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Herausforderungen der Spannungsqualität durch Batteriespeichersysteme
Batterie-Energiespeichersysteme (BESS)werden zu einem wichtigen Bestandteil moderner elektrischer Infrastruktur. Versorgungsunternehmen, Anlagen für erneuerbare Energien, Industrieanlagen, Rechenzentren und Microgrids nutzen zunehmend Batteriespeicher, um Spitzenlasten zu verwalten, die Stromversorgung zu stabilisieren und erneuerbare Energien zu integrieren.
Der Anschluss großer Batterie-Energiespeichersysteme an ein elektrisches Netz kann jedoch auch neue Herausforderungen für die Spannungsqualität schaffen.
Ein BESS verbindet Batterien nicht direkt mit dem AC-Netz. Es verwendet ein Leistungsumwandlungssystem (PCS), um Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom umzuwandeln und umgekehrt. Da das PCS auf Hochgeschwindigkeits-Leistungselektronik basiert, kann es mit Transformatoren, Kabeln, Kondensatorbänken und anderen nichtlinearen Lasten interagieren.
Oberschwingungsverzerrungen, Blindleistung, Spannungsschwankungen, Resonanzen und Bedingungen schwacher Netze müssen daher bei der Planung einer BESS-Installation berücksichtigt werden.
Ein typisches BESS umfasst Batterieregale, ein Batteriemanagementsystem (BMS), ein Leistungsumwandlungssystem, Transformatoren, Schaltanlagen und ein Energiemanagementsystem.
Aus Sicht der Spannungsqualität ist das PCS eine der wichtigsten Komponenten.
Während des Ladens wandelt das PCS Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom für die Batterien um. Während des Entladens wandelt es den Gleichstrom der Batterie wieder in Wechselstrom um.
Moderne Umrichter verwenden Halbleiterschaltelemente wie IGBTs oder Siliziumkarbid-(SiC)-Bauelemente zur Steuerung dieses Prozesses. Diese Umrichter ermöglichen eine schnelle und präzise Steuerung, aber das Schalten kann auch Oberschwingungsströme einführen und mit der Impedanz des elektrischen Netzes interagieren.
Die Spannungsqualität kann sich auch kontinuierlich ändern, da ein BESS innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums zwischen vollständigem Laden, teilweisem Laden, Bereitschaftsbetrieb und vollständigem Entladen wechseln kann.
Die wichtigsten Herausforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
| Herausforderung der BESS-Spannungsqualität | Hauptursache | Mögliche Auswirkung | Typische Abhilfemaßnahme |
|---|---|---|---|
| Oberschwingungsverzerrung | Schalten des PCS/Wechselrichters | Erwärmung, Verluste, hoher THD | PCS-Filterung, AHF, passive Filter |
| Blindleistung | Ändernder Umrichterbetrieb | Schlechter Leistungsfaktor, Spannungsschwankung | PCS-Steuerung, SVG oder STATCOM |
| Spannungsschwankungen | Schnelles Laden/Entladen | Flackern, instabile Spannung | Dynamische Blindleistungsregelung |
| Oberschwingungsresonanz | Netzkapazität und Induktivität | Verstärkte Oberschwingungen, Belastung von Kondensatoren | Oberschwingungsanalyse, abgestimmte Filterung |
| Interaktion mit schwachem Netz | Hohe Netzimpedanz | Erhöhte Spannungsverzerrung | Optimierung der Steuerung, STATCOM |
Das Verständnis dieser Probleme vor der Installation ist wesentlich einfacher und kostengünstiger, als sie nach der Inbetriebnahme zu korrigieren.
Oberschwingungsverzerrung ist eines der wichtigsten Probleme der Stromqualität im Zusammenhang mit Batteriespeichersystemen.
Idealerweise folgen Spannung und Strom in einem Wechselstromsystem einer sinusförmigen Wellenform. Leistungselektronische Umrichter schalten den Strom schnell, um den Energiefluss zu steuern, und erzeugen dabei Frequenzkomponenten oberhalb der Grundfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz.
Diese Komponenten werden als Oberschwingungen bezeichnet.
Die gesamte Oberschwingungsverzerrung (THD) wird häufig verwendet, um ihre Gesamtausprägung zu beschreiben. Übermäßige Oberschwingungsverzerrungen können elektrische Verluste und Erwärmung in Transformatoren, Kabeln, Motoren und anderen Geräten erhöhen.
Moderne PCS-Geräte enthalten normalerweise integrierte Filter und fortschrittliche Schaltsteuerungen. Die tatsächliche Oberschwingungsleistung hängt jedoch vom vollständigen elektrischen System ab und nicht nur vom Umrichter.
Wichtige Faktoren sind:
Netzimpedanz
Transformatorimpedanz
Betriebslast des BESS
Vorhandene nichtlineare Lasten
Kondensatorbänke
Andere Leistungsumrichter
Kabellänge und Kapazität
Lade- und Entladebedingungen
Das bedeutet, dass ein Umrichter, der unter einer Netzbedingung gut funktioniert, bei der Installation in einem anderen Netz andere Ergebnisse liefern kann.
Große BESS-Projekte sollten daher Oberschwingungen am Netzverknüpfungspunkt (PCC) bewerten, anstatt nur die PCS-Spezifikation zu betrachten.
Batteriespeichersysteme sind hauptsächlich für den Austausch von Wirkleistung ausgelegt, aber moderne PCS-Geräte können häufig auch Blindleistung steuern.
Wirkleistung verrichtet nutzbare Arbeit und wird in kW oder MW gemessen. Blindleistung unterstützt elektrische und magnetische Felder und wird in kVAR oder MVAR gemessen.
Ihr Zusammenhang mit der Scheinleistung kann ausgedrückt werden als:
S² = P² + Q²
wobei P die Wirkleistung, Q die Blindleistung und S die Scheinleistung ist.
Die Fähigkeit eines BESS zur Steuerung von Blindleistung kann die Stromqualität tatsächlich verbessern. Ein korrekt gesteuerter PCS kann die Spannung unterstützen, den Leistungsfaktor verbessern oder Blindleistung an anderer Stelle im Netz kompensieren.
Der Umrichter verfügt jedoch über eine begrenzte Scheinleistungskapazität.
Wenn das BESS nahe der maximalen Wirkleistung betrieben wird, steht möglicherweise weniger Umrichterkapazität für die Blindleistungskompensation zur Verfügung. Ingenieure müssen daher die Leistungskurve des PCS berücksichtigen, anstatt anzunehmen, dass seine volle Blindleistungskapazität immer verfügbar ist.
In Netzen mit sich schnell ändernden Lasten kann eine zusätzliche dynamische Kompensation erforderlich sein, wenn der PCS unter allen Betriebsbedingungen keine ausreichende Blindleistung bereitstellen kann.
Einer der größten Vorteile von Batteriespeichern ist die Geschwindigkeit.
Ein BESS kann die Ladeleistung schnell erhöhen, verringern oder vom Laden zum Entladen wechseln. Dadurch ist Batteriespeicherung wertvoll für Frequenzregelung, Spitzenlastkappung und den Ausgleich erneuerbarer Energien.
Schnelle Leistungsänderungen können jedoch auch die Netzspannung beeinflussen.
Der Effekt ist besonders wichtig in schwachen Netzen, abgelegenen Industrienetzen und Mikronetzen, in denen die Kurzschlussleistung relativ gering ist.
Mögliche Auswirkungen sind:
Schnelle Spannungsänderungen
Spannungsflimmern
Störende Abschaltungen von Geräten
Instabile Spannungsregelung
Aktivität des Stufenschalters des Transformators
Die Netzstärke wird daher zu einem wichtigen Bestandteil der BESS-Leistungsqualitätsanalyse.
In einem starken Netz kann eine große Änderung der BESS-Ausgangsleistung nur eine kleine Spannungsänderung verursachen. Dasselbe BESS, das an ein schwächeres Netz angeschlossen ist, kann eine wesentlich größere Auswirkung haben.
Die Blindleistungsregelung durch den PCS, SVG oder STATCOM kann eingesetzt werden, wenn eine schnelle Spannungsunterstützung erforderlich ist.
Ein BESS arbeitet nicht isoliert.
Industrielle elektrische Netze können bereits Kondensatorbänke, Transformatoren, lange Kabel, Frequenzumrichter, USV-Systeme, Solarwechselrichter und andere leistungselektronische Geräte enthalten.
Diese Komponenten beeinflussen die Impedanz des Netzes bei unterschiedlichen Frequenzen.
Kapazität und Induktivität können natürliche Resonanzfrequenzen erzeugen. Wenn eine signifikante Oberschwingung nahe einer dieser Frequenzen auftritt, können harmonische Spannungen oder Ströme verstärkt werden.
Kondensatorbänke erfordern besondere Aufmerksamkeit.
Leistungsfaktorkorrektur-Kondensatoren können mit der Induktivität von Transformatoren und Netzen interagieren. Das Hinzufügen eines großen BESS oder anderer umrichterbasierter Geräte kann die harmonische Umgebung verändern und eine vorhandene Kondensatorbank höheren Oberschwingungsströmen aussetzen.
Mögliche Folgen sind Überhitzung von Kondensatoren, Auslösen von Sicherungen, Überhitzung von Drosseln, übermäßige Spannungsverzerrungen und vorzeitiger Ausfall von Kondensatoren.
Bei größeren industriellen oder Mittelspannungs-BESS-Projekten kann eine Oberschwingungsanalyse oder Frequenzabtastung potenzielle Resonanzen erkennen, bevor die Geräte installiert werden.
Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen elektrischen Lasten bleibt ein Batteriespeichersystem nicht an einem einzigen Betriebspunkt.
Es kann betrieben werden mit:
Vollständiges Laden
Teilweises Laden
Bereitschaftsbetrieb
Teilweises Entladen
Vollständiges Entladen
Das Oberschwingungsverhalten, die Blindleistung und das Spannungsverhalten können sich über diese Bedingungen hinweg ändern.
Beispielsweise kann THDi deutlich höher erscheinen, wenn der PCS bei geringer Last arbeitet, da der Grundstrom kleiner wird. Die Blindleistungsfähigkeit kann sich ebenfalls ändern, wenn sich die Wirkleistung der maximalen Nennleistung des Umrichters nähert.
Aus diesem Grund liefert die Messung eines BESS an nur einem Betriebspunkt kein vollständiges Bild.
Leistungsqualitätsstudien sollten mehrere realistische Lade- und Entladeszenarien bewerten, insbesondere für große Systeme, die an empfindliche industrielle Netze angeschlossen sind.
Es gibt keine einzelne Lösung für jedes BESS-Leistungsqualitätsproblem. Die Minderung sollte entsprechend den tatsächlichen Messungen, Netzanalysen und der Art der Störung ausgewählt werden.
Der PCS selbst sollte zuerst bewertet werden. Moderne Umrichter verwenden Regelalgorithmen und Ausgangsfilter, um Oberschwingungsemissionen zu reduzieren, und können häufig eine Blindleistungsregelung bereitstellen.
Wenn eine zusätzliche Oberschwingungsminderung erforderlich ist, können passive Oberschwingungsfilter bestimmte Oberschwingungsfrequenzen gezielt behandeln. Sie eignen sich häufig für große, relativ stabile Mittelspannungsanwendungen, wobei ihr Design die Netzresonanz berücksichtigen muss.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter (AHF)misst Oberschwingungsströme und speist kompensierende Ströme ein. Dadurch ist die aktive Filterung in Niederspannungsnetzen nützlich, in denen sich die Oberschwingungsbedingungen mit der Betriebslast ändern.
Für dynamische Blindleistungs- und Spannungsprobleme können statische Blindleistungsgeneratoren (SVG)oder STATCOM-Systeme eine schnelle Kompensation bereitstellen. STATCOM ist besonders relevant für größere Mittelspannungsnetze und Anwendungen mit schwachem Netz, bei denen Spannungsstabilität wichtig ist.
Die richtige Lösung hängt vom Problem ab. Die Installation von Kompensationsgeräten ohne vorheriges Verständnis des Netzes kann zusätzliche Probleme verursachen, anstatt sie zu lösen.
Idealerweise sollten vor der Installation grundlegende Leistungsqualitätsmessungen durchgeführt werden.
Wichtige Parameter umfassen SpannungsthD, Strom-THD, einzelne Oberschwingungsordnungen, Wirkleistung, Blindleistung, Leistungsfaktor, Spannungsschwankungen und Spannungsunsymmetrie.
Ingenieure sollten außerdem Folgendes ermitteln:
Kurzschlussleistung am PCC
Transformatorimpedanz
Vorhandene Kondensatorbänke
Große nichtlineare Lasten
Lange unterirdische Kabel
Andere wechselrichterbasierte Geräte
Blindleistungsfähigkeit des PCS
Anwendbare Oberschwingungsgrenzwerte
Bei großen Projekten können Oberschwingungs-Lastflussanalysen und Frequenzscans ein klareres Verständnis dafür liefern, wie das geplante BESS mit dem bestehenden Netz interagieren wird.
Normen wie IEEE 519 werden häufig bei der Bewertung der Oberschwingungsverzerrung am PCC herangezogen, wobei jedoch auch lokale Netzanschlussregeln und Anforderungen des Versorgungsunternehmens berücksichtigt werden müssen.
Ja, das können sie. Ein BESS verwendet einen leistungselektronischen Umrichter, um Leistung mit dem Wechselstromnetz auszutauschen. Das Schalten des Umrichters kann Oberschwingungsströme erzeugen, obwohl moderne PCS-Geräte Filter- und Regelmethoden enthalten, die darauf ausgelegt sind, diese zu minimieren.
Ja. Viele moderne BESS-Umrichter können sowohl Blindleistung als auch Wirkleistung steuern. Das bedeutet, dass der PCS je nach Auslegung und verfügbarer Kapazität möglicherweise eine Leistungsfaktorkorrektur unterstützen kann.
Ein BESS kann mit der vorhandenen Netzimpedanz interagieren und zu Resonanzbedingungen beitragen. Transformatoren, Kondensatorbänke und Kabel beeinflussen alle die Resonanzfrequenzen eines elektrischen Netzes.
Nein. Eine zusätzliche Filterung sollte nur ausgewählt werden, wenn Messungen oder technische Studien zeigen, dass sie erforderlich ist. Abhängig vom System kann die geeignete Lösung eine Optimierung des PCS, passive Filterung, aktive Oberschwingungsfilterung oder andere Netzqualitätsgeräte umfassen.
Batteriespeichersysteme bieten große Vorteile für die Integration erneuerbarer Energien, das Spitzenlastmanagement und die Netzflexibilität, aber ihre Anbindung an moderne elektrische Netze schafft auch neue Anforderungen an die Netzqualität.
Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören Oberschwingungsverzerrungen, Blindleistung, Spannungsschwankungen, Oberschwingungsresonanzen und die Interaktion mit schwachen Netzen.
Gleichzeitig kann die BESS-Technologie auch die Netzqualität verbessern. Moderne Energieumwandlungssysteme können bei geeigneter Auslegung Blindleistungsregelung, Spannungsstützung und andere Netzdienstleistungen bereitstellen.
Entscheidend ist die Bewertung des vollständigen elektrischen Netzes, anstatt den Batterieumrichter als isoliertes Gerät zu betrachten. Basismessungen, Oberschwingungsanalysen und geeignete Systemstudien ermöglichen es, Probleme vor der Inbetriebnahme zu erkennen und festzustellen, ob zusätzliche Lösungen wie passive Filter, aktive Oberschwingungsfilter, SVG- oder STATCOM-Systeme tatsächlich erforderlich sind.
Da sich Batteriespeichersysteme in Industrie- und Versorgungsnetzen weiterhin ausbreiten, wird die Netzqualität zu einem zunehmend wichtigen Bestandteil einer zuverlässigen BESS-Auslegung.
IPv6-Netzwerk unterstützt
