Wie Industriebetriebe in Zukunft vor Spannungsstörungen geschützt werden können

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Kassel – Spannungsstörungen in Stromnetzen können insbesondere bei Produktionsanlagen mit empfindlichen Steuerungskomponenten zu Unterbrechungen oder Ausfällen führen. Damit das in Zukunft verhindert wird, hat ein Konsortium eine skalierbare Netzstabilisierung auf Mittelspannungsebene entwickelt. Das System steht vor der Umsetzung in die Serienreife.

In dem Verbundprojekt „Netz-Patron“ haben Forschende neue Anlagen und Komponenten zur aktiven Kompensation von Oberschwingungen in Industrienetzen entwickelt. Das Fraunhofer IEE hat die Funktion und Wirksamkeit der neuen Einheiten in seinem Testzentrum SysTec getestet und bestätigt.

Entwicklung eines Komponentenbaukastens zum Schutz von Industrieanlagen
Der Kurztitel »Netz-Patron« des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWI geförderten Projekts steht für „Netzstabilisierung auf Mittelspannungsebene – Entwicklung einer uneingeschränkt skalierbaren Netzkopplungstechnologie zum Schutz von Industriebetrieben vor Spannungsstörungen aus dem Netz bei gleichzeitiger Stabilisierung des Netzes“ (FKZ 03ET7555E).

In dem Projekt haben die Forscher ein modulares System entwickelt, das aus einem aktiven Filter für die Kompensation von Oberschwingungen, einen Spannungsstabilisator, einen skalierbaren Pufferkondensator mit doppelter Energiedichte sowie ein übergeordnetes Energiemanagementsystem (Netz-Patron-Hub) zur kontinuierlichen Überwachung, Bewertung und dynamischen Parametrierung des Netz-Patron-Systems besteht. Die zusätzliche Skalierbarkeit des Komponentenbaukastens ermöglicht es, trotz unterschiedlicher Anforderungen in Industrieumgebungen entsprechend wirksame Entkopplungslösungen gegenüber dem Stromversorgungsnetz zu realisieren.

Die verschiedenen Schutz-Komponenten im Überblick
Ein von der Firma Schäfer Elektronik GmbH entwickelte Aktiv-Filter soll schwerpunktmäßig Oberschwingungsströme der 5., 7. 11. und 13. Ordnung kompensieren. Die Kompensationswirkung konnte im Labor bis zur 23. Ordnung nachgewiesen werden. Von der Firma Condensator Dominit GmbH wurde zum Schutz vor Spannungseinbrüchen ein Spannungshalter entwickelt, der eine Spannungsdifferenz von ca. 30% Unenn ausgleichen kann und darüber hinaus eine Reaktionszeit von bis zu 8 Millisekunden. Eine schnelle Reaktionszeit ist in Industriegebieten nötig, um sensitive Lasten, wie Steuerungselemente, mit einer stabilen Netzspannung versorgen zu können.

Ein weiteres Modul ist der von der Firma FTCAP GmbH entwickelte Pufferkondensator, der bis zu einer Speicherkapazität von 0,86 Farad (F) bei 900 Volt DC in einen industrietypischen 19‘‘-Schrank passt. Dabei wurden neben optimierten Folien nach konventionellem Aufbau auch tunnelgeätzte Folien als Basismaterial für Kondensatoren im Stapelbau untersucht, um eine Verdopplung der Energiedichte zu erreichen. Der Kondensator dient als Energiespeicher für den Spannungsstabilisator. Bei einem Spannungseinbruch entnimmt der Spannungsstabilisator die Energie aus dem Kondensator und nicht aus dem Netz, so dass das Netz im Fehlerfall nicht zusätzlich belastet wird.

Das zentrale Energiemanagementsystem „Netz-Patron-Hub“
Das Steinbeis Transferzentrum Energie und EMV entwickelte im Rahmen des Projektes ein übergeordnetes Energiemanagementsystem (Netz-Patron-Hub) zur kontinuierlichen Überwachung, Bewertung und dynamischen Parametrierung des Netz-Patrons. Hier können anlageninternen Komponenten, aber auch bereits in Kundenanlagen vorhandene Infrastruktur und Datenquellen (PQ-Sensoren, PQ-Aktoren) integriert werden. Als zentraler Zugriffspunkt und Datenspeicher dient der Netz-Patron-Hub darüber hinaus als Koppelelement für Drittsysteme und ermöglicht unter anderem die Fernwartung / Remotezugriff als auch die Bereitstellung weiterer angeschlossener Dienstleistungen der Projektpartner.

Als nächstes sollen die einzelnen Komponenten zur Serienreife entwickelt werden, die durch Verwendung mehrerer Module beliebig skaliert werden können.

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