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Apr 27, 2023

Intelligente Bausteine ​​für ein zuverlässigeres Stromnetz

Ed Brown Dr. Radha Krishna Moorthy: Der grundlegende Baustein ist, was wir

Ed Brown

DR. Radha Krishna Moorthy: Der Grundbaustein ist das, was wir SUPER nennen, was für „Smart Universal Power Electronic Regulator“ steht. Sie können sich entweder ein DC/DC-System – einen Wechselrichter – oder eine DC/DC-Stufe vorstellen, die an eine DC/AC-Stufe gekoppelt ist. Der Block kann jede beliebige Form annehmen, je nachdem, welche Art von Energieumwandlung Sie verwenden. SUPERs wiederum haben ihre eigenen grundlegenden Unterkomponenten. Beispielsweise heißen die Leistungsstufen, aus denen SUPER besteht, IPS – intelligente Leistungsstufen.

Krishna Moorthy: Die Grundfunktion von SUPER ist die Stromumwandlung, beispielsweise von Wechselstrom in Gleichstrom oder von Gleichstrom in Gleichstrom. SUPER geht proaktiver vor und bietet eine Vielzahl spezieller Funktionen, von eingebetteter Intelligenz und Entscheidungsfindung bis hin zu Online-Gesundheitsüberwachung, autonomer Betriebsfähigkeit und physischer Cybersicherheit.

Wenn Sie an einen normalen Leistungselektronikwandler denken und Berichte von Solarpanel-Installateuren oder Versorgungspersonal lesen, sind Kondensatoren und Leistungshalbleiterbauelemente die größten potenziellen Fehlerquellen. Daher wäre es wirklich hilfreich, wenn Sie eine zusätzliche Überwachungsebene hinzufügen könnten, um mehr Daten zu den Kondensatoren oder mehr Daten zu den Halbleiterbauelementen zu erhalten. Es kann Ihnen helfen, den Zustand des Systems zu analysieren.

Krishna Moorthy: Wir messen die Durchlassspannung des Halbleiterbauelements. Und wir verfügen über Vorkehrungen zur direkten Messung der Abflussquelle. Mit diesen beiden kann ich den Widerstand im eingeschalteten Zustand berechnen, was mir helfen könnte, den Ausfallmechanismus von Halbleitermodulen vorherzusagen. Darüber hinaus gibt es Daten wie die Grundplattentemperatur, die Sperrschichttemperatur der Geräte, Kapazitätsschätzungen usw. Wir können diese Daten auf einer oberen Ebene sammeln, um Informationen über den Systemzustand zu erhalten.

Krishna Moorthy: Eine Möglichkeit, den Zustand des Kondensators zu beurteilen, besteht darin, den Welligkeitsstrom zu messen, um zu sehen, wie er sich ändert. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Kapazität im System kontinuierlich zu berechnen. Wenn das System beispielsweise in den Standby-Modus wechselt, können Sie eine einfache RC-Zeitkonstanten-basierte Berechnung durchführen, um die Systemkapazität über einen bestimmten Zeitraum zu bestimmen. Wenn also etwas ausgefallen ist oder sich die Kapazität verschlechtert hat oder sich eine Verschlechterung anbahnt, sollten Sie dies im Voraus erfahren.

Krishna Moorthy:In den von uns gezeigten Versionen sprachen wir von einem 75-KVA-System bei 480 Volt Wechselstrom, diese können jedoch für höhere Leistungen und höhere Spannungen skaliert werden.

Krishna Moorthy: Der Basiswechselrichter ist der SUPER. Es kann aus eigenen Grundleistungsstufen und darüber liegenden weiteren Unterkomponenten bestehen. Das IPS ist eine der Unterkomponenten des Super. Im Grunde handelt es sich um eine ganzheitliche Leistungsstufe mit Eingang, Ausgang, seitlichen Kontakten, den Halbleiterbauelementen, den zugehörigen Gate-Treibern, den kleineren passiven Bauteilen, den dazugehörigen passiven Bauteilen, die sie benötigen, und den darin enthaltenen fortschrittlichen Sensoreinheiten. So können IPSs bestimmte Steuerungsfunktionen übernehmen, können aber mithilfe des SUPER-Frameworks so koordiniert werden, dass sie von oben als ein Wechselrichter fungieren.

Vereinfacht ausgedrückt: Wenn ich beispielsweise einen 250-Kilowatt-Wechselrichter bauen möchte, verfügt dieser beispielsweise über fünf IPS, die jeweils für 50 Kilowatt ausgelegt sind, sowie weitere Unterkomponenten wie passive Elemente und Hilfsenergie Stromkreise usw. Diese wiederum werden zusammenarbeiten, um die 250 Kilowatt zu liefern.

Unsere Leitphilosophie ist, dass ich bei einem Ausfall eines IPS die anderen weiterhin betreiben kann, anstatt das gesamte System herunterzufahren, obwohl die Gesamtausgangsleistung reduziert wird.

Krishna Moorthy:Die IPSs erzeugen nur die Pulsweitenmodulation (PWM). Der SUPER koordiniert sie und regelt ihre Aus- und Eingänge und stellt andere notwendige Funktionen bereit.

Krishna Moorthy: Einer der Aspekte, die wir untersuchten, war die Standardisierung von Mechanismen und Unterkomponenten. Wenn Sie dies tun, eröffnet sich den Anbietern die Möglichkeit, Teilkomponenten bereitzustellen, anstatt den gesamten Konverter zu erstellen. Wenn ich beispielsweise einen 250-Kilowatt-SUPER habe, kann ich das IPS von einem anderen Anbieter herstellen lassen.

Dies ist auch das Konstrukt, an dem wir hier in den Laboren arbeiten. Jemand anderes kann das IPS für mich erledigen, solange es standardisiert ist, sodass es mit dem SUPER koordiniert werden kann. Ich kann auch IPSs und Unterkomponenten von verschiedenen Anbietern beziehen und sie zusammenstecken. Sie können einen Anbieter für den Wechselrichter und einen anderen für die internen Komponenten verwenden.

Krishna Moorthy:Ja.

Krishna Moorthy:Die Anwendung, an die ich gedacht habe, sind Photovoltaikanlagen (PV).

Wenn Sie beispielsweise eine 1-MW-PV-Anlage wünschen, führt der Ausfall eines der PV-Submodule zum Ausfall der gesamten Anlage. Wenn ich also eine Architektur habe, mit der ich umgehen kann und die mir sagen kann, dass sich die PV-Leistung verschlechtert oder ein Komponentenfehler auftritt, kann ich die Wartung entsprechend planen, anstatt das gesamte System herunterzufahren.

Krishna Moorthy: Hier kommt die Architektur ins Spiel. Wir haben Schichten und Schichten der Hierarchie. Da die IPSs von den SUPERS koordiniert werden, werden die SUPERS als Knoten koordiniert. Wir ermöglichen es uns auf jeder Ebene, uns mitzuteilen, ob etwas fehlschlägt. Und dann haben wir Schichten auf der obersten Ebene, die sagen: „Okay, wenn das nicht klappt und ich auch ohne das reibungslos arbeiten kann, kann ich die Ausgangsleistung herabsetzen und es umgehen.“ Das ist die Art von Intelligenz, die wir in jede Schicht einbetten.

Krishna Moorthy:Ehrlich gesagt, ich stelle mir das überall vor.

Krishna Moorthy: Ein Mikronetz fasst mehrere Wechselrichter oder Konverter zusammen, beispielsweise wenn es sich um ein AC- oder DC-Mikronetz handelt. SUPER kann für Mikronetze verwendet werden, es gibt jedoch noch eine weitere Aggregationsebene: Sie können mehrere Leistungsstufen zusammenfassen, um die Ausgangsleistung zu erhöhen, und haben dennoch einen Anschlusspunkt an das Netz. Das ist die Aggregationsebene, zu der diese Architektur fähig ist.

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Krishna Moorthy: Sie werden einige der größeren Integrationsdinge früher sehen. Im Hinblick auf dieses Projekt definieren wir vorläufig das Konstrukt dessen, was diese SUPERs tun können, und die verschiedenen Arten, wie die Architektur hilfreich ist.

Das Wichtigste, woran ich jetzt arbeite, ist, sie in einen Knoten wie ein Mikronetz zu integrieren und zu sehen, welchen Nutzen sie für das Mikronetz auf der obersten Ebene haben. Außerdem möchte ich sehen, welche Art von Steuerungsflexibilität ich mit der größeren Datenmenge, die ich nachgelagert erhalte, erreichen kann.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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