Welche Rolle spielt der SVG bei der Blindleistungskompensation von Stromversorgungssystemen?

So funktioniert SVG: Grundlegendes Funktionsprinzip und Regelung der Blindstromleistung

Statische Blindleistungs-Generatoren (SVGs) arbeiten bei der Blindleistungsregelung anders als herkömmliche Verfahren. Diese Geräte nutzen Halbleiterkomponenten, sogenannte IGBTs, um Blindstrom (gemessen in VAR) entweder zu erzeugen oder aufzunehmen – ohne mechanisch bewegte Teile. Die zugrunde liegende Methode ist tatsächlich recht raffiniert: Mithilfe einer sogenannten Pulsweitenmodulation erzeugen sie gegenläufige elektrische Ströme. Bei induktiven Lasten, die eine Phasenverzögerung verursachen, speist der SVG einen kapazitiven Strom ein, um dies auszugleichen. Bei kapazitiven Lasten, die andere Probleme hervorrufen, verhält er sich entsprechend umgekehrt. Der gesamte Vorgang erfolgt zudem äußerst schnell und ermöglicht es, innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde nahezu einen idealen Leistungsfaktor zu erreichen.

IGBT-basierte Spannungsquellenumrichtung zur sofortigen Blindleistungserzeugung

Die zentrale Innovation ist die IGBT-Spannungsquellen-Wandler-Architektur. Durch schnelles Schalten der Gleichspannung der Zwischenkreisspannung mittels antiparalleler IGBT-Paare werden dreiphasige Wechselstromwellenformen präzise mit einer Phasenverschiebung von 90° gegenüber der Netzspannung erzeugt – was eine präzise, kontinuierliche Regelung der Blindleistungsabgabe ermöglicht, die proportional zur Systemspannung ist. Zu den wesentlichen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Lösungen zählen:

• Ausschaltung der Gefahr von harmonischen Resonanzen, wie sie bei Kondensatorbänken grundsätzlich auftreten
• Nahtlose, stufenlose Einstellung über den gesamten kapazitiven bis induktiven Bereich
• Stromausgang unabhängig von der Spannung – im Gegensatz zu thyristorgesteuerten SVCs

Dynamische Reaktionszeit im Submillisekundenbereich im Vergleich zu den Beschränkungen mechanischer Schalter

SVGs reagieren innerhalb von 1–5 Millisekunden – also 100–300-mal schneller als thyristorgeschaltete Kondensatoren (300–500 ms) und um Größenordnungen schneller als mechanische Schalter, die aufgrund der physikalischen Kontaktbewegung und der Wiederzündungsbeschränkungen Verzögerungen von 20–40 Netzzyklen aufweisen. Diese unterzyklische Geschwindigkeit ist entscheidend für:

• Vermeidung des Spannungszusammenbruchs beim Anfahren von Motoren oder beim Ausfall von Generatoren
• Minderung von Spannungsschwankungen (Flicker) bei Lichtbogenofen- und Schweißanwendungen
• Stabilisierung der Spannung bei schnellen Schwankungen der Solarenergie- bzw. Windenergieerzeugung

Entscheidend ist, dass statische Spannungsregler (SVG) nahtlos zwischen kapazitiver und induktiver Betriebsart wechseln – und dabei während des Fehlerdurchlaufverhaltens (FRT) ununterbrochen reaktive Leistungsreserven bereitstellen, eine Fähigkeit, die mechanische Systeme nicht bieten können.

Statischer Spannungsregler (SVG) zur Verbesserung der Netzqualität: Oberschwingungen, Unsymmetrie und Einhaltung von Normen

Echtzeit-Filterung von Oberschwingungen und Korrektur der Dreiphasenunsymmetrie

Die SVG-Technologie wirkt Verzerrungen durch Oberschwingungen entgegen, indem sie nahezu sofort gegenläufige Ströme aussendet, wodurch diese störenden Frequenzen – etwa von Drehzahlreglern (VFDs) – kompensiert werden. Geschieht dies in Echtzeit, bleibt die gesamte Oberschwingungsverzerrung (THD) unter 5 %, was für zahlreiche empfindliche Geräte auf der Produktionsfläche von entscheidender Bedeutung ist. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass SVGs dreiphasige Spannungsunsymmetrien durch ihre einzigartige Art der Blindleistungssteuerung über die einzelnen Phasen effektiv ausgleichen. Betrachten wir beispielsweise eine Fertigungsanlage mit vielen einphasigen Laserschneidmaschinen neben größeren dreiphasigen Maschinen: Ohne ausreichenden Ausgleich können Motoren überhitzt werden und vorzeitig ausfallen. Mit SVGs hingegen sank die Spannungsunsymmetrie drastisch von rund 8 % auf knapp über 2 %. Im Gegensatz zu älteren passiven Filtersystemen entfällt zudem das Warten auf das Ansprechen von Schaltern sowie die lästige Abstimmung, die die Leistungsfähigkeit solcher Systeme einschränkt.

Einhaltung der IEEE-519–2022-Grenzwerte in stark verfälschenden industriellen Anlagen

Die SVG-Technologie gewährleistet die Konformität von Anlagen mit den IEEE-519-2022-Standards, indem sie Oberschwingungen aktiv bis zur 50. Ordnung regelt – selbst unter anspruchsvollen Bedingungen wie in Lichtbogenöfen oder Rechenzentren. Sobald die Spannungsverzerrung am PCC (Point of Common Coupling) über 10 % ansteigt, halten diese SVG-Einheiten die Gesamtoberschwingungsverzerrung (THD) bei etwa 3,5 % oder besser – deutlich unterhalb des von den meisten Versorgungsunternehmen festgelegten Grenzwerts von 5 %. Ein konkretes Praxisbeispiel stammt aus einer Halbleiterfabrik: Nach der Installation von SVGs sanken die Oberschwingungsprobleme um rund 92 %; zudem beliefen sich laut einem Bericht des Ponemon Institute aus dem vergangenen Jahr die jährlichen Einsparungen bei der Wartung der Kondensatorbänke auf etwa 740.000 US-Dollar. Über die bloße Einhaltung gesetzlicher Vorschriften hinaus verhindert dieser proaktive Ansatz mögliche Bußgelder, schützt Transformatoren vor unnötiger Belastung und trägt dazu bei, den Betrieb störungsfrei und ohne unerwartete Unterbrechungen aufrechtzuerhalten.

SVG als Enabler für die Netzstabilität: Spannungshaltung und Fehlerdurchfahrt

Dynamische Spannungsregelung bei Netzstörungen und FRT-Ereignissen

Die SVG-Technologie trägt zur Stabilisierung elektrischer Netze bei, indem sie bei Spannungseinbrüchen, -spitzen oder Systemfehlern nahezu augenblicklich Blindleistung einspeist oder aufnimmt. Mechanische Kondensatorbänke benötigen etwa drei bis fünf Netztaktzyklen, bis sie reagieren können, während SVG-Systeme unverzüglich ansprechen und so die Spannungen innerhalb von etwa plus/minus 2 % des Nennwerts halten sowie ein unnötiges Auslösen von Schutzeinrichtungen verhindern. Bei Fehlerdurchfahrts-Situationen (Fault Ride-Through) halten diese Systeme ausreichende Blindleistungsreserven vor, um strenge Netzanforderungen wie die in der IEEE-1547-2018-Norm festgelegten zu erfüllen. Für Regionen, in denen Windenergie einen großen Anteil am Strommix ausmacht, reduziert die spannungsgeführte Regelung mittels SVG laut einer 2023 im Fachjournal „Power Systems Research“ veröffentlichten Studie Stromausfälle um rund 60 Prozent gegenüber älteren Verfahren.

Fallbeispiel: Integration eines 33-kV-Windparks mit SVG-basierter Blindleistungsreserve

Ein 33-kV-Windpark mit 15 Turbinen verdeutlichte die netzstabilisierende Wirkung der SVG-Technologie. Vor der Installation führten Böen zu Spannungseinbrüchen von über 8 %, was zu Abschaltungen der Windturbinen führte. Nach dem Einsatz eines 5-MVAR-SVG-Systems hielt die Blindleistungsreserve die Spannung während 98 % der FRT-Ereignisse (Fault Ride-Through) innerhalb von 1,5 % des Ausgangswerts. Zu den zentralen Ergebnissen zählten:

• 70 % weniger Spannungseinbrüche unter 0,9 pro Einheit (p.u.) während Netzfehlern
• Keine Abschaltung einer einzigen Windturbine während Fehlerzeiten von 0,15 Sekunden
• Vollständige Konformität mit den Anforderungen der Netzkodex-Norm EN 50549-2:2019 für die Integration erneuerbarer Energien

Dieses Fallbeispiel bestätigt die entscheidende Rolle der SVG-Technologie bei der zuverlässigen Integration erneuerbarer Energien mit hohem Einspeiseanteil.

SVG im Vergleich zu Alternativen: Betriebliche Flexibilität und Lebenszykluswert

Die SVG-Technologie bietet weitaus mehr Flexibilität als herkömmliche Kondensatorbänke und thyristorgesteuerte Systeme. Im Gegensatz zu mechanischen Lösungen, die stufenweise mit spürbaren Verzögerungen schalten, regeln SVGs die Blindleistung nahezu sofort kontinuierlich in beide Richtungen – wodurch lästige transiente Vorgänge und Spannungsschwankungen (Flicker) eliminiert werden. Die Geschwindigkeit macht den entscheidenden Unterschied in Branchen mit sich ständig ändernden Lasten, wie etwa Schweißanlagen und Walzwerken. Standardausrüstung kann einfach nicht mithalten, wenn Reaktionsverzögerungen von über 100 Millisekunden auftreten, was zu Instabilität und Produktionsproblemen führt, mit denen niemand konfrontiert werden möchte.

Der lebenszyklusbezogene Wertvorschlag hebt sich bei der Betrachtung dieser Systeme wirklich hervor. Die SVG-Technologie reduziert die Verluste im Vergleich zu ähnlichen SVC-Modellen tatsächlich um die Hälfte bis zu drei Viertel. Warum? Weil keine Reaktorheizung mehr erforderlich ist und wir uns auch nicht mehr mit den lästigen externen Oberschwingungsfiltern auseinandersetzen müssen. Das bedeutet langfristig echte Einsparungen auf den Energiekostenrechnungen. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass es überhaupt keine beweglichen Teile gibt, um die man sich Sorgen machen müsste, und keine Kondensatoren, die altern und regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Wartungsprüfungen können bis zu drei bis fünf Jahre länger dauern als bei älteren elektromechanischen Systemen. Einige Bergbaubetriebe berichteten von einer Verfügbarkeit von nahezu 99,5 % bei diesen Installationen – was offensichtlich teure Produktionsausfälle vermeidet. Zudem benötigen SVG-Geräte etwa 40 bis 60 Prozent weniger Platz als herkömmliche Kondensatorbänke. Damit eignen sie sich hervorragend für die Nachrüstung bestehender Anlagen, bei denen Platz knapp ist.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein SVG und wie funktioniert es?

Ein SVG (Static Var Generator) ist ein Gerät zur Steuerung der Blindleistung ohne mechanisch bewegte Teile. Es verwendet IGBTs, um entgegengerichtete elektrische Ströme zu erzeugen und induktive oder kapazitive Lasten nahezu augenblicklich auszugleichen.

Wie verbessern SVGs die Netzqualität?

SVGs verbessern die Netzqualität durch Filterung von Oberschwingungen, Korrektur der Dreiphasen-Ungleichgewichte und Aufrechterhaltung der Konformität mit Industriestandards wie IEEE 519-2022. Sie tragen dazu bei, Spannungseinbrüche zu reduzieren und den Gesamtharmonischen Verzerrungsgrad (THD) auf einem niedrigen Niveau zu halten.

Welche Vorteile bietet die SVG-Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Methoden?

Die SVG-Technologie bietet im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatorbänken und thyristorgesteuerten Systemen kürzere Ansprechzeiten, größere Flexibilität, geringere Verluste, reduzierten Wartungsaufwand sowie eine effiziente Raumnutzung.