation, Simulink zur Elektrifizierung, PID-Optimierung, MATLAB und Simulink für die Generierung von Embedded Code, Unterstützung von Speedgoat-Hardware für Echtzeitsimulationen und -tests in Simulink Real-Time