Filter für das Stromnetz Stabilen Netzbetrieb absichern

Autor / Redakteur: Peter Leinberger* / Wolfgang Ernhofer

Aktive Filter reduzieren die Verunreinigung des Stromnetzes und verhindern Anlagenausfälle – Kläranlagen bereiten rund um die Uhr eingeleitete Abwässer auf. Stillstände sind nicht erlaubt, wenn die Anlage oder ein Teil davon steht, bricht gegebenenfalls der Prozess zusammen: Sollten die Bakterien absterben, kann es Monate dauern, bis der Prozess wieder stabil läuft und die täglich anfallenden Abwassermassen wieder gereinigt werden können.

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Aktive Filter dienen der Betriebssicherheit der Anlage da sie mögliche Schäden verhindern und Ausfälle reduzieren.
Aktive Filter dienen der Betriebssicherheit der Anlage da sie mögliche Schäden verhindern und Ausfälle reduzieren.
(Bild: Danfoss)

Eine Kläranlage wie die in Nördlingen mit einer Kapazität für insgesamt 70 000 EW ist eine mehrstufige Prozesskette, die im Verlauf der Aufbereitung Prozesswasser am Ende als gereinigtes Wasser wieder in den Wasserkreislauf zurückspeist. Dem anfallenden Klärschlamm wird in einem letzten Prozess sowohl der Wasseranteil fast komplett entzogen, als auch die enthaltenen Nährstoffe durch Methan erzeugende Bakterien. Diese Stufe ist besonders anspruchsvoll: Im Klärwerk Nördlingen sind dies pro Charge rund 1800 t, die durch die Biogas-Ausbeute erheblich dazu beitragen, dass die Anlage fast ihren eigenen Strombedarf erzeugt.

Der Zufluss an Abwasser wird zunächst mit einem Rechen grob gefiltert. Nach diesem Schritt fließt das Abwasser durch Belebungsbecken, in denen Bakterienstämme die enthaltenen Stoff aufspalten und die Nitrate abbauen. Damit die Bakterien nicht absterben, wird das Wasser ständig mit Sauerstoff angereichert, um einen dafür kritischer Wert nicht zu unterschreiten.

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Zu diesem Zweck laufen in der Maschinenhalle der Belebungsbecken Tag und Nacht Gebläse, die zudem für den Generatorbetrieb vorbereitet sind, damit auch bei Stromausfall Energie verfügbar ist. Umso wichtiger ist der Einsatz von aktiven Filtern für den zuverlässigen Betrieb der Anlage. Für den Generatorbetrieb müssen die Pumpen bzw. die Pumpenantriebe möglichst geringe Werte in Bezug auf Oberwellen einhalten, z.B. THDi < 10 %. Diese Maßnahmen dienen der Betriebssicherheit der Anlage und verhindert mögliche Schäden an den Maschinen bzw. Ausfälle: Der Ausschluss von Störungen steht für den Betreiber noch vor der Energieeffizienz.

Unerwünschte Nebenwirkungen verhindern

Idealerweise sollte die Netzspannung eine gleichförmige Sinusspannung konstanter Amplitude und Frequenz sein. Durch nichtsinusförmigen Laststrom von elektronischen Verbrauchern ist dies heute in unseren Netzen leider nicht mehr gegeben. Sie verursachen Abweichungen von der idealen Sinusform die in gewissen Grenzen zulässig sind. Allerdings erzeugen diese Anwendungen höherfrequente Überlagerungen auf der Netzspannung, sogenannte Oberwellen, die in den Bereich der zulässigen Grenzwerte kommen können und in kritischen Fällen spürbare Auswirkungen auf Verbraucher haben können.

Für die Beurteilung der Netzqualität betrachtet man typischerweise die Oberschwingungen bis 2,5 kHz, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung. Als Oberschwingungen mit den stärksten Auswirkungen gelten typischerweise die 3., 5. und 7., also die Frequenzen von 150, 250 und 350 Hz (50 Hz-Netz).

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Anlagenbetreiber sind sich noch zu wenig über das Phänomen der Oberschwingungsbelastung und deren schwerwiegenden Auswirkungen in klaren: Die Überschreitung des Oberschwingungsanteils in der Netzspannung bewirkt, dass angeschlossene Betriebsmittel wie Computer, Regelgeräte oder auch Beleuchtungseinrichtungen nicht mehr einwandfrei funktionieren oder scheinbar ohne Ursache ausfallen. Weitere Auswirkungen sind:

  • Erhöhte Belastung oder Zerstörung von Blindleistungskompensationsanlagen. Steigende Verlustleistung in Trafo und Versorgungsnetz mit erhöhtem Energieverbrauch als Folge.
  • Überdimensionierung von Netzkomponenten wie Trafo oder Leitungen erforderlich.
  • Eingeschränkte Funktionssicherheit und Lebensdauer von Netzkomponenten und angeschlossenen Verbrauchern.

Eine vorhandene Oberschwingungsbelastung des Netzes birgt somit erhebliche Nachteile. Die Ursache liegt darin, dass das Übertragungsnetz und darin eingebundene Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen in der Industrie für die Nennfrequenz, typisch 50 Hz, berechnet und ausgelegt sind. Zusätzliche Belastungen werden bei der Planung selten berücksichtigt.

Die Netzrückwirkungen elektronischer Verbraucher lassen sich bereits an der Entstehungsquelle im Gerät wirkungsvoll, z.B. durch integrierte Zwischenkreisdrosseln im Umrichter, reduzieren. In Einzelfällen reichen diese Maßnahmen nicht aus, dann sind zusätzliche Kompensationen notwendig. Dies ist typischerweise dann der Fall, wenn die Netzqualität bereits durch andere nichtlineare Verbraucher belastet ist oder, wie in der Kläranlage Nördlingen, eine große Zahl entsprechender Geräte zum Einsatz kommt.

Um die notwendige Netzqualität hier zu gewährleisten, werden aktive elektronische Filtersysteme eingesetzt. Im Vorfeld dazu wurde die Netztopologie genau betrachtet und die Spannungsqualität und die Oberschwingungsanteile bei unterschiedlichen Netzauslastungen betrachtet.

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Funktionsweise der eingesetzten Filter

Aktive Filter berechnen auf Basis einer sehr schnellen Messung der Netzströme die Komplementäre zu den aktuellen Oberschwingungen. Anschließend speisen sie gezielt einen entsprechenden Strom so ein, dass sich durch Auslöschung in der Summe wieder eine sinusförmige Stromform ergibt. Der Aufbau eines aktiven Filters ist insofern relativ aufwendig, weil er eine hoch auflösende und schnelle Messdatenerfassung, eine hohe Rechnerleistung im Reglerteil sowie schnell schaltende IGBT beinhaltet. Dafür lassen sich aktive Filter aufgrund des Funktionsprinzips wesentlich flexibler im Netz einsetzen: Es muss nicht einmal zwingend in unmittelbarer Nähe zu einem bestimmten Verbraucher installiert sein, sondern lässt sich an beliebigen Stellen parallel ankoppeln.

Das aktive Filter für die Kläranlage Nördlingen sorgt für einen stabilen Betrieb am Netz und ab einer bestimmten Einschaltschwelle geglätteten sinusförmigen Strom: Durch diese Maßnahme werden eventuelle Störungen der angehängten Steuerungen und Antriebe vermieden. Denn durch Spannungsspitzen und von Oberwellen verursachten Störungen könnte es zu Ausfällen oder Beeinträchtigungen der angeschlossenen Geräte kommen.

Der Netzfilter schaltet sich um Energie zu sparen erst ab einer definierten Stromstärke des gemessenen Netzstroms ein. Unterhalb dieses Wertes muss der Aktive Filter nicht in Betrieb sein und kann im Standby bleiben.

Projektierer wie Anlagenbetreiber sind gut beraten neben der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beim Einsatz moderner Elektronik zur Energieeinsparung auch die Netzverhältnisse ihren Applikation nicht außer Acht zu lassen und für ihre Betriebsmittel die geltenden Normen für Oberwellen-zu beachten, damit die Betriebssicherheit ihrer Anlagen gewährleistet bleibt. Die Investition in derartige Maßnahmen zahlt sich letztlich durch den störungsfreien Betrieb aus.

* * Der Autor ist Verkaufsingenieur bei Danfoss VLT Antriebstechnik, Offenbach; Tel. +49-69-8902-0

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