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Reduzierung von Oberschwingungen bei der Netzintegration von Photovoltaikanlagen
Mit der zunehmenden Verbreitung der Solarenergie werden Photovoltaikanlagen (PV) zunehmend über leistungselektronische Schnittstellen an die Verteilnetze angeschlossen. Moderne Wechselrichter sind zwar deutlich sauberer als ihre Vorgänger, erzeugen aber immer noch nicht sinusförmige Ströme, die die Netzspannung verzerren. Unkontrolliert überhitzen diese Oberschwingungen Transformatoren, lösen Schutzeinrichtungen aus und verkürzen die Lebensdauer der Geräte. Aktive Leistungsfilter (APFs) – auch bekannt als Aktive Oberwellenfilter (AHFs) – bieten eine bewährte, schnell wirkende Lösung, die die vorhandenen Wechselrichtersteuerungen ergänzt, ohne den Energieertrag zu beeinträchtigen.
Herkunft. Schaltwechselrichter zerlegen Gleichstrom in hochfrequente Impulse, die in Wechselstrom umgewandelt werden. Jede Abweichung von einer perfekten Sinuswelle erscheint im Frequenzbereich als ganzzahliges Vielfaches (Harmonische) der Grundfrequenz.
Typisches Spektrum. Bei dreiphasigen PV-Anlagen dominieren die fünfte, siebte und elfte Ordnung; einphasige Mikro-Wechselrichter-Strings weisen oft starke Komponenten dritter Ordnung (Triple-Order) auf.
Erschwerende Umstände. Dezentrale Generatoren werden üblicherweise am Netzrand an „schwachen“ Zuleitungen mit hoher Impedanz installiert, sodass selbst geringe Oberschwingungsströme zu großen Spannungsverzerrungen (THDv) führen können.
| Standard / Leitfaden | Umfang | Wichtige Oberwellengrenzen am Punkt gemeinsamer Kopplung (PCC) |
|---|---|---|
| IEEE 519-2022 | Öffentliche Niederspannungs- und Mittelspannungsnetze (weltweite Praxis) | THDi ≤ 8 % für Isc/IL < 20; Spannung THDv ≤ 5 % (LV) |
| IEC 61000-3-6 | MV/HV/EHV-Kunden (Europa, Asien) | Vergibt anlagenspezifische Emissionsgrenzwerte, sodass die Gesamtspannung THDv ≤ 5 % ist |
Wenn Standorte diese Grenzwerte überschreiten, verhängen die Energieversorger zunehmend Geldstrafen oder drosseln die PV-Leistung. Dadurch werden proaktive Maßnahmen zur Schadensbegrenzung finanziell attraktiv.
Ein APF misst den Laststrom in Echtzeit, extrahiert unerwünschte harmonische und reaktive Komponenten über DSP-Algorithmen und speist einen gleich großen und entgegengesetzten Kompensationsstrom über einen IGBT-basierten Konverter ein. Das Endergebnis am PCC ist eine nahezu perfekte Sinuskurve.
Wesentliche Vorteile gegenüber passiven Filtern
Breitband-Minderung: Tracks der 2.–50. Ordnung (oder höher) gleichzeitig.
Dynamisches Verhalten: Anpassung im Unterzyklus (< 25 µs) an Sonneneinstrahlung oder Lastschwankungen.
Keine Resonanzgefahr: Da der Filter aktiv ist, wird er nicht auf die Netzimpedanz abgestimmt.
Doppelfunktion: Bietet Blindleistungsunterstützung (Q) und Flimmerreduzierung und verbessert so die Spannungsstabilität.
| Architektur | Typische Bewertung | Idealer Anwendungsfall |
|---|---|---|
| Shunt-APF (Rack- oder Wandmontage) | 30 A – 400 A | Dächer < 1 MW, Carports, C&I-Mikronetze |
| Hybrides APF + SVG | 200 A – 1 kA | Große Anlagen hinter dem Zähler, die einen Leistungsfaktor ≈ 1 und eine Oberschwingungszahl ≤ 3 % benötigen |
| Containerisiertes APF-Zentrum | 1 kA – 4 kA | PV-Anlagen im Versorgungsmaßstab ≥ 10 MWac, die in schwache Mittelspannungszuleitungen exportieren |
Installationstopologie: Platzieren Sie den APF auf der Niederspannungsseite des Aufwärtstransformators, sodass er den aggregierten Wechselrichterstrom erfasst und ein einzelner Filter die gesamte Anlage reinigen kann.
Erst messen. Protokollieren Sie mindestens sieben Tage lang harmonische Daten bei einer Abtastrate von 10 kHz.
Berechnen Sie den schlimmsten Fall des Oberschwingungsstroms. Konzentrieren Sie sich auf die 3., 5., 7. und 11. Ordnung.
Sicherheitsmarge hinzufügen. APF-Dauerleistung ≥ 1,2 × Ih_max; Überlastkapazität ≥ 10 × Ih_max für 10 ms, um die Fehlerbehebung zu überstehen.
Überlastung bei Blindleistungsbetrieb prüfen. Wenn der lokale Netzcode einen cosφ > 0,95 erfordert, dimensionieren Sie Q und Ih gleichzeitig.
Steuerungsintegration. Verwenden Sie Hochgeschwindigkeits-Modbus-TCP oder IEC 61850 zur Koordination mit dem SCADA-System der Anlage; aktivieren Sie den „nachtreaktiven“ Modus, wenn der DSO rund um die Uhr Unterstützung benötigt.
| Website | Kapazität | Gitterstärke (Scc/Xr) | THDi vor APF | THDi nach APF | Rückzahlung* |
|---|---|---|---|---|---|
| Dach eines städtischen Krankenhauses | 500 kW | Schwach (Scc/IL ≈ 12) | 18 % | 3,9 % | 2,7 Jahre |
| Logistiklager | 1,2 MW | Mäßig (20) | 15 % | 4,2 % | 2,1 Jahre |
| Photovoltaik-Kraftwerk in der Wüste | 50 MW | Schwach (8) | 10 % bei MV | 2,5 % | 3,4 Jahre |
*Die Amortisation berechnet sich aus vermiedenen Abschaltungsgebühren, reduzierten Transformatorverlusten und erhöhter Wechselrichterverfügbarkeit. Nur als Referenz; die Amortisation variiert je nach Region und Betriebsbedingungen.
☑ Überprüfen Sie das Konformitätsziel (IEEE 519 oder lokaler Netzcode).
☑ Erfassen Sie hochauflösende harmonische Spektren, nicht nur RMS THDi.
☑ Wählen Sie APF mit modularem IGBT-Design und Hot-Swap-fähigen Stromzellen für > 99 % Betriebszeit.
☑ Stellen Sie sicher, dass die DSP-Firmware die schnelle Fourier-Transformation (FFT) und die adaptive Dead-Beat-Steuerung unterstützt.
☑ Beauftragen Sie die Anlage mit einem Oberschwingungsanalysator, um ≤ 75 % des zulässigen Grenzwerts zu bestätigen und so Spielraum für zukünftige Erweiterungen zu schaffen.
Effizienz > 97 % bei Volllast; Standby < 35 W.
IP 54 oder IP 20, optionale Wahl durch den Kunden; intelligente Luftzirkulation vermeidet Hotspots an PV-Modulen.
Optionales AFCI- und Fehlerstromrelais für umfassende Sicherheit.
Kontaktieren Sie uns für eine fachkundige Beratung:
Weitere Informationen zur Funktionsweise unserer Aktiver Oberwellenfilter , Statischer Var-Generator und Mikrowechselrichter Verbesserung der Stromqualität: sales@yt-electric.com
IPv6-Netzwerk unterstützt
