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Ein Batterie-Energiespeichersystem kann die Oberschwingungsgrenzwerte an seinem Netzverknüpfungspunkt einhalten und dennoch eine Resonanzfrequenz in das elektrische Netz einführen.
Dies ist kein Widerspruch. Die Netzeinhaltung bestätigt, dass Spannungs- und Stromverzerrungen unter den bewerteten Bedingungen innerhalb definierter Grenzen bleiben. Oberschwingungsresonanz beschreibt, wie das vollständige elektrische System auf verschiedene Frequenzen reagiert.
Ein Resonanzpunkt kann vorhanden sein, ohne unmittelbar einen Verstoß gegen die Anforderungen zur Netzeinhaltung zu verursachen. Wenn jedoch ein BESS-Wechselrichter, ein anderer Umrichter oder vorhandene Hintergrundverzerrungen diese Frequenz anregen, kann ein vergleichsweise kleiner Oberschwingungsstrom eine erhebliche Spannungserhöhung erzeugen.
Diese Unterscheidung wird zunehmend wichtiger, da Batteriespeichersysteme im Großmaßstab an Mittel- und Hochspannungsnetze angeschlossen werden.
BESS-Oberschwingungsresonanz tritt auf, wenn die induktiven und kapazitiven Elemente eines netzgekoppelten Batterie-Energiespeichersystems bei einer bestimmten Frequenz miteinander interagieren.
Ein BESS im Versorgungsmaßstab enthält weit mehr als nur Batterien. Sein AC-Anschluss umfasst typischerweise:
Leistungsumwandlungssysteme
Ausgangsfilter der Wechselrichter
Hochsetztransformatoren
Mittelspannungssammelkabel
Haupttransformatoren für den Netzanschluss
Hilfstransformatoren
Blindleistungsausrüstung
Schutz- und Schaltausrüstung
Die Transformatoren und das externe Netz tragen zur Induktivität bei. Die Kabel, Wechselrichterfilter und Kondensatorbänke tragen zur Kapazität bei.
Bei einer bestimmten Frequenz können die induktiven und kapazitiven Reaktanzen miteinander interagieren und entweder eine Parallel- oder eine Serienresonanz erzeugen.
Eine Parallelresonanz erzeugt bei einer bestimmten Frequenz eine hohe Netzimpedanz.
Wenn Oberschwingungsstrom bei oder nahe dieser Frequenz fließt, kann die hohe Impedanz eine unverhältnismäßig große Oberschwingungsspannung erzeugen. Dies ist ein Grund dafür, dass ein kleiner Oberschwingungsstrom zu unerwarteten Spannungsverzerrungen am Netzverknüpfungspunkt führen kann.
Eine Serienresonanz erzeugt bei einer bestimmten Frequenz einen Pfad mit niedriger Impedanz.
Dies kann dazu führen, dass übermäßiger Oberschwingungsstrom durch Transformatoren, Kabel, Kondensatoren oder Oberschwingungsfilter zirkuliert. Der daraus resultierende Strom kann die Erwärmung und elektrische Belastung von Geräten erhöhen, selbst wenn die Oberschwingungsspannung am PCC akzeptabel erscheint.
Ein BESS-Problem mit Oberschwingungsresonanz muss daher sowohl anhand von Spannungs- als auch Strommessungen bewertet werden.
Netzanschlussregeln und Oberschwingungsnormen legen normalerweise Grenzwerte für Spannungs- und Stromverzerrungen am Netzverknüpfungspunkt fest.
Die Einhaltung zeigt, dass die gemessenen oder berechneten Ergebnisse diese Grenzwerte erfüllen. Das Ergebnis gilt jedoch nur für die Betriebsbedingungen, Netzkonfiguration und Annahmen, die in der Bewertung berücksichtigt wurden.
Resonanz ist anders, da sie eine Eigenschaft der vollständigen Systemimpedanz ist.
Ein Resonanzpunkt kann im Netz bestehen bleiben, selbst wenn die Oberschwingungsverzerrung unterhalb des relevanten Grenzwerts liegt. Er wird erst sichtbar, wenn ausreichend Oberschwingungsenergie in der Nähe der Resonanzfrequenz vorhanden ist.
Das BESS kann daher seine anfängliche Oberschwingungsbewertung bestehen, aber später ein Problem erfahren, nachdem:
sich der Kurzschlusspegel des Netzes ändert
ein Transformator außer Betrieb genommen wird
ein Kabel oder eine Freileitung getrennt wird
eine Kondensatorbank geschaltet wird
eine weitere Erzeugungsanlage aus erneuerbaren Energien in der Nähe angeschlossen wird
die Hintergrund-Oberschwingungsverzerrung zunimmt
das BESS den Betriebsmodus ändert
sich die Anzahl der eingeschalteten Wechselrichter ändert
Die Netzeinhaltung sollte nicht als Nachweis betrachtet werden, dass die Anlage niemals Oberschwingungsresonanz erfahren kann.
Eine herkömmliche Oberschwingungsbewertung kann einen Wechselrichter als Quelle von Oberschwingungsstrom darstellen. Obwohl dieses Modell nützlich ist, beschreibt es nicht die vollständige Wechselwirkung des Wechselrichters mit dem Netz.
Ein moderner BESS-Wechselrichter verfügt über eine frequenzabhängige Ausgangsimpedanz. Sein Verhalten wird beeinflusst durch:
Stromregelungsbandbreite
Einstellungen der Phasenregelschleife
Digitale Regelungsverzögerungen
Aktive Dämpfung
Spannungs-Vorsteuerung
Schaltfrequenz
Auslegung des Ausgangsfilters
Wirk- und Blindleistung
Netzfolgende oder netzbildende Regelung
Bei einigen Frequenzen kann der Wechselrichter induktiv erscheinen. Bei anderen kann er kapazitiv erscheinen. Seine effektive Impedanz kann sich auch mit seinem Betriebspunkt und Regelungsmodus ändern.
Die grundlegende Beziehung zwischen Oberschwingungsspannung und -strom kann ausgedrückt werden als:
Oberschwingungsspannung = Oberschwingungsimpedanz × Oberschwingungsstrom
Wenn die Netzimpedanz niedrig ist, kann ein bestimmter Oberschwingungsstrom eine begrenzte Spannungsverzerrung verursachen.
Wenn die Impedanz nahe einer Parallelresonanz stark ansteigt, kann derselbe Oberschwingungsstrom eine wesentlich höhere Oberschwingungsspannung erzeugen.
Die resultierende Verzerrung wird daher durch mehr als nur den vom BESS erzeugten Oberschwingungsstrom bestimmt. Sie hängt auch von der Impedanz ab, durch die dieser Strom fließt.
Mittelspannungs-BESS-Anlagen enthalten häufig umfangreiche Kabelnetze, die mehrere Wechselrichterstationen mit einer gemeinsamen Schaltanlage verbinden.
Diese Kabel führen Kapazität in das System ein. In Kombination mit der Induktivität von Transformatoren und Netz kann die Kabelkapazität einen Parallelresonanzpunkt erzeugen.
Mit zunehmender installierter Kabellänge steigt die Gesamtkapazität. Dies kann die Resonanz zu einer niedrigeren Frequenz verschieben und sie näher an von den Wechselrichtern erzeugte oder bereits im Netz vorhandene Oberschwingungskomponenten bringen.
Die endgültige Resonanzfrequenz hängt von Faktoren ab, darunter:
Kabellänge
Kabelaufbau
Anzahl paralleler Stromkreise
Streufeldimpedanz des Transformators
Kurzschlussleistung des Netzes
Anzahl angeschlossener Wechselrichter
Vorhandene Filter und Kondensatorbänke
Die Kabelkapazität sollte daher in jeder BESS-Oberschwingungsstudie genau dargestellt werden. Die Behandlung des Kollektorsystems als einfache Impedanz bei Grundfrequenz kann wichtiges Oberschwingungsverhalten verbergen.
Ein BESS im Versorgungsmaßstab kann Dutzende oder Hunderte parallel betriebene Wechselrichtermodule enthalten.
Jeder Wechselrichter kann seine gerätebezogenen Oberschwingungsanforderungen erfüllen, wenn er gegen eine festgelegte Referenzimpedanz geprüft wird. Der Anschluss vieler Wechselrichter an ein gemeinsames Kollektornetz verändert jedoch die äquivalente Impedanz der Anlage.
Der von einem Wechselrichter beobachtete Oberschwingungsstrom kann Folgendes enthalten:
Von diesem Wechselrichter erzeugter Strom
Von anderen parallelen Wechselrichtern stammender Strom
Durch Oberschwingungsverzerrungen der Hintergrundnetzspannung verursachter Strom
Zirkulierender Strom zwischen Wechselrichtereinheiten
Jeder Wechselrichter und sein Ausgangsfilter können ebenfalls eine Resonanzspitze einführen. Je mehr Einheiten angeschlossen werden, desto komplexer wird die kombinierte Impedanzantwort.
Dies bedeutet, dass zwanzig einzeln normkonforme Wechselrichter elektrisch nicht immer einem einzelnen, mit zwanzig multiplizierten Wechselrichter entsprechen.
Das vollständige BESS muss als vernetztes System untersucht werden.
Eine aktuelle Studie untersuchte ein an ein 33-kV-Netz angeschlossenes 50-MW-BESS. Die Anlage enthielt 19 Wechselrichter und die zugehörigen Aufwärtstransformatoren.
Während der Inbetriebnahme und des Betriebs durchgeführte Messungen ergaben eine Nichteinhaltung der Oberschwingungsgrenzwerte unter mehreren Lade- und Entladebedingungen. Die betroffenen Frequenzen erstreckten sich ungefähr von der 14. bis zur 65. Oberschwingungsordnung.
Zwei wesentliche Resonanzbereiche wurden identifiziert.
Die erste Resonanz trat ungefähr zwischen der 14. und 20. Oberschwingungsordnung auf und war mit der Eigenimpedanz der BESS-Wechselrichter verbunden.
Die zweite trat ungefähr zwischen der 50. und 70. Oberschwingungsordnung auf und war hauptsächlich auf die Kapazität der 33-kV-Sammelkabel zurückzuführen.
Die Untersuchung zeigte, dass das Problem nicht allein durch die Oberschwingungsemissionen der Wechselrichter erklärt werden konnte. Das BESS hatte die Netzimpedanz verändert und bestimmte Oberschwingungskomponenten verstärkt.
Mithilfe von Messungen im Leerlauf sowie im Lade- und Entladebetrieb wurde ein validiertes Systemmodell entwickelt. Anschließend wurde ein 5-MVAr-Oberschwingungsfilter vom Typ C ausgelegt und an die 33-kV-BESS-Schaltanlage angeschlossen.
Der Filter dämpfte die Resonanzbereiche und brachte die Anlage innerhalb der geltenden Oberschwingungsgrenzwerte.
Der Fall zeigt, warum eine Oberschwingungsuntersuchung eines BESS sowohl die Oberschwingungsquellen als auch die frequenzabhängige Netzimpedanz bewerten muss.
Es wird häufig angenommen, dass die maximale Lade- oder Entladeleistung die höchste Oberschwingungsverzerrung verursacht.
Das ist nicht immer richtig.
Das Oberschwingungsspektrum eines BESS-Wechselrichters kann sich mit seiner Ausgangsleistung, Blindleistung und Betriebsart ändern. Auch die Anzahl der betriebenen Wechselrichtereinheiten kann sich bei Teillast ändern.
Bei geringer BESS-Ausgangsleistung:
Möglicherweise sind weniger Wechselrichtermodule in Betrieb
Die Oberschwingungsaufhebung zwischen den Einheiten kann abnehmen
Die Stromverzerrung als Prozentsatz des Grundschwingungsstroms kann zunehmen
Die Betriebsarten können sich ändern
Die Anlagenimpedanz kann sich verschieben
Die vorhandene Spannungsverzerrung kann an Einfluss gewinnen
Die stärkste BESS-Oberschwingungsresonanz kann daher während des Teilladens, Teilentladens, der Blindleistungsstützung oder des Bereitschaftsbetriebs auftreten.
Eine Oberschwingungsbewertung, die ausschließlich auf der Nennwirkleistung basiert, kann den tatsächlichen ungünstigsten Betriebszustand verfehlen.
Die Netzimpedanz ist nicht konstant.
Sie verändert sich, wenn das Übertragungs- oder Verteilungsnetz zwischen verschiedenen Betriebskonfigurationen wechselt. Ein starkes Netz mit mehreren in Betrieb befindlichen Transformatoren und Leitungen kann ein anderes Oberschwingungsimpedanzprofil aufweisen als ein schwaches Netz während einer geplanten Abschaltung.
Änderungen der Netzinduktivität können die Resonanzfrequenz näher an eine bedeutende Oberschwingungsquelle heran oder weiter von ihr weg verschieben.
Wichtige Netzbedingungen umfassen:
Minimale und maximale Kurzschlussleistungen
Normale und Ausfallkonfigurationen
Verfügbarkeit von Transformatoren
Schalten von Sammelschienenabschnitten
Stufenstellungen der Transformatoren
Status der Erzeugungsanlagen in der Umgebung
Schalten von Kondensatoren und Drosselspulen
Künftige Netzverstärkungen
Eine einzelne Kurzschlussleistung und ein einzelnes X/R-Verhältnis können das vollständige Oberschwingungsverhalten des externen Netzes nicht immer repräsentieren.
Eine robuste BESS-Netzanschlussstudie sollte eine Impedanzhüllkurve oder mehrere frequenzabhängige Netzfälle verwenden.
Eine vollständige BESS-Oberschwingungsstudie sollte die Wechselwirkungen zwischen den Wechselrichtern, dem Sammelnetz und dem externen Netz untersuchen.
Impedanzscans sollten über den vom geltenden Netzcode geforderten Frequenzbereich durchgeführt werden.
Die Scans sollten Folgendes identifizieren:
Parallele Resonanzspitzen
Serienresonanzsenken
Resonanzverschiebungen zwischen Betriebsfällen
Frequenzen nahe bedeutender Wechselrichteremissionen
Frequenzen nahe Hintergrund-Oberschwingungen des Netzes
Wechselwirkungen mit bestehenden Filtern und Kondensatorbänken
Die Studie sollte Folgendes umfassen:
Laden mit voller Leistung
Laden mit Teilleistung
Entladen mit voller Leistung
Entladen mit Teilleistung
Standby-Betrieb
Blindleistungsunterstützung bei Null-Wirkleistung
Unterschiedliche Anzahl an betriebenen Wechselrichtern
Reduzierte Anlagenverfügbarkeit
Transformatorimpedanz, Kabelkapazität, Filterparameter und Blindleistungseinrichtungen müssen genau dargestellt werden.
Kleine Fehler bei Kapazität oder Induktivität können die berechnete Resonanzfrequenz verschieben und die vorhergesagte Filterleistung verändern.
Soweit verfügbar, sollten Wechselrichterhersteller Oberschwingungsemissionsdaten und frequenzabhängige Impedanzmodelle bereitstellen.
Wenn detaillierte Steuerungsmodelle nicht bereitgestellt werden können, können Black-Box-Norton- oder Thévenin-Ersatzmodelle genügend Anschlussinformationen für die Bewertung der Oberschwingungsinteraktion liefern.
Die Hintergrund-Spannungsverzerrung sollte vor der Inbetriebnahme des BESS möglichst gemessen werden.
Diese Messungen helfen bei der Unterscheidung zwischen:
Vom BESS erzeugte Oberschwingungen
Bestehende Netzverzerrung
Durch die BESS-Impedanz verstärkte Oberschwingungen
Wechselwirkungen zwischen Hintergrundverzerrung und der neuen Installation
Messungen nach der Inbetriebnahme sollten mit dem Simulationsmodell verglichen werden.
Wenn die gemessenen und berechneten Impedanzspitzen nicht übereinstimmen, sollte das Modell korrigiert werden, bevor Oberschwingungsminderungseinrichtungen ausgelegt werden.
Die geeignete Minderungsmethode hängt vom Frequenzbereich, der Netzimpedanz, dem Verhalten der Wechselrichter und der erforderlichen Blindleistung ab.
Mögliche Lösungen umfassen:
Passive Oberschwingungsfilter
Harmonische Filter vom C-Typ
Gedämpfte Hochpassfilter
Hybride passive und aktive Filter
Zusätzliche Umrichter- oder Netzreaktoren
Aktive Dämpfung in Wechselrichterregelungen
Virtuelle Impedanz oder Admittanz
Änderungen an Transformator- oder Kabelanordnungen
Koordinierter Betrieb von Wechselrichtereinheiten
Passive Oberschwingungsfilter bieten einen niederimpedanten Pfad für ausgewählte Oberschwingungsströme und können das Dämpfungsverhalten des Netzimpedanzprofils verbessern.
Sie werden häufig im Mittelspannungsbereich eingesetzt, da sie wirtschaftlich, effizient und für hohe Nennleistungen geeignet sein können.
Allerdings verändert jeder passive Filter auch die Netzimpedanz. Ein schlecht ausgelegter Filter kann einen bestehenden Resonanzpunkt verschieben oder einen neuen erzeugen.
Filter vom C-Typ können eine Dämpfung von Oberschwingungen ermöglichen und gleichzeitig die Verluste bei der Grundfrequenz im Dämpfungswiderstand reduzieren.
Sie eignen sich häufig dort, wo sowohl breitbandige Dämpfung als auch Blindleistungskompensation erforderlich sind.
Bei der Auslegung müssen folgende Punkte berücksichtigt werden:
Abstimmfrequenz
Gütefaktor
Nennleistung der Blindleistung
Kondensatorspannung und -strom
Linearität des Reaktors
Energiebeanspruchung des Widerstands
Fertigungstoleranzen
Alterung der Komponenten
Netzbetriebsfälle
Künftige Änderungen des Systems
Aktive Filter messen Oberschwingungsstrom oder -spannung und speisen ein kompensierendes Signal ein.
Sie können sich an veränderte Betriebsbedingungen anpassen, aber ihre erforderliche Nennleistung, Regelbandbreite und Mittelspannungsschnittstelle müssen sorgfältig bewertet werden.
In einigen Anlagen kann eine Oberschwingungsresonanz durch Änderung der Regelparameter des Wechselrichters oder durch Hinzufügen einer aktiven Dämpfung gemindert werden.
Dieser Ansatz kann während der Entwurfsphase kosteneffizient sein, erfordert jedoch eine enge Zusammenarbeit mit dem Wechselrichterhersteller und eine sorgfältige Validierung unter allen Netzbedingungen.
Ein Oberschwingungsfilter sollte nicht allein anhand der höchsten in einem Messbericht dargestellten Oberschwingungsordnung ausgewählt werden.
Der Filter muss ausgelegt werden unter Berücksichtigung von:
Dem vollständigen Impedanzprofil
Allen plausiblen Netzbedingungen
Lade- und Entladezuständen
Bestehenden Hintergrundverzerrungen
Zukünftige Oberschwingungsquellen
Komponententoleranzen
Thermische und dielektrische Grenzwerte
Anforderungen an die grundlegende Blindleistung
Das Ziel besteht nicht einfach darin, einen einzelnen Oberschwingungsanteil zu reduzieren. Es geht darum, über den relevanten Frequenzbereich ein stabiles und ausreichend gedämpftes Impedanzprofil zu schaffen.
Ja. Eine Resonanz kann vorhanden sein, ohne stark angeregt zu werden. Oberschwingungsspannung und -strom können innerhalb der Grenzwerte bleiben, bis sich die Netzkonfiguration, der Betriebsmodus des BESS oder das Hintergrund-Oberschwingungsspektrum ändert.
Nein. Das Resonanzrisiko hängt von der Wechselrichterimpedanz, der Kabelkapazität, der Transformatorimpedanz, der Netzstärke und vorhandenen Kompensationseinrichtungen ab.
Ja. Mehrere parallel geschaltete Wechselrichter verändern die Ersatzimpedanz der Anlage. Sie können miteinander und mit dem Netz interagieren, selbst wenn jeder Wechselrichter einzeln seine Anforderungen auf Geräteebene erfüllt.
Nein. Teillast, Bereitschaftsbetrieb oder Blindleistungsbetrieb können manchmal eine höhere prozentuale Verzerrung oder eine ungünstigere Impedanzbedingung verursachen.
Ja. Eine zusätzliche Kapazität kann eine parallele Resonanzfrequenz näher an eine vorhandene Oberschwingungsquelle verschieben. Kondensatorbänke sollten in das vollständige Oberschwingungsmodell einbezogen werden.
Es gibt keinen universell geeigneten Filter. Die richtige Auslegung hängt vom gemessenen Oberschwingungsspektrum, der Netzimpedanz, den Blindleistungsanforderungen und den Betriebsszenarien ab. C-Typ-, abgestimmte, Hochpass-, aktive und Hybridfilter können je nach Anlage geeignet sein.
BESS-Oberschwingungsresonanz ist ein Problem der Systeminteraktion und nicht einfach ein Problem der Wechselrichteremissionen.
Ein Batteriespeichersystem kann die Oberschwingungsgrenzwerte am Netzverknüpfungspunkt einhalten und dennoch eine Resonanzfrequenz erzeugen oder verschieben. Wird diese Frequenz später durch den BESS, einen anderen Umrichter oder Netzverzerrungen im Hintergrund angeregt, können Oberschwingungsspannung oder -strom erheblich ansteigen.
Eine zuverlässige Oberschwingungsstudie für ein BESS sollte daher frequenzabhängige Impedanzscans, mehrere Lade- und Entlademodi, realistische Netzkonfigurationen, genaue Kabel- und Transformatordaten, Hintergrundmessungen und eine Validierung nach der Inbetriebnahme umfassen.
Die entscheidenden Fragen lauten nicht nur: Hält das BESS heute die Oberschwingungsgrenzwerte ein?
Sie lauten auch: Wo befinden sich die Systemresonanzen, wodurch können sie angeregt werden und wie werden sie sich morgen verändern?
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