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Netzqualität im Fokus: Innovative Lösungen für die Energiewende und Elektrifizierung
Motivation zur Messung der frequenzabhängigen Netzimpedanz
Im Zuge der Energiewende und der zunehmenden Elektrifizierung vom Wärme- und Mobilitätssektor steigt die Anzahl der Anlagen mit Leistungselektronik, wie Photovoltaikanlagen und Schnellladesäulen im Stromnetz. Diese Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen haben eine nichtlineare Stromauf- bzw. abgabe, was zu Oberschwingungen in der Netzspannung führen kann. Die frequenzabhängige Netzimpedanz beschreibt, wie sich die Netzspannung bei der Aufnahme oder Abgabe dieser Ströme verhält.
Die Netzimpedanz hängt von den Anlagen und Geräten am jeweiligen Netzanschlusspunkt (NAP) ab, die meist unbekannt sind, und setzt sich aus deren Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten zusammen (siehe Abbildung 1). Auch der Transformator und die anderen Netzkomponenten beeinflussen die Netzimpedanz. Dabei treten Resonanzstellen auf, bei denen die Impedanz in bestimmten Frequenzbereichen höher (Parallelresonanz) oder niedriger (Reihenresonanz) wird. Hohe Impedanzen in bestimmten Frequenzbereichen verstärken die Auswirkungen der Oberschwingungsströme auf die Spannung. Dagegen sind die Auswirkungen in Frequenzbereichen mit niedrigerer Impedanz geringer.
Abbildung 1: Skizziertes Ersatzschaltbild des Netzanschlusspunktes
Die Kenntnis der frequenzabhängigen Netzimpedanz ist besonders wertvoll, um bereits in der Planungsphase neuer Anlagen die mögliche Veränderung der Netzqualität beim Zubau einer neuen Anlage zu überprüfen. Dadurch könnten Grenzwertüberschreitungen der Netzqualität (z.B. nach DIN EN 61000 2-2) vermieden und entsprechende Gegenmaßnahmen bereits in die Planungsphase der neuen Anlagen integriert werden.
Messkampagne zur Netzimpedanz
Um mehr über die frequenzabhängige Netzimpedanz zu erfahren, wurde im Rahmen einer Masterarbeit eine Messkampagne an verschiedenen Netzanschlusspunkten (NAP) im Niederspannungsnetz durchgeführt. Dabei wurde mit dem Netzimpedanzanalysator GIA der Firma NEO Messtechnik gearbeitet. Das Messgerät schaltet[AL1] eine definierte Last an dem [AL2] Anschlusspunkten zu und misst die Ströme sowie die Veränderungen der Netzspannung über ein breites Frequenzspektrum. Aus den Messgrößen bestimmt das Messgerät anschließend die frequenzabhängige Netzimpedanz bis zu einer Frequenz von 150 kHz berechnet werden. Die Messungen wurden alle 10 Minuten automatisiert durchgeführt, um Schwankungen der Netzimpedanz im Tagesverlauf zu untersuchen, die durch den Schaltzustand im Netz oder durch den Betrieb verschiedener Verbraucher und Erzeuger bedingt sein können.
Beispiel - Messung an einem Netzanschlusspunkt mit Schnellladesäulen
Ein Beispiel für diese Messungen ist ein Netzanschlusspunkt mit drei Schnellladesäulen. Aus den Messpunkten wurden vier verschiedene Zustände identifiziert, die sich durch die Anzahl der aktiven Ladesäulen unterscheiden (siehe Abbildung 2):
Abbildung 2: Repräsentative Netzimpedanzverläufe der Schnellladesäulen
Der blaue Verlauf stellt den Zustand ohne Ladevorgang dar.
Der rote Verlauf zeigt die Netzimpedanz bei einer aktiven Ladesäule.
Der gelbe Verlauf zeigt die Netzimpedanz bei zwei aktiven Ladesäulen.
Der türkise Verlauf stellt den Zustand mit drei aktiven Ladesäulen dar.
Es konnte keine Lastabhängigkeit innerhalb dieser Zustände festgestellt werden. Deutlich zu erkennen sind die Einflüsse der Schaltfrequenz der Ladeelektronik bei 18 kHz, 36 kHz, 54 kHz und 72 kHz. Diese Frequenzen führen zu Ausschlägen in der Netzimpedanz und dessen Winkel. Bei aktiver Ladeelektronik wurde eine Reduktion der Netzimpedanz im Frequenzbereich von 4 kHz bis 20 kHz beobachtet. Allerdings gab es auch Frequenzbereiche mit höheren Impedanzen als im Zustand ohne aktive Ladesäule. Zwischen 5 kHz und 35 kHz wurden zudem die Auswirkungen der Schaltzustände der Ladesäulen auf die Resonanzstellen sichtbar. Die Frequenz der Resonanzstellen verschob sich je nach Anzahl der aktiven Ladesäulen durch die Veränderung der Bauteilkonfiguration am Anschlusspunkt.
Erkenntnisse
Die Messungen zeigten, dass angeschlossene Verbraucher und Erzeugungsanlagen ab einer Frequenz von etwa 1 kHz Auswirkungen auf die Netzimpedanz haben. Bis zu dieser Frequenz ist die Netzimpedanz symmetrisch und wird von den Netzbetriebsmittel, wie den Transformatoren und den Kabeln dominiert. Die frequenzabhängige Netzimpedanz bleibt bei dreiphasigen Lasten symmetrisch, jedoch kann der Betrieb von einphasigen Verbrauchern diese Symmetrie stören.
Die Anzahl und Frequenz der Resonanzstellen hängt von den verwendeten Betriebsmitteln sowie den darin verbauten Induktivitäten und Kapazitäten ab. Bei manchen Messpunkten konnte beim Zuschalten von Leistungselektronik ein positiver Effekt auf die Netzimpedanz in bestimmten Frequenzbereichen beobachtet werden. Wenn jedoch die Resonanzstelle in Bereiche mit hohen Störaussendungen verschoben wird, könnten Grenzwertüberschreitungen auftreten. Die Messung der frequenzabhängigen Netzimpedanz ist daher wichtig, um unzulässige Betriebspunkte zu identifizieren und gezielte Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Sie ist ein nützliches Instrument, um Resonanzstellen im Netz zu analysieren und die Auswirkungen von leistungselektronischen Geräten wie Ladesäulen und Photovoltaikanlagen auf die Netzqualität zu bewerten. Dies hilft, die Netzstabilität zu gewährleisten und die Einhaltung von Netzqualitätsvorgaben sicherzustellen.
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