Netzqualitätsbewertung: Der Grundstein für einen stabilen Betrieb von Photovoltaikanlagen

Netzqualitätsbewertung: Der Grundstein für stabile Solarenergie
Betrieb des PV-Systems
Mit der zunehmenden Verbreitung von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) in Gewerbe und Industrie steigt auch das Interesse an Rendite und Leistung. Ein entscheidender, aber oft vernachlässigter Aspekt im gesamten Lebenszyklus von Solarprojekten – von der Planung und Installation bis hin zu Betrieb und Wartung – ist die umfassende Bewertung der Netzqualität. Ob zur Diagnose der Netzbedingungen vor der Installation oder zur Beurteilung der Auswirkungen nach der Inbetriebnahme: Gründliche Netzqualitätsprüfungen helfen den Beteiligten, Risiken zu minimieren, die Leistung zu optimieren und die Einhaltung von Branchenstandards und Garantiebestimmungen sicherzustellen. Dieser Artikel beleuchtet anhand des realen PV-Projekts in Xalapa, Mexiko, den strategischen Wert und die praktische Umsetzung der Netzqualitätsbewertung in Solaranlagen.

Grundlegendes Verständnis der Stromqualität im Solarbereich

Die Stromqualität beschreibt die Stabilität und Reinheit der elektrischen Energie, die Geräten zugeführt oder über ein Stromnetz verteilt wird. Wichtige Bewertungskriterien sind die Genauigkeit der Spannungsregelung, der Oberwellengehalt, Spannungsschwankungen und transiente Spannungsspitzen. Diese Konzepte mögen abstrakt erscheinen, haben aber direkten Einfluss auf die Sicherheit von Solaranlagen: Wechselwirkungen zwischen PV-Wechselrichtern und dem Stromnetz können Oberwellen oder Spannungsschwankungen verursachen, während anormale Netzbedingungen zu Wechselrichterabschaltungen führen können – was die Energieausbeute beeinträchtigt und potenziell wertvolle Kernkomponenten beschädigt. Die Komplexität von Stromqualitätsproblemen in Solaranlagen ist besonders ausgeprägt. Einerseits beeinflussen der Wirkungsgrad und die Regelungsstrategien des Wechselrichters direkt die Qualität der Ausgangsleistung. Andererseits können bereits bestehende Netzfehler (wie z. B. dreiphasige Unsymmetrie oder übermäßige Hintergrundoberwellen) sich mit der PV-Integration verstärken und die Probleme verschärfen. Ohne systematische Stromqualitätsbewertung wird es schwierig, die Ursache von Ausfällen zu ermitteln – unabhängig davon, ob die Probleme im PV-System selbst, in bestehenden Netzfehlern oder in deren Wechselwirkung liegen – was unweigerlich die Kosten für die Streitbeilegung und die Betriebsausfallzeiten erhöht.

Verbindliche Stromqualitätsstandards für Solarprojekte

Die PQ-Bewertung orientiert sich an einem Rahmenwerk maßgeblicher Industriestandards, die die Konformität von Solaranlagen definieren:

Die Normenreihe IEEE 1547 ist weltweit weit verbreitet und dient der Verbindung dezentraler Energieerzeugungsanlagen (DEA) mit Stromnetzen. Die Ergänzung von 2020, IEEE 1547.1-2020, präzisiert die Anforderungen an Konformitätsprüfungen und schreibt die Verwendung von PQ-Messgeräten der Klasse A gemäß IEC 61000-4-30 zur Messung von Spannung, Stromverzerrung und anderen kritischen Parametern vor.

- IEC 61000-4-30-Norm: Spezifiziert die Leistungsanforderungen an PQ-Messgeräte. Messgeräte der Klasse A, bekannt für ihre hohe Präzision, gelten als Goldstandard für PQ-Bewertungen in Solaranlagen.

Der IEEE-519-Standard legt Grenzwerte für Oberschwingungen in Stromversorgungssystemen fest. Solaranlagen müssen diese Grenzwerte strikt einhalten, um negative Auswirkungen auf das Stromnetz und angrenzende Anlagen zu vermeiden. Diese Standards bilden die „rote Linie“ für die Einhaltung der Netzqualitätsanforderungen und dienen als technische Grundlage für die Netzsicherheit und den zuverlässigen Betrieb von Solaranlagen.


Das Xalapa-Projekt: Praktische Erkenntnisse aus der PQ-Bewertung

Das Pergola-Photovoltaikprojekt auf dem Dach in Xalapa, Mexiko, liefert überzeugende Beweise für die Bedeutung der Netzqualitätsbewertung. Mit einer Kapazität von 16 kW AC / 16,35 kW DC und zwei einphasigen Wechselrichtern (10 kW und 6 kW) wurde das Projekt umfassenden gemeinsamen Netzqualitäts- und PV-Leistungstests mit professioneller Ausrüstung unterzogen:

- Seaward PV210 IV-Kurven-Tracer: Speziell entwickelt zur Überprüfung der Leistungskonsistenz von Solarmodulen und zur Identifizierung potenzieller Defekte.

- Dranetz HDPQ Xplorer Plus: Ein tragbares PQ-Messgerät der Klasse A nach IEC 61000-4-30, das eine hochpräzise Datenerfassung ermöglicht.


Wichtigste Erkenntnisse und Risikowarnungen

1. Leistungsmängel des PV-Moduls: Die IV-Kennlinienmessung ergab eine Leistungsanomalie in einem von drei Solarsträngen. Solche Mängel – möglicherweise verursacht durch Verschmutzung, Verschattung oder Hardwaredefekte – wären ohne die Prüfung unentdeckt geblieben, hätten die langfristige Energieausbeute beeinträchtigt und Überhitzungsrisiken mit sich gebracht.

2. Schwere Überschreitungen der Oberschwingungsgrenzwerte: PQ-Messungen ergaben, dass die Oberschwingungen am Wechselstromausgang des Wechselrichters die Grenzwerte der IEEE 519 deutlich überschritten. Der Gesamtspannungs-Oberschwingungsanteil (Vthd) erreichte 60 %. Es wurden außerdem ungewöhnliche Oberschwingungen geradzahliger Ordnung festgestellt (die in den meisten Stromnetzen selten vorkommen). Übermäßige Oberschwingungen können zu Überhitzung in induktiven Betriebsmitteln (z. B. Transformatoren), Resonanz, erhöhten Neutralleiterströmen, Überspannungen und letztendlich zum Systemausfall führen – was erhebliche finanzielle Verluste zur Folge hat.

3. Anomale Gleichstrom-Oszillation: Der Gleichstromeingang des Wechselrichters wies eine 11-V-Oszillation bei 120 Hz auf (das Doppelte der Netzgrundfrequenz von 60 Hz), die wahrscheinlich auf Oberschwingungen zweiter Ordnung auf der Wechselstromseite zurückzuführen ist. Diese Oszillation beeinträchtigt die Stabilität des Wechselrichters und beschleunigt den Verschleiß der Komponenten. Dieser Fall verdeutlicht, dass Solaranlagen ohne Netzqualitätsprüfung (PQ-Prüfung) das Risiko versteckter Betriebsgefahren bergen. Professionelle Prüfungen decken diese Probleme frühzeitig auf und liefern eine datenbasierte Grundlage für Korrekturmaßnahmen.


Bewährte Verfahren zur Qualitätssicherung in Solarprojekten

Basierend auf Branchenerfahrung und realen Fallbeispielen sollten Solarprojekte ein PQ-Managementsystem für den gesamten Lebenszyklus implementieren, das sich auf sechs Kernpraktiken konzentriert:
1. Durchführung von PQ-Tests vor und nach der Installation

Vor der Installation werden Tests durchgeführt, um einen Netzstandard zu ermitteln, bereits bestehende Probleme mit der Netzqualität zu identifizieren und Installateure vor unberechtigter Haftung zu schützen. Tests nach der Installation isolieren Störungen der Netzqualität, die durch die PV-Integration verursacht werden, und gewährleisten die Netzkompatibilität. Dieser zweiphasige Ansatz („Ermittlung des Netzstandards vor der Installation und Überprüfung nach der Installation“) ist entscheidend für die Einhaltung der Vorschriften und die Sicherheit.

2. Jährliche PQ- und elektrische Zustandsprüfungen durchführen

Jährliche umfassende PQ-Prüfungen und Zustandsbewertungen der elektrischen Systeme ermöglichen die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme, klären die Verantwortlichkeit für Fehler, überprüfen die Einhaltung der Leistungsanforderungen und gewährleisten die langfristige Zuverlässigkeit.

3. Korrelationsanalyse zwischen PQ und Systemleistung erstellen

Integrieren Sie PQ-Kennzahlen in die operative Kernüberwachung. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Oberschwingungen, Spannungsschwankungen, Energieausbeute und Geräteausfallraten ermöglicht vorausschauende Instandhaltung – den Übergang von reaktiven Reparaturen zu proaktiver Prävention.

4. Integration der PQ-Ergebnisse in die Abnahme- und Gewährleistungsprotokolle

Machen Sie PQ-Prüfberichte zu einer Kernvoraussetzung für die Projektabnahme. Definieren Sie PQ-bezogene Kriterien in Garantievereinbarungen, um die Verantwortlichkeit von Lieferanten, Installateuren und Eigentümern zu stärken und eine effektive Rückverfolgbarkeit von Problemen sicherzustellen. 5. Installieren Sie fest installierte PQ-Messgeräte für kritische Anwendungen.

Für Großprojekte, komplexe Netzumgebungen oder Standorte mit bekannten Problemen der Netzqualität werden fest installierte Netzqualitätsmessgeräte empfohlen. Trotz höherer Anschaffungskosten liefern sie kontinuierlich konsistente Daten zu Netzqualitätsereignissen und unterstützen so fundierte Betriebsentscheidungen.

6. Konformität und Gewährleistungsnachweise systematisch dokumentieren

Führen Sie umfassende technische Aufzeichnungen, einschließlich PQ-Prüfdaten und Konformitätsberichten. Diese Dokumente dienen als unerlässliche Dokumentation für behördliche Inspektionen und Gewährleistungsansprüche und schützen die Interessen aller Projektbeteiligten.