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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
Nutzen und Funktion der Oberschwingungskompensation im Verteilnetz mit Hilfe der intelligenten
Ladesäule - IWKM 2014 - L. Rauchfuß, R. Werner, J. Foulquier - [email protected]
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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
Nutzen und Funktion der Oberschwingungskompensation im Verteilnetz mit Hilfe der intelligenten
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2
Rolle der Intelligenten Ladesäule im
Energienetz
Klimaziele, Energiewende, Ölverknappung
Energieeffizienz
Leistungselektronik
OS Erzeugung
Erneuerbare Energie
Smart Grid
Elektromobilität
Synergie nutzen
Funktionen der Intelligenten Ladesäule
Dezentrale Regelung der
Netzspannungsqualität
Reichweite der E-Fahrzeuge
erhöhen
• Blindleistungseinspeisung
• OS Kompensation
• Netzstützung
• schnell laden mit
sinusförmige Stromentnahme
OS = Oberschwingung
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Problematik: zunehmend
Oberschwingungserzeuger
33% leistungselektronische
Lasten im Haushalt
Verbesserung der Energieeffizienz
verbreiteter Einsatz der Leistungselektronik
D
Steigerung der Oberschwingungserzeugung
„eine Zunahme der Oberschwingungspegel wird erwartet“
THDu Grenzwert: (5%)  8%  (11%)
Quelle: IEC 61000-2-2
Ω
Quelle: Mombauer 2008
THDu: +1% pro 10 Jahr.
6
5
UK LV
5. OSu
4
3
2
1977
1993
Quelle: EURELECTRIC 2002
1979
1999
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Problematik: zunehmend
Oberschwingungserzeuger
Erzeugung OS-Ströme
+ Netzimpedanz
Bsp.: leistungselektronische Betriebsmittel,
Transformatoren, Leuchtstofflampen ...
= verzerrte Netzspannung
𝑅𝑛𝑛𝑛𝑛 𝐿𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑖𝑑
𝑢
𝑢𝑛𝑛𝑛𝑛
u_d
u
i_d
Portunus Simulation
B2
𝑢𝑑
𝐶R
OS-Strom eines Laptops
P = 101W
S = 202VA
THDi = 164%
Strom [A]
~
OS Erzeuger
haben nichtlineare U-I Kennlinie
Quelle: W.L. Kling 2010
Ordnung
OS = Oberschwingung
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Theoretische Betrachtung der
Oberschwingung im Netz
nichtlineare U-I Kennlinie:
 Linearisierung am Arbeitspunkt
OS-Erzeuger: U-Quellen-Charakter
𝐼𝐷
 OS-Frequenzen sind korreliert
 Gleichzeitige Betrachtung des
0
gesamten Spektrums
► Komplexe Berechnungen
𝑈𝐷
Quelle: Liu 2012
► Unterschiedliche Voraussagen
OS-Erzeuger speisen Oberschwingungsströme ein
𝑈𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑍𝑛𝑛𝑛𝑛,1
𝑖1
Grundschwingung
𝑍𝑙𝑙𝑙𝑙,1
OS = Oberschwingung
𝑍𝑛𝑛𝑛𝑛,5
𝑖5
Oberschwingung
𝑍𝑙𝑙𝑙𝑙,5
𝑈𝑙𝑙𝑙𝑙,5
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Definition der Oberschwingungen
• periodische & statische Verzerrungen
• Zwischenharmonische / Harmonische  Ordnung: 𝝂
• netzsynchrone Messung, Fourier Transformation
• stehende Zeiger (𝑢�𝜈 , 𝜑𝜈 ) in rotierenden d-q Koordinaten
System (Ordnung)
L1
L2
L3
𝑗q
𝜈 ∙ 𝑓𝑁𝑁𝑁𝑁
𝑢�𝜈
𝜑𝜈
d
Bsp.
Mitsystem (1. 4. 7. ...)
50Hz
Gegensystem (2. 5. 8. ...)
100Hz
Nullsystem (3. 6. 9. ...)
150Hz
OS = Oberschwingung
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Oberschwingungen bei vermarkteten
Ladestationen
Leistung
Anschluss
Schaltung
THDi
3,5 kW
1 Phase
Wechselrichter
4%
3,5 kW
1 Phase
Gleichrichter
102%
11kW
3 Phase
Gleichrichter
116%
50kW
3 P. + N
Wechselrichter
12%
11kW Prototyp
3 Phase
Wechselrichter
2%
𝑇𝑇𝑇𝑇 =
2
∑40
𝜈=2 𝑖𝜈
𝐼
𝑖𝜈 = 𝜈�𝐼
1
Quelle: Efacec, J.Meyer 2011
IEC 61851: Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge
Oberschwingungsgrenzwerte:
• Ladesäule muss IEC 61000-3-3 oder IEC 61000-3-12 erfüllen
OS = Oberschwingung
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OS Grenzwerten / Auswirkung
1) strengere OS Strom Grenzwerte
Eingangsstrom
> 16A
< 16A
< 75W
2) lockere OS Spannung Grenzwerte
OS Grenzwerte
prozentual
absolut
keine
3) Kompensation der OS-Ströme im
Niederspannungsnetz mit Aktivfiltern
OS-Filter
Auswirkung der Oberschwingungen








1) OS-Grenzwerte für OS-Erzeugern
Belastung des Netzes, erhöhter Verlust
Verzerrungsblindleistung
Verringerung des Leistungsfaktors
Resonanz & Überspannungen
Verkürzung der Lebensdauer
Neutralleiterbelastung
Überhitzung von Transformatoren
Fehlauslösung von Schutzschaltern
Aktiv
Passiv
2) OS-Grenzwerte für das Niederspannungsnetz
12
Effektivwert in V
Lösungen
Zunahme der Oberschwingungspegel
THDu < 8% (11%)
8
4
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24
Ordnung
OS = Oberschwingung
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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 
i1
Netz
iOS
Gleichrichter
Netz
u1
uOS
Gleichrichter
Aktivfilter
Aktivfilter
Der meiste Strom fließt
Der größte Spannungsabfall liegt
durch die kleinste Impedanz.
über der höchsten Impedanz.
 Kompensation von Spannungsoberschwingungen
als Zusatzfunktion von Wechselrichtern
OS = Oberschwingung
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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
DSP
Leitung 1
Intelligente
Ladesäule
Daten
400V
3~
Netz
Leitung 3
OS = Oberschwingung
ih
𝐢𝐡
ih
ih
Leitung 2
Verbraucher
Die intelligente Ladesäule reduziert die OS-Spannungen mit optimaler Phase
und Amplitude durch Einprägung eines ausgewählten gegenphasigen OSStromes
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Intelligente Ladesäule
Kompensation der OS Spannungen
𝑖𝜈
𝜑𝑖
𝜑𝑧
𝑢𝑐
𝑗q
𝜑𝑐
𝑢𝜈,𝑐
𝑢𝜈
𝜑𝑢
Zeigerdiagram der idealen Kompensation
Phase
Regelung:
𝜑𝑐 = 𝜑𝑢 ± 180°
Amplitude
Regelung:
Spannung < Grenzwert
𝜑𝑖 = 𝜑𝑢 ± 180° − 𝜑𝑧
PC
d
𝑢𝜈,𝑐
𝑖𝜈
𝑍𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑢𝑐
Ladesäule
LV-grid
𝑢𝜈
Ersatzschaltbild der OS-Kompensation
OS ohne Kompensation
OS mit Kompensation
Kompensationsstrom
Kompensationsspannung
Netzimpedanz
Messwert
Schätzwert
Die OS Messung ermöglicht die phasengenaue Synchronisierung des
Kompensationsstroms der Ladesäule mit den Spannungsoberschwingungen
des Netzes
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Intelligente Ladesäule:
Regelungstopologie
uabc
Netz
uabc
Nachbildung der
Netzspannung
Bidirektionaler Energiefluss
und Phasenschieberbetrieb
ia
α-β
3
GDFT
4
i1
i1∗
_
ua 50Hz uOS
Filter
Kompensation einer OS
uα𝛽
ia
ua
+
PLL
ei,1
GDFT
9
iν
_
5
GDFT
7
8
ei,𝜈
θu
u𝜈
u1∗
𝜑�𝑍,𝜈
6
u∗𝜈
iabc
Ld
inv.
d-q1
1
u1∗
11
PWM
2
i∗𝜈
10
∗
inv. u𝜈
d-qν 12
Der Phasenschieberbetrieb und die OS Kompensation können gleichzeitig und
ohne E-Fahrzeugbatterie betrieben werden
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Messergebnisse : Kompensation der 11. OS
Spannung des Netzes
50Hz
550Hz
50Hz
550Hz
2,16V
1.95V
53%
Kompensation
Kein Kompensation
11. OS Amplitude
0.92V
Kompensation ist AN
0,22V
Die Wirksamkeit der Kompensation der OS Spannungen ist mit einem 11kVA
Prototyp der Ladesäule überprüft
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Messergebnisse: OS Kompensation
3~Spannungen
3~Spannungen
3~Strom
3~Kompensationsstrom
4,46V
1,9V
1,05V
1,35V
1,1V
eff
0,65V
0,55V
0,24V
0,45V
0,15V
0,04V
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
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13.OS Amplitude [V]
Messergebnisse: 13. OS Kompensation,
Einschwingen der Phasenwinkelregelung
AUS
AN
AUS
AN
AUS
AN
AUS
Strom Phase [°]
AN
Zeit [s]
•
Regelung stellt den optimalen Phasenwinkel ein
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OS Kompensation & Scheinleistung
Oberschwingungen setzen fast ausschließlich Verzerrungsblindleistung 𝑄𝑑 um.
Wirkleistung P kann nur zwischen
Strömen und Spannungen gleicher
Frequenz umgesetzt werden.
Leistungsfakor:
𝑃
𝜆=
𝑆
Scheinleistung:
𝑆=
•
•
𝑃2 + 𝑄1 2 + 𝑄𝑑 2
Verschiebungsfaktor:
𝑃
cos 𝜑1 =
𝑆1
Scheinleistung ist quadratisch proportional zu THD
Der Wirkungsgrad der Kompensation ist höher bei starken Verzerrungen
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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
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