Wechselrichter Fehler- und Ableitstrommessung bei PV-Wechselrichtern

Transformatoren für Wechselrichter sind groß und schwer, aber sie bieten Schutz durch die galvanische Trennung der Photovoltaikmodule vom Stromnetz. Um den Wirkungsgrad der Wechselrichter noch weiter zu steigern und um Material sowie Kosten zu sparen, werden Wechselrichterschaltungen ohne Trafo entwickelt. Um diese Konstruktionen genauso sicher zu machen, müssen Schutzschaltungen Fehler- und Ableitströme überwachen, um Gefährdungen auszuschließen.

Kostensteigerungen bei fossilen Brennstoffen und Überlegungen zur nachhaltigen Energieversorgung haben zu einer starken Zunahme der Installation von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) geführt. Darüber hinaus haben staatliche Förderbeiträge wie zum Beispiel Einspeisevergütungen den Bau von Photovoltaikanlagen begünstigt. Fast 99 % der von Photovoltaikanlagen produzierten elektrischen Energie werden über einen Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist [1].

Alle Photovoltaik-Installationen erfordern eine genaue Messung des erzeugten Stromes für die Wechselrichter-Regelung sowie für Schutzmaßnahmen. Mit dem Stromnetz verbundene Wechselrichter können mit oder ohne Transformator zur galvanischen Trennung realisiert werden: Wechselrichter ohne Transformator tragen ein höheres Risiko bezüglich Erdableitströmen.

Aktuell werden hauptsächlich vier verschiedene Wechselrichterschaltungen verwendet. Zwei davon nutzen einen Transformator - bei niedrigen oder hohen Frequenzen -, die anderen beiden Schaltungen verzichten auf den Trafo und arbeiten entweder mit oder ohne Hochsetzsteller. Um Material und Kosten zu sparen sowie um Volumen und Masse zu reduzieren und den Wirkungsgrad  zu steigern, kommen Transformatoren in neuen Wechselrichterschaltungen eher selten zum Einsatz.

MPPT-Steuerung, Wechselrichterregelung und Schutzmaßnahmen

Bei sämtlichen Wechselrichterschaltungen werden die aktuellen Werte für Stromstärke und Spannung am Ausgang eines PV-Panels gemessen. Diese Messung dient zur Ermittlung des optimalen Arbeitspunkts, also des Punktes, an dem sich die maximale Leistung aus dem PV-Panel entnehmen lässt (Maximum Power Point, MPP). Der Stromstärke-Messwert wird auch als Eingangsgröße für den Regelkreis des Wechselrichters benötigt und gleichzeitig für den Schutz gegen Kurzschluss oder Überlast verwendet. In den Strom- und Spannungs-Messwandlern kommen Hall-Sensoren mit oder ohne Rückkopplung zum Einsatz.

Bei Wechselrichtern ohne Transformator und bei Wechselrichtern mit HF-Übertragern muss der Gleichstrom, den ein Wechselrichter in das Netz einspeisen darf, auf einen Maximalwert zwischen 10 mA und 1 A begrenzt werden - entsprechend der unterschiedlichen, für die verschiedenen Länder gültigen Standards, relevant sind insbesondere IEC 61727 [2], IEEE 1547 [3], UL 1741 [4] und VDE 0126-1 [5]. Dies erfordert Messwandler mit hoher Genauigkeit (besser als 1 %) sowie sehr geringen Driftwerten für Offset und Verstärkung. Für diese Anforderungen eignet sich ein Fluxgate-Messwandler mit Gegenkopplung.

Bei Wechselrichtern ohne Transformator und ohne galvanische Isolation können Erdableitströme auftreten (Bild 1). Unter anderem ist dadurch mit folgenden Gefahren zu rechnen:

  • Die Kapazität zwischen Solarpanel und Dach kann einen Pfad für Ableitströme bilden.
  • Jeder Erdableitstrompfad vom Stromnetz zurück zum PV-Panel kann das Panel selbst auf Netzspannungsniveau anheben. Dies führt bei Berührung möglicherweise zu einem elek-trischen Schlag.
  • Ableitströme können elektromagnetische Störungen, Verzerrungen der Netzspannung und des Netzstromes sowie Verlustleistung verursachen.

Die Messung des Erdableitstromes für Schutzzwecke sollte im Idealfall kontaktlos und nicht-invasiv erfolgen. Ableitströme mit Netzfrequenz (50/60 Hz) sind meist klein und liegen typischerweise im Bereich von 300 mA. Mit einer Differenzstrommessung über alle Netzleiter lassen sich diese als Reststromkomponente erfassen.

Diese Messung muss in der Lage sein, eine plötzliche Fehlerstrom-Zunahme um 30 mA zu erkennen, die beispielsweise auftritt, weil eine Person das PV-Panel in diesem Moment berührt. Von dem Messsystem werden eine hohe Genauigkeit und vor allem eine geringe Offset- und Verstärkungsdrift gefordert, damit diese kleinen Stromstärken erfasst werden können.

Bei einem Wechselrichter ohne galvanische Trennung können als Folge von Isolationsfehlern Erdschlussströme auftreten. Eine Sicherheitsschaltung muss solche Ströme erkennen können. Je nach Fehlerort und abhängig davon, ob das PV-Panel geerdet ist oder nicht, kann dieser Fehlerstrom ein Gleich- oder Wechselstrom sein (Bild 2).

Hier gelten ähnliche Anforderungen wie für die Messung von Leckströmen. Obwohl nach wie vor wichtig, ist in diesem Falle keine so hohe  absolute Genauigkeit gefordert, da Kurzschlussströme größer als Ableitströme sind.

Alle diese Fehlerstrommessungen, die in Wechselrichtern ohne galvanisch trennenden Transformator erforderlich sind, zählen zu den grundlegenden Sicherheitsanforderungen - und diese müssen alle einschlägigen Normen erfüllen.