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Wie PV-Wechselrichter die Netzqualität verbessern

20. Mai 2014, 12:45 Uhr   |  Richard J. Bravo, Southern California Edison und Mathieu van den Bergh, CNS Inc.

Wie PV-Wechselrichter die Netzqualität verbessern
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Bild 1: Prüfaufbau für PV-Wechselrichter

Angesicht der wachsenden Verbreitung von Photovoltaik-Anlagen wurden Befürchtungen laut, die Wechselrichter könnten die Stabilität der Stromversorgungsnetze gefährden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Wechselrichter die Netzqualität sogar verbessern können.

Bild 1: Prüfaufbau für PV-Wechselrichter
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Bild 1: Prüfaufbau für PV-Wechselrichter

Erste Tests mit Wechselrichtern älteren Datums sollten die Bestätigung liefern, dass sie in Übereinstimmung mit US-amerikanischen und internationalen Normen sicher arbeiten. Bild 1 zeigt die Prüfanordnung. Zu Bild 1 wird die AC/DC-Last, die den Haushaltsbereich simuliert, bei den Testhäusern oder bei den Wechselrichterherstellern durch einen R-L-C-Schwingkreis beispielsweise vom chinesischen Hersteller Kenninet ersetzt. Dieser Schwingkreis ist in Verbindung mit der Anti-Island testfähigen MX- / RS- Serie in der VDE4105 bei Wechselrichtern bis 50 kW vorgeschrieben. Der Schwingkreis ist mit einer Güte von 2,2 auszulegen, d.h. bei einem 30-kW-Wechselrichter wird ein Schwingkreis mit mindestens 60 kVA benötigt.

Die Netzsimulation ist wie das echte Stromnetz für den bidirektionalen Energiefluss zuständig, wobei der Wechselrichter von einer Gleichstromversorgung gespeist wird, die die I-U-Kennlinie eines PV-Panels nachbildet. Die programmierbare Prüflast zieht lineare und nichtlineare Lastströme und simuliert damit haushaltstypische Verbraucher wie zum Beispiel PCs, Herde, Fernsehgeräte, Klimaanlagen usw. Der Power Analyzer liefert Informationen über den Stromfluss sowohl im Verbraucher als auch von und nach dem Stromnetz und dem Wechselrichter. In Europa sind für Wechselrichtertests die VDE 4105 (Bestehend aus der Prüfanweisung VDE 0126 und der Prüfvorschrift VDE 0124) mit abweichenden länderspezifischen Messungen vorgeschrieben. Diese Norm beinhaltet nicht nur die harmonischen Messungen nach EN61000-3-2 mit Einbindung der Interharmonischen, sondern auch die definierte Abschaltung der Wechselrichter bei Spannungs-änderungen im Bereich 100 Prozent bis 106 Prozent sowie von 106 Prozent bis 114 Prozent der Nennspannung oder bei Frequenzänderungen von 50 Hz bis 47,5 Hz und 50 Hz bis 51,5 Hz.

Bild 1: Prüfaufbau für PV-Wechselrichter
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Bild 2. Der Wechselrichter liefert eine Leistung von 3 kW

In Bild 2 ist die typische Anzeige des Power Analyzers dargestellt. Oben sind die Spannung (grün) und der Strom (schwarz) der Netzsimulation bzw. des Stromnetzes zu sehen. Unten sind rot der Laststrom und blau der Wechselrichterstrom dargestellt. Der Wechselrichter liefert 1274,9 W an den Haushalt (die Verbraucher) und 1766,5 W an das Netz. Einige Watt gehen in der Verdrahtung verloren. Während die VDE4105 auch 1-phasige Inselbetriebstests zulässt, ist nach IEC 62116 eine 3-phasige Messung zwingend erforderlich. Die vorgegebenen Abschaltzeiten der Wechselrichter betragen bei VDE 4105 max. 5 Sekunden, bei UL-Zulassungen max. 2 Sekunden. Diese Zeiten müssen eingehalten und schriftlich protokolliert werden.

Bild 3: Verzerrungsbeitrag des Wechselrichters
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Bild 3: Verzerrungsbeitrag des Wechselrichters

Das öffentliche Stromnetz hat indes nur selten einen derart idealen Sinusverlauf, sondern eine Spannungsverzerrung von 2..5 Prozent Vthd ist keineswegs ungewöhnlich. Um die Reaktion des PV-Wechselrichters auf eine derart verzerrte Spannung zu ermitteln, wurde die Netzsimulation so programmiert, dass sie den Oberwellengehalt in 1-%-Schritten von 3 bis 9 Prozent (bei Oberwellen 9. Ordnung) erhöht. Wie Bild 3 zeigt, ist die Stromverzerrung in das Netz ungefähr doppelt so hoch wie die programmierte Spannungsverzerrung. Ursache hierfür ist, dass der Wechselrichter der Netzspannung folgt und somit die vorhandene Stromverzerrung ungefähr noch einmal hinzufügt.

Würde man es dem Wechselrichter ermöglichen, kompensierend zu wirken, könnte er die in das öffentliche Netz eingetragenen Oberschwingungsströme sogar verringern. Wie wir noch sehen werden, besitzen moderne Wechselrichter diese Fähigkeit tatsächlich. Eine weitere ungünstige Konsequenz der Anforderungen, die eingangs an PV-Wechselrichter gestellt wurden, ist ihre Reaktion auf Spannungseinbrüche und kurze Spannungsunterbrechungen. Um einen Inselbetrieb zu vermeiden, verlangen die Normen, dass sich ein Wechselrichter innerhalb von 160 ms selbsttätig vom Stromnetz trennt, wenn die Netzspannung einen vorgegebenen Toleranzbereich (meist ±10 Prozent Abweichung von der Nennspannung) verlässt.

Bild 4. Reaktion des Wechselrichters auf einen Spannungseinbruch
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Bild 4. Reaktion des Wechselrichters auf einen Spannungseinbruch

Bild 4 illustriert die Reaktion des Wechselrichters auf einen kurzen Spannungseinbruch. Wie man sieht, trennt sich der Wechselrichter binnen 10 ms vom Netz und bleibt anschließend offline – unter Umständen mehrere Minuten lang. Ein solches Verhalten aber verschlimmert den Spannungseinbruch in der Regel noch, weil hierdurch auch die vom Wechselrichter eingebrachte Energie wegfällt. Inzwischen hat man erkannt, dass ein gewisses Maß an Low-Voltage-Ride-Through-Fähigkeit (LVRT) wesentlich wünschenswerter ist.

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2. Anspruchsvolle Wechselrichter-Fähigkeiten

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