Bei der Blindleistungskompensation ( BLK ), auch Blindstromkompensation genannt, wird in Wechselspannungsnetzen die unerwunschte Verschiebungsblindleistung und der damit verbundene Blindstrom von elektrischen Verbrauchern reduziert. Fast immer sind die Verbraucher (z. B. Elektromotoren) mehrheitlich induktiv, weshalb mit Kondensatoren kompensiert wird.

Blindleistung und der dazu notige Blindstrom werden zur Erzeugung elektrostatischer oder elektromagnetischer Felder benotigt. Da sich diese Felder im Takt der Wechselspannung kontinuierlich auf- und wieder abbauen, pendelt die Energie kontinuierlich zwischen Erzeuger und elektrischem Verbraucher. Diese kann nicht genutzt, bzw. nicht in eine andere Energieform umgewandelt werden. Diese Leistung belastet elektrische Leitungen, auf denen der Blindstrom zusatzlich zum Wirkstrom transportiert werden muss, und die Generatoren , in denen die Blindleistung erzeugt wird. Nicht nahe dem Verursacher kompensierte Blindleistung bedingt damit zentrale Blindleistungskompensationsanlagen.

Auch Stromleitungen verursachen Blindleistung, wobei dieser Effekt bei Freileitungen gering ist, bei Erdkabeln und Seekabeln fallen sie aufgrund der hoheren Kapazitat jedoch schnell ins Gewicht. ^[1]

Stromzahler fur Kleinkunden berechnen nur die Wirkenergie. Ab einem bestimmten Verbrauch, wie beispielsweise bei großeren Gewerbekunden und Industriekunden, wird im Rahmen der registrierenden Leistungsmessung auch die Blindleistung verrechnet. Um diese Kosten zu minimieren werden Blindleistungskompensationsanlagen moglichst in der Nahe der Blindleistungserzeuger installiert, welche den Blindleistungsbedarf laufend messen und bedarfsmaßig zur Kompensation induktive oder kapazitive Blindwiderstande hinzuschalten. In der Praxis werden in kompakten Blindleistungskompensationsanlagen nur die induktiven Blindanteile, welche beispielsweise durch induktive Verbraucher wie elektrische Motoren verursacht werden, durch kapazitive Blindwiderstande in Form einer Kondensatorbatterie kompensiert. Dabei wird die induktive Blindleistung von der Kompensationsanlage zu ca. 95 % kompensiert. Wurde man die induktive Blindleistung vollstandig kompensieren, kann es durch Lastschwankungen zu einer Uberkompensation in den kapazitiven Bereich kommen. Kapazitive Blindleistung ist im großeren Rahmen mit Uberspannungen und regeltechnischen Schwierigkeiten im Stromnetz verbunden, weshalb sie vermieden wird.

Elektrische Verbraucher im Niederspannungsnetz sind meist ohmsch-induktiv , d. h., die Verbraucher benotigen ein magnetisches Feld und beziehen dafur Blindleistung. Eine Blindleistungskompensation erfordert das Parallelschalten von Kapazitaten , die Blindleistung liefern. Eine Reihenschaltung mit dem Verbrauchsmittel ist nicht ratsam, da so ein Reihenschwingkreis entstehen wurde, der nahe seiner Resonanzfrequenz einen Blindstrom-Kurzschluss ergibt.

Das gilt jedoch nicht fur Gerate mit bekannten Daten, wo eine exakte Kompensation moglich ist (Beispiel: Duoschaltung bei Leuchtstoffrohren).

Die folgende Betrachtung bezieht sich auf sinusformige Spannung und auf Verbrauchsmittel mit sinusformiger und daher oberschwingungsfreier Stromaufnahme. Durch die Kompensationsanlage pendelt der Blindstrom zum großen Teil nur zwischen Verbrauchsmittel und Kompensationsanlage. Das Versorgungsnetz wird entlastet; in nebenstehendem Diagramm ist der Zeiger fur ${\displaystyle I_{\mathrm {k} }}$ kurzer als fur ${\displaystyle I}$.

Die fur die Belastung des Versorgungsnetzes maßgebliche Große der Scheinleistung ${\displaystyle S}$ ist die pythagoreische Summe aus Wirkleistung ${\displaystyle P}$ und Blindleistung ${\displaystyle Q}$. Diese sind gemaß DIN 40 110-1 folgendermaßen miteinander verknupft:

${\displaystyle {\underline {S}}=P+\mathrm {j} \;Q}$

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

Die Blindleistung des kompensierten Verbrauchers setzt sich aus der Blindleistung ${\displaystyle Q_{L}}$ der Induktivitaten und jener der Kapazitaten ${\displaystyle Q_{C}}$ zusammen.

${\displaystyle Q=|Q_{L}-Q_{C}|}$

Der induktive Blindstrom und der kapazitive Blindstrom sind um 180° in der Phase verschoben und haben somit entgegengesetzte Vorzeichen der Augenblickswerte. Entsprechend der Festlegung, dass fur induktive Verbraucher der Phasenverschiebungswinkel ${\displaystyle \varphi }$ positiv ist, ist auch ${\displaystyle Q_{L}}$ positiv; umgekehrt sind bei kapazitiven Verbrauchern ${\displaystyle \varphi }$ und ${\displaystyle Q_{C}}$ negativ. Durch im Vorzeichen richtige Addition ist die Gesamtblindleistung stets geringer als jeder der Betrage der einzelnen Blindleistungen.

Zur vollstandigen Kompensation des abgebildeten Netzwerks muss der Kondensator die Blindleistung fur das induktive Netzwerk liefern. Die Kompensationsbedingung dafur ist ${\displaystyle Q_{L}+Q_{C}=0}$. Mit der fur jeden passiven linearen Zweipol gultigen Blindleistungsformel ${\displaystyle Q={\tfrac {U^{2}}{Z}}\sin \varphi }$ lautet die Bedingung ${\displaystyle {\tfrac {U^{2}}{Z}}\sin \varphi +U^{2}\omega C\sin(-\pi /2)=0}$. Darin bezeichnen ${\displaystyle Z}$ und ${\displaystyle \varphi }$ den (positiven) Scheinwiderstand und den Phasenverschiebungswinkel des unkompensierten Zweipols. Die passende Kapazitat erhalt man durch Auflosen der Gleichung zu

${\displaystyle C={\frac {\sin \varphi }{\omega Z}}}$.

Mit diesem Kapazitatswert wirkt das Netzwerk rein ohmsch mit dem Eingangswiderstand ${\displaystyle {\frac {Z}{\cos \varphi }}}$.

Der Blindleistungsanteil wird in der Regel auf einen Leistungsfaktor ${\displaystyle \lambda =P/S\ }$, der in diesem Fall gleich ${\displaystyle \cos \varphi }$ ist, von etwa

${\displaystyle \cos \varphi =0{,}85\;\dots \;0{,}95}$ (induktiv)

kompensiert. Bei Motorenanlagen mit Asynchronmaschinen besteht ansonsten die Gefahr der Selbsterregung, wenn die Blindleistung vollstandig kompensiert wird. Bei Selbsterregung wird der Motor mit dem Abklemmen der Stromversorgung zum Generator , und es konnen gefahrliche Uberspannungen entstehen. Dieser Fall wird auch als Resonanzfall bezeichnet.

Bei gleicher Wirkleistung ${\displaystyle P=UI\cos \varphi }$ belastet ein Verbraucher die Versorgungsleitung mit einer im Verhaltnis ${\displaystyle \cos \varphi /\cos \varphi _{k}}$ verringerten Stromstarke, wenn seine Blindleistung gemaß dem Leistungsfaktor ${\displaystyle \cos \varphi _{k}>\cos \varphi }$ kompensiert wird. Die Jouleschen Leitungsverluste gehen mit dem Quadrat dieses Verhaltnisses zuruck. Beispiel: Bei Erhohung des Leistungsfaktors von ${\displaystyle \cos \varphi =0{,}7}$ auf ${\displaystyle \cos \varphi _{k}=0{,}9}$ nehmen die genannten Verluste um 40 % ab.

Ein anderer Ansatz geht uber den Weg, die komplexe Verbraucherimpedanz ${\displaystyle {\underline {Z}}}$ durch Hinzufugen einer Reaktanz rein reell zu machen, so dass ${\displaystyle \operatorname {Im} \{{\underline {Z}}\}=0}$ wird. Uber diese Bedingung lasst sich dann auch die Dimensionierung des entsprechenden Kompensationsbauteils in Form einer homogenen Gleichung errechnen.

Eine vollstandige Kompensation ist ferner aufgrund der schwankenden Belastung eines Verbrauchsmittels haufig nicht mit einfachen Kondensatoren oder Spulen durchfuhrbar. Fur diesen Zweck werden aktive Leistungsfaktorkorrekturglieder oder sog. ?Netzmanagementsysteme“ verwendet, die jederzeit die benotigte Menge Blindleistung zur Verfugung stellen.

In großeren Energienetzen, insbesondere in vermaschten Verbundnetzen , dient die Blindleistung auch dazu Leistungsflusse gezielt zu beeinflussen, um beispielsweise bestimmte Hochspannungsleitungen nicht zu uberlasten. Dazu werden unter anderem Phasenschieber , eine spezielle Bauform von Synchronmaschine , und Phasenschiebertransformatoren eingesetzt.

Kompensationsanlagen in einem Umspannwerk

Kondensatoranlage (MSCDN)

Drosselspule

Eine weitere Moglichkeit ist der Einsatz von statischen Blindleistungskompensatoren nahe am induktiven Verbraucher oder Leitungsabschnitt. Dies sind Kombinationen aus Kapazitaten und Induktivitaten, die parallel zur zu kompensierenden Last bzw. zum zu kompensierenden Netzabschnitt angeordnet sind. Dabei wird durch Thyristoren der Stromfluss in den einzelnen Komponenten geregelt und somit der Grad der Blindleistungskompensation. Gegenuber dem rotierenden Phasenschieber hat dies den Vorteil, dass kein Verschleiß der Anlage stattfindet, außerdem ist durch einen statischen Kompensator ein dynamisches Regeln auf Lastschwankungen moglich.

Eine Erweiterung der statischen Blindleistungskompensatoren fur den Anwendungsbereich der Ubertragungsnetze stellt Flexible-AC-Transmission-Systems (FACTS) dar. Neben einer statischen Blindleistungskompensation bzw. Blindleistungserzeugung in Quer- und Langskompensation konnen damit auch gezielt Wirkleistungsflusse in Leitungen von elektrischen Energienetzen gesteuert werden. Dies sind unter anderem die Unified-Power-Flow-Controller (UPFC) und Static Synchronous Compensator (STATCOM), welche die Anlagen zur statischen Blindleistungskompensation komplett ersetzen konnen.

Obige Beziehungen gelten nur bei sinusformigem Verlauf der Spannungen und Strome, was im Allgemeinen nur bei linearen Netzwerken der Fall ist. Sind in einer Schaltung nichtlineare Bauteile wie beispielsweise magnetisch sattigende Induktivitaten oder Netzteile mit Gleichrichtern vorhanden, so wird der Strom verzerrt, d. h., er enthalt Oberschwingungen . Zusatzlich zur Blindleistung ${\displaystyle Q}$ der Grundschwingung tritt eine Verzerrungsblindleistung ${\displaystyle D}$ auf, welche die Blindleistungsanteile der Oberschwingungen zusammenfasst.

Die Blindleistungskompensation mittels parallel geschalteter Kompensationsfilter wie Kondensatoren ist nur bei einer Frequenz moglich, in der Regel bei der Frequenz der Grundschwingung wie der Netzfrequenz . Die Blindleistung der ubrigen Schwingungen wird dabei uber- oder unterkompensiert. Abhilfe bieten hierbei Leistungsfaktorkorrekturfilter , welche in Reihe mit dem nichtlinearen Verbraucher geschaltet werden und entweder die Oberschwingungen durch geeignete Filterstrukturen dampfen oder durch elektronische Schaltungen kunstlich einen sinusformigen, der Grundschwingung der Spannung entsprechenden Stromverlauf auf Netzseite nachbilden. Dadurch kann der Leistungsfaktor auf einen Wert nahe 1 gebracht werden.

• Strom- und Spannungsverlaufe bei Oberschwingungen
• 
  Deutlich nichtlinear verzerrter Stromverlauf (blau) bei einem Leistungsfaktor 0,75
• 
  Durch Leistungsfaktorkorrekturfilter auf einen Leistungsfaktor von 1 kompensiert

Die nebenstehende Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator ist am 230-V- Stromnetz angeschlossen, bei 50 Hz fließen die angegebenen Strome. Durch den Widerstand fließt 2,3 A Wirkstrom, durch den Blindstrom von 1,45 A muss die Anschlussleitung fur den Gesamtstrom von 2,72 A bemessen sein. Zur Wirkleistung von 529  W kommt eine Blindleistung von 334  VAr hinzu, die aussagt, wie viel Energie pro Zeit zwischen Generator und Kondensator pendelt und Leitungen und Trafos unnotig belastet.

Zur Kompensation dieser Blindleistung wird eine passend gewahlte Induktivitat von 0,5 H parallel zum Gerat geschaltet, deren Blindstrom ebenfalls 1,45 A betragt. Die Blindstrome von Kondensator und Spule kompensieren sich auf Grund ihrer entgegengesetzten Phasenlagen, und die gesamte Stromaufnahme sinkt auf 2,3 A. Die Parallelschaltung aus Spule und Kondensator stellt im Idealfall einen Parallelschwingkreis dar, der bei 50 Hz keinen Blindstrom vom Generator aufnimmt. Wegen ${\displaystyle P=R_{\text{Leitung}}\cdot I^{2}}$ sinkt die Verlustleistung in den Zuleitungen auf ${\displaystyle \textstyle (2{,}3/2{,}72)^{2}=71\%}$ des ursprunglichen Wertes.

Blindstrom verursacht ohmsche Verluste in Leitungen und Trafo. Die Verluste werden indirekt uber die Netznutzungsentgelte an die staatlich regulierten Netzbetreiber bezahlt ( § 10 Stromnetzentgeltverordnung ).

Die Große des Trafos bestimmt die maximal entnehmbare Scheinleistung. Ist der Anteil der Blindleistung hoch, kann entsprechend weniger Wirkleistung entnommen werden. Eine Kompensationsanlage erspart so eine Erweiterung von Trafo und eventuell Leitungen.

Bei Großabnehmern (Sondervertragskunden) wird die Blindenergie zusatzlich gemessen und in der Stromrechnung berechnet. Es besteht deshalb ein monetarer Anreiz, den Leistungsfaktor innerhalb gewisser Grenzen (z. B. ${\displaystyle 0{,}9<\lambda <1}$) zu halten. Mit einer Blindstromkompensationsanlage entfallen im Idealfall diese Mehrkosten.

Bei Anwendung der Blindstromkompensation in einem Netz mit Rundsteueranlage kann der Einsatz von Tonfrequenzsperren notwendig werden, um ein Abblocken der Rundsteuersignale aus dem Netz durch die Kompensationskondensatoren zu verhindern. Hierzu werden die Kondensatoren mit kleinen Drosseln versehen, die bei Netzfrequenz nahezu unwirksam sind.

Der Generator moderner Windkraftanlagen (?Windrader“) oder typische Wechselrichter von Photovoltaikanlagen sind vom Stromnetz uber einen Gleichstromzwischenkreis vom Netz entkoppelt. So ist auch eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom im eingespeisten Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) moglich. Diese Anlagen belasten das Netz nicht mehr mit Blindleistung , sie werden im Gegenteil sogar zur Blindleistungskompensation eingesetzt.

Bisher haben vor allem konventionelle Großkraftwerke Blindleistung mit einer kapazitiven Phasenverschiebung wahrend ihres Betriebs bereitgestellt.

Erneuerbare-Anlagen mussen nach derzeit geltenden Regelungen in Deutschland in Zeiten mit weniger als 10 % ihrer Wirkleistung keine Blindleistung liefern. Zur Spannungshaltung muss die notige Blindleistung also durch andere technische Anlagen kompensiert werden. Dabei konnten Photovoltaik-Freiflachenanlagen, wenn zum Beispiel nachts keine Sonne scheint, uber ihre Wechselrichter (meist kapazitive) Blindleistung bereitstellen. Moderne Windenergieanlagen seien technisch in der Lage, Blindleistung zur Verfugung zu stellen, auch wenn nur wenig oder kein Wind weht. ^{[2] [3]}

• Gunter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9 .
• Rene Flosdorff, Gunther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 9. Auflage, Verlag B. G. Teubner, 2005, ISBN 3-519-36424-7 .
• Wolfgang Just, Wolfgang Hofmann: Blindstrom-Kompensation in der Betriebspraxis. 4. Auflage, VDE-Verlag, 2003, ISBN 3-8007-2651-3 .

Wiktionary: Blindleistungskompensation  ? Bedeutungserklarungen, Wortherkunft, Synonyme, Ubersetzungen

1. ↑ RP-Energie-Lexikon - Blindstrom, Blindleistung, Wirkstrom, Leistung, Scheinleistung, Energieverluste, Hochspannungsleitung, Erdkabel, Seekabel. In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 7. Marz 2021 .  
2. ↑ Warum Blindleistung wichtig und richtig ist - und mit SMA Technik kein Problem | SMA Solar. Abgerufen am 18. April 2024 .  
3. ↑ Carsten Erbguth sagt: 50Hertz und Enertrag erproben Bereitstellung von Blindleistung durch erneuerbare Energien. 16. Juni 2023, abgerufen am 18. April 2024 (deutsch).