Oberschwingungsströme durch E-Mobile

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1 PROZESS- UND ENERGIEUTOMTION Oberschwingungsströme durch E-Mobile Eine Million E-Mobile, angeschlossen an das elektrische Versorgungsnetz, können die Qualität des Netzes beeinträchtigen. Je früher Schwachstellen erkannt werden, desto leichter können diese korrigiert werden, um so den usbau der Elektromobilität zu forcieren. Damit die auftretenden Netzrückwirkungen durch die nalyse von Ladevorgängen verschiedener Elektrofahrzeuge beurteilt werden konnten, wurden im Jahr 213 zwanzig verschiedene Elektrofahrzeuge an der Ladesäule der Fachhochschule Bingen genauer untersucht. uf die Fragen nach der Sinusform, der Ladeleistung, den Oberschwingungen und der Belastung des Neutralleiters wird eingegangen. Text: Timo Thomas, Peter. Plumhoff ie DIN EN [1] legt Grenzwerte für OberD schwingungsströme von Geräten mit einem Nennstrom kleiner gleich 16 je ußenleiter fest. Die Störaussendungsgrenzwerte für ungeradzahlige Oberschwingungsströme für die Geräteklasse nach DIN EN sind in Bild dargestellt [1, 2]. Das erste Elektrofahrzeug wird einphasig mit einem Ladestrom von 1,7, das zweite mit einem von 13, an einer Schutzkontakt-Steckdose geladen (Bild ). Der Oberschwingungsanteil im verlauf von E-Mobil-2 entsteht durch die ungefilterte Gleichrichtung der Einphasen-Wechselspannung. Bild 1 stellt das Oberschwingungsspektrum der gemessenen harmonischen von E-Mobil-2 im Vergleich zu 36 den Störaussendungsgrenzwerten nach DIN EN dar [1, 2]. Die gemessenen Oberschwingungspegel liegen deutlich über den Grenzwerten. Wird der Eingangsstrom von Geräten größer als 16, jedoch kleiner gleich 7, so sind die Störaussendungsgrenzwerte für den nschluss an das Niederspannungsnetz in der DIN EN genormt [3]. Diese Norm ist jedoch nur für einzelne Verbraucher gültig. Um alle in einer nlage relevanten Oberschwingungserzeuger bezüglich der am gemeinsamen Netzanschlusspunkt zu erwartenden Emissionen zusammenfassen zu können, werden die Fahrzeuge neben der Bewertung von Strömen nach der genannten Norm zusätzlich nach den VDN-Technischen Regeln beurteilt []. /21

2 8 harmonische E-Mobil-2 Grenzwert nach DIN EN % wird für dieses Fahrzeug die Bewertung von Oberschwingungsströmen nach VDN-Technische Regeln durchgeführt. Der an der fachhochschulinternen Ladesäule zulässige THD von 2, % wird mit den gemessenen 127 % deutlich überschritten. Damit ist für dieses Fahrzeug an diesem Verknüpfungspunkt die nschlussbedingung nach DCH-CZ ebenfalls nicht erfüllt []. 2 Leistungsverteilung während eines Ladevorgangs Oberschwingungsordnung 1 Oberschwingungsspektrum der harmonischen von E-Mobil-2 Mit der Standardisierung auf den sogenannten Typ-2-Stecker als gemeinsamen Ladestecker für mehrphasige Ladegeräte wurde die Steckerfrage für E-Fahrzeuge und somit eine wichtige Frage zur Ladeinfrastruktur geklärt. Das dritte Fahrzeug, dreiphasig mit Strömen von 27, und das vierte mit dreiphasigen Strömen von 16, werden beide an einer Typ-2-Steckdose geladen. Der Oberschwingungsanteil des dritten Fahrzeugs, E-Mobil-16, ist relativ gering (Bild ). Dagegen ist dem verlauf des vierten Fahrzeugs, E-Mobil-1, aus Bild 3 ein sehr hoher Oberschwingungsanteil zu entnehmen. Dieser verzerrte verlauf entsteht durch die ungefilterte Gleichrichtung der Dreiphasen-Wechselspannung. Werden die harmonischen des vierten E-Fahrzeugs gemäß DIN EN bewertet, so stellt sich heraus, dass der THD1 gleich 127 % ist und der PWHD1 einen Wert von 7 % hat. Bild stellt die gemessenen Störaussendungen von E-Mobil-1 im Vergleich mit den Grenzwerten dar. Die hohe Grenzwertüberschreitung ist deutlich zu erkennen. Parallel zur Bewertung von Oberschwingungsströmen nach DIN EN Üblicherweise betrachtet man den Verschiebungsfaktor cos M und die damit verbundene, unerwünschte Blindleistungsaufnahme. Bei zunehmendem Einsatz leistungselektronischer Betriebsmittel und deren uswirkung auf die Energieversorgungsnetze ist jedoch Formelzeichen und bkürzungen cos φ: Grundschwingungsleistungsfaktor; Verschiebungsfaktor λ: Leistungsfaktor φ: Phasenverschiebungswinkel PWHD: gewichteter Verzerrungsfaktor, partial weighted harmonic distortion THD: Verzerrungsfaktor, total harmonic distortion Smart Energy & Power Quality Solutions RISIKO BEHERRSCHEN Mit Power Quality- und EnergiedatenmanagementSystemen von Janitza. Energie, CO2 und kosten senken Systemzuverlässigkeit erhöhen Sicherheit optimieren q 1SPæU TUFJHFSO /

3 PROZESS- UND ENERGIEUTOMTION Spannung Spannung V V U L3 E-Mobil ms21 3 Ströme und Spannungen von E-Mobil-1 und E-Mobil-16 der Leistungsfaktor zu verwenden, da diese Größe auch die Oberschwingungsblindleistung berücksichtigt. Während des Ladezeitraums wird das E-Mobil-2 mit 2 kw geladen (Bild ). Die Lastkurve zeigt gegen Ende der Ladung das allmähliche Reduzieren der Ladeleistung. E-Mobil-1 wird beispiels weise mit einer Drehstromwirkleistung von 7, kw geladen. Bei einem cos von fast 1 tritt jedoch ein Leistungsfaktor von,66 auf. Dieser große Unterschied entsteht durch die hohe Blindleistungsaufnahme von 8, kvar. Netzspannung 2 und Spannung, einphasig, kleiner 16 I 1 E-Mobil- 1 E-Mobil ms 21 U L2 U L1 I 1 E-Mobil Diese wird durch den kleinen Teil Grundschwingungsblindleistung Q 1,,9 kvar und den bedeutenden Teil Verzerrungsblindleistung D, 8, kvar gebildet. Deutlich zu erkennen ist, dass die Verzerrungsblindleistung, durch Oberschwingungsströme hervorgerufen, den größten Einfluss auf die gesamte Blindleistungsaufnahme hat Oberschwingungsströme im Neutralleiter Zum Thema Oberschwingungsbelastung durch harmonische stellt dies ein besonderes Problem harmonischer Frequenzen dar, die über den Neutralleiter und damit über den Sternpunkt des geerdeten Systems zurückfließen. Durch den Neutralleiter fließt bei einem oberschwingungsfreien, symmetrisch belasteten Drehstromnetz kein. Kommt es jedoch zu Oberschwingungsströmen mit durch drei teilbarer Ordnungszahl, gilt dieser nsatz nicht mehr. Der Neutralleiter wird mit Oberschwingungsströmen der Ordnungszahlen 3, 9, 1, usw. belastet. Somit kann in bestimmten Fällen auch bei symmetrisch verteilter Last im Drehstromnetz ein großer im Neutralleiter fließen []. Um die ddition der 1-Hz-Oberschwingung im Neutralleiter darstellen zu können, wurden unterschiedliche Elektrofahrzeuge auf die ußenleiter des Drehstromnetzes verteilt. Diese ddition wird in Bild 6 verdeutlicht. Bei den durch drei teilbaren Oberschwingungen ist der nstieg des Neutralleiterstromes gut zu erkennen. Vor allem die ddition der dritten Harmonischen enthält einen bedeutenden nteil. Bei einer unsymmetrischen Belastung mit Oberschwingungsströmen kann der im Neutralleiter größer als der größte im ußenleiter werden. Zusammenfassung Umfangreiche Messungen 2 verschiedener Elektrofahrzeuge an der Fachhochschule Bingen für jeweils eine Woche zeigen, wie sich das Laden von E-Mobilen auf die Qualität des Energieversorgungsnetzes in Bezug auf Oberschwingungsströme und Neutralleiterbelastung auswirkt. Dabei sollte auf keinen Fall der Eindruck entstehen, dass hierbei der usbau der Elektromobilität negativ bewertet wird. Im Gegenteil sollte diese Studie zeigen: je früher Netzrückwirkungen erkannt werden, um so kostengünstiger und effektiver können diese verhindert und die E-Mobilität in ihrer Entwicklung positiv gesteigert werden. Die Tabelle in Bild 7 zeigt die nschlussvarianten der gemessenen Fahrzeuge, die verwendete Norm zur Beurteilung der harmonischen, die ngabe der Ladeleistung sowie den Verschiebungsfaktor cos, den Leis /21

4 Störaussendung 13 % Störaussendung E-Mobil-1 Grenzwert nach DIN EN THD PWHD 7 Oberschwingungsordnung 11 Fernzugriff auf SPSSteuerungen jetzt einfacher denn je! 13 Störaussendung der harmonischen von E-Mobil-1 W 3 S Scheinleistung 3 Q Gesamtblindleistung Jederzeit einfacher Zugriff auf 2 D Verzerrungsblindleistung Ihre nlagensteuerung Fernprogrammierung, -diagnose 1 P Wirkleistung und -konfiguration mit Ihren Standard-Engineering-Tools (z. B. TI Portal, RSLogix) 11: 12: 13: 1: 1: Ladeleistungen in 1-s-Mittelwerten ohne spezielle IT-Kenntnisse Betriebsdaten aus der Ferne protokollieren und analysieren * ax.1 Gerä t pro Kunde M ws t. 9, GS m ÜHR UN ÜHR UNG SN GEB EUR OT l. zg *z Mit Netbiter können Sie auf eine Vielzahl verschiedener Industriegeräte und SPSen zugreifen (u.a. Siemens, Rockwell,...). Eine Liste aller verifizierten Geräte finden Sie auf HMS Industrial Networks GmbH Emmy-Noether-Str Karlsruhe /21 EINF NEU EINF Verifizierte Geräte für Netbiter Remote ccess: UNGSNGE BO NGEBOT R ÜH NF T oder im Bereich der höherfrequenten Oberschwingungen werden die Grenzwerte der Norm nicht eingehalten. Bei 7 % der Fahrzeuge ist ein vorbildliches Ladeverhalten zu beobachten. Der verlauf dieser Fahrzeuge weicht während der Ladevorgänge vom idealen Sinusverlauf nur noch minimal ab. nhand der analysierten Messungen ist erkennbar, dass der im Neutralleiter durch Oberschwingungen größer als der größte im ußenleiter werden kann. EI larme per SMS.1.6 is 3 gültig b tungsfaktor O und ob die nschlussbedingung nach den gültigen Normen erfüllt ist. 2 % der untersuchten Fahrzeuge erfüllten die nschlussbedingungen nicht. Die Störaussendungen sind zu hoch, sodass parallel angeschlossene Endverbraucher in ihrer Funktion gestört werden können. Bei vier E-Mobilen ist zu erkennen, dass eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke mit kapazitiver Glättung ohne PFC eingesetzt wird. Bei einem E-Mobil wird zwar eine PFC eingesetzt, aber Einfache Inbetriebnahme, auch S 1: NG 9: U 8: T EINFÜ HR Q1 Grundschwingungsblindleistung BO GE 1 N Leistung info@hms-networks.de

5 PROZESS- UND ENERGIEUTOMTION E-Mobil nschluss Norm P in kw cos φ λ Erfüllt* 1 Schuko 3-2 2,2 1,99 Ja 2 Schuko 3-2 2,97,6 Nein 3 Schuko 3-2 2, 1,99 Ja Schuko 3-2 3,,998,998 Ja Schuko 3-2 2,3,983,977 Ja Typ-2, 7 Zusammenfassung der untersuchten Elektrofahrzeuge (3-2 = DIN EN , 3-12 = DIN EN plus VDN-Technische Regeln, P = Ladeleistung, = Leistungsfaktor, * = nschlussbedingung erfüllt?) ,76,99,98 Ja 6 Schuko 3-2 2,3,998,998 Ja 7 Schuko 3-2 2,37,998,997 Ja Typ-2, ,76 1,98 Ja 8 Schuko 3-2 1,7,996,986 Ja 9 Schuko 3-2 2,9,998,999 Ja 1 Schuko 3-2 2,9,996,992 Ja 11 Typ-2, 2-phasig 12 Typ-2, 3-2 6,6,999,999 Ja , 1,66 Nein 13 Schuko 3-2,8,97,6 Nein 1 Typ-2, 1 Typ-2, 2-phasig 16 Typ-2, 17 Typ-2, , 1,63 Nein ,,998,997 Ja ,7 1,997 Ja ,7,98,97 Nein 18 Schuko 3-2 1,3,99,993 Ja 19 Typ-2, 2 Typ-2, harmonische I 1 E-Mobil-3 harmonische I 3 E-Mobil-2 harmonische I N Hz 7 Frequenz 6 Oberschwingungsspektrum der harmonischen von E-Mobil-2, E-Mobil-3 und Neutralleiter ,8,99,99 Ja ,,998,998 Ja Die erkannten Phänomene machen deutlich, dass nicht erst in naher Zukunft, sondern schon heute der Netzqualität in der Elektromobilität besondere Beachtung geschenkt werden muss. Je schneller die Netzrückwirkungen beim Laden von Elektrofahrzeugen erkannt werden, umso zügiger werden geeignete Lösungen zur Sicherung der Qualität des Energieversorgungsnetzes gefunden. (mh) Literatur [1] DIN EN :21-3 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Teil 3-2: Grenzwerte Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom <=16 je Leiter). Berlin. Offenbach: VDE VERLG [2] J. Schlabbach und W. Mombauer, Power Quality, Berlin. Offenbach: VDE VERLG, 28 [3] DIN EN :212-6: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Teil 3-12: Grenzwerte Grenzwerte für Oberschwingungsströme, verursacht von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom >16 und <=7 je Leiter. Berlin. Offenbach: VDE VERLG [] VEÖ - - Österreich, VSE - CH - Schweiz, CSRES - CZ - Tschechische Republik und VDN - D - Deutschland, Hrsg., Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen, 2. usgabe, 27 [] H. Dorner und M. Fender, Wissenswertes über Netzrückwirkungen, Berlin. Offenbach: VDE VERLG, 213 utoren Fachbereich 2, Elektrotechnik, tätig. t.thomas@fh-bingen.de Fachhochschule Bingen. Timo Thomas, B. Eng., ist als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fachhochschule Bingen im Prof. Dr.-Ing. Peter. Plumhoff beschäftigt sich mit verschiedenen spekten der elektrischen Energietechnik an der prof.dr.plumhoff@fh-bingen.de /21