Die zunehmende Integration von Photovoltaikanlagen (PV) in das Stromnetz stellt Energieversorger vor Herausforderungen. Eine der Hauptsorgen besteht darin, dass viele in diesen Systemen verwendete Leistungselektronik Blindleistung verbraucht, was zu einem niedrigen Leistungsfaktor und Systeminstabilität führt. Infolgedessen haben Methoden zur Leistungsfaktorkorrektur erneut an Aufmerksamkeit gewonnen. In diesem Artikel werden die beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Blindleistungskompensation beschrieben.
Der Leistungsfaktor (PF) ist ein wesentliches Maß für die Effizienz eines Energiesystems. Es stellt das Verhältnis der Wirkleistung, ausgedrückt in Watt (P), zur Scheinleistung, ausgedrückt in Voltampere (S), dar. Scheinleistung ist eine Kombination aus Wirkleistung und Blindleistung, die in Voltampere Blindleistung (VAR oder Q) gemessen wird.
Der Leistungsfaktor beeinflusst die Gesamteffizienz des Systems, wobei niedrigere Leistungsfaktoren auf eine weniger effiziente Energienutzung hinweisen. Ein Leistungsfaktor von eins (Eins) stellt den effizientesten Betrieb dar, während induktive Lasten einen nacheilenden Leistungsfaktor und kapazitive Lasten einen voreilenden Leistungsfaktor erzeugen. Widerstandslasten behalten normalerweise einen Leistungsfaktor von eins bei.
Abbildung 1. (a) führender Leistungsfaktor. (b) nacheilender Leistungsfaktor
Die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) zielt darauf ab, den Leistungsfaktor so nahe wie möglich an Eins zu bringen. Ein schlechter Leistungsfaktor kann zu höheren Energiekosten, einer kürzeren Lebensdauer der Geräte und der Notwendigkeit einer überdimensionierten elektrischen Infrastruktur wie Kabel und Transformatoren führen. Beispielsweise leiden Industrieanlagen wie Induktionsmotoren, Bogenlampen und Maschinen, die mit geringer Last betrieben werden, oft unter einem niedrigen, nacheilenden Leistungsfaktor. Um dies zu berücksichtigen, erheben Energieversorger in der Regel höhere Gebühren für Verbraucher mit schlechtem Leistungsfaktor, indem sie einen Maximalbedarfs- oder KVA-Tarif verwenden.
Geräte, die mit einem niedrigen Leistungsfaktor betrieben werden, neigen zur Überhitzung, was zu einer verkürzten Betriebslebensdauer führt. Sowohl Energieversorger als auch Verbraucher streben daher danach, den Leistungsfaktor zu verbessern und eine größere Systemstabilität und Kosteneinsparungen zu erreichen.
Das Grundprinzip aller PFC-Methoden ist einfach: Für jede induktive Last, die einen nacheilenden Leistungsfaktor verursacht, muss eine kapazitive Last mit einem voreilenden Leistungsfaktor parallel geschaltet werden, um den Leistungsfaktor näher an Eins zu bringen.
Abbildung 2. S1 stellt die Leistung einer Last dar, Q1 ist die nacheilende Blindleistung und cosθ1 gibt den Leistungsfaktor an. Durch Hinzufügung einer führenden Last mit Blindleistung Q2 bildet das System S3, was die Gesamtleistung darstellt. Dadurch wird die gesamte nacheilende Blindleistung auf Q3 reduziert, was den Leistungsfaktor des Systems auf cosθ3 verbessert und ihn nach der Korrektur näher an Eins bei P bringt.
Es gibt mehrere Methoden zur Verbesserung des Leistungsfaktors, die beiden gebräuchlichsten sind jedoch Kondensatorbänke und Synchronkondensatoren.
Kondensatorbänke bestehen aus mehreren Kondensatoren, die Energie speichern und Blindleistung für das System bereitstellen. Sie können entweder in einer Dreieck- oder Sternkonfiguration angeschlossen werden. Leistungskondensatoren werden in KVAR bewertet, was die Menge an Blindleistung angibt, die sie erzeugen.
Eine Formel wird verwendet, um die Blindleistung (KVAR) zu berechnen, die ein Kondensator basierend auf seiner Kapazität (C), der Systemspannung (V) und der Frequenz (f) liefert:
KVAR=C×2π×f×V2×10−9\text{KVAR} = C \times 2\pi \times f \times V^2 \times 10^{-9} KVAR =C×2π×f×V2×10 −9
Kondensatorbänke sind normalerweise für den Betrieb in Stufen ausgelegt, wobei jede Stufe eine unterschiedliche Blindleistung liefert. Dieser abgestufte Ansatz trägt dazu bei, den unterschiedlichen Strombedarf innerhalb eines Systems zu decken. Kondensatorbänke sind außerdem mit Schutzkomponenten wie Sicherungen, Schützen und Leistungsschaltern ausgestattet, um Überhitzung und elektrische Fehler zu verhindern.
Bei Systemen mit erheblichen Spannungsverzerrungen werden dem Design der Kondensatorbatterie häufig Verstimmungsdrosseln hinzugefügt. Zusätzlich sorgen Entladewiderstände dafür, dass sich Kondensatoren sicher entladen, wenn sie von der Stromversorgung getrennt werden.
Im Hinblick auf die Kosteneffizienz bieten Kondensatorbatterien ein stabiles System, reduzieren den KVAH-Verbrauch und bieten eine gute Amortisationszeit. Vergleicht man beispielsweise zwei Systeme mit jeweils einer 60-kW-Last, die 10 Stunden am Tag mit einem Leistungsfaktor von 0,6 betrieben werden, spart das System mit einer Kondensatorbank, die den Leistungsfaktor auf eins verbessert, erhebliche Einsparungen bei der jährlichen Energierechnung.
Ein Synchronkondensator ist im Wesentlichen ein übererregter Synchronmotor, der ohne Last arbeitet. Bei Parallelschaltung mit anderen Lasten erzeugt es die Blindleistung, die zur Verbesserung des Leistungsfaktors des Systems erforderlich ist.
Die Höhe der erzeugten Blindleistung hängt vom Erregerstrom des Motors ab. Im übererregten Zustand erzeugt der Synchronkondensator Blindleistung mit voreilendem Leistungsfaktor. Ein automatischer Erregungsregler hilft dabei, den Erregungspegel des Motors basierend auf dem Echtzeit-Blindleistungsbedarf des Systems zu regulieren.
Der Vorteil von Synchronkondensatoren besteht darin, dass sie im Gegensatz zu Kondensatorbatterien, die in festen Stufen arbeiten, die Menge der erzeugten Blindleistung präzise anpassen können. Diese Flexibilität ist besonders wichtig in großen Stromnetzen mit schwankendem Blindleistungsbedarf.
Abbildung 3. Zeigerdiagramm, das die Hinzufügung eines übererregten Synchronkondensators zu einer nacheilenden Last veranschaulicht.
Obwohl sowohl Kondensatorbänke als auch Synchronkondensatoren ähnliche Zwecke erfüllen, werden sie typischerweise in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Kondensatorbänke kommen häufiger in industriellen Umgebungen und kleineren Umspannwerken vor, während Synchronkondensatoren besser für Hochleistungsanwendungen geeignet sind, wie etwa Kraftwerke mit mehr als 200 MVA und HGÜ-Konverterstationen.
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