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Resonanzunterdrückung durch einen speziellen Aktivfilter

Problembeschreibung

Nach Installation einer zweiten Photovoltaikanlage an einem Niederspannungsnetz mit hohem Umrichteranteil wurden häufige Störungen an der ersten und größeren Solaranlage festgestellt. Die Wechselrichter dieser Anlage, aber auch der neueren PV-Anlage, schalteten sich häufig mit der Meldung „Netzstörung“ ab.

Bei einer durch das örtliche EVU durchgeführten Netzqualitätsmessung konnten zeitweise hohe Spannungsverzerrungen und Grenzwertüberschreitungen der Grenzwerte nach EN 50160 sowie auch EN 61000-2-2 festgestellt werden. Eine Ursache wurde hierbei jedoch nicht angegeben bzw. ermittelt.

Da an diesem Netz auch noch ein BHKW größerer Leistung angeschlossen werden soll und weitere Störungen zu erwarten waren, wurden wir mit einer Netz- und Oberschwingungsanalyse beauftragt. Ziel ist hier stets die eindeutige Ursachenermittlung und anschließende Planung von passenden Lösungen. Diese Vorgaben konnten wir zügig und in gewohnter Präzision erfüllen.

Herangehensweise und Analyse

Zuerst verschafften wir uns durch eine Messung mit einem speziellen Netzanalysator einen Überblick über die Gesamtsituation der Spannungsversorgung. Dabei konnten bereits nach Anschluss der ersten Messung an der Transformatoreinspeisung sehr hohe Spannungsverzerrungen festgestellt werden (siehe folgendes Bild der Spannungs- und Stromkurvenform).

 

Da es sich um ein kundeneigenes Netz handelt, haben wir für die Bewertung der Spannungsqualität die Grenzwerte der EN 61000-2-4 Klasse 2 angewendet.  Selbstverständlich waren auch diese Grenzwerte überschritten, bei einzelnen Oberschwingungen und Zwischenharmonischen teilweise sogar sehr deutlich.

In den Strom- und Spannungskurvenformen werden bereits zwei Ursachen ersichtlich. Zum einen ist das Netz nahezu ausschließlich mit 6-puls Umrichtern (typisch für Frequenzumrichter) belastet. Und zum anderen ist eine deutliche Resonanzschwingung erkennbar. Letztere kann in der Regel als Hauptursache für Störmeldungen von empfindlichen oder besonders geschützten elektrischen Betriebsmitteln, wie z.B. Solarwechselrichtern, angesehen werden.

Die Parallelresonanz entsteht als Wechselwirkung zwischen Transformatorinduktivität und kapazitiven Bauteilen im Niederspannungsnetz. Meist sind diese über mehrere Anlagen verteilt und als Problemursache daher nicht gezielt zu beseitigen. Wir konnten bei weiterführenden Messungen in diesem Netz daher auch mehrere Abgänge identifizieren, die an der Resonanz beteiligt sind. Dies waren zum einen hauptsächlich Beleuchtungsanlagen und zum anderen aber gerade auch die gestörten Photovoltaikanlagen. Bei beiden ist die Verwendung unverdrosselter oder nur schwach verdrosselter Kondensatoren als Haupt- oder Filterkomponenten typisch. Somit sind die gestörten Anlagenteile auch gleichzeitig an der Störung selbst mit beteiligt. Zudem kam es auch noch zu einer häufigen Verschiebung der Resonanzfrequenz, deren Ursache das Zu-und Abschalten der beteiligten Bauelemente ist.

Als mögliche Lösungen kamen daher nur zwei Wege in Frage. Der erste Weg wäre eine umfassende Umstrukturierung des Netzes und daher sehr zeitaufwändig und teuer. Der zweite Weg stellte sich als kurzfristig umsetzbar heraus und wurde vom Kunden bevorzugt.

 

Problemlösung

Als kurzfristige Lösungsmöglichkeit wurde ein spezieller Aktivfilter, hier sogar als Teststellung, installiert und durch uns parametriert. Auswahl, Installation und Inbetriebnahme erfolgte dabei in enger Zusammenarbeit mit unserem Kunden und dem Lieferanten des Filters. Zielvorgabe war die Beseitigung der Resonanzschwingung als Ursache für die Störmeldungen der Wechselrichter und zudem größtes Risiko für Störungen des später zu installierenden BHKW.

Die Ergebnisse sind eindeutig.

Spannung ohne Filter (links) und mit Filter (rechts):   

                               

Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme war die Resonanz nicht so stark ausgeprägt. Daher ist die Spannung im Bild ohne Filter auch weniger verzerrt, als im ersten Bild. Dennoch bewirkte der installierte Filter auch im Verlauf der Nachweismessung über zwei Wochen eine dauerhafte und zuverlässige Unterdrückung der Resonanzschwingung.

Die verbleibenden Spannungsverzerrungen im rechten Bild sind auf die Frequenzumrichter zurückzuführen und enthalten nur geringfügige Überschreitungen der Grenzwerte nach EN 61000-2-4. Diese führen nicht zu den Störungen an den Solarwechselrichtern, können aber bei Bedarf durch einen weiteren Filter bis unter die Grenzwerte reduziert werden.

Alle Anlagen inklusive des inzwischen in Betrieb gegangenen BHKW arbeiten seit der Filterinbetriebnahme störungsfrei.