Während sich Länder zunehmend grünen Konzepten zuwenden und mehr Nachdruck auf stabile Stromnetze legen, werden Technologien, die sich mit erneuerbarer Energie und Energiespeicherung befassen, in der nächsten Dekade eine Blütezeit erleben. Laut Bloomberg New Energy Finance (BNEF) erreicht die weltweite Energiespeicherkapazität Ende 2030 einen Spitzenwert von 411 GW/1194 GWh und damit mehr als das 20-Fache der Kapazität und Stromerzeugung, die Ende 2020 verzeichnet wurden. Zu den Energiespeicheranwendungen gehören im Wesentlichen großtechnische Energiespeichersysteme (ESS) mit integrierter erneuerbarer Energie (Solar/Wind) sowie kleine bis mittelgroße Systeme für eine auf den Wohnsitz bezogene, gewerbliche und industrielle Nutzung. Innerhalb dieser Systeme ist die Entwicklung von ESS für eine auf den Wohnsitz bezogene, gewerbliche und industrielle Nutzung derzeit auf dem aktivsten Stand. In der BNEF-Prognose wird aufgeführt, dass kleine bis mittelgroße Energiespeichergeräte ein Viertel der ESS-Gesamtkapazität umfassen und in naher Zukunft wohl weltweite Popularität genießen werden.
Die Erzeugung von sowohl Solar- als auch Windstrom ist aufgrund von Wetteränderungen wechselhaft, weshalb sie oft durch Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) ergänzt wird, um eine gut geregelte Stromversorgung zu gewährleisten. Die BESS-Spannungsspezifikationen evolvieren von Spannungen unter 1000 Volt zu 1500 Volt und höher, wobei die Nennleistung auf MW-Stufen ansteigen wird. Zu den häufigen Anwendungen, die von Energieversorgungsunternehmen in Speichersystemen mit derartig hohen Kapazitäten genutzt werden, gehören die automatische Frequenzregelung (AFC) und schnell reagierende Lastabwurfressourcen (FRR). Zugleich sind aufgrund der hohen und instabilen Energiepreise immer mehr Menschen daran interessiert, BESS in ihren Wohnungen zu installieren. PV-Speichersysteme für Solarenergie in Wohnanlagen bestehen hauptsächlich aus einer Kombination von Solarmodulen, hybriden PV-Invertern (mit Nennleistungen von 10 kW oder niedriger) und energiespeichernden Batterien (mit Kapazitäten zwischen 5 kWh und 15 kWh). Diese Ausstattungen spielen eine wichtige Rolle beim Aufwand für die Energiewende.
▲ BESS-Architektur in Wohnanlagen und im Gewerbe
Chroma bietet Testlösungen für erneuerbare Energie- und Batteriespeichersysteme
Dank Chromas multifunktionaler Softwareplattform lassen sich diese Geräte in ein automatisiertes Testsystem integrieren. Nachstehend wird jede einzelne Lösung detailliert beschrieben.
Regenerativer 2-in-1-Netzsimulator + regenerative AC-Last: Mit Lösung zur Energieeinsparung und Reduzierung von Kohlendioxid-Emissionen für die Prüfung von Hybrid-Invertern
Der Chroma 61815 besitzt eine Ausgangskapazität von vier Quadranten. Er kann verschiedenartige Spannungs- und Frequenzausgänge für netzgebundene Inverter simulieren und als AC-Last mit vier Quadranten für die Prüfung von selbständig operierenden Invertern fungieren. Dieses Instrument wird seit der Markteinführung von unterschiedlichen industriell führenden Unternehmen in der Energiespeicherindustrie eingesetzt, sodass wir mittlerweile eine beachtliche Menge an Erfahrung bei der Prüfung von Hybrid-Invertern vorweisen können. Der hocheffiziente Grad an Energierückspeisung des Netzsimulators macht es ihm möglich, den Stromverbrauch bei der Simulation des Stromnetzes für Testzwecke deutlich zu senken. Zudem verfügt er über hochentwickelte, programmierbare Funktionen, z. B. Liste, Impuls und Schritt, für die Simulation verschiedenartiger Störungen in Stromleitungen (PLD). Außerdem kann das Gerät in seinem optional regenerativen AC-Lastmodus Energie zurück in das Stromnetz speisen, um Herstellern dabei behilflich zu sein, ihre Prüfanforderungen bezüglich Energiespeicherung und reduzierten Kohlendioxid-Emissionen zu erfüllen. Es kann auch unterschiedliche Typen von gleichgerichteten und nicht gleichgerichteten Lasten mit speziellen Lastmodi simulieren, z. B. Gleichrichtung, Vor-/Nacheilung und Halbwelle-Gleichrichtung, die von der Sicherheitsfunktion Sofort-Standby unterstützt werden. Mit dem Chroma 61815 als alleiniges Gerät mit Testmöglichkeiten für AC-Leistung und AC-Last können Hybrid-Inverter umfassend geprüft werden, wodurch sich eine hocheffiziente und kostengünstige Testlösung für Energiespeicher ergibt.
▲ Chroma 61815 kann ganz allein Testanforderungen für AC-Quelle und AC-Last von Hybrid-Invertern erfüllen
Bidirektionale 3-in-1-DC-Stromversorgung + regenerative Last + PV/Batteriesimulator für umfassende PV-Inverterprüfung
Die Chroma-62000D-Serie nutzt die Topologie einer bidirektionalen Stromversorgung. Mit einer Hochleistungsdichte von 18 kW in einer einzelnen 3U-Einheit eignet sich diese Serie zur Prüfung von Energiespeichersystemen in Wohnanlagen (< 10 kW) und industriellen Energiespeichersystemen (50 bis 150 kW). Der 62000D ist eine Drei-in-Eins-Einheit, die eine bidirektionale DC-Stromversorgung, einen Solaranlagensimulator und einen regenerativen Lastmodus aufweist, der im Zusammenschluss mit Trends zur Energiespeicherung und Reduktion von Kohlendioxid-Emissionen Energie wieder in das Stromnetz einspeist, während zugleich alle Prüfungsauflagen für Hersteller von PCS/PV-Invertern berücksichtigt werden. Diese Instrumente können als mannigfaltige Stromquellen für flexible Nutzung in Forschung und Entwicklung und in Konfigurationen des Produktionstestsystems mühelos miteinander kombiniert und parallelgeschaltet werden.
Im optionalen Solaranlagensimulator des 62000D sind mathematische Modelle I-V für den europäischen Standard EN50530 und die amerikanischen Sandia-Standards sowie nutzerfreundliche manuelle und fernbedienbare Steuerungen integriert. Das Instrument kann Schwankungen von dynamischen Schattenkurven und I-V-Kurven auf Basis von realistischen Wetterszenarien simulieren. Dadurch eignet es sich ideal zur Verifizierung von PV-Invertern mit Batteriespeichersystem, wenn die Batteriespeicherkapazität im Vergleich zu I-V-Simulationen unterschiedlicher lokaler Wetterbedingung berechnet wird.
Außerdem lässt sich das Instrument mit der Batteriesimulator-Soft-Panel-Software als Batteriesimulator einsetzen. Es kann den Betrieb unter verschiedenen Bedingungen des Ladezustands (SoC) oder für lastspezifische V-I-Kurven der Batterieeigenschaften simulieren sowie auch das Auf-/Entladen von Batterien, um Stromumwandlungsgeräte, die in Hybrid-Invertern und Stromumwandlungssystemen (PCS) genutzt werden, zu testen und fachlich zu bewerten.
Dual-Modus-Batterieprüfgerät und Batteriesimulator Chroma 17040/17040E
Das Chroma-17040E-System ist in der Lage, 200 kW/1700 V pro Einheit bereitzustellen, und es eignet sich für die Prüfung von mit dem Stromnetz verbundenen Systemen (FOM). Das 17040-System kann als Einzelgerät 60 kW/1000 V bereitstellen und eignet sich für die Prüfung von Anwendungen in Systemen in Wohnanlagen und im Gewerbe (C&I). Beide Systeme verfügen über Funktionalitäten zum Auf-/Entladen und zur Simulation von Batterien, um Batterie-Racks und verwandte Produkte testen zu können.
Chroma 17040(E) besitzt eine automatische Schaltfunktion für Spannungs-/Strombereiche, die den Bereich während dynamischer Stromschwankungen automatisch anpasst, sodass sich im Verein mit der Technologie für Hochfrequenzabtastung äußerst präzise Messungen und optimierte Messergebnisse ergeben. Der dynamische Strom-/Leistungsmodus des Wellenformsimulators weist einen Stromanstieg von 1 ms (10 bis 90 %) auf. Er simuliert das Lade-/Entladeverhalten des Stromumwandlungssystems (PCS), wenn das Energiespeichersystem eine Frequenzregulierung vornimmt. Dank der schnellen Stromansprechzeit des Prüfgeräts lassen sich Lade- und Entladevorgänge optimal umschalten; der Strom fließt gleichmäßig ohne Überschwingweiten, sodass die Batterie nicht beschädigt wird. Die Architektur der bidirektionalen Schaltung erzielt eine hocheffiziente Energierückgewinnung während Entladungen, kontrolliert präzise den wechselweisen Fluss des AC-Stroms und ist mit Stromnetzanforderungen konform, ohne andere netzgebundene Anlagen zu kontaminieren. Im Fall einer Störung des Stromnetzes wird die Stromversorgung der Hauptschaltung automatisch abgeschaltet, um die Sicherheit des Bedieners und der Anlage zu gewährleisten.
Diese Testsysteme werden von Chromas firmeneigenen und leistungsstarken Softwareplattformen unterstützt. Die BatteryPro-Software ermöglicht die Integration von drittseitiger Hardware, z. B. BMS-Kommunikationsgeräten, Datenloggern und Temperaturkammern. Sie kann dann den Testablauf mit deren Daten steuern und dabei Spannungsänderungen in jeder einzelnen Batteriezelle im Energiespeicherschrank während der Frequenzmodulation erkennen und Qualitätsmängel im Energiespeicherschrank identifizieren. Mit Hilfe der Batteriesimulator-Soft-Panel-Software können unterschiedlich bedingte Ladezustände (SoC) von Batterien kontrolliert und programmiert werden, um Lade-/Entladetests und die Prüfung und Bewertung von Kombinationen aus Inverter/Batterie durchzuführen.
Automatisiertes Testsystem Chroma 8000
Zur Errichtung einer kompletten Testplattform für Solarstrom- und Energiespeicheranlagen müssen mannigfaltige Geräte erfolgreich integriert werden. Dazu gehören eine AC-Stromquelle und -Last zur Simulation des Stromnetzes, eine Stromquelle zur Simulation der Solarmodulanlage sowie ein Batteriesimulator.
Zur Bewältigung dieses Bedarfs stellte Chroma kürzlich das automatisierte Testsystem Chroma 8000 vor. Diese allumfassende Lösung entsteht durch Integration entweder der bidirektionalen DC-Stromversorgung Chroma 62000D oder des Batteriesimulators 17040E mit dem Netzsimulator 61800, sodass fünf Gerätefunktionen in einem System vorhanden sind: Eine bidirektionale DC-Stromversorgung, eine regenerative Last und eine PV/Batteriesimulation plus netzsimulierende Stromquelle und regenerative AC-Last. Während der Prüfung wird die vom Prüfling (DUT) ausgegebene Energie bei reduzierten Gerätekosten und Platzanforderungen wieder in das Stromnetz eingespeist, wobei zugleich die Ziele der Energieeffizienz und Reduktion von Kohlendioxid-Emissionen vorangetrieben werden.
▲ Prüfaufbau von PV/Energiespeicher für Inverter mit Architektur zur Energierückgewinnung