Netzschonende Blind- leistungskompensation - STZ-AL

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ANTRIEBS- & SCHALTTECHNIK
Auf der Niederspannungsebene installierte
Kompensationsanlagen sollen die Blindleistung
ausgleichen. Allerdings können deren Schalt­
handlungen die Funktionsweise von empfind­
lichen Verbrauchern beeinträchtigen
Netzschonende Blindleistungskompensation
Die Installation von Blindleistungskompensationsanlagen in Industrienetzen erfolgt meist auf der Niederspannungsebene. Deren Schalthandlungen verursachen
schwach gedämpfte Einschwingvorgänge, welche empfindliche Verbraucher in der
Funktionsweise beeinträchtigen können. Mithilfe eines von der HTW Aalen [1] und
Schäfer Elektronik [2] entwickelten Zuschaltverfahrens kann man die Einschwingvorgänge vermeiden und damit die Netzqualität verbessern. Das neue Verfahren
ermöglicht es, eine hochdynamische Kompensation mit häufigen Schalthandlungen des Blindleistungskompensators zu realisieren.
Text: Heinrich Steinhart, Matthias Hauber, Swen Bosch
ie meisten industriellen Verbraucher, wie elektrische AnD
triebe, wirken ohmsch-induktiv. Sie beziehen induktive
Blindleistung aus dem Netz, welche die Übertragungseinrichtungen, wie zum Beispiel Leitungen und Transformatoren, zusätzlich zur Wirkleistung belasten. Die Installation
von ortsnahen Blindleistungskompensationsanlagen sorgt
dafür, dass die Blindleistung nur noch zwischen Kompensator und den Verbrauchern pendelt. Dies entlastet einerseits
die Energieversorgungsnetze und reduziert andererseits den
CO2-Ausstoß.
Besonders hohe Anforderungen an das Ansprechverhalten einer Kompensationsanlage stellen Lasten mit fluktuierender Wirk- und Blindleistungsaufnahme, wie Aufzugs-
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anlagen, Schweißgeräte oder Pressen. Um deren Blindleistungsbedarf kompensieren zu können, bedarf es einer hochdynamischen Regelung, die die Blindleistungsaufnahme am
Übergabepunkt auf den gewünschten Leistungsfaktor bzw.
cos ϕ einregelt.
Aufbau einer Kompensationsanlage
Neben den nötigen Schutzeinrichtungen, wie Sicherungen,
besteht eine Kompensationsanlage (Bild 1) im einfachsten
Fall aus elektronischen oder mechanischen Schaltern, über
welche die Kondensatoren auf das Netz aufgeschaltet werden
können. Häufig erfolgt eine binäre Abstufung der Kondensatorbatterien (1C/2C/4C).
3
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3
Verbraucher 1
V
Übergabepunkt
Verbraucher 2
C
2C
4C
Kondensatorbatterien
…
Netz
Verbraucher n
Regeleinrichtung
01  Beispielhafter Aufbau einer Kompensationsanlage
40
A
20
10
0
I −10
−20
−30
−40
40
A
20
10
0
I −10
−20
−30
−40
0,03
Mögliche Schaltgeräte
und Zuschaltverfahren
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
t
0,09
0,1
0,11
s
0,13
02  Ströme einer Phase beim Zuschalten der ungeladenen (oben) beziehungsweise
der geladenen (unten) Kompensationskondensatoren ans Netz
Leiter L
T
Thyristormodul
mit Ansteuerung
L
D
Leiter L1
C
N
RLade
C
ü
Kompensationszweig
4
Da netzparallele Kondensatoren
dazu neigen, mit der Netzimpedanz
in Resonanz zu geraten, werden sie
verdrosselt. Als Kennwert dient der
Verdrosselungsfaktor p, der das Verhältnis der induktiven zur kapazitiven
Reaktanz beschreibt. Die Resonanzfrequenz des so entstehenden Reihenschwingkreises ist so zu wählen,
dass sie unterhalb der niedrigsten vorkommenden Spannungsoberschwingung liegt, welche in der Projektierungsphase der Kompensationsanlage
durch eine Netzanalyse ermittelt wird.
Die Verdrosselung dient damit zum
Schutz der Kondensatoren vor unzulässig hoher Stromoberschwingungsbelastung. Die Grenzwerte hierzu
definiert die Norm DIN EN 60831-1
(VDE 0560-46) [3].
03  Schematische
Darstellung der
Ladeschaltung mit
Transformator
Die Zuschaltung der Kondensatoren
kann über mechanische oder elektronische Schalter erfolgen. Da der Schaltzeitpunkt bei mechanischen Schaltern
(Schütze) nicht genau definiert werden kann, treibt die auftretende Spannungsdifferenz zwischen der Netzspannung und der vorhandenen Restspannung des Kondensators einen hohen
Einschaltstrom, der im Wesentlichen
durch die Verdrosselung begrenzt wird.
Zudem ergeben sich schwach gedämpfte einschwingende Vorgänge. Durch
Verwendung elektronischer Schalter –
in der Regel Thyristoren – lassen sich
die Kondensatoren zu einem genau definierten Zeitpunkt zuschalten. Dieser
ist so zu wählen, dass die Kondensatorspannung genau der Netzspannung
entspricht. Dadurch lässt sich der hohe
Einschaltstrom vermeiden, allerdings
treten auch hier einschwingende Vorgänge auf (Bild 2 oben).
Besser ist es die Kondensatoren auf
den Scheitelwert der Kondensator­
spannung zu laden und sie zum Zeitpunkt des Scheitelwerts der Netzspannung zuzuschalten. Dann ergeben sich keine einschwingenden Vorgänge mehr, da der Kondensatorstrom
zu diesem Zeitpunkt ohnehin seinen
natürlichen Nulldurchgang besitzt und
sich somit nach dem Zuschalten die
Schaltung sofort in einem stationären,
eingeschwungenen Betriebszustand befindet (Bild 2 unten).
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Vorladen der Kompensations­kondensatoren
Bei einer Verdrosselung der Kondensatoren entsteht durch
die LC-Reihenschaltung eine Spannungsüberhöhung am
Kondensator, die vom Verdrosselungsgrad p abhängig ist.
Dadurch wird eine separate Einrichtung zur Vorladung beziehungsweise zur Ladungserhaltung benötigt. Diese kann
auf verschiedene Arten ausgeführt sein:
·· Hochsetzsteller: Als Eingangsspannung kann eine externe
Hilfsspannung oder die gleichgerichtete Netzspannung
verwendet werden. Hierbei ist die Verwendung zusätzlicher aktiver Elektronik notwendig.
·· Spannungsverdoppler: Die passive Variante kann zum
Beispiel als Villard- oder Delon-Schaltung ausgeführt
sein. Bei beiden Varianten ist die Ausgangsspannung
doppelt so hoch wie der Scheitelwert der Eingangsschaltung. Die Ausgangsspannung wird hier über einen nachfolgenden Spannungsteiler eingestellt.
·· Transformator: Zum Beispiel ein Einphasen-Steuertransformator mit anschließender Gleichrichtung.
Bild 3 zeigt exemplarisch den Aufbau eines Kompensa­
tionszweigs einschließlich der Ladeschaltung. Die Vorladung
beziehungsweise die Ladungserhaltung der Kondensatoren
erfolgt über Dioden, welche für den doppelten Scheitelwert
der Kondensatorspannungen auszulegen sind, und über
Lade­widerstände, die zur Strombegrenzung bei ungeladenen
oder ans Netz geschalteten Kompensationskondensatoren
dienen.
Das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators kann
man so wählen, dass die Leerlaufspannung dem Scheitelwert
der Kondensatorspannung entspricht. Die Leerlaufspannung liegt hier im Fokus, da aufgrund der hochohmigen
Ladewiderstände der Transformator quasi nicht belastet
wird. In der Praxis empfiehlt es sich, die Leerlaufspannung
etwas höher zu wählen und die Kondensatorspannung über
einen Spannungsteiler zwischen dem Ladewiderstand sowie
einem dem Kondensator parallel geschalteten Widerstand
einzustellen. Dieser dient damit auch als Dauer-Entlade­
widerstand beim Abschalten der Anlage, wie es die DIN
VDE 0560-1 [4] definiert.
Die zeitlich korrekte Zuschaltung der Kompensationskondensatoren erfordert eine Erfassung der Netzspannungen. Um sofort den stationären, eingeschwungenen Zustand
zu erreichen, bedarf es bei unverdrosselter Ausführung einer
Zuschaltung der vorgeladenen Kondensatoren zum Zeitpunkt des Scheitelwerts der Netzspannung. Ist eine Verdrosselung installiert, so ändert sich die Phasenverschiebung
zwischen Kondensatorstrom und Netzspannung im stationären Zustand. Der Zeitpunkt der Zuschaltung müsste je
nach Verdrosselung angepasst werden. In der Praxis kann
man dies aber aufgrund der geringen Phasenverschiebung
sowie der geringen zeitlichen Änderung der Netzspannung
um den Scheitelpunkt vernachlässigen.
lungen würden die Rückwirkungen der herkömmlichen
Zuschaltverfahren das Netz mit Verzerrungsleistung belasten.
Abhängig von den verwendeten Algorithmen zur Leistungsberechnung kann die auf einem Mikrocontroller oder
einem digitalen Signalprozessor implementierte Blindleistungsregelung innerhalb einer Netzperiode reagieren und bedarfsgerecht Kondensatoren auf das Netz aufschalten. Durch
das beschriebene Zuschaltverfahren ist es möglich, den Blindleistungsbedarf ohne einschwingende Vorgänge und ohne zusätzliche Netzrückwirkungen zu kompensieren. Es entstehen
keine Beeinträchtigungen empfindlicher Verbraucher. (no)
Literatur
[1]Hochschule Aalen - Technik und Wirtschaft, Aalen:
www.htw-aalen.de
[2] Schäfer Elektronik GmbH, Achern: www.schaeferpower.de
[3]DIN EN 60831-1 (VDE 0560-46):2003-08 Selbstheilende Leis­
tungs-Parallelkondensatoren für Wechselstromanlagen mit
­einer Nennspannung bis 1 kV – Teil 1: Allgemeines - Leis­
tungsanforderungen, Prüfung und Bemessung – Sicherheits­
anforderungen ­– Anleitung für Errichtung und Betrieb. Berlin ·
Offen­bach: VDE VERLAG
[4]DIN VDE 0560-1 (VDE 0560-1):1969-12 Bestimmungen für Kon­
densatoren – Allgemeine Bestimmungen. Berlin · Offenbach:
VDE VERLAG
Autoren
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Steinhartlehrt an der HTW
Aalen in den Bereichen elektrische Antriebstech­
nik, Leistungselektronik und Sensorik & Aktorik.
[email protected]
B. Eng. Matthias Hauberist wissenschaftlicher
Mitarbeiter im Labor für elektrische Antriebstech­
nik und Leistungselektronik der HTW Aalen.
[email protected]
M. Sc. Swen Boschist wissenschaftlicher Mitar­
beiter im Labor für elek­trische Antriebstechnik
und Leistungselektronik der HTW ­Aalen.
[email protected]
Hochdynamische Kompensation
Vor allem der Blindleistungsbedarf von Verbrauchern, wie
Schweißgeräten oder Pressen, stellt einen hohen Anspruch
an die Dynamik der Kompensation, da hier für die Dauer
weniger Netzperioden bis zu einigen Sekunden hohe Blindströme auftreten. Durch die hohe Anzahl an Schalthand-
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