Überspannungsschutz: PV-Wechselrichter optimal schützen

In vielen PV-Anlagen müssen die Wechselrichter nicht nur eingangsseitig, sondern auch ausgangsseitig vor Überspannungen geschützt werden. Aber »einfach« ein Standard-Überspannungsschutzgerät zu installieren – das funktioniert oftmals nicht.

Aufmacherbild: Überspannungsschutz bei PV-Wechselrichtern Bildquelle: © Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Überspannungsschutz, der für den Ausgang von PV-Wechselrichtern entwickelt wurde, erhöht langfristig die Verfügbarkeit von PV-Anlagen.

In PV-Wechselrichtern arbeitet eine ganz spezielle Leistungselektronik, um aus der eingangsseitigen Gleichspannung die sinusförmige Ausgangsspannung zu erzeugen. Dazu wird die Leistungselektronik in einer bestimmten zeitlichen Abfolge ein- und ausgeschaltet, sodass ein sinusförmiger Spannungsverlauf entsteht (Bild 1). Aufgrund dieser Ein- und Ausschaltvorgänge ist die Ausgangsspannung jedoch mit Spannungsspitzen überlagert. Dieser Effekt fällt in den Bereich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

 

Grafik: sinusförmiger Spannungsverlauf Bildquelle: © Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Bild 1: Der Wechselrichter macht aus der eingangsseitigen Gleichspannung (grün) eine getaktete Spannung (grau). Diese wird unter anderem mithilfe von Kondensatoren geglättet. Der Augenblickswert der resultierenden sinusförmigen Spannung (blau) hängt davon ab, wie lange uDC angeschaltet ist: Je länger uDC anliegt, umso höher ist die resultierende Spannung. Das Filter reduziert die durch Schaltvorgänge hervorgerufenen Anteile der Spannung mit Frequenzen über 150 kHz.

Normative Situation

Elektrische und elektronische Geräte, die in Europa vertrieben oder nach Europa eingeführt werden, müssen die Vorgaben der EMV-Richtlinie (2014/30/EU) erfüllen. Diese Richtlinie schreibt vor, dass diese Geräte

  • robust gegen eingangsseitige Störungen sein müssen (Störfestigkeit) und
  • Störungen nur in einem begrenzten Maße verursachen dürfen (Störaussendung).

Damit soll eine ungeplante, gegenseitige Beeinflussung verhindert werden.

Die in der Richtlinie enthaltenen Fachgrundnormen zur Störaussendung (EN 61000-6-3:2007/A1:2011 – Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) — Teil 6-3, EN 61000-6-4:2007/A1:2011 – Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) — Teil 6-4) geben Grenzwerte in Abhängigkeit der Frequenz an. In beiden Normen werden Frequenzen über 150 kHz betrachtet, in Teil 6-4 zusätzlich Frequenzen von 0 … 2 kHz. Um Störungen in diesen Frequenzbereichen zu reduzieren, sind verschiedene Maßnahmen anzuwenden, beispielsweise der Einsatz von Filtern. Die Taktfrequenzen von Wechselrichtern liegen jedoch im »Wilden Westen der EMV« – nämlich im einstelligen und unteren zweistelligen kHz-Bereich. Folglich unterliegen Störaussendungen, die durch die Taktung der Leistungselektronik hervorgerufen werden, keiner normativen Beschränkung.

 

Auswirkungen auf Überspannungs­schutzgeräte

Es muss also damit gerechnet werden, dass Störungen in Form von Überspannungen vorkommen können. Sie sind schaltungsbedingt zwischen aktiven Leitern und Schutzleiter/Erde deutlich höher als zwischen aktiven Leitern. Je nach Topologie des Wechselrichters, der Eingangsspannung, der Filtertypen usw. können sie Amplituden von 1000 V und mehr erreichen (Bild 2).

Grafik: Spannungsspitzen Bildquelle: © Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Bild 2: Die sinusförmige Ausgangsspannung (blaugrün, dicke Linie) ist mit repetierenden Spannungsspitzen (grau) überlagert, deren Amplitude der Höhe der PV-Spannung entsprechen kann. Die Spannungsspitzen treten mit der Taktfrequenz der Leistungselektronik des Wechselrichters auf und addieren sich zu dem Augenblickswert der sinusförmigen Ausgangsspannung hinzu.

Überspannungsschutzgeräte – nachfolgend auch SPD (Surge Protective Device) genannt – begrenzen solche Überspannungen. Sie sind darauf ausgelegt, hohe transiente Überspannungen mit einer Dauer von bis zu einer Millisekunde zu begrenzen. Dies können sie jedoch nicht permanent: Sie erwärmen sich bei jedem Begrenzungsvorgang und müssen danach wieder abkühlen. Wird nun ein Standard-SPD auf Varistorbasis den beschriebenen repetierenden Spannungsspitzen ausgesetzt, muss er sie unentwegt begrenzen, sodass er nicht mehr ausreichend abkühlen kann. Die Folge ist eine schnelle Alterung und ein möglicher Ausfall des SPD innerhalb von Tagen bis Monaten anstelle von vielen Jahren.

Damit ein SPD an einem Wechselrichter betrieben werden kann, muss er also diesen repetierenden Spannungsspitzen standhalten. Im Fall einer eingekoppelten Überspannung jedoch muss er die Spannung auf ein Niveau begrenzen, das die zu schützenden Geräte nicht beschädigt. Dieser Spagat wird von zwei SPDs aus dem Hause Phoenix Contact bewältigt. Beide sind so aufgebaut, dass sie erst ab einer gewissen Spannung ansprechen. Diese dynamischen Ansprechspannungen sind so gewählt, dass die SPDs bei den typischerweise auftretenden Spannungsverläufen bei gegebener Nennspannung isolierend wirken (noch nicht leitend werden), also nicht in Aktion treten. Es erfolgt demnach auch keine Erwärmung und keine vorzeitige Alterung der SPDs. Bei eingekoppelten Überspannungen aber leiten die SPDs ab – und begrenzen die Spannung auf ein anlagenverträgliches Niveau.