Leistungsvergleich von Oberwellenfiltern in einem industriellen Stromversorgungssystem zur Reduzierung von Oberwellenverzerrungen

Veröffentlicht von 1. Estifanos Dagnew Mitiku¹, 2. Gebrie Teshome Aduye², 3. S. Abdul Rahman³, 4. Mahilet Mentesinot Abuhay⁴Abteilung für Elektrotechnik und Informatik, Technisches Institut, Universität Gondar, Äthiopien (1, 2, 3), Abteilung für Wirtschaftsingenieurwesen, Technisches Institut, Universität Gondar, Äthiopien (4) ORCID: 1. 0000-0002-6613-3979, 2. 0000-0003-1184-9184, 3. 0000-0003-0134-8028, 4. 0000-0001-7554-8562

Schlüsselwörter: Harmonischenfilters, Harmonische Verzerrung, Gesamte harmonische Verzerrung, MATLAB/SIMULINK.
Schlüsselwörter:Filter, Obertöne, Klirrfaktor

Einführung

Stromqualität Die Netzqualität (PQ) stellt sowohl für Energieversorger als auch für Stromverbraucher auf allen Verbrauchsebenen ein Problem dar. Eines der PQ-Probleme sind Oberschwingungen, sinusförmige Komponenten periodischer Wellen oder Größen mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz ist, z. B. 50 Hz oder 60 Hz [1]. Oberschwingungsspannungen entstehen durch Stromoberschwingungen, die von nichtlinearen elektronischen Verbrauchern erzeugt und in das Versorgungsnetz eingespeist werden [2].

Messung der harmonischen Verzerrung in der Industrie

Zur Beurteilung des Oberwellenanteils im Stromversorgungssystem der Industrie muss eine Überwachung an den Netzanschlusspunkten (PCC) der 15-kV-Leitungen durchgeführt werden. Da jedoch die Entfernung und die Leitungsimpedanz vom PCC zur Primärwicklung des Transformators vernachlässigbar sind, wird die Primärwicklung als PCC betrachtet (siehe Abbildung 1 [2]).

Die Oberwellenverzerrung in der Industrie wird gemessen, während alle Maschinen gleichzeitig laufen, um die kumulativen Eigenschaften der industriellen Lasten zu erfassen. Die Datenerfassung erfolgt durch direkte Messung. Nach entsprechender Analyse werden die erfassten Daten berechnet und mit den in den IEEE-Empfehlungen für die Oberwellenkontrolle [28] festgelegten zulässigen Werten verglichen.

Tabelle 1: Stromverzerrungsgrenzwerte für allgemeine Verteilnetze (120 V bis 69.000 V) [2]. Abb. 1: Messort und Netzanschlusspunkt. Die Oberwellenverzerrung in der Industrie wird bei gleichzeitigem Betrieb aller Maschinen gemessen, um die kumulativen Eigenschaften der Industrielasten zu erfassen. Die Datenerfassung erfolgt durch direkte Messung. Nach entsprechender Analyse werden die erfassten Daten berechnet und mit den in den IEEE-Empfehlungen zur Oberwellenkontrolle festgelegten zulässigen Werten verglichen [28].

Der Kurzschlussstrom und der Nennstrom der 15-kV-Zuleitung am Netzanschlusspunkt (PCC) betragen im Mittel 10 kA bzw. 1000 A, woraus sich I ergibt_SC/ICH_LDas Verhältnis muss unter 20 liegen. Die TDD-Werte der Stromoberschwingungen dürfen am Netzanschlusspunkt (PCC) 5 % nicht überschreiten. Die Anforderungen des Energieversorgungsunternehmens an eine gute Spannungsqualität sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die maximalen Oberschwingungsgehalte von Spannung und Strom der Anlage bei Volllastbetrieb sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Aus den aufgezeichneten Daten geht hervor, dass die dominanten Oberwellenströme die 5. Oberwelle sind.^thund 7^thDie Oberschwingungen und der Gesamt-THD-Wert der drei Phasen betragen am Netzanschlusspunkt (PCC) 18,10 %, 18,33 % bzw. 18,44 % und überschreiten damit die IEEE-Norm von 5 %. Da die THD-Werte die Normgrenzen überschreiten, werden einfach abgestimmte, doppelt abgestimmte, Hochpass- und C-Filter mit ihren jeweiligen Parametern eingesetzt, um die Oberschwingungsverzerrung zu reduzieren. Anschließend wird die Leistungsfähigkeit der Filter anhand der THD-Werte verglichen.

Funktionsprinzip

Die Schaltung zur Reduzierung von Oberwellenverzerrungen ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie besteht aus Schaltern, einfach abgestimmten, doppelt abgestimmten, Hochpass- und C-Filtern sowie der Last. Aufgrund der nichtlinearen Lasten des industriellen Stromversorgungssystems werden die Spannungs- und Stromverläufe durch die Einspeisung von Oberwellenströmen verzerrt. Um die Leistungsfähigkeit der Oberwellenfilter zu vergleichen, werden diese mit ihren jeweiligen Auslegungswerten und Schaltern einzeln ein- und ausgeschaltet, um die Oberwellenverzerrungen zu reduzieren. Zunächst ist der Schalter des einfach abgestimmten Filters eingeschaltet, während die anderen Schalter ausgeschaltet sind. Anschließend wird der Schalter des Hochpassfilters eingeschaltet, während die anderen Schalter ausgeschaltet sind. Danach wird der Schalter des doppelt abgestimmten Filters eingeschaltet, während die anderen Schalter ausgeschaltet sind. Schließlich wird der Schalter des C-Filters eingeschaltet, während die anderen Schalter ausgeschaltet sind. Zur Vereinfachung wird nur eine der drei Phasen betrachtet, da die Leistung zur Minderung der Oberwellenverzerrungen von derselben Phase entnommen wird, um die Steuerschaltung darzustellen.

Simulationsergebnisse

Die Oberwellenverzerrungen wurden mithilfe der Software MATLAB/SIMULINK simuliert. Die Oberwellenfilter (einfach abgestimmte, doppelt abgestimmte, Hochpass- und C-Filter) wurden mit den Auslegungswerten simuliert, um ihre Leistung bei der Reduzierung von Oberwellenverzerrungen im industriellen Stromnetz aufgrund nichtlinearer Lasten zu vergleichen. Die Spannungs- und Stromverläufe vor und nach dem Einsatz der Oberwellenfilter sind nachfolgend zum Vergleich dargestellt. Das Industrienetz verfügt über nichtlineare Lasten, die vom Energieversorger über das nahegelegene Umspannwerk versorgt werden und Oberwellenströme mit verzerrter Wellenform erzeugen. Die Simulation wurde mit den Auslegungswerten der Oberwellenfilter bei einer Nenn-Leiter-Leiter-Spannung von 400 V, einer Betriebsfrequenz von 50 Hz, einer Nenn-Blindleistung von 50 kVAR, einem Gütefaktor von 7 und einer Abstimmfrequenz von 5 Hz durchgeführt.^thund 7^thHarmonische.

Die Spannungs- und Stromverläufe vor dem Anlegen der Oberwellenfilter sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die Industrie verfügt über nichtlineare Lasten, die vom Energieversorger bereitgestellt werden. Diese Lasten erzeugen, wie in Abbildung 3 dargestellt, verzerrte Spannungs- und Stromverläufe mit Oberschwingungen. Die Analyse mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) (Abbildung 4) ergibt einen THD-Wert von 18,33 %, der den zulässigen Grenzwert der IEEE-Norm von 5 % für diese Studie überschreitet. Um die Oberschwingungsverzerrung zu reduzieren, wurden daher einfach abgestimmte, doppelt abgestimmte, Hochpass- und C-Filter entworfen und an geeigneten Stellen im industriellen Stromversorgungssystem platziert. Anschließend wurde die Oberschwingungsverzerrung reduziert und die Leistungsfähigkeit der Filter verglichen.

Einfach abgestimmter Harmonischer Filter

Hochpass-Harmonischenfilter

Doppelt abgestimmter Oberwellenfilter

Oberwellenfilter vom Typ C

Abschluss

In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit von Oberschwingungsfiltern in einem industriellen Stromversorgungssystem zur Reduzierung von Oberschwingungsverzerrungen verglichen. Die von den nichtlinearen Lasten der Industrie verursachten Oberschwingungsverzerrungen weisen einen THD-Wert von 18,33 % auf. Durch den Einsatz eines einfach abgestimmten Oberschwingungsfilters lässt sich der THD-Wert auf 5,08 % reduzieren. Der Einsatz eines Hochpassfilters führt zu einem THD-Wert von 5,09 %. Ein doppelt abgestimmter Oberschwingungsfilter erreicht einen THD-Wert von 4,00 %. Mit C-Typ-Oberschwingungsfiltern wird schließlich ein THD-Wert von 4,68 % erzielt. Aus den Simulationsergebnissen und der FFT-Analyse geht hervor, dass der doppelt abgestimmte Oberwellenfilter eine bessere Leistung erbringt als einfach abgestimmte Hochpass- und C-Typ-Oberwellenfilter, wenn es darum geht, die Oberwellenverzerrungen auf die von den IEEE-Standards festgelegte akzeptable Größe zu reduzieren, d. h. weniger als 5 % in dieser Studie. Es wird daher empfohlen, dass die Industrie den doppelt abgestimmten Oberwellenfilter auf der Sekundärseite des Transformators einsetzt, um zusätzliche Erwärmung, Fehlauslösungen und Gerätefehlfunktionen aufgrund von Oberwellen zu vermeiden, die zu Produktionsausfällen in der Industrie führen.

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LITERATURVERZEICHNIS

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[28] CRCP LLC,Stromqualität © 2002.2002.

Autoren:Dozent Estifanos Dagnew Mitiku, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Institut für Technologie, Universität Gondar, Gondar, Äthiopien, E-Mail: est7eced@gmail.com; Dozent Gebrie Teshome Aduye, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Institut für Technologie, Universität Gondar, Gondar, Äthiopien, E-Mail: gebrie.415@gmail.com; Privatdozent Dr. Abdul Rahman, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Institut für Technologie, Universität Gondar, Gondar, Äthiopien, E-Mail: msajce.abdulrahman@gmail.com; Dozentin Mahilet Mentesinot Abuhay, Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen, Institut für Technologie, Universität Gondar, Äthiopien, E-Mail: mahiletme@gmail.com.

Quellen- und Herausgeber-Artikelkennung: ELECTRICAL ENGINEERING REVIEW, ISSN 0033-2097, Jahrgang 98, Nr. 3/2022. doi:10.15199/48.2022.03.12