Three-phase AC-simulator with virtual output impedance emulation

Abstract

Nowadays, the development as well as the market of components for distributedgeneration, namely photovoltaic inverters, battery management systems or smallwind turbines, has increased significantly. A majority of these distributed generation systems are based on grid-tied converters, which are replacing conventional generators e.g. synchronous generators in the power grid resulting in a reduction of grid inertia. The grid inertia, however, represents an essential part of the control characteristic and stability and is also an important parameter for the system planing and operation for the electrical power grid. In order to support the power grid, the requirements for grid-tied inverters are getting more complex and adaptive operating behaviour according to the actual grid conditions is needed. Therefore several grid support functions were developed and have to be implemented for such grid-tied converters, in order to assist with system frequency control, voltage control or low-voltage ride through (LVRT) capability. Consequently, for the development and integration of smart-grid converters advanced testing procedures are required, which are mainly based on tests in a safe laboratory environment. For this purpose controllable AC power sources (AC-simulators) with adjustable grid characteristics (e.g. frequency and voltage profiles) are mandatory. AC-simulators can also perform simulations of transient grid behaviour as well as grid faults. With more sophisticated grid connected units like photovoltaic inverters, electric vehicles etc., not only the output voltage or output current are required as test parameters, additionally the corresponding grid impedance emulation is needed which further affects the performance of the application. Conventional test setups usually are emulating the grid impedance by using real inductors and resistors, which leads to high investment costs and also electrical losses during operation. One approach to improve this situation is the integration of a virtual impedance into the controller algorithm of the AC-simulator in order to emulate the resistive-inductive grid behaviour without need of bulky hardware. This enables a reduction in both the investment costs and the electrical losses improving the efficiency of the system at increased flexibility. The main focus of this thesis remains on the development of an AC-simulator with variable virtual grid impedance emulation for frequencies up to 2 kHz being defined in EMI regulations and grid codes. For the implementation of such a system, linear power amplifier could be used theoretically, however resulting in very low efficiency. Consequently, switched-mode power amplifiers showing much higher efficiency rates today and are generally preferred for AC power sources. In order to achieve the small-signal frequency up to 2 kHz, basic analyses show switching and sampling frequencies in the region of up to 200 kHz are required to achieve the intended dynamic behaviour at low output voltage noise levels. For this purpose, several topologies are investigated, whereby for the prototype development initially a 2-level inverter was chosen. However, the single-stage system showed some limitations in terms of accuracy of current and/or voltage measurements. Furthermore, also the bandwidth of the emulated impedance is limited if both fundamental and harmonic components (i.e. impedance voltage drop) will be generated by only one three-phase switched-mode amplifier. These restrictions can be avoided by splitting-up the three-phase AC-simulator system into two separate converter topologies connected in series concerning their respective output voltages feeding in total the equipment under test. In fact the virtual impedance now is emulated by the small signal amplifier whereas the main (large signal) power amplifier provides the fundamental grid voltage. Therefore, voltage sensors with higher resolution can be employed for the impedance emulation. Compared to the single stage topology, the cascaded concept enables improved measurement resolution/accuracy and at the same time increased bandwidth. Based on this concept a two-level topology was selected for the laboratory prototype verification. The dimensioning of the topology was analytically described an a proper control method was developed an implemented as a laboratory prototype. Finally, a validation and analysis, of such a system feeding also non-linear loads (e.g. three-phase B6 rectifier) is also presented.

Netzgebundene leistungselektronische Komponenten, wie z.B. Photovolatikwechselrichter, Batteriespeichersysteme oder doppeltgespeiste Asynchronmaschinen gewinnen immer mehr an Bedeutung für die Erzeugung elektrischer Energie. Dabei sinkt der Anteil konventioneller Energieerzeuger, basierend auf rotierenden Synchrongeneratoren, im elektrischen Energienetz und führt so zu einer Reduktion der Schwungmasse. Diese Schwungmasse stellt eine Energie- und Regelreserve für das elektrische Energienetz dar und ist daher ein wichtiger Parameter bei der Planung und Betriebsführung. Um das elektrische Energienetz stabil zu betreiben, wird für moderne netzgebundene Wechselrichter ein zunehmend komplexeres und entsprechend der aktuellen Netzsituation adaptives Betriebsverhalten gefordert. Dies betrifft Eigenschaften wie z.B. Blindleistungsmanagement, Primärregelfunktionen oder Low-Voltage-Ride-Through (LVRT-) Funktionalität. Um das zu erwartende Verhalten des netzgekuppelten Umrichters für unterschiedliche Netzzustände zu prüfen, ist es nötig unterschiedliche Tests sowohl simulativ als auch in geschützter Laborumgebung vorab, mit einfacher Modifizierbarkeit der Testparameter, durchzuführen. Dabei kommen i.d.R. Netzsimulatoren zur Emulation von Frequenz- und Spannungsprofilen zum Einsatz. Weiters wird gefordert, dass das Betriebsverhalten des Umrichters auch für diverse resisitve und induktive Anteile der Netzimpedanz nachgewiesen werden muss. Bei konventionellen Prüfanlagen erfolgt die Nachbildung solcher Netzimpedanzen üblicherweise durch Vorschaltung physischer Widerstände und Induktivitäten, was in der Folge hohe Investitionskosten und elektrische Verluste im Betrieb nach sich zieht sowie auch die Flexibilität der Prüfeinrichtung beeinträchtigt. Ein Ansatz um dieses Problem zu verbessern, ist die Integration einer virtuellen Impedanz in die Regelung des Netzsimulators, womit resistives bzw. induktives Netzverhalten emuliert werden kann, ohne diese in ihrer physischen Form zu benötigen. Dies ermöglicht sowohl eine Reduktion der Anschaffungskosten als auch der elektrischen Verluste und dadurch eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Anlage. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Netzsimulators mit variabler virtueller Impedanz für den normgemäß meist relevanten Frequenzbereich bis zu 2 kHz. Grundsätzlich könnten solche Netzsimulatoren mit Linear-Leistungsverstärkern realisiert werden, allerdings besitzen Schaltverstärker einen deutlich höheren Wirkungsgrad und sind für hohe Leistungen jedenfalls zu bevorzugen. Aufgrund der Forderung einer Bandbreite des Systems von 2 kHz, ist allerdings eine Schaltfrequenz von bis zu 200 kHz notwendig um Effekte und Einflüsse des LC-Ausgangsfilters zu minimieren. Dazu werden mehrere Topologien diskutiert, wobei für die Prototypenentwicklung initial ein 2-Level Wechselrichter gewählt wurde. Eine einstufige Realisierung hat allerdings gezeigt, dass die Messgenauigkeit/Auflösung und Bandbreite topologiebedingt limitiert ist. Daher wird im Weiteren ein kaskadierter Ansatz untersucht, wobei der ursprüngliche Schaltverstärker in zwei Subsysteme aufgeteilt, nämlich einen Kleinsignal- und Großsignalverstärker. Dabei erzeugt der Großsignalverstärker eine möglichst ideale, impedanzfreie grundfrequente Netzspannung, während der Kleinsignalverstärker ausschließlich zur Emulation des Spannungsabfalls der virtuellen Netzimpedanz herangezogen wird. Im Vergleich zur einstufigen Lösung erlaubt die kaskadierte Variante die Realisierung eines Gesamtsystems mit erhöhter Auflösung/Genauigkeit bei gleichzeitig höherer Bandbreite. Eine Auslegung der Topologie sowie die Implementierung des Regelungskonzepts werden hier ausführlich behandelt. Die Validierung dieses Konzepts wird im Zeitbereich sowie im Frequenzbereich durchgeführt und erfolgt weiters unter Verwendung von nichtlinearen Lasten, wie z.B. einem dreiphasigen Diodengleichrichter (B6 Gleichrichter).