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Betrieb von Solaranlagen

Kontrolle des Masse-Leckstroms bei Solarzellen-Umrichtern

| Autor/ Redakteur: Stéphane Rollier, Bernard Richard und Martin Keller in Zusammenarbeit mit Hans Welschen* /

Soll eine Solaranlage ans Netz gehen, sind einige Sicherheitsvorschriften zu beachten. So darf einerseits kein Gleichstrom eingespeist werden, andererseits muss sichergestellt sein, dass die Anlage ordnungsgemäß geerdet ist, ohne dass Leckströme fließen. Die Messung dieser Leckströme ist nicht immer trivial.

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Bild: pixelio.de
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( Archiv: Vogel Business Media )

Eine Reihe nationaler Regierungen haben sich im Kyoto-Protokoll dazu verpflichtet, mehr umweltfreundliche Energie zu erzeugen und sämtliche diesbezüglichen Initiativen finanziell zu unterstützen. Man entschied sich dafür, alle Anstrengungen zum Energiesparen und zur Förderungen erneuerbarer Energien zu unterstützen.

Sonnenenergie rückt dabei dank aktueller Rentabilitätsuntersuchungen immer mehr in das öffentliche Interesse. In Bezug auf die erzeugte nutzbare Energie sind die dafür nötigen Investitionen aber wesentlich höher als bei anderen Energiequellen. Dank moderner Elektronik und dem wieder größer gewordenen öffentlichen Interesse hat sich jedoch die wirtschaftliche Bilanz der Solarenergie verbessert. So wurden beispielsweise im Jahr 2006 in Europa Solarpanels mit einer Leistung von 1,2 GW installiert, was einer Zunahme um 36% gegenüber 2005 entspricht.

Deutschland ist vor Japan und den USA führend auf dem Markt für Fotovoltaik. Allerdings konnte Spanien mit einer neu installierten Leistung von 118,1 MW in Solarpanels für 2006 – gegenüber 57,6 MW im Jahr 2005 – aufschließen.

Die Weiterentwicklung der weltweiten Produktion von Fotovoltaikzellen bestätigt diesen Trend: 2006 stellte die Branche Panels mit einer Gesamtleistung von 2,54 GW her, was einem Zuwachs von 720 MW und einer Wachstumsrate von 40% entspricht. Auf Deutschland entfiel dabei mehr als die Hälfte aller Fotovoltaik-Installationen (55%), der Rest verteilt sich auf Japan (17%), das restliche Europa (11%), USA (8%) und den Rest der Welt (9%).

Arbeitspunkt bei maximaler Leistung

Bild 1: Zur Montage sind die Panels meist in Aluminium- oder Stahlrahmen eingefasst (Archiv: Vogel Business Media)

Ein Solarpanel besteht aus einem Array seriell und parallel zusammengeschalteter Solarzellen. Diese Zellen werden dann in Glas und Kunststoff verkapselt. Zur Montage auf einem Dach fasst man die Panels meist in Aluminium- oder Stahlrahmen ein.

Bild 2: Der Zellen-Arbeitspunkt bestimmt die maximale Solarzellen-Leistung. Definiert ist er durch eine Spannung Vm und einen Strom Im. (Archiv: Vogel Business Media)

Heute sind unterschiedliche Zellen auf dem Markt, und ein modernes Panel liefert einen Gleichstrom zwischen 7 und 7,5 A. Andere Modelle wie beispielsweise Dünnfilm-Solarmodule liefern unterschiedliche Stromwerte. Der Zellen-Arbeitspunkt bestimmt die maximale Solarzellen-Leistung. Dieser ist durch eine Spannung Vm und einen Strom Im definiert. Bei Kurzschluss einer Zelle wird ein Konstantstrom geliefert, dessen Wert abhängig von der Intensität des Lichts ist.

Im Leerlauf erzeugt eine Zelle eine Spannung Voc von etwa 0,6 V. Die Gesamtspannung eines kompletten Solarpanels ist von der Zahl der im Panel verbauten Zellen abhängig. Üblicherweise umfasst ein Panel 36, 54 oder 72 Zellen, sodass sich eine Voc von 22, 33 oder 44 V Gleichspannung ergibt. Man verschaltet mehrere Panels in Reihe und/oder parallel miteinander, bis die gewünschte Leistung beziehungsweise die zulässige Maximalspannung erreicht ist. Eine Voc kleiner 120 V gilt unter normalen Bedingungen bei 25 °C als „berührungssicher“.

Im Normalbetrieb hält eine spezielle Steuerroutine das Solarpanel auf dem Arbeitspunkt maximaler Leistung. Dementsprechend erzeugt beispielsweise ein Panel mit 36 Zellen je nach Temperatur eine Spannung von 14 bis 18 V. Zur Optimierung der abgegebenen Leistung steuert man den Arbeitspunkt der Zellen mit Hilfe spezieller Software und dedizierter Elektronik.

Die so erzeugte Elektrizität lässt sich dann auf zwei Wegen nutzen: Entweder in autonomen Installationen zum Laden von Akkumulatoren ohne Anschluss an das Stromnetz. Solche Insel-Installationen machten im Jahr 2006 4% des Marktes aus. Die große Mehrheit, nämlich 96%, bilden Verbundsysteme, aus denen die Energie in Form von Umweltstrom ins Netz zurückgespeist wird.

Wie der Solarstrom ins Netz kommt

Bild 3: Der Anschluss eines Solar-Arrays über einen Umrichter an das Stromnetz lässt sich entweder über einen Transformator oder direkt ohne Transformator (transformatorlos) realisieren (Archiv: Vogel Business Media)

Der Anschluss eines Solar-Arrays über einen Umrichter an das Stromnetz lässt sich entweder über einen Transformator oder direkt ohne Transformator realisieren. Letzteren Anschlusstyp nennt man „transformatorlos“, und dieser besitzt keine galvanische Trennung. Als Transformator kann ein konventioneller 50- oder 60-Hz-Typ zwischen Umrichter und Netz oder ein HF-Übertrager als Teil des Gleichstrom-Abschnitts im Umrichter zum Einsatz kommen.

Auf Grund ihres besseren Wirkungsgrads und ihrer niedrigeren Kosten liegen Designs ohne Transformator für diese Anwendungen im Trend. HF-Übertrager wiegen weniger und sind kompakter aufgebaut – was je nach Design ebenso wichtig ist. Dann gibt es da noch die Frage der Leistung: Je höher die erzeugte Leistung, desto größer müssen die Transformatoren sein. Das führt zu größeren Installationen und höheren Kosten, was auch das wachsende Interesse an Konfigurationen ohne Transformator erklärt.

Bild 4: Prinzip einer vollständig verschalteten Solaranlage (Archiv: Vogel Business Media)

Welches System – ob mit oder ohne Transformator – auch zum Einsatz kommt, die Sicherheit des Gesamtsystems hat höchste Priorität. Die Sicherheit des Bedieners im Kontakt mit dem System steht dabei an erster Stelle. Als erste Maßnahme kann man den Metallrahmen des Solarpanels erden. Bei größeren Systemen ist diese Maßnahme auf Grund der Bauvorschriften Pflicht und hat auch wegen der Gefahr von Blitzschlägen besondere Vorteile. Bild 4 zeigt das Prinzip einer vollständig verschalteten Solaranlage.

Erdung und Masse-Leckstrom

Die Erdung des Gleichstrom-Systemabschnitts ist in den USA zwingend vorgeschrieben. Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers muss diese Verbindung unterbrochen und die gesamte Installation vom Netz getrennt werden. Möglicherweise ist die Erdung in der nächsten Version der Bauvorschriften nicht mehr erforderlich.

In Europa ist eine Erdung des Gleichstromsystems nicht zwingend vorgeschrieben. Allerdings wird das Gleichstromsystem bei einem Umrichter ohne Transformator durch die Umrichter-Elektronik über den Netz-Nulleiter mit Masse verbunden. Um Gleichspannungs-Erdströme zu vermeiden, besitzt das System möglicherweise keine andere Masseverbindung.

In Deutschland und einigen anderen Ländern muss der Isolationswiderstand zur Masse geprüft werden, bevor der Umrichter mit dem Netz verbunden werden und der Betrieb beginnen darf. Eine massefreie Solarpanel-Gleichspannung ermöglicht eine erste Sicherheitsebene: Berührt man einen einzelnen Punkt, so bedeutet das keine unmittelbare Gefahr.

Bild 5: Ein System gilt als massefrei, wenn sein Widerstand gegen Masse größer ist als 1 kO/V oder mindestens 500 kO beträgt (Archiv: Vogel Business Media)

Ein System gilt als massefrei, wenn sein Widerstand gegen Masse größer ist als 1 kΩ/V oder mindestens 500 kΩ beträgt. Obwohl sich ein Fotovoltaik- (PV-)Array massefrei anschließen lässt, wird das Gesamtsystem nur in Abhängigkeit von der maximal möglichen Spannung des PV-Arrays massefrei sein – wenn ein Widerstand gegen Masse bereits installiert ist.

Eine Messung des möglichen Masse-Leckstroms ist nicht möglich, ohne dass man den Strompfad schließt – beispielsweise über einen Widerstand. Dies gilt für beide Systemtypen, Umrichter mit Transformator und übertragerlose Umrichter, da letzterer während der Messung vom Netz getrennt werden muss.

Anforderungen für den Netzanschluss

Die Bauvorschriften fordern den Einsatz eines Reststrom-Bauteils vom Typ B für transformatorlose PV-Systeme. Eine Version vom Typ B, die auf Gleichstrom anspricht, ist erforderlich, weil ein Massefehler im PV-Array einen Gleichstrom erzeugen kann. Ein entscheidender Nachteil solcher Reststrom-Bauteile ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Störpulsen und die Tatsache, dass man sie manuell zurücksetzen muss. Die Integration dieser Funktion in den Umrichter bietet jedoch einige Vorteile:

  • Die Funktion lässt sich mit der erforderlichen Array-Isolationsmessung kombinieren.
  • Die empfindliche Messung kleiner Gleichströme lässt sich durchführen, bevor der Umrichter seinen Betrieb aufnimmt und HF-Schaltsignale die Messung stören könnten.
  • Die Funktion lässt sich mit einem automatischen Reset nach einem „falschen Alarm“ ausstatten.
  • Und nicht zuletzt kann man das AC- und DC-Masseschutzniveau für Personensicherheit (30 mA) einstellen, zugleich aber einen größeren stationären AC-Massestrom zulassen. Dieser Strom ist durch die Kapazität zwischen den Solarzellen und einer Masseebene in der Nähe bedingt. Er darf bis zu 300 mA betragen. Eine plötzliche Veränderung von 30 mA kann dann zu einer Trennung vom Netz führen. Diese Funktion lässt sich über eine Differentialstrommessung realisieren.

Eine weitere Anforderung für den Netzanschluss ist, dass kein Gleichstrom ins Netz eingespeist werden darf. Je nach Land ist der akzeptable Grenzwert unterschiedlich, aber die gängigsten Anforderungen liegen zwischen 0,5 und 1% des Nenn-Ausgangsstroms. Der Gleichstrom-Offset des in der Umrichter-Steuerschleife verwendeten Stromumrichters sollte daher so gering wie möglich sein.

Darüber hinaus sollte man Gleichstrom-Offsets als Folge der IGBT-Schaltverzögerung vermeiden oder so klein wie möglich halten. Der Gleichstrom-Offset kann zu einer Sättigung in den Netz-Einspeisungstransformatoren führen. Um den Gleichstrom-Offset zu verringern, werden gegenwärtig neue Umrichter-Topologien entwickelt.

Darüber hinaus muss man auch den Gesamtklirrfaktor des Ausgangsstroms auf einen von den verschiedenen Netzbetreibern vorgegebenen Wert begrenzen. Dieser Wert variiert je nach dem Land, eine einheitliche Regelung gibt es noch nicht. Beim Auftreten eines dieser Probleme wird in der Regel ein Schütz aktiviert, der die Solar-Installation vom Netz trennt.

Spezialbauteile zur Stromüberwachung

Bild 6: Die CT-Produktlinie von LEM wurde als kompakte, kostengünstige und zuverlässige Strom-Umrichterlösung speziell für die Anforderungen moderner Solar-Topologien konzipiert (Archiv: Vogel Business Media)

Die CT-Produktlinie von LEM wurde als kompakte, kostengünstige und zuverlässige Strom-Umrichterlösung speziell für die Anforderungen moderner Solar-Topologien konzipiert. Dazu kamen bisher meist Reststrom-Bauteile zum Einsatz. Diese Komponenten sind aber ziemlich sperrig und nicht wirklich angepasst an die neuen Anforderungen von Solar-Umrichtern. Weil diese Komponenten sowohl Gleich- als auch Wechselströme mit Spezialbauteilen überwachen müssen, und diese Bauteile auch Frequenzen bis 30 kHz unbeschadet überstehen können müssen, wie sie bei schnellen IGBT-Schaltvorgängen entstehen, ist auch ein Bauteilausfall zu berücksichtigen.

Impedanzmessungen lassen sich auch zur Überprüfung des Isolationswiderstands und für die Erkennung von Massefehlern am Solarpanel einsetzen. Dazu sind drei Messungen erforderlich: eine Impedanzmessung, eine Messung der Veränderung des Widerstandsverhältnisses mit einer Impedanzmessung, um symmetrische Massefehler im Solarpanel zu erkennen, und eine Spannungsmessung – keine einfache Aufgabe.

Bis jetzt gibt es noch keine spezifischen Anforderungen für massefreie Fotovoltaik-Arrays, die über einen Transformator mit dem Stromnetz verbunden sind. Allerdings könnte eine Impedanzmessung zwischen Fotovoltaik-Array und Masse vor dem Hochfahren des Systems der richtige Weg sein, um den echten massefreien Arbeitspunkt zu bestimmen – wie erwähnt, lautet die Anforderung 1 kΩ/V oder mindestens 500 kΩ. Zur Messung dieses Werts eignet sich ein Spannungs- oder Strom-Transducer.

Hochfrequente uns sehr kleine Ströme

Bei geerdeten Fotovoltaik-Arrays, die über einen Transformator mit dem Netz verbunden sind, lässt sich die Masseverbindung über eine Impedanzmessung und/oder eine differentielle Strommessung nachweisen. Differenzielle Strom-Transducer der CT-Serie von LEM können zuverlässig Ströme mit Nennwerten von 100, 200, und 40 mA messen, und liefern dafür beim Nominalstrom eine lineare Ausgangsspannung von 5 V. Die Transducer-Reaktionszeit liegt unter 20 ms bei 80% und unter 60 ms bei 90% des Spitzenstroms.

Die beschriebenen Anforderungen lassen sich mit innovativer Technologie („Fluxgate“) abdecken, sodass auch genaue Messungen von sehr kleinen Gleich- und Wechselströmen möglich sind. Es lassen sich Gleich- und Wechselstrom-Komponenten bis zu einer Frequenz von 30 kHz messen. Die CT-Produkte eignen sich für Leiterplattenbestückung, sie haben kompakte Abmessungen und ein niedriges Gewicht und besitzen eine Öffnung zum Einlegen von Masseleckstrom-Leitungen. Die CT-Serie eignet sich auch für andere Einsätze wie beispielsweise mittelgroße Stromrichter-Anwendungen.

Dank der internationalen Verträge zur Verringerung des durch die Verbrennung fossiler Treibstoffe verursachten Kohlendioxid-Ausstoßes und der von den verschiedenen Regierungen bereitgestellten Förderung ist damit zu rechnen, dass bis zum Jahr 2009 etwa 6 GW an Leistung weltweit durch Solarenergie erzeugt werden können. Um hohe Qualität und Sicherheit zu gewährleisten, spielen elektrische Messungen eine zunehmend wichtige Rolle.

*Stéphane Rollier, Bernard Richard und Martin Keller, LEM, in Zusammenarbeit mit Hans Welschen, Philips Lighting.

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