EMV-Fachtagung Die Schaffner Gruppe Netzqualität - Oberschwingungen. Schaffner Group 2013

Transkript

1 Die Schaffner Gruppe Netzqualität - Oberschwingungen 1

2 Referent Alexander Kamenka Application Manager Power Quality Schaffner Gruppe 2

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

4 (1) Netzqualität 4

5 Was ist Netzqualität? Die komplexe Struktur der heutigen Energieversorgung: Energieerzeugung (Kraftwerk) Transport und Verteilung (EVU / VNB / Verbundnetze) Sparsame und effiziente Energienutzung (Kunde) 5

6 Was ist Netzqualität? Die Qualität für diese komplexe Struktur ist als Versorgungsqualität definiert und setzt sich zusammen aus: Versorgungszuverlässigkeit (Unterbrechungen pro Minute) Spannungsqualität Servicequalität (Interaktion Netzbetreiber / Kunde) 6

7 Was ist Netzqualität? Spricht man von Netzqualität werden die Parameter Versorgungszuverlässigkeit und Servicequalität aussen vor gelassen Qualität der Versorgungsspannung! Eine Beschreibung der Netzqualität erfordert eine Reihe von Parametern EN50160 definiert die wesentlichen Merkmale der Spannungsversorgung am Verknüpfungspunkt / der Übergabestelle (PCC) = so genannte Mindestanforderungen der Spannungsqualität definiert die Messmethoden der Parameter zur Netzqualität 7

8 Was ist Netzqualität? Verknüpfungspunkt V (Point of Common Coupling PCC) 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 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 8

9 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, Zwischenharmonische, Signalspannungen) 9

10 Was ist Netzqualität? 10

11 Was ist Netzqualität? Spannung und Impedanz Strom Störfestigkeit und Störaussendung EN50160 PCC TAB, WV, DACHCZ FU M EMVG EN x EN xx Verteilnetzbetreiber Kunde Gerätehersteller 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. 11

12 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 dem Gerätehersteller sein Einen wesentlichen Bereich der Störungen und Einflüsse der Netzspannung stellen Netzrückwirkungen dar. 12

13 (2) Netzrückwirkungen 13

14 Netzrückwirkungen Von Netzrückwirkung spricht man, wenn der Betrieb eines elektrischen Verbrauchers Einfluss auf die Stabilität der Stromversorgung nimmt Oder anders gesagt: 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 14

15 Netzrückwirkungen Spannungsänderungen und Flicker Oberschwingungen Unsymmetrie Netzrückwirkungen (meist durch Kundenanlagen) Frequenz Spannungsniveau Unterbrechungen Spannungseinbrüche Transiente Überspannungen Netzbetrieb 15

16 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) Inhalt: Grenzwerte für die Spannungsqualität (Verträglichkeitspegel) 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 definiert: Netzkurzschlussleistung S kk Anlagenleistung S A 16

17 Netzrückwirkungen Faustregel zur Netzrückwirkungen: Je grösser die Netzimpedanz (lange Leitungen, kleine Querschnitte, unterdimensionierte Trafos) desto kleiner die Netzkurzschlussleistung umso grösser sind die zu erwartenden Netzrückwirkungen (Verbraucher- und Netzstörungen) 17

18 (3) Oberschwingungen 18

19 Oberschwingungen - Auswirkungen Wir alle kennen die Auswirkungen von Oberschwingungen, wie: Überlastung von Transformatoren, Kabeln und Anlagen zusätzliche Erwärmung und schnellere Gerätealterung und -ausfall störende Geräuschentwicklungen Zerstörung der Kondensatoren zum Beispiel in PFC-Systemen. Fehlfunktionen z.b. bei der Steuerung von Stromrichtern durch das Auftreten von Mehrfachnulldurchgängen 19

20 Oberschwingungen - Auswirkungen Funktionsstörungen bei Rundsteuerempfängern unkontrolliertes Abschalten von Betriebsmitteln und Produktionsprozessen in industrielle Anlagen IT-Systemabstürze erhebliche Strombelastung des Neutralleiters bis hin zum Abbrennen Durch Oberschwingungen verursachte Neutralleiterströme insbesondere in TN-C Netzen vagabundieren im gesamten Potential-Ausgleich-System über Wasser- und Heizungsrohre, Sprinkleranlagen, Erdungssystemen, Schirmen von Datenleitungen, Videoleitungen, Kommunikationssystemen und können an Rohrleitungen zu erhöhter Korrosion bzw. zu Lochfrass führen 20

21 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 Diese Verzerrungen lassen sich durch Zerlegung der Schwingungen in eine Grundschwingung und jeweilige Oberschwingungen charakterisieren und quantifizieren 21

22 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). Stromoberschwingungen beteiligen sich nicht an der Wirkleistung, sie belasten das Netz nur thermisch und verhalten sich daher ähnlich wie Blindströme. Jede periodische Funktion f(t) lässt sich bekanntlich als Fourier-Reihe, als Summe von Vielfachen der Grundschwingungsfrequenz darstellen: 22

23 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung = De-Komposition einer verzerrten Sinusschwingung in ihre Oberschwingungskomponenten: n=1 Grundschwingung + 5. und 7. OS + n=5 + n=7 23

24 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 24

25 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.,

26 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 26

27 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Das OS-Spektrum steht in Beziehung zur Pulszahl der nicht-linearen Last: Pulszahl Formel Mögliche OS n h = (n p) ± 1 1 h = (n 1) ± 1 2,3,4,5,6,7, (alle) 2 h = (n 2) ± 1 3,5,7,9, (ungerade) 6 h = (n 6) ± 1 5,7,11,13,17,19, (Paare) 12 h = (n 12) ± 1 11,13,23,25,35,37, (Paare) 18 h = (n 18) ± 1 17,19,35,37, (Paare) 24 h = (n 24) ± 1 23,25,47,49, (Paare) p Anzahl der Pulse n ganze Zahl (1,2,3 ) h OS Ordnung 27

28 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 28

29 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Oberschwingungen 3.Ordnung (Triplen) addieren sich im Neutralleiter! Phase A 3. Oberschwingung Phase B 120 nacheilend 3. Oberschwingung Phase C 120 nacheilend 3. Oberschwingung Neutralleiter Vektorsumme der 3. OS = 3 I PPPPP! Vektorsumme 50Hz = 0! 29

30 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Grössen zur Beschreibung von Oberschwingungen: Bekannt: Es gibt Strom- und Spannungsoberschwingungen Stromoberschwingungen verursachen über die Netzimpedanz Spannungsoberschwingungen 30

31 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung THD = Total Harmonic Distortion, ist eine Angabe, um die Größe der Anteile, die durch nichtlineare Verzerrungen eines elektrischen Signals entstehen, zu quantifizieren ist das Verhältnis der geometrischen Summe aller Oberschwingungen zur Grundschwingung wird ermittelt aus den Werten der individuellen OS wird sowohl im LV, MV als auch im HV Bereich benutzt 31

32 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung THDi: Total harmonic current distortion = Stromverzerrung: i -> THDi Manchmal auch THDI or THiD Formel: 50 TTTT = I n n=2 I % = I I I I I 50 2 I 1 100% 32

33 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung THDu: Total harmonic voltage distortion= Spannungsverzerrung v oder u -> THDu oder THDv (normalerweise THDu) Manchmal auch: THvD oder THuD Formel: 50 TTTu = U n n=2 U N 2 100% = U U U U U 50 2 U N 100% 33

34 Oberschwingungen - Entstehung und Beschreibung Schaltungsart Stromkurvenform THDi Anwendung Zweiweggleichrichter mit kapazitiver Glättung % mit dominater 3.OS Getaktete Schaltnetzteile in EDV, Unterhaltungselektronik, Kompaktleuchtstofflampen 6-pulsiger Gleichrichter mit Glättungskondensator 60%-80% Frequenzumrichter, USV-Anlagen, Aufzüge, Klimageräte, Kranantriebe 6-pulsiger Gleichrichter mit Glättungskondensator und Netzdrossel 40% Frequenzumrichter, USV-Anlagen, Aufzüge, Klimageräte, Kranantriebe 34

35 (4) Kompensationstechniken und deren Applikation 35

36 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Um Netzrückwirkungen zu reduzieren, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die sich in passive und aktive Massnahmen untergliedern lassen: Prinzipiell gilt aber immer, dass vor der Auswahl der Massnahme eine Netzanalyse durchführt und eine genaue Übersicht über Netztopologie, Platzverhältnisse sowie die Möglichkeiten der Haupt- bzw. Unterverteilungen erstellt werden sollte Sind in der betroffenen Anlage (im betroffenen Netz) die zu kompensierenden Netzrückwirkungen ermittelt, können für diese Massnahmen definiert werden 36

37 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Verschiedene Kompensationstechniken zur Verbesserung der Sinusform des Eingangsstromes sind momentan verfügbar: Netzdrosseln (AC Line Reactors) oder Zwischenkreisdrosseln (DC Link Chokes) Oberschwingungsfilter 37

38 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Drosseln reduzieren wirkungsvoll Oberschwingungen, die Gleichrichterschaltungen als Netzrückwirkungen ins Versorgungsnetz zurückspeisen. Drosseln sind passive induktive Bauelemente Drosseln lassen sich vor den Frequenzumrichter, auf der Einspeiseseite oder in dessen Zwischenkreis, nach dem Gleichrichter, schalten. Da die Induktivität an jeder Stelle die gleiche Wirkung hervorruft, ist die Bedampfung der Netzrückwirkungen vom Einbauort unabhängig. 38

39 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. 35% Netzdrossel 39

40 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. 40% 40

41 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Oberschwingungsfilter Oberschwingungsfilter sind erhältlich als Passive Oberschwingungsfilter oder Aktive Oberschwingungsfilter 41

42 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter Ein passives OS-Filter ist typischerweise eine Spule in Serie mit einem Kondensator 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) 42

43 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter In anderen Worten, ungewollte OS werden in das Filter gesaugt Als Ergebnis werden OS-Ströme in Wärme umgesetzt Allerdings sollte diese Umwandlung nicht als Verlust gesehen werden, da diese Energie ja bereits im System als nicht nutzbare Frequenzen vorhanden sind 43

44 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter Passives Oberschwingungsfilter nicht vorhanden H5, H7, H11, H13 44

45 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Passive Oberschwingungsfilter MV Passives OS Filter installiert L1 ist notwendig um das Filter vom Netz zu isolieren und Resonanz zu verhindern LV L2 und C stellen einen niederimpedanten Pfad für die gewünschten Frequenzen da 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.) 45

46 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 also nicht oder kaum an Veränderungen des Netzes anpassen 46

47 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Aktive Oberschwingungsfilter Aktive Oberschwingungsfilter sind leistungselektronische PQ Geräte die permanent nicht-lineare Lasten überwachen und dynamisch kontrollierten Kompensationsstrom liefern Die Kompensationsströme löschen die Oberschwingungsströme aus Nebst der globalen oder selektiven Reduktion von Oberschwingungsströmen kann auch gezielt Blindleistungskompensation betrieben werden Gute Geräte sind heute mit Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und Digital Signal Processing (DSP) Komponenten ausgestattet 47

48 Kompensationstechniken - Oberschwingungen I Last I Komp I Quelle = I Last + I Komp I Quelle 48

49 Kompensationstechniken - Oberschwingungen Aktive Oberschwingungsfilter sind leistungselektronische Geräte und deswegen auch teurer als passive OS-Filter Aber sie bieten deswegen auch sehr viel mehr Funktionalität: 49

50 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 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 50

51 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! 51

52 Kompensationstechniken - Oberschwingungen - Beispiele VSD mit 50KW unverdrosselt VSD mit 50KW vorverdrosselt (Netzdrossel) VSD mit 50KW mit AHF 52

53 The Schaffner Group Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Alexander Kamenka Application Manager Power Quality P +41 (0) M +41 (0) alexander.kamenka@schaffner.com Schaffner Group 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 53