Energy Harvesting und Lastflussmessung in Verteilnetzstationen mittels Stromwandler

Abstract

Die wachsenden Herausforderungen durch erneuerbare und dezentrale Energieerzeuger sowie der Elektromobilit ät verlangen einen Wandel des klassischen Netzbetriebes hin zu einem Smart Grid, welches die Produktion, Verteilung und Speicherung der elektrischen Energie steuern und optimieren kann. Da heute jedoch noch zahlreiche Verteilnetzstationen ohne vorinstallierter Messsensorik existieren, entsteht der Bedarf nach einem nachr üstbaren Sensorsystem f ür bestehende Netzstationen. Dazu wird auf der Basis eines Stromwandlers ein autarker, nicht invasiver und drahtloser Sensor entworfen, welcher nachtr äglich an den einzelnen Abg ängen einer Ortsnetzstation angebracht werden kann. Dieser n ützt einen einzelnen Stromwandler sowohl zur Energiegewinnung f ür den eigenen Betrieb als auch f ür die Strommessung an der jeweiligen Leitung und sendet die Messdaten anschließend an eine Kontrolleinheit. In dieser Arbeit wird daher zun ächst das elektrische und magnetische Verhalten eines Stromwandlers zusammengefasst und ein realit ätsnahes Simulationsmodell eines 60/1 Wandlers in dem Programm LTSpice® erstellt. Aufbauend darauf wird in der Simulationsumgebung eine analoge Schaltung entworfen, welche mittels eines Stromwandlers periodisch zun ächst Energie in einem Superkondensator speichert und anschließend in einen Messmodus wechselt, in welchem eine stabile Versorgungsspannung und ein korrektes Messsignal verf ügbar sind. Die vorgestellten L ösungen garantieren eine fehlerfrei Funktion ohne die Notwendigkeit einer Batterie oder anderen Reserve-Energiequelle. Dabei wird die Messgenauigkeit des Sensors durch die zus ätzliche Schaltung nur sehr geringf ügig verschlechtert und ist weiterhin haupts ächlich von der Genauigkeitsklasse des Stromwandlers abh ängig. In der Arbeit werden zwei verschiedene Ans ätze gezeigt, die einen korrekten Betrieb des Sensors im Bereich von 13% bis 100% bzw. 22% bis 100% Nennstrom des verwendeten 60/1 Stromwandlers erm öglichen. Als begrenzender Faktor bei der Dimensionierung der Schaltung bzw. der Adaption auf andere Stromwandler stellt sich vor allem die entstehende Verlustleistung heraus. Ein abschließender Vergleich der entworfenen Schaltungen in LTSpice® mit einem realen Prototypen verifiziert die gew ünschte Funktion der Harvesting- und Messschaltung.

The growing challenges posed by renewable and decentralized energy producers as well as electromobility call for a change from the traditional grid operation to a smart grid that can control and optimize the production, distribution and storage of electrical energy. However, since there are still numerous distribution substations without pre-installed measurement sensors, there is a demand for a retrofittable sensor system for existing stations. For this purpose, an autonomous, non-invasive and wireless sensor is designed on the basis of a current transformer, which can be retrofitted to the individual outlets of a distribution substation. The sensor uses a single current transformer both for energy harvesting and for current measurement on the respective line and sends the measurement data to a control unit. In this work the electrical and magnetic behavior of a current transformer is first summarized and a realistic simulation model of a 60/1 transformer is then created for the simulation program LTSpice®. Based on this an analog circuit is designed in the simulation environment, which periodically harvests energy using the current transformer, stores it in a supercapacitor and subsequently changes to a measuring mode in which a stable supply voltage and a correct measuring signal are available. The presented solutions guarantee a faultless function without the need for a battery or other backup energy sources. The affect of the additional circuit on the measurement accuracy only leads to minor defects and the total measurement error still mainly dependents on the precision class of the current transformer. In this work, two different approaches are shown which allow a correct operation of the sensor in the range of 13% to 100% and 22% to 100% of the rated current of the used 60/1 current transformer. It turns out that the resulting power dissipation is a limiting factor for the dimensioning of the circuit and the adaptation to other current transformers. A final comparison of the designed circuits in LTSpice® with a real prototype verifies the desired function of the harvesting and measurement circuit.