Innovative und wirtschaftliche »Systemlösungen« im Zeitalter der Transformation der Energienetze

Durch die Transformation der Energiewirtschaft von einer zentralisierten Struktur hin zu einer dezentral geprägten Energieversorgung, entstehen komplexe Energienetze mit volatilen Lastflüssen und wechselnden Lastflussrichtungen. Netzrückwirkungen müssen auf ein verträgliches Maß reduziert werden, um Störungen zu vermeiden. In diesem Zusammenhang wachsen konventionelle beziehungsweise nicht-konventionelle Wandler und Power Quality Messtechnik zusammen, und zwar zur innovativen und wirtschaftlichen »Systemlösung« mit Blick in die Zukunft.

Der Wandel in der Erzeuger-, Transport-, Verteil- und Verbraucherstruktur der mitteleuropäischen Energienetze, auch in weiteren Teilen der Welt, nimmt Fahrt auf. In Deutschland strebt die Bundesregierung mit ihrem Koalitionsvertrag den Ausstieg aus der Kohleverstromung bis 2030 an, wobei der Kernenergieausstieg verabschiedet bleiben soll. Des Weiteren sollen die Bundesländer 2 % der Flächen für Windenergie bereitstellen. Parallel dazu wird Solarenergie auf Dachflächen gewerblicher Neubauten verpflichtend.

Durch all diese Maßnahmen werden Großkraftwerke, die eine zentralisierte Energieerzeugung darstellen, Zug um Zug durch zahlreiche, dafür kleinere, dezentrale Erzeuger ersetzt. Selbige speisen in der Regel mithilfe von leistungselektronischen Komponenten in allen Netzebenen vom Niederspannungshausanschluss bis hin zum Höchstspannungsnetz ein.
Darüber hinaus gibt es immer mehr Verbraucher auf dem Markt, die im Rahmen der Energieeffizienzsteigerung ebenfalls leistungselektronische Elemente verbaut haben. Daraus entsteht ein komplexes Energienetz mit volatilen Lastflüssen und wechselnden Lastflussrichtungen. Die nicht-lineare Eigenschaft der leistungselektronischen Komponenten führt zu Netzrückwirkungen in den Energienetzen und ist die Hauptursache von höherfrequenten Spannungs- und Stromkomponenten in Energienetzen.

Die sich daraus ergebende Veränderung bei den Netzrückwirkungen, zum Beispiel Oberschwingungsspannungen/-strömen und Flicker, muss auf ein verträgliches Maß begrenzt werden, um Störungen zu vermeiden. Aus der Erzeuger- und Verbraucherstruktur ergeben sich zahlreiche Übergabe- und Verrechnungsstellen, die hinsichtlich der Gewährleistung der Spannungsqualität neuralgische Punkte darstellen.
Das im Folgenden dargestellte Beispiel aus einer Messung bei TenneT im Übertragungsnetz zeigt exemplarisch die Veränderung einzelner Oberschwingungspegel über fünf Jahre im Vergleich zum Jahr 2017. Dabei wurden die maximalen 95 %-Quantile einer Woche verglichen. Gezeigt sind in Bild 1 lediglich die Oberschwingungsordnungen mit bewertungsrelevanten Messpegeln. Es zeigt sich, dass sich durch die Veränderungen im Netz – zum Beispiel durch den Neuanschluss von leistungselektronischen Komponenten oder einer Veränderung der Netztopologie – signifikante Veränderungen in den Messpegeln ergeben können.

Um Oberschwingungspegel und den THD-Faktor (Total Harmonic Distortion) bestimmen zu können, sind Power-Quality-Messgeräte erforderlich, die bereits heute höherfrequente Spannungs- und Stromkomponenten bis in den Bereich der Supraharmonischen aufzeichnen. Weiterhin können diese Geräte zum Beispiel mittels eingebauter Transienten-Interfaces mit bis zu 40,96-kHz-Abtastrate bei der Störungsanalyse unterstützen.

Neben der genannten Zunahme an Oberschwingungsemittenten besitzt jedes Energienetz auch Parallel- und Reihenresonanzen, die sich mit steigender Frequenz, beginnend mit einer Parallelresonanz, abwechseln. Oberschwingungen können diese Systeme anregen, die dann zu erheblichen Störungen wie Geräuschen, Beschädigungen an Betriebsmitteln oder Interaktionen mit leistungselektronischen Betriebsmitteln führen können.

Praxiserfahrungen zeigen, dass die zuvor genannten Phänomene verstärkt auftreten. Dies kann unter anderem auf die veränderte Erzeuger- und Verbraucherstruktur, aber auch auf den Zubau von Teilverkabelungsabschnitten, zurückgeführt werden.

Ein definiertes Übertragungsverhalten der installierten Strom- und Spannungswandler ist sowohl für die Fehlersuche, als auch für eine Überwachung der Grenzwerte eine Voraussetzung. Grundsätzlich müssen PQ-Norm-Messgeräte gerichtsfeste, aber auch rückführbare Daten liefern. Daher beschreibt die Messgerätenorm IEC 61000-4-30 für Klasse-A-Geräte vollständig die Aggregation und die Genauigkeit der Messdaten. Die Genauigkeit der Messeingänge muss <0,1 % betragen, die der Oberschwingungsmessung <5 %.

Die gesamte Messkette muss beachtet werden

Das Bindeglied zwischen PQ-Messgerät und Energienetz ist die Wandlung der Strom- und Spannungssignale. Oft werden konventionelle, nach IEC 61869-2, -3, -4 oder -5 geprüfte Strom- und Spannungswandler verwendet. Die Problematik hierbei ist, dass diese Wandler für einen Betrieb bei Nennfrequenz ausgelegt und geprüft sind und somit ihr Frequenzübertragungsverhalten eine akkurate Erfassung von Harmonischen höherer Ordnung und auch Supraharmonischen nicht mit ausreichender Genauigkeit ermöglicht. Demnach bleibt die Frequenzabhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses oft unberücksichtigt.

Dieses Vorgehen birgt aber große Unsicherheiten, da präzise Aussagen über das frequenzabhängige Übersetzungsverhältnis nur mittels aufwendiger Messverfahren, oft erst nach Störungen, begutachtet werden können. Es stellt sich somit die Frage, mit welcher Technologie von Primärgeräten eine adäquate Spannungsmessung über ein sehr breites Frequenzspektrum durchgängig durchgeführt werden kann.

Während Stromwandler wie in Abbildung 2 gezeigt ein relativ breitbandiges Frequenzverhalten aufweisen, ist dieses gerade bei den induktiven Spannungswandlern, aufgrund der Eigenresonanzstellen, stark eingeschränkt (Abbildung 3), sodass diese den Anforderungen für die Messung der Power Quality nicht genügen. Ferner kommt hinzu, dass diese Eigenresonanzstellen mit zunehmender Systemspannung näher zur Netzfrequenz wandern und so die Tauglichkeit für die PQ-Messung stärker beschnitten wird (siehe IEC/TR 61869-103). Daraus resultiert die Anforderung für ein alternatives Messprinzip.

Resistive-kapazitive-Spannungsteiler, kurz RC-Teiler, bieten sich hierfür aufgrund ihres exzellenten Frequenzgangs an und kommen meistens in Höchst- und Hochspannungsnetzen zum Einsatz.

Mittels passender Abstimmung dieser Primärkomponenten mit den in Abbildung 4 gezeigten elektrischen Messgrößen ist es möglich, eine Genauigkeitsklasse 0.2 im Frequenzbereich von 0 bis 10 kHz zu erreichen.

Power-Quality-Messungen im Übertragungsnetz der TenneT

Beim Übertragungsnetzbetreiber TenneT werden immer mehr nicht-linieare Erzeuger und Verbraucher wie HGÜ, STATCOM, Batteriespeicheranlagen, Elektrolyseanlagen oder Windparks schon heute und künftig vermehrt an das Höchstspannungsnetz angeschlossen.

Die Technische Regel VDE-AR-N 4130 für den Anschluss von Kundenanlagen an das Höchstspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Höchstspannung) sowie die Technische Regel VDE-AR-N 4131 für den Anschluss von HGÜ-Systemen und über HGÜ-Systeme angeschlossene Erzeugungsanlagen (TAR HGÜ) fordern unter anderem Obergrenzen für die Einspeisung von Oberschwingungskomponenten und Anteilen oberhalb des Oberschwingungsfrequenzbereichs bis 9 kHz am Netzverknüpfungspunkt. Dabei müssen die zulässigen Emissionen zwischen den Anschlussnehmern koordiniert und mit geeigneten Verfahren eine Nachweisführung durchgeführt werden.

Die Messungen am Netzknoten mit nicht-linearen Erzeugern und Verbrauchern erfolgen heute mittels festinstallierten RC-Teilern und den Power-Quality-Messgeräten PQI-DA smart (oder PQI-DE). Die Impedanz der beiden Geräte ist einschließlich der eingemessenen Kabellänge aufeinander abgestimmt, um eine bestmögliche Messgenauigkeit zu erhalten.

Weiterhin sind im Höchstspannungsnetz vermehrt temporäre Messaufgaben mit einer erhöhten Genauigkeit für Power-Quality-Messungen oder für das Aufzeichnen von transienten Schaltvorgängen durchzuführen.

Dies sind beispielsweise:

• Ermittlung der Hintergrundharmonischen für die Koordinierung der Oberschwingungen in der Planungsphase von Projekten mit Neuanschlüssen von nicht-linearen Erzeugern und Verbrauchern
• Inbetriebnahmen von neuartigen Betriebsmitteln
• Temporäre Untersuchungen im Rahmen von Inbetriebnahmen neuer Netzabschnitte

Hierzu hat TenneT bereits zwei mobile Messsysteme im Einsatz.

Diese mobilen Messsysteme bestehen aus einem auf einem Anhänger montierten RC-Teiler und einem speziellen Aufbau mit der installierten Mess- und Kommunikationstechnik für die Anbindung an das Nachrichtennetz. Dies ermöglicht in Verbindung mit den vorkonfektionierten Anschlusskabeln eine qualitativ gleichwertige Messung im Vergleich zum fest installierten Messsystem.

Abbildung 5 zeigt den mobilen RC-Teiler von PFIFFNER Messwandler in der Praxis und Abbildung 6 die Messgeräte PQI-DA smart und PQI-DE von A. Eberle im Systemverbund zur Erfassung der Power Quality.

Die Störschreiber und Power-Quality-Netzanalysatoren PQI-DA smart und PQI-DE sind die zentralen Komponenten in einem System, mit dem alle Messaufgaben in einem Nieder-, Mittel- sowie Hoch- und Höchstspannungsnetz gelöst werden können (Abbildung 7).

Die Analysatoren können als Störschreiber mit bis zu 40,96 kHz Abtastrate als Power-Quality-Messgeräte nach EN50160/IEC 61000-2-2/4 oder als Leistungsanalysator eingesetzt werden. Vor allem sind die Komponenten dafür geeignet, spezielle Bezugsqualitäten oder Qualitätsvereinbarungen zwischen dem Energieversorger und seinem Kunden zu überwachen, zu registrieren und zur Auswertung beziehungsweise Speicherung bereitzustellen.
Moderne Spannungsqualitätsmessgeräte arbeiten nach
der Norm IEC 61000-4-30, Ed. 3 (Klasse A). Diese Norm
definiert Messmethoden, um für den Anwender eine vergleichbare Basis zu schaffen.

Das Beispiel in Abbildung 8 aus einer Messkampagne mit dem beschriebenen, mobilen Messsystem zeigt Messergebnisse der 200-Hz-Bänder im Frequenzbereich oberhalb der 40. Harmonischen bis 9 kHz entsprechend dem Messverfahren der DIN EN 61000-4-7.

A. Eberle und PFIFFNER Messwandler, natürlich im Teamwork mit Energieversorgern wie TenneT, haben die Zeichen der Zeit frühzeitig erkannt und entsprechend gehandelt. Die Weichen für zukunftsfähige Lösungen sind gestellt.