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Modulares Prüflastnormal für Netzrückwirkungsmesssysteme

05.12.2019

Die elektromagnetische Verträglichkeit zwischen am Stromnetz betriebenen Komponenten gewinnt zukünftig immer mehr an Bedeutung. Die PTB hat sich in einem Forschungsvorhaben mit weiteren Projektpartnern das Ziel gesetzt, ein Prüflastnormal zur rückgeführten Kalibrierung von Netzrückwirkungssystemen zu entwickeln und aufzubauen.

 

Die Anzahl an Geräten mit leistungselektronischen Komponenten (wie z.B. Frequenzumrichter für Motorantriebe, elektronische Vorschaltgeräte in der Beleuchtungstechnik und auch Wechselrichter zur dezentralen Energieeinspeisung), die für den Wandel der Energieversorgung zwingend benötigt werden, nimmt immer weiter zu. Vor dem Inverkehrbringen dieser Geräte ist es daher erforderlich, ihre Auswirkungen auf das Stromnetz zu überprüfen. Zudem müssen die Geräte definierte Grenzwerte der jeweiligen Geräteklasseklasse einhalten, was ebenfalls geprüft wird.

Ein Messsystem, mit dem die Überprüfung der Einhaltung der Grenzwerte durchgeführt werden kann, besteht üblicherweise ausfolgenden Komponenten (siehe auch Bild 1):

  1. Leistungsquelle zur Versorgung des Prüflings
  2. Netznachbildung, mit der üblicherweise das Verteilnetz nachgebildet wird
  3. Messsystem zur Bestimmung der Netzrückwirkungen des Verbrauchers an dessen Anschlusspunkt

Die Netzrückwirkungsmesssysteme aus den oben genannten Komponenten müssen ihrerseits den Normen DIN EN 61000-3-2, -3-3, -3-11, -3-12 und DIN EN 61000-4-7, -4-15 entsprechen, wenn sie zur Konformitätsbewertung eingesetzt werden sollen.

Problematisch an diesen Messsystemen und den gewonnenen Messergebnissen ist, dass eine große Streuung zwischen unterschiedlichen aber normkonformen Systemen vorkommen kann. So ist es beispielsweise möglich, dass in Messungen beim Hersteller die normativen Grenzwerte eingehalten werden, Vergleichsmessungen von anderen Institutionen aber eine nicht unerhebliche Überschreitung der Grenzwerte zeigen. Es kann auch zu erheblichen Differenzen zwischen Messungen von unterschiedlichen Prüfinstituten kommen.

Die Ursache für diese Abweichungen liegt in der bisherigen Normung, die sich nur auf Teilkomponente des Netzrückwirkungsmesssystems und nicht auf das Gesamtsystem bezieht. Dabei führen die Toleranzen der Einzelkomponenten bei unterschiedlicher Kombination dazu, dass es zu nicht unerheblichen Messabweichungen bei der Messung der ausgesendeten Netzrückwirkungen kommt. Eine Verifikation eines Gesamtsystems ist bisher nicht vorgesehen.

Für eine Validierung solcher Messsysteme sind in der PTB sechs unterschiedliche Prüflasten entwickelt, aufgebaut und sukzessiv verbessert worden (siehe Bild 2). Diese ermöglichen es, Vergleichsmessungen im Bereich der Bestimmung von harmonischen Netzrückwirkungen sowie der Flickermessung durchzuführen. Durch die Vergleichbarkeit der Messungen und der Schaffung einer Kalibriermöglichkeit der Gesamtsysteme sollen zukünftig Messunterschiede vermieden, Sicherheit bei der Zulassung von neuen Elektrogeräten geschaffen und ein Beitrag zur Verbesserung der Netzqualität geleistet werden.

Prinzipieller Aufbau eines Netzrückwirkungsmesssystems

Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines Netzrückwirkungsmesssystems mit dem entwickelten Prüflastnormal, bestehend aus einem Poweranalyzer-Referenzmesssystem sowie einzelnen Prüflastmodulen

 

Harmonische Prüflast (HPL)

Bild 2: Eine Harmonische Prüflast (HPL) mit einem Netzrückwirkungsmesssystem (NRM) und einem Referenzmesssystem (REF) im Betrieb

Zur Verifikation des Referenzmesssystems in Verbindung mit den Prüflasten wurden Softwaremodelle entwickelt und die Messunsicherheit der Modellierung bestimmt. Die Unsicherheit zwischen der Simulation und den Hardwareaufbauen der Harmonischen Prüflasten betrugen bei allen ungeraden Harmonischen (bis zur 39.) weniger als 1 %. Analog zu den Harmonischen Prüflasten erfolgte der Aufbau von Flickerprüflasten.

Nach der Validierung der Messgenauigkeit der Prüflasten wurden Einflussfaktoren auf die Messergebnisse untersucht. Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die in der Norm DIN EN 61000-4-7 beschriebenen Grenzwerte für die Harmonische Störbelastung der Quelle des Netzrückwirkungsmesssystem bis zu 100 % Abweichung in den Messergebnissen des Prüflings bei der Bestimmung von Harmonischen Netzrückwirkungen möglich ist. Eine Abweichung bei der Netzimpedanz kann wiederum einen großen Messfehler bei der Flicker-Messung verursachen. Auf Basis dieser Untersuchungen wird daher angeraten, Netzrückwirkungsmesssysteme als Einheit zu prüfen und einzumessen, um erhebliche Messunterschiede durch die Zusammenstellung der Einzelgeräte bei den Messungen auszuschließen.

 

 

Ansprechpartner:
Dr. Florian Schilling
Fachbereich Elektrische Energiemesstechnik
Ying Su
Fachbereich Elektrische Energiemesstechnik