Praktischer Leitfaden zur Modellierung von Stromrichtern und Wechselrichtern

Wichtigste Erkenntnisse

• Beginnen Sie mit einer klaren Forschungsfrage und legen Sie die Modellgenauigkeit nur dort fest, wo sie das Ergebnis beeinflusst, da zusätzliche Details an der falschen Stelle die Simulation verlangsamen, ohne die Zuverlässigkeit zu verbessern.
• Sorgen Sie für Konsistenz bei Physik, Steuerungen und Zahlen über die gesamte Kette hinweg, von Geräteparasiten über PWM-Timing bis hin zum EMT-Zeitschritt, da kleine Abweichungen zu Verzerrungen bei Oberschwingungen, Verlusten und Fehlerreaktionen führen können.
• Verwenden Sie die Validierung als Kontrollinstanz und nicht als reine Formalität, mit Prüfungen, die das elektrische Verhalten, das Steuerungs-Timing und die Empfindlichkeit des Solvers voneinander trennen, damit die Ergebnisse über alle Betriebspunkte und Störungen hinweg stabil bleiben.

Genaue Modelle für Stromrichter und Wechselrichter basieren auf disziplinierten Modellierungsentscheidungen.

Die Ergebnisse des Umrichters geraten aus der Bahn, wenn die Genauigkeit, die Solver-Einstellungen und das Steuerungs-Timing nicht mit der Frage übereinstimmen, die Sie beantwortet haben möchten. Netzstudien stützen sich mittlerweile stark auf das Verhalten von Wechselrichtern, und erneuerbare Energien lieferten 2023 30 % der weltweiten Stromerzeugung. Bei diesem Umfang bleibt wenig Spielraum für Spekulationen über Umschaltungen, Grenzwerte und Schutzreaktionen.

„Bei der genauen Modellierung von Leistungselektronik geht es weniger darum, überall Details hinzuzufügen, sondern vielmehr darum, Details dort zu platzieren, wo sie das Ergebnis verändern.“

Sie gewinnen mehr Sicherheit, wenn Sie die Konvertermodellierung als eine Kette von Entscheidungen betrachten, die von den Geräten über die Steuerungen bis hin zu den Zeitschritten der elektromagnetischen Transientensimulation konsistent bleiben müssen. Die folgenden Abschnitte konzentrieren sich auf diese Entscheidungen, die damit verbundenen Kompromisse und die Überprüfungen, die falsche Gewissheiten verhindern.

Modellierungsziele und erforderliche Genauigkeit für Konverterstudien definieren

Beginnen Sie damit, das Studienergebnis festzulegen, und legen Sie dann die Mindestmodelldetails fest, die zur Beantwortung erforderlich sind. Bei der Konvertermodellierung wird immer Geschwindigkeit gegen Wellenformdetails eingetauscht, und ein falscher Tausch führt zu überzeugenden, aber falschen Ergebnissen. Die Genauigkeit muss den relevanten Phänomenen entsprechen, wie z. B. Oberschwingungen, Schutzauslösungen oder Regelungsstabilität. Ein klares Ziel legt auch den akzeptablen Zeithorizont und den Zeitschritt des Solvers fest.

Eine gute Zielsetzung erfordert auch Grenzentscheidungen, die stillschweigend die Ergebnisse dominieren, beispielsweise was außerhalb des Konvertermodells liegt und was in dieses hineingezogen wird. Ziehen Sie eine Grenze zwischen dem, was Sie als festes Netzwerk betrachten, und dem, was Sie als kontrolliertes leistungselektronisches System behandeln. Legen Sie die Akzeptanzkriterien frühzeitig fest, da Sie diese später bei der Validierung und Feinabstimmung verwenden werden.

• Welchen messbaren Ausgangswert werden Sie vertrauen, z. B. die aktuelle Welligkeit oder die Tiefe des Spannungsabfalls?
• Welche Frequenzen müssen korrekt sein, von der Grundfrequenz bis zu den Schaltseitenbändern?
• Welche Ereignisse müssen korrekt sein, wie z. B. Fehler, Grenzwertüberschreitungen und Neustarts?
• Welcher Zeitbereich muss abgedeckt werden, von Millisekunden bis Sekunden?
• Welche Genauigkeitsprüfung entscheidet über das Bestehen oder Nichtbestehen anhand eines Benchmarks?

Wählen Sie zwischen gemittelten oder hybriden Wandlermodellstrukturen.

Switching-, Averaged- und Hybrid-Strukturen beantworten jeweils unterschiedliche Fragen, und keine davon ist universell die beste. Switching-Modelle lösen Kommutierungs- und PWM-Welligkeit, kosten jedoch Zeitschritte und Laufzeit. Averaged-Modelle bewahren die Steuerungsdynamik und den Leistungsfluss, während sie Switching-Details verwerfen. Hybrid-Ansätze behalten Switching dort bei, wo Ereignisse wichtig sind, und glätten den Rest.

Wählen Sie die Struktur aus, indem Sie sich fragen, welcher Mechanismus die von Ihnen zu treffende Entscheidung beeinflusst. Harmonische Konformität, Totzeitverzerrung und Halbleiterbelastung erfordern detaillierte Schaltvorgänge. Die Reglerabstimmung, die schwache Netzstabilität und die Wirkleistungs-Sollwertreaktion passen oft zu gemittelten Modellen, wenn Sie Grenzwerte und Verzögerungen originalgetreu darstellen.

Hybridmodelle helfen nur, wenn die Übergabe sauber ist. Halten Sie die Zustandsvariablen konsistent und vermeiden Sie versteckte Filter, die die Phase verschieben, da dies Instabilitäten verschleiern und das Verhalten des Wandlers verzerren würde.

Erstellen Sie Geräte- und passive Komponentenmodelle mit korrekten parasitären Eigenschaften.

Gerätemodelle und passive parasitäre Effekte beeinflussen Schaltverluste, Klingeln und Oberwellenanteile, sodass idealisierte Bauteile zu irreführenden Ergebnissen führen können. Halbleiter im eingeschalteten Zustand, Rückwärtserholung und nichtlineare Kapazitäten verändern Strom- und Spannungskanten. ESR und ESL von Induktivitäten und Kondensatoren verschieben Dämpfung und Resonanz. Parasitäre Effekte müssen außerdem mit dem physikalischen Layoutmaßstab übereinstimmen, den Sie darstellen möchten.

Beginnen Sie mit der einfachsten nicht idealen Konfiguration, die Ihre Antwort verändert, und fügen Sie Details nur hinzu, wenn die Akzeptanzprüfung fehlschlägt. Snubber, Gleichstrom-Zwischenkreiskapazität und Streuinduktivität dominieren häufig dv oder dt und Überschwingen, sodass sie auch dann Beachtung verdienen, wenn das Regelungsmodell perfekt ist. Die thermische Kopplung kann für viele Studien außerhalb des EMT-Modells bleiben, aber Sie benötigen dennoch eine Verlustdarstellung, die mit Ihren Schaltwellenformen übereinstimmt.

Die Qualität der Parameter ist wichtiger als deren Anzahl. Behandeln Sie Hersteller-Kurven, Labormessungen und extrahierte parasitäre Werte als Daten, die Sie versionieren und überprüfen, und nicht als Werte, die Sie einmal eingeben und dann vergessen, da kleine Fehler bei der Kapazität oder Streuinduktivität die Resonanz so stark verschieben können, dass sich die Schutzauslöser ändern.

Darstellung der PWM-Modulation und Totzeit in der Wechselrichtersimulation

PWM und Totzeit bestimmen die Wellenform, die Ihr Netzwerk tatsächlich sieht. Eine ungenaue Modellierung führt daher zu einer Abflachung der Oberschwingungen und einer Verschleierung der Verzerrung. Trägerbasierte Modulation und Raumvektormodulation unterscheiden sich in ihren Schaltmustern und ihrer Oberschwingungsverteilung. Die Totzeit verändert die effektive Phasenspannung basierend auf der Stromrichtung, was zu Verzerrungen niedriger Ordnung führt. Die Modellierung muss außerdem den Annahmen hinsichtlich Abtastung, Aktualisierungsrate und Gate-Timing entsprechen.

Betrachten wir einen zweistufigen Dreiphasen-Wechselrichter mit einem 800-V-Gleichstromzwischenkreis, 10 kHz PWM und einer Totzeit von 3 Mikrosekunden, der einen L-Filter und ein starres 400-V-Netz speist. Ein Schaltmodell, das Totzeit und Strompolaritätslogik berücksichtigt, zeigt eine deutliche Verschiebung der Grundspannung und zusätzliche Oberwellen niedriger Ordnung, während ein ideales Schaltmodell dies nicht tut. Dieser Unterschied verschiebt auch die Last des Stromreglers und kann die Grenzwerte während Spannungsabfällen verändern.

Die Totzeitkompensation gehört in das Regelungsmodell, wenn der physikalische Regler sie verwendet. Halten Sie die Gate-Befehle an den Zeitschritt des Simulators angepasst, damit die Totzeit nicht in etwas viel Größeres als beabsichtigt quantisiert wird, da dies zu Verzerrungen führt, die wie ein Hardwareproblem aussehen, obwohl es sich nur um ein Modellierungsartefakt handelt.

Implementieren Sie Regelkreise und digitale Verzögerungen für stabile Ergebnisse.

Die Steuerungsmodellierung muss die Stichprobenentnahme, die Berechnungsverzögerung und das Sättigungsverhalten berücksichtigen, da diese Merkmale die Stabilitätsgrenzen festlegen. Ein kontinuierlicher Regler, der ohne Diskretisierung in ein EMT-Modell eingefügt wird, überschätzt die Phasengrenze. Die digitale Verzögerung interagiert auch mit der Netzimpedanz und kann Schwingungen erzeugen, die wie schwache Netzprobleme aussehen. Grenzwerte, Anti-Windup und Geschwindigkeitsbeschränkungen beeinflussen die Fehlerreaktion und die Wiederherstellung.

Beginnen Sie mit einem Kontrollzeitbudget, das der vorgesehenen Plattform entspricht. Berücksichtigen Sie Sample-and-Hold, PWM-Aktualisierungszeitpunkt und alle Filter, die für gemessene Spannung und Strom verwendet werden. Halten Sie die Zeitbasis des Controllers mit dem elektrischen Zeitschritt konsistent, damit die Schleife keine verrauschten Ableitungen oder künstliche Phasenverzögerungen erkennt.

Die Fehlerbehandlung erfordert besondere Sorgfalt. Strombegrenzungen, Spannungsdurchhalte-Logik und Phasenregelkreisverhalten legen die Leistung bei Spannungsabfällen und Phasensprüngen fest. Daher sollten diese Blöcke explizit und überprüfbar sein und nicht in Black-Box-Elementen versteckt werden.

EMT-Löser-Einstellungen und Zeitschritte für Umrichter auswählen

Die EMT-Simulation für Umrichter steht und fällt mit der Stabilität des Solvers, der Wahl des Zeitschritts und der Ereignisbehandlung. Schaltkanten, diskontinuierliche Leitung und Steuerungsaktualisierungen führen zu einer Steifigkeit, die einen lockeren Solver destabilisieren kann. Der Zeitschritt muss das schnellste Ereignis lösen, das für Sie von Interesse ist, und nicht das langsamste Verhalten, das Sie untersuchen möchten. Schlechte Einstellungen verzerren unbemerkt Verluste, Oberschwingungen und Spitzenströme.

Die Wechselrichtersimulation ist wichtig, da die wechselrichterbasierte Stromerzeugung kein Nischenfall mehr ist und Wind- und Solarenergie im Jahr 2023 13,4 % des weltweiten Stroms lieferten. Diese Marktdurchdringung zwingt Planer und Betreiber dazu, sich bei Störungen, der Energieversorgung und Steuerungsinteraktionen auf die EMT-Ergebnisse zu verlassen. Die Wahl des Solvers wird Teil des technischen Ergebnisses und ist nicht mehr nur eine numerische Einzelheit.

Wählen Sie einen festen Schritt nur dann, wenn dadurch das Umschalten und das Steuerungs-Timing ohne übermäßige Laufzeit gelöst werden können. Variable Schrittmethoden können für gemittelte Modelle funktionieren, benötigen jedoch weiterhin Schutzvorrichtungen um Diskontinuitäten und Begrenzungsblöcke herum, damit der Solver nicht über das wichtige Ereignis hinweggeht.

Legen Sie Anfangsbedingungen und Betriebspunkte fest, um Transienten zu reduzieren.

Die Anfangsbedingungen entscheiden darüber, ob die ersten Zyklen Ihrer Simulation physikalischer Natur sind oder Startgeräusche verursachen. Ein Umrichter, der mit leeren Zwischenkreiskondensatoren und Null-Reglerintegratoren startet, erzeugt große künstliche Transienten. Ein guter Betriebspunkt legt Spannungen, Ströme und Reglerzustände nahe am stationären Betrieb fest, bevor Ereignisse auftreten. Dadurch konzentriert sich die Analyse auf die Störung, die für Sie von Interesse ist.

Verwenden Sie einen stufenweisen Start, der der beabsichtigten Reihenfolge entspricht, z. B. Netzaktivierung, Gleichstromzwischenkreisladung, Phasenverriegelung und Stromschleifenschluss. Handelt es sich um eine Fehleranalyse, beginnen Sie mit einem gelösten stationären Zustand, sodass der Fehler die erste größere Änderung darstellt. Handelt es sich um eine Sollwertänderung, rampen Sie die Referenzwerte sanft an, um Sprungbefehle zu vermeiden, die ein physikalischer Regler niemals ausgeben würde.

Die Anfangszustände des Reglers verdienen dieselbe Aufmerksamkeit wie die elektrischen Zustände. Integratoren, Filter und Phasenregelkreiszustände sollten stabile Messungen widerspiegeln, da Sie sonst das Einschwingverhalten fälschlicherweise als Abstimmungsproblem interpretieren könnten.

Modelle anhand von Messungen und bekannten Konverter-Benchmarks validieren

Die Validierung ist der Schritt, der ein Modell zu etwas macht, auf das Sie sich bei Entscheidungen, die mit Risiken verbunden sind, verlassen können. Vergleichen Sie es mit Messungen, wenn Sie diese haben, und mit veröffentlichten Benchmarks, wenn Sie keine haben. Beginnen Sie mit der Leistungsbilanz im stationären Zustand und den grundlegenden Phasoren und gehen Sie dann zu Oberschwingungen und Transienten über. Jede Validierungsebene sollte die Unsicherheit verringern und nicht nur bestätigen, was bereits richtig aussah.

Trennen Sie Validierungsziele in elektrische, steuerungstechnische und numerische Prüfungen. Zu den elektrischen Prüfungen gehören Gleichstrom-Welligkeitsfaktor, Filterresonanz und Oberschwingungsspektren an wichtigen Betriebspunkten. Zu den steuerungstechnischen Prüfungen gehören Sprungantwort, Grenzverhalten und Erholung nach Störungen. Zu den numerischen Prüfungen gehören Zeitabschnittsensitivität und Konsistenz zwischen den Solvern, wenn die Physik unverändert bleibt.

Transparente, editierbare Modelle machen diese Arbeit praktisch, da Sie einen Fehler auf eine Gleichung oder einen Parameter zurückführen können, anstatt zu raten. Aus diesem Grund wird SPS SOFTWARE häufig in Lehrlabors und Forschungsteams eingesetzt, da die Komponentengleichungen und Parameter zur Überprüfung und Anpassung sichtbar bleiben.

Beheben Sie häufige Modellierungsfehler, die Verluste und Oberschwingungen verzerren.

Die meisten Modellierungsfehler sind auf einige wenige wiederkehrende Fehler zurückzuführen, deren Behebung Disziplin erfordert und nicht mit einer Last-Minute-Korrektur zu beheben ist. Ideale Schalter verbergen Verluste und Schwingungen. Fehlende parasitäre Elemente verschieben Resonanzen und können harmonische Spitzen auslöschen. Eine falsch ausgerichtete Steuerungszeit kann zu einer künstlichen Stabilität führen, die auf der Hardware verschwindet. Daher muss das Modell wie ein Entwurf geprüft werden.

„Gutes Konverter-Modellieren ist eine Frage der Konsistenz über alle Ebenen hinweg, nicht die Suche nach dem ausgefallensten Block.“

Beginnen Sie mit einer kurzen Checkliste und wenden Sie diese jedes Mal an, wenn sich das Modell ändert. Vergewissern Sie sich, dass die Schaltfrequenz, die PWM-Aktualisierungsrate und die Totzeit mit dem Simulationszeitschritt übereinstimmen. Überprüfen Sie, ob die passiven Werte ESR und ESL enthalten, wenn Resonanz eine Rolle spielt, und vergewissern Sie sich, dass für die Berechnung der Geräteverluste dieselben Wellenformen verwendet werden, die Sie simulieren. Führen Sie eine Zeitschritt-Sensitivitätsprüfung durch, um sicherzustellen, dass die Wellenform kein numerischer Artefakt ist.

Teams, die Modelle als überprüfbare technische Objekte behandeln, erzielen wiederholbare Ergebnisse und erleben weniger späte Überraschungen. SPS SOFTWARE fügt sich nahtlos in diesen Arbeitsablauf ein, wenn Sie physikalisch basierte Transparenz benötigen, die Sie überprüfen und als Grundlage für Schulungen nutzen können.