Power quality studies in distribution systems involving spectral decomposition

Abstract

Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode der Spannungsqualitätsanalyse vorgestellt, die zur Untersuchung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen in Verteilungsnetzen besonders geeignet ist. Der zunehmende Einsatz von elektronisch gesteuerten Geräten führt zur Beeinträchtigung der Energiequalität in elektrischen Netzen. Die resultierende Spannungs- und Stromverzerrung kann für empfindliche Einrichtungen gefährlich sein, besonders dann, wenn der Oberschwingungspegel nahe an den Störfestigkeitspegeln der angeschlossenen Betriebsmittel liegt oder diese überschreitet. Die in der Arbeit vorgestellte Methode findet die bezüglich Oberschwingungen und Zwischenharmonischen gefährdetsten Stellen in einem Verteilungssystem heraus. Somit wird eine Vorab-Analyse zur Ergreifung der notwendigen Maßnahmen ermöglicht. Zunächst wurde das Thema Spannungsqualität und ihr Zusammenhang mit der elektromagnetischen Verträglichkeit aus Sicht der Normen und Vorschriften erläutert. Darauf aufbauend wurde eine grundlegende Klassifikation der Spannungsqualitätsereignisse vorgestellt und analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Spannungsqualität aus verschiedenen Gründen zunehmend überwacht werden muss - einerseits aufgrund verstärkter Resonanzgefahr durch wachsenden Anteil nichtlinearer Verbraucher bei gleichzeitig sinkenden Anteil ohmscher Lasten und andererseits, da der durch den veränderten Energiemarkt verstärkte Kostendruck die Evaluierung auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten notwendig macht. Das Konzept eines entsprechend entwickelten Messsystems zur Beurteilung der Spannungsqualität in Verteilungsnetzen wurde vorgestellt. Der Einsatz der verwendeten Beurteilungsalgorithmen stand hierbei im Zentrum des Messsystems, deren flexibler Aufbau sowohl langzeitige Spannungsqualitätsmessungen aber auch Emissionsmessungen an einzelnen Geräten normgerecht ermöglicht. Im Weiteren wurden Modellierungsansätze für elektrische Betriebsmittel sowie sowohl lineare- als auch nicht-lineare Lasten für die Modellierung im FrequenzBereich vorgestellt. Dabei wurde verdeutlicht, dass das Zusammenwirken zwischen der Störquelle - nichtlinearer Last - und der Störsenke - dem Versorgungsnetz - sehr wesentlich für die Genauigkeit der Simulationen ist. Darauf aufbauend wurde eine messungsbasierte Methode vorgeschlagen, um die zu berücksichtigenden Nichtlinearitäten mit Hilfe einer Crossed-Frequency-Admittance-Matrix im Harmonischen-Bereich zu modellieren. Ein Beispiel illustriert detailliert dieses Verfahren, so dass alle Abhängigkeiten und Wechselwirkungen deutlich werden.  
Um die in der Arbeit entwickelte Methode sinnvoll durchführen zu können, müssen im Voraus die sensitivsten Knoten in einem Verteilungsnetz gefunden werden. Deshalb wurde als Kern der entwickelten Methode ein Verfahren vorgeschlagen, das auf der internen Struktur des zu analysierenden Netzes basiert. Nachdem die mathematischen Grundlagen dieses spektralen Ansatzes vorgestellt wurden, wurde eine Beispielanalyse am realen Netz durchgeführt um die Eigenschaften dieser qualitativen Methode zu veranschaulichen. Die Untersuchungen zeigten, dass die Methode zur Beurteilung von Spannungsqualität in Verteilungsnetzen wirkungsvoll anwendbar ist und zu besserer Genauigkeit bei Simulationen führt. Durch die Filterungseigenschaft der Spektralanalyse wurde eine bessere Selektivität der Analyse erreicht als bei herkömmlichen Methoden der Spannungsqualitätsanalyse. Das ist besonders bei Verteilungsnetzen von Vorteil, bei denen ungünstige Verhältnisse bezüglich Spannungs– und Stromqualität, hervorgerufen durch niedrige Kurzschlussleistungen und eine Vielzahl von Störquellen in den Verteilungsnetzen, entstehen.