Elektromagnetische Verträglichkeit und Sicherheitsdesign für Photovoltaische Systeme - Funkstörungen in Photovoltaikanlagen

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1 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2001, Kloster Banz, Staffelstein Elektromagnetische Verträglichkeit und Sicherheitsdesign für Photovoltaische Systeme - Funkstörungen in Photovoltaikanlagen Dr. Thomas Degner, Dipl.-Ing. Norbert enze, Dipl.-Ing. Jörg Kirchhof Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Königstor 59, D Kassel Tel.: , Fax: nhenze@iset.uni-kassel.de Internet: 1 Einleitung Wie alle elektrischen Systeme müssen auch PV-Anlagen die einschlägigen Vorschriften bezüglich Sicherheit und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) von elektrischen Anlagen einhalten. Im Rahmen des von der europäischen Gemeinschaft geförderten Forschungsprojekts ESDEPS (Electromagnetic Compatibility and Safety Design of Photovoltaic Systems) werden die Grundlagen zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit und Sicherheit von PV Systemen erarbeitet. Der inhaltliche Rahmen des Projekts und erste Ergebnisse der Forschung wurden bereits veröffentlicht [1], [2]. Der Schwerpunkt liegt im diesjährigen Beitrag auf der Bewertung von Funkstörungen auf der DC Seite von PV Anlagen und Maßnahmen zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften. ierzu werden insbesondere die hochfrequenten Impedanzen von Solargenerator und Wechselrichter charakterisiert [3]. Darüber hinaus werden EMV Test- Spezifikationen vorgestellt, um die Funkstörungen im Labor erfassen und bewerten zu können. Das Ziel ist die Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Anlage allein aus Labormessungen. Dazu werden Labor- und Vorort-Messung gegenübergestellt. Es zeigt sich, daß in vielen Fällen Labormessungen am Wechselrichter ausreichend sind, um die e- lektromagnetische Verträglichkeit der Anlage sicherzustellen. 2 Forschungs- und Normungsarbeit bezüglich der EMV von PV-Anlagen An PV-Komponenten, insbesondere an den hier betrachteten Wechselrichtern, können mehrere Störphänomene auftreten. Je nach Frequenzbereich werden diesen Phänomenen unterschiedliche Störgrößen zugeordnet. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht. Vor allem Störsignale auf DC Leitungen werden normativ unzureichend erfaßt, so daß hier nach wie vor Normungsbedarf vorhanden ist. Auf der AC Seite ist die Untersuchung der Störsignale unterhalb 150 kz wichtig, um Powerline Communication ungestört zu ermöglichen. Neben der EMV der einzelnen Komponente ist natürlich auch die EMV der gesamten Anlage sicherzustellen. Eine Abstrahlung elektromagnetischer Felder ist hier zu vermeiden. Da die leitungsgebundenen Störungen (, bzw. Funkstörleistung) über die als Antenne wirkende DC-Seite (Kabel+Generator) in gestrahlte Störungen übergehen, kann die Abstrahlung indirekt durch Messung der leitungsgeführten Störungen im Labor erfaßt werden. Diese Zusammenhänge werden derzeit in verschiedenen Forschungsvorhaben unabhängig voneinander untersucht, wobei in [5] der Schwerpunkt auf dem Frequenzbereich unterhalb 30 Mz liegt. Aber auch oberhalb 30 Mz können elektromagnetische Felder existieren, die durch Abstrahlung der Anlage erzeugten werden. Aufgrund der derzeit verwendeten Schaltungstopologien und der Ausbreitungsmechanismen ist ab 300 Mz nicht mehr mit gestrahlten Störungen vom PV Generator zu rechnen.

2 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2001, Kloster Banz, Staffelstein kz 150 kz Wechselrichter Störgröße AC-Seite Störpegel Störgröße DC-Seite Störpegel Störgröße Gehäuse Störpegel 150 kz 30 Mz Frequenz 30 Mz 300 Mz nicht relevant Funkstörleistung niedrig bis 300 Mz 1 Gz nicht relevant Funkstörleistung verschwindend gering nicht relevant nicht relevant Funkstörfeldstärke Funkstörfeldstärke niedrig bis niedrig bis Tabelle 1 Übersicht über auftretende elektromagnetische Störaussendungen bei Wechselrichtern in verschiedenen Frequenzbereichen. Die grau hinterlegten Phänomene ( auf AC-Leitungen und über das Gehäuse abgestrahlte Funkstörfeldstärke) werden in der Normung hinreichend erfaßt. Forschungs- und Normungsbedarf existiert bei den fettgedruckten Phänomenen. 2 Elektromagnetische Emission über den PV Generator und Testspezifikationen, 30 Mz 300 Mz Zur Quantifizierung der elektromagnetischen Emission von Störsignalen über den PV Generator wurden umfangreiche Messkampagnen an Photovoltaikanlagen durchgeführt. Diese Vorort-Messergebnisse werden Labormessungen gegenübergestellt, um mögliche Korrelationen zu finden. Die Grenzwerte für gestrahlte elektromagnetische Störungen müssen eingehalten werden. Eine Beurteilung des abgestrahlten Feldes allein aus Messung der Gehäuseabstrahlung des Wechselrichters in der Absorber alle oder GTEM-Zelle kann unzureichend sein, da die Abstrahlung im wesentlichen über die Gleichstromkabel und den Gene Funkstörfeldstärke [dbµv/m] Frequenz [Mz] Funkstörleistung (Labor) Funkstörfeldstärke (Vorort) Auf 3m umgerechneter Grenzwert nach EN (Quasi Peak) für die Funkstörfeldstärke Abbildung 1 Funkstörleistung des Wechselrichters und Funkstörfeldstärke einer PV-Anlage in 3m Messentfernung Funkstörleistung [dbpw] rator erfolgt. Um dennoch die mögliche Kabel- und Generatorabstrahlung im Labor zu erfassen, bietet sich die Funkstörleistungsmessung auf DC Leitungen an. ier wird die maximal mögliche Störleistung gemessen, die über die als Antenne wirkende Leitungen abgestrahlt werden kann. Die Funkstörleistung wird mit ilfe einer Meßwandlerzange ermittelt, die um die DC Leitung herum angeordnet ist. In Abbildung 1 ist der Verlauf der Funkstörfeldstärke (gemessen an der Anlage) und der Funkstörleistung (gemessen auf den DC Leitungen des Wechselrichters im Labor) gegenübergestellt. Der frequenzabhängige Verlauf dieser beiden Störgrößen ist weitgehend gleich. Wenn die Leistung P einer idealen Antenne zugeführt wird, beispielsweise einem Monopol über leitender Flä-

3 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2001, Kloster Banz, Staffelstein P che, ergibt sich eine Feldstärke im Abstand r von E( r) = 100Ω, [4]. Bei einer gemessenen Funkstörleistung von 60 dbpw würde sich in 3m Abstand eine Feldstärke von r 70,5 dbµv/m einstellen. Aufgrund des schlechteren Antennenfaktors der PV-Anlage ist die tatsächlich gemessene Feldstärke geringer. Mit der Funkstörleistungsmessung läßt sich demnach eine worst-case Abschätzung des abgestrahlten Feldes vornehmen, so daß damit prinzipiell auf Vorort-Messungen verzichtet werden kann. Diese EMV-Eigenschaft der Anlage, d.h. die gestrahlte Funkstörfeldstärke über 30 Mz, kann allein aus Labormessungen vorhergesagt werden. Die Störungen können bis zu 200 Mz gehen, wie aus Abbildung 1 ersichtlich ist. Die Gehäuseabstrahlung kann relativ einfach erfasst werden (GTEM-Zelle, Absorberhalle, Freifeld). Zur Bestimmung der Generatorabstrahlung sind jedoch aufwendige Vorort-Messungen erforderlich. Diese können jedoch durch eine Messung der Funkstörleistung umgangen werden. DC-Leitung DC-Versorgung (Konstanter, Simulator) Zangengleitbahn Messwandlerzange Abbildung 2 Messung der Funkstörleistung auf Gleichstromleitungen Messempfänger Wechselrichter Der Meßaufbau hierfür ist in Abbildung 2 dargestellt. Entlang der über eine Länge von 6m aufgespannten Gleichstromleitung bilden sich stehende Wellen aus. Für jede Frequenz wird das Maximum der Funkstörleistung durch Verschieben der Meßwandlerzange gesucht. Mit diesem Verfahren wird die maximal mögliche Störleistung ermittelt. Aufgrund von Fehlanpassungen wird die tätsachlich an einem PV Generator zur Verfügung stehende Leistung geringer sein. Netz 3 F-Impedanzen von Solargenerator und Wechselrichter, 150 kz 30 Mz Die genaue Kenntnis der hochfrequenten Impedanz des Solargenerators ist einerseits wichtig, um die Messungen von Funkstörgrößen richtig zu interpretieren. Andererseits möchte man die EMV Messungen von PV Komponenten im Labor duchführen. ierzu muß der Solargenerator aus F-technischer Sicht nachgebildet werden. Das heißt, das Modell des Generators ist in diesem Fall eine bestimmte Impedanz, die als Last für die im Wechselrichter erzeugten Störsignale dient 1.InAbbildung 3 ist die (Last-) Impedanz des PV-Generator bei Gleichtaktanregung und die (Quellen-) Impedanz eines Wechselrichters dargestellt. Die Ergebnisse wurden mit einem U-I Verfahren gewonnen und zeigen nur die Beträge der im Allgemeinen komplexen Impedanzen. Im unteren Frequenzbereich fällt die Impedanz mit 20dB pro Dekade aufgrund der Kapazität des Generators gegen Erde. Die langen DC Leitungen wirken als Induktivität, so daß sich bei etwa 1.3 Mz eine Resonanzstelle ausbildet. Mit zunehmender Frequenz überwiegt dann der induktive Anteil der Leitungen und die Impedanz steigt wieder an. Die Leistungsanpassung zwischen Quelle und Last ist meist schlecht. Dennoch können insbesondere im Nahfeld hohe elektrische und magnetische Feldstärken auftreten. 1 In dem betrachteten Frequenzbereich bis 30 Mz spielt die Impedanz eine besondere Rolle, da sie als Lastimpedanz für die smessung dient. Sie muß genormt sein, da im allgemeinen die gemessene Spannung abhangig ist von der Impedanz an der sie abfällt. Dem gegenüber fällt der Generatorimpedanz bei der zuvor beschriebenen Funkstörleistungsmessung (30 Mz 300 Mz) diese Rolle nicht zu, da hier die Meßwandlerzange selbst die Lastimpedanz bildet, die zudem durch ein Verschieben entlang der Leitung aufgrund von Leitungstransformationen verstimmt werden kann.

4 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2001, Kloster Banz, Staffelstein Abbildung 3 Gleichtakt-Impedanzen auf der DC Seite einer PV Anlage Abbildung 4 Funkstörstrom eines Wechselrichters Abbildung 4 zeigt den vom Wechselrichter erzeugten Störstrom. Gegenübergestellt sind die Messungen direkt an der Anlage mit einer Lastimpedanz entsprechend Abbildung 3 und im Labor an einer konstanten Last von 150 Ω. Man erkennt deutliche Unterschiede aufgrund der frequenzabhängigen Impedanz. Zwischen 1Mz und 2Mz ist die Generatorimpedanz (Gleichtakt) relativ klein. Der Störstrom des Wechselrichters hat an dieser Stelle ein Maximum. Anhand dieser Störstrommessung wird deutlich, daß die Auswirkungen der vom Wechselrichter erzeugten Störungen abhängig von der Anlagenkonfiguration sein können. 4 Maßnahmen zur Vermeidung von Störungen Im Rahmen des Projektes ESDEPS wurden Maßnahmen untersucht, um die EMV- Eigenschaften von PV-Anlagen zu verbessern. Ein Ziel hierbei ist eine Verringerung der gestrahlten Störgrößen (elektrische und magnetische Felder) auf der DC Seite. EN QP-Grenzwert Abbildung 5 Filtermontage in einem Wechselrichter mit schlechter Masseführung. Abbildung 6 eines Wechselrichters Es hat sich gezeigt, daß eine nachträgliche Verminderung der vom Wechselrichter hervorgerufenen Störungen problematisch ist. Eine Schirmung der DC Leitungen zur Verminderung

5 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2001, Kloster Banz, Staffelstein der Abstrahlung oder eine Ableitung des Störstromes mit ilfe von Filtern ist nur möglich, wenn am Anlagenort eine sehr gute Masse zur Verfügung steht, um den F Strom niederohmig abfließen zu lassen. Der bessere Weg ist die Vermeidung von Störungen im Wechselrichter selbst. Oft werden jedoch bei der Verwendung von EMV-Bauelementen Fehler begangen, die eine mangelnde Störsignalunterdrückung zur Folge haben. In Abbildung 5 sind zwei handelsübliche EMV Filter zur Entstörung der AC- und DC-Leitungen zu erkennen. Unglücklicherweise sind die Filter nicht direkt an das Gehäuseblech geschraubt, sondern auf einem Metallbügel (siehe Pfeil) montiert. Außerdem befindet sich am Masseanschluß der Filter ein zu langes Verbindungskabel. Aufgrund dieser etwas ungünstigen Montage kann die Wirkung des Filters erheblich beeinträchtigt werden. Zu Versuchszwecken wurden zusätzlich zu diesem internen Filter auf der DC Seite weitere Fillterkomponenten eingefügt (zwei Y-Kondensatoren mit guter Masseanbindung und eine stromkompensierte Drossel). Die Meßergebnisse der nur mit internem Filter und mit zusätzlichen Filterelementen sind in Abbildung 6 gegenübergestellt. Mit geringem Aufwand lassen sich hier erhebliche Verbesserungen erzielen. Ein sorgfältiges Schaltungslayout sowie eine sachgerechte Verwendung von EMV Bauelementen im Wechselrichter sind die wirksamsten Mittel zur Sicherstellung der EMV Eigenschaften der gesamten Anlage. 5 EMV-Test Spezifikationen für en auf der DC Seite EMV Messverfahren müssen den Erfordernissen photovoltaischer Komponenten gerecht werden, um realitätsnahe und reproduzierbare Messungen durchführen zu können. Daher ist es notwendig, die Messverfahren hinreichend genau zu spezifizieren. Zum Beispiel ist zur Messung der (150 kz 30 Mz) auf DC Leitungen eine Netznachbildung mit definierter Impedanz erforderlich. Diese Impedanz muß die zum Teil divergierenden Anforderungen der technischen Realisierbarkeit und der Simulation der PV Generatorimpedanz erfüllen. Im Wechselrichter befinden sich Störquellen, die hochfrequente Störsignale auf DC und AC Leitungen erzeugen. Diese Störungen werden als Störspannung gemessen, die an einer Lastimpedanz abfällt. Auf der AC Seite ist dies die Netzimpedanz. Für reproduzierbare Messungen muß diese Impedanz stabil und in jedem Labor gleich sein. Um dies zu erreichen, PV Generator (Simulator) 16m 16m 400µ 10kΩ 10kΩ 400µ 0,3µ 150Ω 150Ω 0,3µ Z1 Z1 Wechselrichter Abbildung 7 Eine mögliche Realisierung einer DC Netznachbildung existieren Netznachbildungen, die diese Anforderungen erfüllen. Auf der DC Seite fällt die an der Generatorimpedanz ab. Aus Abbildung 3 ist ersichtlich, daß diese Impedanz nicht fequenzunabhängig ist. Zudem ist sie aufgrund unterschiedlicher Generatorkonfigurationen und der damit verbundenen variablen Generator-Erde Kapazitäten und Leitungsinduktivitäten für jeden Generator verschieden und schwankt in Abhängigkeit der Frequenz zwischen 10 Ω und 10 kω, was auch durch numerische Berechnungen bestätigt werden kann [6]. Um dennoch reproduzierbare Labormessungen der durchführen zu können, ist eine Generator Nachbildung nach Abbildung 7 erforderlich. ier wird eine Netznachbildung mit 150 Ω zur Messung

6 16. Symposium Photovoltaische Solarenergie, März 2001, Kloster Banz, Staffelstein der unsymmetrischen auf DC Leitungen dargestellt. Andere Arbeiten favorisieren eine Netznachbildung mit einer Gleichtaktimpedanz von 250 Ω (asymmetrisch) und einer Gegentaktimpedanz von 100 Ω (symmetrisch) [6]. 6 Ausblick Aus den zuvor beschriebenen Arbeitsinhalten ergeben sich die folgenden Ziele der gegenwärtigen Tätigkeiten. Empfehlungen zur Installationen von PV Anlagen zur Vermeidung von EMV Problemen müssen erarbeitet werden. Besonders wichtig sind auch inweise für die korrekte Verwendung von EMV-Bauelementen. Grenzwerte der bzw. der Funkstörleistung auf DC Leitungen müssen definiert werden. Die Grundlage hierfür bilden die bisher durchgeführten umfangreichen Untersuchungen. Das Ziel ist, durch geeignete Grenzwerte für leitungsgebundene Störungen die Einhaltung von Grenzwerten für gestrahlte Störungen zu gewährleisten. Diese Grenzwerte sollen die elektromagnetische Verträglichkeit von PV Anlagen sicherstellen. Außerdem sind Messverfahren und Testspezifikationen als Vorschläge für zukünftige Normungen bezüglich der EMV von PV Komponenten zu entwickeln. Das Projekt ESDEPS wird teilweise von der EU unter der Vertragsnummer JOR3-CT im Rahmen des Non Nuclear Energy Programme Joule III gefördert. 7 Literatur [1] T.Degner W. Enders, A. Schülbe,. Daub u.a.: EMC and Safety Design for photovoltaic Systems". 16th European Photovoltaic Conference and Exhibition, Glasgow May [2] T.Degner W. Enders, A. Schülbe,. Daub u.a.: Elektromagnetische Verträglichkeit und Sicherheitsdesign für Photovoltaische Systeme Ergebnisse aus dem Projekt ESDEPS. 15. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein 2000 [3] N. enze, J. Kirchhof, B. Rothauge: ochfrequenzeigenschaften von photovoltaischen Generatoren Die Ausbreitung von Funkstörungen in Photovoltaikanlagen. 15. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein 2000 [4] K. Gonschorek,.Singer: Elektromagnetische Verträglichkeit, B.G. Teubner Verlag, Stuttgart, 1992 [5] S. Schattner, u.a.: PV-EMI Developing Standard Test Procedures for the Electromagnetic Compatibility (EMC) of PV Components and Systems., 16th European Photovoltaic Conference and Exhibition, Glasgow May [6] S. Schattner, u.a.: A New Measurement Technique ensuring the EMC of Photovoltaic Systems, 14 th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, Zürich February 20-22, 2001.