Standartlara ve Şebeke Kodlarına Göre Güç İnvertörü Sertifikasyonu

Amerikan şirketi EPC Power, fotovoltaik veya solar invertörler olarak da bilinen şebeke ölçekli PV invertörler üretmektedir. Bu cihazlar, güneş panellerinin DC çıkışını şebekeye bağlı veya şebekeden bağımsız ağlara verilebilecek bir AC voltajına dönüştürür. EPC’nin PCS’leri (güç dönüştürme sistemleri) enerji depolama cihazlarına, yakıt hücrelerine ve güneş enerjisi sistemlerine bağlanabilir.

EPC, PV inverterlerini ISO 9001:2015 dahil olmak üzere ulusal ve uluslararası şebeke kodlarına ve kalite standartlarına göre sertifikalandırmalıdır. Bu türden birçok standarda ayak uydurmak mühendisleri için zorlu bir görevdi. Geniş test yelpazesini idare etmek için yeni bir güç analizörüne ihtiyaçları vardı ve DEWESoft bu çözümü sağladı.

Kaliforniya merkezli EPC Power, 1 MW ila 6 MW arasında değişen şebeke ölçekli invertörler konusunda uzmanlaşmış son teknoloji bir güç dönüştürme şirketidir. Sistemler 250 kW ile 100 MW arasında değişmektedir. Aşağıdakiler gibi çeşitli uygulamalara uygundurlar:

• Microgrid
• Kesintisiz Güç Kaynağı (Uninterrupted Power Supply-UPS)
• Black Start – kesintilerden sonra yeniden başlatma – diğer üretim kaynaklarına paralel olarak.

EPC güç dönüştürme sistemleri dünya çapında farklı yönetim organları tarafından kullanılmaktadır. Mühendisler bu sistemleri en zorlu hava koşullarında test etmektedir.

Elektrik şebekesine sıklıkla bağlanan yenilenebilir enerji kaynaklarının sayısının artmasıyla birlikte, Değişken Enerji Kaynakları (VER) olarak bilinen bu güç sistemleri hızla artmaktadır. Genellikle Toplu Güç Sistemi (BPS) tesislerine bağlanırlar. VER’ler aynı zamanda geleneksel elektrik üretim kaynaklarının aksine coğrafi olarak geniş bir alana yayılmış Dağıtılmış Enerji Kaynakları (DER’ler) olarak da uygulanmaktadır.

Dünya çapında invertörler ve güç dönüştürücüler için baş döndürücü bir standartlar dizisi vardır. EPC Power, PV inverterlerini uluslararası olarak sattığından, ürünlerinin Kuzey Amerika standartlarının (UL 1741, IEEE 1547 ve CSA 22.2) yanı sıra Avustralya ve Avrupa güvenlik standartları ve IEC 62109 ve VDE dahil şebeke kodları) ve ISO 9001:2015 dahil kalite standartlarına göre sertifikalandırılması gerekir.

Tüm bu standartlara ayak uydurmak EPC Power mühendisleri için zorlu bir görevdir. Çok çeşitli güç testlerini gerçekleştirebilecek ve gelen gerilim ve akımlara dayalı karmaşık hesaplamalar yapabilecek yeni bir güç ölçümü veri toplama (DAQ) sistemine ihtiyaçları vardı. Ancak, çözümü sunmadan önce zorlukların tam ölçeğini tanımlamalıyım.

Dünyanın büyük bir kısmı elektriği doğal kabul ediyor. Bu sabah uyandık, ışıkları açtık, elektrikli diş fırçamızı, tıraş makinemizi ve saç kurutma makinemizi kullandık ve ardından mutfakta kahvaltı yaptık. Elektriğin çalışıp çalışmayacağını nadiren merak ederiz. Güvenilir elektriğe o kadar alışmışız ki, bir fırtına elektrik hatlarını yıktığında, bu önemli bir kesinti oluyor. Buzdolaplarımızın çalışmasını sağlayacak jeneratörleri satın almak için hırdavatçıya koşuyoruz.

Enerji üretimi ve dönüştürme pazarlarında güvenilir olmayan ürünlere tolerans yoktur. Güç dönüştürme sistemleri, aşırı hava koşullarında titiz çevresel testleri de içeren onaylanmalıdır. Arizona’daki insanlar güç dönüştürme sistemlerinin çöl sıcağında çalışacağını varsayar, tıpkı kuzey Minnesota’dakilerin -40°’de çalışmasını beklediği gibi. Ne olursa olsun çalışmak zorundadırlar.

1891 yılında Pittsburgh, Pennsylvania’daki Westinghouse mühendisleri bir şebeke frekansı tanımlayan ilk kişiler oldular ve 60 Hz’i seçtiler. General Electric ve Westinghouse en uygun güç frekansını tartışıyorlardı. Her iki frekansın da zorlayıcı bir avantajı yoktu, ancak “rahatsız edici ışık titreşimi üretme olasılığı daha düşük olduğu için” 60 Hz’i seçtiler.

Aynı yılın ilerleyen günlerinde Alman şirketi AEG (Edison tarafından Almanya’da kurulan bir şirketin soyundan geliyordu), 60 Hz’den daha “metrik dostu” olduğu söylendiği için 50 Hz temel frekansında çalışacak ilk Alman elektrik üretim tesisini inşa etmeye karar verdi. Bu ilk kararlar, dünya çapında farklı şebeke özellikleri yaratmıştır. Şekil 1 bu farklılıkları göstermektedir.

Uluslararası seyahat edenler, elektrik fişlerinin ve prizlerinin farklı kıtalarda farklılık gösterdiğini hemen fark ederler. Günümüzde, küresel şebekelere uyum sağlamak için, çoğu AC aleti ve AC/DC şarj cihazı 50-60 Hz ve 100 ila 240 VAC arasında frekans/voltaj aralıklarına sahiptir. Dizüstü bilgisayarlarımızı ve elektrikli tıraş makinelerimizi dünyanın herhangi bir ülkesine götürebilir ve basit ve ucuz bir fiş adaptörüyle kullanabiliriz.

Dünya genelindeki farklı normların çeşitliliği enerji sektörünü de zorlamaktadır. Bu durum, tarihsel güç uygulaması ve bunun farklı yönetim organları tarafından düzenlenmesi nedeniyle ortaya çıkmıştır.

Bugün, temel şebeke operasyonu için farklı fiziksel güç kombinasyonlarına sahibiz ve buna ek olarak yüzlerce farklı düzenleyici kurumumuz var. Neredeyse her ülkenin veya ülke birliğinin, ilgili ülkede veya bölgede bir ürünün satışı için geçerli standartları tanımlayan kendi düzenleyici kurumu vardır. Her düzenleyici kurum uluslararası, bölgesel veya ulusal bazlı standartları referans alabilir.

Ulusal düzeyde bu tür yüzlerce, hatta binlerce kurum vardır. Bir üreticinin bakış açısından, bu durum ihracat, uluslararası ve kıtalararası satışlar için on binlerce uyumluluk doğrulama testi kombinasyonunu beraberinde getirmektedir.

Güç dönüştürme ürünü Ar-Ge’sinde harcanan zamanın çoğu, mühendisler tarafından standartlara uygunluğun doğrulanması ve ürünlerin dünya sahnesinde onaylanması için standardizasyon kuruluşlarıyla çalışılarak geçirilmektedir.

Aşağıda enerji sektörünü ilgilendiren en yaygın uluslararası standartların bir listesi yer almaktadır:

• American Society for Testing and Materials (ASTM International)
• Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE)
• Uluslararası Aydınlatma Komisyonu (CIE)
• Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC)
• Uluslararası Standardizasyon Örgütü (ISO)
• Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği (NEMA)
• Otomotiv Mühendisleri Derneği (SAE International)
• Underwriters Laboratories (UL)

Genel olarak, bu standardizasyon kuruluşları, şebekenin çeşitli kritik koşulları için başarılı/başarısız kriterlerini test etmek ve değerlendirmek için ayrı yollara sahiptir. Bu koşulların birçoğu aşağıda özetlenmiştir:

• Gerilim Geçişi (VRT)
• Alçak Gerilim Geçişi (LVRT) – Bazen Düşük Gerilim Geçişi (UVRT) olarak da adlandırılır
• Aşırı Gerilim Geçişi (OVRT)
• Frekans Geçişi (FRT)
• Frekans Altında Yolculuk
• Aşırı Frekans Geçişi
• Hızlı Gerilim Değişimleri (RVC)
• Titreşim
• Ve daha fazlası

Bu koşullara yanıt olarak, standardizasyon kuruluşları, test edilen bileşen veya sistemle ilgili olarak Gerilim (V), Akım (I), Aktif Güç (P), Reaktif Güç (Q), Görünür Güç (S), Simetrik Bileşenler (Pozitif, Negatif, Sıfır Sıra) ve diğerlerini değerlendirmek için kriterler tanımlamıştır. Düzenleyici kurumlar tarafından tanımlandığı gibi, Değişken Enerji Kaynakları (VER’ler) aşağıdakilerin bir kısmını veya tamamını yapabilmelidir:

• Bağlantıyı kesmek ve manuel olarak yeniden bağlanana kadar bağlantıyı kesik tutmak.
• Şebekeden geçici olarak bağlantıyı kesmek, ardından yeniden bağlanmak ve olaydan sonra çalışmaya devam etmek.
• Bağlı kalır ve şebeke bağlantısını kesmez.
• Bağlı kalın ve geçici reaktif güç olarak bilinen reaktif güç ile şebekeyi destekleyin.

EPC Power, iki adet DEWESoft SIRIUSi-XHS-4xHV-4xLV yüksek hızlı güç analizörü kullanarak iki adet 3 fazlı AC güç sistemini ve bunların DC bileşenlerini eşzamanlı olarak ölçer. SIRIUS XHS platformu 15 MHz’e kadar sürekli veya tetiklemeli kayıt gerçekleştirir. İnvertör testleri zorludur ve SIRIUS XHS, yüksek hızlı geçici sinyalleri yakalamak ve değerlendirmek için güçlü bir araçtır.

DEWESoftX’teki elektrik gücü yazılım modülü, mühendislere gücün gerçek zamanlı hesaplanması, güç kalitesi ölçümleri veya işlem sonrası bir ortamda ölçümlerin yeniden hesaplanması için birçok seçenek sunar. Geçici kayıt cihazı, osiloskop, güç ölçer ve güç kalitesi ölçer olarak hareket etme kombinasyonu, kullanıcıya en üst düzeyde esneklik sağlar.

EPC Power, ürün performansını çeşitli koşullar altında değerlendirdikleri kapsamlı bir test laboratuvarına sahiptir. Bu laboratuvarda büyük ölçekli güç kaynakları, yük bankaları vb. dahil olmak üzere birçok bileşen bulunmaktadır. Tüm bunlar gerçekçi Gerilim Geçiş durumlarını, Frekans Geçiş durumlarını ve sahada meydana gelebilecek diğer koşulları simüle edebilir ve mühendislerin kalifikasyonda değerlendirmesi gerekir.

Şekil 5, üç fazlı sistemin ölçüm noktasını göstermektedir. Duvarın arkasında mühendislerin bu saha koşullarını simüle etmek için kullandıkları son teknoloji ürünü, tescilli test enstrümantasyonu yer almaktadır. Bu yapılandırma, EPC gücünün değerlendirme için ürünleri hızlı ve etkili bir şekilde değiştirmesine olanak tanır.

Aşağıdaki resimde, iki SIRIUS XHS ölçüm cihazı içeren enstrümantasyon arabasını göstermektedir. Her birinin dört yüksek voltaj girişi ve dört düşük voltaj girişi vardır. İki SIRIUS XHS cihazı senkronize edilir ve ethernet bağlantısı üzerinden ölçüm bilgisayarına bağlanır. Bu bağlantı, bilgisayarı test hücresinden uzağa yerleştirmenize olanak tanır.

DEWESoftX’teki Elektrik gücü modülü, her bağımsız testin ihtiyaçlarına uyacak şekilde özelleştirilebilen bir genel bakış ekranı oluşturur. Dijital sayaçlar, kaydediciler, skoplar, vektör skopları, tablolar, FFT’ler, harmonik FFT’ler ve çok daha fazlası gibi grafik widget’lar, yazılımı her testin benzersiz ihtiyaçlarına uyacak şekilde ayarlamayı kolaylaştırır.

Güç Modülü DC, tek fazlı, 2 fazlı, 3 fazlı (Yıldız, Delta, vb.) veya bunların herhangi bir kombinasyonu için kullanımı kolay bir arayüze sahiptir. Hat frekansları, herhangi bir güç sistemine uyacak şekilde belirli veya değişken olabilir. Güç parametreleri IEC ve IEEE tarafından tanımlandığı gibi tam bir döngü sayısına ve ek olarak ½, 1, 2 veya 4 periyot esasına göre hesaplanabilir. Ek olarak, modül daha düzgün bir çıktı için üst üste binmelerin tanımlanmasına izin verir.

Güç modülü, bir kutuyu işaretleyerek güç kalitesi ölçümlerini ve faz açıları, P, Q, empedans ve harmonikler arası gibi parametreleri harmonik düzeyinde ayrı ayrı hesaplayabilir.

Bu özellik, temel frekans harmonik harmonik değerlendirmesinin dışındaki içeriğin kritik bir şekilde anlaşılmasını sağlar. DEWESoftX Güç Modülü, harmonik bozulma, simetrik bileşenler, Hızlı Gerilim Değişimleri (RVC), gerilim kırpışması ve kırpışma emisyonu için önceden tanımlanmış hesaplamalara sahiptir.

DEWESoftX matematik modülü, mühendislerin varsayılan olarak güç modülünde yer almayan diğer matematik fonksiyonlarını tanımlamalarına olanak tanır. Şekil 7’de gösterildiği gibi bu tür formüller, yüzdelere bakmak, verimlilikleri hesaplamak, dalga formu özelliklerinin zamanlamasını ölçmek vb. için birimleri değiştirmede çok yararlıdır.

DEWESoftX matematik modülü, özel hesaplamalar yapmanıza ve gerçek zamanlı olarak ve işlem sonrası sırasında çalışmanıza olanak tanıyan güç modülü ile el ele çalışır.

Bu tür testlerin çoğu için sorunlu noktalardan biri ayar noktalarının kontrol edilmesidir. Tarihsel olarak, mühendisler uygun verileri elde etmek için çeşitli ayar noktalarını taramak üzere kontrolörlere komutlar göndermek için üçüncü taraf programlar yazmışlardır. SIRIUS-XHS modülleri, kullanıcının DEWESoft’ta bir test komut dosyası tanımlamasına ve ardından CAN iletişimi yapabilen herhangi bir kontrolöre ayar noktaları göndermesine olanak tanıyan entegre bir Denetleyici Alan Ağı (CAN) bağlantı noktasına sahiptir.

DEWESoftX’te, “istenen değerleri” gösteren matematik kanalı kolayca oluşturulur ve CAN ağı üzerinden iletilmek üzere atanır. DEWESoftX, kontrolörün mesajı çözmesi için DBC dosyasını doğrudan dışa aktarır, böylece veri toplama ve test tezgahının kontrolünün sorunsuz entegrasyonunu destekler.