Untersuchungen zur Oberschwingungsresonanz in Netzen mit vielen Wechselrichtern

Wichtigste Erkenntnisse

• Die harmonische Resonanz ist ein Problem der Netzimpedanz, daher geben Grenzwerte für Oberschwingungen auf Geräteebene allein niemals ausreichende Aufschlüsse.
• Frequenzscans ermitteln, an welchen Stellen das Netz empfindlich ist, und Zeitbereichsprüfungen zeigen, welche Schalt- oder Regelvorgänge diese Empfindlichkeit auslösen.
• Eine sorgfältige Modellausarbeitung an Schwachstellen trägt mehr zur Qualität der Studie bei als pauschale Annahmen für das gesamte Netz.

Untersuchungen zur Oberschwingungsresonanz zeigen Ihnen, an welchen Stellen ein Netz die Verzerrung verstärkt, bevor eine routinemäßige Erweiterung der Anlage eine kleine Oberschwingungsquelle zu einem schwerwiegenden Spannungsproblem macht.

Versorgungsunternehmen und Anlageningenieure bauen weiterhin auf umrichterbasierte Erzeugung, Antriebe und Blindleistungsunterstützung aus, da das Netz eine stabile Spannung und einen effizienten Leistungsfluss benötigt. Mit diesem Mix steigt das Resonanzrisiko, da jeder Filter, jedes Kabel, jeder Transformator und jeder Kondensator die Netzimpedanz verändert, die von Oberschwingungsströmen wahrgenommen wird. Die Zubauten an erneuerbaren Energien erreichten im Jahr 2023 fast 560 GW – ein Anstieg von 64 % gegenüber 2022 –, was verdeutlicht, wie schnell umrichterbasierte Anlagen in die Stromnetze integriert werden. Ein Untersuchungskonzept, das Frequenzscans mit Zeitbereichsprüfungen kombiniert, zeigt Ihnen die Resonanzpunkte auf, bevor die Isolation, der Schutz oder die Regelungsleistung der Anlagen beeinträchtigt wird.

Eine harmonische Resonanz tritt auf, wenn die Netzimpedanz einen starken Spitzenwert erreicht.

Eine harmonische Resonanz tritt auf, wenn induktive und kapazitive Elemente auf eine Frequenz abgestimmt sind, bei der die Netzwerkimpedanz stark ansteigt, sodass ein kleiner harmonischer Strom eine wesentlich größere Spannungsverzerrung verursacht. Das Problem äußert sich in einer Verstärkung bestimmter Frequenzen, und diese Unterscheidung ist bei der Risikobewertung von Bedeutung.

Eine 13,8-kV-Zuleitung mit einer Kondensatorbank, der Streureaktanz eines Transformators und mehreren langen Kabeln kann im Bereich der 5. oder 7. Oberschwingung in Resonanz treten. Ein relativ geringer Strom aus einem Frequenzumrichter oder einem Solarwechselrichter führt dann zu einer Verzerrung der Sammelschienenspannung, die im Verhältnis zur Quelle unverhältnismäßig erscheint. Betreiber machen oft allein das nächstgelegene Gerät dafür verantwortlich, obwohl der Großteil der Verstärkung durch die Netzimpedanz verursacht wird. Ihre Untersuchung muss sich auf die gesamte Netzstruktur und die Quelle, die diese in Schwingung versetzt, konzentrieren.

Dieser Fokus wird Sie davon abhalten, nach der falschen Lösung zu suchen. Der Austausch eines Wechselrichterreglers oder die Verschärfung eines Verzerrungsgrenzwerts löst keine Resonanz, die mit der Kapazität der Zuleitung und der Quellstärke zusammenhängt. Sie benötigen die Resonanzfrequenz, den Impedanzspitzenwert und die Stelle im Sammelschienensystem, an der die Reaktion am stärksten ist. Sobald diese bekannt sind, wird die Behebung des Problems zu einer technischen Aufgabe statt zu einem Versuch-und-Irrtum-Prozess.

Wechselrichter verschieben Resonanzpunkte durch die Steuerung der Filterauslegung

Wechselrichter verschieben Resonanzpunkte, da ihre Filter, Transformatoranschlüsse, Kabellängen und Regelkreise die frequenzabhängige Impedanz des Netzes verändern. Eine Sammelschiene, die vor einer Anlagenerweiterung unbedenklich erschien, gerät in Resonanz, sobald die hinzugefügten Anlagen diese Impedanzcharakteristik verändern – selbst wenn jeder Wechselrichter weiterhin seine individuellen Oberwellengrenzwerte einhält.

Solar-, Speicher- und Windenergie machten Ende 2023 95 % der 2.600 GW aus, die in den Netzanschlusswartelisten der Vereinigten Staaten standen. Diese Größenordnung ist von Bedeutung, da Projekte in der Warteschlange demselben Netz zusätzliche Umrichter, Sammelkabel und reaktive Geräte hinzufügen. Eine Anlagenerweiterung um 100 MW führt oft zu einer zusätzlichen Filterkapazität, die ausreicht, um eine bestehende Resonanz von einer Oberschwingungsordnung in eine andere zu verschieben. In Ihrer Studie sollten Sie jede Erweiterung um große Wechselrichter als Netzänderung betrachten und nicht als einfachen Austausch.

Die Steuerungen fügen eine weitere Ebene hinzu. Ein netzfolgender Wechselrichter mit einem LCL-Filter verhält sich anders als eine Anlage, die andere Dämpfungswerte oder eine andere Bandbreite des Phasenregelkreises verwendet. Zwei Anlagen, die auf der Grundlage ähnlicher Einliniendiagramme gebaut wurden, können sehr unterschiedliche Scan-Ergebnisse liefern, sobald diese Parameter berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden bei vereinfachten, generischen Wechselrichterblöcken häufig Frequenzen übersehen, die später während der Inbetriebnahme auftreten.

Kondensatorbänke können Verzerrungen bei bestimmten Frequenzen verstärken

Kondensatorbänke verstärken Verzerrungen, wenn sich ihre Reaktanz bei einer Frequenz nahe dem vorhandenen Oberschwingungsanteil mit der Induktivität des Systems überlagert. Die Kondensatorbank selbst ist zwar nicht die Ursache der Oberschwingungen, kann jedoch die Voraussetzungen schaffen, unter denen eine an sich tolerierbare Stromeinspeisung zu einer schädlichen Sammelschienenspannung, zu Fehlauslösungen von Relais oder zu einer wiederholten Belastung der Kondensatoren führt.

Eine 34,5-kV-Station mit geschalteten Kondensatorbänken kann sich vor und nach dem Schließen einer Bank sehr unterschiedlich verhalten. Die Sammelschienenspannung bleibt bei der Grundfrequenz möglicherweise innerhalb der Grenzwerte, während die 7. Oberschwingung nach dem Schaltvorgang stark ansteigt. Ingenieure beobachten manchmal dieses Verzerrungsereignis und gehen von einem Steuerungsfehler im nächstgelegenen Wechselrichter aus. Die plausiblere Erklärung ist jedoch häufig eine durch die Bank verursachte verschobene Parallelresonanz.

Aus diesem Grund reicht bei Kondensatorauslegungsstudien die Dimensionierung anhand von kvar nicht aus. Die Abstimmung der Drosseln, die Anordnung der Kondensatorbänke und die Schaltfolge beeinflussen allesamt, wo der Spitzenwert auftritt. Industrieanlagen mit Leistungsfaktorkorrektur stehen vor dem gleichen Problem wie Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien, insbesondere wenn bereits vorgelagert Hintergrundoberschwingungen vorhanden sind. Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn die Kondensatorplanung und die Oberschwingungsanalysen als eine Einheit und nicht als separate Prüfungen durchgeführt werden.

Frequenzmessungen zeigen, wo kleine Quellen große Spannungen erzeugen

„Ein Frequenzscan stellt die Systemimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz dar, und an den Spitzen lässt sich erkennen, wo bereits ein geringer Oberschwingungsstrom eine starke Spannungsantwort hervorruft.“

Dies ist der schnellste Weg, um vor der Inbetriebnahme Resonanzrisiken zu erkennen, da dabei sowohl die Resonanzfrequenz als auch der Sammelstromkreis angezeigt werden, an dem das Netz am anfälligsten ist.

Eine Studie zur Netzanbindung von Anlagen untersucht häufig den Bereich vom gemeinsamen Kopplungspunkt bis hin zu den Wechselrichteranschlüssen und Hilfsbusse. Ein Bus kann beispielsweise eine geringe Reaktion bei der 5. Oberschwingung zeigen, während ein Sammelbus eine steile Spitze nahe der 11. Oberschwingung aufweist. Dieser Kontrast gibt Aufschluss darüber, wo Filter platziert, Kondensatoreinstellungen angepasst oder detailliertere Modelldaten benötigt werden. Ein Scan zeigt zudem, ob eine neue Kabelverlegung die Spitze so stark verschiebt, dass dies von Bedeutung ist.

Zeitbereichsanalysen bestätigen Resonanz bei Schaltvorgängen

Zeitbereichsanalysen untersuchen Resonanzphänomene bei Schalt- und Regelvorgängen, die ein Scan allein nicht aufzeigen kann. Sie bestätigen, ob ein Resonanzpunkt tatsächlich schädliche Überspannungen, anhaltendes Schwingen oder Strombelastungen verursacht, wenn ein Kondensator schließt, ein Wechselrichter hochfährt oder ein Fehler behoben wird.

Ein Kondensator-Einschaltvorgang an einem schwachen Sammelschienensystem kann über mehrere Zyklen hinweg eine Resonanzfrequenz anregen, selbst wenn die im stationären Zustand eingespeisten Oberschwingungen gering erscheinen. Eine Auslöse- und Wiedereinschaltsequenz eines Wechselrichters kann denselben Effekt hervorrufen, wenn die Gleichstromzwischenkreissteuerung und die Blindleistungsregelung auf Anlagensebene mit falschem Timing wieder eingreifen. SPS SOFTWARE ist hier hilfreich, da Sie einen Frequenzscan mit einem transparenten Zeitbereichsmodell kombinieren und dasselbe Netz unter Schaltvorgängen testen können. Diese Verknüpfung zwischen Scan-Ergebnissen und Wellenformverhalten ist es, die den Verdacht in einen Beweis verwandelt.

Dieser Schritt ist wichtig, da nicht jeder Messpeak zu einem Betriebsproblem führt. Manche Peaks liegen in der Nähe von Frequenzen ohne aussagekräftige Quelle, während andere mit Schaltmustern, Umrichter-Seitenbändern oder Hintergrundverzerrungen übereinstimmen, die bereits auf der Zuleitung vorhanden sind. Sie können bessere Entscheidungen zur Abmilderung treffen, wenn Sie das Ereignis kennen, das die Resonanz anregt, die Dauer der Reaktion sowie die Komponenten, die der höchsten Belastung ausgesetzt sind. Diese Erkenntnisse helfen zudem den Schutz- und Betriebsteams dabei, sich auf Einstellungen und Schaltregeln zu einigen.

Die Modelldetails bestimmen, welche Resonanzspitzen auftreten

Die Modelldetails bestimmen, welche Resonanzspitzen Sie finden werden, da die Resonanz durch die tatsächlichen Induktivitäten, Kapazitäten, Widerstände und Regler im Netzwerk bestimmt wird. Eine Untersuchung, bei der Kabel pauschal behandelt, Daten zu Transformatorwicklungen ausgelassen oder Filter als generische Blöcke betrachtet werden, verschiebt oder löscht Spitzen, die vor Ort vorhanden sind.

Ein Sammelsystem mit mehreren 2 km langen Kabelabschnitten verhält sich anders als dieselbe Anlage, die als eine äquivalente Leitung modelliert wird. Jeder Abschnitt trägt zur verteilten Kapazität bei und verändert die lokale Impedanz, wie sie von nahegelegenen Sammelschienen aus gesehen wird. Die Erdung des Transformators, der Wicklungsanschluss und die Streukapazität beeinflussen ebenfalls das Nullsequenz- und Hochfrequenzverhalten. Diese Details sind zwar mühsam, doch fehlende Daten beeinträchtigen die Untersuchung in der Regel stärker als eine ungenaue Lastschätzung.

Man braucht keine unbegrenzte Komplexität. Man braucht eine ausreichende Genauigkeit bei den relevanten Frequenzen und an den Sammelschienen, an denen Verzerrungen gemessen werden oder Geräte auslösen. Eine gute Software zur Oberschwingungsanalyse ist am nützlichsten, wenn das Modell die zugrunde liegenden Annahmen transparent darstellt, sodass Ingenieure Parameter bearbeiten, Simulationsfälle erneut ausführen und nachvollziehen können, warum sich eine Spitze nach einer Konstruktionsänderung verschiebt. Dieser Ansatz ist nützlicher als eine geschlossene „Black Box“, die zwar ein Diagramm liefert, ohne jedoch die physikalischen Zusammenhänge des Netzwerks offenzulegen.

Prüfen Sie zunächst die schwächsten Busse, bevor Sie neue Geräte anschließen

Den schwächsten Sammelschienen sollte zuerst Aufmerksamkeit geschenkt werden, da sie eine geringe Kurzschlussfestigkeit mit Geräten kombinieren, die die Impedanz verändern. Dies sind die Sammelschienen, bei denen zusätzliche Wechselrichter, Kondensatorbänke oder lange Kabelstrecken die größten Resonanzschwankungen verursachen und bei denen Maßnahmen zur Minderung den größten Einfluss auf das gesamte System haben.

Ein Studienplan funktioniert am besten, wenn Sie die Sammelschienen priorisieren, bevor Sie jeden Winkel des Netzes modellieren. Ein gemeinsamer Kopplungspunkt mag zwar als naheliegendes erstes Ziel erscheinen, doch der empfindlichere Ort ist oft eine Sammelschiene, eine Hilfsmittelspannungs-Sammelschiene oder ein Anschluss einer Kondensatorbank. Eine industrielle Zuleitung kann an der Schnittstelle zum Energieversorger ruhig bleiben, während eine Motorsteuerungs-Sammelschiene eine starke lokale Verstärkung aufweist. Dies sind die Stellen, die die meisten Teams zuerst überprüfen sollten:

• Der Sammelbus, der zahlreiche Wechselrichterblöcke über lange Kabel miteinander verbindet, sollte frühzeitig überprüft werden.
• Für den Bus, an den eine geschaltete Kondensatorbank oder ein Filter angeschlossen ist, sind separate Betriebsfälle erforderlich.
• Die schwächste Zuleitung, die anhand des niedrigsten Kurzschlussverhältnisses ermittelt wurde, sollte ganz oben in der Rangliste stehen.
• Auf der Niederspannungsseite eines Transformators, der eine hochverdichtete Leistungselektronik versorgt, verbergen sich oft lokale Spitzen.
• Am entfernten Ende einer langen Kabelstrecke mit geringer lokaler Last können starke Impedanzschwankungen auftreten.

Diese Rangliste spart Zeit und verbessert den ersten Durchlauf Ihres Modells. Außerdem verhindert sie, dass Sie Tage damit verbringen, Busleitungen zu optimieren, die die für Sie relevanten Frequenzen weder anregen noch verstärken können. Sobald Sie die risikoreichen Busleitungen identifiziert haben, können Sie den Scan-Umfang erweitern und Szenarien viel gezielter testen. Ihr Maßnahmenplan wird dann die tatsächlichen Schwachstellen widerspiegeln und nicht nur die einfachste einzelne Leitung.

Häufige Modellierungsfehler verbergen Resonanzerscheinungen, bis es zu einer Abschaltung der Anlage kommt

Häufige Modellierungsfehler verschleiern Resonanzen, da sie die Impedanzkurve abflachen oder Spitzen bei falschen Frequenzen erzeugen. Die üblichen Ursachen sind äquivalente Kabel, fehlende Kondensatorzustände, generische Wechselrichterfilter, veraltete Daten zur Netzversorgung sowie Fälle, in denen der Scan beendet wird, ohne das Betriebsereignis zu überprüfen, das die Spitze auslöst.

Ein Standort kann eine Voruntersuchung bestehen und dennoch nach der Einschaltung den Kondensatorschutz auslösen, da das verwendete Modell die Nennleistung der Quelle zugrunde legte und eine alternative Zuleitungskonfiguration außer Acht ließ. Ein anderer Standort kann auf dem Papier unsicher erscheinen, bis der Ingenieur den Dämpfungswiderstand hinzufügt, der in der tatsächlichen Filterbank vorhanden war.

„Bei guter harmonischer Arbeit geht es weniger um Softwarefunktionen als vielmehr um methodische Disziplin, denn schon ein fehlender Kabelabschnitt oder ein falsch eingestellter Filter kann genau jene Spitze auslöschen, die später zu einer Auslösung der Geräte führt.“

Da Sie ein physikalisches System bewerten, muss das Modell dem physikalischen System möglichst nahe kommen.

Das ist der Maßstab, den Sie bei jeder Untersuchung harmonischer Resonanzen anlegen sollten. Ein solider Arbeitsablauf kombiniert Frequenzscans mit Überprüfungen im Zeitbereich, aktualisiert das Modell nach jeder Konstruktionsänderung und testet die Sammelschienen, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Verstärkung von Verzerrungen am größten ist. SPS SOFTWARE passt zu diesem Arbeitsablauf, da es eine transparente Modellierung unterstützt und es Ingenieuren ermöglicht, das Resonanzrisiko zu überprüfen, bevor die Anlagen vermeidbaren Belastungen ausgesetzt werden. Eine sorgfältige Umsetzung ist stets besser als Spekulationen, wenn sich die Resonanzpunkte jedes Mal verschieben, wenn ein Netz neue Wechselrichter oder Kondensatorbänke hinzufügt.