Forschungsprojekt Leistungs- und Kommunikationstechnik verbessern die Spannungsqualität

Redakteur: Gerd Kucera

Durch zunehmende dezentrale Einspeisung von Strom (etwa durch Photovoltaik, Windkraft oder Blockheizkraftwerke) ins Verteilnetz (400-V-Netz) gelangen elektrische Energieversorgungsnetze immer mehr an die Grenzen ihrer Belastungsfähigkeit.

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Prof. Dr.-Ing. Graß: „Störaussendungen der Verbraucher verschlechtern zunehmend die Spannungsqualität.“
Prof. Dr.-Ing. Graß: „Störaussendungen der Verbraucher verschlechtern zunehmend die Spannungsqualität.“
( Archiv: Vogel Business Media )

Bei hohen Einspeiseleistungen insbesondere in ländlichen Gebieten kehrt sich der Leistungsfluss in den Netzen häufig um und es entstehen unzulässig hohe Spannungen im Netz, die andere Verbraucher stören.

„Bisherige Überlegungen sehen entweder eine Begrenzung der dezentralen Einspeisung oder einen kostenintensiven Netzausbau vor, um diesen Problemen abzuhelfen“, konstatiert Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß vom Institut für leistungselektronische Systeme ELSYS an der Georg-Simon-Ohm Hochschule in Nürnberg, „zunehmende Störaussendungen nichtlinearer Verbraucher führen zu einer Verschlechterung der Spannungsqualität.“

Die Probleme sind vielfältig. Sie äußern in der Spannungsanhebung durch Umkehr des Lastflusses, in schnellen Spannungsschwankungen durch fluktuierende Einspeiseleistung, durch Energieverluste aufgrund von Blindleistung und Oberschwingungen bei steigendem Einsatz leistungselektronischer Verbraucher und schließlich entstehen Spannungsunsymmetrien durch unsymmetrische Belastungen und Einspeisungen.

So sieht die Lösung der Probleme aus

Im Forschungsprojekt „Leistungselektronik und Kommunikationstechnik verbessern die Spannungsqualität“ konnten Prof. Graß und seine Mitarbeiter am Institut ELSYS der Georg-Simon-Ohm Hochschule eine geeignete Lösung erarbeiten: „Wechselrichter von Photovoltaikanlagen sollen neben ihrer eigentlichen Aufgabe, die Energie ins Netz einzuspeisen, in Zukunft weitere Aufgaben zur Verbesserung der Netzqualität übernehmen“, verdeutlicht Graß, „mit einem integrierten Kommunikations- und Regelungskonzept werden kostengünstig, örtlich differenziert und zeitnah der Zustand der Netze erfasst und Stellbefehle in Echtzeit an die dezentralen Wechselrichter übermittelt.“

Neue Aufgaben für Wechselrichter

Das System besteht dazu aus den Komponenten dezemtrale Messstellen, Wechselrichter, Kommunikationassystem und Regelalgorithmen. Die dezentralen Messstellen dienen zur Erfassung relevanter Parameter der Netzqualität. Wechselrichter übernehmen ferngesteuert neue Funktionalitäten der Spannungsstabilisierung, Blindleistungs- und Oberschwingungskompensation (Spannungsabsenkung durch Blindleistungsbezug bei gleichzeitiger Wirkleistungseinspeisung, Symmetrierung der Leiterspannung durch Einspeisung unterschiedlicher Leiterströme, Kompensation von Blindleistung und Oberschwingungen).

Für den notwendigen Datenaustausch zwischen den beteiligten Geräten in den Verteilernetzen und der zentralen Regelung ist ein geeignetes Kommunikationssystem integriert. Es ergebene sich höchste Anforderungen im Hinblick auf kurze Reaktionszeiten (Echtzeitbetrieb), Zeitsynchronität, Datenschutz, Zuverlässigkeit unter erschwerten Umgebungsbedingungen. Neu zu entwickeln sind Regelalgorithmen für die Sollwertvorgabe von mehreren ferngesteuerten Solarwechselrichtern.

Vorteile, die sich auch wirtschaftlich rechnen

Graß fasst die zahlreichen Vorteile zusammen: „Verbesserung der Netzqualität, Vermeidung bzw. Verzögerung teurer Netzausbauten, höhere Auslastung bestehender Netze, Störungsminderung und weniger Schäden bei Verbrauchern (Geräten, Glühlampen), Störungslokalisierung und Dokumentation, schnelle Beseitigung von Störungen, höhere Aufnahmekapazität der Netze für dezentrale Einspeisung, zusätzliche Entgelte durch Vergütung von Netzdienstleistungen, wie Spannungsregelung und Blindleistungskompensation.“

Das Institut ELSYS an der Georg-Simon-Ohm Hochschule ist Competence Center im ECPE (European Center of Power Ecectronics), das das Projekt unterstützt. Weitere Projektpartner sind die iAd Gmbh in Großhabersdorf (Kommunikationssystem), Siemens I IA SE DE (Messstellen, Photovoltaik-Wechselrichter) die Technische Universität München (TUM) Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze (Netzregelung und Netzmodellierung). ELSYS arbeitet an Regelungs- und Steuerverfahren für Wechselrichter und an der Spannungsqualität.

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