EMV-Fachtagung Schaffner International Ltd. Netzqualität - Oberschwingungen. Schaffner International Ltd. 2015

Transkript

1 Schaffner International Ltd. Netzqualität - Oberschwingungen 1

2 Referent Alexander Kamenka Head of Product Management PQ Schaffner International Ltd. 2

3 Themen (1) Netzqualität (2) Netzrückwirkungen (3) Oberschwingungen (4) Kompensationstechniken und deren Applikation 3

4 (1) Netzqualität 4

5 Was ist Netzqualität? Qualitätsbegriffe der Energieversorgung: Versorgungsqualität Versorgungszuverlässigkeit Nichtverfügbarkeitsdauer Versorgungsverfügbarkeit Anzahl der Unterbrechungen (IEEE 1366) Qualität der Versorgungsspannung (EN 50160) Servicequalität Interaktion Netzbetreiber / Kunde 5

6 Was ist Netzqualität? Spricht man von Netzqualität werden die Parameter Versorgungszuverlässigkeit und Servicequalität aussen vor gelassen Qualität der Versorgungsspannung! Die Spannungsqualität (Netzqualität): umfasst eine Reihe von zu beschreibenden Merkmalen der Versorgungsspannung ist ortsveränderlich und wird daher auf einen bestimmten Punkt im Netz bezogen hängt unmittelbar mit den EMV-Eigenschaften der an das Netz angeschlossenen Betriebsmittel zusammen wird objektiv an einer Vielzahl von technischen Referenzgrössen gemessen 6

7 Was ist Netzqualität? EN (Was?) und EN (Wie?) definieren die wesentlichen Merkmale der Spannungsversorgung am Verknüpfungspunkt / der Übergabestelle (PCC) = so genannte Mindestanforderungen der Spannungsqualität und wie sie gemessen werden müssen 7

8 Was ist Netzqualität? Verknüpfungspunkt V (Point of Common Coupling PCC) CH: Die Eigentumsgrenze zum Stromversorgungsnetz unabhängig von der Anzahl der Verbraucher oder Anlagen der Netzbenutzer. In der Regel sind dies die Klemmen des Anschlussstromunterbrechers im Hausanschlusskasten A, CZ, D: Punkt in einem öffentlichen Netz, der elektrisch einer bestimmten Anlage eines Netzbenutzers am nächsten liegt und an den andere Netzbenutzer angeschlossen sind oder werden können 8

9 Was ist Netzqualität? EN Im europäischen Bereich bildet die EN den Standard für die Qualitätsbeschreibung der elektrischen Energieversorgung Im wesentlichen werden die Merkmale der Versorgungsspannung am Übergabepunkt zum Kunden in öffentlichen Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetzen unter normalen Betriebsbedingungen beschrieben. Diese Merkmale sind jedoch nicht für die Bewertung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) oder als Grenzwerte für die Aussendung von Störgrößen in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen heranzuziehen Sie beschreiben vielmehr den üblicherweise zu erwartenden Zustand der Spannungsqualität: 9

10 Was ist Netzqualität? Folgende Parameter sind für die Netzspannungsqualität relevant: Spannungseinbrüche Spannungshöhe, langsame Spannungsänderungen Versorgungsunterbrechungen (kurz, lang) Schnelle Spannungsänderungen, Flicker Spannungsunsymmetrie Transiente und netzfrequente Überspannungen Frequenz Spannungsform (Oberschwingungen) 10

11 Was ist Netzqualität? Eine gute Netzqualität und damit das zuverlässige Funktionieren von Anlagen und Geräten kann also immer nur ein Zusammenspiel zwischen Verteilnetzbetreiber, dessen Kunden und den Geräteherstellern sein 11

12 Was ist Netzqualität? Verteilnetzbetreiber Einflüsse Strom-Kunde Einflüsse Gerätehersteller EN50160 PCC TAB, WV, DACHCZ FU M EMVG / CE Fachgrundnormen Grundnormen Produktnormen EN61000-x-xx Spannung und Impedanz Strom Störfestigkeit und Störaussendung Qualität der Versorgungsspannung Qualität des Netzes (Kurzschlussleistung, Netzimpedanz) Anlagen und Geräte sind so zu betreiben, dass Störungen anderer Kunden und störende Rückwirkungen auf an das Verteilnetz angeschlossene technische Einrichtungen und Anlagen ausgeschlossen sind (TAB, Werkvorschriften) Gerät arbeitet in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, aufgrund derer der bestimmungsgemäße Betrieb anderer Betriebsmittel oder Anlagen in derselben Umgebung nicht möglich wäre. 12

13 Was ist Netzqualität? Das heisst: Gerätehersteller müssen gerätespezifische Normen einhalten -> EMV Störemission, -festigkeit (CE) Anlagenbetreiber (Kunden der EVU) müssen TAB, WV, D-A-CH-CZ einhalten -> Netzrückwirkungen VNB/EVU müssen EN50160 am PCC garantieren -> Netzqualität / Netzrückwirkungen (QoS) 13

14 Was ist Netzqualität EMV Heisst das dann im Umkehrschluss, wenn ein Gerät laut Herstellerangabe konform zu den relevanten EMV-Normen ist, gibt es keine Probleme mit der Netzqualität in einer Anlage? Ganz klare Aussage: Möglicherweise aber eher nicht Warum? 14

15 Was ist Netzqualität EMV Die Beurteilung, ob die EMV-Anforderungen eingehalten werden, erfolgt für den überwiegenden Teil der Geräte anhand des üblichen und bevorzugten Kriteriums der Konformität mit der/den einschlägigen harmonisierten europäischen Norm(en) Also für jeweils ein Gerät unter Laborbedingungen Aber durch die Summenwirkung der Störemissionen im Netz kann ein gehäufter Einsatz technisch gleichartiger elektrischer Betriebsmittel trotz Einhaltung normierter Grenzwerte der Störemission zu einer schlechteren Spannungsqualität führen als in der EN festgelegt ist Notiz am Rande: EN50160 stellt die so genannten Mindestanforderungen am PCC dar -> dies bedeutet auch, dass selbst bei Einhaltung der EN50160 Störungen innerhalb Ihrer Anlage nicht unwahrscheinlich sind! 15

16 Was ist Netzqualität? Konsequenzen aus all den Fakten: Betriebsmittel zum freien Warenverkehr sind generell so auszulegen, dass sie die Schutzziele der EMV- Richtlinie erfüllen: U.a. Einhaltung der Störemissions-Grenzwerte Die CE-Kennzeichnung ist aber kein hinreichendes Kriterium für einen störungsfreien Betrieb am Netz Der Netzbetreiber muss und wird die Anschlusssituation für den gewünschten Anschlusspunkt beurteilen (inklusive aller bereits in der Anlage installierten Lasten!) und gegebenenfalls Massnahmen vor der Zustimmung verlangen 16

17 Was ist Netzqualität? Um diesen Zusammenhang zu verstehen, muss man sich mit dem Vorgaben zur Netzqualität durch die D-A-CH-CZ - Norm und zwangsläufig dann auch mit dem Thema der Netzrückwirkungen befassen 17

18 (2) Netzrückwirkungen 18

19 Netzrückwirkungen Netzrückwirkungen sind alle Einflüsse zusammengefasst, die von den Lastströmen auf dem Wege von der Spannungsquelle zum Verbraucher in Verbindung mit den Impedanzen im Netz ausgehen und sich auf die Netzspannung am Anschlusspunkt auswirken Sie entstehen wenn Betriebsmittel mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie oder mit nichtstationärem Betriebsverhalten (Ein- und Ausschaltvorgänge) an einem Stromnetz betrieben werden 19

20 Netzrückwirkungen Spannungsänderungen und Flicker Oberschwingungen Unsymmetrie Netzrückwirkungen (meist durch Kundenanlagen) Frequenz Spannungsniveau Unterbrechungen Spannungseinbrüche Transiente Überspannungen Netzbetrieb (oder Umwelteinflüsse) 20

21 Netzrückwirkungen Relevante Norm für Deutschland, Österreich, die Schweiz und Tschechische Republik: D-A-CH-CZ Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen (2. Ausgabe von 2007) Einhaltung der D-A-CH-CZ erlaubt Einhaltung der EN50160 durch die EVU s! Die Grenzwerte für Netzrückwirkungen (Emissionen) sind abhängig von den Verhältnissen am Verknüpfungspunkt V (PCC) definiert: Netzkurzschlussleistung S kv Anlagenleistung S A 21

22 Netzrückwirkungen Das heisst bezogen auf die D-A-CH-CZ Norm: je schwächer das Netz bezogen auf die nicht-linearen Lasten ist (S kv klein) oder je grösser die nicht-linearen Lasten bezogen auf das Netz sind desto stärker wirken sich die von den Lasten erzeugten Netzrückwirkungen auf die Spannungsqualität am PCC und dort angeschlossene weitere Verbraucher aus und desto strenger sind die Vorgaben (Grenzwerte) durch die Norm bezüglich Emissionen Das betrifft natürlich auch Oberschwingungen, welche nun Thema sein sollen 22

23 (3) Oberschwingungen 23

24 Oberschwingungen - Auswirkungen Die Effekte von Oberschwingungen kennt man meist. Sie können eingeteilt werden in: Kurzzeiteffekte oder Langzeiteffekte Und ihre Konsequenzen für die Anlagenbetreiber und Applikationen 24

25 Oberschwingungen - Auswirkungen Kurzzeiteffekte oder Momentaneffekte Fehlfunktionen von Geräten und Anlagen (elektrische und elektronische Geräte), IT-Systemabstürze Zerstörung der Kondensatoren zum Beispiel in PFC-Systemen Prozess-Neustart-Kosten Vibrationen und störende Geräuschentwicklung Fehlauslösen von Leistungsschutzschaltern / Leistungsschaltern 25

26 Oberschwingungen - Auswirkungen Langzeiteffekte sind thermischer Natur: Erwärmung durch zusätzliche Verluste führt zu: Überlastung von Transformatoren, Kabeln und Anlagen Schnellerer Gerätealterung und -ausfall Erhebliche Strombelastung des Neutralleiters (bis hin zum Abbrennen) Bild: Fachlexika.de 26

27 Oberschwingungen - Auswirkungen Als Folge dieser Effekte muss man auch ganz generelle Probleme erwarten: Verletzung internationaler EMV und PQ Normen und Standards mit der Konsequenz der Nichteinsetzbarkeit von Geräten und Anlagen (auch in Ausschreibungen) Überlastung von Anlagen bzw. unnötige und teure Überdimensionierung Transformatoren: höhere thermische Belastung durch höhere Ummagnetisierungsverluste und ein insgesamt höherer Strombedarf bei gegebener Last durch Oberschwingungsströme Kabel und Leitungen: Grössere Querschnitte oder parallele Installation mehrerer Kabel ist mit deutlich erhöhtem finanziellen Aufwand verbunden (insbesondere bei langen Leitungen) Schlechter Leistungsfaktor mit höheren Verlusten der Anlage: 27

28 EMV-Fachtagung 2015 Oberschwingungen - Auswirkungen Leistungs-Tetrahedron: 28 P P Q S PQ D S Q D Q P S D S S PQ D Q P S PQ φ Die Beziehung zwischen der Scheinleistung S und der komplexen Leistung S PQ ist definiert als: D S D Q P S PQ

29 Oberschwingungen - Auswirkungen Leistungs-Tetrahedron: D Wirkfaktor (Displacement Power Factor): DPF = cos φ = P S Leistungsfaktor (True Power Factor): PF = P S PQ S PQ Total Harmonic Distortion Current: THDi = D S Q D Der Leistungsfaktor hängt also von THDi und cos φ ab: S φ P Q P PF = 1 cos φ 1 + THDi2 29

30 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Die ideale Netzspannung in Energieversorgungsnetzen sollte sinusförmig sein Durch Rückwirkungen nichtlinearer Verbraucher kommt es zu einer Verzerrung und damit zu einer Abweichung von der Sinusform Es entstehen verzerrte Stromverläufe, die über die Impedanzen eine Verzerrung des Spannungsverlaufs bewirken (U=Z*I!) Diese Verzerrungen lassen sich durch Zerlegung der Schwingungen in eine Grundschwingung und jeweilige Oberschwingungen charakterisieren und quantifizieren 30

31 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Oberschwingungen sind also Ströme oder Spannungen deren Frequenz oberhalb der 50 Hz- Grundschwingungsfrequenz liegen und die ein ganzzahliges Vielfaches dieser Grundschwingungsfrequenz besitzen (z.bsp: 150Hz, 250Hz, 350Hz). 31

32 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Jede periodische Funktion f(t), Also auch verzerrte, oberschwingungsbehaftete Funktionen = Schwingungen wie z. Bsp. diese Verzerrte «Sinusschwingung» lässt sich bekanntlich als Fourier-Reihe, als Summe von Vielfachen der Grundschwingungsfrequenz darstellen: 32

33 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Verzerrte «Sinusschwingung» = Grundschwingung De-Komposition einer verzerrten Sinusschwingung in ihre Oberschwingungskomponenten: n=1 Grundschwingung + 5. und 7. OS 5. Oberschwingung + n=5 7. Oberschwingung + n=7 33

34 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Diese De-Komposition wird üblicherweise als Oberschwingungsspektrum bis zur 50. OS dargestellt Die Darstellung erfolgt als Prozent der Grundschwingung %f B6-Umrichter mit 50KW 90A rms, keine Verdrosselung 34

35 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Das Oberschwingungsspektrum besteht aus geraden, ungeraden und Triplen Oberschwingungen: Gerade OS: 2., 4., 6., 8. Ungerade OS: 5., 7., 11., 13., 17., 19. Triplen OS sind Vielfache von 3, wie: 3., 9., 12.,

36 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Gerade OS sind unmöglich für alle Signale bei denen die positive und die negative Halbwelle eines Signals f(t) abgesehen von ihren Vorzeichen die gleiche Form besitzen Alle Signale die symmetrisch bezogen auf die Zeitachse sind, erzeugen einzig ungerade OS! Signalformen, die gerade OS erzeugen Signalformen, die ungerade OS erzeugen 36

37 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Das Oberschwingungsspektrum steht in Beziehung zur Pulszahl der nicht-linearen Last: Pulszahl (Anzahl Dioden) n h = (n p) ± 1 Formel Mögliche Oberschwingungen Beispiel 2 h = (n 2) ± 1 3,5,7,9, (ungerade) Getaktete Schaltnetzteile 6 h = (n 6) ± 1 5,7,11,13,17,19, (Paare) B6-Umrichter 12 h = (n 12) ± 1 11,13,23,25,35,37, (Paare) B12-Umrichter 18 h = (n 18) ± 1 17,19,35,37, (Paare) B18-Umrichter p Anzahl der Pulse (Dioden) n ganze Zahl (1,2,3 ) h OS Ordnung 37

38 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung OS F Frequenz in Hz Vorzeichen OS-Ordnung h=3k+1 h=3k-1 h=3k h=3k+1 h=3k-1 h=3k h=3k+1 h=3k-1 h=3k h=3k+1 h=3k-1 k=1,2,3, Vorzeichen Rotation Konsequenzen Positiv (+) Vorwärts (Mitsystem) Erwärmung von Leitern und Schutzrelais Negativ (-) Rückwärts (Gegensystem) Erwärmung von Leitern und Schutzrelais + Motor Probleme Null (0) Keine (Nullsystem) Addition + Erwärmung im Neutralleiter 38

39 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung 50Hz Grundschwingung 150Hz 3.Oberschwingung Phase 1 0 3x0 =0 3. Oberschwingung Phase x120 =360 =0 120 nacheilend 3. Oberschwingung Phase x240 =720 =0 120 nacheilend 3. Oberschwingung Neutralleiter (vektoriell) 0 3xIPhase Oberschwingungen 3.Ordnung (Triplen) addieren sich im Neutralleiter! 39

40 Oberschwingungen Praxisbeispiel Schweiz Applikation: Lasten: Konzert und Kongresshalle Konzerthallen-Beleuchtung und Bühnentechnik (Umrichter) 60A 160A!!! Nicht-lineare Lastströme I1, I2, I3 (ohne ECOsine ) Dominante 3. Oberschwingung ohne ECOsine mit Spitzenströmen von über 160A auf dem Neutralleiter! 40

41 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Grössen zur Beschreibung von Oberschwingungen: THDi THDu Bezeichnung: Total Harmonic current Distortion = Stromverzerrung: i -> THDi Total Harmonic voltage Distortion= Spannungsverzerrung v oder u -> THDu oder THDv Alias: Manchmal auch THDI or THiD Manchmal auch THvD oder THuD Formel: THDi = 40 n=2 I n I % THDu = 40 n=2 U n U N 2 100% = I I I I I % I 1 = U U U U U 40 2 I 1 100% 41

42 (4) Kompensationstechniken und deren Applikation 42

43 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Um Netzrückwirkungen zu reduzieren, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die sich in passive und aktive Massnahmen untergliedern lassen: Vorab: Netzausbau -> teuer und eher selten angewandt Vermeidung durch Technologie wo sinnvoll und bezahlbar (B12, B18, B24, AFE in 4Q-Betrieb) Kompensation: Sind in der betroffenen Anlage (im betroffenen Netz) die zu kompensierenden Netzrückwirkungen ermittelt, können für diese Massnahmen definiert werden 43

44 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Verschiedene Kompensationstechniken zur Verbesserung der Sinusform des Eingangsstromes sind momentan verfügbar: Netzdrosseln (AC Line Reactors) oder Zwischenkreisdrosseln (DC Link Chokes) Oberschwingungsfilter 44

45 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Netzdrosseln (AC line reactors) in der Zuleitung verlängern die Stromflusszeit und reduzieren die Stromspitzen im Netz -> Reduzierung der Netzrückwirkungen (Oberschwingungen) Vorteil von Netzdrosseln: Sie sind jederzeit nachrüstbar und schützen den Gleichrichter auch vor Netztransienten Nachteil: Spannungsabfall und erhöhte Systemverluste, Reduzierung des THDi auf max % 45

46 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Zwischenkreisdrosseln (DC-link chokes) bewirken eine Reduktion von di/dt und glätten den Zwischenkreisstrom -> Reduzierung der Netzrückwirkungen (Oberschwingungen) Vorteil: können vom Umrichterhersteller bereits integriert werden Nachteil: kaum oder nicht nachrüstbar, Reduzierung des THDi auf max % 46

47 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Ausgangslage kein Oberschwingungsfilter: Grundlegend wenn kein Oberschwingungsfilter vorhanden ist, gibt es eine OS-Belastung in der gesamten Anlage / dem gesamten Netz Last 50Hz und Oberschwingungen 47

48 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Oberschwingungsfilter Oberschwingungsfilter sind erhältlich als Passive Oberschwingungsfilter oder Aktive Oberschwingungsfilter 48

49 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter Sie sind auch bekannt als tuned filter, da die Induktivitäten und Kapazitäten (LC) auf einzelne Harmonische abgestimmte LC-Serienschwingkreise darstellen (z.b. 5.OS - 250Hz and 7.OS - 350Hz) In anderen Worten, ungewollte OS werden in das Filter gesaugt Als Ergebnis wird das Netz signifikant von OS-Strömen entlastet 49

50 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter MS Passives OS Filter installiert L1 ist notwendig um das Filter vom Netz zu isolieren und Resonanz zu verhindern NS Last L2 und C stellen einen niederimpedanten Pfad für die gewünschten Frequenzen da OS H5, H7, H11; H13 Die Kapazitäten und Induktivitäten die als Filter funktionieren sollen müssen sorgfältig auf die zu reduzierenden OS abgestimmt sein (normalerweise 5., 7., 11. und 13.) 50

51 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter Passivfilter sind sind eine wirtschaftliche Lösung zur Reduzierung von Netzoberschwingungen in Dreiphasensystemen verursacht durch spezielle Verbraucher (B6-Umrichter) Passive Oberschwingungsfilter sind geeignet zur Benutzung direkt an Einzellasten oder Gruppen von Lasten Ein Nachteil von passiven Oberschwingungsfiltern ist die Beschränkung auf die gewählten Oberschwingungen (5., 7., 11., 13.) Passivfilter können sich nicht oder kaum an Veränderungen des Netzes anpassen 51

52 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Aktive Oberschwingungsfilter Aktive Oberschwingungsfilter sind leistungselektronische PQ Geräte die permanent nicht-lineare Lasten überwachen und dynamisch kontrollierten Kompensationsstrom liefern 52

53 Kompensationstechniken - Oberschwingungen I Last I Komp I Quelle = I Last + I Komp I Quelle 53

54 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Aktive Oberschwingungsfilter sind leistungselektronische Geräte und bieten deswegen auch sehr viel mehr Funktionalität als ihre passiven Pendants: 54

55 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Aktivfilter können an jedem Punkt des LV-Netzwerkes installiert werden und passen sich ändernden Netzbedingungen wie zum Beispiel hochdynamischen Laständerungen an Aktivfilter funktionieren immer gleich, unabhängig von der Energiequelle: Transformator (EVU), Generator oder sogar am Ausgang einer UPS Sie ermöglichen die globale oder selektive Kompensation aller Oberschwingungen im Bereich von 50Hz/60Hz bis 2500Hz/3000Hz ( OS) -> Resultat: weniger als 5% THDi -> Erfüllung aller gängigen PQ Normen Hochdynamische Blindleistungskompensation und Verbesserung des cos phi (induktiv und kapazitiv) Beseitigung von Unsymmetrie (Lastsymmetrierung) 55

56 Kompensationstechniken - Oberschwingungen 3-Leiter Geräte Industrieumfeld mit VFD Anwendungen 4-Leiter Einphasenlasten getaktete Schaltnetzteile (switched-mode power supplies (SMPS)) IT Equipment Gebäudetechnologie Vorteil: Zusätzlich auch Kompensation der Triplen OS im Neutralleiter! 56

57 Kompensationstechniken - Oberschwingungen - Beispiele 60A 30A Nicht-lineare Lastströme I1, I2, I3 ohne ECOsine Oberschwingungen kompensiert und Ströme symmetriert durch ECOsine active OS-Filter 160A!!! 0A!!! Dominante 3. Oberschwingung ohne ECOsine mit Spitzenströmen von über 160A auf dem Neutralleiter Neutralleiterströme praktisch eliminiert durch ECOsine active OS-Filter 57

58 Schaffner International Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Alexander Kamenka Head of Product Management PQ P +41 (0) M +41 (0) alexander.kamenka@schaffner.com Schaffner International Ltd. Nordstrasse Luterbach / Switzerland P +41 (0) F +41 (0) schaffner.com Schauen Sie sich doch auch einmal unseren kostenlosen Power Quality Simulator SchaffnerPQS an. pqs.schaffner.com 58