OBERSCHWINGUNGSMESSUNG VON

ERZEUGUNGSANLAGEN AUS

ERNEUERBAREN ENERGIEQUELLEN

IM MITTELSPANNUNGSNETZ

Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Dipl.-Ing.(FH) Johannes Sigulla

Schneider Electric GmbH

Power EMEAS

Technologiepark Mittweida

Institut für Energiemanagement

Leipziger Str. 27

09648 Mittweida

E-Mail: johannes.sigulla@schneider-electric.com

Tel.: 037279989870

Mobil: 01722179419

Schneider Electric 2 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Agenda

●Ursachen und Folgen von Oberschwingungen

●Überblick Mittelspannungsrichtlinie BDEW

●Theoretische Betrachtung von Oberschwingungen

● Berechnungsgrundlagen nach BDEW

●Berechnung zulässiger Oberschwingungsströme

●Berechnung vorhandener Oberschwingungsströme

● Simulation von Oberschwingungsströmen

● Auswertung Berechnung / Simulation Oberschwingungsströme

●Oberschwingungsmessung eines Solarparks

● Messbedingungen

● Messdurchführung

● Messergebnisse / Auswertung

●Ausblick

Schneider Electric 3 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Ursachen und Folgen

●Fehlerarten bei Oberschwingungsströmen [6]

● Überlastung von Neutralleitern

● Erhitzen von Transformatorwicklungen

● Fehlauslösung von Leitungsschutzschaltern / Leistungsschaltern

● Überbeanspruchung von Kompensations-Kondensatoren

● Skineffekte

●Fehlerarten bei Oberschwingungsspannungen [6]

● Spannungsverzerrungen

● Überhitzung und Hochlaufschwierigkeiten von Drehfeldmotoren

● Nulldurchgangsstörungen (bei elektronischen Betriebsmitteln, die sich an den Nulldurchgängen orientieren)

●Ursache: Betriebsmittel nichtlinearer

Kennlinie [5]

● Transformatoren, Leuchtstofflampen,

leistungselektronische Betriebsmittel

● Wegfall dämpfender Elemente (Glühlampen)

Verlauf I H5/GS 02.09.2011

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

1.9.11 19:12 2.9.11 0:00 2.9.11 4:48 2.9.11 9:36 2.9.11 14:24 2.9.11 19:12 3.9.11 0:00 3.9.11 4:48

Zeitstempel

I [A

]

-200,000

0,000

200,000

400,000

600,000

800,000

1000,000

1200,000

GS

[W

/m²]

I1_ÜS_H5

I2_ÜS_H5

I3_ÜS_H5

AVG_GS

Schneider Electric 4 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Überblick Mittelspannungsrichtlinie

BDEW

● Anforderungen an Netzqualität (BDEW) [3]:

● Statische und Dynamische Spannungshaltung

● Langzeitflickerstärke am Verknüpfungspunkt

● Einhaltung zulässiger Oberschwingungsströme

● Kommutierungseinbrüche

● Einhaltung von Tonfrequenzpegeln

● Möglichkeit der Reduzierung von Leistung

● Einhaltung des Verschiebungsfaktors cosφ

● Einhaltung von Kurzschlusströmen

● DIN EN 50160 [1]

● Anforderungen an Oberschwingungsspannungen

Ordnungszahl

1) ungeradzahlig

2) Meßbandbreite 200 Hz

Zulässige OS-Spannung

im MS-Netz in % von

Un (Nennspannung)

5 0,5

7 1

11 1

13 0,85

17 0,65

19 0,6

23 0,5

25 0,4

25 < ν < 40 1) 0,4

Geradzahlig 0,1

μ < 40 0,1

μ, ν > 40 2) 0,3

Tabelle 1 Oberschwingungsanteile Mittelspannungsnetz [1]

Schneider Electric 5 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Berechnung zul.

Oberschwingungsströme

Gesamt

AkVzulAzul

S

SSiI

Ordnungszahl ν,μ

1) ungeradzahlig

2) ganzzahlig und nicht ganzzahlig

innerhalb einer Bandbreite von

200 Hz.

Messung gemäß EN 61000-4-7,

Anhang B

Zulässiger,

bezogener

Oberschwingungs

strom iν,μ zul in

A/MVA

20-kV-Netz

5

7

11

13

17

19

23

25

25 < ν < 40 1)

0,029

0,041

0,026

0,019

0,011

0,009

0,006

0,005

0,005 x 25/ν

Geradzahlige 0,03/ν

μ < 40 0,03/μ

μ,ν > 40 2) 0,09/μ

●Berechnung nach:

●Kriterien:

● Geradzahlige

Oberschwingungsströme

ausgenommen

● Max. 6 Überschreitungen

zulässig:

●(6n) ±1 (mit n=1…4) auf

maximal 200% limitiert

●bei übrigen Frequenzen auf

maximal 400% des

Grenzwertes limitiert

Schneider Electric 6 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

●Netzgeführte Wechselrichter (6- oder 12-pulsig)

● Typische Ordnungen (5., 7., 11., 13. usw.) bzw. (v<13)

● Untypische höhere Ordnungen (v≥13)

●Pulsmodulierte Wechselrichter

●Betrachtungsort Solarpark Wülknitz:

● 11 MWp

● 6 x 1,25MVA Wechselrichterstation

● 4 x 0,63MVA Wechselrichterstation

n

i

iII1

Berechnung vorhandener

Oberschwingungsströme

n

i

iII1

2

n

i

iII1

2

Oberschwingungs-Analyse

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Ordnungszahl

Ob

ers

ch

win

gu

ng

sstr

om

[A

]

Oberschwingungsströme BDEW-Ergänzung

Schneider Electric 7 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Simulation von

Oberschwingungsströmen

●Unter Einbeziehung aller nachgelagerter Komponenten

●Simulationsprogramm: PowerFactory 14.0.520 der Firma DIgSILENT

2.00 5.00 8.00 11.0 14.0 17.0 20.0 23.0 26.0 29.0 32.0 35.0 38.0 41.0 46.0 [-]

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00

Leitung(4): Phasenstrom L1/Anschluss i in A

Leitung(4): Phasenstrom L2/Anschluss i in A

Leitung(4): Phasenstrom L3/Anschluss i in A

DIgSILENT Schneider Electric GmbH Klirrf aktoren

3-poliger Fehler, 5% Spannung Nennleis tung

Datum: 31.08.2011

Anhang:Test 1 /3

DIgSIL

ENT

Schneider Electric 8 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Auswertung Berechnung/Simulation

●Rechnerische Betrachtung:

● Grenzwerte können Ausschlusskriterium für Anschluss von

Erzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energiequellen sein

● Vermehrt Nichteinhaltung bei verschiedenen

Oberschwingungsordnungszahlen

● Aber: Betrachtung nur bei Volllast eher die Seltenheit

●Simulationstechnische Betrachtung

● Einbeziehung nachgelagerter Komponenten (Transformatoren, Kabel etc.)

● Berechnung nach IEC 61000-3-6 (Berechnung unter Nutzung von

Gleichzeitigkeitsfaktoren) PowerFactory 14.1 Beta

● Aber: Betrachtung nur bei Volllast eher die Seltenheit

● Arbeitsgruppe Modellierung noch im Erarbeiten von genaueren

Simulationsmodellen

Schneider Electric 9 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Messbedingungen

Messwerte Zeitreihen der Ausgangsströme (auf der MS-Seite

gemessen)

Anforderungen a.

d. Messtechnik

●Abtastrate: ≥ 20kHz

●Messgenauigkeit: ≤ 1% von IN

Messdauer 10 min je Messreihe

Auswertung nach

IEC 61000-4-7

●Harmonische bis zur 40. (2kHz)

●Gruppierungsverfahren(15 benachbarte Zeitfenster a

200ms, =3s)

Stromwandler ●3 x Stromzange Chauvin Arnoux C148

●3 x Stromzange Chauvin Arnoux Y3N

Spannungswandler ●2 x 3xGE24 Wandler 20000/V3/100/V3/100/V3/100/3 V

Schneider Electric 10 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Messdurchführung

●Messung am Übergabepunkt (U/I), Kopfstation (I) und einer 1,25MVA

Wechselrichterstation (U/I)am letzten Stich

ÜS

Schneider Electric 11 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Oberschwingungsströme Messung

0

5

10

15

20

25

30

35

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Ordnung

I [A

]

zul. Werte

Anlage

berechnete Werte

Werte L1

Werte L2

Werte L3

Oberschwingungsströme Messung

0

5

10

15

20

25

30

35

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ordnung

I [A

]

zul. Werte

Anlage

berechnete Werte

Werte L1

Werte L2

Werte L3

Oberschwingungsströme Messung

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Ordnung

I [A

]

zul. Werte

Anlage

berechnete Werte

Werte L1

Werte L2

Werte L3

Bisherige Messergebnisse

Oberschwingungsströme Messung

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Ordnung

I [A

]

zul. Werte

Anlage

berechnete Werte

Werte L1

Werte L2

Werte L3

Oberschwingungsströme Messung

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Ordnung

I [A

]

zul. Werte

Anlage

berechnete Werte

Werte L1

Werte L2

Werte L3

Oberschwingungsströme Messung

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Ordnung

I [A

]

zul. Werte

Anlage

berechnete Werte

Werte L1

Werte L2

Werte L3

Schneider Electric 12 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Bisherige Messergebnisse

● Messung an SPS nicht aussagekräftig genug, da zu ungenau durch

Kabelumbauwandler (ab 15.Harmonischer keine verwertbaren Ergebnisse)

● Oberschwingungsströme

● Gerade Oberschwingungsströme in der Nacht vernachlässigbar

● Ungerade Oberschwingungsströme aus der Nacht z.T. sehr einflussreich in

höheren Ordnungen

● Während Einpegelzeit z.T. sehr starke Schwankungen durch MPP-Triggerung

● Bei konstanter Leistung eher geringe Oberschwingungsströme

● Sehr starke Unterschiede im Tag-/Nachtverlauf der OS zwischen SPS und ÜS

● Oberschwingungsspannungen

● Blindleistungsverhalten der Anlage wirkt sich stark auf Oberschwingungsverhalten

aus

● Schwierigkeit Einflüsse allein durch Erzeugungs-Anlage zu erkennen Netz wirkt

sich stark aus

Verlauf I H5/GS 02.09.2011

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

1.9.11 19:12 2.9.11 0:00 2.9.11 4:48 2.9.11 9:36 2.9.11 14:24 2.9.11 19:12 3.9.11 0:00 3.9.11 4:48

Zeitstempel

I [A

]

-200,000

0,000

200,000

400,000

600,000

800,000

1000,000

1200,000

GS

[W

/m²]

I1_ÜS_H5

I2_ÜS_H5

I3_ÜS_H5

AVG_GS

Verlauf I1 H5/GS 02.09.2011

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

1.9.11 19:12 2.9.11 0:00 2.9.11 4:48 2.9.11 9:36 2.9.11 14:24 2.9.11 19:12 3.9.11 0:00 3.9.11 4:48

Zeitstempel

I [A

]

-200,000

0,000

200,000

400,000

600,000

800,000

1000,000

1200,000

GS

[W

/m²]

I1_ÜS_H5

I1_KS_H5

AVG_GS

Verlauf H5 16.-22.09.2011

0,000

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

15.9.11 0:00 16.9.11 0:00 17.9.11 0:00 18.9.11 0:00 19.9.11 0:00 20.9.11 0:00 21.9.11 0:00 22.9.11 0:00 23.9.11 0:00 24.9.11 0:00

Zeitstempel

U [

V]

0,000

200,000

400,000

600,000

800,000

1000,000

1200,000

L12

L23

L31

Q_TOT

Schneider Electric 13 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Ausblick

●Auswertung derzeit noch im Gange Betrachtung im Teillastbereich

●Messdurchführung früher beginnen (schon während des Aufbaus), sukzessive Zuschaltung aller Elemente

●Netzresonanz wird bei späteren Messungen wichtig sein

●Fragestellungen:

● 10min-Mittelwert aussagekräftig?

● zentrale/dezentrale Filterung?

● Kabel oder Freileitung?

● Stromzangen ausreichend oder Notwendigkeit von Rogowski- bzw. Metallgekapselten Wandlern?

● Oberschwingungsflussrichtung?

● Messung an Erzeugungsanlage ausreichend?

●Arbeitsgruppe Oberschwingungen

● Auswertung verschiedener Messungen zur Verifikation der theoretischen Berechnungsgrundlagen bzw. Korrektur

Schneider Electric 14 - Power EMAS – Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sigulla

Quellenverzeichnis

(1) 50160:2000-03 „Merkmale der Spannung in öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen“

(2) 61400-21 „Messung und Bewertung der Netzverträglichkeit von netzgekoppelten Windenergieanlagen“, Stand: 2001

(3) Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V., Technische Richtlinie: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, Ausgabe Juni 2008

(4) „Regelungen und Übergangsfristen für bestimmte Anforderungen in Ergänzung zur technischen Richtlinie: Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“, Stand: Februar 2011

(5) Schlabbach, Mombauer, (2008): Power Quality, Entstehung und Bewertung von Netzrückwirkungen; Netzanschluss erneuerbarer Energiequellen, VDE-Schriftenreihe 127, VDE VERLAG GMBH, Berlin und Offenbach

(6) Chapman, David: Harmonics – Causes and Effects; deutsche Übersetzung: Leitfaden Netzqualität / Oberschwingungen / Ursachen und Auswirkungen, Deutsches Kupferinstitut, Mai 2002; www.kupferinstitut.de und www.lpqi.org

(7) DIN EN 61000-4-7; VDE 0847-4-7:2009-12 – Prüf- und Messverfahren - Allgemeiner Leitfaden für Verfahren und Geräte zur Messung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Stromversorgungsnetzen und angeschlossenen Geräten (IEC 61000-4-7:2002 + A1:2008); Deutsche Fassung EN 61000-4-7:2002 + A1:2009

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