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Aktive Harmonische Filter

23. August 2021

TDK verbessert Energiequalität in der Petro-Industrie

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In der Petro-Industrie kommen bei der Gewinnung und Förderung von Öl und Gas viele Frequenzumrichter für Pumpen und Kompressoren zum Einsatz, was zu einer großen Beaufschlagung des Netzes mit Oberschwingungen führt. Mit EPCOS PQSine® kann dieses Problem gelöst werden.

OMV Petrom ist das größte Energieunternehmen in Rumänien und Südosteuropa, mit Aktivitäten, die sich über die gesamte Energiewertschöpfungskette erstrecken: von Quellen, die Öl und Erdgas mit hervorragender Qualität liefern, bis zur Produktion von Kraft- und Brennstoffen sowie der Elektrizitätserzeugung. In Rumänien bewirtschaftet das Unternehmen aktuell über 200 Onshore- und Offshore-Öl- und Gasfelder, die teils schon länger ausgebeutet werden, oder auch erst in jüngster Zeit entdeckt wurden. Projekte, die die Energieeffizienz verbessern, sind bei OMV Petrom von besonderer Bedeutung. Daher werden regelmäßig Maßnahmen zur Modernisierung und Nachrüstung vorhandener Anlagen durchgeführt.

Eines der jüngsten Umrüstungsprogramme hat in OMV Petroms Produktionsbereich in Südmoldavien stattgefunden. Dabei wurden elektrische Schaltanlagen modernisiert um sowohl die Produktivität als auch die Energieeffizienz zu steigern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die elektrische Ausrüstung der Ölförderstellen auf modernste drehzahlveränderliche Antriebstechnologien umgestellt worden.

Am Ende des Umrüstungsprogramms waren alle rund 500 Pumpen an diesem Standort mit Frequenzumrichtern ausgestattet. Dadurch konnte zwar die Produktion und die Energieeffizienz gesteigert werden, gleichzeitig ergab sich jedoch ein neues Problem: Eine Nebenwirkung der umfassenden Installation von Frequenzumrichtern ist eine deutliche Zunahme von Verzerrungen und Oberschwingungen. Diese entstehen durch die nicht-linearen Eigenschaften von Leistungselektronik, z.B. Frequenzumrichtern, deren Stromaufnahme aus dem Netz nicht sinusförmig ist. Dies führt zu Anteilen mit höherer Frequenz, die der sinusförmigen Grundwelle überlagert werden (Abbildung 1).

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Abbildung 1:

Nicht-lineare Lasten wie Frequenzumrichter verursachen Verzerrungen und Oberschwingungen auf dem Netz.                                                                     

Wegen der vorherrschenden Netztopologie beschränkte sich die Verzerrung nicht nur auf das Niederspannungsnetz (LV), sondern erreichte auch die Mittelspannungsebene (MV). Messungen ergaben, dass der THD-I (Gesamt-Oberschwingungsverzerrung) im Mittelspannungsnetz zeitweise 30% überstieg.

Hohe Verzerrungen haben negative Auswirkungen auf die Netzqualität (PQ) und können zu unterschiedlichen Problemen führen. Am Standort von OMV Petrom waren diese hohen Verzerrungen die Ursache verschiedener Probleme, die auch die Produktivität beeinträchtigten:

  • Unerwünschtes, zufälliges Ansprechen der Leistungsschalter im 110/20/6-kV-Unterwerk, das den OMV Petrom Produktionsstandort sowie andere Kunden versorgt
  • Überhitzung der Leistungstransformatoren, Leistungskabel (einschl. Nullleiter) wegen der übermäßig hohen Ströme durch die Oberschwingungen
  • Funktionsstörungen empfindlicher Elektronikkomponenten durch unsaubere Versorgungsspannungen als Folge der Oberschwingungen im System
  • höhere Wirkleistungsverluste
  • Messfehler im Vier-Quadranten-System für Wirkleistung und Blindleistung

Wegen dieser bedeutenden PQ-Probleme entschloss man sich bei OMV Petrom, nach einer Lösung zu suchen. Hinter dieser Entscheidung stand das Interesse von OMV Petrom die Zuverlässigkeit und Effizienz ihrer Produktion zu verbessern, aber auch der geltende Netzkodex..

OMV Petrom vereinbarte mit Servelect – einem Consulting- und Ingenieurunternehmen auf dem Gebiet der Energieeffizienz – ein umfangreiches Programm zur Messung der Netzqualität. In diesem Programm wurde die Netzqualität aller rund 50 Transformatorstationen im Produktionsbereich „Independance“ unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Daten wurden später von Fachleuten von Servelect und TDK analysiert. Die zusammengefassten Ergebnisse der Analysen wurden schließlich in einem Messbericht präsentiert.

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Abbildung 2:

PQSine sorgt durch Einspeisung eines Ausgleichsstroms zur Kompensierung der Oberschwingungen, die durch nicht-lineare Lasten verursacht werden.

Nach ausführlicher Diskussion des Berichts und Identifizierung der wesentlichen Netzqualitätsprobleme wurden die erforderlichen Schritte unternommen, um bei den Behörden alle Genehmigungen für die Umsetzung des Projekts einzuholen.

Die von Servelect vorgeschlagene und vom regionalen Verteilnetzbetreiber genehmigte Lösung basiert auf der Unterdrückung von Oberschwingungen mit Hilfe aktiver harmonischer Filter (AHF). Ein Aktivfilter ist ein leistungselektronisches Gerät, das die Oberschwingungen ständig misst und dynamisch einen Ausgleichsstrom zur Auslöschung der Oberschwingungen einspeist. Für dieses Projekt setzte Servelect AHF-Standardeinheiten der EPCOS PQSine Serie ein und entwickelte eine kundenspezifische schlüsselfertige Lösung. Die Wirkungsweise von PQSine zeigt Abbildung 2.


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Abbildung 3:

Die aktiven harmonischen Filter der EPCOS Serie PQSine wurden in speziellen klimatisierten Schaltschränken untergebracht, um vor Umwelteinflüssen geschützt zu sein.

Anhand von Messungen und ausführlichen Simulationen ermittelte Servelect die optimalen Standorte für die Installation der Filtereinheiten. Als Auswahlkriterien wurde der Grad der harmonischen Verzerrung sowie die installierte Last herangezogen. Unter den 50 Transformatorstationen wurden die idealen Standorte für die AHF-Anlagen mit der Zielsetzung ausgewählt, das THD-Niveau im Mittelspannungsnetz zu senken.

Eine besondere Herausforderung bei diesem Projekt waren die Umgebungsbedingungen. Gewöhnlich werden Aktivfilter in einer Industrieumgebung in Innenräumen installiert. Bei einem Ölförderstandort sind die Bedingungen entsprechend sehr viel schwieriger, da die AHF-Schränke im Freien bei den Ölpumpen installiert werden mussten. Hierzu musste ein spezielles Gehäuse entwickelt werden, das die Einheiten vor externen Einflüssen wie Regen, Schnee und Staub schützt. Die klimatischen Bedingungen mit Temperaturen unter 0 °C im Winter und heißen Sommern machten außerdem die Installation eines Wärmetauschers zur Temperaturregelung erforderlich. (Abbildung 3)

Um die Auswirkungen auf die laufende Produktion so gering wie möglich zu halten, mussten sich alle beteiligten Partner für die Inbetriebnahme an enge Zeitvorgaben halten. Hauptaufgabe des Teams für die Inbetriebnahme waren der elektrische Anschluss der AHF-Schränke und die Überprüfung der wichtigsten Regelparameter mit Hilfe des in PQSine integrierten HMI (Human Machine Interface) (Abbildung 4).

Zur Systemeinrichtung mussten die Stromwandlerparameter eingegeben und die Betriebsart gewählt werden. Ein großer Vorteil der PQSine Systeme: Neben der Unterdrückung von Oberschwingungen können sie auch zur Blindleistungskompensation und zur Lastsymmetrierung eingesetzt werden.

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Abbildung 4:

Mit dem in PQSine integrierten HMI können Regelparameter eingestellt werden sowie Daten abgerufen werden. Deutlich zu erkennen: Dank PQSine konnte der THD-I-Wert auf den einzelnen Phasen auf Werte von nur noch 3,9% bis 4,4% gesenkt werden.                                                                                                                                                                                                                       

EPCOS PQSine reduziert THD-Werte drastisch

Zum ersten Mal wurde die Leistung der PQSine Einheiten bereits während der Inbetriebnahme überprüft. Der integrierte Netzanalysator zeigt verschiedene Parameter, die es dem Betreiber ermöglichen, die Systemleistung zu kontrollieren. Im Niederspannungsnetz, wo die Systeme installiert wurden, konnten die THD-I-Werte von bis zu 50% auf Werte im Bereich von 4% bis 10% gesenkt werden. Diese bedeutende Verbesserung der Netzqualität im Niederspannungsnetz hat auch dabei geholfen, die harmonischen Verzerrungen auf der Mittelspannungsebene zu senken und die spezifizierten Grenzwerte einzuhalten. Darüber hinaus konnten die negativen Auswirkungen einer schlechten Netzqualität weitgehend verringert oder sogar völlig beseitigt werden.

Der Einsatz aktiver harmonischer Filter beschränkt sich nicht nur auf diese besondere Situation. Sie können in allen Netzen eingesetzt werden, wo die Spannungsqualität durch eine hohe Oberschwingungsbelastung beeinträchtigt wird. Typische Anwendungen finden sich beispielsweise in industriellen Produktionsprozessen, der Öl- und Gasindustrie, Rechenzentren, Bürogebäuden, Einkaufszentren, Wasseraufbereitungsanlagen und im Bereich erneuerbare Energien.