Antriebstechnik im Schiffsbau: Filter reduzieren Netzrückwirkung

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Die MS SIA ist das neueste Kabelverlegungsschiff von CT Offshore aus dem dänischen Odense. Der Dienst­leis­ter hat sich auf die Installation und Wartung von Offshore-Kabeln für die zahlreichen neuen Windfarmen spezialisiert, die die umweltfreundliche Energie der Zukunft liefern sollen. Mit an Bord ist Antriebstechnik von Danfoss. Während VLT-Frequenzumrichter die Strahlruder des Schiffs regeln, reduzieren aktive Oberschwingungsfilter die Netzrückwirkungen auf den 3,2-Megawatt-Generator.

von Jens Anton Iversen

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CT Offshore hat der ausgemusterten Fähre, Baujahr 1978, ein zweites Leben als modernes Kabelverlegungsschiff eingehaucht. 2010 wurde das Schiff komplett überholt und mit allem ausgestattet, was zur Installation und Wartung von Kabeln zwischen Offshore-Windparks und dem Stromnetz auf dem Festland nötig ist. Alle Installationen wurden erneuert und umfangreiche Spezialausstattung für die Kabelarbeiten installiert. Insgesamt 47 Kabinen ermöglichen der Crew und den Windkraftexperten des Kunden bequemes Wohnen und Arbeiten.
Um die MS SIA genau auf Kurs zu halten, wurden sieben elektrisch angetriebene GME-Strahlruder mit einer Leistung von 200 Kilowatt der Dutch Thruster Group in Bug (4 Strahlruder) und Heck (3 Strahlruder) eingebaut. Zusammen mit dem bestehenden Strahlruder mit 400 Kilowatt fährt das Schiff mit insgesamt 1,8 Megawatt voll integriert mit einem dynamischen Positionierungssystem von Navis entlang der einprogrammierten Route – auch unter den schwierigen Wetterbedingungen und Strömungen, wie sie in der Nordsee oft anzutreffen sind. Die Abweichung vom Kurs beträgt dabei maximal 2.000 Millimeter. Für die Energieversorgung der Strahlruder und der anderen Geräte lieferte die Dutch Thruster Group auch ein Aggregatsystem mit einer Leistung von insgesamt 3,2 Megawatt, das aus vier Mitsubishi-Dieselgeneratoren und zwei aktiven 190-A-VLT-Filtern von Danfoss besteht.

Generatorbetrieb: Wider die Oberschwingungen

Gegenüber dem speisenden Netz verhalten sich Frequenzumrichter nicht neutral. Sie erzeugen Netzrückwirkungen in Form von Stromoberschwingungen, die der Frequenzumrichter ins speisende Netz zurückgibt und damit dessen Qualität negativ beeinflusst. Dabei sind die Oberschwingungsströme gerätespezifisch und lastabhängig.
Erst im Zusammenspiel mit der Netzimpedanz des speisenden Netzes entstehen Spannungsverzerrungen wie in der beschriebenen Anwendung durch die Generatorspeisung. An der Induktivität der Generatoren verursachen die Oberschwingungsströme einen Spannungsabfall, der sich zur gegebenen Spannung hinzuaddiert und die Spannung verzerrt. Die Anschlussleitungen (Querschnitt und Länge) bewirken ebenfalls einen Beitrag zur Netzimpedanz. Somit sind die Verbraucher zwar die Ursache, aber die Spannungsverzerrungen selbst entstehen erst in Korrelation mit der Netzimpedanz, das heißt mit dem gesamten System.
Die Generatoren laufen im „Inselbetrieb“. Sie alleine geben Spannung und Frequenz vor und regeln diese. Zum größten Teil bestimmt der Generator die  Netzimpedanz  mit seiner subtransienten Synchronreaktanz Xd’’. Ein kleinerer Teil kommt zusätzlich durch Kabel und Leitungen hinzu. Zudem ist zu beachten, dass ein Generator bereits im Leerlauf, ohne Last oder mit wenig Last, signifikante Netzvorbelastungswerte erzeugt.
Bei Generatorbetrieb sind also die Oberschwingungen das wesentliche Problem in Verbindung mit der höheren Netzimpedanz. Da die Spannungsverzerrungen abhängig von der Netzimpedanz sind, entstehen an einer großen Impedanz, wie sie Generatoren besitzen, höhere Verzerrungen als bei einer geringeren Netzimpedanz, beispielsweise einem starren Netz auf Land. Aus diesem Grund ist der Generatorbetrieb als kritischer Betriebszustand anzusehen, da die Frequenzumrichter bei gleichbleibender Stromaufnahme, aufgrund der höheren Reaktanz höhere Spannungsverzerrungen erzeugen. Daher sind entsprechende Maßnahmen notwendig, um die gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion – THD) und damit den so genannten THDv-Wert zu reduzieren.
Die Dutch Thruster Group entschied sich für zwei Advanced-Active-Filter (AAF) von Danfoss, um die Netzbelastung auf ein Minimum zu reduzieren. Der Filter AAF 006 nutzt im Leistungsbereich angepasste Halbleiter in Verbindung mit moderner Mikroprozessortechnik. Es speist einen komplementären Strom zu den Oberschwingungsströmen ein und erzeugt damit wieder einen sinusförmigen Strom. Hierbei stellt sich das Filter automatisch auf jegliche Belastungssituation ein. Die Generatoreinheit kann in zwei unabhängige Systeme mit jeweils 1,6 Megawatt geteilt werden, wenn die SIA im Modus der redundanten Positionsbestimmung (DP2) fährt. Die zwei aktiven Oberschwingungsfilter an Steuerbord und Backbord stellen sicher, dass die Verzerrung der Spannung gemäß den Vorgaben des Lloyd’s Register of Shipping unter 8 Prozent des THDv liegt, auch wenn alle Systeme gleichzeitig mit voller Leistung laufen.
Wenn die Stromversorgung ohne Aktivfilter installiert worden wäre, hätten die Generatoren viel größer sein müssen, um den Anforderungen der Klassifikation für die Spannungsqualität zu genügen. Dies hätte jedoch einen großen Kostenaufwand bedeutet, und zudem bot der bestehende Maschinenraum keinen Platz für größere Generatoren.
Der modulare Aufbau der AAF-006-Filter ähnelt dem der auf der MS SIA eingesetzten Frequenzumrichter. Das Filter bietet hohe Energieeffizienz, bedienerfreundliche Schnittstellen, Rückwandkühlung und hohe Schutzklassen der Gehäuse. Ein weiterer Vorteil ist der beliebige Anschlussort im zu kompensierenden Netz.

Umrichter sparen Energie und verringern Verschleiß

Zwecks einer energieeffizienten Geschwindigkeitsregulierung für die Strahlruder entschied sich die Dutch Thruster Group statt für eine traditionelle Lösung mit einem bei konstanter Drehzahl laufenden E-Motor und einem Verstellpropeller oder einem System mit Hydraulikantrieb für die Danfoss Frequenzumrichter.
„Wir haben uns für ein System mit Frequenzumrichter-Antrieb entschieden, da es wirtschaftlich attraktiv ist, Kraftstoff spart und keine Wartung benötigt. Mit zusätzlichen beweglichen Teilen für die Pitch-Regelung oder einem hydraulischen System wäre deutlich mehr Wartungsaufwand erforderlich gewesen“, erklärt Martin Franken, Manager für Sales & Marketing von der Dutch Thruster Group. „Für ein Schiff, das rund um die Uhr mit dynamischer Positionierung arbeitet, hätte ein steuerbares Verstellsystem mit den Elektromotoren, die bei geringer Last über längere Zeit mit voller Geschwindigkeit laufen, eine große Energieverschwendung bedeutet. Ein Frequenzumrichter kann sich jedoch genau darauf einstellen, wie viel Energie benötigt wird, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen. Im Vergleich zu hydraulischen Strahlrudersystemen werden erstaunliche 20 Prozent der Energie bei Systemdämpfungen eingespart“, ergänzt Edy Vos, General Manager und Projektleiter von der Dutch Thruster Group.
Das neue dynamische Positionierungssystem mit elektrischen Strahlrudern kann die SIA auf 200 Millimeter genau auf Position halten. Das Schiff ist im Lloyd’s Register of Shipping für die dynamische Positionierung gemäß DP2 klassifiziert. Dies bedeutet, dass für alle aktiven Systeme eine Redundanz vorliegt, die verhindert, dass einfache Fehler zu Gefahrensituationen führen und einen Verlust der Positionierungsfähigkeit zur Folge haben könnten.

Leistungspotenzial

Die SIA wurde im Juni 2010 nach der Überholung neu in Betrieb genommen. Beim Test auf Seetauglichkeit erwies sich das Schiff als vollständig stabil – auch bei schnellen Wendungen mit den Strahlrudern auf voller Kraft. Die Besatzung freut sich sehr über ihren neuen Arbeitsplatz. Die Steuermänner Jan Eliassen und Milos Kos sind begeistert: „Die ersten Aufträge konnten wir weit schneller als geplant abschließen, und wir mussten dem Schiff noch nicht einmal die volle Leistung abverlangen. Die SIA hat also genug Power, um auch härtere Jobs zu meistern – das gibt ein gutes Gefühl.“ jbi

Autor

Jens Anton Iversen arbeitet bei Danfoss VLT Drives in Hasselager, Dänemark.

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