Belastung des Neutralleiters durch Elektro-Mobilität

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1 Informationstag Energie Dezentrale Speicher- Auswirkungen auf die Netzstabilität und Netzbelastung Stuttgart, Belastung des Neutralleiters durch Elektro-Mobilität Timo Thomas, M.Eng. Prof. Dr. Ing. Peter A. Plumhoff Fachhochschule Bingen Fachbereich Elektrotechnik Berlinstraße Bingen am Rhein E Mail: timo 1

2 Motivation Quelle: west-elektrik 2

3 Überblick Kabeldimensionierung Sinusförmige Ströme Grundschwingung und Oberschwingungen Cos Phi vs. Leistungsfaktor Ein paar E-Autos Theoretische Gleichungen Anwendung - Lampen 2-phasig Dezentrale Speicher am Netz Zusammenfassung 3

4 Kabeldimensionierung Strom im Neutralleiter Niederspannungsleiter 3 ½ Symmetrische Belastung I N gleich null bzw. gering NYFGY-J 3 x 240 SM/120 RM 0,6/1 kv Heute 3 2/1 (doppelter Querschnitt) Symmetrische Belastung besagt nicht alles Oberschwingungen I N größer als I L 4

5 Sinusförmige Ströme Wechselstrom einphasig Strom im Außenleiter und Neutralleiter I N =I L L1 L2 L3 i L1 i L2 i L3 N i N _Netzströme 5

6 L1 Sinusförmige Ströme i L1 L2 Wechselstrom zweiphasig i L2 L3 I L1 = I L3 I L2 = 0 N i L _Netzströme I N = I L1 = I L3 i N 6

7 L1 Sinusförmige Ströme i L1 L2 Drehstrom dreiphasig i L2 L3 I L1 = I L2 = I L3 annähernd sinusförmig N i L _Netzströme i N I N 0 7

8 Grundschwingung und Oberschwingungen Grundschwingung einzeln betrachten => I N 50 Hz Mitsystem 3-phasig symmetrisch I L1 = I L2 = I L3 sinusförmig I N = 0 8

9 Grundschwingung und Oberschwingungen Oberschwingungen einzeln betrachten => I N 100 Hz Gegensystem 3-phasig symmetrisch I L1 = I L2 = I L3 Sinusförmig I N = 0 9

10 Grundschwingung und Oberschwingungen Oberschwingungen einzeln betrachten => I N 150 Hz Nullsystem 3-phasig symmetrisch I L1 = I L2 = I L3 Sinusförmig I N = 3*I L 10

11 Grundschwingung und Oberschwingungen Oberschwingungen einzeln betrachten => I N 50 Hz Hz 350 Hz N = 0, 1,2, 3,... jede (1+3N)-Harmonische 1., 4., 7., 10., 13. Harmonische Mitsystem mit Phasenfolge L1, L2, L3 3-phasig symmetrisch I L1,1 = I L2,1 = I L3,1 sinusförmig I N = 0 11

12 Grundschwingung und Oberschwingungen Oberschwingungen einzeln betrachten => I N 100 Hz Hz 400 Hz N = 0, 1, 2, 3, jede (2+3N)-Harmonische 2., 5., 8., 11. Harmonische Hz L1100 L2100 L3100 N100 Gegensystem mit Phasenfolge L1, L3, L2 3-phasig symmetrisch I L1,2 = I L2,2 = I L3,2 sinusförmig 0-1 I N = _Oberschwingungsaddition Prof. Dr. Plumhoff

13 Grundschwingung und Oberschwingungen Oberschwingungen einzeln betrachten => I N 150 Hz Hz 450 Hz N = 0, 1,2, 3, jede (3+3N)-Harmonische 3., 6., 9., 12. Harmonische Hz L1150 L2150 L3150 N150 Nullsystem mit Phasenfolge L1, L2, L3 3-phasig symmetrisch I L1,3 = I L2,3 = I L3,3 sinusförmig 0-1 I N = 3 I L, _Oberschwingungsaddition Prof. Dr. Plumhoff

14 Cos Phi vs. Leistungsfaktor Cos phi Lambda cos - Sinusförmiger Verlauf von Strom und Spannung keine Oberschwingungen 1,0 Spannung Strom 50 Hz cos 0,5 gesamt bezogen auf gesamt 0,0 1,50Hz 1,50Hz Phasenverschiebungswinkel -0,5 Induktive Blindleistung -1, _Blindleistung Prof. Dr. Plumhoff

15 Cos Phi vs. Leistungsfaktor Cos phi Lambda cos - Sinusförmiger Verlauf von Strom und Spannung mit Oberschwingungen cos nicht möglich Spannung 50 Hz Strom 100 Hz keine Phasenverschiebung möglich nur zwischen Strom und Spannung gleicher Frequenz Wirkleistung nur bei Strom und Spannung gleicher Frequenz Blindleistung 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 Verschiebungsfaktor 100Hz 1,50Hz _Blindleistung 100Hz 1,50Hz Leistungsfaktor Spannung Strom 50 Hz Strom 100 Hz Prof. Dr. Plumhoff

16 Cos Phi vs. Leistungsfaktor Cos phi Lambda cos - Periodischer Verlauf von Strom und Spannung Sinusförmiger Verlauf mit Oberschwingungen 1,0 Verschiebungsfaktor Leistungsfaktor Spannung Strom 50 Hz Strom gesamt Verschiebungsfaktor 0,5 für Grundschwingung 0,0 1,50Hz Leistungsfaktor -0,5 Gesamter Verlauf -1, _OS-Add-Sm Prof. Dr. Plumhoff

17 Cos Phi vs. Leistungsfaktor Cos phi Lambda Stromverlauf eines E-Fahrzeugs cos - Verschiebungsfaktor Leistungsfaktor cos 1 = 1 = 0,66 î = 37 A I = 16 A I 1 = 10,86 A THD = 115 % zulässig sind maximal 47 % 17

18 Ein paar E-Autos Sinusförmiger Strom THD = 5,5 % I = 31 A - einphasig Neutralleiter! 18

19 Ein paar E-Autos Kein sinusförmiger Strom THD = 14 % < 16 % I = 31 A - dreiphasig Neutralleiter! Kein I N Oberschwingungsgehalt höher Aber kein Strom im Neutralleiter 19

20 Ein paar E-Autos Drei e-mobile Schuko-Steckdose E-Mobil 1 an L1 E-Mobil 2 an L2 E-Mobil 3 an L3 IEFF 50 Hz 150Hz 250Hz 350 Hz 450 Hz 550 Hz 650 Hz I L1 ; I L2 ; I L3 13,5 A 9 A 7,27 A 5,13 A 3,29 A 2,21 A 1,48 A 0,77 I N 23,2 A 0 21,9 A 0 0 6,

21 Ein paar E-Autos ein e-mobil am Typ-2-Stecker I EFF 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz 450 Hz 550 Hz 650 Hz I L1 ; I L2 ; I L3 16,2 A 10,9 A 0 8,9 A 7,4 A 0 4 A 2,4 A I N

22 Theoretische Gleichungen Gleichungen 3. und 5. Harmonische Phasenverschiebung N,ν L1, L2, L3, L1 L2 L3 i L1 i L2 i L3 L1, cos 0 0 N i N _Netzströme N,ν L2, cos L3, cos N,3 L1,3 L2,3 L3,, N,3 3 L,3 N,5 L1,5 L2,5 L3,5 N,5 0 L,5 22

23 Theoretische Gleichungen Gleichungen 3. und 5. Harmonische - keine 120 Phasenverschiebung N,3 L1,3 L2,3 L3,, N,3 L,3 2,73 L,3 L1 L2 L3 N i L1 i L2 i L3 i N _Netzströme N,5 L1,5 L2,5 L3,5 N,5 L,3 0,97 L,5 23

24 I 1 = 1,08 A THD-I1 = 193 % I 2 = 0,98 A THD-I2 = 211 % I N = 1,45 A THD-IN = 285 % Anwendung - Lampen 2-phasig I 1,1 0,49 A I 2,1 0,42 A I N,1 0,48 A I 1,3 0,42 A I 2,3 0,34 A I N,3 0,77 A I 1,5 0,39 A I 2,5 0,33 A I N,5 0,37 A 24

25 Dezentrale Speicher am Netz Dezentrale Speicher am Netz? E-Mobile in Planung viele weitere Womit werden dezentrale Speicher ans Netz angeschlossen? Wechselrichter mit denselben Oberschwingungen wie die Gleichrichter? Pulsweitenmoduliert Grundschwingungsstrom fast ohne Oberschwingungen keine zusätzliche Belastung in Außen- und Neutralleiter 25

26 Dezentrale Speicher am Netz Beispiel 5-kW-PV-Anlage I 11 = 0,45 A; 550 Hz I 13 = 0,46 A; 650 Hz I 15 = 0,4 A; 750 Hz I 17 = 0,55 A; 850 Hz 26

27 Dezentrale Speicher am Netz Beispiel 7,5-kW-Rückspeiseeinheit I 1 = 2,06 A I 3 = 0 A I 5 = 3,69 A I 7 = 2,59 A 27

28 Zusammenfassung Keine symmetrische Belastung im Drehstromnetz - sinusförmig Folgen für Neutralleiter bekannt Immer mehr Oberschwingungen Ströme Überwachung des Neutralleiters notwendig EMV-Probleme durch Neutralleiterströme Vagabundierende Ströme in Potentialausgleichssystemen Oberschwingungen Spannungsänderungen Dimensionierung der Querschnitte Verluste 4-polige Schalter Filter passiv aktiv 28

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