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Zusammenfassung: Oberschwingungsprobleme im Energieversorgungsnetz können oft mit einem umfassenden Ansatz gelöst werden, der Standortuntersuchungen, Oberschwingungsmessungen und Computersimulationen umfasst.
Diese Fallstudie präsentiert die Ergebnisse einer harmonischen Bewertung einer kommerziellen Anlage. Die Simulationen wurden mit dem Programm PSCAD durchgeführt. Die Analyse bewertet die Auswirkungen von Transformatorverbindungen, um die harmonischen Stromverzerrungen sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite der Kundentransformatoren zu bestimmen. Die Simulationsergebnisse zeigen den Neutralstrom der dritten Harmonischen und eine K-Faktor-Transformator-Derating-Analyse.
Für das in Abbildung 1 gezeigte System wurde eine harmonische Bewertung einer kommerziellen Anlage durchgeführt. Die Fallstudie wurde mit dem PSCAD-Programm erstellt. Die Genauigkeit des Simulationsmodells wurde anhand von dreiphasigen und einpoligen Erdfehlerströmen sowie anderen stationären Größen überprüft.
Das Schaltungsmodell für diesen Fall umfasste eine 25,56-kV-Kundenumspannstation mit zwei 1.000-kVA-Abwärtstransformatoren zur Versorgung von HVAC-Lasten und einem 100-kVA-Transformator zur Versorgung von Schaltnetzteillasten (SMPS).
Abbildung 1 – Darstellung eines Einliniendiagramms zur harmonischen Bewertung kommerzieller Anlagen
Schaltnetzteile verwenden DC/DC-Umwandlungstechniken, um eine konstante Gleichspannungsausgabe aufrechtzuerhalten. Wenn keine große wechselstromseitige Induktivität vorhanden ist, wird der Eingangsstrom zur Stromversorgung zu positiven und negativen Stromimpulsen, die durch hohe Scheitelfaktoren (Spitzen-Effektivwert-Verhältnis) und einen hohen Oberwellengehalt gekennzeichnet sind. Besonders typisch für Schaltnetzteile ist ein hoher Gehalt an dritten Harmonischen. Da sich die Stromkomponenten der dritten Harmonischen im Neutralleiter eines Dreiphasensystems nicht gegenseitig aufheben, hat der zunehmende Einsatz von Schaltnetzteilen zu Bedenken hinsichtlich einer Überlastung der Neutralleiter geführt, insbesondere in älteren Gebäuden, in denen möglicherweise ein zu kleiner Neutralleiter verwendet wurde .
Einkaufszentrum Australien
âOberschwingungsminderung, Blindleistungskompensation für Beleuchtungssysteme, Klimaanlagen, Aufzüge, Rolltreppen und verschiedene Geräte in Einkaufszentren.
In der Fallstudie werden die Auswirkungen von Transformatorverbindungen bewertet, um die harmonischen Stromverzerrungen sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite der Kundentransformatoren zu bestimmen. Abbildung 2 zeigt den simulierten Stromversorgungsstrom und den resultierenden Strom auf der Primärseite des Transformators aufgrund der Dreieck-/Sternschaltung, die die Nullsystemoberschwingungen in der primären Dreieckswicklung einfängt.
Der Sekundärstrom der Stromversorgung hat einen Grundfrequenzwert von 6,76 Ampere, einen Effektivwert von 8,10 Ampere und einen THD-Wert von 66,12 %. Der höchste Anteil war die 3. Harmonische mit einem Wert von 62,30 %. Der resultierende primäre Transformatorstrom hat einen Grundfrequenzwert von 0,15 Ampere, einen Effektivwert von 0,16 Ampere und einen THD-Wert von 14,89 %. Die höchsten Komponenten waren die 5. Harmonische mit einem Wert von 12,93 % und die 7. Harmonische mit einem Wert von 6,39 %.
Transformator-Derating und K-Faktor-Berechnungen. Der angenommene Wirbelstromverlustfaktor (PEC-R) für den 100-kVA-Trockentransformator betrug 8 %. Für diese Anwendung wäre ein K-Rating von vier ausreichend.
Transformator-Neutralstrom bei der Versorgung der Stromversorgungslasten. Als Referenz wird auch der Stromversorgungsstrom der Phase A angezeigt. Die dreifachen Harmonischen addieren sich im Neutralleiter, um eine Wellenform zu erzeugen, die hauptsächlich aus der Frequenz der 3. Harmonischen (180 Hz) besteht. Der Effektivwert des Neutralleiterstroms betrug 12,72 Ampere, wobei die höchsten Komponenten die dritte mit 12,63 Ampere, die neunte mit 1,41 Ampere und die 15. mit 0,25 Ampere waren. Ein bei dieser Art von Wellenform häufig gemachter Fehler besteht darin, einen THD-Wert in Prozent zu verwenden. Dies liegt daran, dass die Grundfrequenzkomponente des Neutralstroms in einem symmetrischen System gegen Null Ampere geht, was zu einem THD-Wert führt, der gegen Unendlich geht.
Simulierter PCC-Strom (Point of Common Coupling) an der Schnittstelle zwischen Versorgungsunternehmen und Kunden. Der Strom hat einen Grundfrequenzwert von 3,73 Ampere, einen Effektivwert von 3,74 Ampere und einen THD-Wert von 8,18 %. Die höchsten Anteile waren die 5. Harmonische mit einem Wert von 3,99 %, die 7. Harmonische mit einem Wert von 4,30 %, die 11. mit einem Wert von 4,05 % und die 13. mit einem Wert von 2,89 %. Die Werte der dreifachen Harmonischen (z. B. 3., 9., 15. usw.) waren vernachlässigbar, da alle Transformatoren, die die nichtlinearen Kundenlasten versorgen, über Dreieck-geschaltete Primärwicklungen verfügen und außerdem alle Kundenlasten ausgeglichen waren.
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