Netzsimulatoren sichern Stromqualität

Von Mustafa Yilik *

Um Tests zum Nachweis der Normkonformität leistungselektronischer Geräte durchführen zu können, wird spezielle Mess- und Prüfausrüstung benötigt. Netzsimulatoren etwa decken Schwachstellen auf.

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Bild 1: In Entwicklungs- und Laborumgebungen werden programmierbare Stromversorgungen eingesetzt. Nur sie liefern die Energie zuverlässig und mit der gewünschten Spanng, Strom und Frequenz.
Bild 1: In Entwicklungs- und Laborumgebungen werden programmierbare Stromversorgungen eingesetzt. Nur sie liefern die Energie zuverlässig und mit der gewünschten Spanng, Strom und Frequenz.
(Bild: LXinstruments)

Im Zuge der Energiewende nimmt der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch in Deutschland stetig zu. Laut einer aktuellen Studie des Bundesumweltministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz ist dieser in Deutschland von zirka 6,3% im Jahr 2000 auf 45,3% im Jahr 2020 gestiegen. Diese Steigerung wurde insbesondere von der Windenergie und der Photovoltaik getragen. Damit lag der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland erstmals über dem der fossilen Energieträger (Kohle, Gas und Öl).

Diese positive Entwicklung geht einher mit einer steigenden Anzahl an leistungselektronischen Geräten in allen Spannungsebenen. Die Netzinfrastruktur sowie die Hersteller von leistungselektronischen Geräten stehen durch diesen Umbau vor völlig neuen Herausforderungen.

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Hauptaugenmerk von Forschung und Industrie liegt hierbei auf DC-Gleichstromnetzteilen. Konventionelle Linearnetzteile enthalten Transformatoren zur galvanischen Trennung und Spannungstransformation. Sie haben einen einfachen Aufbau und sind äußerst robust. Dem gegenüber stehen erhebliche Nachteile. So sind Linearnetzteile verhältnismäßig groß, schwer und ineffizient. Moderne Schaltnetzteile arbeiten mit einer höheren Frequenz, da Transformatoren bei hohen Frequenzen für die gleiche Leistung weniger Magnetkernvolumen benötigen. Dafür wird die Netzspannung meist gleichgerichtet, gefiltert, durch elektronische Schalter in eine höherfrequente Spannung zerhackt und nach der Transformation im hochfrequenten Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung gleichgerichtet. Dadurch werden hohe Wirkungsgrade von über 90% erreicht.

Oberwellen sind schädlich für die Netzqualität

Diese nicht-lineare Stromaufnahme führt bei modernen Schaltnetzteilen allerdings zu Oberschwingungsströmen. Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz, die unterschiedliche Amplituden aufweisen und sich bis in den oberen kHz-Bereich erstrecken können. Diese wirken sich negativ auf die Netzqualität aus, die wiederum Auswirkungen auf die sich im Netz befindlichen Geräte hat. Schaltnetzteile reagieren beispielsweise im Falle von Kurzzeitunterbrechungen mit hohen Einschaltspitzen, die das Vielfache der Nennlast erreichen und in der Folge zu Fehlfunktionen oder Beschädigungen führen können. Häufig finden sich in der Literatur Synonyme für Netzqualität, wie Netzspannungsqualität, Spannungsqualität oder (umgangssprachlich) „schmutziger Strom“. Zu den wichtigsten Parametern für die Netzqualität gehören unter anderem:

  • Langsame Spannungsänderung: Langsam ansteigender oder abfallender Spannungseffektivwert.
  • Schnelle Spannungsänderung: Eine einzelne schnelle Änderung des Effektivwertes einer Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsniveaus mit jeweils bestimmter, aber nicht festgelegter Dauer.
  • Spannungsschwankung: Eine Abfolge von Spannungsänderungen oder periodische Änderung der Einhüllenden der Spannungskurve.
  • Spannungseinbruch: Eine plötzliche Abnahme der Versorgungsspannung auf einen Wert zwischen 90% und 1% der vereinbarten Versorgungsspannung, dem nach kurzer Zeit eine Spannungswiederkehr folgt.
  • Flicker: Eindruck der Unstetigkeit visueller Empfindungen, hervorgerufen durch Lichtreize mit zeitlicher Schwankung der Leuchtdichte oder der spektralen Verteilung, umgangssprachlich „flackern“ oder „flimmern“.
  • Versorgungsunterbrechung: Ein Abfall der Spannung an der Übergabestelle auf weniger als 1% der vereinbarten Spannung. Diese so genannten Versorgungsunterbrechungen gibt es zum einen geplant, bei denen Verbraucher im Voraus benachrichtigt werden, um planmäßige Arbeiten am Versorgungsnetz ausführen zu können oder auch zufällig, die zeitweise oder dauerhaft sein können.
  • Zeitweilige netzfrequente Überspannung: Eine Überspannung an einem bestimmten Ort mit verhältnismäßig langer Dauer, die in der Regel durch Schalthandlungen oder Störungen entstehen.
  • Transiente Überspannung: Eine kurzzeitige Überspannung, die in der Regel stark gedämpft ist und eine Dauer von einigen Millisekunden oder weniger aufweist.
  • Oberschwingungsspannung: Eine sinusförmige Spannung mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches (Ordnungszahl) der Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung ist.
  • Spannung von Zwischenharmonischen: Eine sinusförmige Spannung, deren Frequenz zwischen denen der Oberschwingungen liegt. Ihre Frequenz ist kein ganzzahliges Vielfaches der Grundschwingungsfrequenz.
  • Harmonische: Eine Überlagerung der Grundschwingungsfrequenz 50 Hz mit Oberschwingungsspannungen höherer Ordnung.
  • Total Harmonic Distortion (THD): Der Verzerrungs- oder Gesamtklirrfaktor; Verhältnis oder Anteil des Gesamteffektivwerts aller Oberschwingungen zum Effektivwert der Grundschwingung.
  • Klirrfaktor: Das Verhältnis oder der Anteil des Effektivwertes aller Oberschwingungen zum Gesamteffektivwert. Je größer der Klirrfaktor ist, umso mehr Oberschwingungen sind vorhanden.
  • Spannungsunsymmetrie: Ein Zustand in einem Drehstromnetz, bei dem die Effektivwerte der Außenleiter-Neutralleiter-Spannungen oder die Winkel zwischen aufeinanderfolgenden Phasen nicht gleich sind.

Anti-Islandig-Funktion schützt vor Netzrückspeisung

Neben diesen wichtigen Parametern für die Netzqualität benötigen rückspeisefähige Stromerzeugungsanlagen darüber hinaus eine automatische Anti-Islanding-Schutzvorrichtung. Diese garantiert, dass sich die Anlage bei Stromausfall oder Netzabschaltung selbständig vom Stromnetz trennt, um eine unbeabsichtigte Inselbildung und dadurch erfolgende Rückspeisungen in das Stromnetz zu verhindern, die zu gefährlichen Auswirkungen führen könnten.

Um die Auswirkungen der Netzqualität auf beteiligte Netzgeräte möglichst gering zu halten und die Anti-Islanding-Funktion zu prüfen, wurden verschiedene Richtlinien, Normen und Grenzwerte erlassen. Zu den wichtigsten Normen in diesem Zusammenhang zählen unter anderem die Bestimmungen und Prüfvorschriften der International Electrotechnical Commission (IEC), der Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) und der Underwriters Laboratories (UL):

  • IEC 61000-3-11: Begrenzung von Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker in öffentlichen Niederspannungs-Versorgungsnetzen für Geräte mit einem Bemessungsstrom <=75 A je Leiter, die einer Sonderanschlussbedingung unterliegen.
  • IEC 61000-3-12: Grenzwerte für Oberschwingungsströme (Geräte-Eingangsstrom <= 16 A je Leiter).
  • IEC 61000-4-11: Prüfungen der Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen für Geräte mit einem Eingangsstrom bis zu und einschließlich 16 A je Leiter.
  • IEC 61000-4-13: Prüfungen der Störfestigkeit am Wechselstrom-Netzanschluss gegen Oberschwingungen und Zwischenharmonische einschließlich leitungsgeführter Störgrößen aus der Signalübertragung auf elektrischen Niederspannungsnetzen.
  • IEC 61000-4-14: Prüfung der Störfestigkeit von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom bis einschließlich 16 A je Leiter gegen Spannungsschwankungen.
  • IEC 61000-4-28: Prüfung der Störfestigkeit von Geräten mit einem Eingangsstrom, der 16 A je Leiter nicht überschreitet, gegen Schwankungen der energietechnischen Frequenz (Netzfrequenz).
  • IEEE-1547: Standard für den Netzanschluss verteilter Erzeugungsanlagen mit dem Elektrizitätsversorgungsnetz.
  • UL 1741: Wechselrichter, Konverter, Laderegler und Interconnection System Equipment (ISE) zur Verwendung in eigenständigen (netzunabhängigen) oder interaktiven (netzgekoppelten) Stromversorgungssystemen.

Moderne Netzgeräte müssen gemäß national und international gültigen Normen und Richtlinien entwickelt, gefertigt und insbesondere geprüft werden. Zu den wichtigsten Prüfungen gehören unter anderem:

  • Low voltage ride-through (LVRT) test,
  • Anti-Islanding test,
  • Grid phase angle jump test,
  • Frequency variation test,
  • Harmonic emissions test,
  • On-grid and off-grid switching time test,
  • Immunity test,
  • Voltage abnormality test.

Um diese Tests bzw. Prüfungen zum Nachweis der Normkonformität leistungselektronischer Geräte durchführen zu können, wird spezielles Mess- und Prüfequipment benötigt, das in der Lage ist, verschiedenste Parameter entsprechend der nationalen und internationalen Normen zu simulieren.

Simulatoren und Stromquellen offenbaren Schwachstellen

ITECHs neue Produktserie IT7900 von Netzsimulatoren und 4-Quadranten-AC/DC-Quellen wurde gezielt zur Normkonformitätsprüfung von leistungselektronischen Geräten entwickelt. Durch diese Prüfungen können Schwachstellen im Produkt-Design identifiziert und anschließend verbessert werden. Die IT7900-Produktserie umfasst hierfür verschiedene Einzelgeräte in 19-Zoll-Rackbauweise mit einer Leistungsaufnahme von 5 bis 15 kVA. Durch Parallelschaltung mehrerer Einzelgeräte im Master/Slave Betrieb wird eine maximale Leistung von 960 kVA erzielt.

Zusätzlich zur Versorgung von sensitiven Anwendungen mit präzisem und sauberem Wechselstrom ist die IT7900-Serie in der Lage, verzerrte Spannungswellenformen und Netzfehler zu simulieren. Dies geschieht wahlweise mit Hilfe vorprogrammierter Wellenformfunktionen aus der Wellenform-Bibliothek des Netzsimulators, durch die LIST, SWEEP, SURGE & SAG Funktionen oder mittels Excel CSV Import von benutzerdefinierten Wellenformen über die USB-Schnittstelle am Frontpanel.

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Die IT7900 Netzsimulatoren sind von Haus aus schieflastfähig und können 1-phasig, 3-phasig, mehrkanalig oder mit umgekehrter Polarität betrieben werden. Ebenso ist das Gerät als Leistungsverstärker einsetzbar, beispielsweise für Hardware-in-the-Loop-Anwendungen im Photovoltaik-Bereich. Hierfür verfügt der Netzsimulator über digitale und optional analoge I/O mit Reaktionszeiten von maximal 200 µs.

Die Systeme der IT7900-Familie besitzen zu alldem einen integrierten Anti-Islanding-Testmodus zur Durchführung von Normkonformitätsprüfungen netzrückspeisender Geräte. Durch entsprechende Konfiguration der RLC-Parameter sowie Wirk- und Blindleistung können verschiedene Lastfälle simuliert werden.

* * Mustafa Yilik ... ist Leiter des Geschäftsbereichs Power Systeme bei LXinstruments, Nufringen.

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