Die elektrischen Netz­rück­wirkungen von Anlagen werden heute nach DACHCZ vor derem Anschluss ans Verteilnetz berechnet. Mess­technisch wird die Einhaltung der Grenzwerte kaum oder nur verein­facht überprüft. In einem Pilot- und Demonstrationsprogramm (P+D) des Bundesamtes für Energie der Schweiz (BFE), wurde nun die optimale Methode zur kon­ti­nu­ier­lichen Über­wachung des Beitrages einzelner Anla­gen zur Span­nungs­verzer­rung ermittelt.

Die Zunahme von verteilter Erzeugung und neuen Geräte­techno­logien (z. B. Elektro­fahr­zeuge) führt zu einem tief­grei­fenden Wandel der Stromnetze. Zudem zeichnen sich künftige Netze durch eine niedrigere und volatilere Kurzschluss­leistung aus, wodurch es wahr­schein­licher wird, dass sich eine Beein­träch­tigung der Strom- und Spannungs­qualität erheblich stärker auf den effizienten und stabilen Betrieb auswirken wird als bisher. Viele Studien und Feldversuche beschränken sich jedoch nur auf die Effizienz und Stabilität bei der Netzfrequenz und betrachten den Einfluss der Netz­rück­wirkungen nicht oder nur unzureichend.

Fast alle Installationen für Erzeugung, Verbrauch oder Speicherung von elektrischer Energie verursachen Netz­rück­wirkungen. Geräte mit Leistungs­elektronik führen beispielsweise zu Ober­schwingungen, ein- oder zweiphasig angeschlossene Geräte zu Asymmetrien. Dies reduziert die Strom- und Spannungs­qualität und kann den Betrieb anderer Geräte und Anlagen stören. Deshalb ist es wichtig, die Netzverträg­lichkeit einer Anlage verlässlich zu quantifizieren, um den zuverlässigen und effizienten Netzbetrieb sicherzustellen und die Anforderungen bezüglich der elektro­magnetischen Verträglichkeit einzuhalten.

Die Rückwirkung von Anlagen auf die Netzspannung wird heute vor ihrem Anschliessen ans Netz basierend auf Erfahrungswerten und Richtlinien berechnet. Ein messtechnischer Nachweis der Einhaltung der Grenzwerte erfolgt entweder gar nicht oder nur mittels Verfahren, die auf vereinfachenden Annahmen beruhen. Dies kann dazu führen, dass bei Betrieb einer Anlage unerwartete Störungen auftreten, die den Netzbetrieb beeinträchtigen. Andererseits werden bereits im Rahmen der Planung mög­licher­weise teure Abhilfe­mass­nahmen (z. B. Filter) gefordert, die beim Betrieb der Anlage eigentlich nicht nötig gewesen wären.

Durch Anwendung neuer Methoden und Indizes wurde im iREF-Grid-Projekt ein Verfahren zur kontinu­ierlichen Überwachung des Beitrages einer einzelnen Anlage zur Spannungs­verzerrung bestimmt. Durch umfassende und systematische Messungen in Zusammen­arbeit mit neun Schweizer Netzbetreibern wurden verschiedene Methoden bewertet und die optimale Methode identifiziert. Dadurch können Wechselwirkungen (z. B. Kompen­sations­effekte) genauer bestimmt werden, um Anlagen mit unzulässig hohen Netz­rück­wirkungen sicher identifizieren zu können bzw. Investitionen in unnötige Abhilfemassnahmen zu vermeiden. Dies trägt nachhaltig zu einer effizienteren Nutzung der Netzinfrastruktur, der effektiveren Integration neuer Technologien und zu einem zuverlässigeren Betrieb zukünftiger Netze bei. Die Ergebnisse leisten auch einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung von Richtlinien und Normen.

Projektziele und Fragen

Störaussendungs­grenz­werte für eine Anlage werden in der Planungsphase mit Methoden aus einschlägigen Richtlinien und Normen (z. B. D-A-CH-CZ-Richtlinien zur Beurteilung von Netz­rück­wirkungen) berechnet. Diese Methoden basieren auf Annahmen und Vereinfachungen, die meist zu eher konservativen Grenzwerten führen, welche die Aufnahmekapazität der Netze in Bezug auf Netz­rück­wirkungen nicht effizient ausnutzen und von den Kunden oft schwer und nur mit höheren Investitionen zu erfüllen sind. Die Emissionsgrenzwerte können als Spannungen oder Ströme ausgedrückt werden. Die Spannungs­grenz­werte sind oft so gering, dass sie nach der Inbetriebnahme der Anlage gar nicht oder nur schwer messtechnisch nachgewiesen werden können. Deshalb wird heute die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte häufig mit einer Messung des entsprechenden Stromes am Verknüpfungspunkt (PCC) bewertet. Diese Messung wird in der Praxis oft überhaupt nicht durchgeführt oder nur für einen kurzen Zeitraum (z. B. mehrere Tage bis zu einer Woche) direkt nach der Inbetriebnahme der Anlage.

Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Netz und Anlage besteht der gemessene Strom aus zwei Komponenten: einer durch das Netz verursachten (Verantwortung des Netzbetreibers) und einer durch die Anlage verursachten (Verantwortung des Kunden) Komponente. Beabsichtigte oder zufällige Kompen­sations­effekte sowie eine niedrige Gleichzeitigkeit der Störaussendung mehrerer Anlagen können zu einem geringeren negativen oder sogar zu einem posi­tiven Einfluss auf die entspre­chende Spannungs­quali­täts­kenn­grösse führen, als es der gemessene Strom vermuten lässt. Eine zu konservative Bewertung des Beitrags durch eine Anlage kann zu einer ineffizienten Nutzung der vorhandenen Aufnahme­kapazität oder zur unnötigen Installation von Abhilfe­mass­nahmen führen. Besonders bei einer zufälligen Kompensation kann sich der Beitrag der Anlage im Laufe der Zeit aufgrund von Änderungen auf der Netzseite (z. B. Wechsel des Schaltzustandes oder Austausch eines Transformators) bzw. der Kundenseite (z. B. Austausch von Geräten oder Erweiterung der Anlage) signifikant verändern.

Ein Gerät zur kontinu­ierlichen mess­techni­schen Quanti­fizierung des Beitrags einer Anlage zur Spannungs­qualität, das die beschriebenen Heraus­forderungen berücksichtigt, existierte bisher nicht, ist jedoch für eine sachgerechte Bestimmung der Netzrück­wirkungen einer Anlage dringend notwendig. Dies bestätigen auch die anhaltenden Diskussionen in internationalen Arbeitsgruppen sowie zwischen Kunden und Netzbetreibern. Besonders wenn die gemessene Stromaussendung vorgegebene Grenzwerte überschreitet, gibt es keinen klaren Rahmen, wie der tatsächliche Beitrag zur Verminderung der Spannungs­qualität für beide Seiten auf transparente Weise ermittelt werden kann.

Das Ziel des iREF-Grid-Projekts war die Entwicklung und Validierung einer Methode zur kontinu­ierlichen Bewertung des Beitrags einer Anlage zu Spannungs­ober­schwingungen und deren Proof-of-Concept-Implementierung in ein bestehendes Power-Quality-Instrument (Klasse A). Die Anwendbarkeit einiger vielversprechender Verfahren und Indizes wurde erprobt und u. a. hinsichtlich Einfachheit, Transparenz und Effektivität durch umfangreiche Feldtests mit mehreren Schweizer Netzbetreibern bewertet. Die Ergebnisse der Messungen wurden analysiert und mit den Netzbetreibern diskutiert, um die beste Methode zur genauen Bestimmung des Beitrags einer Anlage zur Verminderung der Spannungs­qualität zu identifizieren. Dadurch wird eine effizientere Ausnutzung der Aufnahmekapazitäten künftiger Netze in Bezug auf Oberschwingungen und Asymmetrie erreicht, wobei auch eine zunehmende zeitliche Variabilität der Aufnahmekapazität berücksichtigt wird. Zudem wurden Richtlinien für die Bewertung des Beitrags einer Anlage zu Oberschwingungen im Netz entwickelt, die in die Überarbeitung der D-A-CH-CZ-Richtlinien zur Bewertung von Netz­rück­wirkungen eingeflossen sind.

Grundsätzlich kann das Messgerät nicht nur auf Anlagen mit mehreren Geräten, sondern auch auf einzelne Geräte wie Ladegeräte für Elektrofahrzeuge oder PV-Wechselrichter angewendet werden. Es kann in allen Netzebenen eingesetzt werden, wobei die Genauigkeit der verwendeten Strom- und Spannungswandler für die Messung von Harmonischen (frequenzabhängiges Übertragungsverhalten) sicherzustellen ist.

Messtechnischer Nachweis in der D-A-CH-CZ

Ein messtechnischer Nachweis der Einhaltung von Grenzwerten erfolgte bisher gar nicht oder nur mittels einfacher Verfahren, die auf einer Reihe vereinfachender Annahmen beruhen. In der aktuellen D-A-CH-CZ (3. Ausgabe 2021) wird in Kapitel 2.9. Messung auf dieses Thema Bezug genommen und auf Art und Umfang der Messung sowie auf das Messverfahren nach IEC 61000-4-30 eingegangen. Zum besseren Verständnis der Einordnung des messtechnischen Nachweises in der Anschlussbewertung dient Bild 1.