Blindleistung: Was ist Blindleistung und warum ist diese für das

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Blindleistung
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Blindleistung – Technische Anforderungen an die Erzeugungsanlagen
In den letzten Jahren und insbesondere in 2011 sind die Anforderungen an Erzeugungsanlagen im
Bereich Erneuerbare Energien hinsichtlich ihrer technischen Eigenschaften massiv und
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notwendigerweise gestiegen. Ein Begriff der dabei immer wieder fällt ist die Blindleistung. Da stellt sich
die Frage, was ist das und welche Bedeutung hat sie. (Hinweis an die Techniker: Hier soll ein Versuch
gemacht werden den komplexen Sachverhalt der Blindleistung in Zusammenhang mit der
Spannungshaltung zu verdeutlichen. Es wird kein Anspruch auf eine vollständig wissenschaftlich
korrekte Darstellung gelegt. Bitte seht es dem Autor nach.) Man kann die Frage eigentlich ganz kurz
beantworten, Blindleistung wird durch den Wechselstromtransport verursacht und wird dafür aber auch
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benötigt und das alles hat am Ende Einfluss auf die Spannung bei uns zu Hause an der Steckdose.
SolarWorld AG: Antrag auf
Summary Judgment
erstinstanzlich
stattgegeben
Im Rechtsstreit zwischen dem
Siliziumlieferanten Hemlock
Semiconductor Corp. und der
SolarWorld Industries
Sachsen GmbH, einer
Tochtergesellschaft der
SolarWorld AG, hat der United
States District Court for the
Eastern District of ...
Top-Thema | Donnerstag, 14 Juli
2016 | Kommentare
Warum ist die Spannungshaltung so wichtig?
Technisch sind die meisten elektrischen Geräte für eine bestimmte Spannung entwickelt.
Als einfaches Beispiel nehme man die Glühlampe. Bei zu hoher Spannung leuchtet diese
heller, wird aber eine geringere Lebensdauer haben. Bei zu niedriger Spannung leuchtet
die Lampe dunkler. Gleiche Anforderungen gelten für die meisten Verbraucher. Daher gibt
es technische Richtlinien und Gesetze, die für Energieversorger eine Spannungshaltung von +/-10%
vorschreiben.
Um jetzt Wechselspannung im elektrischen Netz zu verstehen, muss man sich dessen Struktur
ansehen.
Klassische Stromerzeugung
Deutschland und die meisten Ländern auf der Welt hatten und haben einen klassischen Ansatz für eine
elektrische Stromversorgung und diese basiert auf großen zentralen Erzeugungseinheiten, die den
Strom zu den Verbrauchern über lange Kabelstrecken bringen. Dies geschieht über verschiedene
Netzebenen, wie die folgende Abbildung anschaulich zeigt. Drohnenversicherung
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Abbildung 1: Netzebenen in einem klassischen Netz (Quelle: EWE Netz)
In solchen Netzen hat man ein relativ einfach zu regelndes System, da die erzeugte Leistung in ein
bekanntes System fließt. Der zeitliche Verlauf der benötigten Leistung kann sehr gut vorhergesagt
werden. Zudem ist der Lastfluss (wohin fließt die Leistung) immer nur in eine Richtung und zwar von
der höheren in die niedrigere Netzebene (Spannungsebene).
Netze mit zentralen und dezentralen Erzeugungsanlagen
Mit der dezentralen Stromproduktion über Photovoltaik-Anlagen, Windenergieanlagen, BHKWs
(Blockheizkraftwerke), Biomasseanlagen ändert sich dies. Dezentrale Anlagen sind in verschiedenen
Netzebenen angeschlossen, sowohl in den Hoch- und Höchstspannungsebenen aber auch in den
Niederspannungsortsnetzen. Weiterhin speisen viele dezentrale Erzeugungsanlagen (Windstrom und
Solarenergie) unstetig und je nach Wind und Sonneneinstrahlung ein. Dies hat zur Folge, dass erstens
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der Lastfluss aus höheren in niedrigere Spannungsebenen abnimmt und sich sogar umkehrt. Soll
heißen, dass Strom z.B. vom Ortsnetz in das Mittelspannungsnetz fließt. Ebenso kann erzeugter Strom
aus den Mittelspannungsebenen in die Übertragungsnetze fließen.
Abbildung 2: Netz mit Erzeugern aus erneuerbaren Energien (Quelle: DENA)
Ein wenig Theorie! (und endlich zum Thema)
Um das Verhalten der Spannung in den Netzen zu verstehen müssen einige elektrische Eigenschaften
beachtet werden.
Zum Ersten gilt, dass es einen Spannungsabfall vom Erzeuger hin zum Verbraucher gibt, dies gilt umso
mehr je mehr Verbraucher vorhanden sind, je weiter diese vom Erzeuger entfernt sind und je ‚dünner‘
die Kabel sind, die zum Verbraucher führen. Dieser hier erwähnte Spannungsabfall wird durch
elektrische Widerstände der elektrischen Komponenten, wie Kabel, Transformatoren, Schalter,
Anschlüsse etc., im Netz verursacht.
Die elektrischen Widerstände in Wechselstromsystemen sind nun von verschiedener Natur.
Ohmscher Anteil
Da ist der rein ohmsche Anteil, also der Widerstand, der durch ‚Reibung‘ der Elektronen in den
elektrischen Leitungen verloren geht. Hier gilt je höher die Last und je länger die Wege, umso höher der
Spannungsabfall.
Induktiver Anteil
Der induktive Anteil der Leitungswiderstände beruht auf dem Hintergrund, dass ein Magnetfeld um die
Leiter aufgebaut wird. Dieses benötigt aber Energie und resultiert darin, dass die Spannung dem Strom
vorauseilt. In einem Wechselstromsystem ändern sich die Vorzeichen von Strom und Spannung und
dieses Magnetfeld wird 50-mal pro Sekunde auf- und abgebaut. Bei diesem induktiven Anteil spricht
man auch von induktiver Blindleistung.
Kapazitiver Anteil
Der kapazitive Anteil wird durch die kapazitiven Eigenschaften von Leitungen verursacht. Man kann sich
jeden Leiter als Zylinderkondensator mit extremer Höhe (=Kabellänge) vorstellen. In einem
Kondensator fließt solange ein Strom, bis die Spannung vollständig aufgebaut ist, soll heißen hier läuft
der Strom der Spannung voraus. Auch hier passiert dies alles 50-mal pro Sekunde. Der kapazitive Anteil
wird auch als kapazitive Blindleistung bezeichnet. Abbildung 3: Blindleistung: Wechselstrom - Leistung und Arbeit (Quelle elektroniktutor.de)
Wichtig bei der oben gemachten Betrachtung ist, dass all diese Widerstände natürlich
leistungsabhängig sind.
In einem realen System haben all diese Anteile je nach Aufbau des Netzes und der vorhandenen
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Erzeuger und Verbraucher Einfluss auf die Spannung. Als kleine Zusammenfassung kann man
festhalten:
Lange Kabelstrecken verursachen einen Spannungsabfall auf Grund des ohmschen elektrischen
Widerstandes.
Je höher die übertragene Leistung in einem Kabel, umso höher der Spannungsabfall.
Erzeuger heben das Spannungsniveau an.
Kapazitive Komponenten (hauptsächlich lange Kabelstrecken) verursachen einen entsprechenden
kapazitiven Belag. Dieser nimmt zu, je weniger Leistung über diese Leitung übertragen wird. Dies liegt
daran, dass der auch vorhandene induktive Anteil abnimmt.
Induktive Komponenten (hauptsächlich Transformatoren oder auch Asynchrongeneratoren und
Motoren) verursachen einen induktiven Belag. Dieser nimmt mit zunehmender übertragener Leistung
zu.
Um ein paar Zahlen zu nennen. Das deutsche Netz hat ca. 1,8 Millionen km Leitungslänge und eine
bedeutende Anzahl von Transformatoren in den verschiedenen Spannungsebenen. Hinzu kommen
Millionen von Verbrauchen und mit dem massiven Ausbau der Erneuerbaren Energien, 23.000
Windenergieanlagen und >1 Million PV Anlagen, auch sehr viele Erzeuger. Zudem gilt gerade bei den
erwähnten Erzeugern, dass diese keine stetige Produktion liefern. PV Anlagen werden hauptsächlich in
den bisher wenig ausgeregelten Ortsnetzen installiert. Der Zubau der Erzeuger erfordert weiterhin
zusätzliche Kabelstrecken und insbesondere auch Transformatoren.
Zum Verständnis folgendes:
Bisher wurden z.B. Ortsnetztransformatoren so ausgelegt, dass auch der am entferntesten liegende
Verbraucher im gesetzlich vorgeschriebenen Toleranzfenster für die Spannung liegt. Dazu wurde die
Spannung am Trafo so eingestellt, dass der erste Verbraucher entsprechend der Toleranz eine höhere
Spannung hat, sagen wir statt 230V eben 240V. Auf Grund der Kabelstrecke und der dazwischen
liegenden Verbraucher senkt sich die Spannung bis zum letzten Verbraucher weiter ab. Trotzdem
bleiben wir auf Grund der Spannungsüberhöhung am Trafo in der Toleranz, obwohl die Spannung dort
vielleicht nur 220V ist. Wenn jetzt aber Erzeuger in diesem Ortsnetz hinzukommen, findet eine
Spannungsanhebung statt. Dies kann bei der entsprechenden Einstellung am Trafo dazu führen, dass
der erste Verbraucher eine Spannung höher als die erlaubten 253V sieht. Der Trafo muss also
entsprechend heruntergestuft werden. Wenn diese Erzeuger aber Schwankungen, wie im Falle der PV,
unterliegen, muss der Trafo je nach Erzeugungsleistung nachgeregelt werden.
Wie kann dies nun erfolgen? Grundsätzlich bestehen mehrere Möglichkeiten.
Einsatz von Stelltrafos mit Regelung. Dies erfordert Netzmessung und die entsprechende
Kommunikation hin zum Trafo.
Reduktion der eingespeisten Leistung. Das wird sicher niemand wollen.
Blindleistungsregelung an den Erzeugern, oder am Trafo. Dies bedeutet ebenfalls zusätzliche
Messungen und Regelungen.
Wenn man sich die oben genannten Punkte ansieht, kann die Lösung nur sein, dass intelligente Netze
geschaffen werden, die sich selbst je nach Verbrauch und Erzeugung ausregeln.
Wie sieht dies nun in den Verteil- und Übertragungsnetzen aus?
Die Spannungsschwankungen werden natürlich, wenn keine Kompensation stattfindet, in die oberen
Netzebenen übertragen. Je nach Netzbeschaffenheit mehr oder weniger. Nun kann man dem
entgegenwirken, indem man den Netzausbau vorantreibt, oder man nutzt auch hier eine intelligente
Spannungsregelung. Auch hier kann man sowohl eine Spannungsregelung über Stelltrafos als auch
über die Blindleistung realisieren. Hier muss man aber noch eins erwähnen. Die Spannungsreglung
am Trafo verhindert aber nicht das Fließen von Blindstrom. Das Problem dabei ist, das Blindleistung
einen Blindstrom verursacht, und dieser Blindstrom ist leider so, dass er in den Leitungen fließt und
diese daher blockiert. Da man aber Leitungen für den Transport von Wirkstrom benötigt (eine Lösung
wäre ein Netzausbau), versucht man die Blindleistung zu kompensieren. Dies kann an den
Übergabepunkten passieren, an Erzeugungsanlagen (Vorgaben des Netzbetreibers) oder in der
übergeordneten Netzebene. Dabei muss man noch beachten, dass Blindleistungsbezug oder auch das
Einspeisen ökonomische Aspekte hat, da Netzbetreiber dafür zur Kasse bitten.
Ein wichtiger Aspekt bleibt noch. Und zwar besteht die Möglichkeit mehr Leistung über ein Kabel zu
transportieren, indem die Spannung angehoben wird. Diese Spannungsanhebung wird von den
Übertragungsnetzbetreibern über Einspeisung von Blindleistung realisiert. Auch hier werden natürlich
die darunterliegenden Netzebenen beeinflusst. Eine hohe kapazitive Blindleistung in den oberen
Netzebenen belastet natürlich die darunterliegenden Netze, insbesondere, wenn dort wiederum viele
Erzeuger einspeisen.
Zusammenfassend und zum Abschluss kommend, kann festgehalten werden, dass die Anforderungen
an die Regelbarkeit der Blindleistung und damit der Spannung aus dem komplexen Zusammenspiel
zwischen Erzeugern, Verbrauchern, Übertragungssystemen und elektrischen Komponenten resultieren.
Und für alle die diesen Artikel zu komplex finden eine einfache Erklärung für Blindleistung (Quelle:
ip-symcon.de)
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