Direct Current (DC) injection from renewable energies – When accuracy matters in Power Quality measurements
In den letzten Jahren wurden in der Strom- und Energiewirtschaft sowie in Verteilungs- und Transportnetzen immer häufiger Messungen der Netzqualität durchgeführt. Diese Messungen konzentrieren sich hauptsächlich auf die klassischen charakteristischen Parameter wie Spannungseinbrüche, Spannungstransienten und Oberschwingungen. Die Normen für die Qualität von Verteilungsnetzen geben Höchstwerte vor.
- EN 50160
- IEEE 519
- Leitlinie G5/4
- D-A-CH-CZ – Technische Regeln für die Bewertung von Netzstörungen
Darüber hinaus kann die Kompatibilität zwischen Verteilungsnetzen und Produkten nach den Normen IEC 61000-2-2 für öffentliche Niederspannungsnetze und IEC 61000-2-4 für industrielle Nieder- und Mittelspannungsanlagen bewertet werden. Ein wichtiger Parameter der Netzqualität, der in den Normen oft nicht berücksichtigt wird, ist die Gleichstromkomponente.
Die folgenden Fragen haben bis jetzt nur wenig Beachtung gefunden:
Wie viel DC-Offset wird in das Netz eingespeist?
Wie sollten die DC-Komponenten auf zuverlässige Weise gemessen und qualifiziert werden?
Wie wirkt sich die Gleichstromkomponente auf das übrige System aus und was kann getan werden, um ihre Präsenz zu begrenzen?
DC-Grenzwerte in der Normung
In Deutschland findet sich die Gleichstromkomponente in der Technischen Aufbaurichtlinie (TAR) Niederspannung unter Punkt 5.4.4.9 Einspeisung von Gleichströmen in das Niederspannungsnetz.1 Hier heißt es ausdrücklich:
5.4.4.9 Einspeisung von Gleichströmen in das Niederspannungsnetz
Ein Konverter darf nicht mehr als 0,5 % seines Nennstroms oder maximal 20 mA (der höhere Wert ist zu wählen ) als Gleichstrom einspeisen .
Anmerkung 1: Die Messung von Gleichströmen basiert auf DIN EN 61000-4-7 (VDE 0847-4-7) über 10 Grundschwingungsperioden oscillaNon
Hinweis 2: Gleichströme können Korrosionsschäden an Kabeln und Schäden an anderen Geräten sowie Sättigungserscheinungen von Transformatoren und anderen Induktoren verursachen.
Der Standardtext führt ausdrücklich Konverter als unerwünschte Gleichstromquellen auf. Höchstwerte für den Gleichstromanteil sind auch in anderen Ländern zu finden. Drei Beispiele sind in der folgenden Tabelle aufgeführt
DC-Messungen an Konvertern
In einer IEEE-Publikation aus dem Jahr 2019 wurden die Gleichstromkomponenten von drei typischen Solarwechselrichtern untersucht.2 Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Die Typen A und B überschreiten die Grenzwerte von 20 mA DC gemäß der neuesten deutschen Niederspannungsrichtlinie (TAR).
DC-Quellen in Konvertern
In Konvertern gibt es mehrere Gleichstromquellen, wie die folgende Abbildung eines Konvertersystems veranschaulicht.
Einzelnachweis vs. Routineprüfung
Normativ ist die Prüfung der Gleichstromkomponente bereits in den aktuellen Normen für das Einheitenzertifikat von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz vorgeschrieben. Die Messung des Gleichstromanteils ist im IEEE Std 1547.1-20204 unter Punkt 5.9.2 beschrieben. In der deutschen Vornorm VDE V 0124-1005 ist der Test unter 5.2.6.1 beschrieben.
Im Allgemeinen handelt es sich bei einem Stückgutachten jedoch um eine Typprüfung, bei der nur ein Gerät der gesamten Serie exemplarisch geprüft wird. Die Ursachen für den Ausfall einer DC-Komponente können viele Ursachen haben, wie z.B. die Verarbeitungsqualität oder die Asymmetrie der eingebauten Leistungstransistoren, die von Gerät zu Gerät leicht variieren können. Um den tatsächlichen Gleichstromanteil zu ermitteln, sollte der Hersteller des Wechselrichters einen Routinetest an jedem produzierten Wechselrichter durchführen. So kann auch bei Wechselrichtern mit einem tadellosen Einzelzertifikat nicht ausgeschlossen werden, dass sie bei der Einspeisung ins Netz eine parasitäre Gleichstromquelle darstellen.
Messgeräte für das Einheitenzertifikat und die Messung der Stromqualität
Es ist eine Tatsache, dass die Spannungsqualität am Netzanschlusspunkt nicht nur von Standort zu Standort, sondern auch im Laufe der Zeit variiert. So kann z.B. bei schlechten Netzspannungsbedingungen eine bereits vorhandene Gleichstromkomponente die DC Stromkomponente des Konverters negativ beeinflussen. Rogowski-Spulen, die zur Messung der Netzqualität vor Ort eingesetzt werden, können nur die Wechselstromkomponenten im Stromsignal erkennen. Stromzangen mit Hall-Element sind oSen aufgrund der Messunsicherheit nicht ausreichend. In den Messlaboren der Zertifizierungsgesellschaften werden daher hochpräzise Fluxgate-Stromwandler der dänischen Firma Danisense eingesetzt. Diese Sensoren werden direkt in Dänemark im eigenen, nach IEC 17025 zertifizierten Messlabor der Firma kalibriert und mit dem notwendigen Kalibrierungszertifikat versehen.
In ersten Pilotprojekten wurden diese Fluxgate-Wandler auch in Verbindung mit hochpräzisen Power Quality -Analysatoren eingesetzt. Für die anspruchsvolle Messung des kleinen Gleichstromanteils in netzgekoppelten Anlagen sollte der Power Quality Analyzer (PQA) ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis haben, da sonst kleinere Pegel unterhalb oder oberhalb der Nennfrequenz im Rauschen untergehen.
Gleichzeitig sollte der PQA eine Möglichkeit bieten, einen möglichen DC-Offset des Stromsensors zu kompensieren, so dass auch kleinste Pegel sehr genau gemessen werden können. Mit dem Netzqualitätsanalysator PQA8000H von Neo Messtechnik ist der Anschluss von Fluxgate-Wandlern möglich. Neben einem sehr guten Signal-Rausch-Verhältnis können auch die Frequenzparameter der FFT-Analyse frei gewählt werden. Die normative Gruppierung nach IEC 61000- 4-7 ist oSen zu grob für weitere Analysen, insbesondere im niederfrequenten Bereich. Aus diesem Grund kann der PQA auch im Hochspannungsnetz eingesetzt werden, um geomagnetisch induzierte Quasi-Gleichströme im Bereich von 0 bis 1 Hz zu erkennen.
DC-Messungen mit hochgenauen Fluxgate-Wandlern sind auch direkt im Umrichter möglich. Für kleinere Nennströme sind Fluxgate-Wandler für die Leiterplattenmontage erhältlich, so dass die Frequenzumrichter den Ausgangsstrom selbst überprüfen können.
Zertifikat der Anlage
Wenn mehrere zertifizierte Photovoltaik-Module und Wechselrichter zu einem großen Kraftwerk kombiniert werden, ist zusätzlich zu den Einzelzertifikaten der Hersteller ein Anlagenzertifikat erforderlich. In Deutschland ist ein Anlagenzertifikat für alle Anlagen größer als 135 kW erforderlich. Der Anschlusspunkt befindet sich dann oSen auf der Mittelspannungsebene, um Übertragungsverluste zu minimieren. Eine Gleichstrommessung ist hinter dem Transformator nicht mehr erforderlich. Dennoch kann ein Gleichstrom auf der Niederspannungsseite die Lebensdauer des Transformators erheblich verkürzen. Daher wäre eine Gleichstrommessung auf der Niederspannungsseite durchaus im Interesse des Anlagenbetreibers, um die Ausfallzeiten und Wartungskosten der Anlage während der gesamten Lebensdauer des Transformators zu minimieren.
Neben Photovoltaikanlagen können auch leistungsstarke Umrichter im Bereich der Windenergie eine DC Komponente erzeugen. Eine DC-Messung ist hier für die Anlagenzertifizierung nicht mehr erforderlich, da der Mittelspannungstransformator in den meisten Fällen in der Windenergieanlage enthalten ist, wie die folgende Abbildung zeigt.
Transformator und DC-Einspeisung
Ein Transformator, der unter einer unidirektionalen Sättigung des Magnetkerns leidet, erzeugt einen höheren Erregerstrom, der zu einer Überhitzung des Kerns führen kann. Außerdem können Vibrationen, Geräusche und thermische Spannungen auftreten, die letztlich die Lebensdauer des Transformators verkürzen. Die folgende Abbildung zeigt die Halbwellensättigung, die durch eine überlagerte niederfrequente Schwingung verursacht wird.
Außerdem wird der Transformator während der Halbwellensättigung zu einem nichtlinearen Betriebsgerät. Hier wird der magnetische Betriebsbereich des Transformators in den Sättigungsbereich verschoben. Der lineare Bereich der Hysteresekurve ist leS. Infolgedessen wird der Klirrfaktor des Spannungssignals auf der Mittelspannungsseite erhöht.
Fazit
Stromrichtertechnologien in Anwendungen für erneuerbare Energien sind nicht nur eine potenzielle Quelle für Oberschwingungen. In den letzten Jahren gab es immer mehr Untersuchungsberichte, die darauf hinweisen, dass in vielen Fällen auch eine Gleichstromeinspeisung stattfindet.7 Neben Wechselrichtern können auch nichtlineare Lasten eine Gleichstromkomponente erzeugen. Induktive Geräte wie Motoren und Transformatoren sind nicht dafür ausgelegt, diese Lasten zu bewältigen. Trotz einiger Bemühungen der Hersteller von Wechselrichtern, die Gleichstromkomponenten zu minimieren, wird eine nicht zu vernachlässigende Gleichstromkomponente oSen und zunehmend bei Netzqualitätsmessungen im Niederspannungsnetz festgestellt, wenn AC/DC-Sensoren verwendet werden.
Zuverlässige, hochleistungsfähige Stromsensoren und sehr gute PQAs sind eine Grundvoraussetzung für den Erfolg dieser anspruchsvollen Messung.
Anmerkungen
1
VDE-AR-N 4100 Anwendungsregel:2019-04
Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz und deren Betrieb (TAR Niederspannung)
2 M. A. Rahman, M. R. Islam, A. M. Mahfuz-Ur-Rahman, K. M. MuOaqi und D. Sutanto, "InvesSgaSon of the Effects of DC Current Injected by Transformer-Less PV Inverters on DistribuSon Transformers," in IEEE Transac*ons on Applied Superconduc*vity, vol. 29, no. 2, pp. 1-4, March 2019, Art no. 0602904, doi: 10.1109/TASC.2019.2895580.
3 B. Long, M. Zhang, Y. Liao, L. Huang und K. T. Chong, "An Overview of DC Component GeneraSon, DetectcSon and Suppression for Grid-Connected Converter Systems," in IEEE Access, vol. 7, pp. 110426-110438, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2934175.
4 "IEEE Standard Conformance Test Procedures for Equipment InterconnecSng Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces", in IEEE Std 1547.1-2020 , vol., no., pp.1-282, 21 May 2020, doi: 10.1109/IEEESTD.2020.9097534.
5 VDE V 0124-100:2020 NetzintegraSon von Erzeugungsanlagen - Niederspannung - Prüfanforderungen an Erzeugungseinheiten, vorgesehen zum Anschluss und Parallelbetrieb am Niederspannungsnetz
6 Quelle: Neo Messtechnik GmbH
7 Salas, Vicente & Olías, Emilio & Alonso Abella, Miguel & Chenlo, F. & Barrado, A. (2006). Gleichstromeinspeisung von PV-Wechselrichtern in das Netz. 2. 2371 - 2374. 10.1109/WCPEC.2006.279668.