Wechselrichterwechselwirkungen - Testergebnisse aus dem Forschungsprojekt SIDENA

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1 Wechselrichterwechselwirkungen - Testergebnisse aus dem Forschungsprojekt SIDENA Dr. C. Bendel, Peter Funtan, Jörg Kirchhof, David Nestle Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Verein an der Universität Kassel ISET e.v., Königstor 59, Kassel Tel.: (561) , Fax: (561) info@sidena.de Internet: 1 Einleitung und Zielsetzung Mit zunehmender Einbindung von dezentralen netzgekoppelten Energieerzeugungsanlagen (DEA), z. B. PV- Anlagen, BHKW s, Brennstoffzellen u. a. in das elektrische Energieversorgungsnetz müssen die Fragen der Personen- und Anlagensicherheit sowie der Netzzuverlässigkeit und qualität neu überdacht werden. Die dezentralen Energieerzeugungsanlagen (DEA), die beispielhaft über Wechselrichter ins öffentliche Netz einspeisen, verursachen und erfahren Wirkungen an der Netzanschlussstelle, deren störende Ursachen zu klären sind. Bei diesen störenden Ursachen handelt es sich um Kompatibilitätsprobleme der Netzabschalteinrichtungen (ENS) zum Netz, aber auch bei größerer Anzahl an einem Netzanschlusspunkt untereinander. Die nachteiligen Wirkungen sind in der Mehrzahl zu häufige unbegründete Bild :1 SIDENA-Teststand Abschaltungen und damit eine unzuverlässige Betriebsweise. Bei einer höheren Durchdringung der Netze mit DEA ist das von zunehmender Bedeutung. Im Rahmen des Projektes SIDENA ( Sicherheitsaspekte bei dezentralen netzgekoppelten Energieerzeugungsanlagen ) werden daher unterschiedliche Wechselwirkungen am Netzanschlusspunkt untersucht und der Betrieb von derzeitig max. 22 PV-Wechselrichtern sowohl ACals auch DC-seitig geprüft.

2 2 Ergebnisse 2.1 Hardwaresimulation eines Netzausläufers Mit zunehmender Anzahl installierter netzgekoppelter PV-Anlagen, ist in steigendem Ausmaß mit dem Parallelbetrieb von PV-Wechselrichtern unterschiedlicher Hersteller innerhalb eines Niederspannungsnetzes zu rechnen [1]. Um das Verhalten der Wechselrichter und deren Wechselwirkungen in einer derartigen Situation untersuchen zu können, wurde im Rahmen des Projektes SIDENA im Großlabor DeMoTec ein Teststand (Bild 1) aufgebaut [2] [3], der die hardwaremäßige Simulation eines Netzausläufers eines Niederspannungsnetzes erlaubt. An diesem Teststand können bis zu 22 Wechselrichter unterschiedlicher Hersteller gleichzeitig im Betrieb untersucht werden. Alle eingespeisten Ströme und die Netzspannungen unterschiedlicher Stränge werden mit einer Abtastrate von ca. 1 khz gemessen und mittels einer für diese Anwendung entwickelten Software ausgewertet. 2.2 Gemessene Phänomene Die Messungen zeigen, dass auch bei einem massiven Parallelbetrieb von Solarwechselrichtern keine wesentlichen Auswirkungen auf den Oberschwingungsgehalt der Netzspannung im Frequenzbereich bis 2 khz, oder den Betrieb von Rundsteueranlagen zu erwarten sind. Auch eine Beeinträchtigung von Powerline-Kommunikation (PLC) ist nicht zu beobachten. Sprung maximale Abschaltzeit t / sec Bild 2: Abschaltverhalten nach Impedanzsprung um,7 Ω bei Betrieb von 12 PV- Wechselrichtern mit ENS Verstärkte Untersuchungen befassten sich mit dem Verhalten mehrerer PV- Wechselrichter an einem Netzanschlusspunkt. Nach einem provozierten Sprung der Netzimpedanz um mehr als.5 Ω zeigte sich, dass einige der beteiligten PV- Wechselrichter mit einer ENS (nach dem derzeitigen Stand der Technik) bei allen Versuchen innerhalb der vorgeschriebenen Zeit von 5 sec abschalteten, jedoch gab es auch zusätzliche Fehlabschaltungen ohne Impedanzsprung. Andere brauchten mehr als 5 sec

3 U / V Bild 3: t / sec Überspannung während des Abschaltvorgangs zur Abschaltung (Bild 2). Auch diese reagierten mit Fehlabschaltungen beim bloßen Parallelbetrieb. Generell zeigt sich, dass bei niedriger Netzimpedanz ein stabiler Parallelbetrieb unterschiedlicher Wechselrichter möglich ist. Mit größer werdender Netzimpedanz (z. B. mehr als,7 Ω) nehmen die Fehlabschaltungen zu. Außerdem wurde festgestellt, dass einige PV-Wechselrichter bei Netztrennung eine Rechteckspannung mit Amplituden bis 45 V erzeugen, wenn keine Verbraucher parallel geschaltet sind, die die Einspeiseleistung aufnehmen können (Bild 3). Nach Angabe der betroffenen Hersteller wurde die Produktion dieser Geräte bereits eingestellt. Noch im Einsatz befindliche Geräte werden kostenfrei ausgetauscht. Bemerkenswert ist dabei, dass dieser Fall durch die Normung bisher nicht abgedeckt ist, obwohl bei Abtrennung eines einzelnen Niederspannungsanschlusses oder eines ganzen Teilnetzes die Gefahr besteht, dass hierdurch kleinere parallel angeschlossene Verbraucher beschädigt werden können. 2.3 Kapazitive Ableitströme und Berührungskapazitäten an Solarmodulen und Solargeneratoren K apazitä t / n F Messungen an Solarmodulen Bild 4: BP-Solar Dünnschicht Rahmenlos Siemens SM5 Glas- Folie Siemens SM55 Glas- Folie Solarnova pq14-15d Glas-Glas Rahmenkapazität Handkapazität Vorderseite Handkapazität Rückseite AEG 4/15 Glas-Glas AEG PR5_72HD Glas-Glas Kapazitäten verschiedener PV-Module (A=55m²) Solargeneratoren verfügen über verschiedene parasitäre Kapazitäten, die durch den Aufbau der Solarmodule hervorgerufen werden. Neben der PV-Modulrahmen-Kapazität kommt es bei Handberührung der PV-Modulglasfläche zusätzlich zu einer Handkapazität bzw. Berührungskapazität. Die Größe dieser Kapazitäten werden im Rahmen eines weiteren Untersuchungsschwerpunktes im Projekt SIDENA für verschiedene PV-Module unter-

4 Erd-Kapazitäten des PV- Generators PV- Generator Wechselrichter schiedlicher Herstellungstechnologien bestimmt. Es + Netz zeigt sich, dass Glas/Folien- L Module über höhere Solarzellen/Rahmen - Kapazitäten verfügen als Glas/Glas- N Module. Auch die rückseitige - kapazitiver Ableitstrom Berührkapazität ist bei diesen PV-Modulen deutlich höher. ERDE Die bei vielen trafolosen Wechselrichtern an der Gleichspannungsseite auftretende Wechselspannungsüberlagerung [4], verursacht Bild 5: Ein möglicher Pfad von kapazitiven Ableitströmen in PV-Anlagen an den beschriebenen Erdund Berührungskapazitäten kapazitive Ableitströme [5], [6], die auf verschiedenen Wegen über die Hausinstallation einen geschlossenen Stromkreis bilden. Zwar sind die Kapazitäten eines einzelnen Moduls verhältnismäßig klein, falls jedoch die Wechselspannungskomponente am PV-Generatoranschluss eine ungünstige Kurvenform aufweist (hoher Oberschwingungsanteil, großes di/dt), kann auch bei kleinen Kapazitäten ein relativ hoher Spitzenstrom auftreten. Im Fall einer Berührung des PV-Generators durch eine Person fließt ein kapazitiver Teilstrom über den Körper des Probanden und kann unter ungünstigen Umständen die Wahrnehmungsschwelle der Person deutlich überschreiten. Zwar ist solch ein Strom nicht lebensgefährlich, in kritischen Situationen kann aber dennoch eine indirekte Gefährdung der Person auftreten (Schreck mit Absturz). Simulationen und Messungen haben Spitzenströme im ma-bereich ergeben, wenn an dem PV-Generator ein trafoloser Wechselrichter mit 5-Hz-Umklapper bei einer PV- Spannung von 4 V betrieben wird Messung von kapazitiven Ableitströmen Um Aussagen zum Gefährdungspotenzial durch kapazitive Ableitströme machen zu können, muss eine geeignete Prüfanordnung über einen aussagefähig langen Zeitraum unter realen Bedingungen betrieben werden. Für die Dauer von zwei Monaten (Mai bis Juni 23) wurde ein transformatorloser PV-Wechselrichter mit Vollbrücke an einem Solargenerator, bestehend aus Glas/Glas- und Glas/Folie-Modulen, angeschlossen und netzparallel betrieben. Zielsetzung war zunächst die Wirkung der meteorologischen Einflussgrößen, insbesondere Bestrahlungsstärke, Temperatur und Feuchte zu ermitteln. Als Kontaktfläche diente ein Aluminiumprofil mit den Abmessungen 2 cm x 1 cm, das auf der Rückseite der Module isoliert angebracht worden war. Die Messung des Ableitstromes erfolgte zwischen dieser Handnachbildung und dem geerdeten Gestell des PV- Generators. Der Messzyklus betrug 1 Minuten. Die Ergebnisse zeigen, dass sich für

5 das Glas/Glas-Modul, unabhängig von allen Einflussgrößen, nahezu konstante Werte für den kapazitiven Ableitstrom von 17 µa eff während des Wechselrichterbetriebs einstellen. Bei dem Glas/Folie-Modul wurde ein Ableitstrom von 48 µa eff bis 68 µa eff gemessen. Der im Vergleich höhere Strom ist aufbaubedingt auf eine höhere Koppelkapazität (Abstand, Dielektrikum) zurückzuführen. 8 Ableitstrom in µa Messdauer: Glas/Glas- Zeit Glas/Folie- Bild 6: Messung von kapazitiven Ableitströmen an unterschiedlichen Modultypen Erwähnenswert ist ebenfalls, dass der Strom über den Messzeitraum nahezu kontinuierlich in den oben genannten Grenzen ansteigt, was auf die steigenden Umgebungstemperaturen und die damit sich ändernden Bedingungen in Bezug auf die Kontaktierung zwischen Folie und Handnachbildung zurückzuführen war. Versuche mit der menschlichen Hand haben ergeben, dass in Abhängigkeit der Anpressdruckes der Ableitstrom mehr als DC-Spannung in V DC-Strom in A DC-Spannung in V DC-Strom in A Zeit in ms Zeit in ms Bild 7: Gleichstromseitige Strom- und Spannungsverhältnisse für eine Vollbrücke und einen Einphasen-Chopper. verdoppelt werden kann. Feuchtigkeit in Form eines angefeuchteten Tuches an der Kontaktstelle hat eine ähnliche Wirkung. Dennoch bleibt festzustellen, dass die gemessenen Ströme für diese Messanordnung noch weit unter der Wahrnehmbarkeitsgrenze durch den Menschen liegen. Weiterhin zeigte sich, dass der Ableitstrom, bezogen auf die Messdauer, unabhängig von der Bestrahlungsstärke und damit von der im Wechselrichter umgesetzten Leistung ist. Um zu ermitteln, welche Wirkung die Wechselrichtertopologie auf den Ableitstrom hat, wurden einige auf dem Markt verfügbare Geräte diesbezüglich getestet. Bild 7 zeigt die bestehenden Strom- und Spannungsverhältnisse auf der

6 DC-Seite bei einem PV-Wechselrichter mit Vollbrücke (links) und einem Einphasen- Chopper (rechts). Ableitstrom in µa Ableitstrom in µa Die ersten belastbaren Untersuchungsergebnisse zum gemeinsamen Betrieb von PV- Wechselrichtern mit ENS an einem Netzkoppelpunkt offenbaren Defizite beim Stand der Technik. Die Sicherheitsstandards werden eingehalten, aber die unnötigen Abschaltungen führen zu wirtschaftlichen Defiziten. Zusätzliche Oberschwingungen im Bereich bis 2 khz werden nicht verursacht, im Gegenteil, die Netzfilter wirken als Saugkreise. Im Bereich höherer Frequenzen, insbesondere im Bereich der Taktfrequenzen der Wechselrichter, kann bei Parallelbetrieb mehrerer Wechselrichter ein Anstieg der leitungsgebundenen Störungen auftreten, wenn die Ausgangsfilter der einzelnen Wechselrichter in die Glas/Glas- Zeit in ms Glas/Folie Glas/Glas- Zeit in ms Glas/Folie- Bild 8: Gemessene Ableitströme für zwei unterschiedliche Wechselrichtertopologien In Bild 8 sind für jede Topologie die resultierenden kapazitiven Ableitströme für jeweils das Glas/Glas- und Glas/Folie-Modul dargestellt. Während bei der Vollbrücke (links) Werte von 17 µa eff bzw. 68 µa eff gemessen wurden, liegen die Werte für den Einphasen- Chopper (rechts) bei 92 µa eff für das Glas/Glas-Modul und 39 µa eff für das Glas/Folie- Modul. Vergleicht man die Messwerte beider Wechselrichtertopologien miteinander, so ist zu erkennen, dass sich für den Einphasen-Chopper-Wechselrichter ein um ein vielfaches höherer Ableitstrom einstellt. Auch diese Werte liegen noch nicht in dem Bereich, der eine Gefährdung von Personen zur Folge haben kann. Jedoch musste ebenfalls festgestellt werden, dass die an der Handnachbildung gemessenen Spannungen gegen Erde zu durchaus schmerzhaften elektrischen Schlägen führten. Die höchsten gemessenen Spannungswerte von 145 V eff konnten an Glas/Folie-Modulen in Kombination mit dem Einphasen-Chopper gemessen werden. Entsprechend lagen die Werte für die Vollbrücke bei ca. 75 V eff. Derart hohe Spannungen stellen insofern ein Gefährdungspotenzial da, weil ein unvermittelt auftretender elektrischer Schlag im nur unzureichend gesicherten Dachbereich zu Stürzen mit nicht absehbaren Folgen führen kann. 3 Schlussfolgerungen

7 ser Situation zu einem resonanten elektrischen Netzwerk werden. Bei einer hohen Gerätekonzentration sollte dieser Sachverhalt z. B. für Rundsteuersignale (< 2 khz) oder ähnliche Kommunikationstechniken (> 2 khz) Berücksichtigung finden. Um ein Abschaltverhalten mit deutlicher Überspannung, wie bei den beschriebenen älteren Geräten, künftig auszuschließen, sollte in der Normung eine zusätzliche Spannungsgrenze für den Fall einer kurzfristigen Abschaltung der Netzspannung eingeführt werden, die selbst bei Leerlauf der betreffenden DEA nicht überschritten wird. Die Weiterentwicklung von Netzabschalteinrichtungen gegenüber dem Stand der Technik ist dringend erforderlich. Entwicklungsziele müssen die Einhaltung des Schutzziels und eine hohe Zuverlässigkeit bei hoher Gerätekonzentration sein, so wie es auch im DKE Normprojekt vorgeschlagen wurde. Die oben beschriebenen Tests werden mit neuen ENS-Verfahren/ Geräten am realen Netzanschlusspunkt fortgesetzt. Die an mit trafolosen Wechselrichtern verschalteten Solargeneratoren ermittelten kapazitiven Fehlerströme lagen teilweise unterhalb der Wahrnehmungsschwelle, können aber in Einzelfällen auch die Wahrnehmungsschwelle deutlich überschreiten. Während der durchgeführten Langzeitmessungen machte sich ein deutlicher Klimaeinfluss bemerkbar. Weiterhin hat sich gezeigt, dass bestimmte Wechselrichtertopologien (Trafolose Wechselrichter mit Einphasen-Chopper) nur in Verbindung mit Glas/Glas-Modulen eingesetzt werden sollten, da anderenfalls eine unzulässige Gefährdung durch kapazitive Ableitströme auftreten kann. Die Arbeiten wurden im Rahmen des Projekts "Sicherheitsaspekte bei dezentralen netzgekoppelten Energieerzeugungsanlagen" SIDENA - durchgeführt. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (FKZ 3299C) und zu 25 Prozent von Industriepartnern unterstützt ( Literatur: [1] C. Bendel et. al.: Sicherheitspakete in dezentralen netzgekoppelten Energieerzeugungsanlagen (SIDENA), ETG-Workshop, Frankfurt 2/23 [2] C. Bendel et. al.: Sicherheitsaspekte bei dezentralen netzgekoppelten Energieerzeugungsanlagen Erste Ergebnisse des Forschungsprojektes SIDENA, 18. Symposium, Staffelstein 3/23 [3] D. Nestle et. al.: Sicherheitspakete in dezentralen netzgekoppelten Energieerzeugungsanlagen, ETG-Workshop, Frankfurt 11/23 [4] H. Schmidt et. al.: Gefährdungspotenzial transformatorloser Wechselrichter Fakten und Gerüchte, 18. Symposium, Staffelstein 3/23 [5] J. Kirchhof: EMV-Messverfahren und Grenzwerte, Seminar EMV und Blitzschutz in Photovoltaik-Anlagen. Freiburg, OTTI 11/23 [6] J. Kirchhof: Elektromagentische Verträglichkeit von photovoltaischen Anlagen Projektergebnisse SIDENA, ITG-Tagung EMV, München 1/23