{"id":8161,"date":"2023-05-02T09:00:00","date_gmt":"2023-05-02T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.neo-messtechnik.com\/?p=8161"},"modified":"2025-10-07T10:39:16","modified_gmt":"2025-10-07T08:39:16","slug":"current-harmonic-measurement-at-the-grid-connection-point","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.neo-messtechnik.com\/de\/current-harmonic-measurement-at-the-grid-connection-point","title":{"rendered":"Stromoberschwingungsmessung am Netzanschlusspunkt der Energieerzeugungsanlage"},"content":{"rendered":"

In Deutschland wurden in den letzten Jahren die jeweiligen technischen Regeln f\u00fcr den Anschluss von Kundenanlagen an das Nieder-, Mittel-, Hoch- und H\u00f6chstspannungsnetz und deren Betrieb bundesweit vereinheitlicht.1<\/sup> In allen diesen Regeln wird die Messung von Stromoberschwingungen bis 9 kHz beschrieben. Die jeweiligen Maximalpegel errechnen sich unter anderem aus der Anschlussleistung.<\/p>\n\n\n\n

Aktuell wird die Mehrheit der Erzeugungsanlagen wie beispielsweise Windenergie- oder Photovoltaikanlagen mit verschiedenen Umrichtertechnologien an das Energieversorgungsnetz angeschlossen. W\u00e4hrend bei Photovoltaikanlagen der direkt erzeugte Gleichstrom einen Wechselrichter speist, wird bei einer Windenergieanlage der dreiphasige Wechselstrom vom Generator zuerst gleichgerichtet. Danach erfolgt wiederum die Umwandlung in einen dreiphasigen Wechselstrom.<\/p>\n\n\n\n

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In vielen der derzeit installierten Anlagen wird ein Synchrongenerator mit einem Umrichter kombiniert. Im ersten Schritt wird die Ausgangsspannung des Synchrongenerators gleichgerichtet. Dazu werden oftmals Br\u00fcckenschaltungen (B) genutzt. Die folgende Zahl spezifiziert die Anzahl der verwendeten Halbleiterschalter. Im obigen Beispiel liefert der Synchrongenerator ein sechsphasiges Spannungssystem. Dieses wird anschlie\u00dfen mit einer B12-Dioden-Br\u00fcckschaltung gleichgerichtet. Anschlie\u00dfend wird das Spannungsniveau im Zwischenkreis durch einen Hochsetzsteller angehoben. Nach dem Zwischenkreis generiert der Wechselrichter in B6-Schaltung ein netzkonformes Drehstromsystem. In der Mehrzahl der F\u00e4lle baut der Wechselrichter auf der Pulsweitenmodulation auf. Dies ist ein Steuerverfahren f\u00fcr selbstgef\u00fchrte Um- und Wechselrichter. Dieses bei Erzeugungseinheiten h\u00e4ufig angewendete Verfahren bildet durch die Pulsung der Gleichspannung aus dem Zwischenkreis (Windenergieanlage) oder der DC-Quelle (Photovoltaikanlage) die einzuspeisende 50 Hz-Spannungsform nach. Die synthetisch erzeugte Sinusschwingung ist nicht perfekt, so dass immer auch Oberschwingungen erzeugt werden. Der Anteil der Oberschwingungen korreliert unter anderem mit der Schaltfrequenz des Wechselrichters. Eine h\u00f6here Schaltfrequenz kann die Verzerrungen der Sinusschwingungen verkleinern. Gleichzeitig steigen jedoch durch eine h\u00f6here Schaltfrequenz die Verluste in den verwendeten Halbleitermodulen im Wechselrichter. Die Drosselspule am Ausgang des Wechselrichters wird dazu verwendet, den Strom zu gl\u00e4tten. Aktuell liegen die Schaltfrequenzen bei Windenergieanlagen zwischen 2 und 4 kHz. Wechselrichter im Photovoltaikbereich liegen aufgrund der niedrigeren Nennleistung zumeist zwischen 4 und 20 kHz.<\/p>\n\n\n\n

Die Drosselspule an der Ausgangsseite wie in Abbildung 1 des Wechselrichters dient zur Stromgl\u00e4ttung. Um \u00dcbertragungsverluste in den Kabeln zu vermeiden, wird die Ausgangsspannung auf 20 kV hochtransformiert. Windenergieanlagen k\u00f6nnen zwar auch als Einzelanlage ausgef\u00fchrt werden, zumeist werden die Anlagen aber in Parks zusammengeschaltet und anschlie\u00dfend auf der Hoch- oder H\u00f6chstspannungsebene an das \u00f6ffentliche Netz angekoppelt.<\/p>\n\n\n\n

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Generell sind Wechselrichter als St\u00f6raussender anzusehen2<\/sup>, da hochfrequente Anteile durch die steilen Stromanstiege und Einschwingvorg\u00e4nge erzeugt werden. Das Spannungsausgangssignal wird aus diesem Grund durch Filterma\u00dfnahmen gegl\u00e4ttet, um die elektromagnetische Vertr\u00e4glichkeit zu erh\u00f6hen. H\u00f6here St\u00f6rpegel k\u00f6nnen durch defekte Module hervorgerufen werden oder auch, wenn die Anlagen nur im Teillastbereich betrieben werden. Auch wenn der im Windpark eingesetzte Anlagentyp gem\u00e4\u00df der f\u00fcr die erneuerbaren Energien geltenden Technischen Richtlinie Teil 33<\/sup> (TR3) in akkreditierten Pr\u00fcflaboren eine Anlagenzertifizierung erhalten hat, k\u00f6nnen am Netzanschlusspunkt durchaus h\u00f6here Stromoberschwingungen bis 9 kHz gemessen werden, als in den geltenden Anwendungsregeln erlaubt sind. Ist dies der Fall, werden Oberschwingungsfilter am Netzanschlusspunkt installiert, um die definierten Grenzwerte einhalten zu k\u00f6nnen.4<\/sup> Verl\u00e4ssliche Messwerte bis 9 kHz sind dabei die Grundvoraussetzung. In den Anwendungsregeln werden daher Power Quality Analysatoren der Klasse A (A=Advanced) gem\u00e4\u00df dem Standard IEC 61000-4-30 (Edition 3) spezifiziert. Die hier definierte Genauigkeit liegt beispielsweise f\u00fcr die Spannungs- und Stromkan\u00e4le bei unter 0,1 %. Grunds\u00e4tzlich k\u00f6nnen die Messdaten dieser Ger\u00e4te bei rechtlichen Auseinandersetzungen oder Vertragsstreitigkeiten als Beweis angef\u00fchrt werden. Bei Power Quality Analysatoren der Klasse S (S=Survey) k\u00f6nnen die Daten und aufgezeichneten Ereignisse nur qualitativ erfasst werden und sind nur f\u00fcr interne Statistiken zu gebrauchen.<\/p>\n\n\n\n

Neben den Analysatoren m\u00fcssen die Stromsensoren ebenfalls eine hohe Genauigkeit bis 9 kHz aufweisen. Zertifizierte Genauigkeitsmessungen gem\u00e4\u00df der IEC 17025 werden von einschl\u00e4gigen Pr\u00fcflaboratorien in Europa aber lediglich bis 60 Hz angeboten. Ein Messnormal bis 9 kHz ist weltweit noch nicht verf\u00fcgbar. Bis heute sind dementsprechend lediglich Pr\u00fcfergebenisse der Hersteller oder Labore verf\u00fcgbar, die nicht auf ein Messnormal zur\u00fcckgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen. 2019 ist unter der F\u00fchrung der PTB ein erstes Dokument ver\u00f6ffentlicht worden, wie ein genauer und Testaufbau aussehen kann, um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten.5<\/sup> Die Arbeit erfolgte in dem europ\u00e4ischen Projekt Future Grid II (Metrology for the next-generation digital substation instrumentation).6<\/sup> Unter anderem wurden hochgenaue Fluxgate-Stromsensoren der Firma Danisense eingesetzt. Die gleiche Technologie findet sich jetzt auch in gie\u00dfharzvergossenen Umbauwandlern der Firma Senseleq, einem Joint-Venture des niederl\u00e4ndischen Messwandlerherstellers Eleq und dem d\u00e4nischen Hersteller von hochpr\u00e4zisen Stromsensoren (Nullflussprinzip) Danisense. Diese Fluxgate-Stromsensoren k\u00f6nnen an Durchf\u00fchrungen von Transformatoren oder Schaltanlagen verbaut werden und bieten hochgenaue Messwerte von DC bis in den dreistelligen kHz-Bereich. So k\u00f6nnen auch, wie in den Anwendungsregeln genannt, niederfrequente (< 50 Hz) St\u00f6rungen sicher detektiert werden, die bei reinen AC-Sensoren nicht detektierbar sind bzw. zu Fehlfunktionen aufgrund von S\u00e4ttigungserscheinungen f\u00fchren.<\/p>\n\n\n\n

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Der Messnachweis f\u00fcr die Analyse f\u00fcr h\u00f6herfrequente Anteile sieht f\u00fcr einen 2.500\/1 A Senseleq-Stromwandler wie folgt aus.<\/p>\n\n\n\n

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W\u00e4hrend die definierten Maximalpegel bis 9 kHz f\u00fcr die Netzbetreiber eine gute Hilfestellung darstellen, um das Netz vor St\u00f6reinfl\u00fcssen sch\u00fctzen zu k\u00f6nnen, sind Probleme am Netzanschlusspunkt bzw. bei Nachbaranlagen \u00fcber 9 kHz nicht immer auszuschlie\u00dfen. Beispielsweise bilden sich neben der Taktfrequenz auch vielfache der Taktfrequenz mit entsprechenden Seitenb\u00e4ndern aus. Dieses Ph\u00e4nomen wird durch folgende Formel beschrieben.<\/p>\n\n\n\n

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f = n \u00d7 fT<\/sub> \u00b1 2 \u00d7 n \u00d7 f1<\/sub><\/strong><\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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f = Frequenz im Netz<\/strong><\/p>\n\n\n\n

n = Multiplikator (1;2;3;...)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

fT<\/sub> = Taktfrequenz der Leistungselektronik<\/strong><\/p>\n\n\n\n

f1<\/sub> = Frequenz der Grundschwingung im Netz (50 Hz)<\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Taktet nun ein Wechselrichter bei 4 kHz sind abgeschw\u00e4chte Amplituden ebenfalls bei 8, 16 und 20 kHz mit den entsprechenden Seitenb\u00e4ndern zu erwarten.<\/p>\n\n\n\n

Hier sind daher Power Quality Analysatoren zu empfehlen, die Abtastraten an den Strom- und Spannungseing\u00e4ngen bis mindestens 300 kHz aufweisen, um den gesamten Power Quality Bereich bis 150 kHz abdecken zu k\u00f6nnen. Es haben sich beispielsweise Power Quality Analysatoren von der Neo Messtechnik GmbH aus \u00d6sterreich bew\u00e4hrt. Neben der hohen Abtastrate von 1 Ms\/s sind kleinere Amplituden bei h\u00f6heren Frequenzen durch ein sehr gutes Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis immer noch erkennbar.<\/p>\n\n\n\n

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Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen \u00fcber umschaltbare Spannungseing\u00e4nge (600 Vp und 10 Vp) auch Spannungssensoren f\u00fcr die Mittelspannung mit Kleinsignalausg\u00e4ngen an das Ger\u00e4t angeschlossen werden. Bei den Senseleq Stromsensoren stehen Strom- oder Spannungsausg\u00e4nge zur Wahl. Spannungsausg\u00e4nge k\u00f6nnen direkt mit dem Messger\u00e4t verbunden werden. Bei Stromsignalen werden induktivarme Messshunts in den Sekund\u00e4rausgang eingebracht.<\/p>\n\n\n\n

Einige Netzbetreiber haben bereits ihre Technischen Anschlussbedingungen (TAB) in Deutschland aktualisiert und verordnen so dem Betreiber der Energieerzeugungsanlage weitere Investitionen bez\u00fcglich der Messmittel in der \u00dcbergabestation. Eine finanzielle Belastung des Netzbetreibers kann damit, anders als bei einem Anschluss im Niederspannungsbereich, umgangen werden. Der Betreiber der Anlage wird ebenfalls dazu verpflichtet bei der Verletzung der normgerechten Maximalpegel eine Meldung an den Netzbetreiber abzusetzen.<\/p>\n\n\n\n

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1<\/sup> VDE-AR-N 4100 Anwendungsregel:2019-04 (Niederspannung); VDE-AR-N 4110 Anwendungsregel:2018-11 (Mittelspannung); VDE-AR-N 4120 Anwendungsregel:2018-11 (Hochspannung); VDE-AR-N 4130 Anwendungsregel:2018-11 (H\u00f6chstspannung)<\/p>\n\n\n\n

2<\/sup> Detlef Schulz (2004): Netzr\u00fcckwirkungen \u2013 Theorie, Simulation, Messung und Bewertung, Berlin und Offenbach: VDE-Verlag<\/p>\n\n\n\n

3<\/sup> TR 3 \u2013 Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Erzeugungseinheiten und -anlagen, Speicher sowie f\u00fcr deren Komponenten am Mittel-, Hoch- und H\u00f6chstspannungsnetz<\/p>\n\n\n\n

4<\/sup> https:\/\/www.reinhausen.com\/impulses\/standard-compliant-grid-integration-of-wind-and-solar-power\/clean-power-grid-with-high-frequency-filters<\/a><\/p>\n\n\n\n

5<\/sup> https:\/\/oar.ptb.de\/resources\/show\/10.7795\/EMPIR.17IND06.CA.20191122<\/a><\/p>\n\n\n\n

6<\/sup> https:\/\/www.euramet.org\/research-innovation\/search-research-projects\/details\/project\/metrology-for-the-next-generation-digital-substation-instrumentation\/<\/a><\/p>\n\n\n\n

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Zum Abschluss<\/h2>\n\n\n\n

Wo finde ich weitere Informationen?<\/p>\n\n\n\n