Nutzen und Funktion der Oberschwingungskompensation im Verteilnetz mit Hilfe der intelligenten Ladesäule Prof. Dr.-Ing. Lutz Rauchfuß 1 Prof. Dr.-Ing. Ralf Werner 2 Referent: M.Sc. Jérémie Foulquier 1 1 University of Applied Sciences Mittweida 2 Technische Universität Chemnitz 23. Internationale Wissenschaftliche Konferenz Mittweida 5. 6. November 2014 1
Gliederung Rolle der Intelligenten Ladesäule im Energienetz Problematik: steigende Anzahl Oberschwingungserzeuger Kompensation von Oberschwingungen mit Aktivfilter Prototyp der Intelligenten Ladesäule: Kompensation der Spannungsoberschwingungen Messergebnisse Zusammenfassung OS = Oberschwingung 2
Rolle der Intelligenten Ladesäule im Energienetz Klimaziele, Energiewende, Ölverknappung Energieeffizienz Leistungselektronik OS Erzeugung Erneuerbare Energie Smart Grid Synergie nutzen Elektromobilität Funktionen der Intelligenten Ladesäule Dezentrale Regelung der Netzspannungsqualität Blindleistungseinspeisung OS Kompensation Netzstützung Reichweite der E-Fahrzeuge erhöhen schnell laden mit sinusförmige Stromentnahme OS = Oberschwingung 3
Problematik: zunehmend Oberschwingungserzeuger Verbesserung der Energieeffizienz verbreiteter Einsatz der Leistungselektronik Steigerung der Oberschwingungserzeugung 33% leistungselektronische Lasten im Haushalt D Ω eine Zunahme der Oberschwingungspegel wird erwartet Quelle: Mombauer 2008 THDu Grenzwert: (5%) 8% (11%) Quelle: IEC 61000-2-2 THDu: +1% pro 10 Jahr. 6 5 UK LV 5. OSu 4 3 2 1977 1993 Quelle: EURELECTRIC 2002 1979 1999 4
Problematik: zunehmend Oberschwingungserzeuger OS Erzeuger haben nichtlineare U-I Kennlinie Bsp.: leistungselektronische Betriebsmittel, Transformatoren, Leuchtstofflampen... Erzeugung OS-Ströme + Netzimpedanz = verzerrte Netzspannung ~ R nnnn L nnnn u nnnn i d u B2 u d C R Strom [A] OS-Strom eines Laptops P = 101W S = 202VA THDi = 164% u_d u i_d Portunus Simulation Quelle: W.L. Kling 2010 Ordnung OS = Oberschwingung 5
Theoretische Betrachtung der Oberschwingung im Netz Linearisierung am Arbeitspunkt OS-Frequenzen sind korreliert Gleichzeitige Betrachtung des gesamten Spektrums Komplexe Berechnungen Unterschiedliche Voraussagen nichtlineare U-I Kennlinie: I D 0 U D OS-Erzeuger: U-Quellen-Charakter Quelle: Liu 2012 OS-Erzeuger speisen Oberschwingungsströme ein Z nnnn,1 i 1 Z nnnn,5 i 5 U nnnn Z llll,1 Z llll,5 U llll,5 Grundschwingung OS = Oberschwingung Oberschwingung 6
Definition der Oberschwingungen periodische & statische Verzerrungen Zwischenharmonische / Harmonische Ordnung: ν jq ν f NNNN netzsynchrone Messung, Fourier Transformation u ν stehende Zeiger (u ν, φ ν ) in rotierenden d-q Koordinaten φ ν d System (Ordnung) Mitsystem (1. 4. 7....) Gegensystem (2. 5. 8....) L1 L2 L3 Bsp. 50Hz 100Hz Nullsystem (3. 6. 9....) 150Hz OS = Oberschwingung 7
Oberschwingungen bei vermarkteten Ladestationen Leistung Anschluss Schaltung THDi 3,5 kw 1 Phase Wechselrichter 4% 3,5 kw 1 Phase Gleichrichter 102% TTTT = 40 2 ν=2 i ν i ν = I ν I1 11kW 3 Phase Gleichrichter 116% 50kW 3 P. + N Wechselrichter 12% 11kW Prototyp 3 Phase Wechselrichter 2% IEC 61851: Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge Oberschwingungsgrenzwerte: Quelle: Efacec, J.Meyer 2011 Ladesäule muss IEC 61000-3-3 oder IEC 61000-3-12 erfüllen OS = Oberschwingung 8
OS Grenzwerten / Auswirkung Zunahme der Oberschwingungspegel Lösungen 1) strengere OS Strom Grenzwerte 2) lockere OS Spannung Grenzwerte 3) Kompensation der OS-Ströme im Niederspannungsnetz mit Aktivfiltern 1) OS-Grenzwerte für OS-Erzeugern Eingangsstrom > 16A < 16A < 75W OS Grenzwerte prozentual absolut keine OS-Filter Aktiv Passiv Auswirkung der Oberschwingungen Belastung des Netzes, erhöhter Verlust Verzerrungsblindleistung Verringerung des Leistungsfaktors Resonanz & Überspannungen Verkürzung der Lebensdauer Neutralleiterbelastung Überhitzung von Transformatoren Fehlauslösung von Schutzschaltern 2) OS-Grenzwerte für das Niederspannungsnetz Effektivwert in V 12 8 4 0 OS = Oberschwingung THDu < 8% (11%) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Ordnung 9
Kompensation von Oberschwingungen mit Aktivfilter Topologie 1) Parallel: OS Senke 2) Seriell: OS Isolator passend für OS-Stromquellen OS-Spannungsquellen Aktivfilter = Kompensationsleistung Gesamte Leistung der Last Netz i 1 i OS Gleichrichter Netz u 1 u OS Gleichrichter Aktivfilter Aktivfilter Der meiste Strom fließt durch die kleinste Impedanz. Der größte Spannungsabfall liegt über der höchsten Impedanz. Kompensation von Spannungsoberschwingungen als Zusatzfunktion von Wechselrichtern OS = Oberschwingung 10
Intelligente Ladesäule Kompensation der OS Spannungen Die OS-Quellen sind eine Vielzahl von nichtlinearen Verbrauchern kleiner Leistung Lokale OS-Kompensation mit verteilte parallel Aktivfiltern Die Ladesäule wirkt als OS Senke: Einstellung einer kleinen Impedanz für ausgewählte OS Frequenzen Leitung 1 DSP Intelligente Ladesäule Daten OS = Oberschwingung 400V Netz 3~ Leitung 3 i h i h i h Leitung 2 i h Verbraucher Die intelligente Ladesäule reduziert die OS-Spannungen mit optimaler Phase und Amplitude durch Einprägung eines ausgewählten gegenphasigen OS- Stromes 11
i ν Intelligente Ladesäule Kompensation der OS Spannungen φ i jq φ c u ν,c u ν φ u φ z u c Zeigerdiagram der idealen Kompensation d u ν,c PC Ladesäule i ν Z nnnn u c LV-grid Ersatzschaltbild der OS-Kompensation u ν Phase Regelung: φ c = φ u ± 180 φ i = φ u ± 180 φ z OS ohne Kompensation OS mit Kompensation Kompensationsstrom Messwert Amplitude Regelung: Spannung < Grenzwert Kompensationsspannung Netzimpedanz Schätzwert Die OS Messung ermöglicht die phasengenaue Synchronisierung des Kompensationsstroms der Ladesäule mit den Spannungsoberschwingungen des Netzes 12
Intelligente Ladesäule: Regelungstopologie Netz u abc i abc u a PLL θ u L d 1 Nachbildung der Netzspannung Bidirektionaler Energiefluss und Phasenschieberbetrieb u abc α-β 3 i a i 1 _ e i,1 GDFT + 4 u αβ i 1 u 1 5 inv. d-q 1 11 u 1 PWM 2 Kompensation einer OS u a 50Hz u OS u ν i ν GDFT φ Filter Z,ν 7 8 i a i ν _ u ν inv. u ν GDFT d-q ν 9 e i,ν 10 6 12 Der Phasenschieberbetrieb und die OS Kompensation können gleichzeitig und ohne E-Fahrzeugbatterie betrieben werden 13
Messergebnisse : Kompensation der 11. OS Spannung des Netzes 50Hz 550Hz 50Hz 550Hz 1.95V 2,16V 53% Kompensation 0.92V 11. OS Amplitude Kein Kompensation Kompensation ist AN 0,22V Die Wirksamkeit der Kompensation der OS Spannungen ist mit einem 11kVA Prototyp der Ladesäule überprüft 14
Messergebnisse: OS Kompensation 3~Spannungen 3~Spannungen 3~Strom 3~Kompensationsstrom 1,05V 0,24V 1,9V 1,1V 0,65V 0,15V 1,35V 0,55V 4,46V eff 0,45V 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Phasenexakte Kompensation von ausgewählten OS Spannungen 0,04V 15
Messergebnisse: 13. OS Kompensation, Einschwingen der Phasenwinkelregelung 13.OS Amplitude [V] AN AUS AN AUS AN AUS AN AUS Strom Phase [ ] Zeit [s] Regelung stellt den optimalen Phasenwinkel ein 16
OS Kompensation & Scheinleistung Oberschwingungen setzen fast ausschließlich Verzerrungsblindleistung Q d um. Wirkleistung P kann nur zwischen Strömen und Spannungen gleicher Frequenz umgesetzt werden. Leistungsfakor: λ = P S Scheinleistung: S = P 2 + Q 1 2 + Q d 2 Verschiebungsfaktor: cos φ 1 = P S 1 Scheinleistung ist quadratisch proportional zu THD Der Wirkungsgrad der Kompensation ist höher bei starken Verzerrungen 17
Zusammenfassung Der Prototyp der Ladesäule ist funktionsfähig im IV-Quadrantenbetrieb mit automatisierter OS Kompensation der Netzspannung. Kompensation von ausgewählten OS-Spannungen des Netzes bei Grenzwertüberschreitung Kooperative OS Kompensation mit mehreren Ladesäulen senkt den Oberschwingungspegel im Netz Kompensation nahe am OS-Erzeuger führt zu Verbesserung des Leistungsfaktors am Ortsnetztransformator Verhinderung von Überspannungen infolge von Resonanz Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 18