Skalierbare Netzstabilisierung auf Mittelspannungsebene zum Schutz von Industriebetrieben

26. Februar 2021

Spannungsschwankungen und Oberschwingungen in Stromversorgungsnetzen können insbesondere bei Produktionsanlagen mit empfindlichen Steuerungskomponenten zu Unterbrechungen oder Ausfällen führen. Um Industrienetze davor zu schützen, hat ein Entwicklungskonsortium im Verbundprojekt »Netz-Patron« neue Anlagen und Komponenten für eine skalierbare Netzstabilisierung auf Mittelspannungsebene und zur aktiven Kompensation von Oberschwingungen in Industrienetzen entwickelt. Das Fraunhofer IEE hat die Funktion und Wirksamkeit der neuen Einheiten in seinem Testzentrum SysTec getestet und bestätigt. Nun sollen die einzelnen Komponenten zur Serienreife weiterentwickelt werden.

Abb.1 Oberschwingungskompensation durch das Aktiv-Filter, oben ohne Kompensation, unten mit Kompensation, bei Fokus auf der 13. Ordnung
Exemplarisches Messergebnis von einem netzseitigen Spannungseinbruch auf 40% und der Spannung auf Kundenseite des Mittelspannungs-OSKAR
Abb.2 Exemplarisches Messergebnis von einem netzseitigen Spannungseinbruch auf 40% und der Spannung auf Kundenseite des Mittelspannungs-OSKAR
Strukturübersicht der Netz-Patrons und seiner Komponenten
Abb.3 Strukturübersicht der Netz-Patrons und seiner Komponenten

Der Kurztitel »Netz-Patron« des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWI mit 6,7 Millionen Euro geförderten Forschungsprojekts steht für »Netzstabilisierung auf Mittelspannungsebene – Entwicklung einer uneingeschränkt skalierbaren Netzkopplungstechnologie zum Schutz von Industriebetrieben vor Spannungsstörungen aus dem Netz bei gleichzeitiger Stabilisierung des Netzes« (FKZ 03ET7555E).

In Teilprojekten haben die Verbundpartner ein aktives Filter für die Kompensation von Oberschwingungen, einen Spannungsstabilisator, einen skalierbaren Pufferkondensator mit doppelter Energiedichte sowie ein übergeordnetes Energiemanagementsystem (Netz-Patron-Hub) zur kontinuierlichen Überwachung, Bewertung und dynamischen Parametrierung des Netz-Patron-Systems entwickelt.

Damit ist ein modularer, skalierbarer Komponentenbaukasten entstanden, mit dem sich für unterschiedliche Anforderungen in Industrieumgebungen wirksame Entkopplungslösungen gegenüber dem Stromversorgungsnetz realisieren lassen.

Aktives Filter für die Kompensation von Oberschwingungen

Das von der Firma Schäfer Elektronik GmbH entwickelte Aktiv-Filter soll schwerpunktmäßig Oberschwingungsströme der 5., 7. 11. und 13. Ordnung kompensieren (Abbildung 1). Zum Test wurde ein Störer eingesetzt, um gezielt definierte Oberschwingungsströme zu erzeugen. Im Labor konnte eine Kompensationswirkung bis zur 23. Ordnung nachgewiesen werden.

Spannungsstabilisator

Der von der Firma Condensator Dominit GmbH entwickelte OSKaR für Kunden auf der Mittelspannungsebene wurde erfolgreich im Labornetz mit Spannungseinbrüchen auf der 20 kV-Ebene getestet (Abbildung 2). Die durchgeführten Spannungseinbrüche erfüllten die Kriterien gemäß FGW TR3, einer Prüfvorschrift für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Dabei wurde eine schlagartige Spannungsänderung simuliert. Die Spannungseinbrüche wurden in Tiefe der Restspannung von ca. 80 % Unenn bis ca. 40 % Unenn und Dauer des Spannungseinbruchs zwischen 150 ms und 10 s variiert. Bei den Tests stützte der OSKaR die Spannung für eine Last von bis zu 750 kVA bei unterschiedlichem cos(j). Der Spannungshalter zeigte dabei eine Reaktionszeit von bis zu 8 Millisekunden und hat damit das Projektziel von unter 10 ms erfüllt. Eine schnelle Reaktionszeit ist in Industriegebieten nötig, um sensitive Lasten, wie Steuerungselemente, mit einer stabilen Netzspannung versorgen zu können. Aktuell kann der Spannungshalter eine Spannungsdifferenz von ca. 30% Unenn ausgleichen.

Skalierbarer Pufferkondensator mit doppelter Energiedichte

Die Firma FTCAP GmbH hat für das Projekt einen skalierbaren Pufferkondensator entwickelt, der bis zu einer Speicherkapazität von 0,86 Farad (F) bei 900 Volt DC in einen industrietypischen 19‘‘-Schrank passt. Dabei wurden neben optimierten Folien nach konventionellem Aufbau auch tunnelgeätzte Folien als Basismaterial für Kondensatoren im Stapelbau untersucht, um eine Verdopplung der Energiedichte zu erreichen.

Der modulare Aufbau konnte als Prototyp mit 48 mF pro Modul in einem Schrank aufgebaut und hinsichtlich Funktion und Absicherungskonzept in einem Labormusteraufbau erfolgreich getestet werden. Der Modulaufbau ermöglicht auf einfache Art und Weise eine Skalierbarkeit des Puffers in Spannung und Kapazität, je nach Anforderung der Anwendung. Durch den Stapelaufbau wurde die Energiedichte verdoppelt, wodurch eine sehr kompakte Bauart des Pufferkondensators ermöglicht wird.

Im Netz-Patron dient der Kondensator als Energiespeicher für den Spannungsstabilisator, bei einem Spannungseinbruch entnimmt der Spannungsstabilisator die Energie nicht aus dem Netz, wodurch das Netz, im Fehlerfall, nicht zusätzlich belastet wird.

Energiemanagementsystem »Netz-Patron-Hub«

Das Steinbeis Transferzentrum Energie und EMV entwickelte im Rahmen des Projektes ein übergeordnetes Energiemanagementsystem (Netz-Patron-Hub) zur kontinuierlichen Überwachung, Bewertung und dynamischen Parametrierung des Netz-Patrons (Abbildung 3). Der Netz-Patron-Hub kann nicht nur auf die anlageninternen Komponenten, sondern auch bereits in Kundenanlagen vorhandene Infrastruktur und Datenquellen (PQ-Sensoren, PQ-Aktoren) integrieren. Auf der Grundlage der aggregierten Daten und visualisierten Informationen lässt sich Wirksamkeit und der Wirkungsgrad des Netz-Patrons bewerten. Als zentraler Zugriffspunkt und Datenspeicher dient der Netz-Patron-Hub darüber hinaus als Koppelelement für Drittsysteme und ermöglicht unter anderem die Fernwartung / Remotezugriff als auch die Bereitstellung weiterer angeschlossener Dienstleistungen der Projektpartner.

Als nächstes sollen die einzelnen Komponenten zur Serienreife entwickelt werden, die durch Verwendung mehrerer Module skaliert werden können.

Fachansprechpartner

Aktives Oberschwingungs-Filter, Schäfer Elektronik GmbH:
Hansjürgen Schäfer

Spannungsstabilisator, Condensator Dominit GmbH:
Alexander Peschkow

Pufferkondensator, FTCAP GmbH:
Herwig Süncksen

Energiemanagementsystem, Steinbeis Transferzentrum Energie und EMV:
Thomas Heck

Tests, Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE:
Thorsten Reimann