Simulieren und Testen PV-Wechselrichter prüfen

Technische Verbesserungen im Bereich der Photovoltaik-Anlagen und der Kostendruck, der sich aus dem intensiven Wettbewerb ergibt, sind der Nährboden für das hohe Wachstumstempo dieser Branche. Die Folge ist, dass PV-Anlagen für den privaten und gewerblichen Bereich immer kosteneffektiver werden, speziell wenn man die weltweit gewährten staatlichen Anreize für die Umsetzung umweltfreundlicher Technologien mit in die Kostenrechnung einbezieht. Dabei sind jedoch die umfassenden Prüfanforderungen nicht zu vernachlässigen.

Nach Angaben von Yole Development sind bei Wechselrichtern für PV-Panels in den nächsten fünf Jahren durchschnittliche jährliche Zuwachsraten von etwa 30% bis 45% zu verzeichnen. Der Markt für PV-Anlagen auf Wohngebäuden hatte 2009 ein Volumen von rund 3,8 Mrd. US-Dollar, wovon etwa 5% auf Prüf und Messtechnik entfielen. Der vorhandene Markt für die Prüf- und Messtechnik in privaten Anwendungen umfasst damit 190 Mio. US-Dollar. Dies deckt die Prüf- und Messtechnik entlang der gesamten Wertschöpfungskette ab - angefangen bei der Technik zum Testen der IGBTs und anderen Leistungshalbleitern in den Wechselrichtern bis hin zu jenen Lösungen, die für die Systemspezifikation und die Compliance-Tests benötigt werden.

Die an die Hersteller von PV-Wechselrichtern gestellte Forderung, den rasch wachsenden Anforderungen des Markts gerecht zu werden, kann Schwierigkeiten zur Folge haben. Unter anderem müssen sie die Auswirkungen der folgenden Aspekte auf die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Wechselrichterdesigns beurteilen:

  • Veränderungen bei den elektrischen Parametern und Technologien der PV-Panels (monokristallin, Polysilizium, CdTe-Dünnschicht, CIGS-Dünn-schicht, Konzentrator-PV-Technik, usw.).
  • Weiterentwicklungen bei den Vorschriftenwerken (z. B. IEC 61000-3-15).
  • Änderungen bei den Anforderungen und Preisen der Energieversorgungsunternehmen (EVUs) sowie den staatlichen Stromtarifen und Subventionen.

Von grundlegender Bedeutung für diese Bereiche sind die unzähligen Prüfanforderungen. In der Vergangenheit bezog die Wechselrichterindustrie stets die Sonne und die PV-Arrays direkt in den Prüfprozess ein. Aufgrund der Schwankungen, die kennzeichnend für diese Bereiche sind, zählen die Reproduzierbarkeit und eine konsistente Messtechnik zu den größten Herausforderungen, die es heute beim Test von PV-Ausrüstungen zu bestehen gilt.

Wenn PV-Verfahren das Laborstadium verlassen und in privaten und gewerblichen Anlagen eingesetzt werden sollen, müssen an verschiedenen Punkten Tests vorgenommen werden - beispielsweise bei der Validierung des Produktdesigns, bei der Abnahmeprüfung während der Produktion und bei der Installation. Die Prüfanforderungen ändern sich außerdem, sobald neue Techniken wie zum Beispiel Mikrowechselrichter ins Spiel kommen.

Anstelle eines großen Systems kommen hier mehrere kleinere Wechselrichter zum Einsatz, was den Wirkungsgrad der PV-Anlage erhöht, die Zuverlässigkeit des Systems potenziell verbessert und Sicherheitsbedenken entschärft. Andererseits ist es notwendig, die Ausrüstungen zum Erzeugen der Test-Ansteuersignale für niedrigere Gleichspannungen zu konzipieren und ihnen gleichzeitig eine größere Ausgangsbandbreite zu verleihen, damit sie besser auf die MPPT-Algorithmen (Maximum Power Point Tracking) der Wechselrichter reagieren können.

Die Aufgabenstellung

Unzulängliche Tests können sich gravierend auf den Erfolg eines jeden Produkts auswirken. Schwierig zu implementierende Prüfausrüstungen, Tester mit unzureichender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie Equipment, das sich nicht ohne Schwierigkeiten an andere Teile des PV-Systems anschließen lässt, können die Einführung eines neuen Produkts erheblich verzögern.

Drei Bereiche der PV- und Solartechnologien verdienen eine eingehendere Betrachtung. Gemeint ist die Simulation des PV-Arrays, der Verbraucher im Haus und des öffentlichen Stromnetzes (Bild 1). Noch komplexer wird die Situation bei der Stromerzeugung aus Sonnenlicht durch die fortlaufende Weiterentwicklung bestehender Normen und das Aufkommen neuer Standards. PV-Arrays werden in einer unkontrollierten Umgebung eingesetzt.

Die erzeugte Leistung ist beispielsweise stark von verschiedenen äußeren Umständen abhängig, zu denen die Intensität der Sonneneinstrahlung (wolkenloser oder bewölkter Himmel), die Umgebungstemperatur, externe Verschattungseffekte (beispielsweise durch Zweige oder Schornsteine), Verschmutzung, Vogelkot oder andere Faktoren gehören. Alle diese Elemente wirken sich auf die Fähigkeit des PV-Arrays zur Erzeugung von Elektrizität aus. Der Wechselrichter muss so ausgelegt sein, dass er ein Maximum an Leistung aus dem PV-Array herausholen kann.

Der MPP (Maximum Power Point) wird meist kontinuierlich bestimmt. Deshalb ist die Mehrzahl der PV-Wechselrichter so konzipiert, dass sie zu jedem Zeitpunkt die jeweils größtmögliche Energiemenge aus dem Array entnehmen. Die Wechselrichter arbeiten hierzu in der Regel mit einem MPPT-Algorithmus, der dem Array stets einen Verbraucher mit jenen Werten zur Verfügung stellt und einen optimalen Energietransfer bewirkt. Möchte man in der Entwicklung befindliche oder bereits produzierte Wechselrichter für diese Anwendung testen, kommt als Energiequelle ein SAS (Solar Array Simulator) zum Einsatz, der in der Lage sein muss, das Verhalten eines realen PV-Arrays zuverlässig nachzubilden. Eine immense Aufgabe, wenn man berücksichtigt, dass auf dem Markt Hunderte verschiedener PV-Panels angeboten werden.

Das US-amerikanische NREL (National Renewable Energy Laboratory) unterhält eine SAM-Datenbank (Solar Advisor Model), in der für Hunderte kommerziell angebotener PV-Produkte wichtige Eckdaten wie Voc, Isc sowie Vmpp bei +24 °C und der Standardeinstrahlung von 1000 W/m2 verzeichnet sind. Ein SAS, der auf diese Daten zugreifen und sie für einen realistischen, dynamischen und interaktiven Test des Wechselrichters heranziehen kann, kann sich durch die gesteigerte Produktivität in hohem Maße bezahlt machen.

Viele PV-Wechselrichter erzeugen an ihrem Gleichspannungseingang, an dem die Panels hängen, eine gewisse Welligkeit mit einer Frequenz, die bei einphasigen Wechselrichtern das Doppelte der Netzfrequenz ist (in Europa also 100 Hz). Die Stromversorgungen des Simulators dürfen diese Welligkeit nicht mit ihrer Regelung unterdrücken. Immer mehr Wechselrichter (und praktisch alle Mikrowechselrichter) messen mit hoher Genauigkeit die Amplitude und Phasenlage von Spannung und Strom sowie der Welligkeit, um den MPP des Arrays schnell nachzuführen.

Dieses Verfahren ermöglicht eine wesentlich schnellere Nachführung des MPP als konventionelle Dithering-Verfahren (auch als »Perturb and Observe« bezeichnet). Schnelleres MPP-Tracking resultiert in einem deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad, wenn bei wolkigem Himmel die Stärke der Sonneneinstrahlung ständig wechselt. Mit großer Wahrscheinlichkeit wird diese Technik schon in naher Zukunft in allen PV-Wechselrichtern arbeiten, da den Endanwendern die Gesamteffizienz ihrer PV-Anlagen sehr am Herzen liegt.

Um diese Anforderung zu erfüllen, muss der PV-Simulator also das Spannungs- und Stromprofil eines PV-Arrays auch unter dem Einfluss dieser Welligkeit reproduzieren können. Eine weitere Forderung in diesem Zusammenhang betrifft die Fähigkeit zur Simulation des MPP von mehreren Strings, da die meisten Anlagen aus einer großen Anzahl Panels bestehen.

Simulation der Verbraucher im Haus

Das Simulieren von Verbrauchern in Wohngebäuden erfordert besondere Überlegungen. Zum Beispiel ist zu testen, wie der Wechselrichter auf Verbraucher mit hohem Crest-Faktor reagiert (Scheitelfaktor, das Verhältnis zwischen Scheitel- und Effektivwert einer Welle). Hohe Crest-Faktoren können durch Schaltnetzteile von Fernsehgeräten, Computern oder Mikrowellenöfen verursacht werden oder sogar beim Ein- und Ausschalten eines Kühlschranks entstehen.

Produkte mit Schaltnetzteilen können außerdem Oberschwingungen erzeugen. Die Frage, wie sich alle diese unterschiedlichen Arten von Verbrauchern auf netzgebundene PV-Wechselrichter auswirken, lässt sich mit einem Lastsimulator beantworten. Die Simulation des öffentlichen Stromnetzes gehört zu den neuesten Prüfanforderungen. Hier gibt es nur wenige etablierte Standards, doch sind die folgenden Aspekte für die EVUs relevant:

  • Vermeidung von Inselbetrieb,
  • Gleichstrom-Einspeisung,
  • Netzanomalien wie Phasenverluste, Spannungseinbrüche und -unterbrechungen sowie Frequenzstörungen,
  • mit Oberschwingungen angereicherte Wellenformen, die hohe Anforderungen an die Tracking-Fähigkeit des Wechselrichters stellen.

Zu den Problemen, die auftreten können, wenn die Verbindung zum öffentlichen Netz nicht korrekt ausgeführt ist, gehört der ungewollte Inselbetrieb (Islanding). Die Norm IEEE 1547 definiert Islanding als einen Zustand, in dem ein Teil eines flächendeckenden Stromversorgungssystems ausschließlich durch eines oder mehrere lokale Stromversorgungssysteme über den jeweiligen Verknüpfungspunkt mit Energie versorgt wird, während dieser Teil des flächendeckenden Stromversorgungssystems elektrisch vom Rest dieses Systems getrennt ist. Da der ungewollte Inselbetrieb einer dezentralen Energiequelle Auswirkungen auf die Netzqualität haben und neben Störungen in Einrichtungen zum Schutz des Netzes auch andere Probleme verursachen kann, müssen die Ausrüstungen mit Anti-Islanding-Funktionen ausgestattet sein, die einen solchen Zustand erkennen und für die notwendige Trennung vom Stromnetz sorgen.

Die Normen legen fest, dass ein Wechselrichter bei unterbrochener Netzverbindung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne abschalten muss und der Spannungsanstieg zu begrenzen ist. Tests zum Verifizieren dieser Fähigkeit befinden sich derzeit in der Entwicklung. Für spezifische Anti-Islanding-Tests ist individuelle Hard- und Software erforderlich. Die Spannung aus dem öffentlichen Stromnetz weist in der Regel einen geringen (im Millivoltbereich liegenden) Gleichspannungsanteil auf. Deshalb müssen die Tests auch die Gleichspannungseinspeisung abdecken und Aussagen darüber einholen, wie ein Wechselrichter auf diese DC-Komponente reagiert.

Für eine Netzsimulation müssen die entsprechenden Gleichspannungsanteile vorhanden sein, was sich allerdings bei einigen Stromquellendesigns problematisch gestalten kann. Eine dauerhaft anliegende Gleichspannung könnte die magnetischen Bauelemente des Wechselrichters in die Sättigung treiben und die Ausgangsleistung halbieren. Die IEC ist sich des Risikos solcher Situationen bewusst und arbeitet intensiv an der Entwicklung von Prüfstandards zum Validieren der Wechselrichter-Performance unter verschiedenen anormalen Bedingungen.

Um die Spannungen, Verzerrungen, Einbrüche, Unterbrechungen und anderen Anomalien zu erzeugen, mit denen Endprodukte beim Betrieb am Stromnetz üblicherweise konfrontiert werden, muss die zu Testzwecken verwendete Stromquelle manuell oder per Computer programmierbar sein. Diese Immunitätstests sind geeignet, die Beständigkeit eines Produkts gegen gängige Störungen aus dem öffentlichen Stromnetz zu prüfen. Es sind jedoch zusätzliche Tests nötig, um die vom Produkt selbst möglicherweise erzeugten Störbeeinflussungen zu messen.

Sollen beide Bedingungen erfüllt werden, erfordert dies saubere Wechselstromquellen, die den Prüfling mit Energie versorgen und Energie von ihm entgegennehmen, wobei Letzteres ein regeneratives System voraussetzt. Die Bedeutung von Oberschwingungen gerader und ungerader Ordnung und ihre Auswirkungen auf das Stromnetz sind bestens bekannt. Empfindlichkeiten und Verzerrungen zwischen den Oberschwingungen sind allerdings erst seit kurzer Zeit ein Thema.

Werte zwischen den Oberschwingungen ganzzahliger Ordnung (z. B. 2,6 oder 3,5) können Probleme in gängigen Produkten wie etwa Mikrowellenöfen, Waschmaschinen usw. hervorrufen. Unter anderem können die Sicherheitsschalter solcher Produkte, von solchen Zwischenharmonischen beeinflusst, möglicherweise in ihrer korrekten Funktion beeinträchtigt werden. Alle diese Gesichtspunkte sind bei einem PV-Wechselrichter zu beachten. Sollen Aussagen über die Fähigkeiten und Performance-Werte des Wechselrichters eingeholt werden, sind die Tests mit einer programmierbaren Stromquelle durchzuführen.