Auf dem diesjährigen Microgrid & DER Controller Symposium, organisiert vom Massachusetts Clean Energy Center und dem MIT Lincoln Laboratory, wird Typhoon HIL vorrangig zwei Live-Demos des Microgrid-HIL-Testbeds vorstellen. Sie laufen mit dem hoch wiedergabetreuen Controller Hardware-in-the-Loop (HIL), der mit realen industriellen Controllern vernetzt ist.
Wir werden sowohl Eaton als auch GE Microgrid-Controller in Aktion vorstellen, die direkt mit dem Microgrid-HIL-Testbed vernetzt sind. Sie steuern eine komplexe Microgrid-Controller-HIL- Echtzeitsimulation, die 3 Einspeiser mit 24 Bussen, einem Dieselgenerator, einem Naturgasgenerator mit Wärme-Kraft-Kopplung, einem Batteriespeicher, einem PV-Wechselrichter sowie zahlreichen anderen in Echtzeit laufenden Lasten beinhaltet.
Um die Sache noch interessanter zu machen, werden wir zufällige Störungen induzieren: DMS-Anfragen zum Export der aktiven/reaktiven Leistung und zur Inselbildung werden an den Microgrid-Controller gesendet; das Microgrid wird schwarzgestartet – und all dies geschieht gleichzeitig mit dem Monitoring des Microgrid-„Pulses“ und mit Messung und Streaming aller Leistungsparameter in Echtzeit.
In der Zusammenarbeit mit Anbietern mit dem Ziel eines ultimativen Leistungstests ihrer Controller durch deren Integration ins Microgrid-HIL-Testlabor, erfahren wir aus erster Hand wie anspruchsvoll und aufreibend die Inbetriebnahme und Testung von Microgrids und Microgrid-Controllern ist – auch heutzutage noch.
Als wären die Dinge nicht schon kompliziert genug, sind die Mehrheit der Microgrid-Projekte auch noch sogenannte „Brownfield“-Projekte, die eigentlich Upgrades und Nachrüstungen bereits existierender Energiesysteme darstellen. Altsysteme und neue Microgrid-Elemente in so heterogenen Microgrids zum Interagieren und Kommunizieren zu bringen ist eine beachtliche Herausforderung.
Im Laufe der Entwicklung, Integration und Inbetriebnahme der Microgrid-Controller gibt es aus heutiger Sicht fünf große Herausforderungen, die bewältigt werden müssen:
- Die Konfiguration und Testung der Kommunikation zwischen Microgrid-Controller und DER-Relais
- Konfiguration und Testung der Schutzfunktionen
- Konfiguration und Testung des DER-Controllers
- Leistungsqualität und Systemstabilität im Inselmodus
- Zertifizierung der Microgrids und Microgrid-Controller
Ohne die hoch wiedergabetreuen Controller HIL-Simulatoren, hatten die Händler von Microgrid-Controllern keine andere Wahl als direkt von der Entwicklungsphase zu Vor-Ort-Inbetriebnahme und -Testung zu springen. Wenn diese Inbetriebnahme eine Nachrüstung bedeutet, steigen Projektkosten und Zeitaufwand exponentiell.
Der Controller Hardware-in-the-Loop beschleunigt Testung, Inbetriebnahme und vorläufige Zertifizierung von Microgrids und löst die zuvor genannten 5 Großen Microgrid-Herausforderungen. Genau das ist es, was das MIT Lincoln Laboratory Microgrid & DER Controller Symposium mit dem Hardware-in-the-Loop-HIL-Testlabor und einer Vielzahl an Anbietern von Microgrid-Controllern demonstriert.
Kommunikationstestung
Die Diversität der Kommunikationsprotokolle und das Ausbleiben einer klaren Standardisierung im Bereich der Microgrid-Kommunikation verlangt beachtliche Expertise und erheblichen Zeitaufwand. Dies schon allein, um den Microgrid-Controller dazu zu bringen, mit allen Elementen zu kommunizieren. Sogar, wenn alle Knotenpunkte dieselbe „Sprache“ sprechen, z.B. Modbus, ist es mit enormem Zeitaufwand verbunden, alle richtigen Register, Adressen, Modi etc. einzurichten. Geschieht dies nun im Feld, ohne Geduld zum Lesen von Gebrauchsanleitungen während die DERs schon Energie zuführen, wird es zu einem extrem riskanten Job.
Glücklicherweise liefert die Microgrid-Hardware-in-the-Loop-Simulation hoch wiedergabetreue Kommunikationsmodelle für verschiedene DERs und Relais, die den Plug-in des Microgrid-Controllers in die HIL und die Kommunikationskonfiguration über ein virtuelles Gerät ermöglichen. Die Möglichkeit zur bequemen Durchführung dieses Schrittes vom Büro aus, über eine direkt mit dem Microgrid-Controller kommunizierende Desktop-HIL, schafft unglaublich große Zeit- und Geldersparnisse.
Schutz
Die Anpassung und Koordination der Schutzfunktionen ist eine komplexe Aufgabe, besonders für den Inselbetrieb und mit weitläufiger Verbreitung von leistungselektronischen Umrichtern. Zusätzliche Netzwerktopologien, die traditionelle Sternnetze zu ersetzen beginnen, bringen auch noch eine Reihe an neuen Herausforderungen mit sich, einschließlich der Rekonfigurabilität der Netzwerktopologie.
Die Controller-Hardware-in-the-Loop-Simulation bietet eine komplette Umgebung für die Testung aller Schutzfunktionen und –koordinationen für alle möglichen Störungsszenarien. Zusätzlich ist der Controller HIL flexibel genug, mit wiedergabetreuen Relais-Modellen zu beginnen, um dann auf die Testung mit realen Relais in der Simulationsschleife überzugehen.
Konfiguration und Testung der DER-Controller
Microgrid-Projekte müssen oft heterogene DERs verschiedener Hersteller in eine Funktionseinheit integrieren. Die Konfiguration und das Tuning der Wechselrichter und Dieselgeneratoren für die jeweilige Microgrid-Architektur kann eine gewaltige Aufgabe sein.
Controller-Hardware-in-the-Loop-Simulationen, bei denen DER controllers in das Testlabor integriert sind, ermöglichen einen bequemen Konfigurations- und Tuningprozess der Parameter, ohne ins Feld gehen und Testungen unter voller Belastung durchführen zu müssen. Geschieht dies bequem vom Büro aus über eine mit dem Microgrid-Controller und DER-Controllern vernetzte Desktop-HIL, sind die Zeit- und Geldersparnisse gewaltig. Sogar wenn die jeweilige Controller-Hardware nicht ins Testlabor integriert ist, können Controller-Modelle verwendet werden, um mehrere Parameter zu tunen und zu testen. Diese können als solider Ausgangspunkt im Feld genutzt werden.
Leistungsqualität und Systemstabilität im Inselmodus
Obwohl die Steuerung von Microgrids in netzgekoppelten Anwendungen eine Herausforderung ist, prüft die Testung der Fähigkeiten eines Microgrid-Controllers eigentlich seine Fähigkeit, nahtlos vom netzgekoppelten in den Inselmodus und zurück zu wechseln. Außerdem wird die Fähigkeit getestet, Leistungsqualität einschließlich hoher Frequenzen und Spannungsregelung sicherzustellen. Der Inselbetrieb hat hierbei Vorrang.
Zertifizierung von Microgrid-Controllern
Während die Controller-Hardware-in-the-Loop (HIL)-Vorzertifizierung von auf Wechselrichtern basierenden DERs (Sonne und Wind) in voller Blüte steht, steckt die Microgrid-Testung noch immer in den Windeln. Zudem steht auch die Standardisierung von Microgrids noch am Anfang. IEEE1547.4 zeigt bereits gute Ansätze, eine erneute Überarbeitung von IEEE1547 wird die Standardisierung von Microgrids dann hoffentlich noch weiter vorantreiben – ein Bereich, der noch weitgehend unerforscht ist.
Die aufkommenden Standards für Microgrids werden nach LVRT/HVRT, LFRT/HFRT und netzunterstützenden Funktionen ähnlich den DERs verlangen. Der einzige Weg, diese systematisch zu testen wird die cHIL-Feldtestung sein, die für alle vorhandenen Microgrid-Konfigurationen mit einem MegaWatt-Leistungsniveau einfach keine Option ist. Damit wird der Controller Hardware-in-the-Loop ein unersetzbares Tool für Testung und Zertifizierung von Microgrids werden.
