OBERSCHWINGUNGSMESSUNG VON …wkmw/ifem/images/ifem/dokumente/... · DIgSILENT Schneider Electric...
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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: [email protected]
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