Wie kann man Verzerrungen im Stromnetz korrigieren?
Mit einem Simulator habe ich versucht, herauszufinden, ob unser 30kW(maximal)(elektrisch) Blockheizkraftwerk die Spannung im Netz der Stadtwerke besser machen kann.
Wie machen denn die Stadtwerke die Spannung wieder Sinus-förmig?
Und was macht man, wenn der Strom verschoben ist? Wie misst man das überhaupt, wie weit der Strom verschoben ist?
Und was macht man gegen „Schieflast“?
3 Antworten
Im wesentlichen kann eine Verzerrung als eine Art Blindleistung modeliert werden, was man dann als Verzerrungsblindleistung bezeichnet.
Diese setzt sich eben aus Phasenverschobenen harmonischen Schwingungen zusammen, wie es sich aus der Fouriertransformation ergibt.
Synchronmaschinen sind jetzt in der Lage nicht nur Wirk sondern auch Blindleistung ans Netz zu liefern und halten auf diese Weise das Netz im Gleichgewicht. Mittels über und Untererregung der Synchronmaschine bzw mittels Umrichter kann das auch noch genauer stabilisert werden. Man bezeichnet den Betriebspunkt auch als Phasenschieberbetrieb.
Die Phasenverschiebung des Stromes kann man zB über den Versatz des Nulldurchgang des Stromes zur Spannung messen. Allgemein lässt sich auch das Innere Produkt beider Funktionen im Funktionenraum bestimmen und daraus kann man dann Wirk, Blind und Scheinleistung errechnen.
Schieflast wird weitgehend über Transformatoren aufgehoben. Ein Transformator in Dreieck Sternschaltung hat zB bei unsyemmtrischer Last auf der Sternseite eine weitgehend symmetrische Last auf der Dreieckseite.
Klar. Eine elektronischer Umrichter kann auch eine Synchronmaschine simulieren er muss eben nur entsprechend geregelt werden damit er auch Blindleistung liefern kann.
Was meinst du mit:
den Strom im Stadtwerke-Netz kennen wir gar nicht... oder?
Auf welche Kenntnisse zu diesem Strom bezieht sich das und wer soll den nun kennen? Der Netzbetreiber kennt ihn jedenfalls.
Die Blindleistung ergibt sich ja rein vom Netz es ist nur so dass er auch in der Lage sein muss diese zu liefern, dabei hängt es davon ab wie er aufgebaut ist. Im wesentlichen muss er auch noch Strom liefern können wenn Spannung und Strom eine Phasenverschiebung haben.
Oberschwingungen kannst du natürlich aktiv Unterdrücken das erfordert aber relativ leistungsstarke Regler und wird auch Netzseite eigentlich nicht aktiv gemacht, sondern durch die Netzsteifigkeit abgefangen.
Phasenschieber werden im Verbundnetz für Lastregelung eingesetzt und dienen zB dafür dass Hochspannungsleitungen nur Wirkleistung führen müssen. Sie müssen daher so viel Blindleistung liefern wie lokal benötigt wird. Das wird eben an den Anschlusspunkten gemessen und entsprechend gesteuert. Das ist aber keine lokale Regelung die das Kraftwerl vollkommen autonom ausführen kann.
Bei einem Inselnetz reicht es vollkommen aus wenn dein Umrichter einen 50Hz Sinus liefert. Bei einer Anbindung ans Netz muss er netzgeführt sein, bzw je nach Fall auch andere Betriebsmodi unterstützen die dann aber vom Netzbetreiber vorgegeben werden.
Oberschwingungen kannst du natürlich aktiv Unterdrücken
ich stelle es mir so vor, dass unser Wechselrichter die Spannung am Ausgang misst, und wenn die z. B. 100V sein soll (mit der Frequenz und dem Null-Durchgang kann man ja ausrechnen, wie hoch die Spannung sein soll), aber er misst schon 110V, dann kann er ja seine eigene Leistung reduzieren, damit es nicht noch schlimmer wird... und wenn er 90V misst, dann könnte er ja volle Lotte bis auf 100V auffüllen... oder?
muss er netzgeführt sein
reicht es wenn der Wechselrichter die Netz-Frequenz und die Null-Durchgänge als Führung benutzt? Und die Netzspannung aber nach seiner eigenen Vorstellung von einem „Sinus“ einregelt? Also unsere drei Einspeise-Stromkurven sehen iwi nicht Sinus-förmig aus... 😋 ist das in Ordnung so?
also kann es sein, dass die Stadtwerke uns irgendwann mal vorschreiben, wie die Stromkurve auszusehen hat?
Das muss er sowieso machen. Aktive Oberdchwingungsunterdrückung geht in etwa wie noise canceling bei Kopfhörer. Du misst deinen Ausgangsstrom, bestimmst den Oberwellenanteil per FFT erzeugst ein Inverses Signal und überlagerst das dem Sollsignal des Stromreglers. Der muss natürlich schnell genug sein um das zu können.
reicht es wenn der Wechselrichter die Netz-Frequenz und die Null-Durchgänge als Führung benutzt?
Für die Spannungsführung ja.
Und die Netzspannung aber nach seiner eigenen Vorstellung von einem „Sinus“ einregelt?
Ich weis zwar nicht ganz was seine Vorstellungen von einem Sinus ist aber vermutlich nein.
Also unsere drei Einspeise-Stromkurven sehen iwi nicht Sinus-förmig aus... 😋 ist das in Ordnung so?
Nein du solltest im reinen Versorgerbetrieb keine Blindleistung ins Netz einführen. Deine Stromregelung muss so ausgelegt sein, dass dein Ausgangsstrom Phasensynchron zur Netzspannung ist und keine Oberwellen hat. Dann lieferst du reine Wirkleistung.
Sofern du noch die Blindleistung einer Anlage kompensieren möchtest musst du den Netzstrom der Anlage messen und dann die Blindleistung kompensieren indem du deinen Stromregler eine Phasenverschiebung in die andere Richtung gibst. Die Regelung sollte dann so sein, dass der Netzanschluss der Anlage nur Wirkleistung führt. Natürlich muss das auch eine eigenständige Regelung sein.
also kann es sein, dass die Stadtwerke uns irgendwann mal vorschreiben, wie die Stromkurve auszusehen hat?
Das machen die so oder so. Solche Anlagen dürfen nur am Energienetzbetrieben werden wenn sie bestimmte Normen erfüllen und diese Normen müssen auch geprüft, nachgewiesen und das Gerät zertifiziert werden.
Ab einer gewissen Leistung ist die Aufnahme und Abgabe einer Blindleistung geregelt und die Oberwellen die das Gerät am Netz erzeugt müssen auch weitgehend unterdrückt werden. Wie streng die Normen sind hängt von der Geräteklasse und Leistung ab, aber Netzentstörung ist zB schon bei Computernetzeilen vorgeschrieben womit diese eben entsprechende Filter haben müssen um zugelassen zu sein.
Ein nicht zugelassenes Gerät darfst du am Ende in einem Inselnetz betreiben aber nicht am Stromnetz.
Btw ich glaube die Aussagen von mir sind doch etwas wiedersprüchlich, weil ich nicht klar erwähnt habe worauf ich mich beziehe.
Mit der Aussage dass die Blindleistung usw vom Netz abhängt, hab ich mich auch Inselnetze bezogen. Wenn dein Gerät der einzige Erzeuger elektrischer Leistung im Netz ist kannst du am Ende ja nicht mehr machen als eine Spannung mit 50Hz liefern und die Verbraucher bestimmen den Strom.
Wenn das Kraftwerk hingegen am öffentlichen Netz hängt bist du Netzgeführt und zudem ist die Leistung die du lieferst klein im Vergleich zur Gesamtleistung. In so einem Fall regelst du den Strom im Bezug zur Netzspannung, welche ja durch das Netz vorgegeben wird, und kannst aus dieser Phasenverschiebung heraus gezielt Blind und Wirkleistung liefern.
kannst aus dieser Phasenverschiebung heraus gezielt Blind und Wirkleistung liefern.
also ist es schwierig, wenn man den Strom im Netz gar nicht kennt?
Wir versuchen, einen Strom einzuspeisen, der zu der Netzspannung proportional ist... Je mehr elektrische Leistung wir einspeisen müssen, umso höher wird dieser Proportionalitäts-Faktor... Also bei 3kW z. B. 10A bei 90°... Der Faktor ist also etwa 0,033A/V... Also: 300V*0,033A/V=9,9A
Aber: Für mich sieht es etwas so aus, als ob unser Wechselrichter etwas mehr Strom einspeist, wenn die Spannung im Vergleich zum Sinus zu niedrig ist... Dadurch ist der Strom dann nicht mehr ganz Sinus-förmig...
Kann man so auch Blindleistung kompensieren?
Oder habe ich das falsch verstanden?
Was wollt ihr am Ende erreichen?
Also wenn du einen Strom einspeisen willst welcher Proportional zur Netzspannung ist könnt ihr das natürlich machen nur muss die Regelung auf einen gefilterten Mittelwert der Spannung gehen.
Das erzeugt eine Blindleistung. Ob sie komensierend wirkt hängt vom Vorzeichen ab. Das ist aber am Ende Sache des Netzbetreibers wie und wann Blindleistung wie zugeführt werden soll und muss und ist Teil der Netzregelung. Daher ist für Private Kraftwerke auch oft nur das einspeisen von Wirkleistung erlaubt.
Du darfst zwar Blindleistung erzeugen nur musst du sie selbst wieder verbrauchen.
ich sag mal: ein Strom der proportional zur Soll-Netzspannung ist... kannst du in der Simulation diese „Kappen“ sehen? und dass es linear rauf&runter geht? wegen diesem Kondensator und den Dioden... das meine ich... das ist ja nicht mehr die Soll-Netzspannung...
die Soll-Netzspannung kann man ja leicht ausrechnen... der Hersteller von dem WR schreibt mir keine Antwort... der Vertriebler meinte nur, dass das Ding die Netzspannung „schöner“ macht...
ist denn das Einspeisen einer ziemlich idealen Sinus-förmigen Wechselspannung auch Blindleistung, nur weil der Strom nicht Sinus-förmig ist? Soweit ich es verstanden habe, macht unser WR eine ordentliche Sinus-Spannung an seinem Ausgang...
Ich verstehe ehrlichgesagt nicht was du meinst.
Welcher Kondensator, welche Dioden und was willst du ausgleichen? Gehe ich richtig in der Annahme dass du die Schaltoberwellen von Schaltnetzteilen kompensieren willst? Dafür gibts an sich ja passive Netzfilter die eben genau das machen.
Redest du jetzt vom öffentlichen Stromnetz oder von einem Inselnetz die Spannung sollte im öffentlichen Stromnetz rein Sinusförmig sein sonst gibts da schon ein Problem beim Netzanschluss.
Was soll in dem Fall die Netzspannung schöner machen bedeuten?
Eine Spannung kannst du am Ende nicht einspeisen eingespeist wird ein Strom. Wenn dieser Strom nicht in Phase zur Spannung oder nicht Sinusförmig ist hat er einen Blindleistungsanteil.
Ja, allerdings wird in so einem Fall die Regelung schwer. In dem Fall steuert euer WR einen wesentlichen Teil der Leistung im Netz bei somit muss er zum einen einen viel viel kleineren Innenwiderstand haben und die Regelung eures WR muss ins Konzept der Netzregelung integriert werden.
Also das Modell ist eben maximal für ein sehr schlecht ausgelegtes Inselnetz zu gebrauchen aber mehr stellt es am Ende nicht dar.
ok... et gibt Zeiten, da speist der echt nur von 50° bis 130° (und na klar auch von 230° bis 310°) nennenswert Strom ein... ich glaube aber nicht, dass das Ding von den Stadtwerken reguliert wird... das macht es irgendwie selbst...
ich verstehe noch gar nicht, wie es deiner Meinung nach normaler Weise laufen soll... meinst du, dass unser WR einen Sinus-förmigen Ausgangsstrom haben müsste?
Wird es vermutlich auch nicht, aber deine Simulation stimmt dann ja auch nicht mehr.
ich verstehe noch gar nicht, wie es deiner Meinung nach normaler Weise laufen soll... meinst du, dass unser WR einen Sinus-förmigen Ausgangsstrom haben müsste?
Wenn er nur Wirkleistung liefern soll ja.
Wenn er auch etwas anderes macht nein nicht zwingend, er liefert dann eben Blindleistung, ob und wie das erlaubt ist hängt in dem Fall aber vom Netzbetreiber ab, da kann ich dir nichts dazu sagen. Wenn das Ding aber entsprechende Prüfzeichen hat und vom einem Fachmann installiert wurde dann wirds schon so passen.
Wenn ihr das Ding selbst gebaut habt dürft ihr es so eventuell gar nicht betreiben.
der Hersteller hat ein Zertifikat dabei gehabt, das ich den Stadtwerken geschickt habe... es war für eine maximale Einspeiseleistung von 25kW... also 5kW Eigenbedarf und 25kW Einspeisung...
also ist ein WR normalerweise eine Wechselstromquelle? Davon würde dann aber eine Verzerrung der Netzspannung gar nicht aufgehoben werden... oder?
der Hersteller hat ein Zertifikat dabei gehabt, das ich den Stadtwerken geschickt habe
In dem Fall wird es auch so passen.
also ist ein WR normalerweise eine Wechselstromquelle?
Im wesentlichen ist er eher wie eine Stromquelle mit Spannungsbegrenzung. Also so wie ein Labornetzteil. Er darf natürlich selbst keine Überspannung erzeugen, zB wenn die Sicherung fällt, er muss in so einem Fall auch selbsttätig abschalten und er kann logischerweise nicht beliebig viel Strom liefern und daher ist auch der Ausgangsstrom begrenzt.
Mit einer idealen Strom oder Spannungsquelle lässt sich das konzept eben nicht mehr Darstellen weil nichtlinear.
Davon würde dann aber eine Verzerrung der Netzspannung gar nicht aufgehoben werden... oder
Ja und nein, er greift nicht aktiv ein, aber natürlich senkt er die Netzimpedanz was Verzerrungen verkleinert.
Verzerrungen kann man am Ende aber zB auch mit Saugkreisen oder Filtern verringern, die sind rein passiv und werden auch so eingesetzt. Die WR haben idR auch Netzfilter am Ausgang.
selbsttätig abschalten
ja... dafür hat er ein Schütz, das er auf „aus“ stellt, wenn das Netz sich komisch verhält... dann versorgt der WR nur noch das Haus... und der Generator wird automatisch runtergeregelt, wenn die Ausgangsspannung 850V erreicht...
Filtern verringern, die sind rein passiv
ok... ich dachte eben, dass unser WR aktiv eine Delle in der Netzspannung erkennt und die automatisch mit höherem Strom auffüllt... aber vielleicht verstehe ich auch die Grafik falsch... er schießt jedenfalls 4300 mal pro Sekunde einen Strom-Happen ins Netz...
Hmm vielleicht verstehe ich auch einfach den Sinn des WR an sich nicht.
Wenn euer Netzanschluss wirklich so schwach ist, dass ihr einen so hohen Spannungsabfall an der Netzimpedanz habt ist das Primär mal ein Fall für den Netzbetreiber. Hier ist ja von der Norm ein maximaler Spannungsabfall gefordert welcher nicht überschritten werden darf.
Der WR kann aber logischerweise die Netzimpedanz kompensieren und lokal das Netz stützen, das ist möglich dann würde er auch keinen Sinusförmigen Strom mehr liefern. Die Verzerrungsblindleistung und fehlende Wirkleistung puffert er dann quasi lokal weil die Netzimpedanz eventuell hoch ist speist in dem Fall aber keine Blindleistung ins Netz ein. Die Kompensation ist hier rein lokal zu betrachten.
Ins Netz selbst wird er vermutlich nur Wirkleistung einspeisen.
ok... dann werde ich das mal einfach so lassen... also die Simulation in meiner Frage ist na klar total übertrieben... ich interpretiere vielleicht auch die Zahlen falsch, die dieser BHKW-WebService mir sagt... aber im Inselbetrieb sieht die Stromkurve echt total komisch aus, wenn nur ein Kühlschrank an ist... zum Kringeln... 😋
Ich hab dir das mal etwas mit passiven Bauelementen simuliert:
Im wesentlichen ist das ein Bandsperrfilter auf 50Hz. Dieser hat zur Folge, dass Oberwellen am Netz gefiltert werden.
Wenn du dir den Strom im Filter ansiehst ist der auch nicht sonderlich schön, weil dieser eben in dem Fall genau die Verzerrung kompensiert und daher immer Strom aufnimmt oder abgibt wenn die Kondensatoren im simulierten Schaltnetzteil das machen.
Das führt dann auch dazu dass mit zuschalten des Filters die Spannung wesentlich schöner wird, auch der Netzstrom wird dadurch natürlich deutlich Sinusförmiger.
Das machen zB passive Netzfilter in größeren Anlagen auch so.
Das Netz mit 200 Ohm Innenwiderstand ist natürlich stark übertrieben dargestellt. Natürlich ist es so, dass mit sinkender Netzimepdanz das Netz das ganze immer mehr übernimmt, daher filtert man idR auch noch mit einem vorgeschalteten Netzfilter.
ok... kann man den Bandsperrfilter mit variabler Impedanz bauen?
Haben die ohnehin.
Bandsperren haben eine Impedanz welche Frequenzabhängig ist, bei der Resonanzfrequenz ist die Impedanz sehr hoch und sinkt je weiter die Frequenz von der Resonanz abweicht.
aber wenn alle das Netz komisch belasten, dann kann es doch nicht mehr die Kompensation übenehmen... oder?
Diese Kompensationen werden auch Anlagen bzw Gerätebasiert eingesetzt. Jedes Gerät welches derartige Störungen verursacht muss laut verschiedenen Normen die Netzverzerrung mit entsprechenden Filtern begrenzen. Diese Filter sind dann eben Tiefpassfilter, Bandsperren oder Bandpassfilter.
haben diese E-Autos Ladegeräte denn ein „ohmsches“ Verhalten?
Ja und nein. Da die maximale Netzverzerrung begrenzt ist verwenden die oft eine sogenannte PFC.
https://de.wikipedia.org/wiki/Leistungsfaktorkorrekturfilter
Passive Filter sind eben bei hohen Strömen nur noch bedingt möglich, die PFC verwendet dann eben einen aktiven Gleichrichter und sorgt so dafür, dass die Verzerrungsblindleistung gesenkt wird. Diese PFCs sind intern meist wie eine Art Stepup Wandler ausgeführt und laden im Prinzip einen Tank Circuit wobei der aufgenommene Strom auf einen Sinus geregelt wird.
Einfache PFCs welche noch passiv funktionieren sind Valley Fill Circuits. Die gehen auch recht gut erzeugen aber eben keine konstanten Zwischenkreisspannungen.
Um auf deine Frage zurück zu kommen. Die Ladegeräte für E Autos verhalten sich Netzseitig ab gewissen Leistungen ohmsch, auch wenn sie eigentlich keine ohmschen Verbraucher sind.
ok... also benötigt man im Wechselspannungsnetz immer mehr viele kleine aufwändige, Fehler-anfällige PFCs? Die muss ja auch irgendeiner bezahlen...
Die bezahlst du ja als Endverbraucher am Ende selbst. Die sind ja ab einer gewissen Leistung pro Gerät vorgeschrieben.
irgendwie gefällt mir so ein Gleichspannungsnetz immer besser...
Du verlagerst damit die Komplexität und Fehleranfälligkeit vom Endverbraucher nur zum Energieversorger. Die Kosten sparst du dir damit nicht weil der Energieversorger sich ja das Geld für die Anlage am Ende wieder von dir holt.
Natürlich ist das auch in dem Fall durchaus auch besser so. Wenn dein PC mal nicht funktioniert weil das Netzteil aufgibt (was bei einem Gleichstromnetz genau so der Fall sein kann) ist das weniger Kritisch als wenn eine ganze Stadt mal ein paar Wochen ohne Strom ist.
hat das mal jemand durchgerechnet?
Ja zur Genüge. Gleichstrom wird zwar auch auf Versorgungseben verwendet, allerdings nur für Punkt zu Punkt Verbindungen, sogenannte HGÜs.
https://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungs-Gleichstrom-%C3%9Cbertragung
Die haben ja durchaus Vorteile für solche Punkt zu Punktverbindungen aber die Verteilung auf Haushalte geht mit Wechselstrom dann doch noch einfacher.
In der Industrie wird zum Teil aber auch wirklich Wechselstrom benötigt.
In dem Leistungsbereich machen Invertermaschinen einfach keinen Sinn, da die Abwärme der Inverter nur schwer bis eigendlich nicht in den Heizkreis zu überführen ist.
Ein Syncrongenerator in Verbindung mit einer ausreichend dimensionierten Schwungmasse ist ausreichend. Ich habe zusammen mit meinen Kollegen vor ein paar Jahren mal eine 100 kW Maschine ans Netz genommen. Tatsächlich verfügt sie über einen Wechselrichter, der einen Teillastbetrieb ermöglicht. Das ist aber fast nur Alibi Funktion. die meiste Betriebszeit läuft die Maschine mit einem Bypassschütz direkt am Netz.
lg, Anna
also unser Holzgas-Motor-Generator liefert eine Gleichspannung bis zu 850V... meistens deutlich weniger... ist das eine „Invertermaschine“?
oder meinst du mit „Invertermaschine“ den Wechselrichter, den wir für die Einspeisung und Eigenversorgung (eigentlich nur die Küchengeräte und die Kärcher... die kommen nicht mit Gleichspannung zurecht...) benutzen?
mit Invertermaschine meine ich jetzt das komplette BHKW als Gesamtpaket. quasi als Blackbox. Sprich Treibstoff rein - Wechselstrom (Netzfertig) raus.
das beinhaltet dann Motor, Generator, Regler und im Falle der Invertermaschine eben auch den Wechselrichter.
Im Falle deiner Holzvergasermaschine müsstest du natürlich einen Inverter (wechselrichter) bereitstellen.
die Verluste sind nicht ohne. Von 15% kannst du ausgehen. das sind bei sagen wir 3 kW Systemleistung schon mal rund 500 Watt, die du in Wärme umwandelst, die du schlecht nutzen kannst, weil du die Wärme ja in das hydroulische System überführen müsstest.
der einzige Weg hierfür der mir einfiele wäre der Einsatz einer Wärmepumpe. z.b. einer Brauchwasserwärmpeumpe, in deren ansaugluftstrom der Inverter sitzt.
lg, Anna
wir speisen ohnehin selten ins öffentliche Netz ein, weil es sich nicht lohnt... wir verwandeln lieber einen Teil des Stroms in Wärme und gehen dafür etwas vom Gas...
aber solange es keine Gleichspannungs-Herde/-Kärcher gibt, brauchen wir mindestens bei Stromausfall noch den Wechselrichter... wird sowieso recht warm in dem Raum... als ob, der Motor auch ziemlich hohe Wärme-Verluste hat...
Alle Antworten hier: https://ig-biogasmotoren.de/netzanalyse-klaert-strommengen
Hab mal einen Experten für so was bei uns im Haus gehabt. Das Problem mit den Oberwellen auf der Sinuskurve ist ein zunehmendes Problem der Gegenwart aufgrund der vielen Trafos/Wechselrichter in den Haushalten. Das schlägt zurück aufs gesamte Stromnetz, auch weil immer mehr Häuser/Grossgebäude schlecht geerdet sind (Wasserleitungen aus Kunststoff). Man nennt das "Dirty-Power". Messgeräte gibt's zahlreiche dafür, auch für Laien/Amateure mittlerweile. Man muss sich aber ein bisschen einarbeiten in die Materie.
ok... also in den Erdleiter leiten wir gar nichts ab... An dem Ding hat uns mal ein Studi eine sog. Hall-Sonde angebracht (die ist elektrisch isoliert von dem fetten Metallstab... das geht über den Hall-Effekt, mit dem man wohl Magnetfelder misst oder so...)...
Aber wenn unser elektronischer Wechselrichter (WR) versucht, eine exakte Sinus-Welle als Spannung auszugeben, dann müsste es doch korrigierend wirken... oder?
unser WR richtet sich nur bei den Null-Durchgängen nach den Stadtwerken, glaub ich... (jedenfalls kann ich auch die Verschiebung der drei Phasen zueinander in dem BHKW Webservice sehen...) oder muss er noch mehr beachten?
eine Schieflast kann unser WR selbst ja gar nicht verursachen... oder? Aber er speist oft unterschiedlich viel in die verschiedenen Phasen ein... oder ist das dann Schieflast?
Also unser BHKW macht die Wechselspannung aus einer 850V-Gleichspannung mit solchen elektronischen Schaltern...
Geht das also auch ohne Synchronmaschine?
den Strom im Stadtwerke-Netz kennen wir gar nicht... oder?