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NetzHarmonie

Oberschwingungen im Netz erkennen

Projektstatus
Begonnen
Arbeiten an einem Prototyp des Messcontainers zur Ermittlung der frequenzabhängigen Netzimpedanz auf der Mittelspannungsebene.
Arbeiten an einem Prototyp des Messcontainers zur Ermittlung der frequenzabhängigen Netzimpedanz auf der Mittelspannungsebene. Foto: HSU

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien steigt der Anteil an Leistungselektronik im Netz. In Photovoltaikanlagen wandeln Wechselrichter einen Gleichstrom in Wechselstrom um. Windkraftanlagen nutzen Frequenzumrichter, um die Drehfrequenz einer drehzahlvariablen Windturbine an die Netzfrequenz anzupassen. Bei einem  Netzanschluss über Leistungselektronik speisen die Umrichter auch Oberschwingungen ins Netz. Das kann die Sinusform der Spannung beeinflussen und so zu einer geringeren Qualität führen. Das Regelwerk legt Obergrenzen für die Aufnahmekapazität der Netze für Oberschwingungsströme fest. Damit Netze optimal genutzt werden können, benötigen Betreiber neue Methoden zur Bewertung. 

Bei einem Vergleich von Theorie und Praxis gibt es derzeit einen teilweise erheblichen Unterschied von errechneten und gemessenen Werten. Das hat im Wesentlichen drei Gründe:

  • Überlagerungs- und Auslöschungseffekte (konstruktive und destruktive Überlagerungen) werden nicht korrekt erfasst.
  • Die Netzvorbelastung, beziehungsweise die Netzverzerrung wird nicht ausreichend berücksichtigt.
  • Der Wert für die Netzimpedanz (frequenzabhängiger Innenwiderstad des Netzes) wird nur grob abgeschätzt. Der tatsächliche Verlauf mit möglichen Resonanzstellen wird nicht berücksichtigt. 

Daher haben die Forscher im Verbundprojekt NetzHarmonie das Ziel, neue Bewertungsverfahren für Oberschwingungen im Netz zu erforschen. Im Rahmen mehrerer Messkampagnen wollen sie die Ausbreitung und Überlagerung von Oberschwingungsströmen innerhalb einer Spannungsebene und über die Netzebenen hinweg erfassen. Dazu positionieren sie verschiedene synchronisierte Messgeräte in den Netzen. So können sie Oberschwingungspegel an den verschiedenen Messpunkten erfassen. Durch eine periodengenaue gleichzeitige Messung lassen sich Aussagen über die Ausbreitungsmechanismen von Oberschwingungen treffen. Mit diesem Wissen ist es möglich, neue Bewertungsverfahren zu entwickeln.

Neben den Oberschwingungen wird in dem Verbundprojekt auch die Netzimpedanz – also der Innenwiderstand des Netzes – vermessen. Das übernimmt ein Messgerät, das mittels Anregung des Netzes die frequenzabhängige Netzimpedanz des Mittelspannungsnetzes im regulären Netzbetrieb messen kann. Einerseits erlangen die Forscher so ein besseres Verständnis des Netzaufbaus. Andererseits lassen sich nach Kenntnis der frequenzabhängigen Netzimpedanz Auslöser von Spannungsverzerrungen herausfinden. Der Vorteil: es lässt sich sagen, ob regenerative Einspeiser und deren Leistungselektronik die Verzerrungen verursachen oder ob diese vom Netz kommt.

Außerdem kann auf Basis der Messungen ein Umrichter so eingestellt werden, dass die Oberschwingungsbelastung am Netzverknüpfungspunkt sinkt.
Zukünftig könnten Umrichter sogar aktiv Oberschwingungen dämpfen. Dies ist das Ziel einer Machbarkeitsstudie im Rahmen des Verbundvorhabens. Dabei soll ein Umrichter entwickelt werden, welcher durch aktive Einspeisung von Oberschwingungsströmen mit entgegengesetzter Phasenlage zu den Verzerrungen – also einer destruktiven Überlagerung – den Störpegel im Netz reduziert. 

Aktueller Arbeitsstand

Im ersten Jahr (2015) wurde die verwendete Messtechnik erfasst und hinsichtlich der Messgenauigkeit validiert. Zusätzlich wurden einheitliche Messverfahren definiert um die Vergleichbarkeit zwischen allen Messungen sicherzustellen. Es wurden die relevanten Gerätetechnologien sowie typische Netztopologien für die Messungen ausgewählt und entsprechend Messstandorte für die Messkampagnen festgelegt.

Parallel wurde an der Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungsströme (OS) gearbeitet. Es wurde eine Übersicht der relevanten nationalen und internationalen Normen und Richtlinien erstellt. Aspekte der jeweiligen Regelwerke wie z.B. den adressierten Frequenzbereich, die Spannungsebene oder der Anlagentyp wurden eingeteilt und verglichen.

Im März und im Juni dieses Jahres (2016) wurden die erste Prüfstandmessung (Labormessung) sowie die erste Feldmessung abgeschlossen. Weitere Prüfstand- und Freifeldmessungen in PV- und Windparks befinden sich in der Durchführung oder sind in der Planung. Die Auswertungen der bisherigen Messergebnisse lieferten bereits wichtige Erkenntnisse.

Die notwendigen Modelle und Modellierungsanasätze für die Erzeugungseinheiten (EZE), Betriebsmittel und Erzeugungsanlagen (EZA) wurden definiert. Die Betriebsmittel bzw. die EZE die zusammen eine EZA ergeben wurden in einzelnen Modellen zusammengefasst. Die Anforderungen an die OS-EZE und OS-EZA Modelle sind definiert. Derzeit erfolgt die Validierung der erstellten EZA-Modelle.

Anfang April 2016 wurde das AP5 gestartet. Dort wurden zusammen mit AP6 bereits Referenznetze für die netzweite Simulationen festgelegt.

Im AP7 wurde eine Oberschwingungskompensation entwickelt, die sich aus einem AC-Spannungsregler mit Strombegrenzung und virtueller Impedanz zusammensetzt. Dieser Regler wurde auf einer bereits vorhandenen Wechselrichter-Hardwareplattform des Fraunhofer ISE implementiert.

Die weiteren Ziele im Projekt NetzHarmonie

Im Verbundvorhaben NetzHarmonie konzentrieren sich die Entwickler auf drei Arbeitspfade, die untereinander vernetzt sind:

  • Realitätsnahe Vermessung zur Ermittlung der Ausbreitung von Oberschwingungen
  • Neue Bewertungsverfahren basierend auf der frequenzabhängigen Netzimpedanz 
  • Aktives Oberschwingungsmanagement

Die Projektpartner und ihre Aufgaben im Überblick

Vereinfachte Struktur der Arbeitspakete mit 3 Schwerpunkten und den wesentlichen Projektzielen. Grafik: Forschungsverbund NetzHarmonie

Netzbetreiber

Aufgaben der Netzbetreiber: Zur Verfügungsstellung von Netzdaten für Messungen, Einbringung von Know-how, Bereitstellung von Messpunkten

PV-Wechselrichterhersteller

  • SMA Solar Technology AG (Projektpartner)
    - Stellvertretende Verbundkoordination
    - Messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und -anlagen im Labor und am Netzo Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen
  • KACO new energy GmbH (assoziierter Partner)
    - Beteiligung an der Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und -anlagen

Windkraftanlagenhersteller

  • ENERCON GmbH (assoziierter Partner)
    - Beteiligung an der messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und -anlagen
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen
  • Siemens AG (assoziierter Partner)
    - Messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und -anlagen
    - Leistungsfähige Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Zertifizierungsstellen und Prüfinstitute

Zertifizierungsstellen und Prüfinstitute

  • DNV-GL (Projektpartner)
    - Beteiligung an der messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Beteiligung an der messtechnische Analyse der Rückwirkungen auf das Stromnetz
  • M.O.E. GmbH (Projektpartner)
    - Beteiligung an der messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Beteiligung an der Machbarkeitsstudie zur aktiven Oberschwingungsdämpfung
  • WindGuard Certification GmbH (Projektpartner)
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen

Messinstitute und Forschungseinrichtungen

  • DEWI (Projektpartner)
    - Messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Beteiligung an der Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen
  • Fraunhofer IWES (Projektpartner)
    - Messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Messtechnische Analyse der Rückwirkungen auf das Stromnetz
    - Beteiligung an der Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen
  • Fraunhofer ISE (Projektpartner)
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Messtechnische Analyse der Rückwirkungen auf das Stromnetz
    - Beteiligung an der Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen
    - Durchführung einer Machbarkeitsstudie zur aktiven Oberschwingungsdämpfung

Universitäten

  • Technische Universität Chemnitz (Projektpartner)
    - Beteiligung an der messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Bewertung der Messungen und Entwicklung einer Leistungsfähigen Netzsimulation
    - Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingen
  • Technische Universität Dresden (Projektpartner)
    - Messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und –anlagen
    - Messtechnische Analyse der Rückwirkungen auf das Stromnetz
    - Bewertung der Messungen und Entwicklung einer Leistungsfähigen Netzsimulation 
    - Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen
  • Helmut-Schmidt-Universität (Projektpartner)
    - Messung der Netzimpedanz an unterschiedlichen Netzanschlusspunkten in der Mittelspannung
    - Bewertung der Messungen und Entwicklung einer Leistungsfähigen Netzsimulation

Vereine

  • FGH e.V. - Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft (Projektpartner)
    - Beteiligung an der messtechnische Analyse der Emissionen einzelner Erzeugungseinheiten und -anlagen
    - Beteiligung an der Entwicklung leistungsfähiger Modelle für Erzeugungseinheiten und -anlagen
    - Messtechnische Analyse der Rückwirkungen auf das Stromnetz
    - Bewertung der Messungen und Entwicklung einer Leistungsfähigen Netzsimulation 
    - Beteiligung an der Entwicklung neuer Bewertungsverfahren für Oberschwingungen

Projektlaufzeit

01/2015 – 12/2017

Kontakt

Dr. Issam Athamna
Verbundkoordinator
FGW e.V. - Fördergesellschaft Windenergie und andere Erneuerbare Energien
Oranienburger Str. 45
10117 Berlin
+49 30 30101505-0
+49 30 30101505-1

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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