Eckdaten

Wieso ist ein maßgeschneiderter Überspannungsschutz sinnvoll? Der Einsatz von spezialisiertem Überspannungsschutz am Wechselrichter

  • bietet zuverlässigen, langfristigen Schutz,
  • reduziert außerplanmäßige Wartungen,
  • senkt das Ausfallrisiko,
  • reduziert Verluste und
  • spart nachhaltig Kosten im Betrieb.
Überspannungsschutz erhöht Verfügbarkeit von Photovoltaik-Anlagen.

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.

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.

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.

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