POWER QUALITY Vertiefungsseminar 2007 Photovoltaikanlagen Prof. Dr. Jürgen Schlabbach, Fachhochschule Bielefeld

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Thomas Martin Schenck
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1 POWER QUALITY Vertiefungsseminar 27 Photovoltaikanlagen Prof. Dr. Jürgen Schlabbach, Fachhochschule Bielefeld 1. Grundlagen der Photovoltaik 2. Funktioneller Aufbau von Wechselrichtern 3. Wechselrichter in PV-Anlagen 4. Störaussendungen von PV-Anlagen 5. Netzanschlussbedingungen und Normung 3 farbige Präsentationsfolien

2 Maximum Power Point Änderung MPP-Spannung in Abhängigkeit von der Strahlung bzw. der Temperatur

3 Prinzip netzgeführter Wechselrichter Quelle: Leitfaden Photovoltaische Anlagen Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie 3. Auflage 25, VWEW-Verlag, Frankfurt [12]

4 Prinzip selbstgeführter Wechselrichter Quelle: Leitfaden Photovoltaische Anlagen Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie 3. Auflage 25, VWEW-Verlag, Frankfurt [12]

5 Tiefsetzsteller u L = L di L dt u Last = U G u L für t T E mit u L > u Last u L für T E t (T E + T A ) mit u L < u D = u Last = U m G m = T T E S i Last = i G 1 m [12]

6 Wechselrichter mit/ohne Transformator Merkmale Vorteile Nachteile Eingangs- und Ausgangsspannung getrennt Meist zentrale Wechselrichter Weit verbreitet Schutzkleinspannung möglich (U<12V, bei Berührung der DC-Seite keine gefährlichen Körperströme) Langjährige Betriebserfahrungen Verminderung der EMV-Beeinflussung Potentialausgleich des PV-Generators nicht unbedingt erforderlich Transformatorverluste Höheres Gewicht Baugröße PV-Generatorspannung deutlich über Scheitelwert der Netzspannung oder Einsatz von DC/DC-Hochsetzstellern Meist Strang- oder Modulwechselrichter Höherer Wirkungsgrad Geringes Gewicht Geringe Baugröße Verminderte DC-Installation bei Strang- oder Modulwechselrichtern Einsatz zusätzlicher Schutzeinrichtungen, z.b. im WR integrierte DCsensitive FI-Schutzschaltung Spannungsführende Teile sind abzuschirmen Höhere EMV-Beeinflussung Installation nach Schutzklasse II Quelle: Leitfaden Photovoltaische Anlagen Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie 3. Auflage 25, VWEW-Verlag, Frankfurt

7 ENS-Signal ENS-Signal eines PV-Wechselrichters P r,ac =85W (5% Ausgangsleistung) Stromimpuls 4A Dauer ca. 3ms, Wiederholrate 1s [12]

8 Solare Strahlung und erzeugte Leistung Solar Radiation Solare Strahlung Leistung Power in [W] W Solare Solar Starhlungsdichte Radiation [W/m2] in W/m 2 PV-Leistung PV-Power Dauer: 3 Tage P PV = 3. kw P WR = 2.55 kw P max = 2.27 kw : : : : : : : : : : : : Zeit Time

9 PV 3kW: P und THD i -Woche THD i [%] 7 P 6 4 P [kw] THD I : : : : : : : : : : : : :14 Datum / Uhrzeit 1 Woche im Juli 25 Netzanschluss 4V Kabel-/Freileitungsnetz, ländlich

10 PV 3kW: P und THD i -Tag 7 THD i [%] 6 5 P 3 P [kw] THD I : 4: 8: 12: 16: 2: : Uhrzeit Netzanschluss 4V Kabel-/Freileitungsnetz, ländlich

11 PV 3kW: THD i und relative Leistung 7 h= I THD = h THC = ( ) I I I h 1 h= THD i in % 6 6 THC in ma THC THD i P/P nenn in % Messwerte einer Woche

12 PV 3kW: Stromoberschwingungen (A),6 I [A],5,4,3 2,3 1,14,77-5% Pnenn 5-1% Pnenn 1-15% Pnenn 15-2% Pnenn 2-4% Pnenn 4-6% Pnenn 6-1% Pnenn EN ,2,1, Harmonische Oberschwingungsordnung

13 PV 3kW: Stromoberschwingungen (%) 3 I n /I 1 [%] % Pnenn 5-1% Pnenn 1-15% Pnenn 15-2% Pnenn 2-4% Pnenn 4-6% Pnenn 6-1% Pnenn Harmonische Oberschwingungsordnung

14 PV 3kW: OS-Strom und OS-Spannung Oberschwingungsstrom in ma th 11 th 3 rd 5 th,,5 1, 1,5 2, 2,5 7 th P n = 3kW P = 1.38kW kW Oberschwingungsspannung in % Messung im,4-kv-netz, Leistungsbereich 1,38kW 1,43kW

15 PV 5kW: THD I und rel. Leistung THD (I) 25 [%] Grenzwert DIN EN für r= relative Leistung P / P n [%]

16 PV 5kW: Stromoberschwingungen (A),5 I in A,5,4,4,3,3,2-5 % Pr 5-1% Pr 1-15 % Pr 15-2 % Pn 2-4 % Pr 4-6 % Pn 6-1 % Pr >1 % Pr,2,1,1, Oberschwingungsordnung

17 PV 5kW: Stromoberschwingungen (%) 12 Ih/I1 in % % Pr 5-1% Pr 1-15% Pr 15-2% Pr 2-4% Pr 4-6% Pr 6-1% Pr >1% Pr Grenzwerte nach DIN EN für r=33 Grenzwert VDN Technische Regeln Oberschwingungsordnung

18 PV 5kW: OS-Strom und OS-Spannung P n = 5kW P = 2.35kW kW OS-Strom in ma ,,5 1, 1,5 2, 2,5 OS-Spannung in % Messung im,4-kv-netz, Leistungsbereich 2,35kW 2,45kW

19 PV 5kW: OS-Strom und -Spannung I Oberschwingungsstrom in ma 4, 35, 3, 25, 2, 15, : 3,% 11: 3,5% 7: 5,% 5: 6,% 1, 3: 5,% 5, 9: 1,5%, Sinus Step 1 Step 2 Step 3 Step 4 Step 5 Step 6 Step 7 Step 8 Step 9 Step 1 Spannungsstufe Labormesssungen: Spannungsstufe 1 entspricht dem Erwartungswert nach DIN EN 516

20 PV 5kW: OS-Strom und -Spannung II 4, Oberschwingungen in ma 35, 3, 25, 2, 15, 1, ,, Sinus Step 1 Step 2 Step 3 Step 4 Step 5 Step 6 Step 7 Step 8 Step 9 Step 1 Spannungsstufe Labormessungen: Spannungsstufe 1 entspricht dem Erwartungswert nach DIN EN 516

21 PV-WR 5kW: THD I und relative Leistung 45 THD i [%] 4 THD (I) [%] Messung über 4 Tage mit ENS Messung über 4 Tage ohne ENS P/P nenn [%] relative Leistung P / P n [%]

22 VDN-Technische Regeln: OS Emissionsgrenzwerte von Oberschwingungen Erzeugungsanlagen: 5% der Emissionsgrenzwerte,6 I [A],5,4,3 2,3 1,14,77-5% Pnenn 5-1% Pnenn 1-15% Pnenn 15-2% Pnenn 2-4% Pnenn 4-6% Pnenn 6-1% Pnenn EN Beispiel: PV-Wechselrichter P n = 3kW Emissiongrenzwert VDN Technische Regeln,2,1, OS-Ordnung Harmonische

23 DIN EN Auswahl Quelle: DIN EN

24 DIN EN Klasse A VDE 838 Teil 2, Geräte Klasse A 2,5 2 2,3 Angaben für Klasse A Klasse B: Störaussendungsgrenzwerte: 1,5faches der Klasse A I ν in A A 1,5 1,8 1,14 ungeradzahlig geradzahlig 1,77,5,43,3,23,4,33,21,15,184,1533,1314,1323,118,17,978,9,115,122,92,836, Oberschwingungsordnung

25 DIN EN I VDE 838 Teil12, nicht dreiphasig, nicht symmetrisch % I ν /I in % ,6 (VDE ; Tabelle 2) , ,2 R ?35 35 Geradzahlige OS: 16%/h , , Oberschwingungsordnung Ih/I1 THD PWHD

26 DIN EN II VDE 838 Teil12, dreiphasig, symmetrisch 5 45 (VDE ; Tabelle 3) I ν /I in % , ,2 R ?35 35 Geradzahlige OS: 16%/h , Oberschwingungsordnung Ih/I1 THD PWHD

27 DIN EN III VDE 838 Teil 12, dreiphasig, symmetrisch, Betriebsbedingungen festgelegt 5 (VDE ; Tabelle 4) R ?12 12 % I ν /I in % Geradzahlige OS: 16%/h ,7 7, , Oberschwingungsordnung Ih/I1 THD PWHD

28 VDN-TR: PV-Anlage S rpv = 5,1 kw; S kv = 576 kva; einphasiger Anschluss; Werte einer Woche Quelle: VDN: Technische Regeln zur Beurteilung von Netzrückwirkungen 27

29 Beispiel: PV-Anlage im NS-Netz Simulationsrechnung NS-Netz (PV-Erzeugung (P ra = 12kW)) Spannungserhöhung/-fall im Gesamtnetz Spannungsanhebung in % Einspeisung Last Spannungsfall in %

30 VDN-TR: Flicker Grenzwert für die Langzeitflickerstärke aller Erzeugungsanlagen am ungünstigsten Verknüpfungspunkt: 1,2 EN 61- P ltzulns =,737 P ltzulms =,67 P ltzulhs =,585 1,8,6 1,75 NS MS HS Einzelgerät 1,99,794,59,737,67,585,5,4,4,3,37 Einzelanlage P lti =,37,2,2,2,5 Ast Alt Pst Plt

31 Vergleich Netzanschlussbedingungen VDN Technische Regeln Merkmal Erzeugungsanlagen Verbrauchsanlagen Anmerkung Grenzwert Kapitel Grenzwert Kapitel Spannungs-anhebung u zul,ns 3% u zul,ms 2% Gesamtnetz: Σ u zul 5% Nur für Erzeugungsanlagen relevant Schaltbed. Spannungsänderung d zul,ns 3% d zul,ms 2% d zul,ns 6% * d zul,ms 3% * d zul,ns 3% d zul,ms 2% d zul,ns 6% * d zul,ms 3% * * für seltene Anlaufvorgänge; Wiederholrate r <,1min -1 Flicker P lt,zul =,46 * P lt,zul =,5 ** * Summe aller Erzeugungsanlagen ** Einzelanlage Ober-schwingungen 5% derjenigen für Verbrauchsanlagen ermittelten Emissionsgrenzwerte Emissisonsgrenzwerte basierend auf Verträglichkeitspegeln und p ν - Faktoren 6.2 Siehe hierzu Kapitel und Kommutierungseinbrüche d Kom,NS =,5 d Kom,MS =, d Kom,NS =,1 d Kom,MS =,5 7.2 Einzelanlage 5.4 * Unsymmetrie der Unsymmetrie S ein 4,6kVA * k U 2 % ** k U,7% * Einzelanlage im Betrieb ** Insgesamt im Netz Zwischen-harmonische Keine speziellen Angaben -- Auswirkung auf Rundsteuerung: u µ,2% * u µ,1% * Auswirkung Flicker: u µ,15% *** 8 * Insgesamt im Netz ** Einzelanlage *** Zwischenharmonische Frequenz in der Nähe von 4Hz bzw. 6Hz

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