Höherfrequente Emissionen von einphasigen, pulsweitenmodulierten Photovoltaikwechselrichtern im öffentlichen Niederspannungsnetz
Matthias Klatt
Die Photovoltaik ist einer der wesentlichen Träger der Energiewende in Deutschland. Zur Wandlung des Gleichstroms aus den Solarzellen in netzfrequenten Wechselstrom werden moderne, selbstgeführte Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis eingesetzt. Insbesonde- re bei privaten Dachanlagen mit kleinen Leistungen sind die Wechselrichter meist einphasig ausgeführt. Diese Geräte verwenden zur Erzeugung der Wechselspannung eine Pulsweiten-modulation. Neben der gewünschten Grundschwingung erzeugt die Pulsweitenmodulation prinzipbedingt auch höherfrequente Emissionen im Frequenzbereich zwischen 2 und 150 kHz. Diese werden auch als Supraharmonische bezeichnet. Damit alle Geräte im europäischen Verbundnetz unbeeinträchtigt voneinander funktionieren können, müssen ihre Emissionen begrenzt und ihre Störfestigkeit gegenüber den Emissionen anderer Geräte hinreichend groß sein. Für den Frequenzbereich unterhalb von 2 kHz existiert dazu ein umfangreiches, normatives Rahmenwerk. Im Frequenzbereich zwischen 2 und 150 kHz fehlen bisher allgemeingültige Emissionsgrenzwerte, an deren Entwicklung in Normungsgremien aktiv gearbeitet wird. Bisher fehlt jedoch ein geeignetes Modell, um das höherfrequente Emissionsverhalten derartiger Geräte zu beschreiben.
In der vorliegenden Arbeit wird die Modellierung der höherfrequenten Emissionen von Photovoltaikwechselrichtern auf Basis einer Ersatzschaltung aus Spannungsquelle und Reihenimpedanz vorgestellt, welche als Helmholtzäquivalent bezeichnet wird. Dadurch wird eine besonders einfache und anschauliche Möglichkeit gegeben, um das höherfrequente Emissionsverhalten von einphasigen Photovoltaikwechselrichtern am Niederspannungsnetz zu simulieren. Dies geschieht mit dem Ziel, die zukünftige Abstimmung von Emissionsgrenzwerte zu unterstützen.
In dieser Arbeit wird das Emissionsverhalten von zwei Wechselrichtern ausführlich analysiert. An ihrem Beispiel wird gezeigt, dass alle Parameter des Helmholtzäquivalents für einzelne Emissionsbänder vollständig durch Messung des Emissionsverhaltens bei geeigneter Variation der elektrischen Umgebungsbedingungen bestimmbar sind. Die durchgeführten Validierungsmessungen zeigen, dass diese linearisierten und vereinfachten Modelle im realen Netz typische Fehler besser als ±5% erreichen.
Die Gültigkeit des Modellansatzes für den Parallelbetrieb mehrerer Wechselrichter wird durch numerische und analytische Untersuchungen belegt. Zudem wird erläutert, wie damit die im Netz beobachteten Schwebungen höherfrequenter Emissionen qualitativ und quantitativ beschrieben werden können. Es wird gezeigt, wie die Spannung am Anschlusspunkt von den Impedanzverhältnissen und der Anzahl parallel betriebener Wechselrichter abhängt. Daraus wird ein Satz von Bedingungen abgeleitet. Bei deren Erfüllung wird eine wählbare höherfrequente Spannung am Anschlusspunkt des Wechselrichters, beispielsweise zukünftig ein normativer Grenzwert, im Netz bei einer beliebigen Anzahl von Wechselrichtern an einem beliebigen Anschlusspunkt mit hoher Wahrscheinlichkeit unterschritten wird. Die in dieser Arbeit am Beispiel von Photovoltaikwechselrichtern beschriebenen Ergebnisse lassen sich auf alle einphasigen, selbstgeführten, hart schaltenden, pulsweitenmodulieren Stromrichter mit Spannungszwischenkreis und fester Trägerfrequenz übertragen.
