Blindleistungskompensation

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Bei der Blindleistungskompensation (oder auch Blindstromkompensation genannt) wird in Wechselspannungsnetzen der Blindstrom und die damit verbundene Blindleistung von Verbrauchern (Verbrauchsmittel) reduziert.

Blindleistung wird zur Erzeugung elektromagnetischer Felder benötigt. Da sich diese Felder aber kontinuierlich auf- und wieder abbauen, pendelt die Blindleistung nur zwischen Erzeuger und Verbrauchsmittel. Sie kann im Gegensatz zur Wirkleistung nicht genutzt, d.h. in eine andere Energieform umgewandelt werden und belastet somit das Stromversorgungsnetz und die Erzeugeranlagen (Generatoren und Transformatoren). Andersherum betrachtet, müssten alle Anlagen für die Bereitstellung des Blindstromes größer ausgelegt werden.

Daher wird am Verbraucher die entstehende induktive Blindleistung durch eine entgegenwirkende kapazitive Blindleistung von möglichst gleicher Größe reduziert. Diesen Vorgang nennt man kompensieren. Bei der Kompensation verringert sich der Anteil der Blindleistung im Netz um die Blindleistung des Kompensationskondensators oder der Kompensationsanlage. Die Erzeugeranlagen und Energieübertragungseinrichtungen werden damit entlastet.

[Bearbeiten] Theoretische Betrachtung

Blindleistungskompensation in der Gaussschen Ebene

Im technischen Bereich sind elektrische Verbrauchsmittel meist ohmsch-induktiv, d.h. in den Verbrauchern überwiegt die Wirkung eines magnetischen Feldes und es wird induktive Blindleistung verbraucht, daher erfolgt eine Blindleistungskompensation durch Parallelschalten von Kapazitäten, die ihrerseits kapazitive Blindleistung benötigen. Eine Reihenschaltung mit dem Verbrauchsmittel ist nicht ratsam, da so ein Reihenschwingkreis entstehen würde, der nahe seiner Resonanzfrequenz betrieben wird. Die folgende Betrachtung bezieht sich ferner auf Verbrauchsmittel mit rein sinusförmiger und daher oberschwingungsfreier Stromaufnahme:

Durch die Kompensationsanlage pendelt die Blindleistung zum großen Teil zwischen Verbrauchsmittel und Kompensationsanlage. Das Versorgungsnetz wird weniger belastet.

Die für die Belastung des Versorgungsnetzes maßgebliche Größe der Scheinleistung S ist die geometrische Summe aus Wirk (P) - und Blindleistung (Q).

$\underline S = P_{gesamt} + j(Q_{gesamt})$

$S = \sqrt {P^2 + Q^2}$

Die Gesamtblindleistung setzt sich aus induktiven und kapazitiven Blindleistungen des Verbrauchers zusammen, da die kapazitive Blindleistung jedoch per Definition negativ ist, kann die Gesamtblindleistung geringer sein, als die Beträge der einzelnen Blindleistungen.

$Q_{gesamt} = \ Q_L \ + Q_C$

Der Blindleistungsanteil wird in der Regel auf einen Leistungsfaktor $λ$ , der in diesem Fall gleich $\cos \varphi$ ist, von etwa

$\cos \varphi = 0,85 - 0,95$ (induktiv)

kompensiert. Bei Motorenanlagen mit Asynchronmaschinen besteht ansonsten die Gefahr der Selbsterregung, wenn die Blindleistung vollständig kompensiert wird. Bei Selbsterregung wird der Motor mit dem Abklemmen der Stromversorgung zum Generator, und es können gefährliche Überspannungen entstehen. Dieser Fall wird auch als Resonanzfall bezeichnet.

Ein anderer Ansatz geht über den Weg, die komplexe Verbraucherimpedanz $\underline{Z}$ durch Hinzufügen einer Reaktanz rein Reell zu machen, sodass gilt: $\operatorname{Im}\{\underline{Z}\}=0$ . Über diese Bedingung lässt sich dann auch die Dimensionierung des entsprechenden Kompensationsbauteils in Form einer homogenen Gleichung errechnen.

Eine vollständige Kompensation ist ferner aufgrund der schwankenden Belastung eines Verbrauchsmittels häufig nicht mit einfachen Kondensatoren oder Spulen durchführbar. Für diesen Zweck werden aktive Leistungsfaktorkorrekturglieder oder sog. "Netzmanagementsysteme" verwendet, die jederzeit die benötigte Menge Blindleistung zur Verfügung stellen.

Bei besonders großen Mengen Blindleistung in Energieversorgungssystemen werden vereinzelt Blindleistungsgeneratoren verwendet. Dies sind Synchrongeneratoren, welche je nach Erregerzustand induktive oder kapazitive Blindleistung abgeben können. Solche Blindleistungsgeneratoren bezeichnet man auch als rotierende Phasenschieber oder als Synchronphasenschieber.

Atueller Stand der Technik ist allerdings der Einsatz von statischen Blindleistungskompensatoren. Dies sind Kombinationen aus Kapazitäten und Induktivitäten die parallel zur zu kompensierenden Last, bzw. zum zu kompensierenden Netzabschnitt angeordnet sind. Dabei wird durch Thyristorventile der Stromfluss in den einzelnen Komponenten geregelt und somit der Grad der Blindleistungskompensation. Gegenüber dem rotierenden Phasenschieber hat dies den Vorteil, dass kein Verschleiß der Anlage stattfindet, außerdem ist durch einen statischen Kompensator ein weitaus schnelleres und dynamischeres reagieren auf Lastschwankungen möglich.

[Bearbeiten] Blindleistung bei Oberschwingungen

Obige Beziehungen gelten nur bei sinusförmigem Verlauf der Spannungen und Ströme, was im allgemeinen nur bei linearen Netzwerken der Fall ist. Sind in einer Schaltung nichtlineare Bauteile wie beispielsweise magnetisch sättigende Induktivitäten oder Netzteile mit Gleichrichtern vorhanden, ist der Leistungsfaktor nicht gleich dem $\cos(\varphi)$ und es tritt zusätzlich zur Blindleistung Q der Grundschwingung eine so genannte Verzerrungsblindleistung D auf, welche die Blindleistungsanteile der Oberschwingungen beschreibt. Die Scheinleistung S wird daher im allgemeinen Fall festgelegt als:

$S = \sqrt {P^2 + Q^2 + D^2}$

Die Scheinleistung der Grundschwingung wird hingegen als $S_1 = \sqrt {P^2 + Q^2}$ ausgedrückt. Der Leistungsfaktor $λ$ definiert sich allgemein als Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung und bezieht daher die Oberschwingungen mit ein:

$\lambda = \frac{P}{S}$

$\cos(\varphi)$ hingegen wird weiterhin nur auf die Grundschwingung bezogen:

$\cos(\varphi) = \frac{P}{S_1}$

Nur im Fall sinusförmiger Wechselspannungen und Wechselströme ist der Leistungsfaktor $λ$ gleich dem $\cos(\varphi)$ .

[Bearbeiten] Nutzen

Der Nutzen einer Blindstromkompensation wird dem Verbraucher und dem Energieversorgungsunternehmen zu Teil. Für das Energieversorgungsunternehmen reduziert sich durch die Kompensation die Belastung der Netze, so dass Kapazitäten eingespart bzw. nicht erweitert werden müssen. Um diesen Effekt beim Verbraucher zu erreichen, wird in der Stromrechnung (Sondervertragskunden) die Blindmehrarbeit berechnet. Es besteht deshalb ein monetärer Anreiz diese innerhalb gewisser Grenzen (z. B. $0,9 < \cos(\varphi) < 1$ ) zu halten. Betreibt der Verbraucher eine funktionierende Blindstromkompensationsanlage, so entfallen im Idealfall sämtliche Mehrkosten aufgrund von Blindleistung.

[Bearbeiten] Tonfrequenzsperren

Bei Anwendung der Blindstromkompensation in einem Netz mit Rundsteueranlage kann der Einsatz von Tonfrequenzsperren notwendig werden, um ein Absaugen der niederfrequenten Rundsteuersignale aus dem Netz durch die Kompensationsanlage zu verhindern.