Hochdynamischer Netzemulator auf Basis eines Serien-Hybrid-Umrichters

Die gegenwärtige Transformation der elektrischen Energieversorgung führt zu einer verstärkten Integration leistungselektronischer Systeme in das Energienetz.
Diese Entwicklung führt zu vermehrten Interaktionen zwischen diesen Systemen. Um diese Interaktionen präzise vorhersagen zu können, ist es entscheidend, sowohl das frequenzabhängige Klemmenverhalten der Systeme für verschiedene Arbeitspunkte als auch ihr Verhalten in dynamischen Szenarien, wie beispielsweise bei Netzfehlern, zu kennen. Diese Analyse erfolgt mithilfe von Power Hardware-in-the-loop-Netzemulatoren. Aufgrund funktionaler Einschränkungen ist es mit den bestehenden Systemen jedoch nicht möglich, das Verhalten neuer, auf schnellschaltenden Halbleitern basierender Systeme bis in den benötigten Frequenzbereich zu analysieren. ... mehrAn dieser Stelle knüpft die vorliegende Arbeit an, indem ein neuartiges Konzept für einen Netzemulator entwickelt wird. Hierzu werden zunächst mögliche Systemarchitekturen betrachtet und die Vorteile der verwendeten Serien-Hybrid-Architektur herausgearbeitet.
Im nächsten Schritt erfolgt die Konzeptionierung, Dimensionierung, Konstruktion und Charakterisierung eines auf der Serien-Hybrid-Architektur basierenden Netzemulators. Daraufhin erfolgt eine analytische Betrachtung einer closed-loop-Emulation eines Netzanschlusspunktes und der impedanzbasierte Stabilitätsanalyse des frequenzabhängigen Klemmenverhaltens mithilfe der harmonischen Impedanz. Zudem wird die Messmethodik zur
Vermessung der harmonischen Impedanz beschrieben. Messungen, bei denen verschiedene Netzszenarien nachgebildet und die Ergebnisse der Vermessung der harmonischen Impedanz eines Umrichters ermittelt werden, quantifizieren schließlich die Qualität des entwickelten Netzemulators.

The current transformation of electrical energy supply is leading to an increased integration of power electronic systems into the energy grid. This development results in more interactions between these systems. To accurately predict these interactions, it is crucial to understand both the frequency-dependent terminal behavior of the systems at various operating points and their behavior in dynamic scenarios, such as grid faults. This analysis is performed using Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) grid simulators. However, due to functional limitations, existing systems are unable to analyze the behavior of new, rapidly switching semiconductor-based systems within the required frequency range.
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This is where the present work makes its contribution, by developing a novel concept for a grid emulator. First, possible system architectures are considered, and the advantages of the used series-hybrid architecture are highlighted. The next step involves designing, dimensioning, constructing, and characterizing a grid emulator based on the series-hybrid architecture. Subsequently, an analytical examination of a closed-loop emulation of a grid connection point is conducted, along with an impedance-based stability analysis of the frequency-dependent terminal behavior using harmonic impedance. Additionally, the measurement methodology for determining harmonic impedance is described. Finally, measurements that simulate various grid scenarios and determine the harmonic impedance of a converter quantify the quality of the developed grid emulator.