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Oberschwingungsströme durch E-Mobile

Oberschwingungsspektrum der Stromharmonischen von E-

Strom und Spannung, einphasig, kleiner 16 A

Ströme und Spannungen von E-Mobil-14 und E-Mobil-16

Störaussendung der Stromharmonischen von E-Mobil-14

Eine Million E-Mobile, angeschlossen an das elektrische Versorgungsnetz, können die Qualität des Netzes beeinträchtigen. Je früher Schwachstellen erkannt werden, desto leichter können diese korrigiert werden, um so den Ausbau der Elektromobilität zu forcieren. Damit die auftretenden Netzruckwirkungen durch die Analyse von Ladevorgängen verschiedener Elektrofahrzeuge beurteilt werden konnten, wurden im Jahr 2013 zwanzig verschiedene Elektrofahrzeuge an der Ladesäule der Fachhochschule Bingen genauer untersucht. Auf die Fragen nach der Sinusform, der Ladeleistung, den Oberschwingungen und der Belastung des Neutralleiters wird eingegangen.

Die DIN EN 61000-3-2 legt Grenzwerte für Oberschwingungsströme von Geräten mit einem Nennstrom kleiner gleich 16 A je Außenleiter fest. Die Störaussendungsgrenzwerte für ungeradzahlige Oberschwingungsströme für die Geräteklasse A nach DIN EN 61000-3-2 sind in Bild 1 dargestellt. Das erste Elektrofahrzeug wird einphasig mit einem Ladestrom von 14,7 A, das zweite mit einem Strom von 13,5 A an einer Schutzkontakt-Steckdose geladen (Bild 2). Der Oberschwingungsanteil im Stromverlauf von E-Mobil-02 entsteht durch die ungefilterte Gleichrichtung der Einphasen-Wechselspannung. Bild 1 stellt das Oberschwingungsspektrum der gemessenen Stromharmonischen von E-Mobil-02 im Vergleich zu den Störaussendungsgrenzwerten nach DIN EN 61000-3-2 dar. Die gemessenen Oberschwingungspegel liegen deutlich über den Grenzwerten. Wird der Eingangsstrom von Geräten größer als 16 A, jedoch kleiner gleich 75 A, so sind die Störaussendungsgrenzwerte für den Anschluss an das Niederspannungsnetz in der DIN EN 61000-3-12 genormt. Diese Norm ist jedoch nur für einzelne Verbraucher gültig. Um alle in einer Anlage relevanten Oberschwingungserzeuger bezüglich der am gemeinsamen Netzanschlusspunkt zu erwartenden Emissionen zusammenfassen zu können, werden die Fahrzeuge neben der Bewertung von Strömen nach der genannten Norm zusätzlich nach den VDN-Technischen Regeln beurteilt. Mit der Standardisierung auf den sogenannten Typ-2-Stecker als gemeinsamen Ladestecker für mehrphasige Ladegeräte wurde die Steckerfrage für E-Fahrzeuge und somit eine wichtige Frage zur Ladeinfrastruktur geklärt.

Ladeleistungen in 1-s-Mittelwerten

Oberschwingungsspektrum der Stromharmonischen von E-Mobil-02, E-Mobil-03 und Neutralleiter

Zusammenfassung der untersuchten Elektrofahrzeuge (3-2 = DIN EN 61000-3-2, 3-12 = DIN EN 61000-3-12 plus VDN-Technische Regeln, P = Ladeleistung, λ = Leistungsfaktor, * = Anschlussbedingung erfüllt?)

Das dritte Fahrzeug, dreiphasig mit Strömen von 27 A, und das vierte mit dreiphasigen Strömen von 16,5 A werden beide an einer Typ-2-Steckdose geladen. Der Oberschwingungsanteil des dritten Fahrzeugs, E-Mobil-16, ist relativ gering (Bild 3). Dagegen ist dem Stromverlauf des vierten Fahrzeugs, E-Mobil-14, aus Bild 3 ein sehr hoher Oberschwingungsanteil zu entnehmen. Dieser verzerrte Stromverlauf entsteht durch die ungefilterte Gleichrichtung der Dreiphasen-Wechselspannung. Werden die Stromharmonischen des vierten E-Fahrzeugs gemäß DIN EN 61000-3-12 bewertet, so stellt sich heraus, dass der THD14 gleich 127 % ist und der PWHD14 einen Wert von 75 % hat. Bild 4 stellt die gemessenen Störaussendungen von E-Mobil-14 im Vergleich mit den Grenzwerten dar. Die hohe Grenzwertüberschreitung ist deutlich zu erkennen. Parallel zur Bewertung von Oberschwingungsströmen nach DIN EN 61000-3-12 wird für dieses Fahrzeug die Bewertung von Oberschwingungsströmen nach VDN-Technische Regeln durchgeführt. Der an der fachhochschulinternen Ladesäule zulässige THD von 20,4 % wird mit den gemessenen 127 % deutlich überschritten. Damit ist für dieses Fahrzeug an diesem Verknüpfungspunkt die Anschlussbedingung nach DACH-CZ ebenfalls nicht erfüllt.

Leistungsverteilung während eines Ladevorgangs
Üblicherweise betrachtet man den Verschiebungsfaktor cos ϕ und die damit verbundene, unerwünschte Blindleistungsaufnahme. Bei zunehmendem Einsatz leistungselektronischer Betriebsmittel und deren Auswirkung auf die Energieversorgungsnetze ist jedoch der Leistungsfaktor λ zu verwenden, da diese Größe auch die Oberschwingungsblindleistung berücksichtigt. Während des Ladezeitraums wird das E-Mobil-02 mit 2 kW geladen (Bild 5). Die Lastkurve zeigt gegen Ende der Ladung das allmähliche Reduzieren der Ladeleistung. E-Mobil-14 wird beispielsweise mit einer Drehstromwirkleistung von 7,5 kW geladen. Bei einem cos ϕ von fast 1 tritt jedoch ein Leistungsfaktor λ von 0,66 auf. Dieser große Unterschied entsteht durch die hohe Blindleistungsaufnahme von 8,5 kvar. Diese wird durch den kleinen Teil Grundschwingungsblindleistung Q 1 , 0,95 kvar und den bedeutenden Teil Verzerrungsblindleistung D, 8,4 kvar gebildet. Deutlich zu erkennen ist, dass die Verzerrungsblindleistung, durch Oberschwingungsströme hervorgerufen, den größten Einfluss auf die gesamte Blindleistungsaufnahme hat.

Oberschwingungsströme im Neutralleiter
Zum Thema Oberschwingungsbelastung durch Stromharmonische stellt dies ein besonderes Problem harmonischer Frequenzen dar, die über den Neutralleiter und damit über den Sternpunkt des geerdeten Systems zurückfließen. Durch den Neutralleiter fließt bei einem oberschwingungsfreien, symmetrisch belasteten Drehstromnetz kein Strom. Kommt es jedoch zu Oberschwingungsströmen mit durch drei teilbarer Ordnungszahl, gilt dieser Ansatz nicht mehr. Der Neutralleiter wird mit Oberschwingungsströmen der Ordnungszahlen 3, 9, 15, usw. belastet. Somit kann in bestimmten Fällen auch bei symmetrisch verteilter Last im Drehstromnetz ein großer Strom im Neutralleiter fließen. Um die Addition der 150-Hz-Oberschwingung im Neutralleiter darstellen zu können, wurden unterschiedliche Elektrofahrzeuge auf die Außenleiter des Drehstromnetzes verteilt. Diese Addition wird in Bild 6 verdeutlicht. Bei den durch drei teilbaren Oberschwingungen ist der Anstieg des Neutralleiterstromes gut zu erkennen. Vor allem die Addition der dritten Harmonischen enthält einen bedeutenden Anteil. Bei einer unsymmetrischen Belastung mit Oberschwingungsströmen kann der Strom im Neutralleiter größer als der größte Strom im Außenleiter werden.

Zusammenfassung
Umfangreiche Messungen 20 verschiedener Elektrofahrzeuge an der Fachhochschule Bingen für jeweils eine Woche zeigen, wie sich das Laden von E-Mobilen auf die Qualität des Energieversorgungsnetzes in Bezug auf Oberschwingungsströme und Neutralleiterbelastung auswirkt. Dabei sollte auf keinen Fall der Eindruck entstehen, dass hierbei der Ausbau der Elektromobilität negativ bewertet wird. Im Gegenteil sollte diese Studie zeigen: je früher Netzrückwirkungen erkannt werden, um so kostengünstiger und effektiver können diese verhindert und die E-Mobilität in ihrer Entwicklung positiv gesteigert werden. Die Tabelle in Bild 7 zeigt die Anschlussvarianten der gemessenen Fahrzeuge, die verwendete Norm zur Beurteilung der Stromharmonischen, die Angabe der Ladeleistung sowie den Verschiebungsfaktor cos ϕ, den Leistungsfaktor λ und ob die Anschlussbedingung nach den gültigen Normen erfüllt ist.

25 % der untersuchten Fahrzeuge erfüllten die Anschlussbedingungen nicht. Die Störaussendungen sind zu hoch, sodass parallel angeschlossene Endverbraucher in ihrer Funktion gestört werden können. Bei vier E-Mobilen ist zu erkennen, dass eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke mit kapazitiver Glättung ohne PFC eingesetzt wird. Bei einem E-Mobil wird zwar eine PFC eingesetzt, aber im Bereich der höherfrequenten Oberschwingungen werden die Grenzwerte der Norm nicht eingehalten. Bei 75 % der Fahrzeuge ist ein vorbildliches Ladeverhalten zu beobachten. Der Stromverlauf dieser Fahrzeuge weicht während der Ladevorgänge vom idealen Sinusverlauf nur noch minimal ab. Anhand der analysierten Messungen ist erkennbar, dass der Strom im Neutralleiter durch Oberschwingungen größer als der größte Strom im Außenleiter werden kann. Die erkannten Phänomene machen deutlich, dass nicht erst in naher Zukunft, sondern schon heute der Netzqualität in der Elektromobilität besondere Beachtung geschenkt werden muss. Je schneller die Netzrückwirkungen beim Laden von Elektrofahrzeugen erkannt werden, umso zügiger werden geeignete Lösungen zur Sicherung der Qualität des Energieversorgungsnetzes gefunden. (mh)

Formelzeichen und Abkürzungen
cos φ: Grundschwingungsleistungsfaktor; Verschiebungsfaktor
λ: Leistungsfaktor
φ: Phasenverschiebungswinkel
PWHD: gewichteter Verzerrungsfaktor, partial weighted harmonic distortion
THD: Verzerrungsfaktor, total harmonic distortion

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Autoren:
Timo Thomas , B. Eng., ist als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fachhochschule Bingen im Fachbereich 2, Elektrotechnik, tätig. t.thomas@fh-bingen.de

Prof. Dr.-Ing. Peter A. Plumhoff beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der elektrischen Energietechnik an der Fachhochschule Bingen. prof.dr.plumhoff@fh-bingen.de