Maßgeschneiderter Überspannungsschutz für PV-Wechselrichter

Bild 1: Überspannungsschutz, der für den Ausgang von PV-Wechselrichtern entwickelt wurde, erhöht langfristig die Verfügbarkeit von PV-Anlagen. Phoenix Contact

Bild 2: Der Wechselrichter macht aus der eingangsseitigen Gleichspannung (grün) eine getaktete Spannung (grau). Diese wird unter anderem mithilfe von Kapazitäten geglättet. Der Augenblickswert der resultierenden sinusförmigen Spannung (blau) hängt davon ab, wie lange UDC angeschaltet ist: Je länger UDC anliegt, umso höher ist die resultierende Spannung. Das Filter reduziert die Anteile der Spannung mit Frequenzen über 150 kHz. Phoenix Contact

Bild 3: Die sinusförmige Ausgangsspannung (blau) ist mit repetierenden Spannungsspitzen (grau) überlagert, deren Amplitude der der PV-Spannung (siehe grüne Kurve Bild 2) entsprechen kann. Die Spannungsspitzen treten mit der Taktfrequenz der Leistungselektronik des Wechselrichters auf und addieren sich zu dem Augenblickswert der sinusförmigen Ausgangsspannung hinzu. Phoenix Contact

PV-Wechselrichter nutzen Leistungselektronik, um aus der eingangsseitigen Gleichspannung die sinusförmige Ausgangsspannung zu erzeugen. Dazu wird die Leistungselektronik in einer bestimmten zeitlichen Abfolge ein- und ausgeschaltet, sodass ein sinusförmiger Spannungsverlauf entsteht (Bild 2). Aufgrund dieser Taktung ist die Ausgangs­spannung jedoch mit Spannungsspitzen überlagert. Dieser Effekt fällt in den Bereich der elektro­magnetischen Verträglichkeit (EMV).

Normative Situation

Elektrische und elektronische Geräte, die in Europa vertrieben oder nach Europa eingeführt werden, müssen die Vorgaben der EMV-Richtlinie (2014/30/EU) erfüllen. Diese Richtlinie schreibt vor, dass diese Geräte

• robust gegen eingehende Störungen sein müssen (Störfestigkeit) und
• Störungen nur in einem begrenzten Maße verursachen dürfen (Störaussendung).

Das soll eine ungeplante, gegenseitige Beeinflussung verhindern.

Die in der Richtlinie enthaltenen Fachgrundnormen zur Störaussendung [1,2] geben Grenzwerte in Abhängigkeit der Frequenz an. In beiden Normen werden Frequenzen größer 150 kHz betrachtet, in [1] zusätzlich Frequenzen von 0 bis 2 kHz. Um Störungen in diesen Frequenzbereichen zu reduzieren, werden verschiedene Maßnahmen getroffen, beispielsweise der Einsatz von Filtern.

Die Taktfrequenzen von Wechselrichtern liegen jedoch im „Wilden Westen der EMV“ – nämlich im einstelligen und unteren zweistelligen Kilohertz-Bereich. Folglich unterliegen Störaussendungen, die durch die Taktung der Leistungselektronik hervorgerufen werden, keiner normativen Beschränkung.

Auswirkungen auf Überspannungsschutzgeräte

Es muss also damit gerechnet werden, dass Störungen in Form von Überspannungen vorkommen können. Sie sind schaltungsbedingt zwischen aktiven Leitern und Schutzleiter/Erde deutlich höher als zwischen aktiven Leitern. Je nach Topologie des Wechselrichters, der Eingangs­spannung, der Filtertypen und so weiter können sie Amplituden von 1000 V und mehr erreichen (Bild 3).

Überspannungsschutzgeräte – nachfolgend auch SPD (Surge Protective Device) genannt – begrenzen solche Überspannungen. Sie sind darauf ausgelegt, hohe transiente Überspannungen mit einer Dauer von bis zu einer Millisekunde zu begrenzen. Dies können sie jedoch nicht permanent: Sie erwärmen sich bei jedem Begrenzungsvorgang und müssen danach wieder abkühlen. Wird nun ein Standard-SPD auf Varistorbasis den beschriebenen repetierenden Spannungsspitzen ausgesetzt, begrenzt er sie unentwegt, wodurch er nicht mehr ausreichend abkühlen kann. Die Folge ist eine schnelle Alterung und ein möglicher Ausfall des SPD innerhalb von Tagen bis Monaten anstelle von vielen Jahren.

Damit ein SPD an einem Wechselrichter betrieben werden kann, muss er also diesen repetierenden Spannungsspitzen standhalten. Im Fall einer eingekoppelten Überspannung jedoch muss er die Spannung auf ein Niveau begrenzen, das die zu schützenden Geräte nicht beschädigt. Diesen Spagat bewältigen zwei SPDs von Phoenix Contact. Beide sind so aufgebaut, dass sie erst ab einer gewissen Spannung ansprechen. Diese dynamischen Ansprechspannungen sind so gewählt, dass die SPDs bei den typischerweise auftretenden Spannungsspitzen bei gegebener Nennspannung isolierend wirken. Es tritt demnach keine Erwärmung und keine vorzeitige Alterung der SPDs ein. Bei eingekoppelten Überspannungen aber leiten die SPDs ab und begrenzen die Spannung auf ein anlagenverträgliches Niveau.

Thema der nächsten Seite sind anwendungsspezifische Eigenheiten

Bild 4: Bei Anlagen mit geerdeter PV-Leitung (gestrichelte Verbindung vorhanden) nutzen die DC-Leitung und die AC-Seite die gleiche Erdung. Durch diese Kopplung können die Spannungsspitzen ausgangsseitig auf die Höhe der vollen PV-Spannung ansteigen. Diese liegen dann am AC-Überspannungsschutz an. Phoenix Contact

In der Photovoltaik geht es um hohe Leistungen. Um die Ströme möglichst gering zu halten, wird eine hohe PV-Spannung gewählt – und zwar ≥ 1000 V_DC. Je nach Erdung der PV-Anlage und Topologie des Wechselrichters können sich hohe repetierende Spannungsspitzen auf der Ausgangs­spannung ergeben. Hiervon betroffen sind besonders PV-Wechselrichter ohne galvanische Trennung, also ohne Transformator, da die dämpfende Wirkung des Transformators ausbleibt.

In Kombination mit einem PV-System mit geerdeter DC-Leitung, etwa bei Dünnschichtmodulen, wird die sinusförmige Ausgangsspannung des Wechselrichters mit Spannungsspitzen überlagert, deren Amplitude der vollen PV-Spannung entsprechen kann (Bild 4). Der höchste Augenblickswert der Ausgangsspannung kann also dem Spitzenwert der sinus­förmigen Ausgangsspannung (L-PE) plus der getakteten DC-Spannung der PV-Anlage entsprechen.

In Kombination mit einem PV-System ohne geerdete DC-Leitung kann die Amplitude der Spannungs­spitzen der der halben DC-Spannung entsprechen. Der Grund ist eine indirekte Erdung der DC-Leitungen durch kapazitive Effekte – zum Beispiel lange Leitungen, DC-Filter oder Überspannungs­schutz.

Lösungen für den Überspannungsschutz

Bei einer PV-Spannung von 1000 V_DC und einer Ausgangsspannung von 230/400 V ergibt sich ein Spitzenwert (L-PE) von bis zu 1324 V bei Anlagen mit geerdeter DC-Leitung sowie 824 V bei Anlagen ohne geerdete DC-Leitung. Hier kann das Überspannungsschutzgerät vom Typ VAL-MS 400/3+0/VF-FM von Phoenix Contact mit einer dynamischen Ansprechspannung von mindestens 1,5 kV bedenkenlos eingesetzt werden.

Bei leistungsstärkeren Anlagen mit PV-Spannungen von 1500 V_DC und Ausgangsspannungen von 400/690 V erhöhen sich auch die Spitzenwerte (L-PE) auf bis zu 2123 V bei Anlagen mit geerdeter DC-Leitung und 1373 V bei Anlagen ohne geerdete DC-Leitung. Für diesen Zweck ist das Überspannungs­schutzgerät VAL-MS 800/30 VF/FM mit einer dynamischen Ansprechspannung von mindestens 2,2 kV gut geeignet.

In diesen Anwendungen isoliert der jeweilige SPD und wird durch die Spannungsspitzen nicht beeinflusst, was eine vorzeitige Alterung verhindert.

PV-Wechselrichter und Überspannungsschutz – das funktioniert

Die Störaussendung ist im Frequenzbereich der Taktfrequenzen von Wechselrichtern normativ nicht geregelt. Sie zu reduzieren wird in den meisten Fällen nur schwer möglich oder wirtschaftlich nicht sinnvoll sein. Die hier vorgestellten Überspannungsschutzgeräte können jedoch ohne Bedenken in diesen Applikationen eingesetzt werden. Um den Schutz zu vervollständigen, sollte zusätzlich die PV-Seite des Wechselrichters mit SPDs versehen werden (Bild 4).

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