Stromqualität

Die Qualität elektrischer Energie beschreibt, inwieweit Spannung, Frequenz und Wellenform eines Stromversorgungssystems den festgelegten Spezifikationen entsprechen. Gute Energiequalität zeichnet sich durch eine stabile Versorgungsspannung innerhalb des vorgegebenen Bereichs, eine stabile Wechselstromfrequenz nahe dem Nennwert und eine gleichmäßige Spannungskurve (ähnlich einer Sinuswelle ) aus. Generell lässt sich Energiequalität als die Kompatibilität zwischen der Spannung aus der Steckdose und dem angeschlossenen Verbraucher verstehen. ^{[ 1 ]} Der Begriff beschreibt die elektrische Energie, die einen elektrischen Verbraucher versorgt , und dessen Fähigkeit, ordnungsgemäß zu funktionieren. Ohne die richtige Energie kann ein elektrisches Gerät (oder ein Verbraucher) Fehlfunktionen aufweisen, vorzeitig ausfallen oder gar nicht funktionieren. Es gibt viele Gründe für schlechte Energiequalität und noch viel mehr Ursachen dafür.

Die Elektrizitätswirtschaft umfasst die Stromerzeugung ( Wechselstrom ), die Stromübertragung und schließlich die Stromverteilung bis zum Stromzähler beim Endverbraucher. Der Strom fließt dann durch das Leitungssystem des Endverbrauchers bis zum Verbraucher. Die Komplexität des Systems, das den Transport elektrischer Energie vom Erzeugungs- zum Verbrauchsort umfasst, sowie Schwankungen durch Wetter, Erzeugung, Nachfrage und andere Faktoren bergen zahlreiche Risiken für die Versorgungsqualität.

Obwohl „Stromqualität“ für viele ein praktischer Begriff ist, beschreibt er eigentlich die Qualität der Spannung – und nicht die Leistung oder den elektrischen Strom . Leistung ist schlicht der Energiefluss, und der von einem Verbraucher benötigte Strom ist weitgehend unkontrollierbar.

Die Qualität elektrischer Energie kann als eine Reihe von Parameterwerten beschrieben werden, wie zum Beispiel:

• Kontinuität der Stromversorgung (ob die elektrische Energie Spannungseinbrüchen oder -überspannungen unterhalb oder oberhalb eines Schwellenwerts unterliegt und dadurch Stromausfälle oder Spannungsschwankungen verursacht ^{[ 2 ]} )
• Schwankungen der Spannungsamplitude (siehe unten)
• Transiente Spannungen und Ströme
• Oberwellengehalt in den Wellenformen von Wechselstrom

Es ist oft hilfreich, die Stromqualität als Kompatibilitätsproblem zu betrachten : Ist das an das Netz angeschlossene Gerät mit den Ereignissen im Netz kompatibel, und ist der vom Netz gelieferte Strom, einschließlich der Ereignisse, mit dem angeschlossenen Gerät kompatibel? Kompatibilitätsprobleme haben immer mindestens zwei Lösungen: in diesem Fall entweder die Stromqualität zu verbessern oder die Geräte widerstandsfähiger zu machen.

Die Toleranz von Datenverarbeitungsgeräten gegenüber Spannungsschwankungen wird häufig durch die CBEMA-Kurve charakterisiert , welche die Dauer und das Ausmaß der tolerierbaren Spannungsschwankungen angibt. ^{[ 3 ]}

Im Idealfall wird die Wechselspannung von einem Energieversorger als sinusförmige Wechselspannung mit einer durch nationale Normen (im Falle des Stromnetzes ) oder Systemvorgaben (im Falle einer nicht direkt an das Stromnetz angeschlossenen Stromversorgung) vorgegebenen Amplitude und Frequenz und einer Impedanz von null Ohm bei allen Frequenzen geliefert .

Keine reale Stromquelle ist ideal und kann im Allgemeinen in mindestens folgender Hinsicht abweichen:

• Schwankungen der Spitzenspannung bzw. der Effektivspannung (RMS) sind für verschiedene Gerätetypen gleichermaßen wichtig.
• Wenn die Effektivspannung die Nennspannung für 0,5 Zyklen bis 1 Minute um 10 bis 80 % überschreitet, wird dieses Ereignis als „Spannungserhöhung“ bezeichnet.
• Ein „Dip“ (im britischen Englisch) bzw. ein „Sag“ (im amerikanischen Englisch; die beiden Begriffe sind gleichbedeutend) ist die gegenteilige Situation: Die Effektivspannung liegt für 0,5 Zyklen bis 1 Minute um 10 bis 90 % unter der Nennspannung.
• Zufällige oder wiederholte Schwankungen der Effektivspannung zwischen 90 und 110 % des Nennwerts können bei Beleuchtungsanlagen ein Phänomen namens „ Flimmern “ hervorrufen. Flimmern bezeichnet schnelle, sichtbare Änderungen der Lichtstärke. Die Definition der Eigenschaften von Spannungsschwankungen, die zu störendem Lichtflimmern führen, ist Gegenstand laufender Forschung.
• Plötzliche, sehr kurze Spannungsanstiege, sogenannte „ Spitzen “, „Impulse“ oder „Überspannungen“, werden im Allgemeinen durch das Einschalten großer induktiver Lasten oder, noch schwerwiegender, durch Blitzeinschläge verursacht .
• Unterspannung tritt auf, wenn die Nennspannung für mehr als eine Minute unter 90 % fällt. ^{[ 4 ]} Der Begriff „Brownout“ beschreibt treffend Spannungsabfälle zwischen voller Leistung (helles Licht) und einem Stromausfall (kein Strom, kein Licht). Er entsteht durch das spürbare bis deutliche Dimmen von Glühlampen bei Systemfehlern oder Überlastung, wenn nicht genügend Leistung für die volle Helligkeit der Haushaltsbeleuchtung zur Verfügung steht. Obwohl dieser Begriff gebräuchlich ist und keine formale Definition besitzt, wird er typischerweise verwendet, um eine Reduzierung der Systemspannung durch den Energieversorger oder Netzbetreiber zu beschreiben, um die Nachfrage zu senken oder die Betriebsmargen des Systems zu erhöhen.
• Eine „ Überspannung “ tritt auf, wenn die Nennspannung länger als eine Minute über 110 % ansteigt. ^{[ 4 ]}

• Frequenzschwankungen .​
• Nichtverschwindende Niederfrequenzimpedanz ( wenn eine Last mehr Leistung aufnimmt, sinkt die Spannung).
• Nichtverschwindende Hochfrequenzimpedanz (wenn eine Last eine große Strommenge benötigt und dann plötzlich aufhört, diese zu benötigen, kommt es aufgrund der Induktivitäten in der Stromversorgungsleitung zu einem Einbruch oder einer Spitze in der Spannung).
• Variationen in der Wellenform – üblicherweise als Harmonische bei niedrigeren Frequenzen (üblicherweise unter 3 kHz) und als Gleichtaktverzerrung oder Zwischenharmonische bei höheren Frequenzen beschrieben.

• Die Schwingung von Spannung und Strom folgt idealerweise der Form einer Sinus- oder Kosinusfunktion, kann sich jedoch aufgrund von Unvollkommenheiten in den Generatoren oder Lasten ändern.
• Typischerweise verursachen Generatoren Spannungsverzerrungen und Lasten Stromverzerrungen. Diese Verzerrungen treten als Schwingungen auf, die schneller als die Nennfrequenz sind, und werden als Oberschwingungen bezeichnet.
• Der relative Beitrag der Oberwellen zur Verzerrung der idealen Wellenform wird als Gesamtklirrfaktor (THD) bezeichnet.
• Ein niedriger Oberwellengehalt in einer Wellenform ist ideal, da Oberwellen Vibrationen, Brummen, Geräteverzerrungen sowie Verluste und Überhitzung in Transformatoren verursachen können.

Jedes dieser Probleme mit der Stromqualität hat eine andere Ursache. Manche Probleme entstehen durch die gemeinsam genutzte Infrastruktur. Beispielsweise kann ein Netzfehler einen Spannungseinbruch verursachen, der einige Kunden betrifft; je höher der Fehlergrad, desto mehr Kunden sind betroffen. Ein Problem beim Kunden kann eine transiente Störung auslösen, die alle anderen Kunden im selben Teilsystem beeinträchtigt. Probleme wie Oberschwingungen entstehen in der Kundeninstallation und können sich im Netz ausbreiten und andere Kunden beeinträchtigen. Oberschwingungsprobleme lassen sich durch eine Kombination aus bewährten Planungspraktiken und zuverlässigen Reduktionsgeräten beheben.

Bei der Stromaufbereitung wird der Strom so verändert, dass seine Qualität verbessert wird.

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) kann die Netzstromversorgung bei kurzzeitigen Störungen unterbrechen . Günstigere USV-Geräte erzeugen jedoch selbst Strom minderer Qualität, vergleichbar mit der Überlagerung einer Sinuswelle mit einer höherfrequenten Rechteckwelle geringerer Amplitude . Hochwertige USV-Geräte nutzen eine Doppelwandler-Topologie, die den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, die Batterien lädt und anschließend wieder eine Wechselstrom-Sinuswelle erzeugt. Diese erzeugte Sinuswelle ist von höherer Qualität als der ursprüngliche Wechselstrom. ^{[ 5 ]}

Zur Kompensation von Spannungseinbrüchen in Reihe werden ein dynamischer Spannungsregler (DVR) und ein statischer synchroner Serienkompensator (SSSC) eingesetzt.

Ein Überspannungsschutz oder ein einfacher Kondensator oder Varistor kann vor den meisten Überspannungszuständen schützen, während ein Blitzableiter vor starken Spannungsspitzen schützt.

Elektronische Filter können Oberwellen entfernen.

Moderne Systeme nutzen Sensoren, sogenannte Phasor-Messeinheiten (PMU), die im gesamten Netz verteilt sind, um die Stromqualität zu überwachen und in manchen Fällen automatisch darauf zu reagieren. Durch die Nutzung solcher intelligenter Stromnetze mit ihren Funktionen zur schnellen Erfassung und automatischen Selbstbehebung von Netzanomalien wird eine höhere Stromqualität und weniger Ausfallzeiten ermöglicht. Gleichzeitig wird die Stromversorgung aus intermittierenden Energiequellen und dezentraler Erzeugung unterstützt , deren Einspeisung die Stromqualität beeinträchtigen würde, wenn sie nicht kontrolliert würde.

Ein Algorithmus zur Analyse der Stromqualität dient der Verbesserung der Netzqualität. Um eine qualitativ hochwertige Stromversorgung zu gewährleisten, ist die Überwachung der Qualität der elektrischen Signale, auch Netzqualität (PQ) genannt, an verschiedenen Stellen im Stromnetz unerlässlich . Energieversorgungsunternehmen überwachen kontinuierlich Wellenformen und Ströme an verschiedenen Netzpunkten, um die Ursachen unvorhergesehener Ereignisse wie Stromausfälle zu ermitteln . Dies ist besonders wichtig an Standorten, an denen Umwelt und öffentliche Sicherheit gefährdet sind (z. B. Krankenhäuser, Kläranlagen, Bergwerke).

Ingenieure verwenden viele verschiedene Messgeräte ^{[ 6 ]} , die elektrische Leistungswellenformen erfassen und anzeigen sowie Parameter dieser Wellenformen berechnen. Sie messen beispielsweise:

• Effektivwert von Strom und Spannung
• Phasenbeziehung zwischen den Wellenformen eines mehrphasigen Signals
• Leistungsfaktor
• Frequenz
• Gesamtklirrfaktor (THD)
• Wirkleistung (kW)
• reactive power (kVAr)
• apparent power (kVA)
• active energy (kWh)
• reactive energy (kVArh)
• apparent energy (kVAh)
• and many more

In order to sufficiently monitor unforeseen events, Ribeiro et al.^[7] explains that it is not enough to display these parameters, but to also capture voltage waveform data at all times. This is impracticable due to the large amount of data involved, causing what is known the “bottle effect”. For instance, at a sampling rate of 32 samples per cycle, 1,920 samples are collected per second. For three-phase meters that measure both voltage and current waveforms, the data is 6–8 times as much. More practical solutions developed in recent years store data only when an event occurs (for example, when high levels of power system harmonics are detected) or alternatively to store the RMS value of the electrical signals.^[8] This data, however, is not always sufficient to determine the exact nature of problems.

Nisenblat et al.^[9] proposes the idea of power quality compression algorithm (similar to lossy compression methods) that enables meters to continuously store the waveform of one or more power signals, regardless whether or not an event of interest was identified. This algorithm referred to as PQZip empowers a processor with a memory that is sufficient to store the waveform, under normal power conditions, over a long period of time, of at least a month, two months or even a year. The compression is performed in real time, as the signals are acquired; it calculates a compression decision before all the compressed data is received. For instance should one parameter remain constant, and various others fluctuate, the compression decision retains only what is relevant from the constant data, and retains all the fluctuation data. It then decomposes the waveform of the power signal of numerous components, over various periods of the waveform. It concludes the process by compressing the values of at least some of these components over different periods, separately. This real time compression algorithm, performed independent of the sampling, prevents data gaps and has a typical 1000:1 compression ratio.

Eine typische Funktion eines Leistungsanalysators ist die Erstellung eines Datenarchivs, das über ein bestimmtes Intervall aggregiert wird. Üblicherweise werden Intervalle von 10 oder 1 Minute verwendet, wie in den IEC/IEEE-PQ-Normen festgelegt. Während des Betriebs eines solchen Geräts entstehen erhebliche Archivgrößen. Wie Kraus et al. ^{[ 10 ]} gezeigt haben, kann die Kompressionsrate solcher Archive mithilfe des Lempel-Ziv-Markov-Ketten-Algorithmus , bzip oder ähnlicher verlustfreier Kompressionsalgorithmen signifikant sein. Durch die Verwendung von Vorhersagen und Modellen auf Basis der gespeicherten Zeitreihen im tatsächlichen Netzqualitätsarchiv lässt sich die Effizienz der nachträglichen Komprimierung in der Regel weiter verbessern. Diese Kombination einfacher Techniken führt zu Einsparungen sowohl beim Datenspeichern als auch bei der Datenerfassung.

Die Qualität des gelieferten Stroms ist in internationalen Normen und deren nationalen Ableitungen festgelegt, die von verschiedenen Ländern übernommen werden:

EN50160 ist die europäische Norm für die Netzqualität, die die zulässigen Verzerrungsgrenzen für die verschiedenen Parameter festlegt, welche die Spannung in Wechselstromnetzen definieren.

IEEE-519 ist die nordamerikanische Richtlinie für Stromversorgungssysteme. Sie ist als „empfohlene Vorgehensweise“ ^{[ 11 ]} definiert und bezieht sich im Gegensatz zu EN50160 sowohl auf Stromverzerrungen als auch auf Spannungen.

IEC 61000-4-30 ist die Norm, die Methoden zur Überwachung der Netzqualität definiert. Die dritte Ausgabe (2015) umfasst im Gegensatz zu früheren Ausgaben, die sich ausschließlich auf Spannungsmessungen bezogen, auch Strommessungen.

• Dynamische Spannungswiederherstellung
• Schneller Spannungswechsel