Modellierung und Implementierung eines inselfähigen Wechselrichters für NEPLAN

Abstract

Die elektrische Energie spielt in der heutigen Zeit eine immer größere Rolle und die Anzahl der installierten Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) steigt. Die in den PV-Anlagen eingesetzten Wechselrichter übernehmen immer mehr Zusatzfunktionen und in Kombination mit einem Akkumulator wird der Inselbetrieb der PV-Anlage ermöglicht. Das Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung eines inselfähigen Wechselrichters für die Simulation eines Modellnetzes in NEPLAN. Mit diesem Modellnetz soll das Verhalten bei einem Blackout bzw. beim Wiederzuschalten des Netzes simuliert und verifiziert werden. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Das erste Kapitel dient zur Einleitung und besteht aus der Aufgabenstellung. Im zweiten Kapitel werden die unterschiedlichen Komponenten einer PV-Anlage vorgestellt und kurz deren Funktion beschrieben. Eine detaillierte Beschreibung erfolgt nur für den Wechselrichter, da diese Komponente das zentrale Element dieser Arbeit verkörpert. Im dritten Kapitel wird die PV-Anlage der TU Wien vorgestellt, da diese Anlage die Basis der Modellierung darstellt. Nach der Beschreibung folgen die Auswertung der Messdaten und die Ermittlung der benötigten Parameter. Die Messungen an der PV-Anlage wurden mit und ohne Last und in unterschiedlichen Betriebszuständen (z.B. Netzbetrieb, Inselbetrieb) durchgeführt. Mit den aus den Messungen gewonnenen Parametern werden die Verläufe der PV-Leistung und die Frequenz in MATLAB/Simulink nachgebildet. Diese MATLAB Modelle werden im vierten Kapitel beschrieben. Das fünfte Kapitel handelt von der Erstellung der Simulationen in NEPLAN und die Einbindung der MATLAB Modelle in NEPLAN. Diese dynamischen Simulationen sind die Nachbildungen der Messungen und deshalb abhängig vom jeweiligen Betriebszustand während der Messung. Am Ende des fünften Kapitels werden die Simulationsergebnisse mit den Messungen verglichen, um deren Richtigkeit zu zeigen. Das sechste Kapitel befasst sich mit der Abschlusssimulation. Diese funktioniert für alle Betriebszustände und setzt sich aus den Simulationen des fünften Kapitels zusammen. Weiters wurde die Abschlusssimulation um den Akkuladezustand erweitert und somit das Modell vervollständigt. Die Simulationen erfolgten mit einem nachgebildeten Tageslastprofil eines Haushaltes und mit unterschiedlichen PV-Leistungen und Akkuladezuständen. Die Ergebnisse der durchgeführten Simulationen und die anschließenden Schlussfolgerungen (Kapitel Sieben) bilden den Abschluss der Arbeit.

Nowadays electrical energy is playing an increasingly large role and the number of installed photovoltaic systems (PV systems) is on the rise. Inverters used in PV systems are taking more and more additional functions, and, in combination with an accumulator, the operation of PV systems in off grid mode is possible. The goal of this thesis is to model an inverter capable of off grid mode for simulation of a grid model in NEPLAN. This grid model aims to simulate and verify the behavior during blackouts or while restarting the grid. The thesis is structured as follows: The first chapter provides an introduction and describes the task. In the second chapter the different components of a PV system are introduced followed by a brief description of how they function. A detailed description is provided merely for the inverter because this component embody the key element of this paper. The third chapter introduces the solar power system, which is installed on the roof at the Vienna University of Technology. This PV system serves as basis for the modeling and delivers the required parameters. The measurements at the PV system were taken with and without a load in different operation modes (e.g. grid connected, off grid mode). The parameters obtained from the measurements, are used to rebuild the characteristics of the PV output and the frequency in MATLAB/Simulink. These MATLAB models are described in the fourth chapter. The fifth chapter focuses on the creation of simulations in NEPLAN and the embedding of the MATLAB models in NEPLAN. These dynamic simulations are reconstructions of the measurements and therefore depend upon the respective operation mode while the measurements were taken. At the end of the fifth chapter the simulation results are compared with the measurements to show their accuracy. The sixth chapter deals with the final simulation. This works for all operational modes and is extended with the simulations from the fifth chapter. Then the final simulation is extended with the battery charge level, to complete the model. The simulations were done with a reproduced daily load profile of a household and with different PV outputs and battery charge levels. The results of the performed simulations and the conclusions (chapter seven) wrap up this paper.