Die Hauptursache für Oberschwingungsverzerrungen in photovoltaischen Stromerzeugungsanlagen sind die heutzutage überall verbreiteten nichtlinearen Leistungselektronikbauteile, insbesondere PV-Wechselrichter und verschiedene Schaltvorrichtungen. Eine aktuelle Studie zur Netzintegration aus dem Jahr 2024 hat etwas Interessantes zu diesem Problem herausgefunden. Demnach stammen etwa zwei Drittel aller an Solarparks gemessenen Oberschwingungsströme tatsächlich von sogenannten Spannungsquellenwechselrichtern, während diese ihre Aufgabe erfüllen, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Was hier geschieht, ist technisch gesehen ziemlich einfach, aber gleichzeitig auch komplex. Diese Wechselrichter erzeugen hochfrequente Schaltoberschwingungen im Bereich von etwa 2 bis 40 Kilohertz, bedingt durch ihre Pulsmodulationsverfahren (kurz PWM) sowie bestimmte Interleaving-Methoden. Es gibt jedoch auch andere Faktoren, die erwähnenswert sind. Transformatoren können unter bestimmten Bedingungen in die Sättigung geraten, und wenn mehrere Wechselrichter in großen Solarparks zusammenarbeiten, können sie sich wechselseitig beeinflussen und dadurch zusätzliche Oberschwingungen erzeugen.
Wenn Oberschwingungen nicht kontrolliert werden, verringern sie laut der Forschung von Ponemon aus dem vergangenen Jahr die Systemeffizienz um etwa 3 bis 7 Prozent. Dies geschieht, weil Leiter mehr Energie verlieren und Transformatoren stärker erwärmen, als sie sollten. Wenn die Spannungsverzerrung über 5 % THD steigt, treten Störungen sehr schnell auf. Schutzrelais funktionieren dann nicht mehr ordnungsgemäß, und Kondensatoren neigen zu unerwarteten Ausfällen. Das Problem verschärft sich auch für Wechselrichter. Solche, die in einer Umgebung mit vielen Oberschwingungen betrieben werden, weisen eine Isolationsalterung etwa 15 bis 20 % schneller auf, was häufigere Reparaturen und höhere Kosten zur Folge hat. Besonders kritische Situationen entstehen, wenn Resonanz zwischen der Induktivität des Netzes und den Ausgangsgrößen von PV-Wechselrichtern auftritt. Dieser Effekt verstärkt bestimmte Oberschwingungen so stark, dass die Geräte manchmal irreparabel beschädigt werden.
Weltweit haben Normungsorganisationen ziemlich strenge Vorschriften erlassen, wonach die Gesamtschwingungsverzerrung der Spannung (THD) unter 5 % liegen und die Stromoberschwingungen an den Anschlusspunkten an das Stromnetz 8 % nicht überschreiten dürfen. Für Photovoltaikanlagen mit einer Leistung über 75 Kilowatt gilt zusätzlich eine Anforderung gemäß dem Standard IEC 61000-3-6, der spezifische Messungen dieser Oberschwingungsemissionen vorschreibt. Die Einhaltung dieser Vorschriften erfordert in der Regel den Einsatz verschiedener Minderungsmaßnahmen. Dazu gehören beispielsweise die Entwicklung von Wechselrichtern mit verbesserten Schalttopologien oder die Installation aktiver Leistungsfilter. Heute verlangen die meisten Aufsichtsbehörden eine kontinuierliche Überwachung der Oberschwingungen in Solarparks, um kostspielige Geldstrafen aufgrund von Netzstabilitätsproblemen durch übermäßige Oberschwingungsanteile zu vermeiden.
Aktive Leistungsfilter oder APFs bekämpfen störende Oberschwingungsverzerrungen in Solaranlagen, indem sie schädliche Ströme in Echtzeit erkennen und kompensieren. Sie arbeiten mit Stromsensoren und DSP-Technologie zusammen, um die Lastströme zu analysieren und selbst kleinste Oberschwingungsprobleme wie Verzerrungen dritter Ordnung herauszufiltern. Einige Feldtests haben tatsächlich gezeigt, dass APFs die Gesamtharmonischen Verzerrungen in Solaranlagen mit einer Nennleistung von 500 kW im Vergleich zu herkömmlichen passiven Filtern um fast 88 % reduzieren können. Eine derartige Leistung macht einen großen Unterschied hinsichtlich Systemstabilität und Effizienz.
Die Überwachung des Netzstroms erfolgt kontinuierlich mithilfe von Hall-Sensoren, die diese Oberschwingungssignale mit einer recht guten Genauigkeit von etwa einem halben Prozent Fehlergrenze erfassen. Anschließend folgt eine intensive numerische Verarbeitung durch fortschrittliche DSP-Algorithmen, die exakt gegenphasige Ausgleichsströme erzeugen, um die detektierten Oberschwingungen zu kompensieren. Werfen Sie einen Blick auf die Ergebnisse der Forscher aus ihrer Arbeit im Jahr 2023 zu Echtzeit-Kompensationstechniken. Dort zeigten sie, dass aktive Leistungsfilter, wenn sie mit Schaltraten von bis zu 20 Kilohertz arbeiten, nahezu alle störenden Oberschwingungen fünfter und siebter Ordnung innerhalb von nur zwei Tausendstel Sekunden unterdrücken können. Ziemlich beeindruckende Technik für jeden, der tagtäglich mit Fragen der Energiequalität zu tun hat.
Diese Regelungsmethode trennt die momentanen Wirk- (p) und Blindleistungsanteile (q) unter Verwendung von Clarke-Transformationen. Durch die Synchronisation mit der Netzspannung über Phasenregelschleifen (PLLs) hält die p-q-Methode einen Leistungsfaktor von über 0,98 aufrecht, selbst bei Strahlungsänderungen von bis zu 30 %. Untersuchungen zeigen, dass dieser Ansatz den Blindleistungsbedarf im Vergleich zu herkömmlichen PI-Reglern um 72 % reduziert.
Dieses System nimmt diese Kompensationssignale und wandelt sie mithilfe einer sogenannten Space-Vector-PWM-Modulation in tatsächliche Schaltbefehle um. Heutzutage basieren die meisten aktiven Leistungsfilter auf IGBT-Invertern, die dank cleverer Totzeitkompensationstechniken eine Effizienz von über 97 Prozent erreichen, wodurch die störenden Schaltverluste reduziert werden. Untersuchungen verschiedener Forschungspapiere zu PWM-Spannungsquellwandlern zeigen, dass diese Konstruktionen Harmonische über Bandbreiten hinaus kompensieren können, die weit über 2 kHz liegen. Und hier ist noch etwas Wichtiges: Sie halten die gesamte harmonische Verzerrung unter 4 % und erfüllen damit alle Anforderungen des neuesten IEEE-519-Standards aus dem Jahr 2022.
| Parameter | Herkömmlicher Filter | Aktiver Leistungsfilter |
|---|---|---|
| Reaktionszeit | 50–100 ms | <2 ms |
| Behandlung der Oberschwingungsordnung | Fest (5., 7.) | 2. bis 50. |
| THD-Reduzierung | 40–60% | 85–95% |
| Anpassungsfähigkeit | Keine | Dynamische Lastverfolgung |
Die korrekte Integration aktiver Leistungsfilter (APFs) in Photovoltaikanlagen erfordert eine sorgfältige Einrichtung und geeignete Regelstrategien, um die Einhaltung der Netzstandards sicherzustellen und gleichzeitig eine hohe Stromqualität aufrechtzuerhalten. Die meisten modernen Anlagen setzen auf Shunt-APF-Konfigurationen, da diese parallel geschaltet werden und dadurch harmonische Störgrößen in Echtzeit kompensieren können, ohne die eigentliche Solarstromerzeugung zu beeinträchtigen. Laut einer 2023 über IntechOpen veröffentlichten Studie nutzen etwa 89 Prozent aller neuen Groß-Solaranlagen derzeit solche Shunt-APFs, die zusammen mit Phasenregelkreissystemen (PLL) arbeiten. Diese Systeme ermöglichen eine sehr präzise Ausrichtung an die Netzspannung, typischerweise mit einer Abweichung von weniger als einem halben Grad. Eine derartige Genauigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistungsfähigkeit dieser Solaranlagen.
Shunt-APFs arbeiten, indem sie gegenläufige Oberschwingungsströme über Spannungsquellrichter in das Netz einspeisen. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:
Adaptive Regler verbessern die Oberschwingungsunterdrückung unter wechselnden Einstrahlungsbedingungen, indem sie die Verstärkungsparameter automatisch anpassen. Feldtests im Jahr 2024 zeigten, dass adaptive Systeme die Gesamtharmonischen Verzerrung (THD) von 8,2 % auf 3,1 % unter Teilverschattung senkten und dabei feste Regler in der transienten Antwort um 42 % übertrafen.
Drei Hauptintegrationsansätze dominieren moderne PV-Anlagen:
| Methode | THD-Reduzierung | Implementierungskosten |
|---|---|---|
| Zentraler APF | 82-91% | $15,000-$35,000 |
| String-Ebene APF | 74-86% | $8,000-$18,000 |
| Hybrid-APF-PV-Wechselrichter | 89-95% | Integriertes Design |
Eine Analyse von ScienceDirect aus dem Jahr 2024 zeigte, dass hybride Systeme den Energieertrag im Vergleich zu eigenständigen APF-Lösungen in 500-kW-Solaranlagen um 6,8 % steigerten.
Hybride photovoltaik-aktive Leistungsfilter-Systeme verwenden heute spezielle Wechselrichter, die sowohl die Energieumwandlung als auch die Reduzierung elektrischer Störungen gleichzeitig übernehmen. Die neuesten Konzepte integrieren die Leistungsfilterfunktion direkt in die Haupt-PV-Wechselrichtereinheit. Laut einer Studie von Wong und Kollegen aus dem Jahr 2021 reduziert dies den benötigten Bauteilebedarf um etwa 37 % im Vergleich zu separaten Komponenten. Diese Systeme funktionieren durch intelligente Schalttechniken, die es ihnen ermöglichen, den maximalen Solarenergiepunkt zu verfolgen und gleichzeitig unerwünschte Oberschwingungen zu kompensieren. Sie nutzen gemeinsame Schlüsselkomponenten wie DC-Zwischenkreiskondensatoren und IGBT-Module, wie sie in den meisten modernen Elektroniken verwendet werden. Praxisnahe Tests zeigen, dass diese Anlagen die Gesamtharmonischenverzerrung unter 3 % halten, was beachtlich ist, zumal sie gleichzeitig Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von etwa 98,2 % in elektrische Energie umwandeln. Ziemlich beeindruckend für eine Technologie, die hilft, unsere Stromnetze sauberer zu machen und erneuerbare Energien effizienter zu nutzen.
Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulationen von 500-kW-Hybridsystemen zeigen 89 % schnellere Harmonischenreaktionszeiten im Vergleich zu herkömmlichen passiven Filtern. Eine Studie aus dem Jahr 2024 zum Bereich erneuerbare Energien ergab, dass adaptive Regler in PV-APFs Spannungsschwankungen unter Teilbelichtungsbedingungen um 62 % reduzieren. Praxisanwendungen zeigen eine anhaltende THD-Unterdrückung unter 5 % über mehr als 1.200 Betriebsstunden hinweg, selbst bei 30 % nichtlinearer Lasten.
Ein kommerzieller Solarpark beseitigte durch die Integration von PV-APF Überhitzungsprobleme an Transformatoren infolge von Oberschwingungen. Das eingesetzte Hybridsystem umfasste acht 60-kVA-Dual-Funktions-Wechselrichter in Parallelanordnung und erreichte folgende Werte:
Die Nachinstallation-Überwachung bestätigte die Einhaltung der IEEE 519-2022-Standards unter Szenarien mit 25 % variabler Bewölkung.
Aktive Leistungsfilter helfen dabei, die Grenzwerte der Netzspannungsregelungen einzuhalten, indem sie die gesamte harmonische Verzerrung (THD) unterhalb der kritischen Schwelle von 5 % halten, wie sie in den IEEE 519-2022-Standards festgelegt ist. Laut aktuellen Studien aus dem Jahr 2023, die zwölf großflächige Photovoltaikanlagen untersuchten, erhöhen diese Filter den Leistungsfaktor typischerweise um 0,15 bis 0,25 und reduzieren Spannungsunsymmetrien um etwa zwei Drittel. Besonders wertvoll machen sie ihre Fähigkeit, plötzliche Spannungseinbrüche zu bewältigen, die auftreten, wenn Wolken über Solarmodule ziehen – ein Phänomen, das die Netzstabilität erheblich stören kann. Die meisten modernen Netzanforderungen erlauben nicht mehr als 10 % Spannungsschwankungen, und aktive Filter erfüllen diese Anforderung zuverlässig unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
Schwankungen der Sonneneinstrahlung erzeugen unerwünschte Interharmonische im Frequenzbereich von 1 bis 2 kHz, die Standard-Wechselrichter einfach nicht effektiv bewältigen können. Um dieses Problem zu bekämpfen, setzen aktive Filter eine echtzeitfähige Pulsweitenmodulation mit Reaktionszeiten unter 50 Mikrosekunden ein, wodurch diese harmonischen Verzerrungen erfolgreich eliminiert werden. Feldtests haben beeindruckende Ergebnisse gezeigt: Bei den Interharmonischen im Bereich von 150 bis 250 Hz wurden Reduktionen von etwa 85 bis 90 Prozent beobachtet. Diese Verbesserungen sind entscheidend, da sie verhindern, dass Transformatoren überhitzen, und gleichzeitig die Leitungsverluste in photovoltaischen Anlagen mit einer Leistung über einem Megawatt um rund 12 bis 18 Prozent senken. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich, wenn diese Filter zusammen mit Energiespeicherlösungen eingesetzt werden, wodurch Spannungsflimmern während plötzlicher Änderungen der Solarenergieerzeugung deutlich reduziert wird. Laut industriellen Messungen werden Unterdrückungsraten zwischen 60 und 75 Prozent erreicht.
Aktive Leistungsfilter sind zwar anfänglich etwa 30 bis 40 Prozent teurer als passive Alternativen, gleichen dies jedoch durch deutlich bessere langfristige Einsparungen aus. Diese Systeme arbeiten typischerweise mit einer Effizienz von 92 bis 97 Prozent, wodurch sich die jährlichen Wartungskosten über einen Zeitraum von fünf Jahren um rund 18 bis 22 US-Dollar pro Kilowatt verringern. Noch attraktiver machen sie ihre modulare Bauweise. Anlagen können diese Filter schrittweise installieren und den Betrieb dennoch reibungslos aufrechterhalten, da die eingebaute Redundanz eine harmonische Verzerrung von weniger als einem halben Prozent sicherstellt, selbst wenn ein einzelner Filter gewartet werden muss. Es gibt allerdings einen Haken: Die ordnungsgemäße Inbetriebnahme dieser Systeme erfordert zusätzliche Investitionen in Höhe von etwa 4,50 bis 6,80 US-Dollar pro kW, die zu den Installationskosten hinzukommen. Für kleinere Anlagen unter 50 Megawatt bedeutet dies, dass vor der Entscheidung, ob die langfristigen Vorteile die höheren Anfangskosten rechtfertigen, sorgfältige Kalkulationen erforderlich sind.
Die primären Quellen von Oberschwingungen in photovoltaischen Kraftwerken sind Spannungsquellrichter, die zwei Drittel der Oberschwingungsströme verursachen, sowie Wechselwirkungen zwischen mehreren Umrichtern oder gesättigten Transformatoren.
Oberschwingungsverzerrungen können die Systemeffizienz um 3 bis 7 % verringern, zu Fehlfunktionen von Schutzrelais und Ausfällen von Kondensatoren führen sowie das Versagen der Inverterisolation um 15 bis 20 % erhöhen.
Die Gesamtharmonischen Spannungsverzerrung (THD) sollte unter 5 % liegen, und die Stromoberschwingungen sollten gemäß mehrerer Normen, einschließlich der IEC 61000-3-6 für Installationen über 75 kW, 8 % nicht überschreiten.
Aktive Leistungsfilter verwenden Stromsensoren und DSP-Technologie, um harmonische Ströme in Echtzeit zu erfassen und zu kompensieren, wodurch die gesamte harmonische Verzerrung im System erheblich reduziert wird.
Obwohl aktive Leistungsfilter die Einhaltung von Netzcodes und die Energiequalität verbessern, sind ihre Anschaffungskosten im Vergleich zu passiven Alternativen höher. Sie bieten jedoch langfristig bessere Einsparungen durch erhöhte Effizienz und geringeren Wartungsaufwand.
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