Der Weg ins Netz Der Wechselrichter als Schnittstelle zwischen Solarmodul und Verteilnetz

Holger Becker Dr. Bernd Engel, Joachim Laschinski Der Weg ins Netz Der Wechselrichter als Schnittstelle zwischen Solarmodul und Verteilnetz Vortrag bei der Energiegemeinschaft Halle / Saale e.v. 6. November 2006»

Inhalt 1. Die Firma SMA Technologie AG 2. Technik von Solarwechselrichtern 3. Netzanschluss von PV-Anlagen 4. Die Geschichte der ENS 5. Erfahrungen 6. Ausblick 2

1.1 Wir stellen uns vor Gegründet 1981 Hauptsitz in Niestetal, Deutschland Ca. 1.000 Mitarbeiter/-innen weltweit, davon mehr als 15 % Ingenieur/-innen Technologieführer und Trendsetter Umsatz 2005: 174 Mio. Euro 3

1.2 Der Vorstand Peter Drews Communication & Control Günther Cramer Solartechnik + Innovative Energiesysteme Reiner Wettlaufer Finanzen & Controlling Pierre-Pascal Urbon Corporate Development 4

1.3 Die Mitarbeiter 5

1.4 SMA weltweit 6

1.5 Kooperative Unternehmensführung Engagierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Information und Transparenz Offene Kommunikation Beteiligung an Entscheidungen und am Unternehmen (Belegschaftsaktien) Freiräume für Ideen und Eigeninitiative Intensive Weiterbildung 7

1.6 Kundenorientierung Zufriedene Kunden Innovative Konzepte und Produkte Intensive, partnerschaftliche Kommunikation Qualität und Flexibilität durch eigene Entwicklung und Fertigung Kundenspezifische Entwicklung und Fertigung Einzigartiger Service 8

1.7 Unternehmensentwicklung 9

1.8 Qualitätsmanagement DIN EN ISO 9001 KBA-Zulassung (Kraftfahrt-Bundesamt) Q1-Lieferant der DB AG UL-Zulassung Regelmäßige Kundenaudits: ABB, Phoenix Contact, Volkswagen AG, AIRBUS Deutschland, ALSTOM Transport Elektronikfertigung IPC-A-610D 10

1.9 Synergien der Kernkompetenzen... schaffen neue Produkte 11

1.10 Produktbereiche 12

1. Die Firma SMA Technologie AG 2. Technik von Solarwechselrichtern 3. Netzanschluss von PV-Anlagen 4. Die Geschichte der ENS 5. Erfahrungen 6. Ausblick 13

2.1 Solartechnik für den Netzbetrieb Solarmodul Datentechnik, z. B. Sunny Beam und www.sunnyportal.com Wechselrichter Sunny Boy Öffentliches Stromnetz Prinzip der Netzeinspeisung 14

2.2 PV-Systemkonzepte: String-Wechselrichter 15

2.3 Topologie mit Netzfrequenztransformator I AC 50 Hz / 60 Hz Transformator V PV EMV Filter EMV Filter V AC Vorteile: Sehr zuverlässig, kostengünstig, DC-Stromeinspeisung nicht möglich, Wirkungsgrad bis zu 96 % (für 6 kw Gerät), galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite Nachteile: Hohes Gewicht, Größe 16

2.3 Topologie mit HF-Transformator I AC V PV EMV Filter EMV Filter V AC 30 khz... 100 khz Vorteile: Geringes Gewicht, geringe Größe, galvanische Trennung zwischen AC- und DC-Seite Nachteile: Hohe Anzahl an Elementen (schlechte Zuverlässigkeit?), DC-Stromeinspeisung möglich (obwohl Transformator benutzt wird), Spitzenwirkungsgrade > 95 % nicht möglich 17

2.3 Trafolose Topologie ohne Spannungsanpassung I AC V PV EMV Filter EMV Filter V AC V PV-PE H-Brücke-Wechselrichter Vorteile: Sehr hoher Wirkungsgrad, geringes Gewicht, geringe Größe Nachteile: Kleiner Eingangsspannungsbereich, keine galvanische Trennung, hohe Eingangsspannung notwendig > 300 V, Ableitströme aufgrund der AC-Komponente von PV-Modul-zu-Erde-Spannung 18

2.3 Trafolose Topologie mit Spannungsanpassung I AC V PV EMV Filter EMV Filter V AC V PV-PE Vorteile: Wie vorheriges Konzept plus erweiterten Eingangsspannungsbereich Nachteile: Keine galvanische Trennung, DC-Stromeinspeisung > 5 ma nur aufwändig vermeidbar, Ableitströme aufgrund der AC-Komponente von PV-Modul-zu-Erde-Spannung 19

2.4 Die Entwicklung der Stringwechselrichter bei SMA 1990 1995 2003 2006 PV-WR 1800 SB 700 SB 5000TL Multi-String SMC 8000TL mit H5-Technologie Max. η: 90 % Max. η: 93 % Max. η: 96 % Max. η : 98 % Automatische Freischaltstelle Umstellung der SMA Produktpalette auf die DIN VDE 0126-1-1 Preis: Preis: Preis: Preis: ca. 1,20 Euro/W ca. 1,10 Euro/W ca. 0,60 Euro/W ca. 0,40 Euro/W 20

3.1 Anforderungen an die Netzintegration von PV Interesse des Netzbetreibers Personensicherheit für alle Beteiligten Gerätesicherheit für die Betriebsmittel des Netzes Keine negative Beeinflussung der Spannungsqualität durch Einspeiseanlagen (Spannung, Frequenz, Oberschwingungen, Flicker, etc.) Möglichst wenig Zusatzaufwand durch Einspeiseanlagen (Arbeit und Kosten) Interesse des Anlagenbetreibers Personensicherheit für alle Beteiligten Gerätesicherheit für die eigenen Betriebsmittel Einspeisung der maximal möglichen Energiemenge 22

3.2 Die wichtigsten Normen (1) Öffentliches Versorgungsnetz EN 50160:1995-10 Merkmale der Spannungen in öffentlichen Netzen Solarwechselrichter (CE-Konformität, Einspeiser werden als Verbraucher angesehen) DIN VDE 50178 - Gerätesicherheit EN 61000-3-2:2005 EMV Grenzwerte Oberschwingungsströme (< 16 A je Leiter) EN 61000-3-12:2005 EMV Grenzwerte Oberschwingungsströme (< 75 A je Leiter) 23

3.2 Die wichtigsten Normen (2) Die Netzschnittstelle VDEW-RL Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz 4. Ausgabe 2001 und dazu Merkblatt zur VDEW Richtlinie, März 2004 Ergänzende Hinweise zur selbsttätigen Freischaltstelle, VDN, August 2005 DIN VDE 0126-1-1:2006-02 Selbsttätige Freischaltstelle... Impedanzmessung (aktiv) Messverfahren nach Schwingkreistest geprüft (aktiv) dreiphasige Spannungsüberwachung (Strang- und Leiterspannung) (passiv) Norm für die Netzschnittstelle ist wesentlich detaillierter formuliert als Norm für die Netze (10 Minuten- Mittelwerte gegenüber Abschaltzeiten gegenüber Abschaltzeiten im ms-bereich) 24

3.3 Netzanschluss das Wichtigste Generelles Eine Anlage kann aus mehreren Wechselrichtern bestehen Ab 4,6 kva Nennleistung: Anschluss dreiphasig (zwischen 4,6 kva und 9,2 kva: Einspeisung in zwei Phasen mögliche) Im normalen Betriebszustand darf die Unsymmetrie zwischen den einzelnen Phasen 4,6 kva nicht überschreiten Zusätzliche Betriebsmittel Dem EVU jederzeit zugängliche Freischaltstelle Dreiphasige Spannungsüberwachung Besonderheiten bei Kleinanlagen Bei Anlagen unter 30 kw AC-Nennleistung können o. g. Betriebsmittel durch eine automatische Freischaltstelle nach DIN VDE 0126 ersetzt werden. Dabei darf diese in (einphasig einspeisenden) Wechselrichtern integriert sein. 25

4.1 Die Vorgeschichte der ENS ENS: Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordnetem Schaltorgan 1987: VDEW veröffentlicht die Richtlinie für den Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen mit dem Niederspannungsnetz des EVUs. Ziel: Einheitliche Anschlussbedingung von Windenergieanlagen und BHKWs 1990: erstes Förderprogramm für Photovoltaikanlagen (Bund-Länder- 1000-Dächer-Phtovoltaik-Programm) Direkt im Anschluss: VDEW: Gleichberechtigter Netzanschluss von PV- Anlagen bis 4,6 kva Nennleistung mit jederzeit zugängliche Freischaltstelle oder automatischer Freischaltstelle mit dreiphasiger Spannungsüberwachung 1993: Ad-hoc Arbeitsgruppe Kleinkraftwerke mit Vertretern aus Industrie, Hochschulen / Instituten, EVUs und BG kommt zu dem Schluss, dass die Automatische Freischaltstelle nicht den nötigen Sicherheitsansprüchen genügt, und eine geforderte Widerholungsprüfung nur unzureichend durchgeführt wird. 27

4.2 Die Entstehung der ENS (1) 1994: Die Einspeisebedingung für Erneuerbare Energien wird überarbeitet, wesentliche neue Punkte Definition der ENS, die keiner Widerholungsprüfung bedarf Einfehlersicherheit durch redundanten Aufbau Sichere Erkennung von Inselnetzen durch Netzimpedanzmessung 01 06 1994: Erarbeitung einer Prüfvorschrift für die ENS durch die BG 06 / 1994: Der VDEW-Arbeitsausschuss TAB beim VDEW bestätigt den gleichwertigen Einsatz der ENS zur bisherigen Lösung 11 / 1994: Endgültige Prüfvorschrift für die ENS, Integration in den Wechselrichter wird erlaubt 1996: Neue Prüfvorschrift: allstromsensitive Erfassung von Gleichströmen, Auslöseschwelle 30 ma 28

4.2 Die Entstehung der ENS (2) 10 / 1997: Die Prüfvorschrift der BG wird als Normentwurf DIN VDE 0126 im Gelbdruck veröffentlicht 12 / 1997: Zulassung der ENS für dreiphasige Anlagen durch den VWEW und die BG 05 / 1998: Der VDEW gibt ein Merkblatt zur Richtlinie heraus, indem ein gleichberechtigter Netzanschluss zugelassen wird, über: jederzeit zugängliche Freischaltstelle, oder selbsttätige Freischaltstelle und nicht inselbetriebsfähiger Wechselrichter, oder eine einphasige ENS bis 4,6 kva Nennleistung, oder eine dreiphasige ENS bis 30 kva Nennleistung 1999: Ermächtigung der DIN VDE 0126 zur Norm durch den K 373 beim DKW 29

4.3 Die Überarbeitung der ENS Die Erfahrung zeigt, dass der zunächst sehr vorsichtig gewählte Grenzwert für den Impedanzsprung von 0,5 Ohm als sehr niedrig gewählt wurde und zu häufigen Fehlabschaltungen führt. 05 / 2005: Normentwurf der DIN VDE 0126-1-1, welches als automatische Netzfreischaltstelle folgende Verfahren zulässt: Impedanzmessung mit 1 Ohm Auslöseschwelle Verfahren nach Schwingkreistest getestet Dreiphasige Spannungsüberwachung Zusätzlich wird ein Spannungssteigerungsschutz vorgeschrieben, der den 10-min Mittelwert der Spannung berücksichtigt 09 / 2005: Der VDN gibt ein Merkblatt heraus, indem schon automatische Freischaltstellen nach dem Normentwurf akzeptiert werden 02 / 2006: Ermächtigung des Normentwurfes nach kleinen Korrekture 30

1. Die Firma SMA Technologie AG 2. Technik von Solarwechselrichtern 3. Netzanschluss von PV-Anlagen 4. Die Geschichte der ENS 5. Praxiserfahrungen beim Betrieb von Photovoltaikanlagen 6. Ausblick 31

5.1 SB5000TL Harmonische des Einspeisestroms Harmonischen liegen deutlich unterhalb der Grenzwerte der entsprechenden Norm EN61000-3-12:1998 32

5.2 SB5000TL THD der Netzspannung Klirrfaktor der Netzspannung wird überwiegend durch Lastgang und Tageszeit bestimmt (abends viele Fernseher mit schlechtem Schaltnetzteil) 33

5.3 Praxiserfahrung Freiburger Solarsiedlung Einspeisung von 40 Anlagen mit insgesamt 250 kwp (ca. 6 kwp pro Haushalt) Stromüberschuss im NS-Netz (ca. 50 % Trafonennleistung) EN 50160 bezüglich Spannungsqualität eingehalten Auf gleichmäßige Verteilung der WR auf die drei Phasen achten! Bei schwächeren Netzen und Netzausläufern Netzberechnung und Berücksichtigung des Spannungsfalls Quelle: Laukamp u. a., ISE-Freiburg, Staffelstein 2004 34

5.4 Netzintegration von PV-Großanlagen 250 200 150 100 50 0 35 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 1740 1800 1860 1920 P [kw] 1980 2040 t [s] 1,9 1,8 1,7 1,6 THDU [%] THDu mit und ohne WR-Einspeisung. Die Spannungsqualität wird durch WR verbessert 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 P THDU

6. Ausblick Weitere Senkung des Wechselrichterpreises durch höhere Stückzahlen und Geräte- und Fertigungsoptimierung Weitere Steigerung des Wechselrichterwirkungsgrades durch konsequente Weiterentwicklung der Geräte PV-Anlagen können noch weiter netzunterstützend wirken (z. B. Fault-Ride-Through, etc.) PV-Anlagen können zur Spannungsbeeinflussung im Netz herangezogen werden (z. B. durch gezielte Blindleistungseinspeisung, etc.) PV-Anlagen können in das Erzeugungsmanagement von Netzbetreibern eingebunden werden 37

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 38