Über die Veröffentlichung unseres Artikels in der renommierten Fachzeitschrift etz Elektrotechnik & Automation freuen wir uns sehr! Im Folgenden ist der komplette Text des Artikels zu sehen. Für den kompletten Artikel inklusive der Abbildungen und Grafiken besuchen Sie die Originalausgabe auf der Seite des VDE Verlags (Zum Magazin).
Mit der Netzimpedanz Stromtankstellen ins Verteilnetz integrieren
Der Anteil der Elektrofahrzeuge soll bis zum Jahr 2030 nach den Zielen der Bundesregierung auf 7 Mio. bis 10 Mio. ansteigen. Unterstützt durch den „Masterplan Ladesäuleninfrastruktur“ sollen in diesem Rahmen auch 1 Mio. Ladepunkte zur Verfügung stehen. Allerdings ist die Integration der neuen Ladepunkte in das elektrische Energieversorgungsnetz eine große Herausforderung in Bezug auf die benötigten Energiemengen sowie die Ladeleistungen.
Bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 12 000 km pro Jahr und einem durchschnittlichen Verbrauch von 20 kWh pro 100 km, ergibt sich bei 1 Mio. Elektroautos ein zusätzlicher Strombedarf von 2,4 TWh. Bei einer Jahresstromproduktion von Deutschland über 654 TWh im Jahr 2017 wäre dies nur ein Anstieg von 0,35 %. Anders sieht es bei den lokalen Leistungsabrufen zum Laden bei dem zu erwartenden Nutzerverhalten aufgrund des ähnlichen Tagesrhythmus aus. So führen zeitliche Überlappungen von verschiedenen Ladepunkten zu hohen lokalen Lastspitzen, die aktuell nicht vom Netz bzw. Netzbetreiber bedient werden können, sodass Anträge zum Anschluss auf leistungsstarke Ladepunkte abgelehnt werden. Hier ist abzuwägen, ob notwendige Netzausbau-/-verstärkungsmaßnahmen oder neue Ansätze von Lademanagementsystemen zur zeitlichen Steuerung der Ladeleistungen auf Basis von Prioritäten, Preisen etc. sinnvoller sind. Die Auslegung der bestehenden Nieder- und Mittelspannungsnetze erfolgte auf Basis von Gleichzeitigkeitsfaktoren unter Verwendung von Standardlastprofilen sowie der Klassifizierung typischer vorhandener Lasten/Verbraucher im Netzgebiet, ohne neue Ladepunkte und Ladeleistungen zu berücksichtigen. Zum einen kann der zusätzliche Leistungsbedarf für die entsprechenden Ladeleistungen zur Überschreitung der Betriebs-/Bemessungsstromgrenzwerte der Betriebsmittel, wie Transformatoren oder Kabeln, führen. Zum anderen sind die Netzrückwirkungen der Ladepunkte bei der Auswahl des Anschlusspunktes zu betrachten. Der entscheidende netztechnische Parameter für die Netzintegration der Ladepunkte ist die Netzimpedanz.
Netzimpedanz im laufenden Betrieb messen
Während die Mittelspannungsebene den Netzbetreibern meist noch gut bekannt ist, gibt es bei Niederspannungsnetzen oft keine ausreichend genaue Dokumentation bezüglich Pläne von Schaltschränken sowie angeschlossenen Lasten. Hier hilft nur eine Messung der Netzimpedanz bei der Erfassung des aktuellen Netzzustands, um die Eignung des projektierten Ladepunktes zu evaluieren. Zusätzlich lassen sich die Messergebnisse zur Überprüfung von Sicherungseinrichtungen sowie der Einhaltung von geforderten Abschaltzeiten nutzen. Bei der Wahl eines geeigneten Netzanschlusspunktes sind neben dem Leistungsbedarf und dem resultierenden Spannungseinbruch auch die Netzrückwirkungen zu berücksichtigen. Insbesondere bei hohen Leistungen oder wenn Ladepunkte zusammengefasst werden, gilt es die Einbindung in das Mittelspannungsnetz zu prüfen. Mit dem Onis-690V (Online Network Impedance Spectrometer) liefert die Morenergy GmbH ein Gerät zur Messung der zeit- und frequenzabhängigen Netzimpedanz von Netzanschlusspunkten im laufenden Betrieb. Zudem ist das Gerät ein vollwertiger Transienten-Rekorder und Power Quality-Analysator. Durch die Impedanzmessung lassen sich Netzanschlusspunkte objektiv charakterisieren und durch Power-Quality-Messungen kann man den Einfluss von elektrischen Anlagen auf das Netz optimal bewerten. Vor Baubeginn oder spätestens vor Inbetriebnahme eines Ladepunktes kann so eine genaue Überprüfung durchgeführt werden. Im gemessenen Frequenzverlauf der Netzimpedanz können Geräteanwender Resonanzstellen im höherfrequenten Bereich identifizieren. Zudem ist ein Abgleich mit den eingesetzten Pulsfrequenzen der Stromrichter möglich, um erhöhte Oberschwingungsspannungen zu vermeiden. Auch bei unerklärlichen Ausfällen von anderen Verbrauchern und/ oder hohen Oberschwingungspegeln kann das Onis-690V im Rahmen der Störungsbeseitigung eingesetzt werden.
Netzimpedanzmessung am Hausanschluss
Der Vergleich von zwei unterschiedlichen Netzimpedanzmessungen – bei einem Haushaltsanschluss im Hamburger Stadtgebiet sowie einer innerstädtischen Ladesäule – die jeweils in weniger als 15 Minuten im laufenden Betrieb durchgeführt wurden, zeigt, dass die Netzimpedanz eine orts-, zeit- und frequenzabhängige Größe ist. Der Fokus liegt dabei auf der Leistungsaufnahmefähigkeit der Ladepunkte sowie deren Empfindlichkeit auf Netzrückwirkungen infolge des Ladevorgangs der Elektrofahrzeuge. Bild 4 (siehe Originalartikel der etz, Link untenstehend) zeigt den gemessenen Frequenzverlauf der Netzimpedanzen an einem Ladepunkt eines beispielhaften Haushaltsanschlusses. Bei der Grundschwingung von 50 Hz liegt eine maximale Netzimpedanz von ZN = 0,31 Ω vor. So ergibt sich eine Kurzschlussscheinleistung von ca. SK = 516 kVA. Mit diesen beiden Werten sowie den vorab objektiv vermessenen Oberschwingungsströmen eines Ladegeräts wird die Bewertung zur Einhaltung der IEC 61000-3-12 (VDE 0838-12) [2] vorgenommen. Beispielsweise ergibt sich für ein Ladegerät mit einer Scheinleistung von SV = 22 kVA das Kurzschlussleistungsverhältnis zu K22kVA = 23,46 und für ein 11-kVA-Ladegerät zu K11kVA = 46,92. Je nach Gerätetyp und Oberschwingungsstromspektrum lässt sich mit den Tabellen der IEC 61000-3-12 (VDE 0838-12) die Anschlusskonformität bewerten. Bei hohen Oberschwingungsströmen ist der Netzanschluss demnach nicht mehr zulässig und beliebige Geräte dürfen nicht an die 32-A-CEESteckdose angeschlossen werden, auch wenn Scheinleistung und Stecker passen würden. Des Weiteren lassen sich mit der Messung Resonanzen im Impedanzverlauf feststellen, wie die Parallelresonanz bei 650 Hz bei der 13ten Harmonischen. Oberschwingungsströme haben einen starken Einfluss auf die zugehörigen Oberschwingungsspannungen. Dies kann sogar zum Ausfall von sensiblen Verbrauchern führen. Oberhalb von 2 kHz stellt sich eine Asymmetrie in den Leiterimpedanzen ein, die sich mit steigender Frequenz immer deutlicher zeigt.
Impedanzmessung an einer öffentlichen Ladestation
Zum Vergleich der Netzparameter wurden mit dem Onis690V Netzimpedanzmessungen an einer innerstädtischen öffentlichen Ladestation durchgeführt. Bei der Grundschwingung von 50 Hz beträgt die maximale Netzimpedanz ZN = 0,23 Ω, die zu einer Kurzschlussscheinleistung von ca. SK = 696 kVA führt. Somit ist der Ladepunkt deutlich leistungsstärker als der Haushaltsanschluss. Bei einer Ladescheinleistung von SV = 22 kVA folgt das Kurzschlussleistungsverhältnis zu K22kVA = 31,62 und für ein 11-kVA-Ladegerät zu K11kVA = 63,24. Der Frequenzverlauf zeigt ein typisches ohmsch-induktives Muster ohne erkennbare Resonanzstellen. Im höherfrequenten Bereich lassen sich allerdings deutliche Auswirkungen von aktiven Ladevorgängen feststellen. Bild 6 (siehe Originalartikel der etz, Link untenstehend) zeigt den Vergleich mit und ohne Ladevorgang eines Elektroautos BMW i3 bei 11 kW Ladeleistung über einen Typ-2-Stecker (dreiphasiges Laden per AC) an einer Ladesäule von Mennekes. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Symmetrie ist nur die Impedanz von Leiter L1 gezeigt. Bis zu einer Frequenz von ca. 40 kHz verdeutlicht diese Messung, dass der Ladevorgang kaum Einfluss auf den Netzimpedanzverlauf hat. Dies ist auf die hohe Netzanschlussleistung des öffentlichen Netzanschlusses zurückzuführen. Ab ca. 40 kHz sind allerdings deutliche Störungen infolge der Pulsfrequenz der Gleichrichterschaltung in der Ladestation erkennbar. In diesem Frequenzbereich können in der Praxis erhöhte Spannungsoberschwingungen auftreten, die durch Aufladung mehrerer Elektroautos im Netzgebiet noch deutlich verstärkt werden können, insbesondere bei deutlich zunehmender Anzahl von Elektroautos und Ladepunkten.
Fazit
Mit dem Onis-690V kann man zeit- und frequenzabhängige Netzimpedanzen von Netzanschlusspunkten im Niederspannungsnetz schnell, objektiv und im laufenden Betrieb messen. Die mögliche Netzanschlussleistung vom Netzanschlusspunkten lässt sich ermitteln und damit die Anschlusskonformität von Geräten, insbesondere unter Berücksichtigung von deren Oberschwingungen und weiteren Netzrückwirkungen, bewerten. Die Impedanzmessung liefert damit zukünftig einen wichtigen Beitrag für die Netzintegration von leistungsstarken Ladegeräten vor deren Netzanschluss und damit den Ausbau der Elektromobilität. Unter Berücksichtigung des objektiv gemessenen Frequenzverlaufs der Netzimpedanzen kann eine wesentlich genauere Bewertung der Oberschwingungen erfolgen als mit dem abschätzenden Verfahren nach IEC 61000-3-12 und anderen Normen. So lässt sich das volle Potenzial des Netzanschlusses ausschöpfen. Die örtlichen Gegebenheiten unterscheiden sich sehr stark je nach Standort sowie der dort vorhandenen Betriebsmittel und Verbraucher, wie die Beispiele der gemessenen Haushalts- und innerstädtischen Ladepunkten zeigen. Bei der geplanten zunehmenden hohen Anzahl von Elektroautos werden neue Bewertungsverfahren benötigt, welche die Netzvorbelastungen in Form von Oberschwingungsspannungen durch bereits bestehende Ladepunkte sowie den Frequenzverlauf der Netzimpedanz und die Resonanzstellen berücksichtigen. Mit dem Onis-690V lässt sich die Anschlusskonformität von neuen Ladepunkten objektiv bewerten und sicherstellen, was dem Netzbetreiber Sicherheit bei der Entscheidungsfindung der Genehmigung eines Ladepunkts gibt. Dies ist ein nicht zu unterschätzender Vorteil der Netzimpedanzmessungen bei der fortschreitenden Elektrifizierung des Individualverkehrs.
Warum ONIS?
In Schnellladesystemen für E-Autos, in Hochhausaufzügen, auf Serverfarmen oder in Photovoltaik- und Windkraftanlagen kommen moderne Hochleistungswechselrichtersysteme zum Einsatz. Diese hocheffiziente Frequenzumrichtertechnik steuert normalerweise auch unter schwierigsten Bedingungen präzise die Ladegeschwindigkeit oder auch die Geschwindigkeit von Aufzügen und übernimmt die Energieregelung am Stromnetz. Die Zuverlässigkeit der Systeme setzt voraus, dass die Wechselwirkungen zwischen Frequenzumrichter und dem Stromnetz bei der Reglerauslegung durch die Ingenieure gut abgeschätzt wurden. Ist das nicht der Fall, aufgrund von komplexen Stromnetzen vor Ort, kommt es im Betrieb nicht selten zu Instabilitäten, die Systemausfälle zur Folge haben. Die Onis-Technologie von Morenergy verhindern Probleme der Systemintegration von Energieerzeugern sowie -verbrauchern und verhindert System- und Einnahmeausfälle proaktiv. Technische Daten des Onis-690V:
- Eingangsspannungsbereich: ±70 VSpitze bis 1000 VSpitze
- Messkategorie: CAT IV 600 V
- Maximalstrom zur Netzimpedanzmessung: 12 ASpitze
- Frequenzbereich für Netzimpedanzmessung: DC bis 150 kHz
- Messgenauigkeit der Spannungswandler: Klasse A, 0,1 %
- Versorgungsspannung: AC 110 V bis 240 V, 50/60 Hz
- Abmessungen: 54 cm × 45 cm × 14,5 cm (L × B × H)
- Gewicht: 12,5 kg