EMV-Unverträglichkeiten zwischen Elektrizitätszählern und Stromrichtern

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1 EMV-Unverträglichkeiten zwischen Elektrizitätszählern und Stromrichtern Dipl.-Ing. Jörg Kirchhof et al. Fraunhofer IWES, Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Akkreditiertes EMV-Labor DAT-P-198/96-02 Tel: (0561) , Fax: -200, Hauptgliederung Vorstellung des Instituts Störverhalten von Stromrichtern Defizite der Normung Leitungsgebundene EMV-Prüfverfahren Beeinflussung von Zählern durch Stromrichter Vorschlag für neue EMV-Prüfverfahren Störfestigkeits-Prüfverfahren Vorschlag für geänderte Störaussendungsprüfungen J. Kirchhof et al., 2

2 Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Bremerhaven und Kassel Advancing Wind Energy and Energy System Technology Forschungsspektrum: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnik für alle Formen der erneuerbaren Energien Gründung: 2009 Jahresbudget: rund 20 Mio. Euro Personal: ca. 240 Personen (170 Vollzeitkapazität) Leitung: Prof. Dr. Andreas Reuter, Prof. Dr. Jürgen Schmid Hervorgegangen aus: Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven Institut für Solare Energieversorgungstechnik ISET in Kassel Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Geschäftsfelder II Umweltanalytik Wind, See und Boden für die Wind- und Meeresenergienutzung Regelung und Systemintegration dezentraler Energiewandler und Speicher Energiemanagement und Netzbetrieb Energieversorgungsstrukturen und Systemanalyse J. Kirchhof et al., 5

3 Experimentelle Ausstattung Rotorblatt-Prüfstande Komponentenprüfstände Klimakammern Offshore-Auslagerung Materialien und Systeme Erfassung von Wind, See- und Baugrund im Meer Repräsentatives Windmessnetz für Deutschland DeMoTec Design-Zentrum Modulare Versorgungstechnik für Komponenten und Teilsysteme im Verbund SysTec Systems Test Centre, Freifeld-Testgelände DG (Distributed Generation) Test- und Prüfzentrum und europäisches DERlab-Netzwerk Akkreditiertes Prüflabor Elektromagnetische Verträglichkeit mit Freifeld nach IEC Experimentierzentrum Bioenergie-Systemtechnik J. Kirchhof et al., 6 Störverhalten von Stromrichtern PV-Wechselrichter-Topologien Einspeisung von Wechselstrom MPP-Tracking Netzanforderungen EMV-Störpotenzial J. Kirchhof et al., 7

4 PV-Wechselrichter-Topologien (1) PV-Wechselrichter potentialgetrennt PV-Wechselrichter Nicht potentialgetrennt 50-Hz-Transformator Hochfrequenztransformator Hochfrequenztransformator transformatorlos Wechselrichterbrücke Sinushalbwellen 50-Hz-Umklapper DC/DC-Steller Wechselrichterbrücke DC/DC-Steller Sinushalbwellen bzw. Resonanzwandler DC/DC-Steller Sinushalbwellen 50-Hz-Umklapper PV-Spannung größer 350 V DC/DC-Stelle Wechselrichterbrücke Thyristorbrücke Unterscheidung zwischen Trafolos / Mit Trafo Kein / ein / mehrere DC/DC-Wandler (Multistring Wechselrichter) Ein- oder dreiphasige Konzepte Leistung und Taktfrequenz J. Kirchhof et al., 8 PV-Wechselrichter-Topologien (2) Wechselrichterbrücke 50-Hz-Transformator Sinushalbwellen 50-Hz-Umklapper PV-Wechselrichter potentialgetrennt DC/DC-Steller Wechselrichterbrücke Hochfrequenztransformator DC/DC-Steller Sinushalbwellen bzw. Resonanzwandler Unterscheidung zwischen 50-Hz-Trafo / Hochfrequenztrafo Kein / ein /mehrere DC/DC-Wandler Taktmuster Vorteile Galvanische Trennung Übersetzungsverhältnis frei wählbar Erdung des PV-Generators möglich Trafo kann als zusätzliches Filter wirken (für die Taktfrequenz) Kaum DC-Einspeisung Nachteile Höheres Gewicht Trafoverluste J. Kirchhof et al., 9

5 PV-Wechselrichter-Topologien (3) Thyristorbrücke Hochfrequenztransformator DC/DC-Steller Sinushalbwellen 50-Hz-Umklapper PV-Wechselrichter Nicht potentialgetrennt transformatorlos PV-Spannung größer 350 V DC/DC-Stelle Wechselrichterbrücke Vorteile Höherer Wirkungsgrad Geringes Gewicht Kostensenkung Unterscheidung zwischen Kein / ein / mehrere DC/DC-Wandler (Multistring Wechselrichter) Taktmuster Ein- oder dreiphasige Konzepte Leistung und Taktfrequenz Nachteile Keine galvanische Trennung DC-Isolationsüberwachung erforderlich DC-Einspeisung ins Netz möglich Höhere Störemissionen (im Bereich der Taktfrequenz) J. Kirchhof et al., 10 Einspeisung von Wechselstrom (1) Zeitsignal einer Pulsbreitenmodulation (simuliert) Amplitude ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 Zeit / s Ausgang Eingang J. Kirchhof et al., 11

6 Einspeisung von Wechselstrom (2) Spektrum einer Pulsbreitenmodulation (simuliert) Grundwelle 50 Hz Grundwelle Taktfrequenz Amplitude Hz Seitenbänder Mischprodukte Dritte Harmonische Frequenz (Hz) Ausgang Mischprodukte Fünfte Harmonische J. Kirchhof et al., 12 MPP-Tracking P / W MPP Arbeitspunkt I / A PV-Spannung U / V J. Kirchhof et al., 13

7 Netzanforderungen (1) Es existiert keine EMV-Produktnorm für PV-Wechselrichter Verwendung der EMV-Normen bis Keine Grenzwerte zwischen 2 khz und 150 khz! Erzeuger wird wie Verbraucher bewertet Taktfrequenz ist leistungsabhängig P bis ca. 30 kw: Taktfrequenz oberhalb der Hörschwelle (MOS-Fet- Schalter) 30 kw bis in den Megawatt Bereich: Taktfrequenz 2,5 bis 3 khz (IGBT) J. Kirchhof et al., 14 Netzanforderungen (2) Für Großwechselrichter gilt zusätzlich FGW TR-3 (Fördergesellschaft Windenergie) Bereitstellung von Blindenergie Fault-Ride-Trough (FRT) E VDE-AR-N 4105 Anwendungsregel Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz Beteiligung an Spannungskonstanthaltung Netzverbesserung / Oberschwingungskompensation J. Kirchhof et al., 15

8 EMV-Störpotenzial (1) Flicker durch Bestrahlungsstärkeänderung Gering, da Bestrahlungsänderungen zu langsam Stromoberschwingungen Bei niedrigen Ordnungszahlen gering, da PWM Kompensation von vorhandenen Oberschwingungen möglich Leitungsgebunden 2 khz 150 khz Hoch, da Taktfrequenz und deren Oberschwingungen hier liegt Keine EMV-Anforderungen Filter teuer (große Induktivitäten für hohe Ströme) J. Kirchhof et al., 16 EMV-Störpotenzial Leitungsgebunden 150 khz 30 MHz Hoch, wegen Oberschwingungen der Taktfrequenz Wirkung steiler Schaltflanken Prozessor Feldgebunden 30 MHz 300 MHz Mittel, wegen Störaussendung von Prozessor und Peripherie (Display, Schnittstellen) Feldgebunden 300 MHz 1 GHz Gering, da keine Hochleistungsprozessoren eingesetzt werden J. Kirchhof et al., 17

9 Zwischengliederung - Defizite der EMV-Normung Störmessung auf der DC-Seite AC-Netznachbildung auf der DC-Seite Entstehung von kapazitiven Ableitströmen Prinzip trafoloser Wechselrichter Taktung von PV-Wechselrichtern Folge von hohen Gleichtakt-Ableitströmen EMV-Grenzwertlücke Störspannungen bei PV-Wechselrichtern Normung: Frequenzabhängige Zuständigkeiten J. Kirchhof et al., 18 Störmessung auf der DC-Seite DIN EN : Berichtigung 1: 2005 Messung des Gleichtakt-Störstroms auf DC-Netzeingängen Messung an 150-Ohm-Netznachbildung Gleichtaktstrom ist für feldgebundene Abstrahlung entscheidend EN :2007 Messung der Störspannung (Störstrom) auf der DC-Seite 50 Ohm 50 μh-netznachbildung vorgeschrieben Diese kann über große Erdkapazitäten verfügen Gilt für lokale DC-Netze und Batterieanschlüsse > 30m J. Kirchhof et al., 19

10 Schaltbild einer 50-Ohm-Netznachbildung (1) (Schwarzbeck) J. Kirchhof et al., 20 Aufbau einer 50-Ohm-Netznachbildung (2) Umschaltung: 50 µh 50 Ohm + 5 Ohm / 50 µh 50 Ohm Außenleiter Quelle 250 µh 50 µh Je 0,47 µf Außenleiter EUT Quelle 4 µf 8 µf EUT PE 5 Ohm Hochpass 50 Ohm (Messempfänger) AC-NNB mit Umschaltung von 50 Ohm 50 μh + 5 Ohm auf 50 Ohm 50 μh (Schwarzbeck NSLK) Rot: Erdkapazität pro Leitung Grün: Normimpedanzen J. Kirchhof et al., 21

11 Prinzip trafoloser Wechselrichter Schema einer Solaranlage Trafoloser Wechselrichter Wechselrichter-Brücke Glättungsdrosseln Darstellung Spannung in den Halbbrücken Spannung Solargenerator (-) und Netz (L, N) Weitere Topologien Dreipunkt-Schaltung Flying Inductor Schaltung WR mit Hochsetzsteller... J. Kirchhof et al., 22 Taktung von PV-Wechselrichtern Symmetrische Taktung Beide Halbbrücken invers getaktet Kontinuierliche Umpolung des Solargenerators Halbe Netzspannung am Solargenerator (unteres Diagramm, Magentafarbene Linie) J. Kirchhof et al., 23

12 Taktung von PV-Wechselrichtern Unsymmetrische Taktung Halbbrücken abwechselnd getaktet Umpolung im Nulldurchgang der Netzspannung durch S1/S3 Halbwellenspannung am Solargenerator (unteres Diagramm, Magentafarbene Linie) J. Kirchhof et al., 24 Einphasen Chopping Nur eine Halbbrücke getaktet, Umpolung durch zweite Halbbrücke Solargenerator springt um den Betrag der MPP-Spannung des Solargenerators (unteres Diagramm, magentafarbene Linie). Der Sprung kann zusätzliche Überschwinger aufweisen! J. Kirchhof et al., 25

13 Kapazitive Ableitströme / Ursachen Schaltbild einer Solaranlage Trafoloser Wechselrichter Mögliche Spannungen gegen Erde J. Kirchhof et al., 26 Kapazitive Ableitströme / Ursachen Schaltbild einer Solaranlage Trafoloser Wechselrichter EMV-Y- Kondensatoren J. Kirchhof et al., 27

14 Kapazitive Ableitströme / Ursachen Schaltbild einer Solaranlage Trafoloser Wechselrichter EMV-Y- Kondensatoren Schutzleiterstrom J. Kirchhof et al., 28 Kapazitive Ableitströme / Ursachen Schaltbild einer Solaranlage Trafoloser Wechselrichter Netznachbildungen mit Erdkapazitäten J. Kirchhof et al., 33

15 Kapazitive Ableitströme / Ursachen Schaltbild einer Solaranlage Trafoloser Wechselrichter Netznachbildungen mit Erdkapazitäten Kapazitiver Fehlerstrom auf der DC-seitigen (AC-) Netznachbildung J. Kirchhof et al., 34 Einfluss von AbleitströmenMesswerte und Auswirkungen auf EMV Fehlerstrom AC Messungen bei C (DC) ~ 100 nf Störspannung AC Messungen bei C (DC) ~ 2 μf J. Kirchhof et al., 35

16 Einfluss von Ableitströmen Messwerte und Auswirkungen auf EMV Fehlerstrom AC Messungen bei C (DC) ~ 100 nf Störstrom DC Messungen bei C (DC) ~ 2 μf J. Kirchhof et al., 36 Störaussendung AC in Abhängigkeit der DC- Erdkapazität (1) Wechselrichter A, Störspannung AC in Abhängigkeit der DC-seitigen Erdkapazität Pegel / dbµv f / MHz Erdkapazität 2x0,1µF, MaxPeak Erdkapazität 2x1µF, MaxPeak Erdkapazität 2x2µF, MaxPeak EN55011 QPK EN55011 AVG Erdkapazität auf der DC-Seite zwischen DC-NNB und DC-Netzteil J. Kirchhof et al., 37

17 Störaussendung AC in Abhängigkeit der DC- Erdkapazität (1) Wechselrichter B, Störspannung AC in Abhängigkeit der DC-seitigen Erdkapazität 120 Pegel / dbµv f / MHz Erdkapazität 2x4uF MaxPeak Erdkapazität 2X100nF MaxPeak EN55011 QPK Erdkapazität 2X1µF MaxPeak Erdkapazität 2X400nF MaxPeak EN55011 AVG Erdkapazität auf der DC-Seite zwischen DC-NNB und DC-Netzteil J. Kirchhof et al., 38 Störaussendung AC in Abhängigkeit der DC- Erdkapazität (1) Wechselrichter C Störspannung AC in Abhängigkeit der DC-seitigen Erdkapazität Pegel / dbµv f / MHz Erdkapazität 100nF pro Leitung EN55011 QPK Erdkapazität 0,4µF pro Leitung EN55011 AVG Erdkapazität auf der DC-Seite zwischen DC-NNB und DC-Netzteil Bei Kapazitäten > 400nF je Leitung geht der Wechselrichter nicht in Betrieb J. Kirchhof et al., 39

18 Sättigung bei der stromkompensierten EMV- Drossel (SIDENA) Ableitströme sind Gleichtaktströme Ableitströme verursachen Magnetisierung von stromkompensierten Drosseln Bei Sättigung wirkt die Drossel nicht Wicklung mit 5 Windungen Simulation durch Gleichstrom [0A, 1A, 5A] * 5 Windungen J. Kirchhof et al., 40 Sättigung bei der stromkompensierten DC-EMV- Drossel Störspannung am Netzanschluss J. Kirchhof et al., 41

19 EMV Defizite der Normung Grenzwertlücke Ergebnisse des Projekts ESDEPS sowie Kompaktsysteme III (2001) Störemission marktüblicher PV- Wechselrichter Frequenzbereich 9 khz 150 khz Geräte können gestört werden! J. Kirchhof et al., 44 Defizite der Normung Grenzwert-Lücke zwischen 2 khz und 150 khz EN (dbµa) EN Spitzenwert dbµv EN QP dbµv EN AV dbµv ISET Empfehlung QP/AVG dbµv EN QP dbµv EN f QP dbµa/m EN QP dbµv EN AVG dbµv Punktiert = Feldgebunden EN f QP dbµv/m EN f AVG dbµv/m f / MHz Emissionen leitungsgebunden: 100 Hz 2 khz: EN khz 150 khz: Lücke in Fachgrundnorm Anwendbar, PLC-Norm, EN 55011, ISET Empfehlung 150 khz 30 MHz: EN Emissionen feldgebunden: 9 khz 30 MHz: Lücke in Fachgrundnorm Anwendbar: EN 55011, was ist mit EN 50366? 30 MHz 1 GHz: EN J. Kirchhof et al., 45

20 Normung Unterhalb 9kHz DKE UK 767.1, Niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen IEC SC 77 A, Low frequency phenomena Oberhalb 9kHz DKE UK 767.3, Hochfrequente Störgrößen IEC SC 77 B/C, TC 77 DKE UK 767.4, Geräte und Verfahren zum Messen von elektromagnetischen Aussendungen CISPR SC A, Radio interference measurements and statistical methods WR-Taktfrequenz (z.b. 3 khz) und deren Harmonische? FFT-Analyzer oder Messempfänger? J. Kirchhof et al., 46 Leitungsgebundene EMV-Prüfverfahren Niederfrequente Netzrückwirkungen Störströme und Störspannungen 50-Ohm V-Netznachbildung 150-Ohm DC-Netznachbildung J. Kirchhof et al., 47

21 Niederfrequente Netzrückwirkungen (1) Testsystem Künstl. 3-phasiges Netz Signalquelle Analyzer-System Referenzimpedanz Inrush Current Source Messung von Stromoberschwingungen Flicker Spannungsschwankungen Prüfung von Störfestigkeit gegen Spannungsschwankungen Spannungseinbrüche Spannungsunterbrechungen J. Kirchhof et al., 48 AC- und PV-Simulator IWES PV-Simulator 30 kw Dreiphasennetzgerät 90 kw Netzinnenwiderstandsnachbildung Rückspeiseeinheit 90 kw J. Kirchhof et al., 49

22 Störstrome und der Störspannungen Normgerechter Aufbau AC- Netznachbildung DC-LISN (Line Impedance Stabilisation Network) Spezielle Transducer für Kabel und Sonden J. Kirchhof et al., Ohm V-Netznachbildung Schaltbild der Rohde & Schwarz Netznachbildung ESH2-Z5 (nur eine Phase gezeichnet) HF-Ersatzschaltbild (nur eine Phase gezeichnet) J. Kirchhof et al., 52

23 150 Ohm DC-Netznachbildung / DC-LISN Solargenerator-Simulator Wechselrichter-Anschluss Referenzmasse Idee: Standardisiertes DC LISN, optimiert für PV-Eigenschaften Entwurf: Prof. Häberlin (HTA Burgdorf) Verwendung Fraunhofer IWES (Kassel), Fraunhofer ISE (Freiburg), HTA Burgdorf (CH), AIT (ehemals Arsenal) (A) J. Kirchhof et al., 53 Beeinflussung von Zählern durch Stromrichter EMV im Frequenzbereich 9 khz bis 150 khz Störaussendungsmessung Ripple-Strom-Verteilung Störfestigkeitsprüfung Beeinflussung von Energiezählern durch PV-Wechselrichter Vorortmessung Labormessung Entwurf eines Störfestigkeits-Prüfaufbaus Ergebnis mit neuem Prüfaufbau inkl. Validierung J. Kirchhof et al., 56

24 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Störaussendungsmessung Netznachbildungs-Impedanz für eine Phase 100 Messung der asymmetrischen Störspannung an einer Netznachbildung Impedanz: 50 Ohm (50μH + 5 Ohm) Z / Ohm f / khz Impedanz L-N Impedanz L-PE Bezug ist der Schutzleiter Impedanz ist oberhalb 9kHz sehr hoch Ein Wechselrichter sieht die doppelte Impedanz J. Kirchhof et al., 57 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Ripple-Strom-Verteilung Wechselrichter s1 s3 Bei hoher Netzimpedanz tritt kaum netzseitiger Ripplestrom auf s2 Ripplestrom s4 Stromaufteilung L N Netzseitiger Ripplestrom Netzimpedanz Bei niedriger Netzimpedanz Stromverteilung Netzseitiger Ripplestrom Genormte Messverfahren berücksichtigen keinen Ripplestrom! J. Kirchhof et al., 58

25 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Ripple-Strom Vorort Anlage 2, WR2 Störstrom auf L I / A f / khz Störstrom eines Wechselrichters Vorort Effektivwert der Grundschwingung: ca. 0,45 A, Strom ist ein Gegentaktstrom! J. Kirchhof et al., 59 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Ripple-Strom bei kapazitiver AC-Last im Labor Störstrom Wechselrichter am synthetischen Netz Ieff / A f / khz Spektrum des Ripplestroms eines Wechselrichters an kapazitiver Last Effektivwert der Grundschwingung: ca. 0,8 A, Strom ist ein Gegentaktstrom! J. Kirchhof et al., 60

26 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Ripple-Strom einer Heizungspumpe Vorort Vorortmessung: Störstrom, hervorgerufen durch Heizungspumpe Ieff / A f / khz Störstrom einer Heizungspumpe am Elektrizitätszähler Effektivwert der Grundschwingung etwa 0,35 A J. Kirchhof et al., 61 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Ripple-Strom einer Heizungspumpe im Labor Pumpe Maximalleistung, zusätzlicher Kondensator zw. L u N 10 1 I / A f / Hz Störstrom einer Heizungspumpe an kapazitiver Last Effektivwert der Grundschwingung etwa 4 A J. Kirchhof et al., 62

27 EMV im Frequenzbereich 9kHz 150kHz Störfestigkeitsprüfungen CDN Netz Prüfling L L N N Parallelschaltung ergibt 100 Ohm Signalquelle mit 50 Ohm Innenwiderstand Normativ: EN Verwendung von CDN (Koppel- Entkoppel- Netzwerken) Prüfpegel bis 30V Quellenspannung Nur Gleichtakt-Prüfung möglich Störstrom maximal 200 ma Dieses Verfahren kann keine Rippleströme nachbilden! J. Kirchhof et al., 63 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR In einem System treten Störgrößen mit dem Verträglichkeitspegel auf Die Störfestigkeitsanforderungen für Systemkomponenten müssen höher sein Die Störaussendungsanforderungen müssen niedriger sein Damit eine störungsfreie Funktion des Systems gewährleistet ist! Für das System Zähler-Wechselrichter fehlen zwischen 9 khz und 150 khz diese Anforderungen! J. Kirchhof et al., 64

28 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Ergebnis von Vorortmessungen Vorortmessung an 2 Anlagen Anlage 2: Energiemessung über 7 Tage Ergebnis: Energiezähler misst 18,55 % zu wenig! J. Kirchhof et al., 65 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Laboraufbau Synth. Netz Power Analyser Prüfling (Zähler) Wechselrichter Konstanter L1 1 3 R R L2 4 6 U DC L3 7 9 R P C P Prüfzähler N Es standen mehrere geeichte elektronische Energiezähler zur Verfügung Betrieb an sehr niederohmiger dreiphasiger Quelle Parallele Erfassung der tatsächlichen Leistung über geeichten Prüfzähler und kalibrierten Power Analyzer J. Kirchhof et al., 66

29 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Ergebnis von Labormessungen I(AC) / A 10 5 W = 1,237 kw h 10 5 W / 100 Wh 0 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 15:35 Zeit / hh:mm Oben: Power Analyzer Messung Links: Prüfzähler-Messung Bei einem Zähler trat eine Fehlmessung von -59,4 % auf 0 J. Kirchhof et al., 67 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Gemessener Störstrom im Laboraufbau Ieff / A Störstrom Wechselrichter ,1 0,01 Ripplestrom > 1A (niederohmiges Netz) Harmonische etwa 30 db geringer als Grundschwingung 0,001 0,0001 J. Kirchhof et al., f / khz Ripplestrom weist 100-Hz- Modulation auf

30 Störfestigkeit von elektron. Energiezählern Messverfahren - Prüfaufbau Betrieb des Zählers am synthetischen Netz und an Lastwiderstand Kapazitive Überbrückung von Last und Quelle Einspeisung eines Prüfstroms Erfassung mit Power-Analyzer und Impulszähler für Zählerimpulse J. Kirchhof et al., 70 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Signal im Störfestigkeits-Prüfaufbau 10 1 I / A 0,1 0,01 0,001 0, f / kh z U / V ,02-0,01 0 0,01 0,02 t / s J. Kirchhof et al., I / A Spektrum des synthetischen Störstroms Amplitude der einzelnen Spektrallinie: 1A Zeitlicher Verlauf unmoduliert Ein Frequenzscan wäre sinnvoll Modulation optional 100 Hz

31 Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Ergebnis mit neuem Prüfaufbau I (Zähler) / A ,3606 kw 10 5 W / 100Wh :15 18:30 18:45 19:00 19:15 Zeit Synthetischer Störstrom von 1A Oben: Power Analyzer Messung Links: Prüfzähler-Messung Bei dem Zähler trat eine Fehlmessung von -77,9 % auf J. Kirchhof et al., 72 Zähler arbeitet falsch! Beeinflussung von Energiezählern durch PV-WR Ergebnis mit neuem Prüfaufbau, Validierung I (Zähler) / A ,303 kw h 10 5 W / 100 Wh :15 19:20 19:25 19:30 Zeit Synthetischer Störstrom von 0,1A Oben: Power Analyzer Messung Links: Prüfzähler-Messung Bei dem Zähler trat eine Fehlmessung von -0,3 % auf J. Kirchhof et al., 73 Zähler arbeitet korrekt!

32 Störfestigkeit von elektron. Energiezählern Messverfahren - Prüfpegel Imm Level in ma khz ma Sollpegel 0 9k 20k 30k k M Frequenz in Hz Prüfpegelverlauf in Anlehnung an BDEW Dokument Erweiterung des Prüfaufbaus für größere Ströme in Vorbereitung Die Störstrom-Amplitude wird vor der Prüfung kalibriert J. Kirchhof et al., 74 Zwischenfazit EMV Rippleströme werden normativ ungenügend behandelt Störaussendungsprüfungen berücksichtigen nur Störspannungen Messung und Beschränkung des Störstroms von Wechselrichtern muss normativ geregelt werden! Störfestigkeitsprüfungen bilden Rippleströme nicht nach! Betroffen sind auch Energiesparlampen, PFC-Bausteine und Induktionskochfelder Untersuchungen an Zählern Wechselrichter können geeichte Energiezähler beeinflussen, trotz Zählerzulassung durch die PTB Die EMV-Normen bilden den Störfall nicht nach! IWES-Prüfaufbau liefert vergleichbare Ergebnisse, bezogen auf Labormessung und Vorortmessung an Wechselrichtern Normungsarbeit EMV-Norm für PV-Wechselrichter inkl. Anforderungen ist erforderlich J. Kirchhof et al., 76

33 Störaussendungsmessungen Wechselrichter Störstrom / Störspannung Voruntersuchungen an verschiedenen Wechselrichtern Messverfahren im Frequenzbereich Modifizierte AC-Netznachbildung Normenrecherche (z.b. EN 50065) Niedrige Gegentakt-Impedanz Definierte Gegentakt-Gleichtakt Konversion Wahlweise Störspannungs- oder Störstrommessung Festlegung von Grenzwerten J. Kirchhof et al., 78 Einführung PV-Wechselrichter können elektronische Elektrizitätszähler beeinflussen Vom IWES wurde ein Prüfverfahren für Zähler vorgeschlagen Störaussendung für Wechselrichter ist noch offen Das Verfahren sollte Störaussendung begrenzen Niedrige Netzimpedanz simulieren Keine unangemessenen Anforderungen stellen Sich an bekannten Verfahren orientieren Messergebnisse vergleichbar mit CISPR 11 / EN Messungen? J. Kirchhof et al., 79

34 Störaussendungsmessungen Wechselrichter CISPR Netznachbildung Netz L1 (L, L, N) µh 50 µh 4 µf 8 µf PV-Wechselrichter 0,47 µf L1 (L, L, N) 2 3 PE 10 Ohm 5 Ohm Standard EMV-Netznachbildung 9 khz bis 30 MHz Gegentaktimpedanz 10 Ohm 100 Ohm 1 k Ohm 50 Ohm (Messempfänger) J. Kirchhof et al., 80 Störaussendungsmessungen Wechselrichter EN Netznachbildung Netz L1 (L, L, N) µh 50 µh 40 µf 60 µf PV-Wechselrichter 0,47 µf L1 (L, L, N) 2 3 PE 3 Ohm 1,5 Ohm 10k Modifizierte Netznachbildung 3 khz bis 30 MHz Gegentaktimpedanz 3,2 Ohm 100 Ohm 50 Ohm (Messempfänger) J. Kirchhof et al., 81

35 Störaussendungsmessungen Wechselrichter EN Adaptierte Netznachbildung Netz L1 (L, L, N) µh 50 µh 2 µf 8 µf PV-Wechselrichter L1 (L, L, N) µf 0,47 µf 80 µh PE 1,0 Ohm 10 Ohm 5 Ohm 50 Ohm (Messempfänger) Netznachbildung mit adaptiertem Netzwerk (informativ) 9 khz bis 30 MHz Gegentaktimpedanz 1,6 Ohm 100 Ohm J. Kirchhof et al., 82 Störaussendungsmessungen Wechselrichter Modifikation der Netznachbildung Netz L1 (L, L, N) µh 50 µh 2 µf 8 µf PV-Wechselrichter L1 (L, L, N) µf 0,47 µf 2,2 µh PE 0,1 Ohm 10 Ohm 5 Ohm Netznachbildung mit adaptiertem Netzwerk 9 khz bis 30 MHz Gegentaktimpedanz 0,2 Ohm 100 Ohm 50 Ohm (Messempfänger) J. Kirchhof et al., 83

36 Gegentakt-Impedanzen Betrag f / MHz EN50065 EN50065 adapt. ISET adapt. CISPR16 Bisherige Modifikationen ergeben zu hohe Gegentakt-Impedanz IWES-Ansatz liefert niedrige Gegentaktimpedanz Aber: Impedanzverlauf zwischen 150kHz und 6 MHz zu niedrig Achtung: Große Erdkapazität führt zu großen Blindströmen J. Kirchhof et al., 84 Ansatz für neue Grenzwerte Drei Fälle für die Störquelle im Wechselrichter Ideale Spannungsquelle Ideale Stromquelle Spannungsquelle + Innenwiderstand Folgen niedriger Netzimpedanz Ideale Spannungsquelle führt zu hohem Störstrom Ideale Stromquelle führt zu niedrigen Spannungsgrenzwert Spannungsquelle + Innenwiderstand führt zu Spannungsteilung Je nach Impedanz eher Spannungs- oder Stromquellenverhalten J. Kirchhof et al., 85

37 Herleitung der Grenzwerte Ideale Stromquelle Aus CISPR Grenzwert und CISPR Impedanz wird frequenzabhängiger Störstrom berechnet Spannungsabfall dieses Stroms an IWES-Netznachbildung liefert neuen Grenzwert Spannungsquelle + Innenwiderstand Berechnung der Leerlaufspannung für Ri=50 Ohm, CISPR Grenzwert und CISPR Impedanz Berechnung der an der IWES-Netznachbildung abfallenden Spannung Ideale Spannungsquelle Begrenzung des Spannungspegel auf den maximal zulässigen Strom durch die IWES-Netznachbildung J. Kirchhof et al., 86 Grenzwerte 120 Spannung / dbµv f / MHz Störsp. I(CISPR) x Z(IWES) Störsp. Z(IWES) x 100mA Vorgeschlagener Grenzwert EN55011 QP Störsp. IWES 50R Spannungsgrenzwerte an der IWES-NNB Korrelation mit CISPR Grenzwerten für die drei Störquellen J. Kirchhof et al., 87

38 Normungsarbeit DC-Netznachbildung DC-Netznachbildung International, CISPR B WG1 MT GCPC Ziel: CISPR 11 in 2014 mit Messverfahren für GCPC Internationales Expertentreffen, 08/ , Kassel Diskussion über Stand der Technik und Projektplanung National, DKE AK Diskussion über technischen Aufbau der Netznachbildung Diskussion über Messverfahren und Symmetrie der Störung Störmodell und Grenzwerte J. Kirchhof et al., 89 Normungsarbeit Zähler-Störfestigkeit Einspeisung der Ergebnisse in AK Antrag zur Entwicklung der Grundnorm Störfestigkeit gegen einströmende Gegentakt-Störgrößen (3 khz 150 khz) Verteilung in UK EMV von ISM Geräten, K 767 EMV und UK Hochfrequente Störgrößen Zusammenarbeit mit K 461 Elektrizitätszähler Einspeisung in FNN Arbeitskreis Leitfaden zur Bewertung der Zuverlässigkeit und Messbeständigkeit von Elektrizitätszählern und Zusatzeinrichtungen Einspeisung auf internationaler Ebene Die Ergebnisse wurden auf dem intern. Expertentreffen in Kassel verteilt J. Kirchhof et al., 90

39 Unabhängige Normungsaktivitäten zur Grenzwertlücke Untersuchungen zum Störpotenzial bis 150 khz CENELEC SC 205A Mains Communicating Systems, CENELEC TC 210 EMC IEC TC 77B EMC, High Frequency Phenomena Alternatives Testverfahren MIL-STD 461 E Prüfverfahren CS101 (Gegentakt-Störung am Versorgungs- Anschluss) 0,5 Ohm Störquelle Keine Definition für den zweiten Port des Zählers Scope: Elektrische Betriebsmittel im Bordnetz J. Kirchhof et al., 92 Danke für Ihre Aufmerksamkeit J. Kirchhof et al., 94